單晶片lab6結報

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實驗日期 : 2021/10/28

上課教材

自走車

lab1

SPEC

當距離越近，duty cycle越高。

使用PWM，數位訊號高頻率的切換來模擬類比訊號
使用超音波模組測距離
使用示波器測量duty cycle
I²C LCD顯示距離

實現方法

如Arduino官方doc

analogWrite(pin, value)

parameter	function	data type
pin	the Arduino pin to write to	`int`
value	the duty cycle: between 0 (always off) and 255 (always on)	`int`

cm = (duration / 2) / 29.1;
duty_cycle = 255 - (255 / 20) * cm;

將時間換算成距離，再mapping到

x \in [0, 1, 2, . . . . . ., 255]

的整數空間(analogWrite參數只接受整數的資料型態)，例如最小值0對應是255，最大值20對應是0。

lab2

SPEC

利用2個超聲波模組測方位，當物體在50公分內，將測得方位(前、左、右、太近)顯示於LCD上。

實現方法

為lab4實現方法的子集合，由於組裝超音波模組位置擺放不同，加上左右接收與發射端不對稱，因此藉由trial and error，不斷嘗試找到合適參數。

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最終找到合適的條件如下 :

if (cm_right < 20 && cm_left < 20) {
    Serial.println("too close");
} else if (cm_right > (cm_left + 30) && cm_left < 50) {
    Serial.println("right");
} else if (cm_left > (cm_right + 10) && cm_right < 50) {
    Serial.println("left");
} else if ((cm_left < 100 || cm_right < 100) && abs(cm_right - cm_left) <= 10) {
    Serial.println("straight");
} else {
    Serial.println("non of objected detected");
}

lab3

SPEC

利用L298N各別控制左右2個馬達完成正轉、反轉、停止功能。

序列視窗輸入	車子
`w`	前進
`a`	左轉
`d`	右轉
`s`	後退
`q`	停止

實現方法

為lab4實現方法的子集合，序列視窗輸入功能為個人加入的SPEC，方便控制與測試。

L298N控制訊號(ENA, ENB可用PWM來改變馬達轉速)

DC moter	轉向	IN1	IN2	ENA(PWM)	IN3	IN4	ENB(PWM)
M1	正轉	H	L	H	-	-	-
M1	反轉	L	H	H	-	-	-
M1	停止	L	L	H	-	-	-
M2	正轉	-	-	-	H	L	H
M2	反轉	-	-	-	L	H	H
M2	停止	-	-	-	L	L	H

舉例來說 : 若要讓車子向前，要使兩端馬達正轉，並給定合適的轉速PWM寫入。

// 決定轉動方向
digitalWrite(LEFT1, HIGH);
digitalWrite(LEFT2, LOW);
digitalWrite(RIGHT1, HIGH);
digitalWrite(RIGHT2, LOW);
// 向馬達輸出指定的類比電壓值
motor_speed = 150;
analogWrite(LEFT_PWM, motor_speed);
analogWrite(RIGHT_PWM, motor_speed + 30);
// 實際上給定PWM，2端輪子轉速不一致，因此需要有offset = 30的誤差修正

lab4

SPEC

利用2個超音波模組、L298N控制2個馬達轉動，實作跟隨自走車。

跟隨物位置	自走車反應
太靠近時	後退
在右	右轉
在左	左轉
前方一定範圍	向前
沒有物件	停止

實現方法

如lab2實現方法2個超音波模組測距離與方位、如la3實現方法L298N控制2個馬達轉動。另外遇到的問題是左右轉彎時轉動幅度過大，解決方法是內輪改為不轉，外輪維持正轉，但轉速降低，也就是PWM從150降為100。

lab5

SPEC

利用藍牙模組HC-05，結合lab4跟隨自走車，實作遙控車。

序列視窗輸入	車子
`w`, `f`	前進
`a`, `l`	左轉
`d`, `r`	右轉
`s`, `b`	後退
`q`	停止

藍芽燈號判讀

燈號	功能
2秒閃爍一次	進入AT模式，準備設定
連續快閃	等待配對中
快閃2下後停2秒	已配對成功，運作中

藍芽的AT mode(key接5V)

command	序列埠回應	功能
AT	OK	確認藍芽與序列埠溝通正常
AT+UART?	+UART:XXXXX,0,0	得知目前Baud rate設定
AT+ADDR?	+ADDR:98d3:b1:fd6ece	查詢address
AT+VERSION	版本資訊	查看韌體版本
AT + NAME=XXXX	OK	設定藍芽名稱
AT + PSWD=XXXX	OK	設定密碼
AT + UART=38400,0,0 (鮑率, 停止位元, 同位位元)	OK	設定鮑率/停止位元0->1 bit、1->2 bits/0->無、1->odd parity、2->even parity
AT+ROLE=1 / 0	OK	設定模式主動/被動
AT+BIND=XXXXXXXX	OK	綁定藍芽位置
AT+CMODE=0	OK	指定藍芽位置連接模式
AT+RESET	OK	重啟藍牙
AT+ORGL	OK	回復預設值

更多指令請參照HC-05 - AT Command Set、HC-05 嵌入式蓝牙串口通讯模块。
進入AT mode教學 : 使用Arduino設定AT命令

藍芽配對

在lab3 lab2-1與lab2-2實現方法，我們當初實作是錯誤的，直到這次lab才搞懂。

參照這部影片進行改進，藍芽配對如以下步驟 :

進入AT mode
1. key接5V(高電位)
2. Serial Monitor鮑率選9600
3. 換行規則選NL&CR
4. 輸入AT指令第一次會出現ERROR:(0)，第二次輸入AT出現 OK
slave的HC-05
1. 所有AT參數恢復為原廠設定
```
AT+ORGL
```
1. 設定藍芽傳輸速率(Baud)
```
AT+UART=38400
```
1. 設定角色為從端
```
AT+ROLE=0
```
1. 取得從端地址，並記住
```
AT+ADDR?
```
master的HC-05
1. 所有AT參數恢復為原廠設定
```
AT+ORGL
```
1. 設定藍芽傳輸速率(Baud)
```
AT+UART=38400
```
1. 設定角色為主端
```
AT+ROLE=1
```
1. 連接模式 : 指定藍芽位置
```
AT+CMODE=0
```
1. 設定要連線的slave地址，須將前面獲得從端地址的逗號:改為冒號,
```
AT+BIND=0021,13,00AD4E
```

實現方法

關鍵在於2個藍芽之間的配對，這部分其實是lab3 lab2的實驗內容，但因為當初搞錯題目也沒有實作出來。參照網路教學How To Configure and Pair Two HC-05 Bluetooth Module as Master and Slave | AT Commands，在進入AT mode一開始，還需額外輸入AT+ORGL指令，意思是將所有AT參數恢復為原廠設定，以免這次未設定的參數被前一次所設定的參數所影響。

需要注意軟接口有參建構函數，以下範例第1個參數是10是藍芽TX，對應是Arduino的RX；第2個參數11是藍芽RX，對應是Arduino的TX。

// 定義連接藍牙模組的序列埠
SoftwareSerial BT(10, 11);

課後習題

Question 1

詳述雙超聲波模組感測方位原理。

Answer 1

如lab2實現方法的圖示，至於確切的邊界條件，需不斷嘗試，最終得出合理判斷。

Question 2

詳述Arduino是如何產生PWM訊號(Hint : 與內部Timer有關)。

Answer 2

當然可以在不使用內建函式analogWrite(pin, dutyCycle)，而透過"手動"數位反覆開關來產生PWM訊號。

digitalWrite(13, HIGH);
delayMicroseconds(100); // Approximately 10% duty cycle @ 1KHz
digitalWrite(13, LOW);
delayMicroseconds(1000 - 100);

優點是所有數位輸出腳位都可以使用，還可以控制duty cycle與頻率，但這會造成當MCU在執行其他程序時，PWM輸出無法繼續運行，因此我們必須借助ATmega168P(Arduino Uno的MCU)內的3個Timer來控制6個PWM輸出。

每個Timer都有2個output compare register，決定輸出PWM寬度 - 當定時器達到output compare register值時，相應的輸出被toggle。

Timer一開始需要有個prescaler須要把系統的CLK(16MHz)除頻獲得較低的頻率。Timer還有不同模式，主要有Fast PWM"和"Phase-correct PWM，可以運行在0到255或是0到某一固定值。

這些Timer由register控制，如下表。

register	簡寫	用途
Timer Counter Control Register A	TCCRnA	決定Timer的運作模式
Timer Counter Control Register B	TCCRnB	決定Timer的prescale value
Timer Counter Register	TCNTn	儲存Timer目前的累積計數(計數器）
Output Compare Register A	OCRnA	當TCNTn累積計數到OCRnA的計數時，觸發中斷
Output Compare Register B	OCRnB	當TCNTn累積計數到OCRnB的計數時，觸發中斷
Timer Counter Interrupt Mask Register	TIMSKn	開啟/結束中斷

Fast PWM
Timer會從0到255重複計數，當Timer值達到output compare register值會關閉輸出，而當Timer值是0時會開啟輸出。
Phase-correct PWM
Timer會從0到255計數，然後返回到0。當Timer值在上升途中達到output compare register值會關閉輸出，而當Timer下降時又會開啟輸出。
ref 1 : Secrets of Arduino PWM
ref 2 : analogWrite怎麼做PWM輸出?改PWM頻率,定时器相關

Question 3

舉例PWM在電機領域的3個應用。

Answer 3

LED呼吸燈
一般人眼睛對於80Hz以上刷新頻率則完全沒有閃爍感，那麽我們平時見到的LED燈，當它的頻率大於50Hz的時候，人眼就會產生視覺暫留效果，基本就看不到閃爍了，而是誤以為是一個常亮的LED燈。

由於頻率很高時看不到閃爍，占空比越大LED越亮，占空比越小LED越暗。所以，在頻率一定時，可以用不同占空比改變LED燈的亮度，使其達到一個呼吸燈的效果。 PWM對電機轉速的控制
PWM對電機轉速的控制
調節占空比可以實現不同電壓的輸出，實現對電機轉速的調節。

對於直流電機來講，電機輸出端引腳是高電平電機就可以轉動，當輸出端高電平時，電機會轉動，但是是一點一點的提速，在高電平突然轉向低電平時，電機由於電感有防止電流突變的作用是不會停止的，會保持這原有的轉速，以此往覆，電機的轉速就是周期內輸出的平均電壓值，所以實質上我們調速是將電機處於一種，似停非停，似全速轉動又非全速轉動的狀態，那麽在一個周期的平均速度就是我們占空比調出來的速度了。

在電機控制中，電壓越大，電機轉速越快，而通過PWM輸出不同的模擬電壓，便可以使電機達到不同的輸出轉速。

當然在電機控制中，不同的電機都有其適應的頻率頻率太低會導致運動不穩定，如果頻率剛好在人耳聽覺範圍，有時還會聽到呼嘯聲。頻率太高時，電機可能反應不過來，正常的電機頻率在6-16kHZ之間為好。
PWM對舵機的控制
舵機的控制就是通過一個固定的頻率，給其不同的占空比來控制舵機不同的轉角。

舵機的頻率一般為頻率為50Hz，也就是一個20ms左右的時基脈衝，而脈衝的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms範圍，來控制舵機不同的轉角。500-2500us的PWM高電平部分對應控制180度舵機的0-180度。

下圖演示占空比從1ms變化到2ms時，轉角的變化。

ref : PWM原理及其应用

心得

劉永勝

這次實驗利用PWM輸出，改變

V_{r m s}

，使馬達的轉速不同。不像是之前由類比輸出馬達，轉速只能藉由激磁速度調整。這次是增加電壓，使馬達額定轉速上升。兩個可正反的轉馬達，即可始自走車前進、後退、左轉、右轉。

超音波測距，若只有一個模組，則量測距離只能是直線。如同人眼一般，需要兩個超音波模組，才可以360度的測量。可能會因為模組擺放位置不對稱，須調整函數的判斷式。

藍芽配對操控自走車，在之前lab就已經進行過藍芽配對，但最近才發現那時的配對並沒有成功，輸出的值並非從藍芽模組發送。在配對時，先將藍芽模組還原原廠，確保內部參數重製，在從AT模式設定主從即可完成配對。

李宇洋

此次實驗麻煩的點有組裝車體、2個超音波模組互相測得數據如何校正出合理的範圍，大部分時間都花在調整超音波模組的位置等參數。還有馬達模組的控制，因為左右馬達轉速不同、地面磨擦係數、凹凸不平，我們需要調整一些參數才讓車子能正常行駛。

因為所需接線較多，必須要花很多時間確認哪條線要接到哪裡，以及線會在車子行進時脫落，因此還需重新接線，下次若遇到相同狀況需先整線，實作效率才會高。

陳旭祺

這次實驗我了解PWM訊號，利用數位訊號高頻率的切換，調整開關的比例，以模擬類比訊號，因此以下程式對編譯器來說是兩兩是等價的。

analogWrite(pin, 0);
digitalWrite(pin, 0);
analogWrite(pin, 255);
digitalWrite(pin, 1);

應用是這顆控制馬達ICL298N的ENA、ENB腳位，藉由0-255的數值去控制馬達轉速。也了解實際上PWM是由借助ATmega168P(Arduino Uno的MCU)內的3個Timer來控制6個PWM輸出。

實作方面是卡在lab4和lab5，其中lab4是跟隨自走車，結合lab2超音波距離輸入與lab3的馬達轉速輸出，lab5是藍芽遙控車，遇到問題如下 :

問題	解決方法
自走車的接線不斷脫落	用泡棉膠、紙膠帶固定電路在車子上。
左右輪就算施加相同力，自走車還是不會直走	推測原因是測試時地板不平、兩端車輪與馬達無法精準卡住，因此須反覆測試兩輪之間的offset數值，用軟體給予不同轉速，解決硬體的誤差。
兩個藍芽配對照教學還是做不出來	沒先還原所有設定為原廠`AT+ORGL`，以免這次未設定的參數被前一次所設定的參數所影響。

單晶片lab6結報

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實驗日期 : 2021/10/28

上課教材

lab1

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實現方法

lab2

SPEC

實現方法

lab3

SPEC

實現方法

lab4

SPEC

實現方法

lab5

SPEC

藍芽燈號判讀

藍芽的AT mode(key接5V)

藍芽配對

實現方法

課後習題

Question 1

Answer 1

Question 2

Answer 2

Question 3

Answer 3

心得

劉永勝

李宇洋

陳旭祺

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