---
tags: 單晶片助教
---

# Arduino講義:跟隨自走車
[ToC]

* 超音波模組工作原理:


* 觸發 : 採用I/O觸發測距，給至少為 <font color="red">10uS</font> 的高電位信號。
* 發射 : 模組自動發送 8 個 40KHz 的方波，自動檢測是否有信號返回。
* 接收 : 有信號返回，通過模組之 I/O 輸出高電位，<font color="red">高電位持續的時間</font>就是超聲波 從發射到返回的時間。

* 距離計算 = (高電位時間 / 2) * 聲速 。
* 讀取高電位時間 : 使用 <font color="red">pulseIn( )</font> 此Function，單位為microsecond(µs)。
* Reference: [Arduino pulseln()](https://www.arduino.cc/en/Reference.PulseIn)
* 聲速 = 331.5 + 0.607 * t(攝氏溫度)。
Ex : 溫度為攝氏 20 度，則聲速為 331.5 + 0.607 * 20 = 343.64 m/s。
* 將聲速還算成 cm/µs => 343.64 * 100 / 1000000 = 0.034364 cm/µs。

* 超音波模組規格與腳位 :
* 電源需求 : DC 5V / 2mA
* 輸出電位( 1/ 0)：5V/ 0V
* 精度：3mm
* <font color="red">距離範圍：2 ~ 450cm</font>
* 有效的角度：<15℃


* 超音波使用須知

* 不可少於2公分

* 每次訊號間隔不可太短
* 待測物注意反射角度
* 待測物圓柱體為最佳

### Example


### Lab1 - 超聲波測距器
#### 實作說明:

* 實作目的 : 學習使用超聲波模組。
* 實作範例 : 使用超聲波模組搭配 LCD 顯示器，當物體在 15 公分內時，將測得之距離顯示於 LCD 上，超過 15 公分，則顯示 Exceed 。
* 實作電路圖 :

* 實作腳位配置 :

| HC-SR04 超聲波模組 | Arduino |
| -------- | -------- |
| Vcc | 5V |
| Trig | Pin12 |
| Echo | Pin11 |
| Gnd | GND |

| LCM 1602 | Arduino |
| -------- | -------- |
| GND | GND |
| Vcc | 5V |
| SDA | A4 |
| SCL | A5 |

* 實作影片 :

<iframe width="640" height="361" src="https://www.youtube.com/embed/D3kzD2FmErQ" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

## PWM (Pulse Width Modulation) 脈衝寬度調變

* PWM :
利用數位訊號模擬類比訊號的方式。
* PWM原理 :
藉由數位訊號高頻率的切換，調整開關的比例，就可以模擬出需要的類比訊號。


* Timer Registers
* ATmega328 內與 Timer 相關的 Register 大略如下(n 代表 Timern)：
* Timer Counter Control Register A (TCCRnA)：決定 timer 的運作模式（operating mode）。

* 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 (timer count)。
* Output Compare Register A (OCRnA)：當 TCNTn 累積計數到 OCRnA 的計數時，觸發中斷（interrupt）。
* Ouput Compare Register B (OCRnB)：當 TCNTn 累積計數到 OCRnB 的計數時，觸發中斷（interrupt）。

* Timer0 與 Timer2 皆為 8-bit 的 Timer，表示 TCNT0, 2 範圍為 0 ~ 255；Timer1 的TCNT1則為 16-bit，可以計數 0 ~ 65535。

* 如何使用 Arduino PWM :
Pin 3、9、10、11 頻率為 490 Hz，Pin 5，6 頻率為 980 Hz

| Pin | timer | base frequency | prescaler value |
|:----:|:------:|:--------------:| ------------------------------ |
| 5,6 | timer0 | 62500Hz | 1,8,64,256,1024 |
| 9,10 | timer1 | 31250Hz | 1,8,64,256,1024 |
| 3,11 | timer2 | 31250Hz | 1,8,**32**,64,**128**,256,1024 |

| Pin | timer | base frequency | defalut prescaler | defalut frequency |
| :---: | :------: | :--------------: | :---------------: | :-:|
| 5,6 | timer0 | 62500Hz | 64 | 980Hz |
| 9,10 | timer1 | 31250Hz | 64 | 490Hz |
| 3,11 | timer2 | 31250Hz | 64 | 490Hz |
* Arduino PWM輸出函數 :
<font color="red" size="5">analogWrite(pin, value)</font>
-Pin:輸出PWM腳位。
-Value:Duty cycle，數值範圍(0~255)。
-Duty Cycle = Ton / (Ton + Toff) (%)，為 ON 的時間與週期相除的百分比，例如：0=0%，127=50%，255=100%。

### Lab2 - 測距警示燈
#### 實作說明:
* 實作目的 : 學習控制 Arduino PWM 以及 超聲波模組。
* 實作範例 : 控制PWM與上節所使用到超音波模組，Duty Cycle會隨超音波測得距離越近而越高，反之則相反。
* 實作電路圖 :

* 實作影片 :
<iframe width="640" height="360" src="https://www.youtube.com/embed/K_ivwCI-eMM" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

<iframe width="640" height="361" src="https://www.youtube.com/embed/HmjG65rJGTc?list=UUQmpO0IQCpe-DNwHk2z9jVQ" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

### Lab3 - 雙超音波定位應用

#### 實作說明:


* 實作目的 : 學習使用超聲波模組。
* 實作範例 : 使用兩顆超聲波模組搭配 LCD 顯示器，當物體在 50 公分內時，將測得之方位顯示於 LCD 上 。
* 實作影片 :
* <iframe width="740" height="553" src="https://www.youtube.com/embed/fPPryYAdZBI" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

### bonus1 - 電算機
#### 實作說明:

* 實作目的 : 學習更加完善之電算機。
* 實作範例 : 可應付四則運算，多位數運算，多組括號，多層括號
* 實作影片 :
<iframe width="740" height="553" src="https://www.youtube.com/embed/8RhHF9nyTOI" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

### bonus2 - 電算機2
#### 實作說明:

* 實作目的 : 學習更加完善之電算機。
* 實作範例 : 將Lab4加以改良，實現可以省略乘號。
* 實作影片 :

<iframe width="740" height="553" src="https://www.youtube.com/embed/XWxlOy_4sKc" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

### Lab3 - L298N馬達應用
#### 實作說明:
* 實作目的 : 學習控制 L298N馬達模組。

* 實作範例 : 透過各別控制每顆馬達，來分別進行正轉、反轉、停止等功能等時作
* L298N接腳：

* 模組週邊腳位及端子台說明:

| L298N馬達模組 | Arduino |
| -------- | -------- |
| INT1 | Pin2 |
| INT2 | Pin4 |
| INT3 | Pin5 |
| INT4 | Pin6 |
| ENA | Pin3(PWM) |
| ENB | Pin9(PWM) |

* 模組控制訊號說明

|DC馬達|轉向|IN1|IN2|IN3|IN4|ENA|ENB|
|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|
|M1|正轉|高|低| | |高| |
|M1|反轉|低|高| | |高| |
|M1|停止|低|低| | |高| |
|/|/|/|/|/|/|/|/|
|M2|正轉| | |高|低| |高|
|M2|反轉| | |低|高| |高|
|M2|停止| | |低|低| |高|
* ENA和ENB腳位，可用<font color="red">PWM</font>來改變馬達轉速。


### Lab4 - 跟隨自走車

#### 實作說明:

* 實作目的：完成跟隨自走車。
* 實作方法：利用<font color="red">兩組超音波測距模組</font>，並搭配<font color="red">L298N驅動馬達</font>
* L298N接腳：

| L298N馬達模組 | Arduino |
| -------- | -------- |
| INT1 | Pin2 |
| INT2 | Pin4 |
| INT3 | Pin5 |
| INT4 | Pin6 |
| ENA | Pin3(PWM) |
| ENB | Pin9(PWM) |
* 超音波模組接腳：

| 超音波模組 | Arduino |
| -------- | -------- |
| trigPin_left | Pin13 |
| trigPin_right | Pin12 |
| echoPin_left | Pin11 |
| echoPin_right | Pin10 |
* 實作步驟：
* 組裝自走車。
* 先試著建立好副程式，讓自走車轉動


* 加入超音波感測，並從序列埠監控室窗觀察。
* 並藉由超音波測距判斷決策來操控馬達，決策條件說明:
<font color="red">★50cm範圍外為機器人停止。
★50~20cm範圍內為機器人前進。
★10cm範圍內為機器人倒退。
★20~10cm範圍內為機器人停止。
★兩組超音波測距比較去決策機器人轉動方向。
—以上可依照感測器架設狀況做微調—</font>
* 本實作部分程式提點:
<!--
-->
<!---->
* 影片
* https://youtu.be/iUuJmY7A3Og

### Lab4-2 - 牙控車
#### 實作說明:

* 實作目的：完成可接受藍牙操控之牙控車。
* 實作方法：利用<font color="red">HC-05藍牙模組</font>，並搭配<font color="red">LAB4跟隨自走車</font>，設計由傳輸指定字元控制牙控車型走之方向，以W、R、L、B控制前進、右轉、左轉、後退之功能

### Lab4-3 - 牙控車2
#### 實作說明:

* 實作目的：改善以手機發送指令時的不順暢，改由第二塊arduino和按鈕進行操控。
* 實作方法：須設定兩顆藍芽模組之間之主從關係，主端(遙控器)必須是HC-05，而從端(車體)則是HC-05和HC-06皆可。
* 主端:將HC-05進入AT模式，用AT+ROLE?指令查詢主從關係，若為1則為主端，若為0則以AT+ROLE=1之指令更改(主從關係更改後會自動離開AT模式，欲再次查詢需重新進入AT模式)。確認為主端後在AT模式以AT+BIND=XXXX,XX,XXXXXX之格式設定從端連線位址。

* 從端:若從端為HC-05，可用AT+ADDR?指令查詢位址。若為HC-06，則必須以安卓手機下載Serial bluetooth terminal查詢並將其格式改為XXXX,XX,XXXXXX輸入至主端
* 實作影片 :<iframe width="730" height="553" src="https://www.youtube.com/embed/pG8rqLXQHN4" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

# 加分題1 - 跟隨自走車2
#### 實作說明:

* 實作目的：以不停頓的方式跟隨至足夠距離。
* 實作方法：利用PWM之功能不斷修正馬達轉速達到順暢跟隨
* <iframe width="740" height="553" src="https://www.youtube.com/embed/057iBgh0C2o" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

# 加分題2 - 自動避障車
#### 實作說明:

* 實作目的：完成具有自動避障功能之自走車。
* 實作方法：利用<font color="red">LAB4跟隨自走車</font>，設計會不斷前進，遇到障礙物會自行規避並尋找新方向繼續移動，並在進入死路後能退出無路可走之困境

## 課後問題 (三題)
:::info
* Q1.詳述 超聲波模組感測原理。
* Q2.詳述 超聲波的英文。
* Q3.詳述 Arduino是如何產生PWM訊號(與內部Timer有關)。
:::