【《基于Arduino的遥控避障智能小车功能模块的原理与设计案例》2700字】

基于Arduino的遥控避障智能小车功能模块的原理与设计案例1.1HC-06蓝牙模块1.1.1HC-06蓝牙模块的结构及特点本课题以HC-06蓝牙通讯模块作为手机控制端与Arduino之间控制信号传输的中间媒介，下面对HC-06蓝牙通讯模块进行简要介绍。其实物图如图1.1：图1.1HC-06蓝牙通讯模块HC-06不同于HC-05蓝牙模块。两者的主要差异是HC-05是主从一体机，一方面可以接收上级通讯设备发送的指令信息，另一方面也可以向下级通讯设备发送命令，而HC-06只能作为从机模式，那就只能接收上级的命令。HC-06蓝牙模块专门进行智能无线数据传输，遵循V2.0+EDR蓝牙规范，模块可与UART接口连接，并兼容SPP蓝牙串口协议，具有低成本、小体积、低功耗、收发灵敏性高等优势，只需配备少许的外围元件就能实现其强大功能REF_Ref14346\r\h[10]。HC-06蓝牙模块驱动方便，4个接口一一对应连接即可驱动，这四个接口分别是：1.RXD（接收端口）2.TXD（发送端口）1.GND（接地）4.VCC（电源）接通电源后，TXD、RXD就是其数据传输的接口，HC-06是以串口的方式驱动的，只需将对应串行通讯接口相接，就可以进行数据传输。蓝牙参数特点：①蓝牙核心模块使用HC—06从模块，引出接口包括VCC,GND,TXD,RXD,预留LED状态输出脚，可通过LED灯状态判断蓝牙是否已经连接，若蓝牙已与其他设备配对连接则保持常亮，反之则一直闪烁REF_Ref15277\r\h[11]。②输入电压1.6~6V，未完成连接时电流大小约30mA，连接后约10mA，输入电压必须严格限制在7V以下。③允许直接与各种单片机连接。④蓝牙未连接时支持通过AT指令设置波特率、名称和配对密码，设置的参数掉电保存，蓝牙连接完成后，蓝牙会主动切换到透传模式REF_Ref15277\r\h[11]。HC-06蓝牙模块采用数据透传方式进行设备间数据的传输工作。⑤该蓝牙为从机，能够与其他智能终端主机配对，从机之间则不能配对。1.1.2HC-06蓝牙模块与Arduino主板通讯原理在通过手机APP控制界面对智能小车进行远程遥控时，需要把HC-06蓝牙模块作为手机与Arduino主板进行控制信号传输的媒介，这就要求HC-06蓝牙模块要与Arduino主板进行相应的信号通讯。那么HC-06蓝牙模块与Arduino主板是如何进行通讯的呢？下面就介绍一下HC-06蓝牙模块与Arduino主板之间的通讯原理BT-06蓝牙模块与Arduino主板之间的通讯由于Arduino主板与HC-06蓝牙模块均有相应的数据接收端与发送端（HC-06：TXD,RXD;Arduino主板：RX,TX）这就使得两者之间的通讯变得尤为简单，只需将对应端口进行正确连接即可。Arduino开发板与蓝牙模块连接方法：VCC——Arduino的VCC(5V)。GND——接Arduino的GND。TXD——接Arduino开发板的RX端口。RXD——接Arduino开发板的TX端口。1.1.3HC-06蓝牙模块与Arduino主板的实际电路连接HC-06蓝牙模块与Arduino主板的实际电路连接如图1.2所示：图1.2HC-06蓝牙模块与Arduino主板的电路连接图1.2HC-SR04超声波模块1.2.1HC-SR04超声波模块的结构及特点本设计采取HC-SR04超声波传感器作为智能小车的测距避障模块。HC-SR04超声波测距模块具备非接触式的测距功能，测距范围为0.02m-4m，测距精度达3mmREF_Ref17334\r\h[12]。此模块的性能较为稳定，具有测距精确，盲区较小等优势。HC-SR04超声波模块包含四个与外部电路相连接的引脚，分别是：1、VCC（接5V电源）2、Trig(控制端）3、Echo(接收端）4、GND（接地）其实物图及原理图如图1.2、图1.3所示图1.3HC-SR04实物图1.2.2HC-SR04超声波模块避障原理HC-SR04超声波模块采用以IO触发测距，通过利用其发射的超声波信号从控制端到接收端的高电平持续时间和声波在空气中传播的原理，来计算小车与障碍物之间的距离，从而完成避障动作。其具体过程如下：第一步：Trig端会发送10us以上的高电平脉冲触发信号。第二步：自主循环发送8个40khz的方波，检测有无信号返回，当有信号返回，则说明前方有障碍物。第三步：如果测到回波，则通过ECHO口输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间REF_Ref18558\r\h[13]。最终可以得到，测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2REF_Ref19881\r\h[14]。但是由于HC-SR04超声波传感器的测量角度有限，无法实现小车的全方位测距避障，故需增加舵机模块，在本课题中选用SG90舵机，将HC-SR04超声避障模块置于SG90舵机之上，在小车运行过程舵机左右转动，以实现小车在其前进方向上的障碍物情况进行检测，实现前进方向0～180度空间范围内的测距，以提高避障效率，加快避障流程。1.2.3HC-SR04超声模块与Arduino主板的实际电路连接HC-SR04：GND接ArduinoGND;ECHO接ArduinoA1口；TRIG接ArduinoA0口；VCC接Ardino5V（VCC）.1.3舵机模块舵机模块在目前智能系统的设计中的使用愈加频繁，在本课题中为增加超声波传感器的测距避障的方向范围，提高避障效率和使智能小车运行更加流畅，也引入了舵机模块。普遍地，用PWM信号（脉宽调制信号）对舵机进行控制，PWM信号的基准周期为20ms，脉宽为0.5ms至2.5ms，舵机转动的角度范围为0至180度，舵机根据PWM信号的占空比来调节角度的改变，根据相应的脉冲宽度舵机可以旋转相应的角度从而达到指定位置REF_Ref20436\r\h[15]。本课题选用SG90作为舵机模块，在空载的情况下，它的反应转速可以达到0.12s/60°（4.8V），转角范围为0到180度，正常工作电压为1.5~6V。SG90舵机转动角度与PWM信号的脉冲宽度的关系如下表所示：结合本课题的实际需要将舵机的转角固定的设为：0°、90°和180°。舵机连接Arduino的D2口、GND和5V（VCC）1.4L293D电机驱动模块电机需要用大电流来驱动，除此之外，旋转方向、速度和角度是三个需要控制的重要参数。为满足电机驱动的要求和控制相应参数可以通过使用微控制器（或像Arduino这样的开发板）来处理。然而，微控制器提供的电流较小，没法来驱动电机。在本课题中使用ArduinoUNO开发板作为主控器，但是其引脚仅为40mA电流，不足以驱动电机（小型电机所需的电流为100-200mA电流）。想要解决这个问题，就要引入相应的电机驱动器。电机驱动器一方面可以与微控制器连接，另一方面又可以与电机相连接，在微控制器发送的控制信号的控制下发送另一控制信号用以驱动电机。L293D作为一款应用相当广泛的电机驱动器，可驱动直流电机，电流负载高达1A，同时具有4个输出端口，能够满足驱动两台直流电机的需求。故本课题采用L293D电机驱动器作为智能小车的电机驱动模块。其具有以下特性：电源电压范围：4.5V至36V单独的输入逻辑电源内部自带ESD保护模块，工作电压5V热关断高噪声抗扰度输入的通标L293和L293DSGS的功能替代每通道输出电流600mA峰值输出电流每通道1.2A9.输出钳位二极管的感性瞬态抑制其引脚及功能如图4.1所示：图1.4L293D引脚1,2EN（ENA）：启用驱动器通道1和2<1-4>A（IN1-4）：驱动器输入，同相<1-4>Y（OUT1-4)：驱动输出3,4EN(ENB）：启用驱动器通道3和44、5、12、13：设备接地和散热器引脚VCC1：用于内部逻辑转换的5V电源VCC2：驱动器的电源VCC4.5V至36VEN1、EN2为使能信号，高电平有效，可以连接单片机PWM信号，控制转速等。IN1、IN2为电机旋转方向控制信号。OUT1、OUT2与电机相连接，随着IN1、IN2的变化而做出相应变化，从而达到控制电机的目的。IN3、IN4、OUT3、OUT4与上述相同。L293D控制电机的工作模式如下表所示：其控制电机的工作模式的逻辑图，如图1.5具体如下：