1.1 Актуальность

1.2.1 Оценка требований

Вид основного интерфейса системы представлен ниже в соответствии с рисунком 1.2.

Рисунок 1.2 - Встроенный текстовый редактор программного кода

разработки Arduino состоит из встроенного текстового программного кода, области сообщений, окна вывода панели инструментов с кнопками часто используемых и нескольких меню. Для загрузки программ связи среда разработки подключается к аппаратнои? Arduino.

Программа, написанная в среде Arduino, называется Скетч пишется в текстовом редакторе, имеющем вырезки/вставки, поиска/замены текста. Во время сохранения экспорта проекта, в области сообщений появляются также могут отображаться возникшие ошибки. Окно текста (консоль) показывает сообщения Arduino, включающие полные об ошибках и другую информацию. Кнопки инструментов позволяют проверить и записать программу, открыть и сохранить скетч, открыть мониторинг шины

Блокнот (Sketchbook).

Средой Arduino используется принцип блокнота: место для хранения программ (скетчей). Скетчи блокнота открываются через меню File > или кнопкой Open на панели инструментов. первом запуске программы Arduino автоматически директория для блокнота. Расположение блокнота меняется диалоговое окно Preferences.

Загрузка скетча в Arduino. загрузкой скетча требуется задать необходимые параметры меню Tools > Board и Tools Serial Port. Платформы описываются далее по В ОС Mac последовательныи? порт может как dev/tty.usbserial-1B1 (для платы USB) или (для платы последовательнои? шины, подключеннои? через Keyspan USB-to-Serial). В ОС Windows порты обозначаться как COM1 или COM2 (для последовательнои? шины) или COM4, COM5, COM7 выше (для платы USB). Определение порта производится в поле Последовательнои? шины USB устройств Windows. В ОС Linux порты обозначаться как /dev/ttyUSB0, /dev/ttyUSB1.

После выбора порта платформы необходимо нажать кнопку загрузки на инструментов или выбрать пункт меню File Upload to I/O Board. Современные платформы перезагружаются автоматически перед загрузкой. На старых необходимо нажать кнопку перезагрузки. На большинстве во время процесса будут мигать светодиоды и TX. Среда разработки Arduino выведет об окончании загрузки или об ошибках.

При скетча используется Загрузчик (Bootloader) Arduino, небольшая загружаемая в микроконтроллер на плате. Она загружать программныи? код без использования дополнительных средств. Загрузчик (Bootloader) активен в течении секунд при перезагрузке платформы и при любого из скетчей в микроконтроллер. Работа (Bootloader) распознается по миганию светодиода (13 (напр.: при перезагрузке платы).

1.2.4 Выбор для разработки приложения

Каждая из платформ для приложений имеет интегрированную среду разработки, предоставляющую позволяющие разработчику программировать, тестировать и приложения на целевую платформу. Для сравнения мобильных приложений на Java с приложениями, написанными на других языках, сравним платформу Android с iOS и Windows Phone. Статистика продажи смартфонов за 2015 год представлен ниже в соответствии с рисунком 1.3.

Рисунок 1.3 - Статистика продажи смартфонов

Исходя из данной статистики, оптимальной платформой для разработки управляющего приложения является Android, так как она занимает наибольший процент мобильного рынка.

1.2.5 Общее представление о системе Android

платформы Android.

Платформа Android представляет собой стек операционнои? системы на основе Linux, для управления устройством (аппаратурой), памятью и Различные компоненты этого стека представляют собой уровней иерархии и, в целом, обеспечивают мобильного устройства. Одни из этих компонентов для работы непосредственно с оборудованием устройства, обеспечивают функции связанные с телефонией, позиционированием, и так далее, а третьи предоставляют фреймворк для реализации многочисленных возможностей устройства. Другими словами, платформа Android включает себя непосредственно операционную систему, программное обеспечение уровня (middleware) и набор приложений (как так и сторонних).

Как мы уже выяснили, - это программныи? стек, то есть набор различных программных компонентов. другой стороны, устройство на платформе Android собой набор аппаратных средств, таких как клавиши, батарея, процессор, память всевозможные датчики сенсоры и так далее. Все это нам говорить о платформе Android как едином аппаратно-программном комплексе, которыи? имеет следующую структуру:

- набор элементов, обеспечивающих функционирование устройства.

Linux (+Drivers) - ядро операционнои? системы Linux набор драйверов, которые обеспечивают базовые механизмы оборудованием и распределения памяти, управления задачами, безопасности и так далее.

Библиотеки (C/C++), используемые компонентами операционнои? системы.

Dalvik Virtual Machine (DVM) виртуальная машина Dalvik, которая обеспечивает среду Android приложений и компонентов операционнои? системы (ОС).

Library - основные Android библиотеки, содержат функций доступных в ядре библиотеки языка (Java API), а так же специальные операционнои? системы Android.

Application Framework (каркас приложений) набор Java классов (API), предоставляющий приложениям к функциям операционнои? системы и библиотекам.

Разработка для платформы Android ведется преимущественно на Java. Для создания программ на языке необходимо специальное программное обеспечение. Самые последние этого ПО можно загрузить с сайта разработчика, Oracle Corporation. К этому комплексу относятся такие инструменты как JRE Runtime Environment) и JDK (Java Development Первыи? инструмент представляет собой среду выполнения минимальную реализацию виртуальнои? машины, в которой и выполняется программныи? код на Java. инструмент - это в свою очередь набор инструментов, комплект разработчика приложений на Java. На самом деле, JRE также в состав JDK, равно как и стандартные библиотеки классов Java, компилятор javac, примеры кода и разнообразные служебные утилиты. этот набор распространяется свободно и имеет для различных ОС, поэтому любой может скачать и использовать. В JDK не интегрированная среда разработки, предполагается, что её будет устанавливать отдельно.

2. Проектирование программного продукта

Определяя функциональность программного продукта, первым делом выбирались функции, наиболее востребованные для управления по Bluetooth. Самая главная среди этих функций - это запуск зажигания и запуск двигателя, используя всего лишь одну кнопку, не прибегая к ключам.

2.2 Выбор и обоснование средств разработки

Рассматривая оригинальные Arduino можно столкнуться с проблемой выбора. отличия между ними - используемыи? микроконтроллер, значит функциональность, внешние интерфейсы, а также памяти и физические размеры. Приоритетными критериями выборе платы для данного проекта становятся:

1) Наличие достаточного числа цифровых выходов

2) Габариты

3) Цена

Сравнительная характеристика моделей Arduino представлена ниже в таблице 1.

Таблица 1 - Модели Arduino

В ходе различных моделей Arduino была выбрана Arduino Uno, т. к. она обладает малыми приемлемой ценои? и при этом тем функционалом, что и другие платы той ценовой категории, но больших габаритов.

2.2.2 среды разработки Android

Существуют многочисленные IDE для например, Android Studio, NetBeans, IDEA, Borland JBuilder и другие. Таким прежде чем приступить к разработке приложения базе ОС Android, необходимо подготовить инструментарий. разработки приложения на базе ОС Android решил использовать готовое приложение Remote XY, так как она является наиболее и удобнои?.

Преимущества Remote XY перед аналогами:

1) Привлекательная внешность.

Благодаря встроенному интерфейсу Remote XY приложения получаются очень привлекательными. Вид основного интерфейса системы представлен ниже в соответствии с рисунком 2.1.

Рисунок 2.1 - Интерфейс RemoteXY

2) Простота использования.

В Remote XY можно разработать любой графический интерфейс управления, используя управления, индикации и оформления в любой комбинации. Размещая элементы на экране при онлайн-редактора можно разработать интерфейс под любую Вид основного рабочего стола системы представлен ниже в соответствии с рисунком 2.2.

Рисунок 2.2 - Рабочий стол RemoteXY

3) Отсутствие необходимости установки дополнительных сред разработки

При помощи одного мобильного приложения можно управлять большой гаммой устройств с разными графическими интерфейсами управления. Так как описание интерфейса хранится на борту микроконтроллерного устройства.

4) Собственная библиотека.

У приложения RemoteXY есть собственная библиотека, упрощающая создание приложения. При написании кода программы, необходимо скачать и подключить библиотеку. Далее в коде программы просто пишем определенные команды, которые приложение будет распознавать. Например проверка нажатия кнопки в приложение:

if (RemoteXY.button_1!=0){

/*кнопка нажата*/

}

else{

/*кнопка не нажата*/

} [2]

3. Описание процессов

Перед тем, как программа Arduino (скетч) попадет в память микроконтроллера платы и начнет работать, должно произойти несколько скрытых от глаз пользователя процессов. Сначала среда разработки Arduino IDE выполняет небольшие преобразования кода скетча, чтобы он стал текстом, полностью совместимым со стандартом языка C или C++ (это два наиболее известных языка программирования в мире микроконтроллеров). Затем полученный текст программы передается компилятору avr-gcc, который переводит человеко-читаемый код программы в объектные машинные коды, пригодные (после дальнейшего преобразования - линковки) для выполнения ядром используемого микроконтроллера (обычно это Atmel AVR ATmega328). Затем объектный машинный код скетча комбинируется (этот процесс называется линковкой) с кодом функций из стандартных библиотек Arduino (эти библиотеки предоставляют множество функций, таких как базовые digitalWrite() или Serial.print()). В результате получается один файл в формате Intel HEX , который должен быть записан в память микроконтроллера макетной платы Arduino. Обычно функцию программирования кода в память микроконтроллера берет на себя стандартный UART-загрузчик Arduino: код передается загрузчику через USB-соединение с компьютером (через специальную микросхему USB-UART, обычно компании FTDI). UART-загрузчик Arduino был изначально записан в память микроконтроллера платы специальным ISP-программатором.

Для обмена информации между платой Arduino и Android устройством необходимо использовать Bluetooth модуль. В данной работе применен модуль HC-06. Обмен информацией происходи по цифровым выводам RX и TX. Для подключения к приложению существует два метода подключения: через Software Serial и через Hardware Serial.

Software Serial позволяет подключить модуль к произвольным контактам микроконтроллера. Какие контакты использовать, необходимо указать в панели настроек подключения модуля. Так же в панели настроек указывается скорость передачи данных для порта. Модуль HC-05(06) по умолчанию настроен на скорость 9600 бит/сек. Скорость работы модуля может быть изменена при помощи AT команд (требует специальных знаний), но если вы не изменяли скорость, установите значение по умолчанию, т.е. 9600 бит/сек.

Есть некоторые ограничения на использование контакта RX для плат Arduino. Ограничения связаны с поддержкой прерываний на соответствующих контактах микроконтроллера.

Arduino UNO и Nano для RX нельзя использовать контакт 13(LED);

Arduino Mega и Mega2560 для RX можно использовать только следующие контакты: 10, 11, 12, 13, 14, 15, 50, 51, 52, 53, A8(62), A9(63), A10(64), A11(65), A12(66), A13(67), A14(68), A15(69);

Arduino Leonardo и Micro для RX можно использовать только следующие контакты: 8, 9, 10, 11, 14, 15, 16;

Так же при использовании SoftwareSerial вы должны принять следующие ограничения:

Нет возможности работы на больших скоростях передачи данных. Не рекомендуем использовать скорость соединения более 38400 бит/сек.

Некоторые библиотеки, которые так же используют прерывания, могут работать не корректно, или же их использование может сделать неработоспособным данный способ подключения. Например библиотека Servo будет подергивать сервоприводы.

Пример подключения модуля HC-06 для SoftwareSerial к контактам 2(RX) и 3(TX) на рисунке. Обратите внимание, что необходимо контакты подключить перекрестием, т.е. контакт Arduino 2(RX) к контакту TX модуля, и контакт 3(TX) к контакту RX модуля.

Подключение через Hardware Serial позволяет подключить модуль к контактам микроконтроллера, поддерживающим один из аппаратных портов последовательного интерфейса. Для разных плат Arduino это разные порты и контакты.

Arduino UNO и Nano: Serial (RX-0, TX-1);

Arduino MEGA и MEGA2560: Serial (RX-0, TX-1), Serial1 (RX-19 и TX-18), Serial2 (RX-17 и TX-16), Serial3 (RX-15 и TX-14);

Какой порт использовать, а следовательно к каким контактам следует подключать модуль, необходимо указать в панели настроек подключения модуля. Следует так же иметь в виду, что для плат Arduino порт Serial задействован для программирования микроконтроллера, и если вы приняли решение использовать этот порт, при программировании необходимо отсоединять модуль HC-05(06). Хорошим решением будет использовать на платах Arduino MEGA любой порт, отличный от Serial.

Так же в панели настроек указывается скорость передачи данных для порта. Модуль HC-05(06) по умолчанию настроен на скорость 9600 бит/сек. Скорость работы модуля может быть изменена при помощи AT команд (требует специальных знаний), но если вы не изменяли скорость, установите значение по умолчанию, т.е. 9600 бит/сек.

Пример подключения модуля HC-05(06) для аппаратного Serial к контактам 0(RX) и 1(TX) показан в соответствии с рисунком 3.1.

Рисунок 3.1 - Подключение HC-06

Обратите внимание, что необходимо контакты подключить перекрестием, т.е. контакт Arduino 0(RX) к контакту TX модуля, и контакт 1(TX) к контакту RX модуля.

4. Разработка структур данных и алгоритмов

При разработке алгоритма запуска двигателя необходимо учесть ряд факторов, влияющих на правильную работу, как приложения, так и автомобиля. Блок-схема алгоритма кнопки старт/стоп приведена в соответствии с рисунком в приложении 1. В алгоритме учтены многие обязательные факторы, например, нажата ли педаль тормоза. Главным образом это необходимо для безопасности, а так же, чтобы не происходило случайного запуска двигателя. Так же в алгоритме учтено время накачки бензонасоса и автоматическое отключение стартера, при заведении двигателя. Автоматическое отключение стартера необходимо для того, чтобы стартер не крутил впустую, тем самым мы продлеваем ему время работоспособности.

Алгоритм работы кнопки старт/стоп. При запуске программы в самом начале идет проверка, а не запущен ли двигатель? Если двигатель не запущен, то идет следующая проверка-нажата ли кнопка старт/стоп, если она не нажата, то мы переходим в режим ожидания и ждем нажатия. В том случае если сигнал пришел, то запускаем первое положение ключа и зажигание, а так же смотрим первый ли это у нас запуск. Если это не первый запуск и время между двумя нажатиями меньше 1,5 секунды, то глушим питание. Это означает, что мы не хотим запускать двигатель. Допустим у нас это первый запуск, тогда надо проверить нажата ли кнопка тормоза и горит ли индикатор заряда аккумулятора, дабы убедиться, что мы все-таки хотим завести двигатель. Если кнопка тормоза не нажата, то ничего не происходит. Убедились, что тормоз нажат, тогда переходим к режиму запуска двигатель. Мы отключаем первое положение ключа, чтобы не потреблять большой ток, и запускаем стартер, до момента, когда погаснет индикатор заряда аккумулятора, означающий, что двигатель завелся. Если после трех секунд индикатор не погас, то отключается все питание в качестве защиты. Допустим наш индикатор погас, тогда включаем первое положение ключа обратно и переходим в режим ожидания, где мы проверяем, работает ли двигатель, и ждем когда придет очередное нажатие с кнопки или загорится индикатор заряда аккумулятора. Когда, приходит нажатие, то глушим всю систему.

arduino автомобиль запуск двигатель

5. Используемые элементы

Существует большое количество вариантов микропроцессора Arduino и у каждого есть свои плюсы и минусы. В качестве оптимального микропроцессора для разработки программного продукта была выбрана плата Arduino UNO. Она обладает малыми размерами, приемлемой ценой и при этом тем же функционалом, что и другие платы той же ценовой категории, но больших габаритов.

Основной вид микропроцессора представлен ниже в соответствии с рисунком 5.1.

Рисунок 5.1 -Микропроцессор Arduino UNO

5.2 Bluetooth-модуль

С помощью Bluetooth модуля можно осуществлять радиосвязь между смартфонами или смартфоном и адаптером, встроенном в ноутбук или компьютер. Bluetooth-модули часто применяются для передачи данных в принтеры, считывания сигналов с GPS и для работы прочей высокотехнологичной фигни. Для нас же, электронщиков, особый интерес вызывает возможность обеспечения связи двух микроконтроллеров по воздуху, когда один подключается к Bluetooth-мастеру, а другой соединяется с ведомым устройством. Такая связь по Bluetooth соответствует обычному последовательному интерфейсу UART с RXD и TXD линиями данных. Или же интересна возможность контролирования чего-нибудь, получая информацию об этом на терминальную программу своего карманного гаджета.

Существует некоторое количество типов модулей:

HC-03, HC-04(HC-04-M, HC-04-S) на чипе BC417143 - для промышленного применения;

- HC-05, HC-06(HC-06-M, HC-06-S) на чипе BC417143 - для коммерческого применения;

- HC-05-D, HC-06-D (с отладочной платой для оценки и тестирования);

- HC-07 - модуль с чипом CSR 41C6, предназначен для замены HC-06 (полностью с ним совместимый);

- HC-08 - модуль с ультранизким энергопотреблением и протоколом Bluetooth 4.0;

- HC-09 - самый новый модуль, предназначенный для замены HC-06 и HC-07.

Краткие характеристики модулей HC-03, HC-04, HC-05, HC-06

- чип Bluetooth - BC417143 производства CSR company (Cambridge Silicon Radio);

- протокол связи - Bluetooth Specification v2.0+EDR;

- радиус действия - до 10 метров (уровень мощности 2);

- совместимость со всеми Bluetooth-адаптерами, которые поддерживают SPP;

- объем flash-памяти (для хранения прошивки и настроек) - 8 Мбит;

- частота радиосигнала - 2.40 .. 2.48 ГГц;

- хост-интерфейс - USB 1.1/2.0 или UART;

- энергопотребление - ток в течение связи составляет 30-40 мА. Среднее значение тока около 25 мА. После установки связи потребляемый ток 8 мА Режим сна отсутствует.

Все модули HC-03, HC-04, HC-05, HC-06 выполнены на базе одного микроконтроллера BC417143, поэтому их (модулей) функционал отличается только его прошивкой.

Bluetooth -модули могут иметь два режима работы - master (ведущий) и slave (ведомый), причём для модулей HC-04 и HC-06 определённый режим уже установлен на заводе-изготовителе и меняться не может, разве что перепрошивкой (например HC-04-M - master или HC-06-S - slave). А вот модули HC-03 и HC-05 позволяют выбрать нужный режим работы с помощью АТ-команд, причём изначально в этих модулях установлен режим slave. Bluetooth-модули HC-04 и HC-06, и, соответственно, HC-03 и HC-05 взаимно совместимы между собой по функциям. HC-04 и HC-06 - это ранние версии модулей, в которых, помимо невозможности изменения режима работы, имеются всего несколько рабочих AT-команд: установка имени Bluetooth-модуля (только для slave), пароля, скорости передачи данных и проверка номера версии. Набор команд в HC-03 и HC-05 является более широким, поэтому они более предпочтительны для радиолюбительского применения.

HC-07.

Модуль HC-07 предназначен для замены (правда, уже устарел и сам) модуля HC-06 и практически полностью совместим с ним по функционалу и характеристикам, но всё же из-за небольшого отличия в AT-командах (они ещё более урезаны) я решил описать его отдельно, а не объединять с HC-04/HC-06. Характеристики модулей практически идентичны, за исключением того, что в HC-07 применён другой чип Bluetooth - CSR BC04 производства CSRcompany.

Назначение и работа выводов модуля HC-07 соответствует модулям HC-03…HC-06, поэтому повторно приводить их описание не буду.

Модуль может иметь как режим - master (ведущий) так и slave (ведомый), изначально запрограммированный на заводе-изготовителе. Модули HC-07 изначально имеют такие настройки: скорость UART - 9600 (8 бит данных, без бита чётности, стоп бит (8N1)); пароль - 1234 или 0000.

Модуль HC-07, как и HC-04/HC-06, в режиме АТ-команд находится до установки связи с другим Bluetooth-устройством (о чём свидетельствует мигающий LED). Непрерывное горение LED будет свидетельствовать о входе в режим передачи данных. Аналогично, команды в модулях HC-07 не имеют окончания CRLF, и в течение секунды позволяется отправка только одной АТ-команды.

HC-08.

Краткая характеристика модуля:

- чип Bluetooth - CC2540 производства Texas Instruments;

- протокол связи - Bluetooth v4.0 BLE;

- радиус действия - до 80 метров;

- совместимость со всеми Bluetooth-адаптерами, которые поддерживают SPP;

- частота радиосигнала 2.40 .. 2.48 ГГц;

- хост-интерфейс - USB 1.1/2.0 или UART;

- энергопотребление - в зависимости от режима работы и энергопотребления - от 0,4 мкA до 21 мА.

Это вообще очень хитрый модуль, т.к. за особенность ультранизкого потребления энергии при использовании нового протокола связи - Bluetooth v4.0 BLE (Bluetooth Low Energy), приходится расплачиваться и особым алгоритмом работы. Как сообщает Педивикия, передатчик с таким протоколом включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет, что позволяет его активно применять для датчиков с батарейным питанием, домашних медицинских приборов, спортивных тренажеров.

Распиновка и назначение выводов модуля HC-08 совпадает с модулями HC-04/HC-06:

HC-09.

Данный модуль полностью совместим с HC-06 и HC-07, однако, заводом-изготовителем он поставляется только в режиме slave-устройства. Модули HC-09 изначально имеют такие настройки: скорость UART - 9600 (8 бит данных, без бита чётности, стоп бит (8N1)); пароль - 1234. Список АТ-команд незначительно отличается от модулей HC-06 и HC-07.

Для данного программного продукта был выбран модуль HC-06, так как он является оптимальным и удовлетворяем всем желаемым условиям для разработки.

Основной вид модуля представлен ниже в соответствии с рисунком 5.2.

Рисунок 5.2 -Модуль HC-06

5.3 Блок реле

Тактовая кнопка -- простой, всем известный механизм, замыкающий цепь пока есть давление на толкатель.

Основной вид кнопки представлен ниже в соответствии с рисунком 5.7.

Рисунок 5.7 - Кнопка

Кнопки с 4 контактами стоит рассматривать, как 2 пары рельс, которые соединяются при нажатии.

Эффект дребезга.

Эффект дребезга представлен ниже в соответствии с рисунком 5.8.

Рисунок 5.8 - Эффект дребезга

При замыкании и размыкании между пластинами кнопки возникают микроискры, провоцирующие до десятка переключений за несколько миллисекунд. Явление называется дребезгом (англ. bounce). Это нужно учитывать, если необходимо фиксировать «клики».

Схема подключения.

Напрашивается подключение напрямую. Но это наивный, неверный способ.

Неправильная схема подключения кнопки представлен ниже в соответствии с рисунком 5.9.

Рисунок 5.9 - Неправильная схема подключения кнопки

Пока кнопка нажата, выходное напряжение

Vout = Vcc,

но пока она отпущена,

Vout ? 0.

Кнопка и провода в этом случае работают как антенна, и Vout будет «шуметь», принимая случайные значения «из воздуха».

Пока соединения нет, необходимо дать резервный, слабый путь, делающий напряжение определённым. Для этого используют один из двух вариантов.

Схема со стягивающим резистором.

Схема со стягивающим резистором представлена ниже в соответствии с рисунком 5.10.

Рисунок 5.10 - Схема со стягивающим резистором

Есть нажатие: Vout = Vcc.

Нет нажатия: Vout = 0.

Схема с подтягивающим резистором.

Схема с подтягивающим резистором представлена ниже в соответствии с рисунком 5.11.

Рисунок 5.11 - Схема с подтягивающим резистором

Есть нажатие: Vout = 0.

Нет нажатия: Vout = Vcc.

5.7 Макетная плата