智能化背景下機(jī)械專業(yè)遞階式實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究

摘" 要：為了提升非電專業(yè)電子技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐，確保在智能化背景下機(jī)械專業(yè)學(xué)生能夠完整掌握電子技術(shù)課程內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)循跡路線和避障的智能小車，滿足不同學(xué)習(xí)階段同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需求。該小車主控制單元為STM32，避障模塊為HC-SR04超聲波傳感器、道路循跡為TCRT5000紅外傳感器、RC522射頻識(shí)別輔助停車功能，OLED屏顯示障礙距離和小車狀況，有源蜂鳴器進(jìn)行提醒，通過電路設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，學(xué)生可自主規(guī)劃和擺放障礙，并進(jìn)行試驗(yàn)，有助于激發(fā)學(xué)生融入智能制造行業(yè)的興趣。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程；電子技術(shù)；教學(xué)實(shí)驗(yàn)；智能小車

中圖分類號(hào)：TP39；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2025）04-0179-06

Exploration of Progressive Experimental Teaching for Mechanical Majors in the Context of Intelligence

—Taking the Design and Implementation of Intelligent Trolley as an Example

LUO Shuli， GUO Zhanhong， WANG Hongbiao， FU Jingru

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Tarim University， Aral" 843300， China）

Abstract： In order to enhance the electronics application practice of non-electronics majors， ensure that mechanical major students can completely master the electronics course content in the context of intelligence， and strengthen the handson practical ability of students， this paper designs an intelligent trolley which realizes the route tracking and obstacle avoidance， to meet the experimental design needs of students at different learning stages. The main control unit of the trolley is STM32， the obstacle avoidance module is HC-SR04 ultrasonic sensor， the road tracking module is TCRT5000 infrared sensor， and the assisted parking function relies on RC522 RFID. The OLED screen displays the obstacle distance and the trolley status， the active buzzer is used as a reminder， and the various functions are realized through the design of circuits. Students can plan and place the obstacles independently and carry out the experiments， which is conductive to stimulate students' interest in integrating into the intelligent manufacturing industry.

Keywords： mechanical engineering; electronics; teaching experiment; intelligent trolley

0" 引" 言

當(dāng)今大部分的傳統(tǒng)理工類的機(jī)械類學(xué)科，在培養(yǎng)學(xué)生時(shí)依舊以機(jī)械結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)和優(yōu)化為主，但隨著科技的發(fā)展，智能化的領(lǐng)域越來越廣泛，尤其是在汽車電子技術(shù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)電路分析的局限性開始逐漸顯露，而智能化的發(fā)展是引起汽車及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)生顛覆性變革的重要因素[1-2]，所以汽車專業(yè)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)型是必要的。

針對(duì)這一背景，本教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)緊跟汽車電子技術(shù)行業(yè)發(fā)展趨勢，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中偏重經(jīng)典簡單電路設(shè)計(jì)的問題。通過上位機(jī)系統(tǒng)和軟硬件的研究，結(jié)合本科電子競賽智能車設(shè)計(jì)賽道，設(shè)計(jì)操作可行、與實(shí)際生活緊密結(jié)合、難度適中的實(shí)驗(yàn)，從而滿足不同學(xué)習(xí)階段同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需求，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解和掌握，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與熱情[3]。

1" 實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)通過對(duì)不同傳感器進(jìn)行模塊化的處理，只需將自己想用的功能外的程序進(jìn)行注釋，就可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)功能，增強(qiáng)了程序的簡便性和可操控性，整體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)簡單、直觀且具有一定的趣味性，彌補(bǔ)了汽車專業(yè)在控制實(shí)踐方面的不足，豐富了仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)案例庫，使得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更加完善，可以有效地提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性。

為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)單片機(jī)和傳感器知識(shí)的了解，該智能小車采用STM32F103C8T6為中央控制單元，L298N驅(qū)動(dòng)模塊和直流電機(jī)為小車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，HC-SR04為避障模塊，兩個(gè)TCRT5000紅外傳感器實(shí)現(xiàn)道路循跡功能，RC522射頻識(shí)別技術(shù)為輔助小車定位，OLED屏顯示超聲波讀取的距離和RC522讀取卡片，有源蜂鳴器進(jìn)行避障和讀卡提醒，電源由12 V外接電源，智能車功能包括自主避障、紅外循跡、RFID定位。該智能小車結(jié)構(gòu)簡單，組裝靈活，各模塊開發(fā)成熟，價(jià)格便宜，能夠?qū)崿F(xiàn)所設(shè)定的功能。

2" 硬件設(shè)計(jì)

教學(xué)實(shí)踐中，為學(xué)生準(zhǔn)備STM32、HC-SR04、TCRT5000等傳感器模塊，小車底盤、熱熔槍、錫焊等工具，學(xué)生分組合作來完成整個(gè)小車的組裝、代碼的編寫等內(nèi)容，并且自由發(fā)揮來規(guī)劃小車循跡路線和障礙擺設(shè)，這樣不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和合作能力，還可以不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

硬件驅(qū)動(dòng)方面選用了L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊和直流電機(jī)，小車的行走、轉(zhuǎn)向就是通過STM32中央控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的控制，通過對(duì)模塊引腳的高低電壓改變，來顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，兩個(gè)L298N模塊對(duì)四個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，并通過PWM進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向；避障方面選用了HC-SR04超聲波和舵機(jī)的配合，反應(yīng)靈敏，測量范圍廣，價(jià)格便宜；循跡方面選用了TCRT5000紅外傳感器，操作簡單，靈敏；定點(diǎn)停車選用了RC522，通過利用RFID射頻識(shí)別技術(shù)，應(yīng)用新穎，并且是無線識(shí)別技術(shù)以及一對(duì)一識(shí)別卡片，實(shí)驗(yàn)更加靈活，減少出錯(cuò)。外接12 V電源，通過L298N中的降壓模塊以及外接穩(wěn)壓模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的供電，通過不同的程序應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。智能車最小系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

3" 程序軟件設(shè)計(jì)

3.1" 開發(fā)程序環(huán)境和開發(fā)流程

程序的編寫開發(fā)采用Keil uVision5軟件，擁有包括功能強(qiáng)大的仿真模擬器在內(nèi)的一套完整的開發(fā)系統(tǒng)[4-5]。新建工程，選用“STM32F103C8”單片機(jī)，并建立“User”“Hardware”等文件夾來存放代碼，這樣操作邏輯合理，尋找方便。根據(jù)傳感器進(jìn)行代碼編寫，在各個(gè)文件夾下面添加.c文件和.h文件。

由于STM32內(nèi)部擁有幾百個(gè)寄存器，想要使用這些寄存器的功能，僅憑自己來進(jìn)行編寫無非是十分困難的。ST公司考慮到這一點(diǎn)，為STM32F103C8T6微處理器準(zhǔn)備了STM32專屬的固件庫。所以通過上面的過程建立好文件后，就可以將常用的固件庫里的.c文件復(fù)制到各個(gè)文件夾下面即可。STM32軟件設(shè)計(jì)的基本步驟如下：

1）初始化硬件和外設(shè)。當(dāng)選擇好外設(shè)引腳與STM32F103C8T6的GPIO端口的接線后，就要程序編寫的第一步，對(duì)硬件和外設(shè)進(jìn)行初始化，這包括配置GPIO引腳、設(shè)置時(shí)鐘、初始化串口通信、配置中斷等過程。初始化后的硬件和外設(shè)才可以對(duì)其進(jìn)行程序功能編寫。

2）編寫功能代碼。在硬件和外設(shè)初始化完成后，就可以開始編寫實(shí)現(xiàn)外設(shè)所需功能的代碼。

3）調(diào)試和優(yōu)化代碼。在代碼編寫完成后，需要進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。使用開發(fā)環(huán)境提供的調(diào)試工具，對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，確保程序的執(zhí)行效率以及穩(wěn)定性。

4）仿真和驗(yàn)證。對(duì)軟件設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行最后的仿真和驗(yàn)證，通過Keil5的仿真功能，可以確保軟件設(shè)計(jì)程序能夠正常運(yùn)行。開發(fā)流程圖如圖3所示。

3.2" 程序燒錄環(huán)境

完成編程后，就可以將程序燒錄到單片機(jī)中，進(jìn)行測試，這里采DAP進(jìn)行燒錄，DAP軟件提供了一種方便、高效的方式來將程序燒錄到目標(biāo)設(shè)備中，它可以與Keil5軟件無縫集成，簡化了程序下載的過程。通過DAP軟件，我們可以將程序直接燒錄到處理器的內(nèi)存中，使其能夠在實(shí)際硬件環(huán)境中運(yùn)行。圖4為DAP實(shí)物圖。

3.3" 驅(qū)動(dòng)模塊的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

驅(qū)動(dòng)模塊利用STM32的定時(shí)器生成PWM，對(duì)L298N輸出的電壓進(jìn)行脈沖調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制，通過改變PWM波的占空比調(diào)節(jié)直流電機(jī)速度，相比較于交流電機(jī)，通過調(diào)節(jié)PWM占空比可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度可控精度高，速度調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[6]。通過這項(xiàng)技術(shù)，可以對(duì)小車實(shí)現(xiàn)較大范圍的調(diào)速，以及實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向功能，表1為電壓和運(yùn)動(dòng)關(guān)系表。

3.4" 避障模塊的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

HC-SR04超聲波測距模塊是一種先進(jìn)的無接觸式測距器件，提供了2～400 cm的非接觸式距離[7]，可以適應(yīng)各種環(huán)境，應(yīng)用十分廣泛，特別是在機(jī)器人避障、物體測距、液位檢測、公共安防以及停車場檢測等領(lǐng)域。在編寫程序代碼以驅(qū)動(dòng)HC-SR04超聲波測距模塊時(shí)，確實(shí)需要考慮到發(fā)射信號(hào)與回向信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回向信號(hào)的影響，測量周期應(yīng)當(dāng)設(shè)定得足夠長，以允許超聲波信號(hào)完全傳播、反射并返回到接收器。

避障模塊流程如圖5所示，小車首先正常前進(jìn)，超聲波模塊不斷發(fā)出超聲波來檢測前方的距離，當(dāng)檢測到前方距離小于30 cm時(shí)，由中央控制單元處理信息，并發(fā)出指令讓小車停止，然后由舵機(jī)模塊首先帶動(dòng)超聲波模塊向左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行左測距，并將距離存入數(shù)組中，然后舵機(jī)帶動(dòng)超聲波模塊向右側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行右測距，同時(shí)將距離存入數(shù)值，然后中央控制單元比較兩個(gè)數(shù)值的大小，然后下達(dá)向距離遠(yuǎn)的那側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，并不斷循環(huán)程序。

3.5" 循跡模塊的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了完成小車沿黑帶運(yùn)動(dòng)的任務(wù)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)精準(zhǔn)的循跡模塊，使其能夠感知并定位黑帶的軌跡。這一過程中，小車通過傳感器捕捉黑帶的位置信息，隨后將這些數(shù)據(jù)傳輸給中央處理模塊。中央處理模塊對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析，并據(jù)此發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊作出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向或速度調(diào)整，使小車能夠緊密跟隨黑帶的走向。循跡檢測采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏光電晶體[8]。紅外發(fā)射器接收紅外信號(hào)，從而完成高低電平的輸出[9]。循跡邏輯是指紅外循跡傳感器在小車的兩側(cè)，起始狀態(tài)顯示為紅外傳感器接收到紅外線，輸出低電平，指示燈亮，小車前進(jìn)；當(dāng)小車左側(cè)的紅外傳感器檢測到黑線時(shí)，中央控制系統(tǒng)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)并下達(dá)左轉(zhuǎn)的指令，另一側(cè)檢測則相反。圖6為循跡程序流程圖。

3.6" RFID模塊的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

RFID模塊，即無線射頻識(shí)別模塊，是一種集成了RFID技術(shù)的硬件設(shè)備，主要用于讀取和處理RFID標(biāo)簽的信息。它由RFID芯片和相應(yīng)的電路組件組成，并能與其他硬件設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)RFID技術(shù)的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮所用的功能、方便性以及經(jīng)濟(jì)性，所采用的RFID射頻識(shí)別模塊為RC522模塊以及S50射頻卡，用來輔助自動(dòng)行走小車實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)停車的功能。MFRC522是一種應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡芯片[10]。在實(shí)際應(yīng)用中，先將所設(shè)定的數(shù)據(jù)密碼通過RC522對(duì)空白S50射頻卡進(jìn)行寫入，使RC522與S50形成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)RC522識(shí)別到S50射頻卡時(shí)，S50會(huì)對(duì)RC522輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，再由STM32中央控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行下一步操作。

首先通過RC522射頻識(shí)別模塊對(duì)S50射頻卡進(jìn)行寫入，使得STM32的Flash提前儲(chǔ)備了S50的數(shù)據(jù)，后續(xù)直接進(jìn)行讀取就可以實(shí)現(xiàn)所需要的功能。圖7為RC522模塊以及S50射頻卡實(shí)物圖，圖8為定點(diǎn)停車流程圖。

4" 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試是一個(gè)重要的步驟，確保電子設(shè)備的正確運(yùn)行。檢查所有元器件是否完好無損，沒有損壞或缺陷，確保它們可以正常工作。檢查元器件之間的物理連接是否牢固，沒有松動(dòng)或接觸不良的情況等。將之前所述的各模塊電路設(shè)計(jì)，進(jìn)行詳細(xì)的軟件編程工作。為了確保程序的正確性和穩(wěn)定性，采用Keil5軟件作為主要的編程和仿真工具。圖9為Keil5界面。

4.1" 系統(tǒng)程序調(diào)試

通過使用Keil5的仿真功能，可以觀察程序的運(yùn)行是否正常，來判斷程序編寫的正確性，圖10為PWM輸出波形。

4.2" 硬件測試

將元器件按照電氣原理圖進(jìn)行組裝，實(shí)物如圖11所示，組裝完成后就可以運(yùn)行小車來測試功能是否正常工作，并根據(jù)所反饋的現(xiàn)象來對(duì)程序進(jìn)行更改和優(yōu)化。圖12和圖13為小車功能調(diào)試圖。

經(jīng)過調(diào)試測試，排除干擾因素，小車在運(yùn)行中能夠?qū)崿F(xiàn)代碼所設(shè)定的功能。

5" 結(jié)" 論

圍繞電子技術(shù)課程實(shí)踐當(dāng)中同學(xué)們不同學(xué)習(xí)程度對(duì)電路設(shè)計(jì)、程序編寫等的要求，結(jié)合新形勢下機(jī)械專業(yè)智能化發(fā)展的社會(huì)需求，對(duì)汽車專業(yè)電子技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了專業(yè)化遞階設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)案例使得同學(xué)們達(dá)到理實(shí)一體化教學(xué)的目標(biāo)，枯燥的電路分析得到了有效利用，智能車組裝操作，鍛煉了同學(xué)們電路焊接的技能，程序編寫加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)智能化車輛功能的應(yīng)用，從而為我國智能汽車事業(yè)發(fā)展的不同需求提供高質(zhì)量人才。

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作者簡介：羅樹麗（1980—），女，漢族，新疆昌吉人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：機(jī)械工程；通信作者：郭展宏（1993—），男，漢族，河南周口人，講師，碩士，研究方向：機(jī)械工程。

收稿日期：2024-07-21

基金項(xiàng)目：塔里木大學(xué)一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目（TDYLKC202311）；塔里木大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（TDGJYB2406）；塔里木大學(xué)一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目（TDYLKC202102）