在最後一刻停下來！用Arduino和距離感測器製作小雞賽車！（第2篇）

Published by 福田和宏 at 2023.11.15

可以測量距離的“超聲波距離感測器”

當小雞賽車停在牆壁前面時，我希望能夠測量並讓我們知道賽車的停止位置距離牆壁有多遠。可以使用超聲波距離感測器來完成這項任務。超聲波距離感測器是利用超聲波（聲音）從感測器發出、並被牆壁反射回來所需的時間來計算距離的。透過將時間乘以聲速（340.29 m/sec）即可計算出距離。然而，由於這個距離是聲音從感測器到物件物、並從物件物被反射回到感測器的往復距離，所以實際上到物件物的距離需要減半。雖然在不同的室溫下會多少存在一些誤差，但由於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。

現在，讓我們透過Arduino Nano使用超聲波距離感測器來測量距離吧。如下連接超聲波距離感測器。

超聲波距離感測器帶有稱為“TRIG”和“ECHO”的引腳。透過對“TRIG”施加“HIGH”，可以發出超聲波。此外，“ECHO”在接收到反射回來的超聲波時會變為“HIGH”。使用Arduino，可以透過測量從將TRIG置“HIGH”發出超聲波直到ECHO切換為“HIGH”的時間，來獲取從超聲波發射到返回所花的時間。當然，需要將TRIG連接到Arduino Nano的數位輸入輸出引腳2，將ECHO連接到數位輸入輸出引腳3。

此次的超聲波距離感測器的測量工作將使用筆者創建的資料庫。您可以透過下面的連結下載這個資料庫。

下載資料庫文件（HCSR04.zip）

從Arduino IDE的“Sketch”功能表中選擇“Include Library”-“Add .ZIP Library”，打開下載的資料庫。現在，就可以使用超聲波距離感測器資料庫了。

創建如下程式，透過這個程式，可以利用超聲波距離感測器來獲取距離，並在串口顯示器上查看。

#include <HCSR04.h>
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 );
}

#include <HCSR04.h>

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 );

}

將程式傳輸到Arduino並打開串口顯示器，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感測器前來改變距離，可以看到顯示器上的距離資料也會隨之發生變化。

顯示字元的“字元液晶顯示器”

我們使用字元液晶顯示器來顯示超聲波距離感測器測量到的結果。字元液晶顯示器是一種在內部存儲有字母和數位等字元資訊，可以簡單地顯示字元的顯示裝置。雖然能夠顯示的字元數是預先規定好的，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。

本次使用的字元液晶顯示器“AQM1602Y-FLW-FBW”可以在螢幕上顯示32個字元（16個字元×2行）。

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

現在，讓我們來嘗試透過Arduino Nano實際控制字元液晶顯示器，並使之顯示任意字元。連接如下。由於背面的背光引腳的干擾，AQM1602Y-FLW-FBW可能無法插入麵包板。在這種情況下，最好準備一個針座並透過針座將其插入麵包板。

要在AQM1602Y-FLW-FBW上顯示來自Arduino的字元，需要另外的資料庫。這次我們將使用筆者創建的資料庫來來實現顯示。您可以從下面的連結下載這個資料庫檔。

下載資料庫文件（AQM1602Y.zip）

從Arduino IDE的“Sketch”功能表中選擇“Include Library”-“Add .ZIP Library”，打開下載的資料庫。現在，就可以使用該資料庫了。

讓我們實際顯示一下“Chicken Racer”。創建如下程式：

#include <AQM1602Y.h>
#include <Wire.h>

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()
{
}

#include <AQM1602Y.h>

#include <Wire.h>

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 () 是將游標移動到希望開始顯示的位置。需要按照位元和行的順序指定。螢幕左上角為0位0行。例如，如果要在第2位元第1行顯示，就需要指定“lcddisp.move (0x01, 0x00)”。

要顯示的字串由 lcddisp.charwrite() 指定。

當我將程式傳輸到Arduino時，顯示器上顯示“Chicken Racer”。為了便於查看，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“馬達”

小雞賽車是透過使裝有車輪的馬達來推動其前進的。在啟動時使馬達旋轉，在按下開關時使馬達停止。

由於使馬達運行所需的電流較大，因此無法直接將馬達連接到Arduino Nano的數字輸入輸出引腳。所以需要使用馬達驅動器由馬達專用電源供電。有關馬達和馬達驅動器的詳細資訊，請參閱“Arduino基礎：控制馬達”。

要想實際驅動馬達，就需要使用馬達驅動器進行如下連接。本次使用的馬達驅動器帶有兩個控制引腳，可以控制正轉、反轉和停止。但是，由於小雞賽車只能前進，所以將正轉控制用的輸入1（引腳7）連接到Arduino進行控制，將反轉控制用的輸入2（引腳9）連接到了GND。

另外，透過本次使用的馬達驅動器的“VREF”引腳（引腳1），還能夠調整可提供給馬達的電壓。正轉或反轉時，馬達會輸出與VREF相同的電壓。當施加在馬達上的電壓發生變化時，馬達的轉速也會改變。因此，可以事先安裝旋鈕來調節施加於VREF的電壓，這樣就能夠調整馬達的轉速了。這個旋鈕是學齡前兒童可以慢慢轉動、小學生可以快速轉動的程度。

連接完成後，讓我們試著透過Arduino來實施控制。這次我們嘗試以5秒的間隔反復旋轉和停止。創建如下程式：

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 );
}

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 );

}

透過這個程式，連接馬達驅動器的數字輸入輸出引腳（引腳4）被置“High”時將會旋轉，被置“Low”時將會停止。因此，可以透過使用digitalWrite()切換引腳4的輸出來實現馬達控制。

這次的小雞賽車採用兩個馬達來使左車輪和右車輪旋轉和前進。因此，需要為每個馬達準備一個馬達驅動器。如果能夠獨立控制兩個馬達，不僅可以使賽車前進，還可以實現旋轉操作，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，因此只要讓兩個馬達以相同的方式運行即可。所以，透過將兩個馬達驅動器的控制引腳連接到Arduino的一個數位輸入輸出引腳，即可執行相同的動作。

當然，在某些情況下，馬達的轉速可能會有所不同，可能無法直線行駛。在這種情況下，可使用連接到VREF引腳的旋鈕將轉速調整為同一轉速。

用來檢測碰撞的“微動開關”

要想判斷是否失敗，就需要檢測到是否與牆壁發生了碰撞；另外，當撞到牆上時需要立即使馬達停止。針對這種需求，我使用的是微動開關。微動開關是一種響應性能良好的開關，按下開關後，當到達特定位置時會立即切換。它也常用於滑鼠的按一下按鈕。

另外，如果是帶有金屬板的微動開關，那麼即使按下角度有偏差，也能夠確保開關被按下。像這次需要檢測是否碰撞牆壁的情況，某些碰撞角度，可能無法按下開關。而如果使用帶有金屬板的微動開關，那麼即使撞擊角度有一定程度的傾斜，開關也能夠被按下。此外，透過在左側和右側同時安裝開關，可以進一步確保開關在撞擊時被按下。

微動開關帶有3個引腳。未按下開關時，COM引腳和NC引腳處於連接狀態。當按下開關時，開關由NC切換到NO，COM引腳和NO引腳連接。

由於我們這次是希望透過開關被按下來檢測碰撞，所以將使用COM引腳和NO引腳。我們將一個引腳連接到Arduino Nano的數字輸入輸出引腳，將另一個引腳連接到GND，這樣，當開關被按下時，數位輸入輸出引腳將會被切換到GND狀態。另外，需要啟用上拉功能，使數位輸入輸出引腳在開關未被按下時處於5V狀態，以穩定輸入。

下面，讓我們來試用一下微動開關吧。這次，先試試當開關被按下時讓安裝在Arduino Nano上的 LED燈亮起來吧。連接方法如下。我們使用引腳12作為數位輸入輸出引腳來讀取微動開關的狀態。

連接好之後，創建以下程式：

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 );
	}
}

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 );

}

當將程式傳輸到Arduino並按下微動開關時，您可以看到安裝在Arduino Nano上的LED亮了。

在電路板上創建電路

在確認了每個電子零件的工作情況之後，我們來為整個小雞賽車創建一個配套的電路。電路圖如下：

基本上，要讓每個確認過的電子零件分別連接好。但是考慮到操作的方便性，我還增加了一個在調整馬達轉速時使馬達旋轉的開關、以及為了便於獨立控制馬達而設置的切換用跳線。

這個電路是在萬用板上透過焊接來製作完成的。下面是作者做的電路板。是將主機板和馬達控制板分開製作的。

在製作電路板時，如果使用連接器進行連接，佈線會更容易處理。這是因為一旦電路有什麼問題，也可以透過插拔輕鬆地進行調整。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線。

◆◆◆

這次我們創建了電路。下次我們將完成殼體制作並創建運行程式，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。喜歡撰寫有關電子創作、電腦、Linux、智慧手機等方面的文章，也為“Raspberry Pi Magazine”和“日經Linux”寫稿。著作包含《有這本書就夠了！Raspberry Pi超簡單入門》（SOTECHSHA）、《學習各種電子元件的控制！Arduino電子創作實戰手冊》（SOTECHSHA）、《Arduino實用入門》（技術評論出版社）等書籍。目前，創辦了“札幌電子工藝部”（https://sapporo-elec.com/），這裡彙集了眾多電子創作玩家，大家使用各自的電子技能創作各種作品。任何人都可以參加，也期待您的加入！