基于STM32的DIY遥控小船制作

01

前言

周末带小朋友去公园玩耍，别的小孩在池塘里玩饮料瓶做的漂流船，看着他欢乐的跟着跑跳，无比羡慕的眼神，却又不能上手的小失落，又回想起儿时用泡沫板和小电机以及电池做的小船，和那时对于电驱动产生的无比兴趣，我决定升级一下儿时的装备，基于STM32给小朋友DIY一个遥控小船，使他成为公园里焦点，同时也期待他对电气控制产生一点点好奇。


基本构想如下：stm32驱动两个小电机，小电机上安装两个螺旋桨，可以实现双桨前进、后退，单桨转弯等。供电使用18650电池，通过升压放电板管理电池的充放电。遥控使用最廉价的红外遥控，来控制小船的各种动作。同时可以增加一组数码管作为输出设备。

在万能的某宝上可以淘到所有需要的材料，并且价格都十分实惠。

02

硬件模块

红外遥控模块
一般遥控玩具使用的是2.4G高频无线遥控模块，但是本着能省则省的原则，选用遥控器带接收头3.5元还包邮的HX1838红外遥控模块。这种遥控器类似电视遥控器，优点是便宜，开发简单，缺点是控制距离短，并且要像遥控电视一样指着玩具操作，这些缺陷留着下一代产品迭代时升级。

电机驱动模块
电机使用直流小电机，3-6V可驱动，使用一片L298N驱动板驱动。STM32输出PWM可调速，可正反转。

数码管显示
基于TM1637的四位数码管，用于显示一些简单的信息。TM1637是天微公司出品的LED驱动专用芯片，集成简单，开发方便。除了TM1637，天微公司还有一系列TM16XX的芯片，主要区别就是位输出和段输出个数多少。

电池和充放电模块
18650电池具有容量大，寿命长，安全性高等优点，普遍使用在充电宝，笔记本电池、仪器仪表中，甚至特斯拉的电池组也是由7000多节这样的电池组合成的。充放电线路板，主要的作用是将电池3.7V的输出电压升压到5V，供给STM32及外围电路使用，同时还具备给电池充电的功能。实际上等同于一个充电宝，充电宝的原理就是若干个18650电池并联，再用一块充放电板管理而已。

03

嵌入式软件

红外遥控器驱动
HX1838采用的是 NEC 编码格式。载波频率为38khz。

逻辑1是2.25ms，脉冲时间560us；逻辑0为1.12ms，脉冲时间560us。根据脉冲时间长短来解码。
协议示意图：

一组数据组成：
起始是9ms的高电平脉冲
4.5ms的低电平
8位地址码，低位在前
8位地址码的反码，用于校验
8位命令码，低位在前
8位命令码的反码。
需要注意的是1838红外一体接收头为了提高接受灵敏度。输入高电平，其输出的是相反的低电平。实际测量接收到的按键波形如下图，可以看到电平是相反的。

代码实现：
使用下降沿外部中断作为一次按键的检测触发，然后每个20us读取一次数据管脚，按照上述的协议逻辑，读出一个u32的数据。

1. 
   
2. U8 Infrared_Receiver_Process(void)
   
3. {
   
4.   U16 nTime_Num = 0;
   
5.   U8 nData = 0;
   
6.   U8 nByte_Num = 0;
   
7.   U8 nBit_Num = 0;
   
8.   
   
9. nTime_Num = Infrared_Receiver_GetLowLevelTime();
   
10. //t0=nTime_Num;
    
11. if((nTime_Num >= 500) || (nTime_Num <= 400))//9ms 数据头高电平 hx1838输入的反的
    
12. {
    
13.   return INFRARED_RECEIVER_ERROR;
    
14. }
    
15. nTime_Num = Infrared_Receiver_GetHighLevelTime();//4.5ms 低电平 hx1838输入的反的
    
16. if((nTime_Num >= 250) || (nTime_Num <= 200))
    
17. {
    
18.   return INFRARED_RECEIVER_ERROR;
    
19. }
    
20. 
    
21. for(nByte_Num = 0; nByte_Num < 4; nByte_Num++)//4个8位码
    
22. {
    
23.   for(nBit_Num = 0; nBit_Num < 8; nBit_Num++)
    
24.   {
    
25.     nTime_Num = Infrared_Receiver_GetLowLevelTime();//560us 高电平  hx1838输入的反的 nTime_Num=28
    
26.     if((nTime_Num >= 60) || (nTime_Num <= 20))
    
27.     {
    
28.       return INFRARED_RECEIVER_ERROR;
    
29.     }
    
30. 
    
31.     nTime_Num = Infrared_Receiver_GetHighLevelTime();//1690us（nTime_Num=84.5） 是逻辑1 560us是逻辑0 nTime_Num=28
    
32.     if((nTime_Num >=60) && (nTime_Num < 100))
    
33.     {
    
34.       nData = 1;
    
35.     }
    
36.     else if((nTime_Num >=10) && (nTime_Num < 50))
    
37.     {
    
38.       nData = 0;
    
39.     }
    
40.     else
    
41.     {
    
42.       return INFRARED_RECEIVER_ERROR;
    
43.     }
    
44.    
    
45.     gInfraredReceiver_Data <<= 1;
    
46.     gInfraredReceiver_Data |= nData;
    
47.   }
    
48. }
    
49. 
    
50. return INFRARED_RECEIVER_OK;
    
51. }

复制代码

经过调试，得到遥控器的按键键值如下：

1. 
   
2. <font size="3">KEY_OK = 0x38,
   
3. KEY_UP = 0x18,
   
4. KEY_DOWN = 0x4a,
   
5. KEY_LEFT = 0x10,
   
6. KEY_RIGHT = 0x5a,
   
7. KEY_1 = 0xa2,
   
8. KEY_2 = 0x62,
   
9. KEY_3 = 0xe2,
   
10. KEY_4 = 0x22,
    
11. KEY_5 = 0x02,
    
12. KEY_6 = 0xc2,
    
13. KEY_7 = 0xe0,
    
14. KEY_8 = 0xa8,
    
15. KEY_9 = 0x90,
    
16. KEY_STAR = 0x68,
    
17. KEY_0 = 0x98,
    
18. KEY_SHARP = 0x80,</font>

复制代码

另外由于NEC编码格式的红外遥控广泛的用于电视遥控，我们也可以找一个电视遥控器，把键值读出来，写入到stm的程序中，这样就可以用电视遥控器来操作小船了。


>>数码管显示驱动
TM1637与其他的一些TM芯片有一些区别，没有同步通信的STB脚，控制时序也有相应改变。
在输入数据时当CLK是高电平时，DIO上的信号必须保持不变；只有CLK上的时钟信号为低电平时，DIO上的信号才能改变。数据输入的开始条件是CLK为高电平时，DIO由高变低；结束条件是CLK为高时，DIO由低电平变为高电平。TM1637的数据传输带有应答信号ACK，当传输数据正确时，会在第八个时钟的下降沿，芯片内部会产生一个应答信号ACK将DIO管脚拉低，在第九个时钟结束之后释放DIO口线。

代码实现：

1. 
   
2. <font size="3">void start(void){
   
3. dio_output();
   
4. GPIO_SetBits(CLK_GPIO_PORT,CLK_GPIO_PIN);
   
5. GPIO_SetBits(DIO_GPIO_PORT,DIO_GPIO_PIN);
   
6. Delay();
   
7. GPIO_ResetBits(DIO_GPIO_PORT,DIO_GPIO_PIN);
   
8. Delay();
   
9. }
   
10. 
    
11. 
    
12. void stop(void){
    
13. dio_output();
    
14. /*GPIO_ResetBits(CLK_GPIO_PORT,CLK_GPIO_PIN);
    
15. Delay();*/
    
16. GPIO_ResetBits(DIO_GPIO_PORT,DIO_GPIO_PIN);
    
17. Delay();
    
18. GPIO_SetBits(CLK_GPIO_PORT,CLK_GPIO_PIN);
    
19. Delay();
    
20. GPIO_SetBits(DIO_GPIO_PORT,DIO_GPIO_PIN);
    
21. Delay();
    
22. }
    
23. 
    
24. 
    
25. void ack(void)
    
26. {
    
27. u8 i;
    
28. dio_input();
    
29. GPIO_ResetBits(CLK_GPIO_PORT,CLK_GPIO_PIN);
    
30. Delay();
    
31. while(readDio()==1&&(i<250))i++;
    
32. GPIO_SetBits(CLK_GPIO_PORT,CLK_GPIO_PIN);
    
33. Delay();
    
34. GPIO_ResetBits(CLK_GPIO_PORT,CLK_GPIO_PIN);
    
35. dio_output();
    
36. }
    
37. void write_data(u8 wr_data)
    
38. {
    
39. u8 i;
    
40. for(i=0;i<8;i++)//开始传送8位数据，每循环一次传送一位数据
    
41. {
    
42.   GPIO_ResetBits(CLK_GPIO_PORT,CLK_GPIO_PIN);
    
43.   if(wr_data & 0x01){
    
44.   GPIO_SetBits(DIO_GPIO_PORT,DIO_GPIO_PIN);
    
45.   }else{
    
46.   GPIO_ResetBits(DIO_GPIO_PORT,DIO_GPIO_PIN);
    
47.   }
    
48.   Delay();
    
49.   wr_data >>= 1;
    
50.   GPIO_SetBits(CLK_GPIO_PORT,CLK_GPIO_PIN);
    
51.   Delay();
    
52. }
    
53. ack();
    
54. }
    
55. void tm1637_DispStr(u8 *str)
    
56. {
    
57. u8 i;
    
58. u8 ledCode[5];
    
59. 
    
60. 
    
61. for(i = 0;i < 4;i++)
    
62. {
    
63. ledCode[i] = GetLedCode(str[i]);
    
64. }
    
65. start();
    
66. write_data(0x44);    //固定地址模式
    
67. stop();
    
68. start();
    
69. write_data(LED_GRID1);
    
70. write_data(ledCode[0]);
    
71. stop();
    
72. start();
    
73. write_data(LED_GRID2);
    
74. write_data(ledCode[1]);
    
75. stop();
    
76. start();
    
77. write_data(LED_GRID3);
    
78. write_data(ledCode[2]);
    
79. stop();
    
80. start();
    
81. write_data(LED_GRID4);
    
82. write_data(ledCode[3]);
    
83. stop();
    
84. start();
    
85. write_data(0x89);
    
86. stop();
    
87. }</font>

复制代码

小船控制逻辑
目前的逻辑比较简单， 就是收到按键后控制电机的转停。

1. 
   
2. void dealIrKeyDown(){
   
3. u8 len;
   
4. len = irKeyfifo_count;
   
5. if(len > 0){
   
6.   irKeyDataOut = irKeyfifo_DataOut();
   
7.   //按键显示
   
8.   U8ToHexstr(irKeyDataOut.index,dispStr);
   
9.   U8ToHexstr(irKeyDataOut.cmd,dispStr+2);
   
10.   tm1637_DispStr(dispStr);
    
11.   switch(irKeyDataOut.cmd){
    
12.     case KEY_OK:
    
13.     case KEY_OK_CHANGHONG:
    
14.     motor1_Stop();
    
15.     motor2_Stop();
    
16.     break;
    
17.     case KEY_UP:
    
18.     case KEY_UP_CHANGHONG:
    
19.     motor1_ForwardRun();
    
20.     motor2_ForwardRun();
    
21.     break;
    
22.     case KEY_DOWN:
    
23.     case KEY_DOWN_CHANGHONG:
    
24.     motor1_BackwardRun();
    
25.     motor2_BackwardRun();
    
26.     break;
    
27.     case KEY_LEFT:
    
28.     case KEY_LEFT_CHANGHONG:
    
29.     motor1_ForwardRun();
    
30.     motor2_Stop();
    
31.     state = SHIP_LEFT;
    
32.     break;
    
33.     case KEY_RIGHT:
    
34.     case KEY_RIGHT_CHANGHONG:
    
35.     motor2_ForwardRun();
    
36.     motor1_Stop();
    
37.     state = SHIP_RIGHT;
    
38.     break;
    
39.     default:
    
40.     motor1_Stop();
    
41.     motor2_Stop();
    
42.     state = SHIP_STOP;
    
43.     break;
    
44.     }
    
45.   }
    
46. }

复制代码

04

DIY成品展示和演示视频

05

总结存在的问题

遥控不灵敏
毕竟红外遥控的使用场合并不是移动的物体上，再加上距离近，经常会出现遥控要按多次的情况。后期考虑改进stm的协议处理方法，增加容错性，如果还是不行就考虑升级为2.4G专用的玩具遥控。


防水性问题
正常使用不会有水进入，但是在没有大人的情况下交给小孩操作，就没那么保险了。
后期考虑升级防水性能。


没有声光电，不够酷炫。
考虑升级，增加led灯条。

更换遥控器
01
前言

前面的文章《基于STM32的DIY遥控小船制作》中使用的HX1838红外遥控模块确实是足够便宜，但是实际用下来遥控距离太短，大概只有2米左右。外加必须指着才能遥控，在公共场合操作起来有些奇怪。
02
升级改造

在某宝上寻到了便宜的27Mhz四通道玩具遥控器。

接收小板供电电压4.5-6v，直接接到电池组输出的5V上。小板输出是4个控制信号，按下遥控按键后，由0V变为5V。注意信号接到stm32的ft耐5v管脚上。程序中定时扫描4个gpio的电平，当电平变化时就收到了遥控按键，控制电机做出相应的响应即可。

实际使用下来，比红外遥控器强多了，稳定性大大加强，遥控距离4-5m，可玩性提升很多。但是遥控距离还是不够远，后面再升级2.4GHz遥控器。
另外还提升防水性能，把小船原来的收纳盒盖子盖上，只露出开关和天线，即使小朋友用水枪喷小船，也算能过关。

好 好 好