基于Arduino的樂高電源控制系統(tǒng)

　　了解如何使用您的 Arduino 控制樂高電機和伺服系統(tǒng)，并構(gòu)建您自己的 Android 應用程序來遠程控制您的模型。

　　背景

　　您是否擁有帶有電動機和伺服電機的超棒Lego Power Functions 模型之一？在本文中，我將向您展示如何使用 Arduino 和最少的電子元件來控制樂高模型。我將詳細解釋電路和編程，以便于初學者理解。

　　我們還將學習如何使用MIT 應用程序發(fā)明者來編寫我們自己的遠程控制 Android 應用程序。很快，您將在您的后院擁有自己的樂高火星探測器！

　　這是我的第一個 Arduino 項目，我兒子有一個漂亮的 Lego Technic 汽車模型（9398 4X4 Crawler ），帶有樂高動力功能：一個用于轉(zhuǎn)向的樂高伺服電機和兩個用于駕駛的樂高 L 電機。同時他也允許我在這個項目中使用這輛車。

　　了解電源功能接線

　　首先，購買一些樂高電源功能延長線。接下來，將它們切斷。我們將制作一些“分線”電纜，一端有樂高積木，另一端有別針。將引腳焊接在上面或類似的地方。以下是接線說明：

　　GND 代表接地，它是電池組（陽極）的負極端子 （-）。C1和C2可以切換極性，使電機和舵機切換方向。對于樂高伺服連接器，你需要將針腳焊接到所有四根電纜上。您可以使用淺灰色插頭。對于連接電池盒和面包板的電源線，我們只需要 +9 Volt 和 GND 但您必須使用深灰色插頭：

　　對于電機電纜，我們只需連接 C1 和 C2，您可以使用淺灰色插頭。

　　使用 L293D 芯片控制樂高電機

　　我們需要直流電機的變速控制和樂高伺服的位置控制。這是通過脈沖寬度調(diào)制 （PWM）實現(xiàn)的。Arduino的編程語言使PWM易于使用；只需調(diào)用analogWrite（pin， dutyCycle） ，其中 dutyCycle 是一個從 0 到 255 的值。PWM 引腳在您的 arduino 上標有 ~。

　　Arduino 輸出引腳為 5 伏特和最大值。30 毫安，而樂高電機需要 9 伏且每個拉力超過 100 毫安。我們需要某種介于兩者之間的“開關(guān)設(shè)備”。我們還希望能夠在兩個方向上運行直流電機。這些功能由所謂的H 橋解決。我們將使用L293D ，它在一個集成芯片上包含兩個 H 橋，這意味著我們可以將樂高電機 （M） 并聯(lián)連接到芯片的一側(cè)，將樂高伺服 （S） 連接到芯片的另一側(cè)。（如果您想獨立控制兩個電機，則需要第二個 L293D）。樂高伺服還需要連接到 GND 和樂高 +9 伏。

　　該芯片使 Lego +9 Volt 和 Arduino +5 Volt 完全分離。切勿將它們連接在一起，否則會損壞某些東西！但是您同時須將所有接地線連接在一起并與 L293D 接地引腳連接。

　　在我們的 Arduino 中，我們將使用引腳 9 來控制電機速度，使用引腳 2 和 5 來控制旋轉(zhuǎn)方向。樂高伺服像電機一樣被控制：我們連接引腳 3 用于位置，引腳 6 和 8 用于方向（左或右）。

　　在我們程序的頂部，我們將使用的 Arduino 引腳定義為常量。此外，我們定義了一些用于控制電機的變量：

// Motor control digital output pins defined as global constants
const int controlPin1A = 2; ? ? ? ? ? ? ? ?
const int controlPin2A = 5; ? ? ? ? ? ? ? ??
const int ENablePin = 9; ? ? ? ? ? ? ? ? ??
// Servo control digital output pins defined as global constants?
const int controlPin3A = 6; ? ? ? ? ? ? ?
const int controlPin4A = 8; ? ? ? ? ? ? ? ? ?
const int servoENablePin = 3; ?
? ? ? ??
// Motor control global variables:?
int motorSpeed = 0; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Motor speed 0..255
int motorDirection = 1; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Forward (1) or reverse (0)
// Servo control global variables:
int steering = 0; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Servo position 0..255
int steeringDirection = 0; ? ? ? ? ? ? ? ? ? // Left (0) and Right (1)

在設(shè)置中，我們使用pinmode()命令將這些引腳定義為輸出，然后使用digitalWrite ()將它們設(shè)置為 0 伏。?

void setup()?
{
? //other stuff....
?
? // Declare digital output pins:
? pinMode(controlPin1A, OUTPUT); ? ? ?// 1A
? pinMode(controlPin2A, OUTPUT); ? ? ?// 2A
? pinMode(ENablePin, OUTPUT); ? ? ? ? // EN1,2
? pinMode(controlPin3A, OUTPUT); ? ? ?// 3A
? pinMode(controlPin4A, OUTPUT); ? ? ?// 4A
? pinMode(servoENablePin, OUTPUT); ? ?// EN3,4
?
? digitalWrite(ENablePin, LOW); ? ? ? // motor off
? digitalWrite(servoENablePin, LOW); ?// steering centered
}

現(xiàn)在我們需要了解 L293D 芯片是如何控制電機的旋轉(zhuǎn)方向的。我們必須提供以下信號（高 == 5 伏；低 == 0 伏）：

EN1,2 1A 2A

高 高 低 電機左轉(zhuǎn)（前進；motorDirection == 1）

高 低 高 電機右轉(zhuǎn)（反向；motorDirection == 0）

EN3,4 3A 4A

高 高 低 舵機左轉(zhuǎn)（steeringDirection == 0）

高 低 高 舵機右轉(zhuǎn)（steeringDirection == 1）

接下來我們準備編寫一個子程序來讀取方向和速度/位置的全局變量并控制電機和伺服：

void SetMotorControl()
{
?if (motorDirection == 1) ? ? ? ? ? ? ? //Forward
? ?{
? ? ? digitalWrite(controlPin1A, HIGH);
? ? ? digitalWrite(controlPin2A, LOW);
? ?}
?else ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //Reverse
? ?{
? ? ? digitalWrite(controlPin1A, LOW);
? ? ? digitalWrite(controlPin2A, HIGH);
? ?}?
?analogWrite(ENablePin, motorSpeed); ? ?//Speed
?
?if (steeringDirection == 0) ? ? ? ? ? ?//Left
? ?{
? ? ? digitalWrite(controlPin3A, HIGH);
? ? ? digitalWrite(controlPin4A, LOW);
? ?}
?else ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //Right
? ?{
? ? ? digitalWrite(controlPin3A, LOW);
? ? ? digitalWrite(controlPin4A, HIGH);
? ?}?
?analogWrite(servoENablePin, steering); //Servo position
}

　　帶有操縱桿的簡單 RC Android 應用程序

　　接下來，讓我們構(gòu)建一個簡單的 Android 應用程序來控制模型。

　　我們將使用 MIT app inventor 2。MIT App Inventor 是一個創(chuàng)新的初學者對編程和應用程序創(chuàng)建的介紹。Google 的 Mark Friedman 和麻省理工學院教授 Hal Abelson 共同領(lǐng)導了 App Inventor 的開發(fā)。它作為一項網(wǎng)絡(luò)服務運行，由麻省理工學院移動學習中心的工作人員管理。

　　在您的 Android 手機上，前往 Google Play 并安裝MIT AI2 Companion 應用程序。在您的計算機上，在 Firefox 或 Chrome 瀏覽器中打開我的RC 應用程序的鏈接。您必須使用您的 gmail 地址登錄并創(chuàng)建一個帳戶才能查看源代碼。如果您在手機上打開配套應用程序，您可以在瀏覽器中查看源代碼，對其進行更改并立即在手機上進行測試。

　　在瀏覽器中，您現(xiàn)在將看到應用程序的設(shè)計器視圖：

　　在底部，我們看到帶有藍色操縱桿球的橙色墊?，F(xiàn)在切換到 Blocks-view 來查看程序。該程序的核心是一個 when 塊，它跟蹤您的手指觸摸和拖動藍色操縱桿球的動作：

　　您的手指位置將會在兩個變量currentX和currentY中進行跟蹤，并用于計算兩個變量轉(zhuǎn)向和速度的值（范圍：-100..0..+100）。首先，程序會先檢查您的手指是否在墊外，并將值限制為 +/- 100。如果手指在墊內(nèi)，程序會計算轉(zhuǎn)向和速度的值。接下來，程序生成以下形式的命令字符串：

　　“遙控，轉(zhuǎn)向，速度，\n”

　　該命令以用于遠程控制的“RC”開頭，后跟逗號。然后我們發(fā)送轉(zhuǎn)向和速度的值。命令末尾的換行符 （‘\n’） 是向 Arduino 發(fā)出命令完成的信號。該命令字符串通過藍牙發(fā)送到 Arduino。供您參考，該字符串也顯示在屏幕上。

　　將藍牙命令讀入 Arduino

　　為了讀取藍牙命令字符串，我們需要連接一個 HC-05 藍牙模塊：

　　我的這塊板子有 6 個引腳。但我們實際上只需要 4 個引腳。VCC 是（正）電源電壓，GND 是地。該模塊可承受 6 伏電源電壓，這意味著我們可以將其連接到 arduino 5 伏電源引腳。TXD 和 RXD 是串行信號。我們必須越線并將 TXD 連接到 arduino RXD（引腳 0），反之亦然。

　　注意： LEVEL：3.3V，這意味著 RXD不能直接連接到 5V arduino TXD（引腳 1）。我們必須構(gòu)建一個帶有三個 1 kOhm 電阻的分壓器，以產(chǎn)生 5V 的 2/3 的輸出電壓。另一方面，3.3V 的 TXD 信號可以直接連接到 Arduino RXD。Arduino 會將 3.3V識別為高。

　　由于引腳 0 和 1 與 Arduino 的 USB 端口共享，因此在通過 USB 將程序上傳到開發(fā)板時，您必須斷開引腳 0 和 1 的 RXD 和 TXD 信號。如果您不斷開電纜，上傳將無法進行。

　　接下來，您必須將 HC-05 模塊與您的 Android 設(shè)備配對。打開藍牙；啟動應用程序；按“藍牙連接”；讓您的手機可見并尋找名為 HC-05 或類似設(shè)備的設(shè)備。選擇設(shè)備。您將被要求輸入代碼。按“1234”。當您返回操縱桿屏幕時，它應該以綠色顯示“已連接”。

　　現(xiàn)在，讓我們看一下代碼：

// Serial buffer size: calculate based on max input size expected for one command
#define INPUT_SIZE 30
?
?
void loop()?
{
? // Get next command from serial bluetooth (add 1 byte for final 0)
? char input[INPUT_SIZE + 1]; ? ? ? ? ? ? ? ? ?// array of type char (C-string)
? //read Serial until new line or buffer full or time out
? byte size = Serial.readBytesUntil('\n', input, INPUT_SIZE); ??
? // Add the final 0 to end the C-string
? input[size] = 0;
?
? // Split string which is of the form: ?"RC,steering,speed,\n\0"
? char* command = strtok(input, ","); ? ? ? ? ?// command (RC) ??
? // RCsteering in Range: -100 (left).. 0 .. 100 (right)
? char* RCsteering = strtok(NULL, ","); ? ? ? ?
? // RCspeed in Range: -100 (full speed reverse).. 0 .. 100 (full speed forward)
? char* RCspeed = strtok(NULL, ","); ? ? ? ? ??
? int iRCsteering = atoi(RCsteering); ? ? ? ? ?// convert string into integer
? int iRCspeed = atoi(RCspeed); ? ? ? ? ? ? ? ?// convert string into integer
?
? //rest of program
}

　　Android 應用程序發(fā)送的字符串被讀入一個特殊的字符串結(jié)構(gòu)：一個帶有 null-termination 的 C 字符串。（0 字符告訴程序它已經(jīng)到了字符串的末尾）。這是通過使用函數(shù) Serial.readBytesUntil（‘\n’， input， 。..）來完成的，該函數(shù)從串行接口（藍牙）讀取，直到獲得換行符（‘\n’）。這樣，我們會一直讀取字節(jié)，直到在input中有完整的命令：

　　“遙控，轉(zhuǎn)向，速度，\n\0”。

　　處理輸入的一種非常有效的方法是字符串標記函數(shù)，它使用逗號作為分隔符將字符串分成幾部分。第一次調(diào)用 strtok（） 返回“RC”。然后通過將 NULL 傳遞給 strtok（） 來讀取命令的后續(xù)部分。返回值存儲在RCsteering和RCspeed中。這些變量實際上是指向input中位置的指針。atoi（）函數(shù)最終將它們轉(zhuǎn)換為整數(shù)?，F(xiàn)在，我們有：

　　iRC 轉(zhuǎn)向 == -100（左）。. 0 。. +100（右）

　　iRCspeed == -100（后退）。. 0 。. +100（前進）

　　現(xiàn)在差不多完成了。在將它們傳遞給我們的例程 SetMotorControl（） 之前，我們必須將這些值乘以 2.55（請記住，電機速度在 0..255 范圍內(nèi)）。你現(xiàn)在可以在 CODE 部分研究程序的其余部分，構(gòu)建電路并測試您的遙控樂高模型。

　　未來？

　　既然您有一個 Arduino 控制您的樂高模型，您可能希望將該模型用作機器人平臺：

　　添加一些超聲波 ping 傳感器，編寫您自己的避障邏輯并制作您自己的自動駕駛機器人火星探測器。

　　或者給遙控器增加更多指令，給模型增加更多功能。