Bluetooth-робот на Arduino Uno

В этом проекте вы соберёте двухколёсного робота и будете управлять им с Android-телефона. Телефон передаёт команды модулю HC-05, Arduino принимает их по UART, а L298N управляет двумя моторами.

Фото реальной сборки: fractaltech, Arduino Project Hub. Расположение плат может отличаться; соединения выполняйте по таблицам этой статьи.

Результат

Робот выполняет команды:

Символ	Действие
F	вперёд
B	назад
L	поворот налево на месте
R	поворот направо на месте
S	остановка
0…9	скорость от нулевой до максимальной

Если три секунды нет новой команды, робот останавливается сам.

Детали

Деталь	Количество	Точная конфигурация
Arduino Uno R3	1	плата на ATmega328P
L298N	1	модуль с ENA, IN1…IN4 и ENB
HC-05	1	плата-адаптер, обычно ZS-040
2WD-шасси	1	два TT-мотора 3–6 В, два колеса и шаровая опора
NiMH AA 1,2 В	6	одинаковые заряженные аккумуляторы
Держатель 6×AA с выключателем	1	даёт около 7,2 В
Понижающий модуль LM2596	1	настроить на 5,0 В
Резисторы 1 кОм и 2 кОм	по 1	делитель для RXD модуля HC-05
Макетная плата, провода Dupont, стяжки	1 набор	для монтажа

Нужны отвёртка, кусачки и мультиметр. Если провода не припаяны к моторам, понадобится помощь взрослого с паяльником.

Безопасное питание

Не используйте прямоугольную батарейку PP3 9 В: она плохо отдаёт ток двух моторов. Не подключайте моторы к выводу 5V Arduino.

На L298N снимите перемычки ENA, ENB и 5V-EN. Первые две линии будут получать PWM от Arduino, а логику драйвера запитает LM2596.

6×AA NiMH, 7,2 В
        |
  выключатель
        +----> L298N +12V ----> два мотора
        |
        +----> LM2596 IN
                  |
                5,0 В
                  +----> Arduino 5V
                  +----> L298N 5V
                  +----> HC-05 VCC

Минус батарей, LM2596 OUT-, Arduino GND,
L298N GND и HC-05 GND соединены вместе.

До подключения Arduino подайте питание только на LM2596. Измерьте напряжение между OUT+ и OUT- и подстроечником установите 5,0 В.

При загрузке программы выключайте батарейное питание. Не питайте Arduino одновременно от USB и через вывод 5V.

Сборка шасси

1. Закрепите TT-моторы по бокам нижней пластины.
2. Установите два колеса и шаровую опору.
3. Закрепите держатель аккумуляторов снизу, чтобы центр тяжести был ниже.
4. Установите сверху Arduino, L298N, LM2596 и макетную плату на диэлектрические стойки.
5. Разместите HC-05 сверху, не закрывая антенну металлом.
6. Уберите провода от колёс и валов и закрепите их стяжками.

Схема соединений

Моторы и L298N

Откуда	Куда
Arduino D5	L298N ENA
Arduino D7	L298N IN1
Arduino D8	L298N IN2
Arduino D9	L298N IN3
Arduino D10	L298N IN4
Arduino D6	L298N ENB
L298N OUT1 и OUT2	левый мотор
L298N OUT3 и OUT4	правый мотор

HC-05

Откуда	Куда
HC-05 TXD	Arduino D2
Arduino D3	резистор 1 кОм
второй вывод 1 кОм	HC-05 RXD и первый вывод 2 кОм
второй вывод 2 кОм	GND
HC-05 VCC	стабилизированные 5 В
HC-05 GND	общая земля

Делитель уменьшает пяти-вольтовый сигнал Arduino примерно до 3,3 В. Выводы KEY/EN и STATE не подключайте.

Программа

Дополнительные библиотеки не нужны: SoftwareSerial входит в ядро Arduino AVR. Выберите в Arduino IDE плату Arduino Uno и загрузите скетч при выключенном батарейном питании.

#include <SoftwareSerial.h>

const byte BT_RX = 2;
const byte BT_TX = 3;
SoftwareSerial bluetooth(BT_RX, BT_TX);

const byte EN_LEFT = 5;
const byte EN_RIGHT = 6;
const byte IN1 = 7;
const byte IN2 = 8;
const byte IN3 = 9;
const byte IN4 = 10;

int driveSpeed = 180;
bool moving = false;
unsigned long lastCommandAt = 0;
const unsigned long TIMEOUT_MS = 3000;

void setMotor(byte pin1, byte pin2, byte enablePin, int power) {
  power = constrain(power, -255, 255);

  if (power > 0) {
    digitalWrite(pin1, HIGH);
    digitalWrite(pin2, LOW);
  } else if (power < 0) {
    digitalWrite(pin1, LOW);
    digitalWrite(pin2, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(pin1, LOW);
    digitalWrite(pin2, LOW);
  }

  analogWrite(enablePin, abs(power));
}

void drive(int leftPower, int rightPower) {
  setMotor(IN1, IN2, EN_LEFT, leftPower);
  setMotor(IN3, IN4, EN_RIGHT, rightPower);
  moving = leftPower != 0 || rightPower != 0;
}

void executeCommand(char command) {
  if (command >= '0' && command <= '9') {
    driveSpeed = map(command - '0', 0, 9, 0, 255);
    bluetooth.print("Speed: ");
    bluetooth.println(driveSpeed);
    lastCommandAt = millis();
    return;
  }

  switch (command) {
    case 'F': drive( driveSpeed,  driveSpeed); break;
    case 'B': drive(-driveSpeed, -driveSpeed); break;
    case 'L': drive(-driveSpeed,  driveSpeed); break;
    case 'R': drive( driveSpeed, -driveSpeed); break;
    case 'S': drive(0, 0); break;
    default: return;
  }

  lastCommandAt = millis();
}

void setup() {
  pinMode(EN_LEFT, OUTPUT);
  pinMode(EN_RIGHT, OUTPUT);
  pinMode(IN1, OUTPUT);
  pinMode(IN2, OUTPUT);
  pinMode(IN3, OUTPUT);
  pinMode(IN4, OUTPUT);

  drive(0, 0);
  Serial.begin(9600);
  bluetooth.begin(9600);
  Serial.println("Bluetooth robot ready");
}

void loop() {
  while (bluetooth.available() > 0) {
    char command = bluetooth.read();
    if (command >= 'a' && command <= 'z') {
      command = command - 'a' + 'A';
    }
    executeCommand(command);
  }

  if (moving && millis() - lastCommandAt > TIMEOUT_MS) {
    drive(0, 0);
    bluetooth.println("STOP: timeout");
  }
}

Настройка телефона

HC-05 использует Bluetooth Classic SPP, поэтому эта инструкция рассчитана на Android.

1. Установите Serial Bluetooth Terminal.
2. Включите робота. В настройках Android найдите HC-05 и выполните сопряжение. Обычный PIN — 1234 или 0000.
3. В приложении откройте Devices, выберите Bluetooth Classic и HC-05, затем нажмите Connect.
4. Создайте макросы F, B, L, R, S, 3, 6 и 9. Каждый макрос должен отправлять один символ без перевода строки.
5. Для непрерывного движения повторяйте команду раньше, чем сработает трёхсекундный тайм-аут.

Первый запуск

1. Поставьте робота на коробку, чтобы колёса не касались стола.
2. Включите питание, отправьте 3, затем F и сразу S.
3. Оба колеса должны вращаться вперёд. Если одно вращается назад, выключите питание и поменяйте местами два провода этого мотора.
4. Проверьте B, L и R на малой скорости.
5. Поставьте робота на свободный пол не менее 2×2 м и только затем увеличивайте скорость.

Диагностика

Симптом	Что проверить
Телефон не видит HC-05	5 В между VCC и GND, мигает ли светодиод модуля
Связь есть, моторы молчат	сняты ли ENA и ENB, подключены ли D5 и D6, есть ли питание на клемме +12V L298N
Arduino перезагружается при старте	напряжение LM2596, заряд аккумуляторов, затяжку силовых клемм
Робот едет дугой	трение колёс, заряд аккумуляторов, различие моторов; при необходимости уменьшите мощность более быстрого мотора в функции drive
Команды не распознаются	скорость 9600 бод, один символ в макросе, правильный порядок TXD и RXD

Практика

1. Измерьте путь за три секунды на скоростях 3, 6 и 9. Для каждой скорости сделайте три попытки.
2. Найдите максимальное расстояние устойчивой связи в открытой комнате и за одной стеной.
3. Сравните безопасность и удобство тайм-аута 1000, 3000 и 5000 мс.

Проверьте себя

• Почему моторы нельзя питать от вывода 5V Arduino?
• Зачем всем модулям нужна общая земля?
• Для чего нужен делитель перед RXD HC-05?
• Что произойдёт после трёх секунд без команд?
• Как изменить направление одного мотора без изменения кода?

Словарь статьи

• Bluetooth Classic SPP — беспроводная передача, похожая для программы на последовательный порт.
• UART — последовательный интерфейс с линиями TX и RX.
• L298N — двухканальный драйвер двух DC-моторов.
• PWM — быстрое включение и выключение питания для изменения средней мощности.
• Тайм-аут — максимальное время ожидания новой команды.

Связанные темы

• Bluetooth-модули
• Драйверы коллекторных моторов
• Питание и безопасность

Источники

• Arduino Project Hub: Create Your Own 2WD Arduino Robot with Bluetooth Control — опубликованная сборка и фотография.
• Arduino Project Hub: DIY Bluetooth Controlled RC Car — дополнительный реальный пример Arduino Uno, HC-05 и L298N.
• Serial Bluetooth Terminal — приложение с поддержкой Bluetooth Classic SPP и HC-05.
• STMicroelectronics: L298 — техническое описание микросхемы драйвера.