EE电子工程 嵌入式系统专题：基于Arduino闭环控制的智能执行器设计与多场协同仿真研究【大学组】

• 适合年级 (Grade): 大学生及以上

• 适合专业 (Major): 电子工程、嵌入式系统、微机电、CAD、机器人学专业或对上述专业领域感兴趣的学生

• 学生需要具备大学高等数学基础、能熟练使用Matlab及CAD等工程模拟仿真设计工具（详见Syllabus附件）

• 建议选修: EEE电子与电气工程核心：电路与电子器件

Michael终身正教授在麻省理工学院取得博士学位，并于1979年加入普利斯顿大学，并从1998年起担任普林斯顿大学机械与航天工程系本科主任并连任至今。Micheal教授同时是可调谐激光设计、激光光谱学、机电一体化、空间望远镜设计和STEM教育方面具有专长的实验学家，导师的研究兴趣还包括自动控制、可调谐激光设计和仿生机器人，导师曾荣获富兰克林研究所荣誉终身成员、美国工程教育学会成员等成就。他目前的主要研究项目是“类地行星发现者”，该项目涉及设计和控制高对比度日冕仪。

Professor Michael has been a faculty member in the Department of Mechanical and Aerospace Engineering since 1979.He is an experimentalist with expertise in tunable laser design, laser spectroscopy, mechatronics, space telescope design, and STEM education. He is the Director of Undergraduate Studies in the MAE Department. His research interests include automatic controls, tunable laser design, and bio-mimic robotics. His principal research concerns the Terrestrial Planet Finder, a project involving design and control of a high contrast coronagraph.

任职学校

普林斯顿大学（Princeton University），是世界著名私立研究型大学，位于美国新泽西州的普林斯顿市，是八所常春藤盟校之一。 普林斯顿大学培养了2位美国总统、12位美国最高法院大法官和众多美国国会议员。同时，普林斯顿大学与附近的普林斯顿高等研究院（IAS）共同构成了世界著名的理论研究中心，对基础数学、理论物理学、经济学等学科的发展影响深远。截止2018年8月，共有70+位诺贝尔奖获得者在普林斯顿大学工作或学习过，位列世界第十；另有13位世界计算机最高奖图灵奖得主（世界第五）、15位世界数学最高奖菲尔兹奖得主（世界第三）在普林斯顿工作或学习过。 2025年度，普林斯顿大学在泰晤士高等教育世界大学排名中位列世界第4、在U.S.News世界大学排名（US News）中位列世界第18、在QS世界大学排名中位列世界第22。

嵌入式是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。得益于嵌入式产业涉及的广泛领域，嵌入式技术近年来得到了飞速的发展。

An embedded is a specialized computer system that is used as part of a device or equipment. Usually, an embedded system is an embedded processor control board with control programs stored in ROM. In fact, all devices with digital interfaces, such as watches, microwave ovens, VCRs, cars, etc., use embedded systems, and some embedded systems include operating systems, but most embedded systems implement the entire control logic from a single program. Thanks to the wide range of fields involved in embedded industry, embedded technology has been developed rapidly in recent years.

本项目将带领学生探索嵌入式系统及机电一体化领域，教授将对电子、反馈控制、嵌入式微控制器、机械设计和数字制造(3D打印、数控铣削)等主题进行系统性且详细的介绍并与学生深入讨论。学生将在项目中使用多种工程开发及模拟工具，包括电子电路模拟器(Falstad电路模拟器，Tinkercad电路模拟器)，一个类似matlab的在线工具(Octave online)，以及CAD/CAM工具(Tinkercad 3D设计，Fusion 360)。本项目中还将讨论传感器和执行器，包括电位器、光学编码器、位置伺服和步进电机。Arduino微控制器将使用集成开发环境(Arduino IDE)进行讨论和演示，并使用Tinkercad的Arduino模拟器进行模拟。在课程的机械设计部分，将通过简单的例子介绍CAD，包括小齿轮传动系统的设计，以及使用3D打印机和数控铣床制造零件。

The course is an introduction to topics in electronics, feedback control, embedded microcontrollers, mechanical design, and digital manufacturing (3D printing, CNC milling). Several online tools will be used for demonstration and for assignments including electronic circuit simulators (Falstad Circuit Simulator, Tinkercad Circuit Simulator), a MATLAB-like online tool (Octave online), and CAD/CAM tools (Tinkercad 3D Design, Fusion 360). The course will also discuss sensors and actuators including potentiometers, optical encoders, position servos, and stepper motors. The Arduino microcontroller will be discussed and demonstrated using an Integrated Development Environment (Arduino IDE) and simulated using Tinkercad’s Arduino Simulator. In the mechanical design portion of the course, CAD will be introduced through simple examples involving design of pinion gear train, and manufacturing of parts using a 3D printer and a CNC mill.

• 无源元件(电阻器、电容器、电感器)和简单电路 (分压器、RC 电路)、复阻 Electronics I – passive components (resistor, capacitor, inductor), and simple circuits (voltage divider, RC circuit), complex impedance

• 有源元件(二极管、晶体管)、运算放大器 (uA747) 电路(线性放大器、电压跟随器、推挽式电流放大器)和直流电动机 Introduction to Electronics II – active components (diode, transistor), operational amplifier (uA747) circuits (linear amplifier, voltage follower, push-pull current amplifier), and DC electric motor

• 反馈控制简介——模拟计算机(二阶微分方程模型——质量/弹簧/ 阻尼器问题)、伺服电机(比例控制）Introduction to Feedback Control – the analog computer (model of 2nd order differential equation – mass/spring/damper problem), the servomotor (proportional control – that is, the “P” in “PID” control)

• 微型计算机 I – Arduino(基于 ATMEGA328p 微处理器)用于自控制机电系统 – 传感器和执行器(直流电机、伺服电机) Microcomputer I – Arduino (based on ATMEGA328p microprocessor) for automatic control of electromechanical systems – sensors and actuators (dc motor, servomotor)

• 微型计算机 II – 数字编码器和步进电机 Microcomputer II – digital encoder and stepper motor

• 机械设计 Computer Aided Design (CAD), Computer Aided Engineering Analysis (CAE), Computer Aided Manufacturing (CAM) – 3D printing, CNC milling – Note that 3D printers and CNC mills are examples of Microcomputer-Controlled Electromechanical Systems

• 项目回顾与成果展示 Program Review and Presentation

• 论文辅导 Project Deliverables Tutoring

• 7周在线小组科研学习+5周不限时论文指导学习 共125课时

• 项目报告

• 优秀学员获主导师Reference Letter

• EI/CPCI/Scopus/ProQuest/Crossref/EBSCO或同等级别索引国际会议全文投递与发表指导（可用于申请）

• 结业证书

• 成绩单