基于Arduino的可移動鬧鐘控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：本文設(shè)計了基于Arduino的可移動鬧鐘控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計方面，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、電機模塊和藍牙模塊等；在軟件設(shè)計方面，通過向Arduino主控芯片燒錄代碼，完成對該系統(tǒng)的控制。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有可移動、可避障、無線通信等功能。

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

中圖分類號：TP271 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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，許多人會隨手關(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)品已逐步走進人們的生

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

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

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

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

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 主控芯片

系統(tǒng)采用型號為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時鐘頻率。Arduino Uno開發(fā)板還包含如下模塊：

（1）USB接口：與計算機連接，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個模擬輸入口。

（5）數(shù)字I/O：14個數(shù)字I/O管腳。

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

2.2 時鐘芯片

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

DS1302時鐘芯片與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、時間等信息。OLED顯示屏的驅(qū)動芯片為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，通過計算觸發(fā)信號和回響信號間的時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。無源蜂鳴器具有價格低、聲音頻率可控等優(yōu)點，缺點是必須采用頻率為2～5 kHz的方波驅(qū)動。有源蜂鳴器雖然價格較高，但其程序控制較為方便。本系統(tǒng)選擇有源蜂鳴器作為報警模塊。該模塊的正極、負極和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)出警報聲[9]。

2.6 電機模塊

電機模塊用來控制系統(tǒng)移動，配合前述超聲波模塊可實現(xiàn)系統(tǒng)自動避障。該電機模塊由L298N電機驅(qū)動芯片和H-Bridge橋控制直流電機組成。

L298N芯片可驅(qū)動1臺兩相（或四相）步進電機或2臺直流電機。

H-Bridge橋控制直流電機在L298N電機驅(qū)動芯片的控制下轉(zhuǎn)動。在直流電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方面，電機轉(zhuǎn)速由L298N芯片通過IN1/IN2、IN3/IN4接口向直流電機輸入脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）信號進行調(diào)節(jié)。在直流電機的正反轉(zhuǎn)控制方面，當(dāng)L298N芯片向直流電機輸出信號IN1=HIGH、IN2=LOW時，直流電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)IN1=LOW、IN2=HIGH時，直流電機反轉(zhuǎn)。

2.7 藍牙模塊

系統(tǒng)采用HC-05藍牙模塊，手機端可通過內(nèi)置藍牙模塊與系統(tǒng)進行無線連接和通信，進而實現(xiàn)手機對系統(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，用于配置藍牙模塊參數(shù)，包括：藍牙模塊名稱、配對密碼、通信頻率等[11-13]。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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

當(dāng)用戶設(shè)置的鬧鐘時間到時，鬧鐘會自動響起；當(dāng)用戶設(shè)置的時間未到時，會返回時間顯示。

當(dāng)鬧鐘響起時，執(zhí)行鬧鐘移動程序，進行鬧鐘移動控制。當(dāng)鬧鐘被關(guān)掉后，回到程序初始處。

3.2 鬧鐘移動控制流程

鬧鐘移動控制流程如圖3所示。

鬧鐘響起后，鬧鐘會向前移動。鬧鐘在移動過程中通過HC-SR04超聲波模塊來進行有無障礙物判斷。本系統(tǒng)采用順時針規(guī)避法避障，當(dāng)鬧鐘前方存在障礙物時，鬧鐘會執(zhí)行右轉(zhuǎn)命令，并向前移動；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，鬧鐘會一直向前移動。避障成功后，鬧鐘繼續(xù)移動。若用戶成功捕獲鬧鐘并按下停止鍵，鬧鐘停止移動；反之鬧鐘持續(xù)向前移動[14-15]。

4 結(jié) 語

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

參考文獻

[1]蘭波萬. Clocky：會跑鬧鐘的營銷創(chuàng)新課[J].市場觀察，2012，26（2）：63.

[2]君堯.今天你的鬧鐘響了幾次[J].青少年科技博覽，2022，30（1）：22.

[3]張長春.項目教學(xué)法在單片機應(yīng)用技術(shù)課程中的應(yīng)用研究[J].職業(yè)，2022，29（23）：66-68.

[4]崔彥.單片機在電子技術(shù)中的優(yōu)化應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2022，39（11）：142-143.

[5]邵林，牛偉納，張小松.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景下自助終端網(wǎng)絡(luò)安全威脅評估與應(yīng)對[J].四川大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，60（1）：103-113.

[6]段露星，馮治杰，付瑞玲.多功能鬧鐘設(shè)計[J].黃河科技學(xué)院學(xué)

報，2022，24（8）：80-83.

[7]朱廣，黎海濤，馬銀童，等.低功耗物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)[J].國外電子測量技術(shù)，2016，35（6）：31-36.

[8]鄭偉林.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實踐與信息通信技術(shù)供應(yīng)鏈安全管理[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2022，40（12）：141-143.

[9] BEDROSIAN B.聯(lián)網(wǎng)家庭：無線連接技術(shù)是最大的推動力[J].電子產(chǎn)品世界，2016，23（1）：11-12.

[10]紐斯.測試無線連接性能在汽車研發(fā)制造中成為關(guān)鍵[J].汽車與配件，2018，38（8）：57.

[11]羅云貴.會跑的鬧鐘的設(shè)計[J].電子世界，2013，12（6）：109.

[12]施永貴.可配置物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2022，12（6）：51-54.

[13]郝建軍. 5G時代物聯(lián)網(wǎng)前景展望[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2021，21（7）：3.

[14]周晉，李建軍，王銳.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線化趨勢淺析[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（6）：84-86.

[15]江志紅. AVR單片機系統(tǒng)開發(fā)實用案例精選[M].北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

收稿日期：2023-04-07 修回日期：2023-05-16

基金項目：貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（S2022142230 92）；貴州省教育廳自然科學(xué)研究項目（黔教技〔2022〕029號）；貴州省教育廳自然科學(xué)研究項目（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，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、機器視覺。

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。