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摘要：Arduino是一个灵活、开放的平台，易于上手，便于二次开发。与常用的单片机、可编程逻辑控制器（PLC）等不同，它具有编程简单，便于操作，性价比高等诸多优点。本文是基于Arduino的机器人下位机控制系统，通过主板发出指令给电机驱动器来控制电机运动，并配有超声波测距模块实现机器人避障功能，测试结果表明系统稳定可靠，具有较强的实用价值。
关键字：Arduino;步进电机;步进电机驱动器;超声波测距模块
1引言
随着科技的迅猛发展，使得早期的单片机越来越无法满足人们的需求，各种功能强大、性能良好的处理器应运而生。本文要介绍的是操作简单、便于上手的Arduino板控制步进电机驱动器来驱动步进电机。与工业化生产和日常生活中大量应用的DSP、51系列单片机、PLC等驱动步进电机相比，编程编写简单，操作更方便、性价比更高等优点。
Arduino是免费的开放软件，入门门槛低[1]。例如：一步指令就可以定义步进电机的步数和方向，简单方便地完成系统功能，使得它在信息技术飞速发展，各行业的人机交互界面日趋人性化的今天，有着较强的影响和实用意义。
2硬件部分
2.1硬件组成
系统硬件主要由2块Arduino主控板、传感器控制板、2个超声波测距模块、2台步进电机、2个步进电机驱动器步等组成。
主控板选用Arduino UNO，芯片型号为ATmega328P，它有14个I/O端口， 6个AI输入口，1个串口，1个USB接口，晶振频率16MHz，带有复位功能按钮。提供3.3V和5V电压输出。只需1根USB数据线连接电脑就能供电，程序下载和数据通讯。实物详见下图2-1：
传感器控制板是与Arduino主控板可以对插，通过超声波测距模块来控制行走的机器人避障。详见下图2-2：
2个超声波模块采用JSN-SR0T4-2.0 超声波测距模块，该模块的工作电压为DC3.0～5.5V，工作电流8mA以下，射程在0.2m到6m之间，精度2mm，适宜在-20～70℃的环境中工作，简洁的设计理念，使得它性能优良，兼容性好。详见下图2-3：
2台步进电机采用菲普德57BYC250C，2相，步距角1.8°，扭矩1.8N，电压DC24V，最大电流3A，可配套使用的驱动器DM542或TB6600，详见下图2-4：
2个步进电机驱动器的型号为DM542，它是一款细分型两相混合式驱动器， DC18～50V宽电压输入，输出额定电流为1.2～4.0A，性能可靠等。详见下图2-5：
2.2系统功能
Arduino是一个开源的平台，开放的源代码和电路图方便用户根据自己的需要选择接线方式，免费的程序开发接口使用户可根据需要随时修改程序并下载。与各种传感器、电子元件连接简单，节省布线成本。使用的微处理器价格较低，具有较高的性价比。下面控制系统功能框图2-6：
3软件部分
3.1 Arduino简介
Arduino电路板是由意大利的baiMassimo Banzi在2005年1月与西班牙籍芯片工程师David Cuartielles合作设计的[2]。目的是能给学生们提供一种便宜好用的微控制器平台，解决当时微处理器价格昂贵且不易使用的问题。
Arduino支持C语言开发，编程门槛低，具有大量的库[3]。硬件集成度高，外部电路接线简单。软件模块化设计完善，简洁高效，支持多平台开发。
3.2控制系统驱动程序
下面是arduino驱动步进电机运动及超声波测距模块的避障部分程序：
// 控制中心 arduino_motor
// #include <Enerlib.h>
// #include <avr/wdt.h>
#include “global.h”
#include “mode.h”
#include “wlc_stop.h”
#include “uc_command.h”
#include “motor.h”
#include “uc_stop.h”
unsigned char tx_data[8];
unsigned char rx_start[1];
unsigned char rx_data[7];
unsigned char rx_buffer[10][8];
void setup（） {
// 步进电机
pinMode（ENA_L， OUTPUT）;
pinMode（DIR_L， OUTPUT）;
pinMode（ENA_R， OUTPUT）;
pinMode（DIR_R， OUTPUT）;
pinMode（PUL_LR， OUTPUT）;
// 遙控
pinMode（D0， INPUT）;
pinMode（D1， INPUT）;
pinMode（D2， INPUT）;
pinMode（D3， INPUT）;
pinMode（VT， INPUT）;
// 超声波
pinMode（pinLeft， INPUT）;
pinMode（pinRight， INPUT）;
pinMode（RelayPin1， OUTPUT）; pinMode（RelayPin2， OUTPUT）;
pinMode（RelayPin3， OUTPUT）;
// 超声波活跃初始化
pinMode（PIN_ACTIVE， OUTPUT）;
pinMode（PIN_DISTANCE_LEVEL， OUTPUT）;
digitalWrite（PIN_ACTIVE， LOW）;
digitalWrite（PIN_DISTANCE_LEVEL， LOW）;
memset（&active， 0， sizeof（active））;
// 蜂鸣器初始化
pinMode（PIN_BUZZER， OUTPUT）; digitalWrite（PIN_BUZZER， HIGH）;
// 随机数种子
randomSeed（analogRead（0））;
memset（¤t_uc_cmd，0， sizeof（current_uc_cmd））;
memset（¤t_uc_cmd_pre，0， sizeof（current_uc_cmd_pre））;
uc_sensor_release_count = 0;
uc_sensor_get_count = 0;
compensation_move_forward = 0;
compensation_turn_left = 0;
compensation_turn_right = 0;
// uc命令初始標识
command_flag = TXD_SUCCESS;
command_busy_answer= C_Busy_Sta_Ans_Free;
// uc模式下，wlc状态，用于UC模式下遥控器控制
uc_wlc_sta= uc_wlc_sta_type：：WLC_DEFAULT;
// TODO - 初始化statu
current_status = status：：uc_stop;
mode = modes：：uc; // 默认->上位机控制模式
current_status = status：：wlc_stop;
mode = modes：：wlc; // 默认->下位机控制模式
last_status = status：：default_status;
wlc_status = status：：default_status;
sensor_status = status：：default_status;
max_wivelen= WLC_SPEED_LEVEL3;
/* 修改通信方式之后的运行逻辑 start */
// 接受cmd
want_to_get_next_cmd = true;
next_cmd_is_same_with_last = false;
same_cmd_add_time_bool = false;
cmd_null_flag = true;
cmd_pre_null_flag = true;
// 预判走位
current_uc_cmd_pattern = 0x00;
// 空挡
gear_now = gear[0];
// 暂停默认为继续走， 值false
uc_pause = false;
…
#define DIR_L 3 // 方向，低向前
#define ENA_L 4 // 使能，低有效
#define PUL_LR 5 // PWM方波
#define DIR_R 6
#define ENA_R 7
/* 遥控器针脚， 键位如下
A B
C D
*/
#define D0 8 // D0 -> B按键
#define D1 9 // D1 -> D按键
#define D2 10 // D2 -> A按键
#define D3 11 // D3 -> C按键
#define VT 12 // VT
// active statu pin
#define PIN_ACTIVE A2 // to sensor1
#define PIN_DISTANCE_LEVEL 13 // to sensor2
// buzzer
#define PIN_BUZZER 12
int g_count; bool uc_pause; // true -> 停止;
false -> 继续走
#endif
//mode.h
#ifndef _MODE_H
#define _MODE_H
typedef enum _modes{
wlc， // 手控模式
u， // 上位机模式
sensor // 传感器模式
}modes;
modes mode;
typedef enum _status{
wlc_stop=0， wlc_right，
wlc_left， wlc_forward，
uc_stop=10 ， uc_right，
uc_left， uc_forward ，
uc_upshift，
uc_downshift，
uc_switch，
sensor_stop=20，
sensor_right，
sensor_left，
sensor_forward，
sensor_gear， s
ensor_switch，
default_status=255
}status;
typedef struct _auto_state{
status state;
int count;
}auto_state;
// wlc status struct
typedef struct _wlc_stop_state{
auto_state parenet_state;
}wlc_stop_state;
wlc_stop_state wlc_stop_state_var
}
tone（PUL_LR， speed_frequency）
delay（2）;
4結束语
本系统通过Arduino主控板来控制步进电机驱动器驱动步进电机运动，结合超声波测距模块实现医用导诊机器人的运动及避障等功能，结合上位机语音导诊等功能测试表明该系统稳定可靠，避障精确，程序简单易懂，且成本较低，具有较大的实用价值。
参考文献
[1]Arduino开发从入门到实战[M]. 清华大学出版社， 李明亮， 2018，1
[2]基于Arduino系统控制的物体定位[J]. 禅翔，郭焕萍.电子世界. 2019（02）
[3] 基于Arduino UNO平台用于分拣机械臂系统研究[J].程雨鑫，富晓乾，马奇旭，张璇，郭岳.电子世界. 2020（02）
南京惟思得交通设备有限公司 江苏 南京 210012
关键字：Arduino;步进电机;步进电机驱动器;超声波测距模块
1引言
随着科技的迅猛发展，使得早期的单片机越来越无法满足人们的需求，各种功能强大、性能良好的处理器应运而生。本文要介绍的是操作简单、便于上手的Arduino板控制步进电机驱动器来驱动步进电机。与工业化生产和日常生活中大量应用的DSP、51系列单片机、PLC等驱动步进电机相比，编程编写简单，操作更方便、性价比更高等优点。
Arduino是免费的开放软件，入门门槛低[1]。例如：一步指令就可以定义步进电机的步数和方向，简单方便地完成系统功能，使得它在信息技术飞速发展，各行业的人机交互界面日趋人性化的今天，有着较强的影响和实用意义。
2硬件部分
2.1硬件组成
系统硬件主要由2块Arduino主控板、传感器控制板、2个超声波测距模块、2台步进电机、2个步进电机驱动器步等组成。
主控板选用Arduino UNO，芯片型号为ATmega328P，它有14个I/O端口， 6个AI输入口，1个串口，1个USB接口，晶振频率16MHz，带有复位功能按钮。提供3.3V和5V电压输出。只需1根USB数据线连接电脑就能供电，程序下载和数据通讯。实物详见下图2-1：
传感器控制板是与Arduino主控板可以对插，通过超声波测距模块来控制行走的机器人避障。详见下图2-2：
2个超声波模块采用JSN-SR0T4-2.0 超声波测距模块，该模块的工作电压为DC3.0～5.5V，工作电流8mA以下，射程在0.2m到6m之间，精度2mm，适宜在-20～70℃的环境中工作，简洁的设计理念，使得它性能优良，兼容性好。详见下图2-3：
2台步进电机采用菲普德57BYC250C，2相，步距角1.8°，扭矩1.8N，电压DC24V，最大电流3A，可配套使用的驱动器DM542或TB6600，详见下图2-4：
2个步进电机驱动器的型号为DM542，它是一款细分型两相混合式驱动器， DC18～50V宽电压输入，输出额定电流为1.2～4.0A，性能可靠等。详见下图2-5：
2.2系统功能
Arduino是一个开源的平台，开放的源代码和电路图方便用户根据自己的需要选择接线方式，免费的程序开发接口使用户可根据需要随时修改程序并下载。与各种传感器、电子元件连接简单，节省布线成本。使用的微处理器价格较低，具有较高的性价比。下面控制系统功能框图2-6：
3软件部分
3.1 Arduino简介
Arduino电路板是由意大利的baiMassimo Banzi在2005年1月与西班牙籍芯片工程师David Cuartielles合作设计的[2]。目的是能给学生们提供一种便宜好用的微控制器平台，解决当时微处理器价格昂贵且不易使用的问题。
Arduino支持C语言开发，编程门槛低，具有大量的库[3]。硬件集成度高，外部电路接线简单。软件模块化设计完善，简洁高效，支持多平台开发。
3.2控制系统驱动程序
下面是arduino驱动步进电机运动及超声波测距模块的避障部分程序：
// 控制中心 arduino_motor
// #include <Enerlib.h>
// #include <avr/wdt.h>
#include “global.h”
#include “mode.h”
#include “wlc_stop.h”
#include “uc_command.h”
#include “motor.h”
#include “uc_stop.h”
unsigned char tx_data[8];
unsigned char rx_start[1];
unsigned char rx_data[7];
unsigned char rx_buffer[10][8];
void setup（） {
// 步进电机
pinMode（ENA_L， OUTPUT）;
pinMode（DIR_L， OUTPUT）;
pinMode（ENA_R， OUTPUT）;
pinMode（DIR_R， OUTPUT）;
pinMode（PUL_LR， OUTPUT）;
// 遙控
pinMode（D0， INPUT）;
pinMode（D1， INPUT）;
pinMode（D2， INPUT）;
pinMode（D3， INPUT）;
pinMode（VT， INPUT）;
// 超声波
pinMode（pinLeft， INPUT）;
pinMode（pinRight， INPUT）;
pinMode（RelayPin1， OUTPUT）; pinMode（RelayPin2， OUTPUT）;
pinMode（RelayPin3， OUTPUT）;
// 超声波活跃初始化
pinMode（PIN_ACTIVE， OUTPUT）;
pinMode（PIN_DISTANCE_LEVEL， OUTPUT）;
digitalWrite（PIN_ACTIVE， LOW）;
digitalWrite（PIN_DISTANCE_LEVEL， LOW）;
memset（&active， 0， sizeof（active））;
// 蜂鸣器初始化
pinMode（PIN_BUZZER， OUTPUT）; digitalWrite（PIN_BUZZER， HIGH）;
// 随机数种子
randomSeed（analogRead（0））;
memset（¤t_uc_cmd，0， sizeof（current_uc_cmd））;
memset（¤t_uc_cmd_pre，0， sizeof（current_uc_cmd_pre））;
uc_sensor_release_count = 0;
uc_sensor_get_count = 0;
compensation_move_forward = 0;
compensation_turn_left = 0;
compensation_turn_right = 0;
// uc命令初始標识
command_flag = TXD_SUCCESS;
command_busy_answer= C_Busy_Sta_Ans_Free;
// uc模式下，wlc状态，用于UC模式下遥控器控制
uc_wlc_sta= uc_wlc_sta_type：：WLC_DEFAULT;
// TODO - 初始化statu
current_status = status：：uc_stop;
mode = modes：：uc; // 默认->上位机控制模式
current_status = status：：wlc_stop;
mode = modes：：wlc; // 默认->下位机控制模式
last_status = status：：default_status;
wlc_status = status：：default_status;
sensor_status = status：：default_status;
max_wivelen= WLC_SPEED_LEVEL3;
/* 修改通信方式之后的运行逻辑 start */
// 接受cmd
want_to_get_next_cmd = true;
next_cmd_is_same_with_last = false;
same_cmd_add_time_bool = false;
cmd_null_flag = true;
cmd_pre_null_flag = true;
// 预判走位
current_uc_cmd_pattern = 0x00;
// 空挡
gear_now = gear[0];
// 暂停默认为继续走， 值false
uc_pause = false;
…
#define DIR_L 3 // 方向，低向前
#define ENA_L 4 // 使能，低有效
#define PUL_LR 5 // PWM方波
#define DIR_R 6
#define ENA_R 7
/* 遥控器针脚， 键位如下
A B
C D
*/
#define D0 8 // D0 -> B按键
#define D1 9 // D1 -> D按键
#define D2 10 // D2 -> A按键
#define D3 11 // D3 -> C按键
#define VT 12 // VT
// active statu pin
#define PIN_ACTIVE A2 // to sensor1
#define PIN_DISTANCE_LEVEL 13 // to sensor2
// buzzer
#define PIN_BUZZER 12
int g_count; bool uc_pause; // true -> 停止;
false -> 继续走
#endif
//mode.h
#ifndef _MODE_H
#define _MODE_H
typedef enum _modes{
wlc， // 手控模式
u， // 上位机模式
sensor // 传感器模式
}modes;
modes mode;
typedef enum _status{
wlc_stop=0， wlc_right，
wlc_left， wlc_forward，
uc_stop=10 ， uc_right，
uc_left， uc_forward ，
uc_upshift，
uc_downshift，
uc_switch，
sensor_stop=20，
sensor_right，
sensor_left，
sensor_forward，
sensor_gear， s
ensor_switch，
default_status=255
}status;
typedef struct _auto_state{
status state;
int count;
}auto_state;
// wlc status struct
typedef struct _wlc_stop_state{
auto_state parenet_state;
}wlc_stop_state;
wlc_stop_state wlc_stop_state_var
}
tone（PUL_LR， speed_frequency）
delay（2）;
4結束语
本系统通过Arduino主控板来控制步进电机驱动器驱动步进电机运动，结合超声波测距模块实现医用导诊机器人的运动及避障等功能，结合上位机语音导诊等功能测试表明该系统稳定可靠，避障精确，程序简单易懂，且成本较低，具有较大的实用价值。
参考文献
[1]Arduino开发从入门到实战[M]. 清华大学出版社， 李明亮， 2018，1
[2]基于Arduino系统控制的物体定位[J]. 禅翔，郭焕萍.电子世界. 2019（02）
[3] 基于Arduino UNO平台用于分拣机械臂系统研究[J].程雨鑫，富晓乾，马奇旭，张璇，郭岳.电子世界. 2020（02）
南京惟思得交通设备有限公司 江苏 南京 210012