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。

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. }
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.     }
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. }
50. return INFRARED_RECEIVER_OK;
51. }

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经过调试，得到遥控器的按键键值如下：

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>

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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：

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. }
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. }
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];
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>

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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。

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. }

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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