谢智阳　陈纪钦　纪霖菁　陈胜利

摘要：汽车技术趋向于自动化、智能化，汽车的内部电子线路和传感器均由行车电脑进行控制，但现有汽车教学设备功能单一、操作繁琐且跟不上汽车智能技术的发展，无法满足教学需求。为解决现有汽车教学设备的不足之处，以开源硬件Arduino为控制核心，设计了一款汽车智能化系统实验平台，经实验后，该款实验平台功能齐全、操作简单且具备实验数据可视化等功能，可在高等职业院校同类专业中推廣使用。

关键词：Arduino;智能化;教学设备;传感器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0147-03

0 引言

车联网建立在物联网的基础进行开发的一种大型汽车服务网络，将做到车与车，人与车，车与各类网络基站（网络服务器）的互联互通做到信息共享[1]。

物联网是将物品与互联网链接进行管理，通过采用射频识别（RFID）传感器设备检测，将信息反馈于网络来实现智能识别、定位、监控和管理等。据调查市面已出现相应RFID实训实验控制板，但功能单一且成本高昂。

在2014年6月湖北汽车工业学院申请RFID综合实训箱专利[2]中，对现有RFID控制硬件实验板上单一的功能进行统一，已取得相应的实验成果。但初学者无法很好理解内部的机械运作控制原理且电子线路复杂后期保养维修的成本较重。本项目将针对这一问题将设计一款运用以Arduino单片机为控制核心，搭建各类传感器实训实验平台模拟电子机械控制原理，且成品成本低廉，维修简便，可根据时代发展和教学需求进行更新。

1 硬件设计方案

实训箱内部板块划分为3个区域：显示监控区、Arduino MCU处理器放置区、各类模块安装区，如图1所示。

1.1 Arduino控制区

本实验平台使用Arduino UNO R3单片机代替汽车车载电脑（MCU或ECU）来实现对各类传感器进行信号采集。Arduino是一款开源电子平台，包含硬件（各种型号的Arduino模块）和软件编辑器（Arduino IDE），其功能齐全，编程简单，易于上手。利用Arduino在测控和检测领域应用更为广泛，而且软件系统是完全开源，可在网络上直接找到众多相应的开源示例代码。使用Arduino IDE软件编写相应的模块程序烧写入Arduino UNO R3板（下列简称为UNO板）中，利用程序控制各类传感器工作，收集各类模块板上的数据反馈到显示监控区进行显示。

1.2 各类传感器模块安装区

各类模块安装区制作成可拆卸的形式，可将各类传感器模块固定在此区域中进行实验，做完一个模块的实验可更换成下一个实验模块进行实验，大大的节约实验时间，还利用Processing图形软件，将实验过程转化成图片投屏演示与实物硬件演示进行同步互动，初学者更能生动形象的了解其工作原理。

Processing是由美国Casey Reas与Ben Fry创造的编程语言，以互动图形的形式，来学习编程的。使用者可读取Ardunio的传感器数据并且把它显示在屏幕上，这款软件被广泛应用于数字多媒体、工业设计、计算机编程教育等领域中[3-4]。

传感器分模块搭建的优点：维修简便，维修费低廉，损坏时可更换配件或整模块更换，可根据教学需求进行内部模块开发更新。由于实训箱内部配置的传感器较多，以现代汽车上最为常见的温湿度传感器、超声波模块和轮速传感器进行举例说明。

1.2.1 温湿度传感器模块

如图2 所示，在本模块中使用到的是DHT11温湿度传感器。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，通过简单的电路连接控制采集本地湿度和温度。温湿度传感器模块中还添加了蜂鸣器和LCD1602液晶显示屏，能有效的对DHT11温湿度传感器检测得到的数据进行显示并利用交互式技术把数据实时传给Processing图形软件进行数据转换，以图像的形式显示在显示监控区的屏幕上，当温湿度传感器检测数据低于（高于）某一设定值范围时，同时会触发蜂鸣器发声报警提示作用。

1.2.2 超声波测距模块

超声波是一种超出人耳接收频率的一种声波，频率在20 kHz以上。超声波的波长短、绕射小，它可作为声波射线并定向传播。超声波传感器被作为一种测距传感器，能够感应与障碍物之间的距离信息。现在广泛运用在汽车与汽车的距离检测报警（倒车雷达）可以在倒车时对车尾盲角区域检测等。

利用超声波检测物体距离，UNO板将检测数据发送至LCD1602液晶显示屏或四位数码管上进行显示并通过交互式技术把数据实时传给Processing图形软件进行数据转换，以图像的形式显示在显示监控区的屏幕上，改变物体距离，使数据发生变化，当检测到数据低于（高于）程序设置范围时，同时会蜂鸣器发出声响。

1.2.3 测速模块

轮速传感器在汽车上用于监测汽车行驶中车速，使驾驶员能实时了解汽车的行驶速度，能及时调节行车速度做到安全驾驶，不超速行驶的功能，主要运用于汽车内部的定速巡航系统这套系统中。由于购置轮速传感器的价格高，在本次实验研究中使用智能小车上的测速模块来代替轮速传感器，实验效果一致且成本低廉。测速模块功能结构图如图3所示。

智能小车测速模块采用槽型对射光电传感器，它由一个红外发光二极管和一个NPN光电三极管组成，槽宽度为5.9mm。只要有非透明的物体遮挡红外发光二极管的信号即可输出TTL低平电进行反馈，信号稳定被广泛用于小车测速，距离检测，限位装置等。

2 传感器模块软件设计

2.1 温湿度测量实验软件设计

温、湿度传感器主要运用在汽车内部温湿度的监控，将车内温湿度数据反馈与车载电脑（MCU或ECU），并针对现有数据进行处理计算，在输出相应的电平（高或低）控制车内鼓风机和空调，对车内温度控制在人体舒适的范围内，同时起到自动调节、节能的作用。

如圖4所示，首先对UNO板内部程序进行初始化，由UNO板输出检测信号发送给DHT11温湿度传感器对实时空气中的温、湿度进行检测并读取数据温度（T）和湿度（H），进行下一步程序判断。在此程序内部设定了固定的温度值和湿度值，如果采集的温度（T）和湿度（H）超出（低于）设定值，将会触发蜂鸣器线路中的蜂鸣器发声报警。此程序中蜂鸣器线路代替了风扇（鼓风机）和空调压缩机启动装置。

2.2 超声波传测距实验软件设计

超声波传感器主要被运用在汽车的倒车雷达上，可以有效的检测车与车之间的距离、车与车库墙壁的距离，显示在汽车车载屏幕上，让车主实时检测车尾盲区的情况，当有紧急情况发生时，能及时做出反应。

超声波传感器主要运用在汽车车尾车头处，将汽车前方（后方）检测数据反馈与车载电脑（MCU或ECU），并针对现有数据进行处理计算，在输出相应的信号控制蜂鸣器进行预警作用，并将实时距离显示在LCD1602液晶显示屏上或四位数码管上。

如图5所示为超声波测距软件流程图。首先对UNO板内部程序进行初始化，由UNO板发出检测信号给超声波传感器对实时检测物体距离（L）进行检测并读取数据，进行下一步程序判断。在此程序内部设定了固定距离（安全距离或极限距离）如果采集的距离（L）超出设定值，将会触发蜂鸣器线路中的蜂鸣器发声报警。

2.3 测速实验软件设计

利用UNO板上有PWM（直流斩波调速）调速功能输出引脚，使用可调电阻（电位器）连接UNO板PWM端口，用于调节PWM脉冲宽度对电机进行调速，测速模块将检测到的数据经由UNO板上的PID程序进行计算，并通过UNO板上的串口输出数据在数码管上显示实时电机的转速，如图6所示，首先对UNO板内部程序进行初始化，启动电机转动，调节电位器设置目标值，开启测速传感器实时电机转速，UNO板内部程序运用PID算法将电机实时转速v（r/min）与目标值进行比较，电机转速超出（低于）目标值时，UNO板输出不同的信号对电机转速进行调控加快（减慢）电机转动速度，电机实时转速v（r/min）与目标值相似。

PID算法是由比例（P）、积分（I）和微分（D）三部分组成。PID基本表达式为：

其中：u（t）为 PID 调节器的输出;e（t）为PID调节器的偏差，即设定值r（t）与实际测量值y（t）的偏差;Kp、1/ T1、TD分别为调节器的比例系数、积分系数和微分系数。PID控制器采用软件实现，具有很强的灵活性，可以根据具体要求改进部分PID控制算法。其应用领域广泛;具有原理易懂、易于实现、控制参数独立、参数选择简单等优点。

3 设计总结

传统实训箱和实训台架，笨重且功能单一无法比较全面的演示及讲解，耗时大，且维修，购置成本高，操作复杂，学生无法全面了解课程内容。依照本文所述进行搭建平台，如图7所示为实验箱样品图，本实验箱解决了传统实训箱和实训台架的占用空间及接线操作繁琐的问题，使教师及学生在进行演示及实验易于上手，学生们可以进行尝试性的二次开发对其内部硬件的更新，有效利用内部资源循环使用。

本文设计的实训箱操控简便，只需一台电脑和实训箱配合使用就可以实现汽车上所有传感器的仿真实验以及原理讲解，激起初学者的学习兴趣。实训箱内部可进行硬件更新利用已现有的硬件进行二次开发，实现对现有资源利用。

参考文献

[1] 银石立方科技（北京）有限公司编.车联网技术与应用[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.

[2] 湖北汽车工业学院.RFID综合试验箱：CN203941643U[P].2014-11-12.

[3] Reas C. Getting Started with Processing： A Quick， Hands-on Introduction[M]// Getting Started with Processing - a Hands-On Introduction to Making Interactive Graphics.，2010.

[4] 黄文恺，吴羽.Processing与Arduino互动编程[M].北京机械工业出版社，2016.

Design of the Training Platform for the Intelligent Vehicle System Based on Arduino

XIE Zhi-yang，CHEN Ji-qin，JI Lin-jing，CHEN Sheng-li

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Heyuan Polytechnic， Heyuan Guangdong  517000）

Abstract：Automobile technology tends to be automated and intelligent. The internal electronic circuit and sensors of the automobile are controlled by the microcomputer. However， the existing automobile teaching attachment has a single function， cumbersome operation and cannot keep up with the development of automobile intelligent technology. In order to solve the shortcomings of the existing automobile teaching attachment， an automobile intelligent system experimental platform is designed with the open source hardware Arduino as the control core. After the experiment， the experimental platform has complete functions， simple operation， visualization of experimental data and other functions， which can be promoted and used in similar majors of advanced vocational colleges.

Key words：Arduino;intelligent;teaching;attachment;sensor