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）

該項目旨在介紹用Arduino讓傳感器工作的一個電子作品。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。

◆◆◆

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，我們會創(chuàng)建一個電子電路，使其能夠安裝在作品主體上。

可以測量距離的“超聲波距離傳感器”

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

現(xiàn)在，讓我們通過Arduino Nano使用超聲波距離傳感器來測量距離吧。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“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會變?yōu)椤癏IGH”。使用Arduino，可以通過測量從將TRIG置“HIGH”發(fā)出超聲波直到ECHO切換為“HIGH”的時間，來獲取從超聲波發(fā)射到返回所花的時間。當然，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量工作將使用筆者創(chuàng)建的庫。您可以通過下面的鏈接下載這個庫。

下載庫文件（HCSR04.zip）

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

創(chuàng)建如下程序，通過這個程序，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量到的結(jié)果。字符液晶顯示器是一種在內(nèi)部存儲有字母和數(shù)字等字符信息，可以簡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量距離或簡單的介紹文本時，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個字符（16個字符×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，最好準備一個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。這次我們將使用筆者創(chuàng)建的庫來來實現(xiàn)顯示。您可以從下面的鏈接下載這個庫文件。

下載庫文件（AQM1602Y.zip）

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

讓我們實際顯示一下“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 () 是將光標移動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。

當我將程序傳輸?shù)紸rduino時，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），但是實際上沒有連接背光燈，所以背光燈不會亮。

推動車輪前進的“電機”

小雞賽車是通過使裝有車輪的電機來推動其前進的。在啟動時使電機旋轉(zhuǎn)，在按下開關(guān)時使電機停止。

由于使電機運行所需的電流較大，因此無法直接將電機連接到Arduino Nano的數(shù)字輸入輸出引腳。所以需要使用電機驅(qū)動器由電機專用電源供電。有關(guān)電機和電機驅(qū)動器的詳細信息，請參閱“Arduino基礎(chǔ)：控制電機”。

要想實際驅(qū)動電機，就需要使用電機驅(qū)動器進行如下連接。本次使用的電機驅(qū)動器帶有兩個控制引腳，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，所以將正轉(zhuǎn)控制用的輸入1（引腳7）連接到Arduino進行控制，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驅(qū)動器的“VREF”引腳（引腳1），還能夠調(diào)整可提供給電機的電壓。正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時，電機會輸出與VREF相同的電壓。當施加在電機上的電壓發(fā)生變化時，電機的轉(zhuǎn)速也會改變。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)整電機的轉(zhuǎn)速了。這個旋鈕是學齡前兒童可以慢慢轉(zhuǎn)動、小學生可以快速轉(zhuǎn)動的程度。

連接完成后，讓我們試著通過Arduino來實施控制。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 );
}

通過這個程序，連接電機驅(qū)動器的數(shù)字輸入輸出引腳（引腳4）被置“High”時將會旋轉(zhuǎn)，被置“Low”時將會停止。因此，可以通過使用digitalWrite()切換引腳4的輸出來實現(xiàn)電機控制。

這次的小雞賽車采用兩個電機來使左車輪和右車輪旋轉(zhuǎn)和前進。因此，需要為每個電機準備一個電機驅(qū)動器。如果能夠獨立控制兩個電機，不僅可以使賽車前進，還可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)操作，可以更靈活地進行控制。

不過本次的賽車只需要能夠前進和停止，因此只要讓兩個電機以相同的方式運行即可。所以，通過將兩個電機驅(qū)動器的控制引腳連接到Arduino的一個數(shù)字輸入輸出引腳，即可執(zhí)行相同的動作。

當然，在某些情況下，電機的轉(zhuǎn)速可能會有所不同，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。

用來檢測碰撞的“微動開關(guān)”

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

另外，如果是帶有金屬板的微動開關(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)同時安裝開關(guān)，可以進一步確保開關(guān)在撞擊時被按下。

微動開關(guān)帶有3個引腳。未按下開關(guān)時，COM引腳和NC引腳處于連接狀態(tài)。當按下開關(guān)時，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)被按下來檢測碰撞，所以將使用COM引腳和NO引腳。我們將一個引腳連接到Arduino Nano的數(shù)字輸入輸出引腳，將另一個引腳連接到GND，這樣，當開關(guān)被按下時，數(shù)字輸入輸出引腳將會被切換到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)未被按下時處于5V狀態(tài)，以穩(wěn)定輸入。

下面，讓我們來試用一下微動開關(guān)吧。這次，先試試當開關(guān)被按下時讓安裝在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 );
	}
}

當將程序傳輸?shù)紸rduino并按下微動開關(guān)時，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

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

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

這個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。是將主板和電機控制板分開制作的。

在制作電路板時，如果使用連接器進行連接，布線會更容易處理。這是因為一旦電路有什么問題，也可以通過插拔輕松地進行調(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，需另行準備連接用的導(dǎo)線。

◆◆◆

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

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超簡單入門教程》（SOTECHSHA）、《學習各種電子元器件的控制！Arduino電子創(chuàng)作 實戰(zhàn)教程》（SOTECHSHA）、《Arduino實用入門》（技術(shù)評論出版社）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