第1篇：在最后一刻停下來！用Arduino和距離傳感器制作小雞賽車！（第1篇）

該項(xiàng)目旨在介紹用Arduino讓傳感器工作的一個(gè)電子作品。此次的分享嘉賓是福田和宏先生！他過去曾在DevicePlus上連載過“Arduino基礎(chǔ)”等作品。

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大家好！在第1篇中，我為大家介紹了小雞賽車的全貌。在本文中，我們一起來了解一下小雞賽車中使用的電子部件的工作情況。然后，我們會(huì)創(chuàng)建一個(gè)電子電路，使其能夠安裝在作品主體上。

可以測(cè)量距離的“超聲波距離傳感器”

當(dāng)小雞賽車停在墻壁前面時(shí)，我希望能夠測(cè)量并讓我們知道賽車的停止位置距離墻壁有多遠(yuǎn)。可以使用超聲波距離傳感器來完成這項(xiàng)任務(wù)。超聲波距離傳感器是利用超聲波（聲音）從傳感器發(fā)出、并被墻壁反射回來所需的時(shí)間來計(jì)算距離的。通過將時(shí)間乘以聲速（340.29 m/sec）即可計(jì)算出距離。然而，由于這個(gè)距離是聲音從傳感器到對(duì)象物、并從對(duì)象物被反射回到傳感器的往復(fù)距離，所以實(shí)際上到對(duì)象物的距離需要減半。雖然在不同的室溫下會(huì)多少存在一些誤差，但由于在測(cè)量短距離時(shí)忽略誤差也不會(huì)造成太大的偏差，所以我沒有給小雞賽車配備溫度校準(zhǔn)功能。

現(xiàn)在，讓我們通過Arduino Nano使用超聲波距離傳感器來測(cè)量距離吧。如下連接超聲波距離傳感器。

超聲波距離傳感器帶有稱為“TRIG”和“ECHO”的引腳。通過對(duì)“TRIG”施加“HIGH”，可以發(fā)出超聲波。此外，“ECHO”在接收到反射回來的超聲波時(shí)會(huì)變?yōu)椤癏IGH”。使用Arduino，可以通過測(cè)量從將TRIG置“HIGH”發(fā)出超聲波直到ECHO切換為“HIGH”的時(shí)間，來獲取從超聲波發(fā)射到返回所花的時(shí)間。當(dāng)然，需要將TRIG連接到Arduino Nano的數(shù)字輸入輸出引腳2，將ECHO連接到數(shù)字輸入輸出引腳3。

此次的超聲波距離傳感器的測(cè)量工作將使用筆者創(chuàng)建的庫(kù)。您可以通過下面的鏈接下載這個(gè)庫(kù)。

下載庫(kù)文件（HCSR04.zip）

從Arduino IDE的“Sketch”菜單中選擇“Include Library”-“Add .ZIP Library”，打開下載的庫(kù)。現(xiàn)在，就可以使用超聲波距離傳感器庫(kù)了。

創(chuàng)建如下程序，通過這個(gè)程序，可以利用超聲波距離傳感器來獲取距離，并在串口顯示器上查看。

#include 

const int US_TRIG_PIN = 2;
const int US_ECHO_PIN = 3;

HCSR04 hcsr04( US_TRIG_PIN, US_ECHO_PIN );

void setup()
{
    Serial.begin( 9600 );

    hcsr04.begin();
}

void loop()
{
    float distance;
    distance = hcsr04.get_length();
    
    Serial.print( distance );
    Serial.println( "cm" );
    
    delay( 500 );
}

將程序傳輸?shù)紸rduino并打開串口顯示器，就會(huì)顯示出距離。接下來，您可以把書本等物體放在超聲波距離傳感器前來改變距離，可以看到顯示器上的距離數(shù)據(jù)也會(huì)隨之發(fā)生變化。

顯示字符的“字符液晶顯示器”

我們使用字符液晶顯示器來顯示超聲波距離傳感器測(cè)量到的結(jié)果。字符液晶顯示器是一種在內(nèi)部存儲(chǔ)有字母和數(shù)字等字符信息，可以簡(jiǎn)單地顯示字符的顯示設(shè)備。雖然能夠顯示的字符數(shù)是預(yù)先規(guī)定好的，但在顯示像這次這樣的測(cè)量距離或簡(jiǎn)單的介紹文本時(shí)，足夠用了。

本次使用的字符液晶顯示器“AQM1602Y-FLW-FBW”可以在屏幕上顯示32個(gè)字符（16個(gè)字符×2行）。

AQM1602Y-FLW-FBW通過I2C由Arduino來控制。在Arduino Nano Every中，模擬輸入引腳A4和A5可用于I2C通信。

現(xiàn)在，讓我們來嘗試通過Arduino Nano實(shí)際控制字符液晶顯示器，并使之顯示任意字符。連接如下。由于背面的背光引腳的干擾，AQM1602Y-FLW-FBW可能無法插入面包板。在這種情況下，最好準(zhǔn)備一個(gè)針座并通過針座將其插入面包板。

要在AQM1602Y-FLW-FBW上顯示來自Arduino的字符，需要另外的庫(kù)。這次我們將使用筆者創(chuàng)建的庫(kù)來來實(shí)現(xiàn)顯示。您可以從下面的鏈接下載這個(gè)庫(kù)文件。

下載庫(kù)文件（AQM1602Y.zip）

從Arduino IDE的“Sketch”菜單中選擇“Include Library”-“Add .ZIP Library”，打開下載的庫(kù)。現(xiàn)在，就可以使用該庫(kù)了。

讓我們實(shí)際顯示一下“Chicken Racer”。創(chuàng)建如下程序：

#include 
#include 

int VDD_VOLT = 5;

const int AQM1602Y_ADDR = 0x3E;
AQM1602Y lcddisp( AQM1602Y_ADDR, VDD_VOLT );

void setup()
{
    lcddisp.begin();

    lcddisp.set_cursol( false );
    lcddisp.set_blink( false );
    lcddisp.set_contrast( 0x0f );

    lcddisp.move( 0x01, 0x00 );
    lcddisp.charwrite("Chicken  Racer");
}

void loop()
{
}

lcddsip.move () 是將光標(biāo)移動(dòng)到希望開始顯示的位置。需要按照位和行的順序指定。屏幕左上角為0位0行。例如，如果要在第2位第1行顯示，就需要指定“l(fā)cddisp.move (0x01, 0x00)”。

要顯示的字符串由 lcddisp.charwrite() 指定。

當(dāng)我將程序傳輸?shù)紸rduino時(shí)，顯示器上顯示“Chicken Racer”。為了便于查看，我打開了背光燈（如下面照片所示），但是實(shí)際上沒有連接背光燈，所以背光燈不會(huì)亮。

推動(dòng)車輪前進(jìn)的“電機(jī)”

小雞賽車是通過使裝有車輪的電機(jī)來推動(dòng)其前進(jìn)的。在啟動(dòng)時(shí)使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，在按下開關(guān)時(shí)使電機(jī)停止。

由于使電機(jī)運(yùn)行所需的電流較大，因此無法直接將電機(jī)連接到Arduino Nano的數(shù)字輸入輸出引腳。所以需要使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由電機(jī)專用電源供電。有關(guān)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱“Arduino基礎(chǔ)：控制電機(jī)”。

要想實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)，就需要使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行如下連接。本次使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器帶有兩個(gè)控制引腳，可以控制正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。但是，由于小雞賽車只能前進(jìn)，所以將正轉(zhuǎn)控制用的輸入1（引腳7）連接到Arduino進(jìn)行控制，將反轉(zhuǎn)控制用的輸入2（引腳9）連接到了GND。

另外，通過本次使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的“VREF”引腳（引腳1），還能夠調(diào)整可提供給電機(jī)的電壓。正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)會(huì)輸出與VREF相同的電壓。當(dāng)施加在電機(jī)上的電壓發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)改變。因此，可以事先安裝旋鈕來調(diào)節(jié)施加于VREF的電壓，這樣就能夠調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速了。這個(gè)旋鈕是學(xué)齡前兒童可以慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)、小學(xué)生可以快速轉(zhuǎn)動(dòng)的程度。

連接完成后，讓我們?cè)囍ㄟ^Arduino來實(shí)施控制。這次我們嘗試以5秒的間隔反復(fù)旋轉(zhuǎn)和停止。創(chuàng)建如下程序：

const int MOTOR1_PIN = 4;

void setup()
{
    pinMode( MOTOR1_PIN, OUTPUT );
}

void loop()
{
    digitalWrite( MOTOR1_PIN, HIGH );
    delay( 5000 );
    digitalWrite( MOTOR1_PIN, LOW );
    delay( 5000 );
}

通過這個(gè)程序，連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字輸入輸出引腳（引腳4）被置“High”時(shí)將會(huì)旋轉(zhuǎn)，被置“Low”時(shí)將會(huì)停止。因此，可以通過使用digitalWrite()切換引腳4的輸出來實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。

這次的小雞賽車采用兩個(gè)電機(jī)來使左車輪和右車輪旋轉(zhuǎn)和前進(jìn)。因此，需要為每個(gè)電機(jī)準(zhǔn)備一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。如果能夠獨(dú)立控制兩個(gè)電機(jī)，不僅可以使賽車前進(jìn)，還可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)操作，可以更靈活地進(jìn)行控制。

不過本次的賽車只需要能夠前進(jìn)和停止，因此只要讓兩個(gè)電機(jī)以相同的方式運(yùn)行即可。所以，通過將兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制引腳連接到Arduino的一個(gè)數(shù)字輸入輸出引腳，即可執(zhí)行相同的動(dòng)作。

當(dāng)然，在某些情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可能會(huì)有所不同，可能無法直線行駛。在這種情況下，可使用連接到VREF引腳的旋鈕將轉(zhuǎn)速調(diào)整為同一轉(zhuǎn)速。

用來檢測(cè)碰撞的“微動(dòng)開關(guān)”

要想判斷是否失敗，就需要檢測(cè)到是否與墻壁發(fā)生了碰撞；另外，當(dāng)撞到墻上時(shí)需要立即使電機(jī)停止。針對(duì)這種需求，我使用的是微動(dòng)開關(guān)。微動(dòng)開關(guān)是一種響應(yīng)性能良好的開關(guān)，按下開關(guān)后，當(dāng)?shù)竭_(dá)特定位置時(shí)會(huì)立即切換。它也常用于鼠標(biāo)的單擊按鈕。

另外，如果是帶有金屬板的微動(dòng)開關(guān)，那么即使按下角度有偏差，也能夠確保開關(guān)被按下。像這次需要檢測(cè)是否碰撞墻壁的情況，某些碰撞角度，可能無法按下開關(guān)。而如果使用帶有金屬板的微動(dòng)開關(guān)，那么即使撞擊角度有一定程度的傾斜，開關(guān)也能夠被按下。此外，通過在左側(cè)和右側(cè)同時(shí)安裝開關(guān)，可以進(jìn)一步確保開關(guān)在撞擊時(shí)被按下。

微動(dòng)開關(guān)帶有3個(gè)引腳。未按下開關(guān)時(shí)，COM引腳和NC引腳處于連接狀態(tài)。當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，開關(guān)由NC切換到NO，COM引腳和NO引腳連接。

由于我們這次是希望通過開關(guān)被按下來檢測(cè)碰撞，所以將使用COM引腳和NO引腳。我們將一個(gè)引腳連接到Arduino Nano的數(shù)字輸入輸出引腳，將另一個(gè)引腳連接到GND，這樣，當(dāng)開關(guān)被按下時(shí)，數(shù)字輸入輸出引腳將會(huì)被切換到GND狀態(tài)。另外，需要啟用上拉功能，使數(shù)字輸入輸出引腳在開關(guān)未被按下時(shí)處于5V狀態(tài)，以穩(wěn)定輸入。

下面，讓我們來試用一下微動(dòng)開關(guān)吧。這次，先試試當(dāng)開關(guān)被按下時(shí)讓安裝在Arduino Nano上的 LED燈亮起來吧。連接方法如下。我們使用引腳12作為數(shù)字輸入輸出引腳來讀取微動(dòng)開關(guān)的狀態(tài)。

連接好之后，創(chuàng)建以下程序：

const int LED_PIN = 13;
const int BUMPER_PIN = 12;

void setup()
{
    pinMode( LED_PIN, OUTPUT );
    pinMode( BUMPER_PIN, INPUT_PULLUP );
}

void loop()
{
    if( digitalRead( BUMPER_PIN ) == LOW ){
        while( digitalRead( BUMPER_PIN ) == LOW ){
            delay( 10 );
        }

        digitalWrite( LED_PIN, HIGH );
	} else {
        digitalWrite( LED_PIN, LOW );
	}
}

當(dāng)將程序傳輸?shù)紸rduino并按下微動(dòng)開關(guān)時(shí)，您可以看到安裝在Arduino Nano上的LED亮了。

在電路板上創(chuàng)建電路

在確認(rèn)了每個(gè)電子部件的工作情況之后，我們來為整個(gè)小雞賽車創(chuàng)建一個(gè)配套的電路。電路圖如下：

基本上，要讓每個(gè)確認(rèn)過的電子部件分別連接好。但是考慮到操作的方便性，我還增加了一個(gè)在調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的開關(guān)、以及為了便于獨(dú)立控制電機(jī)而設(shè)置的切換用跳線。

這個(gè)電路是在萬用板上通過焊接來制作完成的。下面是作者做的電路板。是將主板和電機(jī)控制板分開制作的。

在制作電路板時(shí)，如果使用連接器進(jìn)行連接，布線會(huì)更容易處理。這是因?yàn)橐坏╇娐酚惺裁磫栴}，也可以通過插拔輕松地進(jìn)行調(diào)整。這次，我用的是小型連接器——“XH連接器”。另外，在使用連接器時(shí)，需另行準(zhǔn)備連接用的導(dǎo)線。

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這次我們創(chuàng)建了電路。下次我們將完成殼體制作并創(chuàng)建運(yùn)行程序，徹底完成小雞賽車。下一篇更精彩，敬請(qǐng)期待！

福田和宏

作家，居住在日本札幌。喜歡撰寫有關(guān)電子創(chuàng)作、電腦、Linux、智能手機(jī)等方面的文章。在為“Raspberry Pi Magazine”和“日經(jīng)Linux”供稿。著有《這本書足夠！Raspberry Pi超簡(jiǎn)單入門教程》（SOTECHSHA）、《學(xué)習(xí)各種電子元器件的控制！Arduino電子創(chuàng)作 實(shí)戰(zhàn)教程》（SOTECHSHA）、《Arduino實(shí)用入門》（技術(shù)評(píng)論出版社）等書籍。目前，創(chuàng)辦了“札幌電子工藝部”，這里匯集了眾多電子創(chuàng)作發(fā)燒友，大家使用各自的電子技能創(chuàng)作各種作品。任何人都可以參加，也期待您的加入！

審核編輯黃宇