实验题目：基于 CDIO 功能可重构的智能小车设计与制作

1. 课程简要信息

实验课程名称：电子系统综合课程设计实验学时安排（课内 $^ +$ 课外）：3周（1 周 $^ { + 2 }$ 周）

学生专业、年级：机械电子工程，机械制造及其自动化，电气工程及其自动化、三年级学生

2. 实验内容与任务（限500字）

设计一款基于 CDIO 功能可重构的智能小车，小车分为手持控制系统和车载控制系统两部分。本实验分为两个层次：基础层和拓展层，基础层为智能小车的基本功能；拓展层为智能小车的工程应用。

基础层（必做）

(1) 手持控制系统

1. 利用声音、机械按键或上位机，构思并设计一种指令输入电路，实现控制信息的采集；2) 根据近红外光或 2.4GHz 电磁波通讯方式，构思并设计一种无线信号发送电路，实现控制信息的传输。

(2) 车载控制系统

1. 构思并设计一种相应的无线信号接收电路，实现控制信息的接收；
2. 利用小型直流可控电机，构思并设计一种行驶驱动电路，实现车载控制系统的远程运动控制，运动包括：前进、后退、左转、右转、加减速和停止；
3. 利用相关传感器，构思并设计两种及以上功能可重构自由组合的自动化运行控制电路，实现车载控制系统的智能运行，运行方式包括：循迹、避障、寻光、寻火、探色和测速等；
4. 利用 LED 或液晶显示方式，构思并设计一种数据显示电路，实现车载控制系统的运行状态监测，可自定义要显示的监测内容。

拓展层（选做）

结合基础层完成情况，构思并合理设计一项工程背景任务，并自行扩展添加相应功能，实现智能车的工程应用，例如：助老助残、环境检测、消防灭火和跳高跳远等。

3. 实验过程及要求（限300字）

基础层（必做）

(1) 手持控制系统设计与制作

1. 掌握单片机的工作原理和接口技术，设计单片机最小系统电路，熟悉 Altium designer、Keiluvision4、Proteus、STC-ISP 的使用；
2. 合理设计供电系统，并根据输入电压范围、所需稳压值和最大输出功率选择合适的稳压芯片；
3. 学习非编码键盘、语音芯片或串口通讯的工作原理，并选择其中一种方式用于指令输入，利用 ISP 下载器，结合上位机软件进行测试；
4. 学习红外、蓝牙、WIFI 或 nRF 通讯原理，选择其中一种方式用于无线发送，注意其通讯特点。

(2) 车载控制系统设计与制作

1. 设计单片机最小系统电路和供电系统；
2. 根据手持控制系统所选择的无线发送方式，确定相应的无线接收方式，并利用红外解码仪或逻辑分析仪观察接收信号；
3. 学习 PWM 信号控制原理，设计直流电机或舵机的驱动电路，并利用波形发生器对其进行调速测试；
4. 对比不同传感器的测量精度和信号输出特性，选择合适的循迹、避障、寻火、寻光、测速和探色传感器，并利用示波器观察输出信号；
5. 学习数码管、点阵或液晶的显示特性和原理，设计显示电路，构思显示内容，并利用 Proteus

软件对其进行仿真测试。

拓展层（选做）

任意构思拓展一项工程背景任务，设计实现工程应用。

完成上述步骤后，分模块焊接、制作、测试系统电路；编写程序，综合调试系统功能，记录调试过程；撰写课程总结报告，并分组答辩，学习不同方案的优点。

4. 相关知识及背景（限150字）

这是一个综合运用单片机、传感器和电工电子技术解决工程实际问题的典型案例，理论知识包括单片机原理与接口技术、模拟电路、数字电路、信号与系统等相关课程；本实验还需运用一些基本工程实践知识，如元器件的选型、电路设计、电路板的焊接、软硬件调试和检测仪表的使用等。

5. 教学目的（限100字）

基于工程项目产品开发背景和CDIO创新性实验设计方法，要求学生能够根据工程项目实际需求，参与到方案构思、自主设计、协作实施和运作考核的过程中。在专业知识方面，使学生掌握单片机控制技术、无线通讯技术、传感器检测技术和电工电子技术；在综合素养方面，使学生的系统思维、自主学习、合作沟通、批判创新等综合能力得到提高，培养成为具有现代工程素质的创新人才。

6. 实验教学与指导

本实验包含若干个完整的工程实践项目，需要经历学习研究、构思论证、设计系统、软硬件实现和运行总结等过程。在实验教学过程中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

表 1手持控制系统教学与指导表

表 2车载控制系统教学与指导表

表 3工程背景任务拓展教学与指导

注：表中的难易程度是在实现同一功能的不同方案之间进行比较。

7. 实验原理及方案

(1) 系统结构(2) 实现方案

注：可自行拓展其他功能

手持控制系统实现方案：指令输入可以采用键盘模块、语音模块或串口通讯，MCU 接收并分析处理输入指令，而后利用红外发送模块或无线发送模块来发送指令。

车载控制系统实现方案：当小车处于无线控制状态下，指令接收采用与指令发送相对应的组件，如红外接收模块或无线接收模块，接收到的指令输出给 MCU，经 MCU 分析判断后控制小车驱动行驶，驱动行驶可以采用电机驱动模块或舵机驱动模块；当小车处于自动化运行状态下，可利用避障模块、循迹模块、寻光模块、寻火模块、探色模块或测速模块的自由组合实现功能可重构，各模块采集相关参数，经 MCU 分析处理后，控制小车智能行驶，并通过 LED 模块或液晶显示模块将数据输出显示。

工程背景任务拓展实现方案：在上述基础上，选择或自行构思一项工程背景任务，如利用机械手模块实现助老助残、环境感知模块实现环境检测、水泵/风扇灭火模块实现消防灭火或跳跃模块实现跳高跳远。

8. 教学实施进程

注：周六、周日实验室正常开放

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

(1) 实验任务及要求
(2) 系统方案设计
(3) 手持控制系统硬件电路设计
(4) 车载控制系统硬件电路设计
(5) 工程背景任务拓展硬件电路设计
(6) 系统软件程序设计
(7) 系统测试
(8) 总结分析

10.考核要求与方法（限300字）

前期考核（15分）：

(1) 系统方案设计：系统方案设计的可行性和合理性；
(2) 系统方案创新：系统实现方案的创新性和新颖性。
中期考核（21分）：
(1) 合作能力考核：实验过程中学生的团队合作、沟通协调能力；
(2) 排错能力考核：实验过程中自主学习、分析和解决问题的能力。
后期考核（64分）：
(1) 实物结果验收：多功能智能小车的基础层和拓展功能的运行质量、模块元件布局、导线连接工艺；(2) 实验报告验收：提交电子版和纸质版实验报告各一份，要求报告内容详实完整，格式规范。

11. 项目特色或创新（可空缺，限 150字）

(1) 融入 CDIO（构思—设计—实现—运作）国际先进教育理念，从工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面实现对学生的培养；(2) 项目知识点全面、综合性强、内容分层次、方案设计选择性丰富，功能可重构性强；(3) 学生可以根据自己的意愿添加想要的功能并进行学习，为学生提供了更大的发挥和创新的空间。

实验案例信息表

附件一：前期考核评分表

附件二：中期考核评分表

附件三：后期考核评分表