实验题目：工训小车系统实践

1. 课程简要信息

课程名称：工程训练（电子工程综合实践）

课程学时：24

项目学时：24（课内） $+ ~ 2 4$ （课外）

适用专业：电子信息类

学生年级：本科一年级第三学期

2. 实验内容与任务

工训小车系统实践以智能循迹工训小车设计与制作为依托开展的电子系统入门实验，是一个综合性较强的实验课程，包含了电路图识别与应用、电路焊接、调试、单片机编程、机械结构组装等过程。学生通过工训小车的设计与制作，能够对整个电子系统设计过程有一个深刻了解，有利于提升学生的工程实践和创新思维能力。

1）任务

基于 Arduino 开发板设计并制作一个具有防碰撞、自动寻线行驶的工训小车系统，要求小车能够在既定的起始位置按照引导线行驶至设定的终点位置，如图 1所示，工训小车需要完成H型寻迹，H的尾端(宽线,宽度约为 5cm)表示终点区域，另外窄线宽度约$2 \mathrm { c m }$ ，表示行驶路径。

图1工训小车测试轨迹

2）要求

(1) 出发位置，可选择 A、B 和 C 任意一个区域作为起始位置，从 A 区出发评分总分为 40 分，B 区出发评分总分为 45 分，C 区出发评分总分为 50 分。

(2) 按照指定路线行驶到达终点并停车。说明：技术不限，路径不限，可自行添加引导线或其他辅助设施（添加的引导线如果降低技术，可能技术分会降低。）

3. 实验过程及要求

1）电源系统设计，利用面包板搭建电源系统，使其能够给 Arduino、电机及其他逻辑和传感器提供 3.3V和5V供电，验证结束后，完成 PCB 板电源部分焊接；
2）掌握红外传感器和碰撞开关原理和用法，基于面包板搭建简易红外传感器和碰撞开关，利用示波器观察两者输出信号，验证结束后，完成 PCB 板红外传感与碰撞开关部分焊接；
3）完成车轮与电机的组装，学会区分电机的正负极，利用电机完成车轮正转和反转控制，验证结束后，完成 PCB 板电机部分焊接；
4）掌握红外测速传感器工作原理与性能指标，利用搭建红外测速电路，验证结束后，完成 PCB 对应焊接；
5）完成整个工训小车硬件 PCB 焊接，确保无虚焊漏焊，进行 Arduino 编程功能测试；
6）利用Arduino 对红外传感器、碰撞开关、电机部分进行测试，完成碰撞开关感应、车轮转速和转向控制等功能；
7）利用工训小车系统完成 H型寻迹功能，通过调试进一步提高寻迹效果；
8）实验验收与总结。

4. 相关知识及背景

工训小车是一种结合了多种电子信息技术的智能设备，它不仅需要运用到模电、数电、微处理器等技术，还需要掌握传感器及检测技术、自动控制原理、电路图识别与应用等方面的知识。学生通过工训小车的设计和制作，不仅可以加深对这些关键课程的理解，还可以掌握电子系统设计和制作的完整流程，提高学生的综合能力和实践能力，拓宽学生的知识面。

5. 实验环境条件

实验工具：电烙铁、焊锡丝、斜口钳、吸锡器、松香、镊子、面包板

实验仪器：直流稳压电源、万用表、数字示波器、笔记本电脑(学生自带)

软件平台：Arduino IDE

电子元器件：碰撞开关、线性稳压 LM7805、红外传感器、电机、L293D、红外测速传感器、电阻电容导线若干、系统PCB 板，如图2所示。

图 2 实验器件

6. 教学目标与目的

智能循迹是无人驾驶技术的重要部分，本项目以具有一定趣味性的智能循迹工训小车设计与制作为切入点，紧密结合实际应用需求，将其作为大二学生的电子系统入门应用，能够有效激发学生学习兴趣和持续性深入学习。本项目教学目标以完成三大培养为主，分别是：知识培养，技能培养以及素质培养，如图3所示。

图 3 项目教学目标

7. 教学设计与实施进程

1） 课前预习准备

(1) 回顾先修实验课程中学过的面包板电路搭建、PCB 电路焊接和仪器仪表使用等知识技能。
(2) 从在线学习资源库中下载所有学习资料，阅读系统简介和课程计划, 查阅学习PID控制算法，了解其控制原理。
(3) 准备焊接工具、万用表等实验工具，为上课做好准备。
2） 课堂教学
(1) 以当前热门的无人驾驶技术为背景引出本实验项目。播放整个工训小车焊接组装和实现寻迹功能的视频，激发学生动手实践的兴趣。
(2) 引导学生了解复杂智能系统其实是由基本的传感器感知、MCU 计算与控制、响应器件等部分组成，多者之间协同运行实现整个系统的功能。帮助学生透过现象看本质和消除畏难情绪。
(3) 带领学生认识器件包中的元器件。并按照电源模块、碰撞开关模块、红外循迹传感器模块、电机驱动模块、红外测速传感器模块的顺序依次介绍电路原理。让学生在正式焊接之前先在面包板上搭建单个模块电路，借助仪器仪表观测电路输出信号，让学生更加深刻地理解各模块电路的工作原理，在后续焊接出错导致电路功能故障时，有利于学生能够根据电路原理独立思考如何调试硬件电路。
(4) 带领学生回顾正确的焊接方法，容易出错的地方提醒学生不要犯错，强调焊接顺序和每个焊点的焊接工艺好坏会直接影响整个系统是否能够正常运行。学生开始焊接。
(5) 焊接完成后，装配电池或者利用直流稳压源供电。上电后，让学生用万用表测试电源电压是否正常，确保电路没有短路后，带领学生学习 arduino 开发平台的安装和使用方法，准备下载测试代码测试各硬件模块的功能是否能够正常运行。
(6) 待各硬件模块功能测试通过后，讲解 PID 算法思路，提供基础的参考代码，让学生自主编写和调试出完整的循迹代码，实现综合验收任务 H型寻迹。
(7) 验收时，教师记录每位同学的工训小车的起点位置、从起点开到终点的时长、寻迹路线平顺程度、工训小车停车点与终点之间的距离，以此给出指标分数，再根据焊接工艺和寻迹算法，给出技术分。
(8) 课堂小结。邀请优秀作品的学生做心得分享，并对学生遇到的共性问题进行再次讲解。通过目前市面上功能更丰富的智能小车和无人驾驶技术展示，引发学生在课后思考如何能够实现其他多样的功能。

(9) 邀请学生参加校级电子设计竞赛。校级电子设计竞赛培育组赛题基于本实验项目设置了更高难度的避障、寻光和运送货物至指定仓库等任务要求。学生可以利用本实验中制作的工训小车加装其他传感器模块完成这些任务要求，该过程能够激发学生的自主研究和创新潜能。

3） 课后思考和总结

(1) 学生根据实验报告要求撰写实验报告,并附上课程心得，鼓励学生记录实验过程中遇到的问题以及解决方法。

(2) 课后时间参加校级电子设计竞赛，在本实验项目工训小车基础上自主思考与探索。

8. 实验原理及方案

1）系统结构

工训小车系统由电源模块、传感器模块、电机模块以及基本外设（按键、LED 灯组成），具体如图4所示

图 4 系统结构

2）实施方案(1) 电源模块

工训小车系统需要用到的器件有电机、Arduino 控制器、红外传感器、电机驱动以及其他一些芯片。Arduino 控制器需要使用 $+ 5 \mathrm { V }$ 电压，传感器模块则一般采用 $+ 3 . 3 \mathrm { V }$ 供电，而电机驱动往往需要很大的电流来驱动，所以为了减小稳压芯片的负荷，一般选择电源电压通过电机驱动芯片直接驱动电机。考虑到系统各模块供电需求，拟采用两节 2节锂电池（7.4V）作为电源直接供给电机驱动板。Arduino 控制器的供电要求较为苛刻，需要直流 5V 供电。故本设计选择一个 7805 稳压模块，将外接电池电压降到 5V，最大电流 1.5A。输出端使用大容量电容来保证输出电压平稳，不受电机的影响。而 Arduino控制器自带 $+ 3 . 3 \mathrm { V }$ 供电系统，可为传感器和其他芯片供电，完成系统电源模块设计需求，具体电源模块设计如图 5所示

图5电源供电模块

(2) 传感器模块

为了保障工训小车自动循迹的顺利进行，除了对工训小车当前行驶是否处于设定轨迹内之外，还需要对工训小车速度、和周边是否存在障碍物进行判断以保障工训小车行驶安全。本项目分别采用红外测速传感器、红外循迹传感器以及接触式传感器来采集工训小车速度、轨道行驶状态(是否偏轨)以及四周是否存障碍物等工训小车状态信息。红外测速传感器、红外循迹传感器以及接触式传感器是几种常用的简易智能小车传感器，具有结构简单、价格低廉等优点，非常适用于大量消耗的教学器材。另外，采用接触式碰撞检测，对于轻质障碍物，工训小车可以不用避闪直接推开障碍物。

(3) 电机驱动模块

本课程是针对电子电工基础较为薄弱的大二学生开展的，为了降低课程实施难度，系统尽可能采用结构简单，控制方便的电机驱动方式。直流减速电机不需要复杂的大电流电路才获取大扭矩，可采用减速齿轮来提高在电流一定的条件下的扭矩，通过牺牲电机的转速来获得较大的扭矩，有利于简化驱动电路。因此，项目拟采取 L293 驱动直流减速电机，L293内部使用三极管作为电子开关，集成了三极管驱动，包含了 2组H桥，可以同时控制两个电机的转速和方向，具体电路如图7所示。

图 6 传感器模块

图 7 电机驱动电路

(4) Arduino 编程及调试思路

Arduino 编程学习步骤

$\textcircled{1}$ 学习示例代码，了解代码结构以及各部分组成的含义。

$\textcircled{2}$ 按照实验手册，逐个测试各模式是否功能正常，若不支持，则逐步排查元件和代码是否有问题。
$\textcircled{3}$ 上传原始代码，根据车辆实际行驶情况，修改及添加必要的代码以修正速度及轨迹。

$\textcircled{4}$ 修改核心参数以达到最佳效果。

Arduino 代码调试思路如图 8 所示

图8程序调试思路

9. 实验报告要求

实验报告采取“总-分-总”阐述形式

1）引言：简要介绍自动循迹小车技术发展，介绍循迹小车技术的背景和应用场景，简要介绍本次实验所用的工训小车系统组成和原理，并给出系统框图；
2）各部分实验描述：分别对系统框图中的每一部分实验进行描述，需包含实验方案讨论、实验设备、实验原理、实验步骤，结果与分析等常规报告内容，并记录实验过程中出现的问题以及解决方法，回答各部分实验留下的课后思考习题；
3）系统软硬件联调测试方法；
4）系统综合实验数据及分析，应对整个工训小车系统进行综合测试，并记录测试数据。同时，对测试数据进行分析和总结，并提出改进建议；
5）对本次课程进行总结，并分享自己的心得体会。同时，还可以给出课程建议，以便改善和完善课程内容和教学方法。

10.考核要求与方法

实验课程考核总分为 100 分，分为三部分：现场系统验收（50 分），实验报告（20分），平时表现（30 分,教师根据学生平时表现评分）具体考核内容如表所示

系统验收评分表

实验报告评分表

11.项目特色或创新

本项目的特色和创新在于：

1. 综合性：本实验课程综合了多门课程的知识和技能，例如模电、数电、微处理器等电子信息技术，以及传感器及检测技术、自动控制原理、电路图识别与应用等方面的知识，使学生能够全面地掌握电子系统设计和制作的完整流程。

2. 实践性：本实验课程采用“学以致用”的教学方法，通过实际操作和制作，让学生深入理解电子信息技术课程的知识，掌握实践操作技能，并提高解决实际问题的能力。

3. 可拓展性：本项目可作为一个基础项目，通过增加、改变、调整组件和代码，可以扩展到其他领域的项目中，不仅可以提高了学生的学习兴趣和创造力，还为他们未来的研究和职业发展提供了广阔的空间。

4. 课赛结合性：工训小车系统实践课程也可以与学科竞赛相结合，这种结合不仅可以增强学生的竞赛经验，还可以为学生未来的职业发展打下坚实的基础。

项目实施佐证材料

图9教务系统该课程截图

图 10 学生作品
图 11 实验现场

图 12 学生实验项目验收