基于Arduino的便攜式分體收線器設計與實現(xiàn)

王奕森，祁 虔

(西南大學計算機與信息科學學院,重慶 400715)

0 引言

隨著電子技術的進步和電子產(chǎn)品的推陳出新，各式各樣的傳輸線給用戶帶來了管理和收納的難題。目前，較為成熟的智能化收線方案主要集中在工業(yè)、通信等大型領域。在民用領域，仍缺乏智能化、便攜式的收線產(chǎn)品，以解決生活中傳輸線的纏繞、打結等問題。市場上大部分收線設備雖然能收納、規(guī)整各種線路，但其結構簡單、操作不便，不具備針對性，對人的依賴性大。因此，對小型智能化收線設備的設計和研究，能夠極大地便利人們的生活；將其產(chǎn)品化，更是能帶來可觀的經(jīng)濟效益，在切實立足生活解決問題的同時又創(chuàng)造了經(jīng)濟價值。

針對智能收線領域的研究從未停歇。近幾年，在通信構建方面的研究成果如下。

2015年，Sushabhan Choudhury等研究并開發(fā)了一個藍牙通信與Arduino控制結合的信息感知-收集系統(tǒng)[1]。2016年，Yasin Kabalci等研究了多種遠程網(wǎng)絡通信方案在不同領域的應用與優(yōu)缺點對比[2]。

近年來，在機電設計方面的研究成果如下。

2007年，史耀耀等提出了集高精度機械、電子、控制于一體的數(shù)控布帶繞線器關鍵技術，提高了繞線精度以及匹配精度[3]。2014年，Erik Hultman等研發(fā)了一種自動化工業(yè)電纜繞線機器人，實現(xiàn)了電機的高精度快速繞線[4]。2017年，Jie-Shiou Lu等提出了基于迭代學習的滑模控制方法，開發(fā)了用于精確控制電線收線張力的迭代學習滑?？刂破?iterative learning sliding mode controller,ILSMC)方案[5]。2017年，Jie Xu等提出了基于西門子SimotionD平臺的多軸聯(lián)動繞線組，并將其應用于大型工業(yè)智能化收線。但該結構不適用于微型、集成化在民用領域的開發(fā)[6]。2017年，徐小明等提出一種基于遺傳算法的模塊化纏繞機。該方案適用于精度要求較高的高精度復合材料的精確收容，涉及張力、配重等計算，但轉移到個人便攜式產(chǎn)品設計上會造成功能過剩，產(chǎn)生不必要的成本[7]。

針對以上問題,本文設計了基于Arduino單片機的便攜式分體收線器。首先，憑借Arduino成本低且開源的優(yōu)勢，該設計使軟硬件方面的實現(xiàn)變得簡單[8]。其次，通過3D打印技術使頂部收線結構適用于各種規(guī)格和型號的數(shù)據(jù)線、耳機線等。該收線機構既可與底部的電子轉動結構契合，又可分離，實現(xiàn)多種線路收納。同時，加入藍牙通信模塊、按鍵模塊以及電機驅動模塊，并通過軟件控制AT系列芯片，可實現(xiàn)按鍵和遠程應用(application,APP)雙控制、收線長度自動測量，以及智能化收放線路[9]。同時，該設計順應了人工智能的趨勢，給出了在工業(yè)、制造業(yè)以及通信等領域的線路自動化管理解決方案。該方案節(jié)省了人力、物力，對于以電機傳動為主要動作機制的控制過程與應用環(huán)節(jié)，具有重要的借鑒意義[10]。

1 系統(tǒng)整體結構設計

基于運算性能與成本考慮，選擇以Arduino平臺上的ATmaga328P作為主控芯片。該方案能夠在滿足處理性能的基礎上實現(xiàn)成本的最小化。由于手機端藍牙的通用性，考慮采用藍牙+手機APP終端與物理按鍵并存的形式實現(xiàn)系統(tǒng)控制，以C/C++語言編寫的Arduino應用程序作為分體式收線器的控制軟件。硬件機構部分則采用L298N驅動電路，以小功耗、小體積的直流無刷電機作為轉動機構，可減小功耗、縮小體積；同時，配合3D打印技術，可對不同規(guī)格的收線機構進行設計和實現(xiàn)。各模塊相互配合，實現(xiàn)了預期功能。鑒于以上設計思路，系統(tǒng)設計總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計總框圖

系統(tǒng)設計主要實現(xiàn)的功能如下。

①系統(tǒng)控制：手機終端通過藍牙連接成功后，進入APP控制界面；用戶通過手機與Arduino通信，實現(xiàn)收線器的收線、放線、急停、測量等功能。

②藍牙通信：設置與藍牙通信適應的波特率，開放允許被檢測權限，可通過手機終端識別可連接的設備，輸入初始密碼進行通信。在此基礎上，通過軟件控制完成字符與十六進制數(shù)字的實時傳輸，傳遞控制信號。

③測量與顯示：用戶發(fā)出動作信號之后，光電編碼器配合小型碼盤進行光電測速，實現(xiàn)速度反饋；結合ATmaga328P內(nèi)部集成的Timer定時器進行高電平持續(xù)時間計數(shù)，利用速度、時間與收線機構的物理參數(shù)可實現(xiàn)測量功能；同時，通過小型液晶屏，顯示收線歷史總長和單次線長的測量數(shù)據(jù)。

2 硬件設計

便攜式分體收線器主要包括：Arduino單片機模塊、藍牙模塊、光電測速模塊、電機驅動模塊、液晶顯示模塊、電源模塊等。便攜式分體收線器整體功能框圖如圖2所示。

圖2 便攜式分體收線器整體功能框圖

2.1 Arduino單片機模塊

Arduino作為一個開源代碼的單芯片微控制器，具有Java、C/C++等多語言兼容的開發(fā)環(huán)境。其主要功能特點如下。

①擁有開源程序庫，方便開發(fā)者依據(jù)自己的需求進行引用和修改。

②成本較低，使用性能梯度較為合理的微處理控制器(ATmaga128或ATmaga328)，可滿足不同梯度的性能要求。

③支持USB直接燒錄代碼，結合Arduino IDE，可方便地實現(xiàn)軟件的編輯和燒錄。

④可依據(jù)給出的硬件參數(shù)簡化Arduino組件，縮小體積，提高集成度。

⑤可以直接與各種功能模塊連接，如光電編碼、尋跡、紅外線、攝像頭、溫度傳感等，簡化了普通硬件搭建的步驟。

⑥可采用USB供電，也可采用外界5 V供電。

Arduino電機控制原理圖如圖3所示。

圖3 Arduino電機控制原理圖

2.2 藍牙模塊

系統(tǒng)采用藍牙通信的方式實現(xiàn)Arduino與手機終端的數(shù)據(jù)傳輸；使用HC-06藍牙模塊中的TX、RX為其數(shù)據(jù)引腳交叉，與Arduino的RX、TX相連。使用藍牙作為無線通信的原因如下。

①藍牙串口模塊成本較低，體積小。

②智能手機基本都配備藍牙模塊，可支持該功能的實現(xiàn)。

③在藍牙連接狀態(tài)時，按鈕失效或按鍵的誤觸都會導致收線機構自行動作。

④藍牙一對一通信可避免多信號的干擾。

藍牙通信原理圖如圖4所示。

圖4 藍牙通信原理圖

2.3 光電測速模塊

系統(tǒng)采用小型光電編碼器和碼盤配合實現(xiàn)速度的測量和實時反饋。該模塊為四線接口，分別為5 V電源、GND接地、信號輸出D0與A0。速度反饋的基本原理是：用小型紅外光源發(fā)射器發(fā)射方向性較強的紅外光，接收器在有光照射的條件下會使內(nèi)部電路保持在低電平；當光線被遮擋時，會使內(nèi)部電路處于高電平。轉動結構帶動小型碼盤的轉動，可實現(xiàn)光線的通斷；利用Arduino微處理器對時鐘脈沖以及傳感器脈沖進行計數(shù)，以實時地反映轉動機構轉速。設電機轉速為φ,光電編碼器脈沖數(shù)為δ，碼盤空隙數(shù)為η，轉動時間為T(s)，則：

(1)

由于該系統(tǒng)使用的小型光電編碼器的實際脈沖輸出數(shù)目與理論值存在偏差，故需通過多次試驗進行修正。修正后可得：

(2)

式中：φ為測量時的實際轉速。

2.4 電機驅動模塊

電機驅動和電源決定了分體式收線器的整個運行的硬件機能。電機驅動系統(tǒng)由驅動功率轉換橋式電路、微控制器以及電機構成。在該設計中，采用TELESKY公司的L298N驅動模塊作為主要驅動電路。其內(nèi)置兩個H橋高電壓大電流全橋式驅動器，可用來同時驅動兩臺直流電機和一臺兩相制或四相制的步進電機；采用標準邏輯電平信號控制，寬電壓工作在7～35 V之間，可取5 V電壓供外部使用。

2.5 液晶顯示模塊

該系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示器，在Arduino單片機系統(tǒng)中應用液晶顯示器件，具有顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、界面直觀、體積小、質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點。LCD1602采用16腳(帶背光)接口，各引腳接口說明如表1所示。

表1 引腳接口說明

2.6 電源模塊

系統(tǒng)采用鋰聚合物可充電電池為分體式收線器供電，可充電鋰電池為250 mAh、9 V。考慮到收線器本身的功耗以及可攜帶性，要求收線器具備體積小、質(zhì)量輕的特點。故在選用供電系統(tǒng)時，要注意電源本身的體積、質(zhì)量以及電氣參數(shù)是否符合以上要求。

3 軟件設計

整個軟件系統(tǒng)可分為手機終端軟件程序設計和便攜式分體收線端Arduino單片機程序。

Arduino軟件設計流程如圖5所示。

圖5 Arduino軟件設計流程圖

3.1 手機終端軟件設計

手機軟件端程序分為藍牙模塊和APP應用端。

3.1.1 藍牙模塊

HC-06指示燈閃爍表明處于藍牙斷開狀態(tài)，完成藍牙搜索并配對后指示燈常亮。

進入搜索界面后，如果藍牙未開啟，軟件會自動提示用戶開啟藍牙，并執(zhí)行開啟藍牙動作。此時，彈出對話框詢問權限，用戶授予允許的權限后，藍牙開啟，自動進入設備搜索狀態(tài)。用戶可在設備列表中查看周邊可用的藍牙設備，選取分體式收線機器人對應藍牙設備進行連接。手機連接藍牙模塊流程如圖6所示。

圖6 手機連接藍牙模塊流程圖

3.1.2 APP應用端

用戶在應用端控制界面完成交互。啟動安裝在手機上的APP軟件，若藍牙未開啟，則自動彈出藍牙開啟對話框，由用戶選擇同意開啟進行授權。藍牙配對成功后，進入虛擬按鍵控制界面。用戶可通過手機控制收線器，實現(xiàn)收線、放線、急停、測量等功能。

3.2 Arduino單片機軟件設計

Arduino單片機程序主要分為測量與顯示模塊、藍牙模塊以及光電編碼模塊。

3.2.1 測量與顯示模塊

測量與顯示模塊由微控制器進行時間測量，使用millis()函數(shù)命令對轉動機構前后經(jīng)歷時間進行測量，并結合光電編碼脈沖計數(shù)與收線機構物理參數(shù)進行線長計算。液晶顯示模塊使用LCD1602液晶顯示屏，數(shù)據(jù)處理后使用lcd.setCursor()命令設置光標位置，并使用lcd.print(“”)命令輸出顯示內(nèi)容。

3.2.2 藍牙模塊

藍牙模塊通過串口接收手機終端發(fā)送的控制命令。程序設計遵循初始化、掃描串口、接收數(shù)據(jù)、匹配、執(zhí)行調(diào)用的思路。首先，將設備間通信波特率設置在相同波段；然后，設置字符空白變量與函數(shù)標志符，調(diào)用串口掃描函數(shù)，獲取變量并與預先設置的標志符相匹配；最后，執(zhí)行對應函數(shù)，實現(xiàn)對應功能。

3.2.3 光電編碼模塊

光電編碼模塊發(fā)送連續(xù)的光電脈沖信號至微控制器。微控制器接收脈沖以下降沿計數(shù)。同時，設置檢測周期，利用試驗矯正后的公式進行實際轉速計算，并反饋給微控制器作為執(zhí)行的參考因數(shù)。

4 系統(tǒng)調(diào)試

將Arduino與各硬件模塊組合，檢查線路連接是否對應。通電后，藍牙模塊指示燈閃爍，指示藍牙處于斷開狀態(tài)，按下物理按鈕可執(zhí)行測量、收線、放線等功能，液晶顯示屏正常工作。將手機端藍牙開啟，掃描可連接設備建立藍牙連接。成功后，藍牙模塊指示燈常亮，可通過手機端APP控制界面實現(xiàn)與物理按鍵相同功能。Arduino接收到控制信號進行篩選比對，并執(zhí)行相關動作。

試驗還進行了300 ms的實時控制試驗，對比了Arduino輸出的理論控制信號與實時采樣所得實際動作信號的大小與執(zhí)行時間的差別。理論控制信號與實時動作信號對比如圖7所示。

圖7 理論控制信號與實時動作信號對比圖

由圖7可知，在執(zhí)行收放線動作時，實時信號的大小沒有產(chǎn)生衰減，但時間上均滯后理論控制信號約10 ms。這是由小型光電編碼器的精度、直流電機本身的機動特性以及當前系統(tǒng)的老化或損耗狀態(tài)等因素共同造成的。但此延時很短，在可接受的范圍之內(nèi)，故在使用時并不會影響用戶的使用體驗。所以可得出結論，該系統(tǒng)可較快地對控制指令作出響應，并在較為精準的時間范圍內(nèi)，穩(wěn)定地實現(xiàn)收放線等基本功能，達到設計預期目標。

5 結束語

本文設計并實現(xiàn)了一種基于Arduino的便攜式分體收線器，給出了所述功能模塊的設計和具體實現(xiàn)方法。完成了系統(tǒng)實際物理按鍵以及遠程APP終端遙控，從而靈活地實現(xiàn)了分體式收線器的各項功能。測試結果表明，該系統(tǒng)控制簡單、運行穩(wěn)定，在生活應用產(chǎn)品領域有較為廣闊的市場前景，并為研究工業(yè)、通信等領域的線路管理和收納問題提供了新穎的思路，具有重要的參考價值。