基于Arduino的汽車智能化系統實訓平臺系統設計

謝智陽　陳紀欽　紀霖菁　陳勝利

摘要：汽車技術趨向于自動化、智能化，汽車的內部電子線路和傳感器均由行車電腦進行控制，但現有汽車教學設備功能單一、操作繁瑣且跟不上汽車智能技術的發展，無法滿足教學需求。為解決現有汽車教學設備的不足之處，以開源硬件Arduino為控制核心，設計了一款汽車智能化系統實驗平臺，經實驗后，該款實驗平臺功能齊全、操作簡單且具備實驗數據可視化等功能，可在高等職業院校同類專業中推廣使用。

關鍵詞：Arduino;智能化;教學設備;傳感器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0147-03

0 引言

車聯網建立在物聯網的基礎進行開發的一種大型汽車服務網絡，將做到車與車，人與車，車與各類網絡基站（網絡服務器）的互聯互通做到信息共享[1]。

物聯網是將物品與互聯網鏈接進行管理，通過采用射頻識別（RFID）傳感器設備檢測，將信息反饋于網絡來實現智能識別、定位、監控和管理等。據調查市面已出現相應RFID實訓實驗控制板，但功能單一且成本高昂。

在2014年6月湖北汽車工業學院申請RFID綜合實訓箱專利[2]中，對現有RFID控制硬件實驗板上單一的功能進行統一，已取得相應的實驗成果。但初學者無法很好理解內部的機械運作控制原理且電子線路復雜后期保養維修的成本較重。本項目將針對這一問題將設計一款運用以Arduino單片機為控制核心，搭建各類傳感器實訓實驗平臺模擬電子機械控制原理，且成品成本低廉，維修簡便，可根據時代發展和教學需求進行更新。

1 硬件設計方案

實訓箱內部板塊劃分為3個區域：顯示監控區、Arduino MCU處理器放置區、各類模塊安裝區，如圖1所示。

1.1 Arduino控制區

本實驗平臺使用Arduino UNO R3單片機代替汽車車載電腦（MCU或ECU）來實現對各類傳感器進行信號采集。Arduino是一款開源電子平臺，包含硬件（各種型號的Arduino模塊）和軟件編輯器（Arduino IDE），其功能齊全，編程簡單，易于上手。利用Arduino在測控和檢測領域應用更為廣泛，而且軟件系統是完全開源，可在網絡上直接找到眾多相應的開源示例代碼。使用Arduino IDE軟件編寫相應的模塊程序燒寫入Arduino UNO R3板（下列簡稱為UNO板）中，利用程序控制各類傳感器工作，收集各類模塊板上的數據反饋到顯示監控區進行顯示。

1.2 各類傳感器模塊安裝區

各類模塊安裝區制作成可拆卸的形式，可將各類傳感器模塊固定在此區域中進行實驗，做完一個模塊的實驗可更換成下一個實驗模塊進行實驗，大大的節約實驗時間，還利用Processing圖形軟件，將實驗過程轉化成圖片投屏演示與實物硬件演示進行同步互動，初學者更能生動形象的了解其工作原理。

Processing是由美國Casey Reas與Ben Fry創造的編程語言，以互動圖形的形式，來學習編程的。使用者可讀取Ardunio的傳感器數據并且把它顯示在屏幕上，這款軟件被廣泛應用于數字多媒體、工業設計、計算機編程教育等領域中[3-4]。

傳感器分模塊搭建的優點：維修簡便，維修費低廉，損壞時可更換配件或整模塊更換，可根據教學需求進行內部模塊開發更新。由于實訓箱內部配置的傳感器較多，以現代汽車上最為常見的溫濕度傳感器、超聲波模塊和輪速傳感器進行舉例說明。

1.2.1 溫濕度傳感器模塊

如圖2 所示，在本模塊中使用到的是DHT11溫濕度傳感器。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，通過簡單的電路連接控制采集本地濕度和溫度。溫濕度傳感器模塊中還添加了蜂鳴器和LCD1602液晶顯示屏，能有效的對DHT11溫濕度傳感器檢測得到的數據進行顯示并利用交互式技術把數據實時傳給Processing圖形軟件進行數據轉換，以圖像的形式顯示在顯示監控區的屏幕上，當溫濕度傳感器檢測數據低于（高于）某一設定值范圍時，同時會觸發蜂鳴器發聲報警提示作用。

1.2.2 超聲波測距模塊

超聲波是一種超出人耳接收頻率的一種聲波，頻率在20 kHz以上。超聲波的波長短、繞射小，它可作為聲波射線并定向傳播。超聲波傳感器被作為一種測距傳感器，能夠感應與障礙物之間的距離信息。現在廣泛運用在汽車與汽車的距離檢測報警（倒車雷達）可以在倒車時對車尾盲角區域檢測等。

利用超聲波檢測物體距離，UNO板將檢測數據發送至LCD1602液晶顯示屏或四位數碼管上進行顯示并通過交互式技術把數據實時傳給Processing圖形軟件進行數據轉換，以圖像的形式顯示在顯示監控區的屏幕上，改變物體距離，使數據發生變化，當檢測到數據低于（高于）程序設置范圍時，同時會蜂鳴器發出聲響。

1.2.3 測速模塊

輪速傳感器在汽車上用于監測汽車行駛中車速，使駕駛員能實時了解汽車的行駛速度，能及時調節行車速度做到安全駕駛，不超速行駛的功能，主要運用于汽車內部的定速巡航系統這套系統中。由于購置輪速傳感器的價格高，在本次實驗研究中使用智能小車上的測速模塊來代替輪速傳感器，實驗效果一致且成本低廉。測速模塊功能結構圖如圖3所示。

智能小車測速模塊采用槽型對射光電傳感器，它由一個紅外發光二極管和一個NPN光電三極管組成，槽寬度為5.9mm。只要有非透明的物體遮擋紅外發光二極管的信號即可輸出TTL低平電進行反饋，信號穩定被廣泛用于小車測速，距離檢測，限位裝置等。

2 傳感器模塊軟件設計

2.1 溫濕度測量實驗軟件設計

溫、濕度傳感器主要運用在汽車內部溫濕度的監控，將車內溫濕度數據反饋與車載電腦（MCU或ECU），并針對現有數據進行處理計算，在輸出相應的電平（高或低）控制車內鼓風機和空調，對車內溫度控制在人體舒適的范圍內，同時起到自動調節、節能的作用。

如圖4所示，首先對UNO板內部程序進行初始化，由UNO板輸出檢測信號發送給DHT11溫濕度傳感器對實時空氣中的溫、濕度進行檢測并讀取數據溫度（T）和濕度（H），進行下一步程序判斷。在此程序內部設定了固定的溫度值和濕度值，如果采集的溫度（T）和濕度（H）超出（低于）設定值，將會觸發蜂鳴器線路中的蜂鳴器發聲報警。此程序中蜂鳴器線路代替了風扇（鼓風機）和空調壓縮機啟動裝置。

2.2 超聲波傳測距實驗軟件設計

超聲波傳感器主要被運用在汽車的倒車雷達上，可以有效的檢測車與車之間的距離、車與車庫墻壁的距離，顯示在汽車車載屏幕上，讓車主實時檢測車尾盲區的情況，當有緊急情況發生時，能及時做出反應。

超聲波傳感器主要運用在汽車車尾車頭處，將汽車前方（后方）檢測數據反饋與車載電腦（MCU或ECU），并針對現有數據進行處理計算，在輸出相應的信號控制蜂鳴器進行預警作用，并將實時距離顯示在LCD1602液晶顯示屏上或四位數碼管上。

如圖5所示為超聲波測距軟件流程圖。首先對UNO板內部程序進行初始化，由UNO板發出檢測信號給超聲波傳感器對實時檢測物體距離（L）進行檢測并讀取數據，進行下一步程序判斷。在此程序內部設定了固定距離（安全距離或極限距離）如果采集的距離（L）超出設定值，將會觸發蜂鳴器線路中的蜂鳴器發聲報警。

2.3 測速實驗軟件設計

利用UNO板上有PWM（直流斬波調速）調速功能輸出引腳，使用可調電阻（電位器）連接UNO板PWM端口，用于調節PWM脈沖寬度對電機進行調速，測速模塊將檢測到的數據經由UNO板上的PID程序進行計算，并通過UNO板上的串口輸出數據在數碼管上顯示實時電機的轉速，如圖6所示，首先對UNO板內部程序進行初始化，啟動電機轉動，調節電位器設置目標值，開啟測速傳感器實時電機轉速，UNO板內部程序運用PID算法將電機實時轉速v（r/min）與目標值進行比較，電機轉速超出（低于）目標值時，UNO板輸出不同的信號對電機轉速進行調控加快（減慢）電機轉動速度，電機實時轉速v（r/min）與目標值相似。

PID算法是由比例（P）、積分（I）和微分（D）三部分組成。PID基本表達式為：

其中：u（t）為 PID 調節器的輸出;e（t）為PID調節器的偏差，即設定值r（t）與實際測量值y（t）的偏差;Kp、1/ T1、TD分別為調節器的比例系數、積分系數和微分系數。PID控制器采用軟件實現，具有很強的靈活性，可以根據具體要求改進部分PID控制算法。其應用領域廣泛;具有原理易懂、易于實現、控制參數獨立、參數選擇簡單等優點。

3 設計總結

傳統實訓箱和實訓臺架，笨重且功能單一無法比較全面的演示及講解，耗時大，且維修，購置成本高，操作復雜，學生無法全面了解課程內容。依照本文所述進行搭建平臺，如圖7所示為實驗箱樣品圖，本實驗箱解決了傳統實訓箱和實訓臺架的占用空間及接線操作繁瑣的問題，使教師及學生在進行演示及實驗易于上手，學生們可以進行嘗試性的二次開發對其內部硬件的更新，有效利用內部資源循環使用。

本文設計的實訓箱操控簡便，只需一臺電腦和實訓箱配合使用就可以實現汽車上所有傳感器的仿真實驗以及原理講解，激起初學者的學習興趣。實訓箱內部可進行硬件更新利用已現有的硬件進行二次開發，實現對現有資源利用。

參考文獻

[1] 銀石立方科技（北京）有限公司編.車聯網技術與應用[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.

[2] 湖北汽車工業學院.RFID綜合試驗箱：CN203941643U[P].2014-11-12.

[3] Reas C. Getting Started with Processing： A Quick， Hands-on Introduction[M]// Getting Started with Processing - a Hands-On Introduction to Making Interactive Graphics.，2010.

[4] 黃文愷，吳羽.Processing與Arduino互動編程[M].北京機械工業出版社，2016.

Design of the Training Platform for the Intelligent Vehicle System Based on Arduino

XIE Zhi-yang，CHEN Ji-qin，JI Lin-jing，CHEN Sheng-li

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Heyuan Polytechnic， Heyuan Guangdong? 517000）

Abstract：Automobile technology tends to be automated and intelligent. The internal electronic circuit and sensors of the automobile are controlled by the microcomputer. However， the existing automobile teaching attachment has a single function， cumbersome operation and cannot keep up with the development of automobile intelligent technology. In order to solve the shortcomings of the existing automobile teaching attachment， an automobile intelligent system experimental platform is designed with the open source hardware Arduino as the control core. After the experiment， the experimental platform has complete functions， simple operation， visualization of experimental data and other functions， which can be promoted and used in similar majors of advanced vocational colleges.

Key words：Arduino;intelligent;teaching;attachment;sensor