基于OBE 理念的嵌入式单片机课程改革

1. 引言

当下嵌入式单片机类课程已成为众多工科专业的核心专业课程之一，它由硬件系统和软件系统两部分组成，综合实践性较强，各种学科竞赛中应用较多，因此也是各高校最受欢迎的课程之一。但该课程理论知识点多，覆盖学科面广，学生在短时间内掌握其应用和开发难度较大，且容易感到枯燥乏味，知难而退。为改变学生学习现状，引入经典的模拟开发项目—智能小车的设计，将单片机嵌入式的核心知识点巧妙融入智能车的功能中，并按照由易到难的项目式教学法层层推进，在智能车制造完毕的同时真正掌握单片机嵌入式类课程的关键内容，在这过程中能够极大地激发学生地积极性、想象力和创造性，为学生后续从事相关科研工作奠定良好的基础。

2. 教学设计方案

该智能车以STM32C8T6 最小系统为核心控制器，配合LED、按键、直流电机、蓝牙、多种传感器等外设资源形成功能丰富且可扩展的智能车系统。本智能车通过采购或 3D 打印智能小车底盘车架，利用面包板和杜邦线将 STM32 最小系统控制器与各外设模块进行搭接形成硬件系统，利用Keil μvision5 软件编写相应控制和驱动程序，使学生设计实现一辆功能完整的智能小车。学有余力的同学可在此基础上进行扩展升级，参加各类学科竞赛，实现“教- 赛-创”三位一体融合。

1.1 硬件模块选择

基于STM32 的嵌入式系统智能车系统硬件模块主要有：STM32C8T6 最小系统核心板，组合式智能车架（直流电机、减速机构、空心胎车轮）、直流电机驱动模块、蓝牙模块、锂电池、红外传感器模块、超声波模块、电源模块等部件组成。

（1）智能车核心控制器

智 能 车 核 心 控 制 部 件 选 用 STM32C8T6 最 小 系 统 板， 它 采 用 ARMCortex-M3 处理器，主频高达 72MHz，内置 64KB 的 Flash 存储器和 20KB 的SRAM，有多个定时器、USART 接口、SPI 接口、I2C 接口、12 位分辨率的ADC 模块和 DAC 模块等，作为经典的入门级 STM32 型号，价格亲民，在满足智能小车功能需求的前提下，能够有效控制成本，适合学生项目、DIY 爱好者以及一些对成本敏感的小型量产项目。

（2）直流电机与车架

直流电机组与车身架包括亚克力材质的智能小车底盘架，智能车底盘尺寸为 260mm*155mm，在车底盘上安装4个直流减速电机、4个塑胶防滑车轮、20 线测速码盘。

（3）直流电机驱动模块

直流电机属于大功率器件，GPIO 口无法直接驱动，需要配合电机驱动电路来操作，在本项目中使用 TB6612 芯片，它是一款双路 H 桥的直流电机驱动芯片，可同时独立控制两个直流电机的正转、反转、停止和刹车，通过STM32 输出的逻辑电平信号和 PWM 信号，能够精确地控制电机的转向和速度，从而实现小车的各种运动姿态。TB6612 内置的过热关断、欠压锁定和过流保护等功能，可以有效保护智能小车的电机和电路系统。

（4）无线遥控模块

无线遥控模块采用 HC05 蓝牙模块，它是一款常用的串口通信模块，智能车通过 HC05 蓝牙模块与手机配对连接后，可以利用手机端的蓝牙调试软件发送控制指令，如前进、后退、左转、右转、加速、减速等，HC05 模块接收这些指令并通过串口传输给智能车的主控芯片，主控芯片再根据指令控制电机驱动模块，从而实现对智能车运动状态的远程控制。

（5）避障模块

避障模块采用 HC_SR04 超声波测距模块，它由 VCC、TRIG 控制信号、ECHO 接收信号和 GND4 个引脚组成，其使用方法为 TRIG 控制信号保持 10μs以上的高电平之后等待 ECHO 接收信号输出高电平，当 ECHO 接收信号变为高电平时应立刻开启计时器计算时间，当 ECHO 接收信号变为低电平时停止计时器计时，此时计时器所计时间及时声波的收发时间再通过公式计算出被测距离：被测距离 （高 电平保持时间 * 声速）/ 2；声速约等于 340m/s 。

（6）循迹模块

循迹模块主要用作黑白循迹功能，采用 TCRT5000 传感器，它的红外发射二极管不断发射红外线，黑色具有较强的吸收能力，当循迹模块发射的红外线照射到黑线时，红外线将会被黑线吸收，D0 输出高电平，模块上的LED 灯灭。由此STM32 可通过判断D0 的状态而调整小车的行进方向，使其可沿黑线行走。

1.2 软件框架

软件设计是智能车控制系统的重要组成部分，也是本门课程的学习重点和难点，对硬件进行合理有限的编程，才能保证智能小车各项功能正常实现。本案例中采用 STM32C8T6 作为主控芯片，使用标准库函数以搭积木式的项目式方法进行编程。统筹课程内容，将该课程中所要掌握的知识点编程内容与智能车各功能模块结合起来：

项目一：智能车转向灯/ 状态灯控制对应STM32 通用输入/ 输出接口；

项目二：智能车电机速度控制对应STM32 的GPIO 接口和PWM 原理和接口；

项目三：智能车按键控制小车状态对应STM32 的外部中断系统；

项目四：智能车的蓝牙控制功能对应STM32 的串行通信；

项目五：智能车超声波避障功能对应STM32 的定时器应用和中断的应用；

项目六：智能车的红外循迹功能对应 STM32 的输入 / 输出接口的综合控制。

以上项目结合嵌入式单片机基础验证性实验，在小车调试中，通过分别观察各功能模块的测试效果，可帮助学生理解和掌握基础知识、基本原理、程序的编写和调试技能。最后，对智能车各功能模块进行联动调试和功能验证，可增强学生解决问题的能力，同时使理论知识变得具象化。

3. 总结

本教学内容和教学模式已在机械专业的学生中进行了一轮验证。学生利用面包板和杜邦线进行了硬件搭建，这个过程方便学生反复调试，同时可节省硬件电路焊接的成本和时间，再结合软件程序进行综合调试，使绝大多数同学在课堂时间内能便可完成上述智能车的功能，学习效率和学习兴趣得到了较大的提升，此外，还激发了一些学生自主探索和学习嵌入式课程的内驱力，他们愿意利用课余时间进行高阶学习，完成智能车功能的优化和升级，同时也增加了参加学科竞赛的积极性和自信心。

这样的以产出为导向，以学生的学为中心的教学模式不仅能加深学生对嵌入式单片机类课程理论和工作原理的了解，更是提升了实践教学效果，提高了学生的应用能力和创新能力。

参考文献：

[1] 冼进. 基于STM32 的教学智能小学和设计与试验[J]. 微型电脑应用，2022，38（09）

[2] 张启龙.“以学为主，项目驱动”的嵌入式系统课程教学设计研究——以基于STM32 的智能小车项目为例[J]. 电脑知识与技术，2023，19（30）

[3] 杨峰 , 谷峥 . 基于 OBE 理念的单片机原理与应用课程教学实践 [J].集成电路应用 ,2024,41(01)

[4] 基于OBE 理念的“嵌入式系统设计”课程教学改革研究. 王晓莹. 信息系统工程 ,2023(12)

[5] 基于 STM32 单片机的智能小车设计 . 唐志军 ; 何欣荣 . 电子制作 ,2024(01)

课题：2023-2024 年度校级教育教学改革研究与实践项目：智能车与单片机课程融合教学模式探索，课题号：2023XJJG025 ；

2024 年度教育科学研究课题：新工科背景下机械专业“赛学研创”应用型人才培养模式研究，课题号：J202436。