基于Arduino開發(fā)環(huán)境的智能小車編程教具設(shè)計

楊鎧睿 姜銳函 徐紅梅

摘要：面向中小學(xué)生設(shè)計一種基于Arduino開源電子平臺的編程教具，由基礎(chǔ)模塊、循跡模塊、傳感器模塊、顯示模塊等部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)自動循跡、數(shù)據(jù)監(jiān)測及顯示的功能。使用者可以在基礎(chǔ)模塊上組裝其他拓展模塊實現(xiàn)不同的功能，程序簡短易懂，便于初學(xué)者掌握基礎(chǔ)編程能力。

關(guān)鍵詞：編程教學(xué);Arduino;傳感器;顯示器

中圖分類號：TP319 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）08-0079-02

隨著人工智能的興起，我國開始注重少兒編程教育對青少兒綜合能力的培養(yǎng)。在國家政策的引領(lǐng)下，2018年浙江省將信息技術(shù)（含編程）列入了高考選考科目[1]，山東省中小學(xué)信息技術(shù)教材中也新增了大量Scratch、Python等編程內(nèi)容，青少年的編程教學(xué)正加快進入公共教育領(lǐng)域[2]?？善囱b編程機器人能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、團隊協(xié)作能力和邏輯思維能力[3]，是實施編程教育的良好載體。為此設(shè)計一款面向中小學(xué)生或其他零基礎(chǔ)編程愛好者的編程教具小車，利用簡短的程序即可控制小車的行進速度和方向，此外還可以自由組裝循跡模塊、傳感器模塊等拓展模塊以實現(xiàn)更多功能。

1 基礎(chǔ)模塊

小車的核心模塊采用Arduino UNO開發(fā)板，具有14路數(shù)字I/O口，6路模擬I/O口，一個16MHZ的晶體振蕩器、一個USB接口、一個電源插座、一個異步串行口和一個復(fù)位按鈕。ArduinoIDE能夠在Windows、Mac OS X等主流操作系統(tǒng)上運行[4]，能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺開發(fā);Arduino語言以C語言為基礎(chǔ)，程序結(jié)構(gòu)簡單，便于初學(xué)者理解掌握。同時，Arduino語言提供大量庫文件，用戶可以自由擴展相關(guān)功能;此外，Arduino開發(fā)方式簡單，可擴展性強，所以本次設(shè)計選擇Arduino UNO開發(fā)板。

驅(qū)動部分選擇N20直流電機，轉(zhuǎn)速高力矩小，適用于對精度和力矩要求不高的場合。由于電機為大電流設(shè)備[5]，不能直接用Arduino引腳控制，所以需使用H橋驅(qū)動芯片L293D進行驅(qū)動。

2 拓展模塊

2.1 自動循跡模塊

循跡模塊由兩個安裝在小車前端朝向地面的紅外傳感器組成，能夠?qū)崿F(xiàn)在淺色地面上遵循黑色軌道自動行進。當(dāng)紅外傳感器位于反光能力強的淺色地面上方時，反射回的紅外線較多，光電傳感器的阻值較小;當(dāng)紅外傳感器位于反光能力弱的黑色軌道上方時，反射回的紅外線較少，此時光電傳感器的阻值較大。將電壓比較器與左右兩側(cè)的紅外傳感器連接，即可通過電壓比較器的輸出電平判斷小車的位置，進而做出相應(yīng)的調(diào)整。

2.2 光感模塊

光感模塊的功能主要由光敏電阻實現(xiàn)，光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的電阻，光照強烈時，阻值減小，光照減弱時，阻值增加。光感模塊的具體電路如圖1所示，根據(jù)OUT端的輸出電壓即可實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，完成光照強度的顯示等功能。

2.3 測溫模塊

測溫模塊選擇LM35溫度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)測量溫度的功能，其輸出電壓與溫度成正比，將溫度用T表示，則電壓與溫度的轉(zhuǎn)換公式如式（1）所示。

測溫模塊的具體電路如圖2所示。

2.4 超聲波模塊

超聲波模塊可以實現(xiàn)2cm-400cm的距離測量功能，共有四個接口，其中VCC接5v電源，GND接地，TRIG（控制端）和ECHO（接收端）接I/O口[6]。初始化時將TRIG和ECHO端置為低電平，首先給TRIC發(fā)送至少10us的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40khz的方波。若有信號返回，則ECHO輸出高電平，高電平持續(xù)的時間即為超聲波從發(fā)射至返回的時間。測量距離的計算公式為：

測量距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2 （2）

2.5 顯示模塊

顯示模塊有七段數(shù)碼管顯示器和LCD1602兩種。七段數(shù)碼管顯示器使用動態(tài)顯示方式，連線方式如圖3所示。由四個共陽極七段數(shù)碼管構(gòu)成，所有段碼線由一個8位I/O口控制，4位位碼線分別控制不同的LED。

LCD1602顯示器是點陣字符型液晶顯示屏，可以顯示兩行的16位字符，有5個電源引腳，3個控制引腳和8個數(shù)據(jù)引腳，每個字符位都有對應(yīng)的RAM地址。

3 程序設(shè)計

由于本次設(shè)計面向中小學(xué)生，所以程序設(shè)計基于循序漸進的原則，便于使用者掌握Arduino程序基礎(chǔ)知識，了解元器件基本原理，使學(xué)生在編寫程序控制小車和拓展功能的過程中，將抽象問題具體化，分析程序功能，提高邏輯思維能力。

圖4為小車自動循跡功能的程序，程序構(gòu)架的第一部分為變量及接口的聲明;第二部分調(diào)用setup0函數(shù)，設(shè)置各引腳的輸入輸出類型和配置串口參數(shù);第三部分在loop0函數(shù)中實現(xiàn)循跡的功能。程序編寫簡單，結(jié)構(gòu)清晰，適于初學(xué)者理解掌握。此外，在實現(xiàn)其他功能時還可以調(diào)用其他庫文件，如LCD控制程序庫LiquidCrystal、舵機控制程序庫Servo等，初學(xué)者即使不了解器件的驅(qū)動原理，也能夠利用庫文件實現(xiàn)相關(guān)功能。

4 總結(jié)

本文設(shè)計了一種面向初學(xué)者的編程教具小車，基本構(gòu)造以Arduino UNO開發(fā)板為控制中心，L293D芯片驅(qū)動四個直流電機。在此基礎(chǔ)上可以安裝紅外傳感器實現(xiàn)循跡的功能，還可以安裝光敏電阻、LM35溫度傳感器、超聲波傳感器等傳感器模塊測量數(shù)據(jù)并通過七段數(shù)碼管或LCD1602顯示器顯示。讓學(xué)生通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)相關(guān)功能的過程，提高對編程學(xué)習(xí)的興趣，掌握基礎(chǔ)編程知識。

參考文獻：

[1]張曉東.基于計算思維培養(yǎng)的小學(xué)編程教學(xué)模式研究——以Scratch編程教學(xué)為例[J].中國信息技術(shù)教育，2019（24）：35-37.

[2]謝麗華.C語言程序設(shè)計教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力[J].電腦知識與技術(shù)，2020，16（2）：171-172.

[3]劉天陽，基于STEAM教育的可拼裝編程機器人調(diào)查與分析[J].中國農(nóng)村教育，2019（15）：75-77.

[4]張本任，熊勇，張加，等.基于Arduino開發(fā)環(huán)境的無人艇控制系統(tǒng)設(shè)計[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2019，41（5）：83-87.

[5]黃海來.新型智能消防小車的研究與實現(xiàn)[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2018，35（3）：127-133.

[6]呂淑芳.基于STC89C52單片機的汽車倒車防撞警報系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（1）：70-71.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

收稿日期：2020-01-15

作者簡介：楊鎧睿（1999-），男，吉林安圖人，本科在讀，主要研究方向為混沌動力學(xué);姜銳函（2001-），男，吉林德惠人，本科在讀，主要研究方向為混沌動力學(xué);通信作者：徐紅梅（1975-），女，博士，副教授，主要研究方向為混沌動力學(xué)。