徐鵬1，梁曼2，魏萍1，張海玲1

　?。?.浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶工程學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

       摘要：以Arduino單片機的硬件平臺為核心控制器，結(jié)合Eclipse開發(fā)環(huán)境和Arduino IDE編程語言完成小車的主控程序，通過Android手機藍牙客戶端與藍牙模塊服務(wù)端的通信實現(xiàn)小車的智能策略控制。小車整體采用前橋驅(qū)動、后輪轉(zhuǎn)向的布局方式，兩輪各用一個直流電機配合齒輪減速機構(gòu)實現(xiàn)運作。實驗表明：該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基于Android手機的藍牙控制小車的運行功能，實現(xiàn)小車的前進、后退和轉(zhuǎn)彎等多種運動形態(tài)。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，為新型智能控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：Arduino；Android；藍牙；智能小車

　　中圖分類號：TN242.6文獻標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.029

　　引用格式：徐鵬，梁曼，魏萍，等.基于Arduino/Android藍牙控制小車系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（4）：96-98,102.

0引言

　　*基金項目：浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項目（kg2015939）;浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016訪問工程師校企項目Arduino作為新興的開源電子設(shè)計平臺，注重程序的邏輯結(jié)構(gòu)，忽略底層函數(shù)的具體設(shè)計，大大降低了編程難度，因此常用作機器人的主控芯片［12］。此外，Arduino中的Atmega328AU處理芯片具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，處理速度和各項性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的51芯片，本設(shè)計基于Android操作系統(tǒng)的開源性和可操作性，利用無線技術(shù)控制小車運行［34］。藍牙作為一種抗干擾能力強、功耗低的無線互連技術(shù)，比其他無線控制技術(shù)，如紅外、射頻等應(yīng)用范圍更廣，在局域范圍控制中具有一定的優(yōu)勢［56］。因此，本文以Android手機作為終端，通過藍牙串口傳輸指令，實現(xiàn)小車的智能策略控制［78］。

1系統(tǒng)設(shè)計方案

　　以Arduino單片機為核心，通過Android手機中的藍牙串口助手發(fā)送指令至藍牙模塊進行存儲分析，實現(xiàn)小車的前進、后退、左旋、右旋、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等功能。首先在硬件通電的瞬間實現(xiàn)硬件的初始化，包括HC06藍牙模塊的設(shè)置連接及電機通電待命狀態(tài)。初始化完成后，通過Android手機中的藍牙串口助手進行指令的發(fā)送，Arduino處理器實時對HC06藍牙模塊端口進行數(shù)據(jù)讀取和分析，收到信號立即進行處理，再通過L296N電機驅(qū)動模塊實現(xiàn)小車的運行功能，控制流程如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　整個硬件系統(tǒng)分為3個子模塊：Arduino主控模塊、H橋控制的電機驅(qū)動模塊和HC06藍牙模塊。主控模塊采用以Atmega328AU處理芯片為內(nèi)核的芯片，是整個系統(tǒng)的智能控制部分，進行信息數(shù)據(jù)的分析和處理；電機驅(qū)動模塊主要采用L298N驅(qū)動模式，實現(xiàn)對電機的控制；藍牙模塊負責(zé)接收相應(yīng)的指令控制驅(qū)動電機模塊轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)無線控制功能。

　　2.1Arduino硬件開發(fā)板

　　Arduino單片機是一塊基于開放源代碼的USB接口板，微處理器采用Atmega328AU，性價比高，同時具有類似Java、C語言的IDE開發(fā)環(huán)境硬件庫，可根據(jù)外圍硬件進行庫的二次開發(fā)，方便與各種電子組件的連接［910］。外圍引腳包括數(shù)字I/O（D0-D13）、模擬I/O（A0-A5）、7個PWM，并且支持外部供電與USB供電自動切換。

　　2.2電機驅(qū)動模塊

　　L298N電機驅(qū)動模塊主要包括由8個二極管組成的兩組電機控制接口端（P1，P2），其內(nèi)部是4通道邏輯驅(qū)動電路，用于接收來自Arduino芯片的驅(qū)動控制信息和對兩個電機的控制信息。電路中8個二極管的作用是為產(chǎn)生的反向電流提供泄放路徑，避免電流過大燒毀驅(qū)動芯片。小車的左右輪兩組電機分別與電機控制接口端相連接，構(gòu)成小車的運動控制系統(tǒng)。電機控制系統(tǒng)中采用線圈式電機，防止電機從一種運行狀態(tài)切換到另一種運行狀態(tài)時形成的反向電流燒毀電機。電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計如圖2所示。

　　2.3HC-06藍牙模塊

　　藍牙模塊用于連接Android手機和小車，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。藍牙模塊分為主機模塊和從機模塊，主機能夠與從機配對通信，從機與從機之間或主機與主機之間不能通信，在本項目中，藍牙模塊主要功能是接收從手機端發(fā)送過來的指令，實現(xiàn)單一方向的通信，因此選擇從機HC-06模塊［1112］。藍牙數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。

　　首先將藍牙模塊連接到PC上，完成與手機的配對，再將藍牙模塊連接到Arduino控制板的藍牙模塊接口。連接方式：藍牙模塊的VCC接Arduino的3.3 V；GND接Arduino的GND；藍牙模塊的接收端RXD接Arduino的發(fā)送端TX，因為Arduino主控器只發(fā)送命令無需接收信號，所以藍牙模塊的發(fā)送端TXD和Arduino的接收端RX無需連接，再根據(jù)相應(yīng)的IDE程序完成Android手機與Arduino控制器的連接，硬件連接如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　小車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括上位機和下位機軟件的編寫和測試。在上位機軟件設(shè)計中，選用Eclipse作為開發(fā)工具，設(shè)計了客戶端軟件，用Java語言開發(fā)客戶端的控制程序。為簡潔、快速地實現(xiàn)程序功能，本程序沒有對軟件界面做美化設(shè)計。在程序操作過程中，首先連接智能小車和HC06藍牙模塊，點擊界面中的“查找設(shè)備”，程序就會列出周圍已開啟的藍牙設(shè)備，如圖5（a）所示，選擇屬于小車的藍牙設(shè)備即可自動連接上，控制小車運行的9個按鈕和圖形顯示如圖5（b）所示。

　　下位機軟件設(shè)計，即Arduino主控模塊上串口通信程序的設(shè)計，采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序﹑左轉(zhuǎn)子程序、右轉(zhuǎn)子程序﹑前進子程序、后退子程序等構(gòu)成。Arduino單片機的串行口通過訪問特殊功能寄存器SBUF實現(xiàn)接收緩沖器和發(fā)送緩沖器的訪問，并且可以同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。串行口的控制主要包括對狀態(tài)控制寄存器SCON、控制寄存器PCON和串行數(shù)據(jù)寄存器SBUF的設(shè)置。Arduino對于常用的串行口已有完整的集成庫，管腳進行配置只需調(diào)用相應(yīng)的子函數(shù)，如pinMode（pin，mode），pin為用戶欲配置的管腳編號，mode為配置模式（INPUT表示配置為輸入管腳，OUTPUT表示配置為輸出管腳）。基于Arduino開發(fā)環(huán)境下的部分IDE程序代碼如下。圖4藍牙模塊的硬件連接圖圖5藍牙客戶端與硬件模塊連接界面

　　void forward( );//小車前進

　　void back( ); //小車后退

　　void turnLeft( ); //小車左轉(zhuǎn)

　　void turnRight( ); //小車右轉(zhuǎn)

　　void car_up( ); //小車加速

　　void car_down( ); //小車減速

　　void turnLeftOrigin( ); //小車左旋

　　void turnRightOrigin( ); //小車右旋

　　void _stop();//小車停止

　　void setup();

　　{pinMode(IN1,OUTPUT);

　　pinMode(IN2,OUTPUT);

　　pinMode(IN3,OUTPUT);

　　pinMode(IN4,OUTPUT);

　　Serial.begin(9600);}

　　void loop()

　　{…..}

4控制系統(tǒng)測試

　　4.1驅(qū)動電機測試

　　小車的系統(tǒng)設(shè)計要求Android手機能正確控制小車的轉(zhuǎn)向、前進、后退和停止等功能。為檢測系統(tǒng)能否達到設(shè)計要求，對系統(tǒng)進行功能和性能測試。本文中用Arduino單片機的4、5、6、7引腳的高低電平來控制小車的啟停和轉(zhuǎn)向。ENA和ENB是電機1和電機2的使能引腳，IN1和IN2引腳控制電機1，IN3和IN4引腳控制電機2。以前驅(qū)左輪電機1為例，真值表如表1所示。

　　4.2藍牙通信距離的測試

　　藍牙作為一種抗干擾能力強、功耗低的無線技術(shù)使用較為普遍，但同時藍牙模塊的低功率和高頻率限制了其應(yīng)用范圍，故對該系統(tǒng)的通信質(zhì)量進行測試，測試地點選擇教學(xué)樓內(nèi)和空曠的平地，經(jīng)測試確定無線藍牙能在約9 m的范圍內(nèi)有效控制。

5結(jié)論

　　本設(shè)計以Arduino單片機為核心控制，通過HC06藍牙模塊實現(xiàn)小車和主控制器的通信，完成小車多種運動形態(tài)，實現(xiàn)小車智能策略控制。實驗表明，本控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)小車前進、停止、左旋、右旋等功能，達到預(yù)期設(shè)計效果。但藍牙控制范圍有限，為擴大其應(yīng)用范圍，考慮引進蜂窩的網(wǎng)路架構(gòu)或者通過增大發(fā)射功率等措施來擴大覆蓋半徑。

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