Astria's Blog

主题

haue_2021级计算机科学与技术_大一专业认知实习 ​

1.环境搭建 ​

1.1 电路模拟环境 + 3D建模环境 ​

  • 使用老师提供的网站：Autodesk
  • 在该网站注册账号即可免费使用，可以最低限度满足本次项目要求

使用说明

  • 电路模拟

    1. 点击创建新电路 img
    2. 选择相应组件组合即可

  • 3D建模

    1. 点击创建新设计 img
    2. 选择合适的3D组件组合即可

1.2 蓝牙小车控制代码环境 ​

Tips

  • 在Autodesk模拟电路时，可以将代码导入，测试代码的正确性 img
  • 基于Arduino电路板，使用不同语言的函数的参考文献 img
  • 对于该项目，我们只需掌握 Digital I/O 相关的函数即可

2. Arduino串口通信 ​

2.1 Arduino串口 ​

Arduino 采用 USART 通信模式，可以有 硬串口 和 软串口 两种实现方式。

通常将Arduino UNO上自带的串口0（RX）、1（TX）称为硬件串口，可与外围串口设备通信。而使用SoftwareSerial类库模拟成的串口，称为软件模拟串口（简称软串口）。如果要连接更多的串口设备，可以使用软串口。

2.2 系统函数 ​

  1. 初始化程序

    setup() 函数中的代码只会被运行一次，通常用来做初始化工作。

  2. 循环主程序

    loop() 函数中的代码会被无限次地重复运行，程序的主体部分会写在这里。

2.3 串口函数 ​

2.3.1 Serial.begin() ​

描述： 开启串口，通常置于 setup() 函数中。

原型：

  • Serial.begin(speed)
  • Serial.begin(speed, config)

参数：

  • speed：波特率，一般取值 9600、115200 等。
  • config：设置数据位、校验位和停止位。默认 SERIAL_8N1 表示 8 个数据位，无校验位，1 个停止位。

返回值： 无。

2.3.2 Serial.print() ​

描述： 串口输出数据，写入字符数据到串口。

原型：

  • Serial.print(val)
  • Serial.print(val, format)

参数：

  • val：打印的值，任意数据类型。
  • format：输出的数据格式。BIN（二进制）、OCT（八进制）、DEC（十进制）、HEX（十六进制）。对于浮点数，此参数指定要使用的小数位数。

示例：

cpp
Serial.print(78, BIN) // 得到 "1001110"
Serial.print(78, OCT) // 得到 "116"
Serial.print(78, DEC) // 得到 "78"
Serial.print(78, HEX) // 得到 "4E"
Serial.print(1.23456, 0) // 得到 "1"
Serial.print(1.23456, 2) // 得到 "1.23"
Serial.print(1.23456, 4) // 得到 "1.2346"
Serial.print('N') // 得到 "N"
Serial.print("Hello world.") // 得到 "Hello world."

返回值： 返回写入的字节数。
Serial.println() 可以实现换行输出。

2.3.3 Serial.available() ​

描述： 判断串口缓冲区的状态，返回从串口缓冲区读取的字节数。

原型： Serial.available()

参数： 无。

返回值： 可读取的字节数。

2.3.4 Serial.read() ​

描述： 读取串口数据，一次读一个字符，读完后删除已读数据。

原型： Serial.read()

参数： 无。

返回值： 返回串口缓存中第一个可读字节，当没有可读数据时返回 -1，整数类型。

2.4 Digital I/O ​

2.4.1 digitalRead() ​

描述： 从指定的数字引脚读取值，无论是 HIGH 还是 LOW。

原型： digitalRead(pin)

参数： pin：读取的 Arduino 引脚号

返回值： HIGH 或 LOW

示例：
将引脚 13 设置为输出，并读取引脚 7 的输入状态。

cpp
int ledPin = 13;  // LED 连接到数字引脚 13
int inPin = 7;    // 按钮连接到数字引脚 7
int val = 0;      // 用于存储读取值的变量

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);  // 将数字引脚 13 设为输出
  pinMode(inPin, INPUT);    // 将数字引脚 7 设为输入
}

void loop() {
  val = digitalRead(inPin);   // 读取输入引脚
  digitalWrite(ledPin, val);  // 将 LED 设为按钮的状态值
}

2.4.2 digitalWrite() ​

描述：
向数字引脚写入 HIGH 或 LOW 值。

  • 如果引脚已通过 pinMode() 配置为 OUTPUT，则其电压将被设置为相应值：HIGH 对应 5V（或 3.3V 板子上的 3.3V），LOW 对应 0V（接地）。
  • 如果引脚配置为 INPUT，digitalWrite() 将启用（HIGH）或禁用（LOW）该引脚上的内部上拉电阻。建议使用 pinMode() 将引脚设为 INPUT_PULLUP 来启用内部上拉电阻，详见数字引脚教程。
  • 若未明确设置 pinMode()，直接连接 LED 至引脚并调用 digitalWrite(HIGH) 时，LED 可能较暗。此时 digitalWrite() 会默认启用内部上拉电阻，其作用类似于一个较大的限流电阻。

原型： digitalWrite(pin, value)

参数：

  • pin：Arduino 引脚号。
  • value：HIGH 或 LOW。

返回值： 无

示例：

cpp
// 以下代码将数字引脚 13 设为输出，并以每秒一次的频率交替切换高低电平。

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);    // 将数字引脚 13 设为输出
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH); // 设置高电平
  delay(1000);            // 等待 1 秒
  digitalWrite(13, LOW);  // 设置低电平
  delay(1000);            // 等待 1 秒
}

2.4.3 pinMode() ​

描述：

将指定的引脚配置为输入或输出。有关引脚功能的详细信息，参考数字引脚页面。

从 Arduino 1.0.1 开始，可以使用 mode 启用内部上拉电阻 INPUT_PULLUP。此外，INPUT 模式明确禁用内部上拉。

原型： pinMode(pin, mode)

参数：

  • pin：要设置模式的 Arduino 引脚号。
  • mode：INPUT、OUTPUT 或 INPUT_PULLUP。参考数字引脚页面。

返回值： 无

示例：

cpp
// 该代码将数字引脚 13 设置为 OUTPUT，并在 HIGH 和 LOW 之间切换

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);    // 将数字引脚 13 设为输出
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH); // 设置高电平
  delay(1000);            // 等待 1 秒
  digitalWrite(13, LOW);  // 设置低电平
  delay(1000);            // 等待 1 秒
}

3. 制作流程 ​

3.1 电路模拟过程 ​

3.1.1 模拟硬件 ​

  • 首先，需要在模拟环境中添加一块 Arduino 电路板
  • 其次，需要四个直流电机，用于实现行进及转向控制功能

3.1.2 模拟代码 ​

  • 可以先在 IDE 环境中编译，之后导入虚拟环境中模拟

img

（1）前进、后退及停止功能

实现该功能，需要控制引脚输出的信号，使得两个引脚在直流电机的接口产生电位差，且要保证四个电机的电位差相等，使得小车可以沿着统一方向行驶，当不存在电位差时，电机停止运作，实现停止功能。

前进代码的实现：

cpp
void car_go() {
  digitalWrite(p1, HIGH);
  digitalWrite(p2, LOW);
  digitalWrite(p3, HIGH);
  digitalWrite(p4, LOW);
}

执行后的结果
img

可以看到四个电机均向正方向转动

后退代码的实现

cpp
void car_back() {
  digitalWrite(p1, LOW);
  digitalWrite(p2, HIGH);
  digitalWrite(p3, LOW);
  digitalWrite(p4, HIGH);
}

执行后的结果
img

可以看到四个电机均向反方向转动

停止代码的实现

cpp
void car_stop() {
  digitalWrite(p1, LOW);
  digitalWrite(p2, LOW);
  digitalWrite(p3, LOW);
  digitalWrite(p4, LOW);
}

执行后的结果
img

可以看到四个电机均停止转动

（2）转向功能

实现小车转向功能，可以控制两侧电机运作方向相反，同侧电机运作方向同步，通过改变引脚的输出信号，可以实现该功能。

小车左转向代码的实现

cpp
void car_left() {
  digitalWrite(p1, LOW);
  digitalWrite(p2, HIGH);
  digitalWrite(p3, HIGH);
  digitalWrite(p4, LOW);
}

执行后的结果
img

可以看到上方同侧电机正向转动，下方同侧电机反向转动

小车右转向代码的实现

cpp
void car_right() {
  digitalWrite(p1, HIGH);
  digitalWrite(p2, LOW);
  digitalWrite(p3, LOW);
  digitalWrite(p4, HIGH);
}

执行后的结果
img

可以看到上方同侧电机反向转动，下方同侧电机正向转动

（3）HC-06蓝牙模块连接功能

对Arduino连接HC-06蓝牙模块后，在启动时需要对串口进行连接。

连接示意图
img

代码调试

cpp
#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial BT(8, 9); //新建对象，接收脚为8，发送脚为9

char val1; //存储接收的变量

void setup() {
    Serial.begin(9600); //与电脑的串口连接
    Serial.println("BT is ready!");
    BT.begin(9600); //设置蓝牙模块波特率
}

void loop() {
    //如果串口接收到数据，就输出到蓝牙串口
    if (Serial.available()) {
        val1 = Serial.read();
        BT.print(val1);
    }

    //如果接收到蓝牙模块的数据，输出到屏幕
    if (BT.available()) {
        val1 = BT.read();
        Serial.print(val1);
    }
}

（4）蓝牙模块数据处理功能

当通过蓝牙向小车板载的HC-06蓝牙模块发出信号时，小车需要对接收到的蓝牙信号进行处理，以实现对小车的控制。

小车蓝牙信息处理代码的实现

cpp
if(Serial.available()>0){ //当接收信号的返回值大于0时说明接收到了信号
    char val=Serial.read(); //读入接收的信号值
    if(val=='f'){ //当信号为’f’时，执行前进的代码
        car_go();
    }
    else if(val=='b'){  //当信号为’b’时，执行后退的代码
        car_back();
    }
    else if(val=='l'){  //当信号为’l’时，执行左转的代码
        car_left();
    }
    else if(val=='r'){  //当信号为’r’时，执行右转的代码
        car_right();
    }
    else{ //当信号非法时，执行停止的代码
        car_stop();
    }
}

3.2 3D建模过程 ​

3.2.1 模型选择 ​

  • 根据个人风格的不同，选择内置库中自己喜欢的模型组合即可，以下是我的建模成品图

主视图：
img

左视图：
img

俯视图：
img

3.3 焊接过程 ​

4. 成果导出 ​

4.1 导出电路图 ​

img

img

4.2 导出3D建模 ​

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