Difference between revisions of "快速上手 香蕉派 Triode-Car"
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=Triode-Car 配合Micro:Bit 使用MakeCode环境编程= | =Triode-Car 配合Micro:Bit 使用MakeCode环境编程= | ||
Revision as of 00:30, 7 July 2021
Contents
产品信息
使用LM393控制小车
硬件介绍
在Triode-Car中，有两种模式，其中一个是利用自带的LM393控制小车，另一个则是利用BPI:Bit/Mirco:bit控制小车，可以通过小车上面的SW2按键（如图）切换控制方式。
在LM393控制小车的模式中，只有一个功能，即巡线，它由几大部分组成，包括了：巡线检测电路，电压比较电路，驱动电路。
巡线检测电路
在Triode-Car的底部，有两个巡线的检测电路，每一路包含了一个光敏电阻和一个LED。当LED的光照到黑色和白色的材料上面时，由于反光率的不同，光敏的阻值会发生明显的变化。
在Triode-Car中，光敏电阻使用的是GL5506，这个型号的电阻会随着光照的加强而减小，亮电阻（10Lux）是2-5KΩ，暗电阻是0.2MΩ。（亮电阻：用400-600Lux光照射2小时后，在标准光源（色温2854K）10Lux光下的测试值。暗电阻：关闭10Lux光照后第10秒的阻值。）
电压比较电路
电压比较电路主要由LM393和一些电阻组成，LM393是双路电压比较器集成电路，有两个独立的电压比较器构成。它的作用是，比较两个输入电压，并根据两路电压的高低改变输出电压的高低。当比较器的正向（正极）大于反向（负极）电压时，输出高电平，当比较器的正向（正极）小于反向（负极）电压时，输出低电平。由于LM393使用的是集电极开路输出，所以需要在输出端加上上拉电阻。
驱动电路
电机驱动电路的主角则是三极管，Triode-Car使用的是S8550，它是一种低电压，大电流，小信号的PNP型硅三极管。最大集电极电流为1.5 A。它可以被用来当成一个低电平触发的开关使用。
控制原理
如图所示，当小车偏离线路向左时，右边的光敏电阻会来到黑色线路的上方，光敏电阻阻值变高，而左边的光敏电阻处于白色地面，此时，LL点的电压会比LR点的电压低，此时，比较器U1A的正向电压高于反向电压，1号引脚输出高电平。同理，U1B的正向电压低于反向电压，7号引脚输出低电平。从而控制左边电机正转，小车右拐，R6和D2离开黑色线路，直到左边的传感器探测到黑线路，原理与前面类似。小车在前进过程中不断重复以上动作，从而达到沿着黑色的线路前进的目的。
| 巡线检测电路状态,LM393各引脚输入输出状态与左右电机工作状态之间的关系表 | |||||||||||||
| 注释：条件为黑色线路与白色路面 | |||||||||||||
| 车头相较线路偏向 | (左)R5 LDR光感 | (右)R6 LDR光感 | LL 电位 | LR 电位 | P3输入 | P2输入 | P1输出 | P5输入 | P6输入 | P7输出 | M1左电机 | M2右电机 | 小车行进方向 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 左 | 明 | 暗 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 右 |
| 右 | 暗 | 明 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 左 |
巡线检测电路的校准
为了使巡线检测电路在单独使用LM393芯片控制的状态下有着对明暗变化更高的灵敏度，以及减少相同光照亮度下的电势差，需要通过手动调整可调电阻来进行校准。
校准步骤如下：
- 将小车用小物件微微将轮子抬起以防接触表面，将小车的光敏电阻对准一个稳定光源（台灯或手电筒）。
- 随意调整任一边可调电组，直到两侧马达同时运转。
- 调整完成后，放置在跑道上测试结果。
- 若小车还是有概率冲出跑道，重复2~3步骤进行微调，尝试使巡线检测电路对明暗变化有更高的灵敏度。
Triode-Car 配合Micro:Bit 使用MakeCode环境编程
基础教程
导入扩展积木&用microbit按钮控制电机
打开MakeCode，点击"Advanced"，再点击最下面的"Extensions",在上方搜索栏中输入 https://github.com/bpi-steam/pxt-triodecar (右键此连接并复制)，点击搜索出来的项目，即可导入Triode-Car专用扩展积木。
扩展积木便于初学者理解程序功能并上手使用。
例程如下图所示：
启动或复位时停车，同时按下AB按钮直行，按下A按钮右转，按下B按钮左转。
例程项目文件：https://github.com/Wind-stormger/Makecode/blob/master/microbit-Triode-car_motor_control_1.hex
项目文件下载到本地后可导入MakeCode中查看和再编辑，也可直接通过USB烧录到Micro:Bit中直接运行。
调整电机转速
Triode-Car专用扩展积木中有可单独控制左右电机转速的积木，可进行10级调速。
例程如下图所示：
按一次A按钮转速加1档，按一次B按钮转速减1档，Micro:Bit显示当前挡位数值。
其中"forever"积木会在"on start"积木执行完后开始无限循环执行其内部的积木，而在每次循环的间隙则可执行其他事件处理程序，如on button A/B pressed。
加入了一个"if"判断积木，若变量"speed"值小于0或大于10时，将变量"speed"值设为0，这样可以将值限定在0到10范围内不会溢出而报错。
例程项目文件：https://github.com/Wind-stormger/Makecode/blob/master/microbit-Triode-car_motor_control_2.hex
项目文件下载到本地后可导入MakeCode中查看和再编辑，也可直接通过USB烧录到Micro:Bit中直接运行。
采集巡线检测电路的电压模拟信号
硬件原理参考“巡线检测电路”中的介绍。
Triode-Car专用扩展积木中有可采集巡线检测电路的电压模拟信号的"read left/right line tracking sensor"积木。
Micro:Bit引脚对0至3.3V电压测量精度为10bit即2^10=1024级，所以调用"read left/right line tracking sensor"积木从对应引脚读到的电压模拟值将为0至1023。
例程如下图所示：
在程序中，每间隔100ms通过USB串口将读取到的左右两个传感器的电压模拟值发送给电脑，在MakeCode中打开控制台即可查看实时接收到的信息。
例程项目文件：https://github.com/Wind-stormger/Makecode/blob/master/microbit-Triode-car_read_LDR.hex
项目文件下载到本地后可导入MakeCode中查看和再编辑，也可直接通过USB烧录到Micro:Bit中直接运行。
使用两块micro:bit通过无线电通讯控制电机
micro:bit支持无线电通讯，在MakeCode中应用无线电扩展积木进行编程，并将程序下载进两块micro:bit后，即可在二者之间建立无线通讯，并可相互控制对方的硬件。
例程如下图所示：
将例程下载进两块micro:bit，一块插在Triode-Car上，一块拿在手上，两块都接通电源，即可通过手上的micro:bit的按钮AB控制Triode-Car的电机启停。
按A左转，按B右转，同时按下AB直行，松开即停车。
其中加入的四个变量并非多余的存在，虽然不使用变量也可以直接在程序中填上变量对应数值，但使用变量名来代替数值有利于我们在认知上建立更清晰的逻辑，在越复杂的程序中越能体现其价值。
例程项目文件：https://github.com/Wind-stormger/Makecode/blob/master/microbit-Triode-Car_radio_control_1.hex
项目文件下载到本地后可导入MakeCode中查看和再编辑，也可直接通过USB烧录到Micro:Bit中直接运行。
蓝牙控制
micro:bit支持蓝牙通讯，在MakeCode中应用蓝牙扩展积木进行编程，在支持蓝牙通讯的Apple或Android设备上安装APP即可通过蓝牙无线控制。
- 适用iPhone或iPad：官方APP micro:bit App Store链接
- 适用Android手机或平板：第三方APP microbit-blue Github链接或：第三方APP Kitronik Move Google Play链接
注：App Store中的官方APP micro:bit有蓝牙控制功能。Google Play商店有官方APP micro:bit，但没有蓝牙控制功能，所以需要第三方APP来实现蓝牙控制功能。
蓝牙配对流程及注意事项：
- 在MakeCode中，点击Extension，在页面中选择Bluetooth，移除Radio功能，即可将micro:bit的无线通讯功能切换为Bluetooth。
- 当micro:bit蓝牙配对的是Android设备且使用的APP为第三方APP时，应当在MakeCode中"Project Setting"项目设置中勾选"Passkey pairing: Pairing requires 6 digit key to pair."。
- micro:bit通电开机后，同时按下按钮AB并保持按下的状态，再点按一次Reset复位键，保持读条进度完成，即可进入蓝牙配对模式。
- Android设备应打开GPS和蓝牙功能(需要开启GPS功能才可保持连接稳定)。
- 进入Android系统的蓝牙设置内找到micro:bit并与之配对，开始配对时micro:bit会提示按一次按钮A，按下一次后将连续显示6位配对码，将其输入Android设备上显示的蓝牙配对码输入框中，稍等片刻即可配对成功。
- 建议配对成功后再按一次Reset复位键将micro:bit复位。
- Apple设备如iPhone或iPad则无需进入系统的蓝牙设置，使micro:bit进入蓝牙配对模式后遵照官方APP micro:bit内的操作提示一步步操作即可完成配对。
例程如下图所示：
蓝牙连接时显示一个红心图案，蓝牙断开时显示一个错误图案，使用Apple或Android设备上安装的APP的蓝牙控制功能即可无线控制Triode-Car，蓝牙控制端按钮A按下小车前进，按钮C按下小车左转，按钮D按下小车右转，松开即停车。
其中on event from()with value()积木在Control选项栏中。
例程项目文件：https://github.com/Wind-stormger/Makecode/blob/master/microbit-Triode-car_bluetooth_control_1.hex
项目文件下载到本地后可导入MakeCode中查看和再编辑，也可直接通过USB烧录到Micro:Bit中直接运行。
高阶教程
校准巡线检测电路
为了能以较高的灵敏度应用巡线检测电路，我们需要手动对两个光敏电阻对应连接的可调电阻进行微调，使其工作在灵敏度较高的区间内，且应该尽量使相同光照强度下输出的电压模拟量保持相等。
我们可以直接应用基础教程中的“采集巡线检测电路的电压模拟信号”教程中所示的例程来在电脑上输出采集到的电压模拟量数值，然后使用螺丝刀对可调电阻进行调节。
在Micro:Bit所能测量的0-1023级电压模拟量范围内，越靠近中间值，光敏电阻对光照强弱变化的响应灵敏度就越高。
所以对巡线检测电路校准时，应在稳定的环境光下，尽量将两个可调电阻调节到靠近中间值512，并尽量使二者在相同光照强度下输出的电压模拟量的差值减小。
以上实行校准步骤都是建立在保持Micro:Bit与PC连接，Micro:Bit与Triode-Car连接的前提下的，但实际应用中，为了提高使用时的灵敏度，最好直接在实际应用的场景下进行校准。
我们不一定总有条件在实际应用的场景下还能保持Micro:Bit与PC连接。在不能连接PC的时候，就需要提前写好一个可以正确的指引我们校准巡线检测电路的程序。
分析校准的步骤：
- 选择先对左侧的可调电阻进行手动调整，使其并联的光敏电阻在Micro:Bit对应引脚上输出的电压模拟量接近中间值。
- 在上一个条件满足的前提下调整右侧的可调电阻，使其并联的光敏电阻在Micro:Bit对应引脚上输出的电压模拟量接近另一个光敏电阻。
在程序上这显然是可以通过"if"条件判断来完成的，而对于实际进行手动校准的人，则是需要得到对应条件下使Micro:Bit显示不同图形使人也能得到条件满足的反馈。
例程如下图所示：
由于例程较为复杂，所以给出一些必要的说明：
- 将程序整体放入一个"function"自定义函数中，这有利于我们从认知上在大量积木中区分某一部分的功能，方便后续调用或维护。
- 整体由两个"while"循环积木组成，加入了循环条件，这样可以在可调电阻校准完成后改变循环条件退出循环。
- 在进入"while"循环之前，使Micro:Bit显示对应的方向指示，给人以直观的行动目标，确认当前应该要进行手动调整的可调电阻。
- 第一个"while"循环积木中的程序用于校准左侧光敏电阻，其中"if"判断条件为，左侧光敏电阻输出的电压模拟量大于等于450小于等于550。
- 当满足第4条中的"if"判断条件后，使Micro:Bit显示一个表示正确的图形，给人以视觉上反馈，此时人应该停止对左侧的可调电阻的调节，随后延时1000ms再一次进行相同的"if"判断条件，用以消除手动调整可能产生的抖动而带来的误差，当再次确认条件满足时，改变控制这个"while"循环的循环条件以退出循环，执行下一步。
- 第二个"while"循环积木中的程序用于校准右侧光敏电阻，其中"if"判断条件为，左右两侧光敏电阻输出的电压模拟量相减，其差值的绝对值小于等于25。
例程项目文件：https://github.com/Wind-stormger/Makecode/blob/master/microbit-Triode-car_LDR_calibration_2.hex
项目文件下载到本地后可导入MakeCode中查看和再编辑，也可直接通过USB烧录到Micro:Bit中直接运行。
巡线行驶
在“校准巡线检测电路”之后，我们即可开始对巡线检测电路进行有效利用。
根据“巡线检测电路”中所介绍的原理，巡线需要利用“线路”与其两侧路面对光线不同的反射率进行实时的光照强度检测，在程序中读取左右两个光敏电阻的电压模拟值，对数值进行比对，以此判断Triode-Car行进路线是否发生偏移以及偏移方向，进而对左右两个电机的启停进行控制，修正Triode-Car的行驶方向，达成沿着“线路”行驶的目的。
例程如下图所示：
由于例程较为复杂，所以给出一些必要的说明：
- "on button A pressed"积木用于控制循迹程序的启动和停止，每按一次按钮A，其中设置的变量就会改变一次状态。
- "forever"积木将重复执行其内部的程序，每次循环结束或在循环中执行到"show"或"pause"积木时会让出线程允许其他的"forever"积木或事件处理程序运行，所以此处三个"forever"积木与一个"on button A pressed"积木可以共同在后台运行，这样使系统具备同时执行多个程序的能力，一般将此称作“多工”。
- 第一个"forever"积木内的程序用于循环读取左右两个光敏电阻电压模拟值，然后在多级"if"条件积木中进行判断，满足相应条件时改变变量，该变量用于控制电机。
- 第二个"forever"积木内的多级"if"条件积木对第一个"forever"积木内改变的变量值进行判断，直接输出控制信号来控制左右电机的启停和转速。
- 第一，二个"forever"积木内的循环条件即为"on button A pressed"积木控制的变量，变量为"true"值时才会循环执行。
- 第三个"forever"积木略有巧思，其内部的循环仅在用于控制电机的变量发生变化时才会执行一次，对应改变LED当前应当显示的内容。
例程项目文件：https://github.com/Wind-stormger/Makecode/blob/master/microbit-Triode-car_Line_Follower.hex
项目文件下载到本地后可导入MakeCode中查看和再编辑，也可直接通过USB烧录到Micro:Bit中直接运行。
Triode-Car 配合Micro:Bit 使用MicroPython环境编程
基础教程
在线编程
在浏览器里在线编程，可通过USB连接将程序下载进Micro:Bit，且有串口工具可以实时查看串口信息。
Micro:Bit MicroPython 官方文档&中文翻译文档
建议通过查阅Micro:Bit MicroPython官方文档来了解microbit函数库及其使用方法。
用按钮控制电机
代码中出现的 display.show() 等函数可以在Micro:Bit MicroPython 官方文档或中文翻译文档中的microbit函数库里找到相应的代码解释与使用方法。
调整电机转速
高阶教程
搭建开发环境
1.从python官网下载并安装python。
2.
