基于Arduino的遙控避障智能小車功能模塊的原理與設(shè)計(jì)案例1.1HC-06藍(lán)牙模塊1.1.1HC-06藍(lán)牙模塊的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)本課題以HC-06藍(lán)牙通訊模塊作為手機(jī)控制端與Arduino之間控制信號(hào)傳輸?shù)闹虚g媒介，下面對(duì)HC-06藍(lán)牙通訊模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。其實(shí)物圖如圖1.1：圖1.1HC-06藍(lán)牙通訊模塊HC-06不同于HC-05藍(lán)牙模塊。兩者的主要差異是HC-05是主從一體機(jī)，一方面可以接收上級(jí)通訊設(shè)備發(fā)送的指令信息，另一方面也可以向下級(jí)通訊設(shè)備發(fā)送命令，而HC-06只能作為從機(jī)模式，那就只能接收上級(jí)的命令。HC-06藍(lán)牙模塊專門進(jìn)行智能無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，遵循V2.0+EDR藍(lán)牙規(guī)范，模塊可與UART接口連接，并兼容SPP藍(lán)牙串口協(xié)議，具有低成本、小體積、低功耗、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)勢(shì)，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大功能REF_Ref14346\r\h[10]。HC-06藍(lán)牙模塊驅(qū)動(dòng)方便，4個(gè)接口一一對(duì)應(yīng)連接即可驅(qū)動(dòng)，這四個(gè)接口分別是：1.RXD（接收端口）2.TXD（發(fā)送端口）1.GND（接地）4.VCC（電源）接通電源后，TXD、RXD就是其數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，HC-06是以串口的方式驅(qū)動(dòng)的，只需將對(duì)應(yīng)串行通訊接口相接，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。藍(lán)牙參數(shù)特點(diǎn)：①藍(lán)牙核心模塊使用HC—06從模塊，引出接口包括VCC,GND,TXD,RXD,預(yù)留LED狀態(tài)輸出腳，可通過LED燈狀態(tài)判斷藍(lán)牙是否已經(jīng)連接，若藍(lán)牙已與其他設(shè)備配對(duì)連接則保持常亮，反之則一直閃爍REF_Ref15277\r\h[11]。②輸入電壓1.6~6V，未完成連接時(shí)電流大小約30mA，連接后約10mA，輸入電壓必須嚴(yán)格限制在7V以下。③允許直接與各種單片機(jī)連接。④藍(lán)牙未連接時(shí)支持通過AT指令設(shè)置波特率、名稱和配對(duì)密碼，設(shè)置的參數(shù)掉電保存，藍(lán)牙連接完成后，藍(lán)牙會(huì)主動(dòng)切換到透?jìng)髂Ｊ絉EF_Ref15277\r\h[11]。HC-06藍(lán)牙模塊采用數(shù)據(jù)透?jìng)鞣绞竭M(jìn)行設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳輸工作。⑤該藍(lán)牙為從機(jī)，能夠與其他智能終端主機(jī)配對(duì)，從機(jī)之間則不能配對(duì)。1.1.2HC-06藍(lán)牙模塊與Arduino主板通訊原理在通過手機(jī)APP控制界面對(duì)智能小車進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控時(shí)，需要把HC-06藍(lán)牙模塊作為手機(jī)與Arduino主板進(jìn)行控制信號(hào)傳輸?shù)拿浇?，這就要求HC-06藍(lán)牙模塊要與Arduino主板進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)通訊。那么HC-06藍(lán)牙模塊與Arduino主板是如何進(jìn)行通訊的呢？下面就介紹一下HC-06藍(lán)牙模塊與Arduino主板之間的通訊原理BT-06藍(lán)牙模塊與Arduino主板之間的通訊由于Arduino主板與HC-06藍(lán)牙模塊均有相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收端與發(fā)送端（HC-06：TXD,RXD;Arduino主板：RX,TX）這就使得兩者之間的通訊變得尤為簡(jiǎn)單，只需將對(duì)應(yīng)端口進(jìn)行正確連接即可。Arduino開發(fā)板與藍(lán)牙模塊連接方法：VCC——Arduino的VCC(5V)。GND——接Arduino的GND。TXD——接Arduino開發(fā)板的RX端口。RXD——接Arduino開發(fā)板的TX端口。1.1.3HC-06藍(lán)牙模塊與Arduino主板的實(shí)際電路連接HC-06藍(lán)牙模塊與Arduino主板的實(shí)際電路連接如圖1.2所示：圖1.2HC-06藍(lán)牙模塊與Arduino主板的電路連接圖1.2HC-SR04超聲波模塊1.2.1HC-SR04超聲波模塊的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)本設(shè)計(jì)采取HC-SR04超聲波傳感器作為智能小車的測(cè)距避障模塊。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊具備非接觸式的測(cè)距功能，測(cè)距范圍為0.02m-4m，測(cè)距精度達(dá)3mmREF_Ref17334\r\h[12]。此模塊的性能較為穩(wěn)定，具有測(cè)距精確，盲區(qū)較小等優(yōu)勢(shì)。HC-SR04超聲波模塊包含四個(gè)與外部電路相連接的引腳，分別是：1、VCC（接5V電源）2、Trig(控制端）3、Echo(接收端）4、GND（接地）其實(shí)物圖及原理圖如圖1.2、圖1.3所示圖1.3HC-SR04實(shí)物圖1.2.2HC-SR04超聲波模塊避障原理HC-SR04超聲波模塊采用以IO觸發(fā)測(cè)距，通過利用其發(fā)射的超聲波信號(hào)從控制端到接收端的高電平持續(xù)時(shí)間和聲波在空氣中傳播的原理，來(lái)計(jì)算小車與障礙物之間的距離，從而完成避障動(dòng)作。其具體過程如下：第一步：Trig端會(huì)發(fā)送10us以上的高電平脈沖觸發(fā)信號(hào)。第二步：自主循環(huán)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，檢測(cè)有無(wú)信號(hào)返回，當(dāng)有信號(hào)返回，則說明前方有障礙物。第三步：如果測(cè)到回波，則通過ECHO口輸出高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間REF_Ref18558\r\h[13]。最終可以得到，測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S））/2REF_Ref19881\r\h[14]。但是由于HC-SR04超聲波傳感器的測(cè)量角度有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)小車的全方位測(cè)距避障，故需增加舵機(jī)模塊，在本課題中選用SG90舵機(jī)，將HC-SR04超聲避障模塊置于SG90舵機(jī)之上，在小車運(yùn)行過程舵機(jī)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)小車在其前進(jìn)方向上的障礙物情況進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)方向0～180度空間范圍內(nèi)的測(cè)距，以提高避障效率，加快避障流程。1.2.3HC-SR04超聲模塊與Arduino主板的實(shí)際電路連接HC-SR04：GND接ArduinoGND;ECHO接ArduinoA1口；TRIG接ArduinoA0口；VCC接Ardino5V（VCC）.1.3舵機(jī)模塊舵機(jī)模塊在目前智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中的使用愈加頻繁，在本課題中為增加超聲波傳感器的測(cè)距避障的方向范圍，提高避障效率和使智能小車運(yùn)行更加流暢，也引入了舵機(jī)模塊。普遍地，用PWM信號(hào)（脈寬調(diào)制信號(hào)）對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，PWM信號(hào)的基準(zhǔn)周期為20ms，脈寬為0.5ms至2.5ms，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍為0至180度，舵機(jī)根據(jù)PWM信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)角度的改變，根據(jù)相應(yīng)的脈沖寬度舵機(jī)可以旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度從而達(dá)到指定位置REF_Ref20436\r\h[15]。本課題選用SG90作為舵機(jī)模塊，在空載的情況下，它的反應(yīng)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到0.12s/60°（4.8V），轉(zhuǎn)角范圍為0到180度，正常工作電壓為1.5~6V。SG90舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與PWM信號(hào)的脈沖寬度的關(guān)系如下表所示：結(jié)合本課題的實(shí)際需要將舵機(jī)的轉(zhuǎn)角固定的設(shè)為：0°、90°和180°。舵機(jī)連接Arduino的D2口、GND和5V（VCC）1.4L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)需要用大電流來(lái)驅(qū)動(dòng)，除此之外，旋轉(zhuǎn)方向、速度和角度是三個(gè)需要控制的重要參數(shù)。為滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)的要求和控制相應(yīng)參數(shù)可以通過使用微控制器（或像Arduino這樣的開發(fā)板）來(lái)處理。然而，微控制器提供的電流較小，沒法來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在本課題中使用ArduinoUNO開發(fā)板作為主控器，但是其引腳僅為40mA電流，不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)（小型電機(jī)所需的電流為100-200mA電流）。想要解決這個(gè)問題，就要引入相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一方面可以與微控制器連接，另一方面又可以與電機(jī)相連接，在微控制器發(fā)送的控制信號(hào)的控制下發(fā)送另一控制信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。L293D作為一款應(yīng)用相當(dāng)廣泛的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，電流負(fù)載高達(dá)1A，同時(shí)具有4個(gè)輸出端口，能夠滿足驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)的需求。故本課題采用L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為智能小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。其具有以下特性：電源電壓范圍：4.5V至36V單獨(dú)的輸入邏輯電源內(nèi)部自帶ESD保護(hù)模塊，工作電壓5V熱關(guān)斷高噪聲抗擾度輸入的通標(biāo)L293和L293DSGS的功能替代每通道輸出電流600mA峰值輸出電流每通道1.2A9.輸出鉗位二極管的感性瞬態(tài)抑制其引腳及功能如圖4.1所示：圖1.4L293D引腳1,2EN（ENA）：?jiǎn)⒂抿?qū)動(dòng)器通道1和2<1-4>A（IN1-4）：驅(qū)動(dòng)器輸入，同相<1-4>Y（OUT1-4)：驅(qū)動(dòng)輸出3,4EN(ENB）：?jiǎn)⒂抿?qū)動(dòng)器通道3和44、5、12、13：設(shè)備接地和散熱器引腳VCC1：用于內(nèi)部邏輯轉(zhuǎn)換的5V電源VCC2：驅(qū)動(dòng)器的電源VCC4.5V至36VEN1、EN2為使能信號(hào)，高電平有效，可以連接單片機(jī)PWM信號(hào)，控制轉(zhuǎn)速等。IN1、IN2為電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制信號(hào)。OUT1、OUT2與電機(jī)相連接，隨著IN1、IN2的變化而做出相應(yīng)變化，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的。IN3、IN4、OUT3、OUT4與上述相同。L293D控制電機(jī)的工作模式如下表所示：其控制電機(jī)的工作模式的邏輯圖，如圖1.5具體如下：