以智能小车为载体的嵌入式课程体系设计

2020-06-30 21:10:00 来源:电脑百事网 作者:电脑部落

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章飞 吴年祥 钱礼闰

摘要:本文主要探讨了以智能小车为载体的嵌入式项目化课程教学体系的设计构想与实践效果。本文通过大学生智能汽车竞赛项目为基础,分析了其与嵌入式课程需要掌握的知识点的关系,分解出一系列的教学项目模块。然后再将这些分解出的简单模块组合成一个完整的智能小车。这样做不但可以让学生熟悉各知识点的应用方法,还可以提高学生的动手设计能力,从而达到较好的教学效果。

关键词:嵌入式智能小车;STM32微控制器;课程体系设计

中图分类号:G420? ? ? ? 文献标识码:A

文章编号:1009-3044(2019)23-0183-02

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

Design of Embedded Course Based on Intelligent Car

ZHANG Fei, WU Nian-xiang, QIAN Li-run

(Anhui Vocational College of Defense Technology,Luan 237011, China)

Abstract:this paper mainly discusses the design conception and practical effect of the embedded project course teaching system based on the intelligent vehicle.Based on the intelligent automobile competition project of college students, this paper analyzes the relationship between it and the knowledge points to be mastered in the embedded course, and decompositions a series of teaching project modules.Then these simple modules are combined into a complete intelligent car.Do so not only can let the student be familiar with the application method of each knowledge point, still can improve the student's begin to design ability, achieve better teaching effect thereby.

Key words:embedded intelligent car; STM32 microcontroller;curriculum system design

1 引言

1.1 嵌入式技术和课程概述

嵌入式技术是现代电子信息技术发展的重点,和人工智能一起作为智能机器人领域的核心技术。嵌入式系统开发人才已经成为智能型社会人才需求的热点。嵌入式技术近年来发展迅速,嵌入式芯片被大量应用在物联网、智能机器人等领域。目前,嵌入式技术课程已在部分院校作为电类专业核心课程开设。本文所指的嵌入式技术课程指的是以32位微控制器为主的包括硬件设计、软件开发和操作系統相关内容的课程。由于本课程实践性较强的特点,教学中应该强调实践动手能力。

1.2 课程教学中面临的问题和改革探讨

由于嵌入式系统结构复杂,芯片中寄存器太多,学生很难在较短的时间内熟悉,学生普遍感到难以掌握。本课程体系的设计,借助中国大学生智能汽车竞赛的内容,结合当今先进的软硬件技术来设计教学体系和课程内容,能较好地提高学生的学习兴趣。也能较好的推动对学生实践能力的培养。本课程改革的主要目的一是解决学生学习嵌入式技术课程中遇到的困难。在课程改革体系建立后,将会使学生能更好地掌握嵌入式技术各模块的技术应用。

嵌入式技术是竞赛用智能小车设计与开发的核心,在这门课程的教学体系中,将智能小车控制系统分解成模块,设计以这些模块功能作为小项目的课程体系设计,力求使每位学生能在原有的基础上得到提高和发展。

2 课程体系设计

研究嵌入式技术课程项目教学方案,以全国大学生智能车竞赛为蓝本,结合教学中的微控制器芯片和公司实际的案例,建立适合教学的嵌入式技术项目化课程教学体系。

2.1 硬件系统

本课程教学形式采用的是项目一体化教学方式,使用的智能车硬件结构如图1所示:

其中红外传感模块主要用于道路的循迹,蓝牙模块用于和上位机通信,通过上位机来控制小车转向及运行。

1) 矩阵键盘

矩阵键盘使用的地方比较多,像银行取款机等地方使用的都是矩阵键盘,采用4X4的矩阵式键盘,不但可以节约GPIO口,而且可以训练学生具备驱动矩阵键盘的实践能力。

2) 液晶显示模块

本课题的显示模块采用2.8英寸的TFT液晶显示器。在这个模块中,可以教会学生编写液晶显示器的驱动程序,锻炼学生在嵌入式开发中使用液晶显示器的能力。

3) 直流电机驱动

在直流电机驱动模块中,此模块工作电压5V,电机驱动电压范围为4.5V-36V,接线柱输出,方便连接电机,由STM32的GPIO控制电机正转、反转,从而实现前进、后退、左转、右转和停止。

4) 蓝牙模块

蓝牙模块主要用于数据的无线传输。通过蓝牙模块可以实现上位机与下位机的通讯。

5) 红外传感模块

红外传感器利用物体对红外线的反射性质来进行避障和循迹。如果没有障碍物,发射的红外线会随传播距离衰减,直到消失。如果有障碍物,红外线会被反射回传感器接收头。传感器检测到此信号,就可以确认有障碍物,并传送信号给MCU,MCU处理后,发出躲避障碍物的指令来实现避障功能。

6) 超声波传感器模块

超声波传感器主要锻炼学生使用此模块实现发送、接收和控制功能。让学生了解超声波传感器的原理和编程实现控制的方法。

2.2 总体架构

大学生智能汽车竞赛用小车控制系统的基本架构如图2所示:

2.3 嵌入式课程体系设计方案

根据智能小车的硬件结构和实现的功能,对它的各模块进行分解并对应嵌入式课程需要学习的知识点,设计出了图3所示的课程教学体系。

2.4 嵌入式技术课程实施方案

在课程的初始阶段,需要在教师的指导下学习各模块的工作原理和驱动程序的编写方法,这一阶段跟通常项目化教学实施的方法一致。在本校的教学过程中,项目化教学的方式已经发挥了积极的作用。

在课程进行综合性的开发阶段,让学生分组完成设计。在这种模式下,学生可以对智能车的设计分任务实施,可以这样划分任务:擅长电路分析和设计的同学完成电路原理图的设计与绘制,擅长编程的同学编写MCU驱动程序、动手能力强的同学可以完成硬件电路的焊接、调试与小车的组装。这种分工可以发挥学生的特长,小组成员间也形成了互动,可以培养学生分工合作的能力,提高学生学习积极性。

3 总结

本文首先讨论了嵌入式技术目前的情况和课程在教学中出现的一些问题;其次设想将嵌入式技术课程以智能小车为载体来进行教学体系的设计;然后具体讲解智能小车的硬件结构和软件框架。分解出一系列的项目模块。然后再將这些模块组合成一个完整的智能小车,不但可以让学生熟悉各知识点的应用方法,还可以提高学生的动手设计能力,从而达到较好的教学效果。通过长期的教学发现,如果案例过于简洁并脱离实际,学生将无法体会如何将知识应用于现实中;如果案例过于接近真实产品,学生就会把大量的时间关注在与课程无关的细节中。最好先通过简单案例让学生把概念搞清楚,再逐步完成较真实的项目,以智能小车车为案例的项目化教学体系可以满足这些要求。希望通过此文与更多教学专家进行探讨与交流,提高应用技术教育的教学质量。

参考文献:

[1] Simon Monk,Raspberry Pi编程指南[M].2版.人民邮电出版社,2017(1):1-145.

[2] 陈盛闯.基于机器视觉的智能车控制系统研究[D].华南理工大学,2018(4):1-85.

[3] 李鹏勃.基于ARM的智能车控制系统开发研究[D].兰州理工大学,2013(4):1-69.

[4] 贾玉雷.基于嵌入式ARM-Linux的智能车无线监控系统研究[D].兰州理工大学,2013(4):1-74.

【通联编辑:唐一东】

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