实验题目：智能寻迹电动小车的设计

1. 课程简要信息

课程名称：微处理器与接口技术课程设计
课程学时： 两周
项目学时： 两周
适用专业：电子信息工程专业、通信工程专业
学生年级：三年级上学期

2. 实验内容与任务

1）设计以单片机为核心，基于传感器数据采集和PID 反馈控制的智能电动小车，实现电动小车的智能寻迹控制；

2）智能电动小车可显示行车的时间、速度及路程；

3）小车可沿着有内圈外圈的类似数码管8字的轨迹行走完内圈路程；

4）小车可沿着有内圈外圈的类似数码管8字的轨迹行走完外圈的路程；

5）小车可沿着有内圈外圈的类似数码管8字的轨迹行走完全部的路程；

6）设计两辆小车，两辆小车可沿着有内圈外圈的类似数码管8字的轨迹行走不碰撞，并有一次超车走完全部路程；

7）两辆小车可沿着有内圈外圈的类似数码管8字的轨迹行走不碰撞并两小车各有一次超车走完全部的路程；

8）在完成上述第7点时用时最少。

3. 实验过程及要求

1）学习直流减速电机转向、转速的控制方法并设计或选择相应驱动电路模块以实现对电机的正反转及调速控制；

2）学习直流减速电机编码器的工作原理，实现对电机转动状态的读取；

3）学习各类传感器的采集方法，读取传感器数据并处理；

4）选择基于合适单片机的硬件平台，针对该平台设计程序实现读取传感器数据，实现基于PWM 信号的电机调速控制以及基于编码信号的电机转动状态读取；

5）学习了解 PID 控制原理及其参数整定方法，选择合适的调试平台完成小车系统 P、I、D 参数的整定；

6）设计测距及通信电路或选择对应的模块实现两智能小车之间的通信与避障；

7）撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

4. 相关知识及背景

这是一个针对运动系统的典型案例，在生活和实际工程中都有类似的应用。需要综合运用传感器及其检测技术、直流电机驱动控制技术、通信控制技术、计算机控制技术等， 还进一步涉及了 PID 的反馈控制系统的实现、运动自动控制系统抗干扰等概念与方法。

5. 实验环境条件

为该项目实施提供光电传感器、灰度传感器、OPENMV摄像头传感器，TB6612、L298N 等电机驱动模块电路，两智能车支架，带传感器编码器测速的直流减速电机、锂电池，STM32F103、STM32F407、89S51、ARDUINO 系列主控芯片等各种硬件器件、模块；直流稳压电源、锂电池充电器、数字万用表、示波器等仪器；基于 KEILMDK 的 STM32 软件开发平台、基于 QT 的 PID 参数整定平台等软件平台。

6. 教学目标与目的

在教学过程中通过对简单运动系统自动控制的实现，引导学生认知什么是微处理器控制并学习利用传感器、执行机构、控制算法等构建反馈控制系统的方法，同时培养学生从各种渠道收集、整理资料后进行方案论证的能力以及根据技术参数的需要选择元器件、设计电路、系统调试的能力，并通过测试与分析对系统性能做出评价。

7. 教学设计与实施进程

本项目是一个比较典型的趣味性较强的也是比较系统的工程应用项目，需要经历文献学习、方案论证、系统设计、实现调试、设计总结、交流等过程。实验过程需给学生一些设计思路的启发，并在设计过程中给予适当指导，鼓励学生进一步拓展功能。在教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）介绍直流电机的分类和特点，要求学生学习直流减速电机的控制方法，控制其正反转、PWM 信号的调速控制等，以及通过对霍尔或光电编码器数据的读取获取电机转速信息等。
2）要求学生编写程序读取霍尔或光电编码器数据，将之与示波器观测的波形做比较。
3）要求学生编写程序产生 PWM 信号，并按要求改变占空比，实现对电机调速的控制。
4） 根据检测范围、检测精度、分辨率、转换频率等参数选型合适的传感器。
5） 介绍 PID 反馈控制的基本原理、系统组建方法及参数整定方法，要求学生讨论并提出两小车在寻迹过程中的运行速度的自动控制方案。
6） 要求学生完成电路设计、焊接、程序编写、软硬件测试调试。
7） 在设计完成后，组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

整个实践过程中注意学生设计的规范性，包括设计方法、电路绘制、电路搭建和调测等方面；注意方式方法的指导，调试过程中要引导学生观察光强、光照角度等对系统指标的影响，对电路稳定性和可靠性的影响。

8. 实验原理及方案

1） 系统结构

2） 实现方案

首先，可供选择的轨迹检测传感器有光敏二极管、灰度传感器、摄像头传感器等，学生可根据自己的实际情况进行选择。

其次，测距传感器可供选择的有光电接近传感器、超声波测距传感器、红外接近传感器等，学生可根据自己的实际情况选择。

对执行单元中直流减速电机的控制，由数据处理单元产生的 PWM 调速控制信号通过驱动电路驱动电机完成。其中电机驱动电路可利用场效应管自行设计或使用驱动芯片如 L298N、TB6612 等学生可根据自己的实际情况选择。

对直流减速电机转速的采集可通过霍尔编码器或光电编码器实现，学生可根据自己的实际情况选择。

如下图所示为学生的实际作品：

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验分析：查阅、了解设计的意义及相关技术的国内外发展现状；
2）实现方案论证：对比、论证设计方案，确定技术路线；
3）实验过程设计：围绕设计目标完成特殊元器件选型与硬件电路设计，软件系统设计；
4） 实验数据记录：硬件电路及软件系统的调试过程记录数据记录测试记录；
5）数据处理分析：以测试数据为基础，结合理论，按照科学分析方法对实验数据进行归纳、总结，获得相应的结论或结果，实验中出现的故障及解决方法；
6）实验结果总结：根据实验数据进行分析和问题的讨论与思考。

10.考核要求与方法

1）实物验收：设计方案的合理性、系统的功能与性能指标的完成程度，完成时间长短；

2）实物质量：小车外观、元器件布局、焊接质量、组装工艺、工作量等；

3）自主创新：电路设计的创新性、对基本 PID 控制算法的改进；

4）设计成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择的合理性， 是否存在材料或元器件性能的浪费；

5）调试能力：是否具备独立思考能力，是否具备发现并解决问题的能力；

6）设计报告：设计报告图、表的规范性内容的完整性；

7）演讲答辩：PPT 内容展示表达能力应变能力和回答的准确性。

11.项目特色或创新

本项目涉及较多的仪器设备测量及过程调试等，需熟练应用万用表，示波器等，涉及模拟电子电路，数字电子电路，电路分析，电子线路CAD，传感器，通信，微处理器，电机控制，自动控制等相关知识是一个典型的运动控制系统。该系统的硬件部分可由多种方案设计实现，软件部分中控制方法也可由多种方法实现，且控制效果的差别明显。