Arduino 蓝牙遥控+超声防撞小车

成品预览

不好意思，拿错了。

这张才是我做的（超声波模块被我拔了）：

电路图

在Bluetooth App-Controlled Dual Motor Device基础上进行修改：

材料

1. Arduino UNO 一块(和毕设老师要的)
2. L298N 电机驱动一个(淘宝 6 块钱)
3. 三轮小车底座一个（淘宝 15 块钱左右）
4. 铜柱、螺丝、螺母、杜邦线若干
5. 电池四节、电池盒一个
6. HC-06 蓝牙模块一个
7. 蓝牙串口助手 app
8. HC_SR04 超声波模块一个
9. 差速电机两个，一般买底盘会带，为了防止烧坏建议多备用一个
10. Arduino 开发工具

Arduino UNO 片上资源

其中，左下角部分支持模拟量（Analog）的 PIN（A0 到 A5）的编号是 14 到 19。

L298N 模块 PWM 调速

如何理解 PWM

PWM，英文全称 Pulse Width Modulation，中文脉冲宽度调制。脉冲宽度调制是将模拟信号变换为脉冲的一种技术。

假设一个场景：一个电灯接在电路中正常工作。突然，好巧不巧，电路中的开关虚接了，导致电灯忽明忽暗。如果闪烁的频率足够快，那么人眼是无法分辨出来电灯的闪烁的，电影、视频都是这个原理。但是有一点，电灯的亮度一定会下降。当灯亮的时间占总时间的比例大的时候，人眼的感觉灯会变得亮一些，灯暗的时间占得比例越大，那么人眼的感觉自然会是灯变暗了。

如果理解上面的场景，那么就能够理解 PWM 的精髓了。PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。上述场景中提到的电灯亮的时间占总时间的比例，可以类比 PWM 中的“占空比”概念。“占空比”是指一个脉冲循环内，通电时间占总时间的比例。例如脉冲宽度 0.001ms，信号周期 0.004ms 的脉冲序列，占空比为 0.25。

如果脉冲（方波）的峰值电压为 5V，在脉冲占空比为 0.25 时候，等效电压值为方波峰值电压和占空比的乘积 1.25V

PS: 我已经讲得足够简单了，如果还读不懂的话，建议提前去补补课。接下来的部分难度会比这个还要难。

L298N 模块

L298 是 ST 公司生产的双全桥驱动器（DUAL FULL-BRIDGE DRIVER），datasheet。工作电压在 4.8-46V 之间，输出电流高达 2A。可以驱动两个二相电机，一般用来四轮驱动小车，驱动两轮小车的话，真有种杀鸡焉用宰牛刀的感觉。

L298N 模块可以直接与单片机相连，控制起来非常方便。

L298N 逻辑功能表

IN1	IN2	ENA	状态
X	X	0	停止
1	0	1	顺时针
0	1	1	逆时针
1	1	0	停止

其中，IN3、IN4、ENB 的逻辑与上表相同。

HC_SR04 超声波模块测距

HC_SR04 工作原理

观察以上时序图，当提供一个 10us 以上的触发信号，HC_SR04 内部将发出 8 个 40kHz 的周期电平并检测回波。一旦检测出有回波信号，则停止输出回响信号。故回响信号的脉冲宽度和距离成正比。由此则可计算出距离。

取声速 343m/s（干燥、室温 20 度），1 微秒传过的距离是 0.0343 厘米。取倒数，则得到声音每传播 1 厘米，需要 29.15 微秒。

又因为从声音发出到接收回波，声音走过的路程应该是距离的 2 倍，实际距离 1 厘米，需要对应 58.3 微秒，取整 58 即可。

故在程序中可见这样的代码：

int getDistance () {
  digitalWrite(ultrasonicOutputPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(ultrasonicOutputPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(ultrasonicOutputPin, LOW);

  int distance = pulseIn(ultrasonicInputPin, HIGH);
  distance = distance / 58;
  return distance > 0 ? distance: 0;
}

在上述代码中，ultrasonicOutputPin 连接超声波模块的 Trig 引脚，ultrasonicInputPin连接超声波模块的 Echo 引脚。

基于超声波模块的工作原理，故超声波测距适用于坚硬平整的较大物体，其他场景性能不佳。

HC-06（HC-05）蓝牙模块

HC-06 和 HC-05 模块大致差不多，对于 Arduino 的用户，一般从淘宝直接买 JY-MCU，本人也不例外。模块使用起来和串口类似。模块提供的用户指引（User Guide）中提供了丰富详尽的例子，同样在下面的文章中我也会简单介绍。

考虑到小车的拓展性，例如之后可能会接 ESP8266 啥的，暂时先不占用 Arduino 的硬件串口，留着以后使用，蓝牙模块与板子的连接使用软串口的方式。同样软串口相关的内容会在下面进行阐述。

软串口连接蓝牙模块的参考代码如下：

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial bluetoothSerial(11, 12); // RX, TX

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(57600);
  bluetoothSerial.begin(57600);
   bluetoothSerial.print("AT");
  delay(1000);
  bluetoothSerial.println("AT+VERSION");
  delay(1000);
  bluetoothSerial.println("AT+BAUD7");
  delay(1000);
  bluetoothSerial.println("AT+NAMEarduino_car");
  delay(1000);
}
void bluetoothTaskCallback() {
  if (bluetoothSerial.available()) {
    int bluetoothCmd = (int)bluetoothSerial.read();
    Serial.print("bluttooth Command: ");
    Serial.println(bluetoothCmd);

    // TODO: 蓝牙传入参数校验
    motorCtrl(bluetoothCmd);
  }
  if (Serial.available()) {
    Serial.print("Serial available: ");
    Serial.println(Serial.read());
    bluetoothSerial.write(Serial.read());
  }
}

在上述代码中，Arduino 软串口的接收引脚（RX）为 11，与蓝牙模块的发送引脚（TX）连接。发送引脚（TX）为 12，与蓝牙模块的接收引脚（RX）。

在板子初始化过程中，使用 AT 指令对蓝牙模块进行了一些设置：

• AT+BAUD7 设置蓝牙模块的波特率为 57600bps（对于 Arduino 软串口的最高速率）。只有两边波特率设置的一样，才可以正常通信。
• AT+NAMEarduino_car 设置蓝牙的名称为“arduino_car”，方便我们使用蓝牙调试助手进行连接。

软件模拟串口

除了硬件串口（板子上的 D0、D1 口），Arduino 还提供了 SoftwareSerial 类库，支持用户将其他数字引脚（D*）通过程序模拟成串口通讯引脚。

软件模拟串口简称软串口，使用方法和硬件串口基本一样。类库的详细介绍见Arduino Reference SoftwareSerial Libray。

在 Reference 中指出，软串口有着以下一系列的局限性：

The library has the following known limitations:

• If using multiple software serial ports, only one can receive data at a time.
• Not all pins on the Mega and Mega 2560 support change interrupts, so only the following can be used for RX: 10, 11, 12, 13, 14, 15, 50, 51, 52, 53, A8 (62), A9 (63), A10 (64), A11 (65), A12 (66), A13 (67), A14 (68), A15 (69).
• Not all pins on the Leonardo and Micro support change interrupts, so only the following can be used for RX: 8, 9, 10, 11, 14 (MISO), 15 (SCK), 16 (MOSI).
• On Arduino or Genuino 101 the current maximum RX speed is 57600bps
• On Arduino or Genuino 101 RX doesn't work on Pin 13

If your project requires simultaneous data flows, see Paul Stoffregen's AltSoftSerial library. AltSoftSerial overcomes a number of other issues with the core SoftwareSerial, but has it's own limitations. Refer to the AltSoftSerial site for more information.

翻译过来的话，大意如下：

这个类库有以下已知限制：

• 如果使用多个软串口，则一次只能接收到一个数据，串口之间会相互干扰。
• 因为 Mega 和 Mega2560 板子上并不是所有的引脚都支持更改中断（interrupt），所以只有以下引脚能做软串口的接收引脚（RX）： 10, 11, 12, 13, 14, 15, 50, 51, 52, 53, A8 (62), A9 (63), A10 (64), A11 (65), A12 (66), A13 (67), A14 (68), A15 (69)。
• 在 Arduino 和 Genuino 101 上，最大的接收速率是 57600bps。
• 在 Arduino 和 Genuino 101 上，接收引脚（RX）不能是 13 号引脚。

如果你的项目中需要同步数据流，那么请参阅 Paul Stoffregen 的 AltSoftSerial 库。AltSoftSerial 还解决了 SoftwareSerial 中一些其他的问题，但是它也有着自己的局限性。更多信息请参考 AltSoftSerial 网站。

蓝牙串口助手

为了方便，我选择使用 Android 手机作为蓝牙主机（Master），蓝牙串口模块做从机（Salve）。或者叫 Leader 和 Follower 会更好，Master 和 Salve 有违反人权之嫌疑。

蓝牙串口助手的设置过程比较繁琐，我在设置过程中参考了 CSDN 博主“不懂音乐的欣赏者”的 Arduino 智能小车——蓝牙小车一文。

通过手机的蓝牙串口助手，可以给小车下达一系列指令，指令的内容如下：

指令	含义	备注
01	停止
02	前进
03	后退
04	左转
05	右转
06	调速

具体的控制函数有些复杂，之后可以考虑单独用一篇文章阐述一下。

任务调度

目前来讲，小车支持蓝牙遥控、调速，并且在前进的方向放置了超声波模块检测距离，防止碰撞。两个任务可以放在 void loop() 中，通过 delay() 控制时间。这种方式貌似可以解决问题（虽然有些 low），但是如果任务多起来的话，显然会力不从心。

为了更好地协调两个任务，保证两个任务有条不紊的运行，故引入了调度器。调度器可以以特定的周期执行任务。

代码中使用的调度器 Github Repo:github.com/arkhipenko/…

调用的参考代码：

#include <TaskScheduler.h>

Scheduler runner;

void ultrasonicTaskCallback();
void bluetoothTaskCallback();

Task bluetoothTask(150,TASK_FOREVER,&bluetoothTaskCallback, &runner, true);
Task ultrasonicTask(500,TASK_FOREVER,&ultrasonicTaskCallback, &runner,true);

void loop() {
  runner.execute();
}

结语

文章当中涉及到很大一部分内容是工科学生基本学习过的内容，比如 PWM、串口通信、超声波测距、电机控制等等。但是在写作的过程中，发现通过短短的几千个字就讲清楚如何做一个 Arduino 小车，并让它跑起来恐怕还是有些困难。因为这些东西看起来简单，但是涉及到的知识范围还是蛮广的。

在实验的过程中，如果有什么问题的话，可以通过公众号或者评论区联系到我。

完整代码

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结语

文章当中涉及到很大一部分内容是工科学生基本学习过的内容，比如 PWM、串口通信、超声波测距、电机控制等等。但是在写作的过程中，发现通过短短的几千个字就讲清楚如何做一个 Arduino 小车，并让它跑起来恐怕还是有些困难。因为这些东西看起来简单，但是涉及到的知识范围还是蛮广的。

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