摘 要：本文設(shè)計(jì)了基于Arduino的可移動(dòng)鬧鐘控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)方面，該系統(tǒng)采用Arduino主控芯片、顯示模塊、超聲波模塊、蜂鳴器模塊、電機(jī)模塊和藍(lán)牙模塊等；在軟件設(shè)計(jì)方面，通過向Arduino主控芯片燒錄代碼，完成對(duì)該系統(tǒng)的控制。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有可移動(dòng)、可避障、無線通信等功能。

關(guān)鍵詞：Arduino；鬧鐘控制；移動(dòng)；避障；無線通信；DS1302

中圖分類號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）04-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.016

0 引 言

鬧鐘已成為提醒人們的重要工具，但是傳統(tǒng)鬧鐘的功能較為單一，例如：人們常采用鬧鐘作為提醒起床的工具，但在鬧鐘響起時(shí)，許多人會(huì)隨手關(guān)掉繼續(xù)睡覺，使鬧鐘無法發(fā)揮應(yīng)有功能[1-2]。

如今，功能豐富的智能家居產(chǎn)品已逐步走進(jìn)人們的生

活[3]，針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種可無線連接、可移動(dòng)、可避障的鬧鐘系統(tǒng)，用戶必須捕獲移動(dòng)中的鬧鐘才能使其停止工作，進(jìn)而達(dá)到提醒用戶的目的。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

可移動(dòng)鬧鐘控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)包括主控芯片、時(shí)鐘芯片、顯示模塊、超聲波模塊、蜂鳴器模塊、電機(jī)模塊和藍(lán)牙模塊。

該系統(tǒng)的主要功能包括手機(jī)通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無線連接和通信，日期設(shè)置和顯示，通過超聲波模塊識(shí)別障礙物，借助電機(jī)模塊完成系統(tǒng)的移動(dòng)控制等。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

系統(tǒng)采用型號(hào)為Arduino Uno的開發(fā)板[4]，系統(tǒng)的主控芯片為該開發(fā)板中的8位ATmega328微處理器，ATmega328微處理器內(nèi)含32 KB FLASH、2 KB SRAM、1 KB E2PROM以及16 MHz時(shí)鐘頻率。Arduino Uno開發(fā)板還包含如下模塊：

（1）USB接口：與計(jì)算機(jī)連接，可用于程序下載和供電。

（2）外接電源：一般使用9 V電源供電。

（3）電源管腳：可通過Vin給開發(fā)板供電。

（4）模擬輸入：6個(gè)模擬輸入口。

（5）數(shù)字I/O：14個(gè)數(shù)字I/O管腳。

在計(jì)算機(jī)上安裝Arduino的開發(fā)環(huán)境后，計(jì)算機(jī)即可通過USB接口向開發(fā)板燒錄程序。

2.2 時(shí)鐘芯片

系統(tǒng)采用的時(shí)鐘芯片為DALLAS公司推出的DS1302，該芯片能實(shí)現(xiàn)年、月、日、時(shí)、分、秒等的計(jì)時(shí)[3-6]，并配備主電源和后備電源，以確保時(shí)間和日期等數(shù)據(jù)能夠長期保存。

DS1302時(shí)鐘芯片與Arduino Uno開發(fā)板的連接見表1所列。

2.3 顯示模塊

系統(tǒng)采用的顯示模塊為OLED顯示屏[7]，用以顯示日期、時(shí)間等信息。OLED顯示屏的驅(qū)動(dòng)芯片為SSD1306，其屏幕分辨率為128×64，顯示屏采用發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示信息。OLED顯示屏與Arduino完全兼容，將OLED顯示屏的GND、VCC、SCL和SDA與Arduino Uno開發(fā)板的相應(yīng)引腳連接后，OLED顯示屏和Arduino Uno開發(fā)板即可通過I2C（Inter-Integrated Circuit）協(xié)議通信。

2.4 超聲波模塊

系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波模塊。HC-SR04模塊的測距精度可達(dá)3 mm，該模塊包括控制電路、超聲波發(fā)射器與接收器。將HC-SR04模塊的TRIG和ECHO引腳與Arduino Uno開發(fā)板的數(shù)字I/O連接后，在Arduino Uno開發(fā)板的控制下，該模塊發(fā)出40 kHz的超聲波，當(dāng)超聲波被前方障礙物反射回來后，通過計(jì)算觸發(fā)信號(hào)和回響信號(hào)間的時(shí)間差來判斷障礙物的距離[8]。

2.5 蜂鳴器模塊

系統(tǒng)采用MH-FMD蜂鳴器模塊，該模塊用于發(fā)出警報(bào)聲。蜂鳴器根據(jù)是否含有振蕩源分為無源蜂鳴器和有源蜂鳴器兩類。無源蜂鳴器具有價(jià)格低、聲音頻率可控等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是必須采用頻率為2～5 kHz的方波驅(qū)動(dòng)。有源蜂鳴器雖然價(jià)格較高，但其程序控制較為方便。本系統(tǒng)選擇有源蜂鳴器作為報(bào)警模塊。該模塊的正極、負(fù)極和I/O口分別與Arduino Uno開發(fā)板的VCC、GND和數(shù)字I/O連接，Arduino Uno開發(fā)板根據(jù)預(yù)設(shè)條件來控制MH-FMD模塊是否發(fā)出警報(bào)聲[9]。

2.6 電機(jī)模塊

電機(jī)模塊用來控制系統(tǒng)移動(dòng)，配合前述超聲波模塊可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)避障。該電機(jī)模塊由L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和H-Bridge橋控制直流電機(jī)組成。

L298N芯片可驅(qū)動(dòng)1臺(tái)兩相（或四相）步進(jìn)電機(jī)或2臺(tái)直流電機(jī)。

H-Bridge橋控制直流電機(jī)在L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)。在直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方面，電機(jī)轉(zhuǎn)速由L298N芯片通過IN1/IN2、IN3/IN4接口向直流電機(jī)輸入脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制方面，當(dāng)L298N芯片向直流電機(jī)輸出信號(hào)IN1=HIGH、IN2=LOW時(shí)，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)IN1=LOW、IN2=HIGH時(shí)，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2.7 藍(lán)牙模塊

系統(tǒng)采用HC-05藍(lán)牙模塊，手機(jī)端可通過內(nèi)置藍(lán)牙模塊與系統(tǒng)進(jìn)行無線連接和通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置和控制[10]。

HC-05模塊的VCC、GND、TXD和RXD分別與Arduino Uno開發(fā)板的VCC、GND和數(shù)字I/O連接。HC-05模塊具有如下2種工作模式：

（1）正常模式。用于藍(lán)牙通信。

（2）AT模式。在該模式下，Arduino Uno開發(fā)板通過串口向HC-05模塊發(fā)送AT指令，用于配置藍(lán)牙模塊參數(shù)，包括：藍(lán)牙模塊名稱、配對(duì)密碼、通信頻率等[11-13]。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主流程

系統(tǒng)控制主流程如圖2所示。

系統(tǒng)上電后，對(duì)Arduino Uno開發(fā)板以及各模塊進(jìn)行初始化。初始化結(jié)束后，系統(tǒng)的初始日期和時(shí)間由Arduino Uno開發(fā)板從DS1302時(shí)鐘芯片獲取并在OLED顯示屏上顯示，或者通過手機(jī)APP進(jìn)行設(shè)置。本文采用wxbit工具在手機(jī)端開發(fā)APP，并通過APP實(shí)現(xiàn)手機(jī)端與系統(tǒng)間的無線通信。

當(dāng)用戶設(shè)置的鬧鐘時(shí)間到時(shí)，鬧鐘會(huì)自動(dòng)響起；當(dāng)用戶設(shè)置的時(shí)間未到時(shí)，會(huì)返回時(shí)間顯示。

當(dāng)鬧鐘響起時(shí)，執(zhí)行鬧鐘移動(dòng)程序，進(jìn)行鬧鐘移動(dòng)控制。當(dāng)鬧鐘被關(guān)掉后，回到程序初始處。

3.2 鬧鐘移動(dòng)控制流程

鬧鐘移動(dòng)控制流程如圖3所示。

鬧鐘響起后，鬧鐘會(huì)向前移動(dòng)。鬧鐘在移動(dòng)過程中通過HC-SR04超聲波模塊來進(jìn)行有無障礙物判斷。本系統(tǒng)采用順時(shí)針規(guī)避法避障，當(dāng)鬧鐘前方存在障礙物時(shí)，鬧鐘會(huì)執(zhí)行右轉(zhuǎn)命令，并向前移動(dòng)；若右轉(zhuǎn)后前方仍然存在障礙物，則繼續(xù)執(zhí)行右轉(zhuǎn)命令直至前方無障礙物。當(dāng)鬧鐘前方不存在障礙物時(shí)，鬧鐘會(huì)一直向前移動(dòng)。避障成功后，鬧鐘繼續(xù)移動(dòng)。若用戶成功捕獲鬧鐘并按下停止鍵，鬧鐘停止移動(dòng)；反之鬧鐘持續(xù)向前移動(dòng)[14-15]。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款有趣的可移動(dòng)鬧鐘，在鬧鐘的基礎(chǔ)功能上增加了可移動(dòng)和自動(dòng)避障功能。經(jīng)運(yùn)行測試，預(yù)想的鬧鐘功能均可實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、能耗低，可以被廣泛應(yīng)用到實(shí)際生活中。

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收稿日期：2023-04-07 修回日期：2023-05-16

基金項(xiàng)目：貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S2022142230 92）；貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（黔教技〔2022〕029號(hào)）；貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（黔教合KY字[2021]022）

作者簡介：邵嬌嬌（2002—），女，貴州安順人，本科，學(xué)生。

王 雪（2000—），女，貴州黔西南人，本科，學(xué)生。

崔忠偉（1980—），男，貴州銅仁人，博士，教授，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、機(jī)器視覺。

冉思彬（2001—），女，貴州遵義人，本科，學(xué)生。

羅 ?。?001—），男，貴州六盤水人，本科，學(xué)生。

羅小悶（2001—），女，貴州黔西南人，本科，學(xué)生。