Arduino 智能小车-电机控制（20180504实训课--华清远见）

1.Arduino 电机驱动模块

• Arduino 小车使用的电机驱动模块为 L298N,模块如下图: 
  

• L298N 引脚描述如下:

  • +12V：该引脚接的电压是驱动模块所能输出给电机的最大电压，一般 直接接电池
  • GND： 在该项目中 GND 即为 电源的负极，同时要保证Arduino开发板，驱动模块等所有模块的GND连在一起才可以正常工作 .
  • +5V： L298N模块（注意不是L298N芯片）内含稳压电路（将高电压转换为低电压的电路），在模块内部将 +12V 引脚输入的电压转化为可供开发板使用的+5V电压，一般将次输出接入到开发板为开发板供电.

• L298N 模块有两路输出,可以控制小车的前进,后退,转弯.

  • ENA : 代表第一路输出的电压大小,驱动模块输出电压越高，电机转速越快。 
    
    • 当其输入为0V的时候，驱动模块输出对第一路电机输出电压为0V.
    • 当其输入为3.3V的时候，驱动模块对第一路电机输出电压为+12V 引脚的输入电压。
    • 由于 ENA 输入电压的高低控制驱动对电机的输出电压，因此当我们需要对小车运动速度进行控制的时候，一般通过PWM对 ENA 引脚进行控制
  • IN1/IN2 : 这两个引脚控制电机正反转方向,具体控制表:

ENA	IN1	IN2	直流电机状态
0	X	X	停止
1	0	0	制动
1	0	1	正转
1	1	0	反转
1	1	1	制动

2.L298N 工作原理

• L298N 电机驱动模块使用的 H 桥电路, H 桥电路典型的原理图如下:

• H 桥由2个P型场效应管Q1、Q2与2个N型场效应管Q3、Q3组成，所以它叫P-NMOS管H桥.
• 桥臂上的4个场效应管相当于四个开关，P型管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭；N型管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭

• 场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为 零 
  

• 在 H 桥电路中具体的控制如下:

  • 控制臂1置高电平（U=VCC）、控制臂2置低电平（U=0）时，Q1、Q4关闭，Q2、Q3导通，电机左端低电平，右端高电平，所以电流沿箭头方向流动。设为电机正转
  • 控制臂1置低电平、控制臂2置高电平时，Q2、Q3关闭，Q1、Q4导通，电机左端高电平，右端低电平，所以电流沿箭头方向流动。设为电机反转 
    
  • 当控制臂1、2均为低电平时，Q1、Q2导通，Q3、Q4关闭，电机两端均为高电平，电机不转
  • 当控制臂1、2均为高电平时，Q1、Q2关闭，Q3、Q4导通，电机两端均为低电平，电机也不转

3.Arduino 开发板与 L298N

3.1 电路连接

• L298 N 内部的稳压电路的输出为 5v 提高给 Arduino 作为电源.

• L298 N 的 IN1 - IN4 分别与 Arduino 的 IO 引脚相连,我选择的是 4 ,5,6,7,具体分布如下:

  • 引脚 4 - 5 : 控制右边的电机
  • 引脚 6 - 7 : 控制左边的电机

• 将左边的两个电机与 L298N IN3/IN4 连接,将右边的两个电机与 L298N IN1/IN2 连接.

• L298N 的 +12v 与电池相连,提供电机驱动电源
• 具体的连线参考图如下: 
  

3.2 编程实现

• 建立 Arduino 工程文件,并编写如下代码:

  • step 1 : 定义5种运动状态,具体程序如下

    1. #define STOP 0 //停止
    2. #define FORWARD 1 //前进
    3. #define BACKWARD 2 //后退
    4. #define TURNLEFT 3 //左转
    5. #define TURNRIGHT 4 //右转

  • step 2 : 定义左右电机控制引脚

    1. //左边的电机控制引脚
    2. int leftMotor_1 = 6;
    3. int leftMotor_2 = 7;
    5. //右边的电机控制引脚
    6. int rightMotor_1 = 4;
    7. int rightMotor_2 = 5;

  • step 3 : 在 setup() 函数中,设置相关控制引脚为 output 功能,具体代码如下:

    1. void setup() {
    2. // put your setup code here, to run once:
    3. //设置控制电机的引脚为输出状态
    4. pinMode(leftMotor_1, OUTPUT);
    5. pinMode(leftMotor_2, OUTPUT);
    6. pinMode(rightMotor_1, OUTPUT);
    7. pinMode(rightMotor_2, OUTPUT);
    9. }

  • step 4 : 在 loop() 函数中,添加电机控制代码,实现小车向前,向后,向左,向右的控制,可以调用以下函数完成.

  • 相应的函数封装如下:

    1. //控制小车左转,左边电机停止,右边电机正转
    2. void moveLeft(void)
    3. {
    4. digitalWrite(leftMotor_1, LOW);
    5. digitalWrite(leftMotor_2, LOW);
    6. digitalWrite(rightMotor_1, LOW);
    7. digitalWrite(rightMotor_2, HIGH);
    8. }
  1. //控制小车右转,左边电机正转,右边电机停止
  2. void moveRight(void)
  3. {
  4. digitalWrite(leftMotor_1,LOW);
  5. digitalWrite(leftMotor_2, HIGH);
  6. digitalWrite(rightMotor_1, LOW);
  7. digitalWrite(rightMotor_2, LOW);
  8. }
  1. //控制小车前进,左边电机正转,右边电机正转
  2. void moveForward(void)
  3. {
  4. digitalWrite(leftMotor_1, LOW);
  5. digitalWrite(leftMotor_2, HIGH);
  6. digitalWrite(rightMotor_1, LOW);
  7. digitalWrite(rightMotor_2, HIGH);
  8. }
  1. //控制小车反转,左边电机反转,右边电机反转
  2. void moveBackward(void)
  3. {
  4. digitalWrite(leftMotor_1, HIGH);
  5. digitalWrite(leftMotor_2, LOW);
  6. digitalWrite(rightMotor_1, HIGH);
  7. digitalWrite(rightMotor_2, LOW);
  8. }
  1. //控制小车停止,左边电机停止,右边电机停止
  2. void stopCar(void)
  3. {
  4. digitalWrite(leftMotor_1, LOW);
  5. digitalWrite(leftMotor_2, LOW);
  6. digitalWrite(rightMotor_1, LOW);
  7. digitalWrite(rightMotor_2, LOW);
  8. }

4.相关 Arduino API

• digitalWrite() 函数:

  1. digitalWrite(pin, value)
  2. 功能 : 通过指定引脚输出电平信号
  3. 参数 :
  4. @param pin : 引脚编号
  5. @param value : 输出电平信号值
  6. HIGH : 高电平信号
  7. LOW : 低电平信号

• delay() 函数:

  1. delay(ms)
  2. 功能 : 延时函数
  3. 参数 :
  4. @param ms : 延时时间,单位为 ms