如何制作一台多功能循迹蓝牙遥控小车

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在刚接触51单片机的时候觉得这是很难的事情

记录蓝牙小车的制作过程

一、前言

不要觉得它很难，就像在做一个玩具一样。蓝牙小车对于初学者是道坎，pwm调速这个就难到了很多人，其实这些都不难。

二、什么是pwm调速

网上是这么说的：

PWM(Pulse Width Modulation)控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。

但其实我们只需要记住两个词：
周期和占空比

在调速这方面，控制pwm就相当于控制你多长时间手动按一次按键和你每次按下按键的时长，来控制一只led。pwm的周期就是你按下按键的间隔，占空比就是你按下的时间。

  • 如果你每隔1秒按下一次，并且按下的时间为0.5秒，那么人眼可以看到led是在闪烁的状态。

  • 如果你操作够快，达到ms级别，那么人眼是看不出来你每隔10ms按下一次且每次按下5ms，这时候可以用一个一直通电的led和你控制的led做对比，你会发现你控制的led亮度大约是一直通电的1/2。

  • 如果你改变了按下的时间，周期不变，例如你只有2ms的时间按下，你会发现这比5ms按下更暗，而且大约是一直通电亮度的1/5。

如果把led换成电机，那么你就完成了调速，速度就是亮度，他们都是看你pwm波的有效值。也可以理解成电阻，通电时间也就是按下时间越长，发热量越大。

也就是说你控制的设备输出的功率就是pwm的占空比，占空比为50%的话，输出也就是最大功率的1/2。

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#include "reg52.h"
#include "intrins.h"
sbit out1=P2^0;
sbit out2=P2^1;
sbit out3=P2^2;
sbit out4=P2^3;//四个输出

int n,speed1,speed2,speed3,speed4;
void InitTimer0(void)//定时器初始化，这里设定了1ms定时
{
    TMOD = 0x01;
    TH0 = 0x0FC;
    TL0 = 0x18;
    EA = 1;
    ET0 = 1;
    TR0 = 1;
}

void main()
{
	InitTimer0();	
	while(1)
	{
		speed1=20;
		speed2=50;
		speed3=70;
		speed4=90;//设定四个输出的占空比
	}
}


void Timer0Interrupt(void) interrupt 1
{
    TH0 = 0x0FC;
    TL0 = 0x18;
    n++;
	if(n==100)//设定周期100ms
		n=0;
	if(n<speed1)
		out1=1;
	else
		out1=0;
	if(n<speed2)
		out2=1;
	else
		out2=0;
	if(n<speed3)
		out3=1;
	else
		out3=0;
	if(n<speed4)
		out4=1;
	else
		out4=0;
}


这里我们可以看到四个输出pwm明显的区别，20%，50%，70%，90%。

三、如何驱动电机

仅仅靠单片机的io口输出的电流来控制电机是远远不够的

51单片机io口输入电流限制在10ma左右，输出电流在10ua左右，加上拉电阻也只能达到20ma左右，这并不足以驱动需要较大电流的电机。

这个时候我们就需要使用电机驱动模块。

电机驱动模块也有很多种，一般驱动小减速电机我们可以使用L298N系列的驱动模块，如果驱动较大的减速电机我们就要使用mos管驱动。

这是我们最常用的L298N电机驱动模块，使用很简单

也有这种体积较小的L298N，但是他的使用比较严格，电压不得超过10V，安装也不是很方便，初学者不建议使用。

我们还是来看第一种体积比较大的L298N

管脚 功能
VCC 12V电源接口
GND 接地
5V 12V转5V的输出接口，单片机可以用这个5V供电
ENA，ENB 调速管脚，不需要调速时短接
IN1-4 电机方向控制

1.电源和接地

  • VCC可以使用12V航模电池或2-3节18650电池供电。
  • 5V可以给单片机和其他5V设备供电。
  • GND是共地，很多初学者会忘记将单片机和驱动模块共地，导致不能控制

2.方向控制管脚

in1,in2,in3,in4控制两端电机，in1和in2控制其左端输出，in3和in4控制其右端输出。

以控制左端为例，我们可以将in1和in2理解为电动势，如果in1和in2都为0或1，没有产生电势差，此时也就没有电流输出。

如果in1为0，in2为1，产生了电动势，此时输出端输出电流，可以观察电机转向，反之in1为1，in2为0，则电机与刚才相比反转。

右端同理，就是控制输出端电流方向。

3.调速管脚

如果不需要调速，那么就不用拔掉短接冒，此时调速管脚接的是高电平，也就是100%的占空比信号，电机全速转动。

如果需要调速，那么拔掉短接冒，和in1-4同排的管脚是你需要和单片机相连的管脚，此时你可以在ENA或ENB上给予pwm信号，它的速度是百分之几就等于你的占空比。

4.输出

每个L298N有两个输出，能控制两侧电机。如果我们制作四轮小车，个人还是建议使用一个L298N，一侧控制两个电机，这样可以避免因为L298N的性能问题，导致前后轮出现速度不同的现象。

5.为什么要用减速电机

减速电机内部是一个普通的马达，不同减速电机内部构造不同，但都是一个原理：
牺牲距离增加做功

其内部是减速齿轮组，夸张的说，马达转10圈时可能外部才转一圈，这样减速电机的力气更大，更重要的是这样更加容易控制速度，我们控制马达转一周很难，但我们粗略的控制它转100圈左右更加容易，所以我们控制减速电机的行驶速度和距离也就更加的容易。

四、循迹

循迹是作为智能小车的一大重点，在地上铺设白底黑线，小车就能够沿着黑线行驶，这是怎么做到的呢？
我们这里就需要使用循迹模块。

循迹模块也是需要VCC接5V，GND接地，还有两个管脚一个AO一个DO，我们使用DO管脚就可以，AO是AD输出暂时用不到。

原理：利用了在不同的颜色下红外反射强度不同，比如在白色条件下，红外线很容易就反射回来，黑色条件下，红外线会被黑色吸收而无法返回，这样就区分出了两种颜色。

蓝色电位器是用来调节检测的颜色，在比赛前的调试过程中必不可少的就是调节电位器，让其明显区分出循迹线和底板。

循迹模块的数量可以根据实际情况而定。

1.二路循迹

二路循迹比较简单，有两种编程思路。

第一种：鬼畜式纯电路循迹（自己起的名字）

不常用性能也不好，不需要芯片控制

这种循迹只需要控制左右转或者差速转向，也就是两侧车轮没有同速直线行驶的情况。
本人做的第一个循迹小车就是这种循迹方式，简答纯电路就可以驱动。

常常适用于两个后轮驱动，前方一个万向轮的三轮小车。

** 思路**：前方两个循迹模块，控制继电器即可。一旦左侧检测到黑线，证明车体方向偏右，就需要向左转，这时候左轮不动，右轮前进。一旦右侧检测到黑线，证明车体方向偏左，就需要向右转，右轮不动左轮前进。这时候我们看到的结果就是小车在左右摇摆着沿着黑线行驶。

第二种：简单二路的循迹

这是我们最常用的一种二路循迹，性能较好，适用于全部车型。

两个循迹模块之间的距离稍稍大于循迹线宽即可。

  • 当左侧检测到黑线，车体左转。
  • 当右侧检测到黑线，车体右转
  • 当左右都没有检测到黑线时，证明黑线在两个模块之间，车体前进（暂不考虑冲出轨道的情况）

2.三路循迹

三路循迹与二路相比更加准确，一般用于直角转弯或者精度较高的情况。
和二路循迹一样，两侧模块用来检测车体偏左还是偏右，可以当中间的模块检测到黑线时才开始前进。

直角转弯时，黑线不会在两侧的模块以内，这时候就需要在黑线接近时，可用中间模块判断车体是否准确的对准了黑线。

3.直角弯循迹

有些时候我们需要走一个直角弯，这个时候我们就需要在车体两侧加装循迹模块。

两侧模块用来检测是否到达了直角弯，一旦检测到黑线，就原地转向。

4.差速行驶

循迹的过过程中，要想保证速度或经过S弯等情况下，就需要使用差速。

差速就是两侧车轮同向转动但是速度不同，这样的效果就是小车实现S形走位，也可以实现在高速行驶的情况下微调方向。

5.PID算法

比较高级的循迹可以用到PID算法，使用差速来校准方向，但这种方法比较难用。

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struct _pid 
{
	float ExpectedValue;//定义设定值
	float ActualValue;//定义实际值
	float err;//定义偏差值
	float err_last;//定义上一个偏差值
	float err_prev;//定义前一个的偏差值
	float Kp, Ki, Kd;//定义比例、积分、微分系数
}pid;
 
void PID_Init()
{
	pid.ExpectedValue = 0.0;
	pid.ActualValue = 0.0;
	pid.err = 0.0;
	pid.err_prev = 0.0;
	pid.err_last = 0.0;
	pid.Kp = 0.4;
	pid.Ki = 0.2;
	pid.Kd = 0.0;
}
 
float PID_Realize(float speed) {
	float index;
	pid.ExpectedValue = speed;
	pid.err = pid.ExpectedValue - pid.ActualValue;
	//增量式pid公式
	float incrementValue = pid.Kp*(pid.err - pid.err_last) + pid.Ki*pid.err + pid.Kd*(pid.err - 2 * pid.err_last + pid.err_prev);
	pid.ActualValue += incrementValue;
	pid.err_prev = pid.err_last;
	pid.err_last = pid.err;
	return pid.ActualValue;
}

五、扩展功能

1、遥控

遥控可以有很多方案：

  • 蓝牙串口
  • JDY-40
  • nrf2401
  • WIFI

用51单片机的就可以使用蓝牙和JDY-40。

蓝牙模块可以实现手机控制，手机下载蓝牙串口调试软件，和蓝牙模块配对即可。

JDY-40，可以使用另一个51芯片来控制。

注意：JDY-40供电电压严格要求3.3V，可以使用稳压芯片转换电压。

使用串口遥控时，单片机要注意更换11.0592M晶振，尽量使用9600或115200的波特率，例如JDY-40的初始波特率为9600。
如果在调试过程中出现了乱码，那么首先就要确认两个设备的波特率是否相同，以及RXD和TXD是否连接正确。

发送的数据使用十六进制即可，例如0x01。

2、舵机

舵机可以搭载超声波，摄像头等。可以在车辆上制作一个二轴云台，并实现控制。

我们比较常用的sg90，相比金属舵机肯定是微不足道，但是它的性能足以让我们做一些小型的开发。

它的控制原理和pwm调速相似，但是它的周期是固定的。

舵机驱动的周期是20ms，占空比为0.5-2.5ms,也就是0-180度。

时间(ms) 角度
0.5 0
1.0 45
1.5 90
2.0 135
2.5 180

当然它的角度是线性变化的，并非固定只有5个角度。

3、同时使用串口和定时器

这里需要将TMOD改为0X21

例：

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void TimeInit()//定时器和串口同时初始化
{
	SCON=0X50;		
	TMOD|=0X21;		
	PCON=0X80;			
	TH1 = 0xF3;
    TL1 = TH1;
    TR1=1;	
    TH0 = 0x0FF;
    TL0 = 0x9C;
    ET0 = 1;
    TR0 = 1;
	ES=1;					
	EA=1;						
}

4、超声波避障等

可以看本站关于超声波的文章

超声波模块HC-SR04四针通用延时驱动:
https://square0097.github.io/2020/02/18/HC-SR04/

超声可以实现避障和倒车自停功能。

5、常见故障问题解决

1.在进行停车或起步等一些动作时，出现重启现象**

这里是因为电机在启动或停止瞬间电流消耗过大，引起的单片机电流不足断电，导致重启。

解决方法：在单片机的VCC和GND之间加一个电容即可，容值越大效果越好。

2.舵机运行时导致重启

同样是耗电的原因，舵机的耗电相比电机要高，所以这里建议单独为舵机供电。

解决办法：外加3.7V电池为舵机供电，注意共地。

六、END

暂时就总结这么多，希望能对大家有所帮助！