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倒车雷达(二)：硬件搭建

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本文字数： 7.9k 阅读时长 ≈ 7 分钟

硬件是软件运行的基础，因此有必要建立良好的硬件系统供软件的运行。因此，针对通信功能的蓝牙模块、制动功能的电机模块和测距功能的超声波模块三大模块，建立电路连接，提供电路连接图，并编写程序。

本文也提供部分代码，代码虽然都是核心代码但不能够独立运行。程序都附注释，有一丢丢开发基础都能看懂。希望看官能有所思考后取得所需代码，而不是无脑的复制粘贴。完整代码参考这里。且代码仅以我的接线方式为标准。

通信功能

通信功能选取了HC-05蓝牙模块，某购物平台25RMB左右。对于Arduino而言，还是能很轻易的做到Arduino与HC-05蓝牙模块的连接。连接的电路图如下所示：

  • 5V连接VCC，GND相互连接构成回路
  • HC-05的发射端TXD连接Arduino的接收端RXD
  • HC-05的接收端RXD连接Arduino的发射端TXD
  • 以此来构成通信的回路。

但需要注意的是，在给Arduino烧录程序时，需要断开Arduino与HC-05的RXD和TXD连接。否则Arduni的TXD和RXD处于连接状态而非悬空状态时，程序无法烧录。(也可能是我用Vscode做IDE的原因)

PC向Arduino发送数据

而在完成电路的连接后，需要编写程序来测试连接是否正确。首先Arduino处于接收端，电脑处于发送端。接通电路，电脑开启蓝牙并连接。对于接收端，当available()返回值大于0时，表明串口有数据发送到Arduino，此时调用read方法读取即可。

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void setup() 
{
    // 设置硬件串口通信的波特率
    Serial.begin(9600);
    // 先清空串口缓存
    while(Serial.available())
        Serial.read();
}

void loop()
{
    // 读取串口数据 
    if (Serial.available() > 0)
    { 
        delay(500);
        char val;
        // 读取数据
        val = Serial.read();
        // 进入倒车模式
        if (val == '5')
        {
            flag = 1;
        }
        if (val == '6')
        {
            flag = 0;
        }
    }
}

而在发送端，选择了使用python作为发射信号和读取信号的工具。借助pyserial串口，很容易实现这个功能。(pip install pyserial)

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import serial
# 读取串口数据的类

s = serial.Serial(port='COM6',
                baudrate=9600,
                stopbits=serial.STOPBITS_ONE)

# 发送数据
s.write(b"5")
s.write(b"6")

至于为什么要用b""这样的形式，因为serial这个库发送和读取的数据都是字节类型。蓝牙HC-05的使用是我经历的最难的一部分，主要的坑是：只有在程序连接蓝牙时才算连接，而仅仅在Win10蓝牙中连接是不够的。

Arduino向PC发送数据

首先来看Arduino端的程序，一般是调用println方法完成发送，调用flush方法等待数据的发送完毕。

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void setup() 
{
    // 设置硬件串口通信的波特率
    Serial.begin(9600);
    // 先清空串口缓存
    while(Serial.available())
        Serial.read();  
}

void loop()
{
    // 设置发送数据
    string str = "asd"
    // 参数可以是任何类型 不一定都是字符串 
    Serial.println(str);
    // 等待串口发送完毕
    Serial.flush();
}

而在python端完成读取数据的功能：

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import serial
# 读取串口数据的类

s = serial.Serial(port='COM6',
                baudrate=9600,
                stopbits=serial.STOPBITS_ONE)

def recv():
    # 读取数据
    data = s.readline()
    if data == '':
        continue
    else:
        break
    return data

同样读取的数据为字节类型，通常为这样的格式：

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b'1\r\n'
b'1\r\n'
b'1\r\n'
b'1\r\n'
b'1\r\n'
b'1\r\n'
b'1\r\n'

所以可以str(data[2:-5])这样取出其中的数值部分。

测距功能

选用了HC-SR04模块作为超声测距模块，购物平台5RMB左右。超声波测距的原理较为简单，首先发送特定频率的声波，在接收对应频率的声波。记录声波传输的时间，再结合声波传输的速度，很容易得到当前与障碍物的距离。测距原理图如下所示：

而具体到硬件而言，测距方法如下。HC-SR04有两个喇叭，Trig发送声波，Echo接收声波。Trig是启动信号引脚，使用的时候先给他10us以上的高电平，再拉低，SR04就会发送八个40khz的超声波。此时对Echo拉低。然后就开始等待Echo啥时候变高了我们就开始计时 (开始接收到反馈的声波)， 直到他变低为止 (声波接收完毕)，当它变低的时候，我们就可以根据这个时间计算距离了。

这个时间是声波在空气中传播的时间，因为是往返的，所以计算过程需要除以2，变成单程的时间，再将这个单程时间乘以声速即340米/秒，得到的就是从当前位置到对面障碍物的距离。因此，得到的电路连接方式如下：

也很容易得到相应的程序，但也有相关的注意事项：

  • 使用pulseIn函数记录Echo持续高电平的时间即可。
  • 在完成一次测距后一定要延时一秒左右。因为程序的执行速度和硬件的执行速度是不一样的，程序执行完了要缓一缓，等待硬件执行完。不延时的情况下HC-SR04是不能工作的。
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int trigBack = 2;
int echoBack = A0;

void setup() 
{
    // 定义超声波的输入输出模式 -----------------------------
    pinMode(trigBack, OUTPUT);
    pinMode(echoBack, INPUT);
}

void loop()
{
    // 先拉底做初始化
    digitalWrite(trigBack, LOW);
    delayMicroseconds(5);
    // 拉高十毫秒
    digitalWrite(trigBack, HIGH);
    delayMicroseconds(10);
    // 在拉低
    digitalWrite(trigBack, LOW);
    // 根据高电平持续的时间计算与障碍物的距离
    cmB = (pulseIn(echoBack, HIGH) / 2) / 29.1;
    Serial.println(cmB);
    // 一定要有延时
    delay(2000);
}

制动功能

车辆最基本的功能还是实现前进、后退、左转和右转，而这些功能的实现离不开电机模块。选用的电机模块是HC02-48，便宜到忘记了它的价格。但是Arduino不能直接驱动HC02-48电机完成工作，因为驱动电机需要较大电流，而Arduino的作用在于高低电平的控制而不是电流的输出。Arduino的IO口输出电流在40mA左右，无法驱动最低要求150mA的电机。因此需要借助电机驱动模块L298N来放大驱动电流。

L298N驱动直流电机时可选择任何额定电压在4.8~35V和电流小于2A范围内的电机。而HC02-48电机的工作电压在3-6V，且L298N的输出电流恰好能驱动电机模块，因此在硬件层面可完成驱动。这个好像也很便宜，大约10RMB左右。

将L298N的四个入口引脚IN1，IN2，IN3和IN4接Arduino的控制引脚，此时Out1，Out2连接一个电机，Out3，Out4出口引脚连接另外的电机。通过对4个入口引脚赋值来更改出口引脚的电平输出，进而控制电机的正反转，完成前进、后退和转向的功能。此外可以通过总开关ENA，ENB两个使能端控制两个电机能否转动和转速。电路连接方式下：

而L298N的+12V和GND接口，需要单独的电池供电。正如上文所说，Arduino的核心功能是控制电平的输出而不是提供电压，因此仅将Arduino的IO口和L298N的使能端连接即可，L298N的供电部分需要另外的电池。

转速调节

在倒车的过程中，车辆不能够以过高的速度倒车，否则容易发生碰撞。因此，需要PWM调制的手段将车速给降下来。想必在做的看官应该不是自动化专业的，所以我准备通俗的解释PWM的含义：

  • 在一个时间段内，一直给电机供电，那么电机会持续转动，此时是满电的输出；
  • 在一个时间段内，一半的时间供电，一半的时间不供电，那么电机只会在一半的时间内转动，此时的速度会低于满电输出；
  • 在一个时间段内，75%的时间不供电，25%的时间供电，那么电机会在1/4的时间内转动，此时速度会更低；
  • 如果将一个时间段取极限无限的减小，那么电机就是时而供电时而没电，此时便会减速。如下图所示：

而在Arduino实现这个并不是很难，只需要调用analogWrite方法对L298N的使能端进行PWM调制即可。其中，analogWrite方法接收一个参数，参数的取值范围是[0, 255]，取值越大，输出电压越大，电机转速越快。代码如下：

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// 定义两个电机驱动的使能端
int en1 = 9;
int en2 = 6;
// 定义行驶速度
int speed = 95;
void setup() 
{
    // 使能端为输出模式
    pinMode(en1, OUTPUT);
    pinMode(en2, OUTPUT);
}

void loop()
{
    // speed 就是行走的速度
    analogWrite(en1, speed);
    analogWrite(en2, speed);
}

需要注意的是：电机的实际转速不仅和参数speed有关，还和供电的电压有关。即使speed的取值为255，但电池没电了，电机还是会转的很慢。

电机转动

在能够对电机的转速进行调节后，下一步就是实现电机的转动了：

  • 四个电机都向前转，那么车辆会向前行进；
  • 四个电机都向后转，那么车辆会向后行进；
  • 左侧的电机向前转，右侧的电机向后转，那么车辆会向右行进；
  • 左侧的电机向后转，右侧的电机向前转，那么车辆会向左行进；

仅需要digitalWrite方法对电机两侧输入不同的电平即可完成电机的转动，因此代码如下：

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// 右前轮 -----------------------------------------
// 定义 uno 的 pin 8 向 input1 输出
int input1 = 8; 
// 定义 uno 的 pin 12 向 input2 输出
int input2 = 10; 
// 左前轮 -----------------------------------------
// 定义 uno 的 pin 11 向 input3 输出
int input3 = 11; 
// 定义 uno 的 pin 12 向 input4 输出
int input4 = 12; 
// 右后轮 -----------------------------------------
// 定义 uno 的 pin 3 向 input5 输出
int input5 = 3; 
// 定义 uno 的 pin 4 向 input6 输出
int input6 = 4; 
// 左后轮 -----------------------------------------
// 定义 uno 的 pin 5 向 input7 输出
int input7 = 5; 
// 定义 uno 的 pin 6 向 input8 输出
int input8 = 7; 

void setup() 
{
    // 使能端
    pinMode(en1, OUTPUT);
    pinMode(en2, OUTPUT);
    // 右前
    pinMode(input1, OUTPUT);
    pinMode(input2, OUTPUT);
    // 左前  
    pinMode(input3, OUTPUT);
    pinMode(input4, OUTPUT);
    // 右后
    pinMode(input5, OUTPUT);
    pinMode(input6, OUTPUT);
    // 左后  
    pinMode(input7, OUTPUT);
    pinMode(input8, OUTPUT);
}

// 前进函数 ------------------------------------------
void forward()
{
    analogWrite(en1, speed);
    analogWrite(en2, speed);
    // 右前轮
    digitalWrite(input1, LOW); 
    digitalWrite(input2, HIGH);   
    // 右后轮
    digitalWrite(input5, HIGH);
    digitalWrite(input6, LOW);
    // 左后轮
    digitalWrite(input7, HIGH);
    digitalWrite(input8, LOW);
    // 左前轮 
    digitalWrite(input3, LOW); 
    digitalWrite(input4, HIGH);
}

// 停止函数 ------------------------------------------
void stop()
{
    // 左前轮
    digitalWrite(input1, LOW); 
    digitalWrite(input2, LOW);  
    // 左后轮
    digitalWrite(input7, LOW);
    digitalWrite(input8, LOW);
    // 右前轮 
    digitalWrite(input3, LOW); 
    digitalWrite(input4, LOW);
    // 右后轮
    digitalWrite(input5, LOW);
    digitalWrite(input6, LOW);
}

// 后退函数 ------------------------------------------
void back()
{
    analogWrite(en1, speed);
    analogWrite(en2, speed);
    // 右前轮
    digitalWrite(input1, HIGH); 
    digitalWrite(input2, LOW);  
    // 右后轮
    digitalWrite(input5, LOW);
    digitalWrite(input6, HIGH);
    // 左后轮
    digitalWrite(input7, LOW);
    digitalWrite(input8, HIGH);
    // 左前轮 
    digitalWrite(input3, HIGH); 
    digitalWrite(input4, LOW);
}

// 左转函数 ------------------------------------------
void left()
{
    analogWrite(en1, speed);
    analogWrite(en2, speed);
    // 左后轮
    digitalWrite(input7, LOW);
    digitalWrite(input8, HIGH);
    // 左前轮 
    digitalWrite(input3, HIGH); 
    digitalWrite(input4, LOW);
    // 右前轮
    digitalWrite(input1, LOW); 
    digitalWrite(input2, HIGH);  
    // 右后轮
    digitalWrite(input5, HIGH);
    digitalWrite(input6, LOW);
}

// 右转函数 ------------------------------------------
void right()
{
    analogWrite(en1, speed);
    analogWrite(en2, speed);
    // 左后轮
    digitalWrite(input7, HIGH);
    digitalWrite(input8, LOW);
    // 左前轮 
    digitalWrite(input3, LOW); 
    digitalWrite(input4, HIGH);
    // 右前轮
    digitalWrite(input1, HIGH); 
    digitalWrite(input2, LOW);  
    // 右后轮
    digitalWrite(input5, LOW);
    digitalWrite(input6, HIGH);
}

void loop()
{
    delay(3000);
    forward();
    delay(3000);
    back();
    delay(3000);
    stop();
    delay(3000);
    right();
}

当然，电平高低的输出需要根据实际的接线情况来判断。

供电系统

全部系统的供电系统分为两部分，一个是给Arduino供电，一个是给L298N电机供电。

  • 对于给Arduino供电，我选择了使用电源接口为Arduino供电。通过此方法为Arduino开发板供电时，直流电源电压为9V ~ 12V，买一个9V电池和转接线即可。使用低于9V的电源电压可能导致Arduino工作不稳定，使用高于12V电源电压存在着毁坏Arduino开发板的风险。

  • 对于给L298N供电，选择的是3.7V 18650可充电锂电池，在配一个电池盒即可。电池盒要求是串联的，而不是并联，否则电压不够。将电池盒自带的红色线与L298N的+12V连接，将黑色线与L298N的GND连接即可完成电机部分的供电。

结语

接线并不是很复杂，我都是用的杜邦线接起来的，大胆的去尝试就好了。有问题也欢迎在下方留言，毕竟计算机搞这些可能也是一头雾水，上文都是我一点点摸索出来的经验。

参考

  1. http://www.taichi-maker.com/homepage/arduino-projects-index/arduino-power-supply/
  2. http://www.taichi-maker.com/homepage/reference-index/arduino-code-reference/
  3. http://www.taichi-maker.com/?s=HC-SR04
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