基于Arduino的可移動鬧鐘控制系統設計

摘 要：本文設計了基于Arduino的可移動鬧鐘控制系統。在硬件設計方面，該系統采用Arduino主控芯片、顯示模塊、超聲波模塊、蜂鳴器模塊、電機模塊和藍牙模塊等；在軟件設計方面，通過向Arduino主控芯片燒錄代碼，完成對該系統的控制。測試結果表明，該系統具有可移動、可避障、無線通信等功能。

關鍵詞：Arduino；鬧鐘控制；移動；避障；無線通信；DS1302

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.016

0 引 言

鬧鐘已成為提醒人們的重要工具，但是傳統鬧鐘的功能較為單一，例如：人們常采用鬧鐘作為提醒起床的工具，但在鬧鐘響起時，許多人會隨手關掉繼續睡覺，使鬧鐘無法發揮應有功能[1-2]。

如今，功能豐富的智能家居產品已逐步走進人們的生

活[3]，針對上述問題，本文設計了一種可無線連接、可移動、可避障的鬧鐘系統，用戶必須捕獲移動中的鬧鐘才能使其停止工作，進而達到提醒用戶的目的。

1 系統整體架構

可移動鬧鐘控制系統的整體架構如圖1所示。該系統包括主控芯片、時鐘芯片、顯示模塊、超聲波模塊、蜂鳴器模塊、電機模塊和藍牙模塊。

該系統的主要功能包括手機通過藍牙模塊實現無線連接和通信，日期設置和顯示，通過超聲波模塊識別障礙物，借助電機模塊完成系統的移動控制等。

2 系統的硬件設計

2.1 主控芯片

系統采用型號為Arduino Uno的開發板[4]，系統的主控芯片為該開發板中的8位ATmega328微處理器，ATmega328微處理器內含32 KB FLASH、2 KB SRAM、1 KB E2PROM以及16 MHz時鐘頻率。Arduino Uno開發板還包含如下模塊：

（1）USB接口：與計算機連接，可用于程序下載和供電。

（2）外接電源：一般使用9 V電源供電。

（3）電源管腳：可通過Vin給開發板供電。

（4）模擬輸入：6個模擬輸入口。

（5）數字I/O：14個數字I/O管腳。

在計算機上安裝Arduino的開發環境后，計算機即可通過USB接口向開發板燒錄程序。

2.2 時鐘芯片

系統采用的時鐘芯片為DALLAS公司推出的DS1302，該芯片能實現年、月、日、時、分、秒等的計時[3-6]，并配備主電源和后備電源，以確保時間和日期等數據能夠長期保存。

DS1302時鐘芯片與Arduino Uno開發板的連接見表1所列。

2.3 顯示模塊

系統采用的顯示模塊為OLED顯示屏[7]，用以顯示日期、時間等信息。OLED顯示屏的驅動芯片為SSD1306，其屏幕分辨率為128×64，顯示屏采用發光二極管點陣顯示信息。OLED顯示屏與Arduino完全兼容，將OLED顯示屏的GND、VCC、SCL和SDA與Arduino Uno開發板的相應引腳連接后，OLED顯示屏和Arduino Uno開發板即可通過I2C（Inter-Integrated Circuit）協議通信。

2.4 超聲波模塊

系統采用HC-SR04超聲波模塊。HC-SR04模塊的測距精度可達3 mm，該模塊包括控制電路、超聲波發射器與接收器。將HC-SR04模塊的TRIG和ECHO引腳與Arduino Uno開發板的數字I/O連接后，在Arduino Uno開發板的控制下，該模塊發出40 kHz的超聲波，當超聲波被前方障礙物反射回來后，通過計算觸發信號和回響信號間的時間差來判斷障礙物的距離[8]。

2.5 蜂鳴器模塊

系統采用MH-FMD蜂鳴器模塊，該模塊用于發出警報聲。蜂鳴器根據是否含有振蕩源分為無源蜂鳴器和有源蜂鳴器兩類。無源蜂鳴器具有價格低、聲音頻率可控等優點，缺點是必須采用頻率為2～5 kHz的方波驅動。有源蜂鳴器雖然價格較高，但其程序控制較為方便。本系統選擇有源蜂鳴器作為報警模塊。該模塊的正極、負極和I/O口分別與Arduino Uno開發板的VCC、GND和數字I/O連接，Arduino Uno開發板根據預設條件來控制MH-FMD模塊是否發出警報聲[9]。

2.6 電機模塊

電機模塊用來控制系統移動，配合前述超聲波模塊可實現系統自動避障。該電機模塊由L298N電機驅動芯片和H-Bridge橋控制直流電機組成。

L298N芯片可驅動1臺兩相（或四相）步進電機或2臺直流電機。

H-Bridge橋控制直流電機在L298N電機驅動芯片的控制下轉動。在直流電機轉速的調節方面，電機轉速由L298N芯片通過IN1/IN2、IN3/IN4接口向直流電機輸入脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation， PWM）信號進行調節。在直流電機的正反轉控制方面，當L298N芯片向直流電機輸出信號IN1=HIGH、IN2=LOW時，直流電機正轉；當IN1=LOW、IN2=HIGH時，直流電機反轉。

2.7 藍牙模塊

系統采用HC-05藍牙模塊，手機端可通過內置藍牙模塊與系統進行無線連接和通信，進而實現手機對系統的設置和控制[10]。

HC-05模塊的VCC、GND、TXD和RXD分別與Arduino Uno開發板的VCC、GND和數字I/O連接。HC-05模塊具有如下2種工作模式：

（1）正常模式。用于藍牙通信。

（2）AT模式。在該模式下，Arduino Uno開發板通過串口向HC-05模塊發送AT指令，用于配置藍牙模塊參數，包括：藍牙模塊名稱、配對密碼、通信頻率等[11-13]。

3 系統的軟件設計

3.1 系統主流程

系統控制主流程如圖2所示。

系統上電后，對Arduino Uno開發板以及各模塊進行初始化。初始化結束后，系統的初始日期和時間由Arduino Uno開發板從DS1302時鐘芯片獲取并在OLED顯示屏上顯示，或者通過手機APP進行設置。本文采用wxbit工具在手機端開發APP，并通過APP實現手機端與系統間的無線通信。

當用戶設置的鬧鐘時間到時，鬧鐘會自動響起；當用戶設置的時間未到時，會返回時間顯示。

當鬧鐘響起時，執行鬧鐘移動程序，進行鬧鐘移動控制。當鬧鐘被關掉后，回到程序初始處。

3.2 鬧鐘移動控制流程

鬧鐘移動控制流程如圖3所示。

鬧鐘響起后，鬧鐘會向前移動。鬧鐘在移動過程中通過HC-SR04超聲波模塊來進行有無障礙物判斷。本系統采用順時針規避法避障，當鬧鐘前方存在障礙物時，鬧鐘會執行右轉命令，并向前移動；若右轉后前方仍然存在障礙物，則繼續執行右轉命令直至前方無障礙物。當鬧鐘前方不存在障礙物時，鬧鐘會一直向前移動。避障成功后，鬧鐘繼續移動。若用戶成功捕獲鬧鐘并按下停止鍵，鬧鐘停止移動；反之鬧鐘持續向前移動[14-15]。

4 結 語

本文設計了一款有趣的可移動鬧鐘，在鬧鐘的基礎功能上增加了可移動和自動避障功能。經運行測試，預想的鬧鐘功能均可實現。該系統運行穩定、能耗低，可以被廣泛應用到實際生活中。

參考文獻

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收稿日期：2023-04-07 修回日期：2023-05-16

基金項目：貴州省大學生創新創業訓練計劃項目（S2022142230 92）；貴州省教育廳自然科學研究項目（黔教技〔2022〕029號）；貴州省教育廳自然科學研究項目（黔教合KY字[2021]022）

作者簡介：邵嬌嬌（2002—），女，貴州安順人，本科，學生。

王 雪（2000—），女，貴州黔西南人，本科，學生。

崔忠偉（1980—），男，貴州銅仁人，博士，教授，主要研究方向為物聯網、機器視覺。

冉思彬（2001—），女，貴州遵義人，本科，學生。

羅 琛（2001—），男，貴州六盤水人，本科，學生。

羅小悶（2001—），女，貴州黔西南人，本科，學生。