徐 鵬，梁 曼，魏 萍，張海玲

(1.浙江國際海運職業(yè)技術學院 船舶工程學院，浙江 舟山 316021；2.浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

基于Arduino/Android的小車藍牙控制系統(tǒng)的設計與實現*

徐 鵬1，梁 曼2，魏 萍1，張海玲1

(1.浙江國際海運職業(yè)技術學院 船舶工程學院，浙江 舟山 316021；2.浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

以Arduino單片機的硬件平臺為核心控制器，結合Eclipse開發(fā)環(huán)境和Arduino IDE編程語言完成小車的主控程序，通過Android手機藍牙客戶端與藍牙模塊服務端的通信實現小車的智能策略控制。小車整體采用前橋驅動、后輪轉向的布局方式，兩輪各用一個直流電機配合齒輪減速機構實現運作。實驗表明：該控制系統(tǒng)實現了基于Android手機的藍牙控制小車的運行功能，實現小車的前進、后退和轉彎等多種運動形態(tài)。該控制系統(tǒng)結構簡單、操作方便，為新型智能控制系統(tǒng)的設計提供了參考依據。

Arduino；Android；藍牙；智能小車

Arduino作為新興的開源電子設計平臺，注重程序的邏輯結構，忽略底層函數的具體設計，大大降低了編程難度，因此常用作機器人的主控芯片[1-2]。此外，Arduino中的Atmega328-AU處理芯片具有強大的數據處理功能，處理速度和各項性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的51芯片，本設計基于Android操作系統(tǒng)的開源性和可操作性，利用無線技術控制小車運行[3-4]。藍牙作為一種抗干擾能力強、功耗低的無線互連技術，比其他無線控制技術，如紅外、射頻等應用范圍更廣，在局域范圍控制中具有一定的優(yōu)勢[5-6]。因此，本文以Android手機作為終端，通過藍牙串口傳輸指令，實現小車的智能策略控制[7-8]。

1 系統(tǒng)設計方案

圖1 控制流程框圖

以Arduino單片機為核心，通過Android手機中的藍牙串口助手發(fā)送指令至藍牙模塊進行存儲分析，實現小車的前進、后退、左旋、右旋、左轉、右轉、停止等功能。首先在硬件通電的瞬間實現硬件的初始化，包括HC-06藍牙模塊的設置連接及電機通電待命狀態(tài)。初始化完成后，通過Android手機中的藍牙串口助手進行指令的發(fā)送，Arduino處理器實時對HC-06藍牙模塊端口進行數據讀取和分析，收到信號立即進行處理，再通過L296N電機驅動模塊實現小車的運行功能，控制流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

整個硬件系統(tǒng)分為3個子模塊：Arduino主控模塊、H橋控制的電機驅動模塊和HC-06藍牙模塊。主控模塊采用以Atmega328-AU處理芯片為內核的芯片，是整個系統(tǒng)的智能控制部分，進行信息數據的分析和處理；電機驅動模塊主要采用L298N驅動模式，實現對電機的控制；藍牙模塊負責接收相應的指令控制驅動電機模塊轉動，從而實現無線控制功能。

2.1 Arduino硬件開發(fā)板

Arduino單片機是一塊基于開放源代碼的USB接口板，微處理器采用Atmega328-AU，性價比高，同時具有類似Java、C語言的IDE開發(fā)環(huán)境硬件庫，可根據外圍硬件進行庫的二次開發(fā)，方便與各種電子組件的連接[9-10]。外圍引腳包括數字I/O(D0-D13)、模擬I/O(A0-A5)、7個PWM，并且支持外部供電與USB供電自動切換。

2.2 電機驅動模塊

L298N電機驅動模塊主要包括由8個二極管組成的兩組電機控制接口端(P1，P2)，其內部是4通道邏輯驅動電路，用于接收來自Arduino芯片的驅動控制信息和對兩個電機的控制信息。電路中8個二極管的作用是為產生的反向電流提供泄放路徑，避免電流過大燒毀驅動芯片。小車的左右輪兩組電機分別與電機控制接口端相連接，構成小車的運動控制系統(tǒng)。電機控制系統(tǒng)中采用線圈式電機，防止電機從一種運行狀態(tài)切換到另一種運行狀態(tài)時形成的反向電流燒毀電機。電機驅動模塊電路設計如圖2所示。

圖2 電機驅動模塊電路圖

2.3 HC-06藍牙模塊

藍牙模塊用于連接Android手機和小車，實現數據的傳輸。藍牙模塊分為主機模塊和從機模塊，主機能夠與從機配對通信，從機與從機之間或主機與主機之間不能通信，在本項目中，藍牙模塊主要功能是接收從手機端發(fā)送過來的指令，實現單一方向的通信，因此選擇從機HC-06模塊[11-12]。藍牙數據傳輸流程如圖3所示。

圖3 藍牙數據傳輸流程圖

首先將藍牙模塊連接到PC上，完成與手機的配對，再將藍牙模塊連接到Arduino控制板的藍牙模塊接口。連接方式：藍牙模塊的VCC接Arduino的3.3 V；GND接Arduino的GND；藍牙模塊的接收端RXD接Arduino的發(fā)送端TX，因為Arduino主控器只發(fā)送命令無需接收信號，所以藍牙模塊的發(fā)送端TXD和Arduino的接收端RX無需連接，再根據相應的IDE程序完成Android手機與Arduino控制器的連接，硬件連接如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

小車控制系統(tǒng)的軟件設計包括上位機和下位機軟件的編寫和測試。在上位機軟件設計中，選用Eclipse作為開發(fā)工具，設計了客戶端軟件，用Java語言開發(fā)客戶端的控制程序。為簡潔、快速地實現程序功能，本程序沒有對軟件界面做美化設計。在程序操作過程中，首先連接智能小車和HC-06藍牙模塊，點擊界面中的“查找設備”，程序就會列出周圍已開啟的藍牙設備，如圖5(a)所示，選擇屬于小車的藍牙設備即可自動連接上，控制小車運行的9個按鈕和圖形顯示如圖5(b)所示。

下位機軟件設計，即Arduino主控模塊上串口通信程序的設計，采用模塊化結構，由主程序﹑左轉子程序、右轉子程序﹑前進子程序、后退子程序等構成。Arduino單片機的串行口通過訪問特殊功能寄存器SBUF實現接收緩沖器和發(fā)送緩沖器的訪問，并且可以同時接收和發(fā)送數據。串行口的控制主要包括對狀態(tài)控制寄存器SCON、控制寄存器PCON和串行數據寄存器SBUF的設置。Arduino對于常用的串行口已有完整的集成庫，管腳進行配置只需調用相應的子函數，如pinMode(pin，mode)，pin為用戶欲配置的管腳編號，mode為配置模式(INPUT表示配置為輸入管腳，OUTPUT表示配置為輸出管腳)?；贏rduino開發(fā)環(huán)境下的部分IDE程序代碼如下。

圖4 藍牙模塊的硬件連接圖

圖5 藍牙客戶端與硬件模塊連接界面

void forward( );//小車前進

void back( ); //小車后退

void turnLeft( ); //小車左轉

void turnRight( ); //小車右轉

void car_up( ); //小車加速

void car_down( ); //小車減速

void turnLeftOrigin( ); //小車左旋

void turnRightOrigin( ); //小車右旋

void _stop();//小車停止

void setup();

{pinMode(IN1,OUTPUT);

pinMode(IN2,OUTPUT);

pinMode(IN3,OUTPUT);

pinMode(IN4,OUTPUT);

Serial.begin(9600);}

void loop()

{…..}

4 控制系統(tǒng)測試

4.1 驅動電機測試

小車的系統(tǒng)設計要求Android手機能正確控制小車的轉向、前進、后退和停止等功能。為檢測系統(tǒng)能否達到設計要求，對系統(tǒng)進行功能和性能測試。本文中用Arduino單片機的4、5、6、7引腳的高低電平來控制小車的啟停和轉向。ENA和ENB是電機1和電機2的使能引腳，IN1和IN2引腳控制電機1，IN3和IN4引腳控制電機2。以前驅左輪電機1為例，真值表如表1所示。

表1 直流電機1控制真值表

4.2 藍牙通信距離的測試

藍牙作為一種抗干擾能力強、功耗低的無線技術使用較為普遍，但同時藍牙模塊的低功率和高頻率限制了其應用范圍，故對該系統(tǒng)的通信質量進行測試，測試地點選擇教學樓內和空曠的平地，經測試確定無線藍牙能在約9 m的范圍內有效控制。

5 結論

本設計以Arduino單片機為核心控制，通過HC-06藍牙模塊實現小車和主控制器的通信，完成小車多種運動形態(tài)，實現小車智能策略控制。實驗表明，本控制系統(tǒng)能夠實現小車前進、停止、左旋、右旋等功能，達到預期設計效果。但藍牙控制范圍有限，為擴大其應用范圍，考慮引進蜂窩的網路架構或者通過增大發(fā)射功率等措施來擴大覆蓋半徑。

[1] 紀欣然．基于Arduino開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設計[J]．現代電子技術，2012，35(15)：161-163．

[2] 朱丹峰，葛主冉，林曉雷．基于Android平臺的無線遙控智能小車[J]．電子器件，2013，36(3)：408-412．

[3] 王洪斌，李程，王躍靈，等．基于Arduino和藍牙技術的六足機器人控制系統(tǒng)設計[J].黑龍江大學自然科學學報，2015，32(4)：533-537．

[4] 李建高，李樹明. 基于藍牙與智能手機的遠程信息采集與控制系統(tǒng)[J]. 微型機與應用，2012， 31(17)：92-94．

[5] 紀欣然．基于Arduino開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設計[J]．現代電子技術，2012，35(15)：161-163．

[6] 卞云松．基于Arduino單片機的避障小車機器人[J]．自動化技術與應用，2014，33(1)：16-19．

[7] 戈惠梅，徐曉慧，顧志華，等．基于Arduino的智能小車避障系統(tǒng)的設計[J]．現代電子技術，2014，37(11)：118-120．

[8] 趙新穎，羅坤．基于80C51控制的智能電動小車系統(tǒng)的設計與實現[J]．微型機與應用，2011,30(22)：85-87．

[9] 江燕良．基于Android智能終端的遠程控制系統(tǒng)[J]．電子技術應用，2012，38(8)：129-132．[10] 劉晉，蘇臣，金禹含，等．基于PID算法在噴繪機小車控制系統(tǒng)的應用[J]．微型機與應用，2015，34(8)：97-100．

[11] 朱恒軍，張玉龍，靳展．基于ZigBee的室內空氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]．電子技術應用，2015，41(2)：86-92．

[12] 馬建倉，羅亞軍，趙玉亭．藍牙核心技術及運用[M]．北京：科學出版社，2003．

西門子全集成數字化之旅全新起航

西門子全新升級的全集成數字化之旅日前在北京正式啟動。在此前自動化創(chuàng)新之旅的基礎上，西門子全集成數字化之旅將西門子最先進的數字化理念，如“數字化雙胞胎”和基于云的開放式物聯網操作系統(tǒng)MindSphere融入其中，致力于向中國工業(yè)客戶全面展示實現數字化轉型升級和踐行“中國制造2025”戰(zhàn)略切實可行的案例和示范解決方案。全集成數字化之旅實體展示卡車將在未來半年內深入到全國21座城市，向3 500多名客戶進行零距離展示。

“數字化正在工業(yè)領域掀起深刻變革，而西門子是中國工業(yè)企業(yè)把握變革機遇的最佳合作伙伴?！蔽鏖T子大中華區(qū)首席執(zhí)行官赫爾曼(Lothar Herrmann)表示，“借助跨越全生命周期的數字化企業(yè)解決方案，以及在軟硬件、服務乃至商業(yè)模式上的持續(xù)創(chuàng)新，西門子將幫助客戶著眼于未來，更好地適應市場變化?！?/p>

西門子2015年啟動全集成自動化之旅，目前總行程已超過10萬公里，將西門子最先進的全集成自動化技術、產品、解決方案以及服務理念帶給超過5000名中國的工業(yè)客戶。此次升級的西門子全集成數字化之旅在自動化軟硬件解決方案的基礎上將虛擬調試以及“數字化雙胞胎”的理念集成于TIA博途體驗中心，讓客戶能夠身臨其境地體驗“產品的數字化雙胞胎”、“設備的數字化雙胞胎”和“生產工藝流程的數字化雙胞胎”為客戶的生產所帶來的價值。全集成數字化之旅生動演示了跨越產品與生產的全生命周期價值鏈的集成，彰顯了數字化帶來的高生產力與效率。

全集成數字化之旅另一大亮點是西門子推出的基于云的開放式物聯網操作系統(tǒng)MindSphere。它是一個可擴展基礎設施，能夠采集生產數據，并將這些數據用于價值增值分析從而為客戶帶來收益。作為自動化和驅動設備領域的市場領導者，西門子能夠利用其在工業(yè)領域巨大的裝機量和在連接生產設備、智能數據采集方面的優(yōu)勢更好地為客戶提供基于大數據的服務，從而為工業(yè)客戶帶來更多可持續(xù)價值。

(西門子公司供稿)

Design and implementation of car Bluetooth control system based on Arduino/Android

Xu Peng1，Liang Man2，Wei Ping1，Zhang Hailing1

(1.Ship Engineering Institute，Zhejiang International Maritime College，Zhoushan 316021，China；2.Key Laboratory of Ministry of Education，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China)

In this paper, the main control program of electric car has been achieved by taking the hardware platform of Arduino single-chip microcomputer as the core controller, and combining with Eclipse development environment as well as Arduino IDE programming language.The communication between Android phone Bluetooth client terminal and Bluetooth implements determines the strategic control of the car. The intelligent car is designed to be of front axle driving and rear wheel steering, with two DC machines and gear reduction mechanisms on each wheel working together to achieve the motion of the car. The experiment indicates that the above control system can control the motion of the car by means of Android phone Bluetooth, such as forwarding, backwarding, turning and so on. The control system is simple in its structure and convenient in operation, hence providing a reference for the new intelligent control.

Arduino；Android；Bluetooth；intelligent car

TN242.6

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.029

徐鵬，梁曼，魏萍，等.基于Arduino/Android藍牙控制小車系統(tǒng)的設計與實現[J].微型機與應用，2017,36(4)：96-98,102.

0 引言

浙江省高等教育課堂教學改革項目(kg2015939);浙江國際海運職業(yè)技術學院2016訪問工程師校企項目

2016-09-20)

徐鵬(1988-)，通信作者,男，碩士，主要研究方向：機電一體化及自動控制理論。E-mail：xupengzjut@163.com。

梁曼(1991-)，女，博士研究生，主要研究方向：機電裝備設計和制造業(yè)信息化。

魏萍(1977-)，女，碩士，講師，主要研究方向：機電一體化和船舶電氣。