作者/史舜晨，臨沂第一中學(xué)

基于ARDUINO的電器遙控系統(tǒng)

作者/史舜晨，臨沂第一中學(xué)

基于ARDUINO平臺(tái)，集成紅外收發(fā)模塊、數(shù)碼管顯示模塊、舵機(jī)控制模塊及相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，開發(fā)了專門的控制程序，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)紅外遙控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在不破壞原有電子設(shè)備開關(guān)控制結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)遙控開關(guān)和定時(shí)開關(guān)功能。更換觸發(fā)頭可以適應(yīng)不同種類電器的多種觸發(fā)控制模式。該系統(tǒng)可以提高家用老舊電器的易用性和智能化程度。

Arduino；遙控；開關(guān)；定時(shí)

引言

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人民對生活質(zhì)量有了更高的追求，希望家用電器以更加舒適的方式控制家中的電子設(shè)備、希望設(shè)備提供更貼心的服務(wù)，如電器的定時(shí)控制、智能控制等。但伴隨著電器的更新?lián)Q代速率不斷加快，尤其是遙控的大量廣泛應(yīng)用極大便利了生活。例如人們可以不必在冬日離開溫暖的被窩去關(guān)燈，不必匆匆在客廳和餐廳間往返來使用廚房電器。但是電器的更新速率并不完全與人們更換它們的能力與意向同步，尤其是在一些比較貴重或者更換麻煩的電器上。筆者設(shè)計(jì)了一種基于ARDUINO系統(tǒng)的、用于提升現(xiàn)有手動(dòng)按鍵式電器易用性的遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)。如圖1所示，在控制器控制下，舵機(jī)帶動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)對機(jī)械按鍵的觸發(fā)。當(dāng)舵機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)觸發(fā)一次開關(guān)，如狀態(tài)一；當(dāng)舵機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)再一次觸發(fā)開關(guān)，如狀態(tài)二。借助該系統(tǒng)，可以在原有手動(dòng)按鍵的基礎(chǔ)上添加了遙控開關(guān)與定時(shí)開關(guān)功能。這種設(shè)計(jì)可以在較大程度上提高人們對家用電器的控制能力，便利生活、提高生活質(zhì)量。并且可以減少家電的更換頻率，減少資源消耗；使老式電器物盡其用，符合綠色的可持續(xù)發(fā)展觀念。

圖 1 工作原理圖

1.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了Arduino UNO控制板，控制板采用了ATmega16U2主控芯片，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。 輸入/輸出口較多，且Arduino UNO支持3種方式供電，即外部直流電源通過電源插座供電、USB接口直接供電、電池連接電源連接器的GND和VIN引腳，而且能自動(dòng)選擇供電方式，配置滿足了設(shè)計(jì)的需要[1]。此外，Arduino作為一個(gè)開源設(shè)計(jì)平臺(tái)，具有類似 Java 和 C 語言開發(fā)環(huán)境，模塊化的硬件設(shè)備，良好的封裝性，適合大部分開發(fā)人群設(shè)計(jì)使用。另外重要的一點(diǎn)Arduino 價(jià)格比普通單片機(jī)便宜，并且體積只有巴掌大小，適合作為外附工具改進(jìn)電器需要方便使用。它可方便地與傳感器、各種電子元件進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)豐富的高級應(yīng)用。

本項(xiàng)目采用ARDUINO作為控制系統(tǒng)，包括了數(shù)碼管顯示模塊，紅外發(fā)射接收模塊以及舵機(jī)控制模塊。圖2為系統(tǒng)框架圖。紅外接收管接收來自外部紅外發(fā)射器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制器解碼，再相應(yīng)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)控制模塊和定時(shí)設(shè)置模塊，通過舵機(jī)帶動(dòng)齒輪和齒條觸發(fā)機(jī)械開關(guān)。

■1.1 紅外遙控發(fā)射接收模塊

紅外線遙控是目前應(yīng)用最廣泛、性價(jià)比最好的一種遙控技術(shù)?；贏rduino平臺(tái)實(shí)現(xiàn)紅外遙控功能控制簡單，實(shí)施方便。綜合以上考慮，本系統(tǒng)中選用了紅外遙控作為外部控制信號(hào)輸入。

圖 2 系統(tǒng)框架圖

紅外遙控器發(fā)出的信號(hào)是一連串二進(jìn)制脈沖碼。通常都是先將其調(diào)制在特定的載波頻率上來使其在無線傳輸過程中免受其他紅外信號(hào)的干擾,然后再經(jīng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射出去。紅外接收管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，通過放大、自動(dòng)增益控制、帶通濾波、解調(diào)變、波形整形后還原為原始控制編碼，再將此編碼傳遞給中央控制芯片做相應(yīng)控制輸出。

本系統(tǒng)使用NEC格式的紅外遙控編碼方式。圖3為NEC協(xié)議格式典型的脈沖序列。一個(gè)信息發(fā)送由9mS的AGC自動(dòng)增益控制脈沖開頭，用來設(shè)置增益。接著是4.5mS空閑，然后是地址、命令。地址和命令都傳送2次，第二次的地址和命令是反碼，可以用來校驗(yàn)接收到的信息。總的傳輸時(shí)間是固定的，因?yàn)槊恳晃欢加蟹创a傳送。

圖3 NEC協(xié)議典型脈沖序列

本項(xiàng)目中所有的指令都是通過紅外遙控器發(fā)出，包括時(shí)間設(shè)置指令、直接觸發(fā)開關(guān)指令、倒計(jì)時(shí)開始指令等。項(xiàng)目設(shè)計(jì)中使用的碼值如下：

long on0= 0x00FF6897; long on1 = 0x00あ30CF;

long on2 = 0x00FF18E7; long on3 = 0x00FF7A85;

long on4 = 0x00FF10EF; long on5 = 0x00FF38C7;

long on6 = 0x00FF5AA5; long on7 = 0x00FF42BD;

long on8 = 0x00FF4AB5; long on9 = 0x00FF52AD;

long add = 0x00FF02FD; long subtract = 0xFF9867;

long play = 0xFFA857;

on0–on9用來設(shè)置定時(shí)時(shí)間并顯示，add按鍵用來控制舵機(jī)正轉(zhuǎn)，subtract用來控制反轉(zhuǎn)，play用來控制計(jì)時(shí)開始和計(jì)時(shí)結(jié)束后的開關(guān)觸發(fā)。紅外接收管的信號(hào)引腳連接到Arduino的數(shù)字3。

■1.2 舵機(jī)控制模塊

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，主要是由外殼、電路板、無核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成，適用于角度不斷變化并且可以保持的控制系統(tǒng)，目前舵機(jī)廣泛應(yīng)用在機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制，機(jī)器車方向的扭動(dòng)等在智能控制應(yīng)用中。

Arduino控制器可以通過輸出不同占空比的PWM信號(hào)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。本項(xiàng)目中選擇的舵機(jī)是TOWERPRO的9G舵機(jī)，該舵機(jī)具有尺寸小，質(zhì)量輕，扭力大，相應(yīng)脈沖相對較短的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足項(xiàng)目中驅(qū)動(dòng)齒條觸發(fā)開關(guān)的需求，其工作電壓在3.5–6v，扭矩為1.6kg·cm（4.8V），在無負(fù)載的時(shí)候的速度為0.12秒/60度(4.8V)或者0.10秒/60度(6.0V) 。該舵機(jī)有三個(gè)引腳分別是電源VCC、地線GND及信號(hào)線PWM。本項(xiàng)目中信號(hào)線接到Arduino的數(shù)值引腳10上。當(dāng)控制器發(fā)送觸發(fā)信號(hào)時(shí)，舵機(jī)通過正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后帶動(dòng)齒條移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)如圖1所示狀態(tài)變化，控制開關(guān)閉合和斷開。

■1.3 觸發(fā)開關(guān)頭的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)不同的觸發(fā)頭可以實(shí)現(xiàn)對不同電器的控制。如圖4所示的旋鈕式開關(guān)頭可以應(yīng)用到旋鈕式開關(guān)上，如燃?xì)庠?、微波爐等。

圖4 旋鈕式觸發(fā)頭

2.主控軟件設(shè)計(jì)

控制軟件是實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的關(guān)鍵，直接影響系統(tǒng)的功能性、流暢性和執(zhí)行效率?？刂栖浖饕t外接收模塊、舵機(jī)控制模塊、數(shù)碼管顯示模塊。紅外遙控模塊實(shí)現(xiàn)紅外輸入控制指令的解碼，舵機(jī)控制模塊根據(jù)相應(yīng)的指令實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，數(shù)碼管顯示模塊實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)進(jìn)度的顯示和信息的提示。

圖5 程序流程圖

程序工作的流程圖如圖5所示，首先判斷是否有按鍵按下，如果有，就對紅外進(jìn)行解碼，判斷相應(yīng)的操作指令，如果沒有識(shí)別出按鍵則在數(shù)碼管上顯示“E”，表示按鍵錯(cuò)誤。如為時(shí)間設(shè)置指令，則在數(shù)碼管上顯示倒計(jì)時(shí)的時(shí)間，并且向倒計(jì)時(shí)模塊傳遞倒計(jì)時(shí)的時(shí)間；如果為直接觸發(fā)開關(guān)指令，則判斷是正傳還是反轉(zhuǎn)，如果是正傳則向舵機(jī)控制模塊傳遞chePos=1，舵機(jī)接到指令后調(diào)用函數(shù)clockwisefan（）實(shí)現(xiàn)正傳；反轉(zhuǎn)則向舵機(jī)控制模塊傳遞chePos=0；舵機(jī)控制模塊則調(diào)用函數(shù)Anticlockwisefan（）實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。正反轉(zhuǎn)函數(shù)代碼如下，本項(xiàng)目中轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為180度，轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)可以根據(jù)項(xiàng)目需要進(jìn)行改動(dòng)。

void Clockwise(void) //正轉(zhuǎn)程序

{ for(pos=0; pos <180; pos++) // 從0度到180度運(yùn)動(dòng)// 每次步進(jìn)一度

{ myservo.write(pos); // 指定舵機(jī)轉(zhuǎn)向的角度

delay(10); } } // 等待10ms讓舵機(jī)到達(dá)指定位置

void Anti_clockwisefan(void) //反轉(zhuǎn)程序

{ for(pos=180 ; pos >0; pos––)

// 從180度到0度運(yùn)動(dòng)，每次步進(jìn)一度

{ myservo.write(pos); // 指定舵機(jī)轉(zhuǎn)向的角度

delay(10); } } // 等待10ms讓舵機(jī)到達(dá)指定位置

如果為倒計(jì)時(shí)開始指令，則調(diào)用led_diplay()函數(shù)，開始倒計(jì)時(shí)，同步驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的顯示。倒計(jì)時(shí)函數(shù)delay_time_start（）的代碼如下：其中delay_time表示延時(shí)的分鐘數(shù)，delay（x）函數(shù)，表示延時(shí)x毫秒。為了表示延時(shí)一分鐘，本項(xiàng)目中使用了循環(huán)語句60次。

void delay_time_start(int delay_time)

{ for(int k=delay_time;k>0;k––)

{ led_display(k);

for(int m=60;m>0;m––)

{ delay(1000); //延時(shí)1秒

if(k==1 && m<11)//最后十秒顯示

{ led_display((m)); } } }

chePos=!chePos;

led_display(0);

action_start(); }

其中action_start()函數(shù)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)反轉(zhuǎn)，代碼如下：

void action_start(void)

{ if (chePos==1) //如果chePos為1，運(yùn)行正轉(zhuǎn)程序

{ Clockwise(); } //運(yùn)行正轉(zhuǎn)程序

else

{ Anti_clockwisefan(); } } //運(yùn)行反轉(zhuǎn)程序

3.系統(tǒng)展示

圖6為各模塊與ArduinoUNO的連接原理圖，圖7為實(shí)物連接圖。

在demo驗(yàn)證過程中，紅外遙控輸入信號(hào)識(shí)別正確，舵機(jī)及齒輪和齒條控制輸出平穩(wěn)有效，成功實(shí)現(xiàn)了對按鍵的觸發(fā)。倒計(jì)時(shí)模塊工作正常，在倒計(jì)時(shí)結(jié)束后也有效的調(diào)用了舵機(jī)控制模塊，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)的觸發(fā)。

圖6 各模塊連接圖

圖7 各構(gòu)件實(shí)際連接圖

4.結(jié)束語

技術(shù)調(diào)研后，本文設(shè)計(jì)的電器遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，可以加裝在家中的手動(dòng)按鍵式電器上，為生活帶來一定程度的便利，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

該系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，充分利用了Arduino平臺(tái)的接口豐富、開發(fā)簡單、功能實(shí)用等特性，以Arduino控制板為核心，通過自主編寫的控制程序，成功實(shí)現(xiàn)了對舵機(jī)模塊、紅外接收發(fā)射模塊和數(shù)碼管顯示模塊的集成和控制，技術(shù)路線得到驗(yàn)證，筆者也從中得到鍛煉，學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、自信心得到極大提升。

在實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)所存在的不足，今后還可以在以下方面對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)或做深入研究：

(1)使用精確度更高的舵機(jī)，避免由于誤差不能夠正常觸發(fā)；(2)完善機(jī)械和外觀設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對不同機(jī)械按鍵的觸發(fā)；(3)集成無線通信或wif i技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程遙控。

＊ [1]劉楚紅，董鎮(zhèn)，錢宇捷，陶立，柳盛東.基于Arduino 的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J],現(xiàn)代電子技術(shù)，2014年第37卷第17期

＊ [2]李雪瑩.基于單片機(jī)的空調(diào)紅外線編解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D]，電子科技大學(xué)碩士論文

＊ [3]蔡睿妍.基于Arduino的舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J],電腦知識(shí)與技術(shù)：1009-3044(2012)15-3719-03