Arduino遥控气垫船制作教程

这次想和大家分享一个非常有意思的项目——用433MHz射频模块无线控制一艘Arduino气垫船。通过自制的遥控器和接收器，这艘船可以灵活实现前进、后退、左转、右转。相比于红外遥控，无线电通信的优势很明显：距离更远，而且不需要对准视线。更重要的是，这些模块支持双向通信，虽然我们这个项目只用到了单向控制。好了，让我们一步步把它造出来。

可能有人知道，之前已经有不少基于433MHz射频模块的项目，比如射频遥控小车、家用电器控制等等。此外，还有蓝牙控制的树莓派汽车、DTMF手机控制的机器人，但今天的主角是一艘船。

Arduino RC 船所需的组件

• 433MHz 发射器和接收器
• Arduino（任何型号，推荐用 Pro Mini 以减小尺寸）
• HT12E 和 HT12D 编解码芯片
• 按钮 ×4
• 电阻 1MΩ、47kΩ
• L293D 电机驱动
• 9V 电池（实际用了 7.4V）×2
• 7805 稳压器 ×2
• 直流电机 ×2
• 电机叶片或螺旋桨（可用自制螺旋桨）×2
• 0.1μF 电容 ×2
• 普通 PCB

433MHz 射频发射器和接收器模块

这类射频模块在创客圈里非常受欢迎，成本低、连接简单，特别适合短距离通信项目。它们采用 ASK（幅移键控）调制方式——简单说就是通过载波幅度的变化来表示数字信号：发送“1”时发射载波，发送“0”时几乎不耗电。这一特性让它们在电池供电的项目中表现优秀。

433MHZ RF 发射器

这类发射模块体积小巧，通常只有 VCC、GND、DATA 三个引脚（有的还多一个天线引脚）。工作电压范围 3V~12V，没有任何可调元件。最大的优点就是低功耗——发送“0”时几乎不耗电流。

Arduino RC 船发射器框图

上面是发射器的框结构。四个按钮用于控制方向：前后左右。按键信号不能直接喂给编码器，所以中间加了一块 Arduino。可能有人会问为什么不用单片机直接编码？因为我们需要同时拉低编码器的两个并行输入来实现前后运动，单靠按钮做不到。Arduino 读取按钮状态后，将对应的并行数据送给 HT12E 编码器，编码器再转成串行输出，最后由射频发射器发射出去。

发射器电路图

看电路图：四个按钮的一侧分别连到 Arduino 的数字引脚 D6~D9，另一侧全部接地。按下按钮时，对应的引脚变为低电平。另外，HT12E 编码器的四个并行输入接到 Arduino 的 D2~D5，这样 Arduino 就可以灵活决定编码器的输入数据。

HT12E 是一款 12 位并行输入→串行输出编码器。其中 8 位（A0~A7）是地址位，可以用于区分不同的接收端。这里我们只控制一个接收器，所以全部接地。如果以后想用一个遥控器控制多个设备，可以在地址引脚上接 DIP 开关。剩下的 AD8~AD11 是控制位输入，它们会对应控制接收端解码器 HT12D 的 D0~D3 输出。编码器需要外接振荡器，5V 工作时的振荡电阻为 1.1MΩ（振荡频率约 3KHz）。编码器串行输出直接连到射频发射模块的 DATA 脚。

注意：Arduino 和发射模块都工作在 5V，如果用 6~12V 电池直接供电会烧元件。所以加了 7805 稳压器降压到 5V。输入电压可以接 6~12V 的任何电池。

搭建发射器电路

把所有元件焊在一块普通 PCB 上。射频项目容易受干扰，所以连线越短越好，最好用排针连接 Arduino 和发射模块。所有焊点直接焊在铜垫上，避免额外飞线。最后给发射模块焊上一小段天线，可以显著增加遥控距离。在连接 Arduino 和发射模块之前，务必先用万用表确认 7805 输出的电压是 5V。

上图是完成后的发射器顶视图，下图是底视图。

制作遥控器外壳

遥控器需要一个像样的外壳。这一步比较自由，这里分享一下个人做法：用 4mm 厚的 MDF 板（也可以用胶合板、泡沫板或纸板），裁出两块 10cm×5cm 的板子。在板上标记按钮位置，左侧放左右方向键，右侧放前进后退键。另一面将按钮焊接到主控电路上——普通按钮有四个引脚，每侧两个，一个脚接 Arduino 的相应数字引脚，另一个脚接地。如果分不清引脚，用万用表或查数据表确认。

连接完毕后，把控制电路夹在两块 MDF 板之间，用长螺栓固定紧。总之，外壳的创意全凭个人发挥。

433MHz 接收模块

接收模块同样小巧，一般有四个引脚：VCC、GND 和两个数据输出引脚。工作电压 5V，也是低功耗设计。有些模块带天线引脚，但这里用的没有。

接收器框图

工作流程：射频接收模块收到发射信号后输出串行数据，但串行数据不能直接控制电机，所以需要接解码器。HT12D 将串行数据还原成原始的并行数据，这一步不需要单片机，解码器输出可以直接驱动电机驱动 IC。

接收器电路图

HT12D 是一款 12 位串行输入→并行输出解码器。输入引脚接接收模块的串行输出。同样，8 位地址位（A0~A7）必须与发射器端一致，这里全部接地。剩下的 D8~D11 就是输出位。为了匹配振荡频率，需要在振荡引脚上接一个 33~56kΩ 电阻。第 17 脚可以接一个 LED 用来指示有效传输——只有接收器成功锁定发射器时才会亮起。接收器的电源输入也是 6~12V，同样用 7805 降压到 5V。

电机驱动选用 L293D，它可以减小尺寸和重量，而且正好能控制两个电机的正反转。L293D 有 16 个引脚，下面给出引脚排列图。

引脚 1 和 9 是使能端，这里接到 5V 保持电机始终使能。1A、2A、3A、4A 是控制引脚，1A 低、2A 高时电机正转；反之反转。我们将这些控制引脚接到解码器的输出。1Y、2Y、3Y、4Y 是电机连接端。Vcc2 是电机驱动电压引脚，如果电机电压高于 5V，就把 Vcc2 接到对应的电压源。这里用的是 5V 电机，所以 Vcc2 也接 5V。

搭建接收器电路

搭建接收器时，尺寸和重量是关键——毕竟要固定在船上，太重会影响浮力和运动。所以同样用小型通用 PCB，尽量少用飞线。把所有元件紧凑焊接，电机驱动器的引脚 8（Vcc2）直接接 5V。

建造遥控船体

船体材料试过几种，最后发现 thermocol（泡沫板）效果最好。我拿了一块 3cm 厚的 thermocol 板，把接收器电路放在上面，然后划出船的形状并切割出来。当然，船体的造型完全可以按自己的喜好来设计。

电机与螺旋桨

重量再次成为关键，所以电机要选轻巧的。这里用的是 5V、N20 型直流电机，体积小重量轻。为了抑制射频干扰，两个电机输入端各并联一个 0.1μF 电容。

螺旋桨可以用现成的，也可以自制。这里分享一个自制方法：找一小块塑料片，切出两小片，在蜡烛火焰上加热弯曲成形，然后在电机转轴中心钻个小孔固定上去。

Arduino RC 船的工作逻辑

这艘船有两个电机，暂且称为左电机和右电机。当电机顺时针旋转时（取决于螺旋桨安装方向），螺旋桨从前面吸入空气并从后面排出，产生向前的推力。反之，逆时针旋转则产生向后的推力。

• 向前运动：左右电机都顺时针旋转。
• 向后运动：左右电机都逆时针旋转。
• 向左移动：只有右电机旋转，船从右侧获得推力，自然向左转。
• 向右移动：只有左电机旋转，船从左侧获得推力，向右转。

我们将电机驱动器的四个控制输入连到解码器的输出 D8~D11。发射器端，通过按钮使 AD8~AD11 接地，从而激活对应的输出位。但前后运动需要同时控制两个电机，只按一个按钮做不到，所以发射端用了 Arduino 来组合按键信号。

遥控船的 Arduino 编程

编程部分非常简单，只需要基本的数字 I/O 和逻辑判断。完整程序如下，解释也一并给出。

定义引脚编号：四个按钮输入（f_button、b_button、l_button、r_button）和四个编码器输入控制引脚（m1~m4）。

int f_button = 9;
int b_button = 8;
int l_button = 7;
int r_button = 6;
int m1 = 2;
int m2 = 3;
int m3 = 4;
int m4 = 5;

在 setup() 中，按钮引脚设为输入上拉，控制引脚设为输出。

void setup() {
  pinMode(f_button, INPUT_PULLUP);
  pinMode(b_button, INPUT_PULLUP);
  pinMode(l_button, INPUT_PULLUP);
  pinMode(r_button, INPUT_PULLUP);
  pinMode(m1, OUTPUT);
  pinMode(m2, OUTPUT);
  pinMode(m3, OUTPUT);
  pinMode(m4, OUTPUT);
}

在 loop() 中，用 digitalRead 读取按钮状态。当按钮按下时对应引脚为 LOW，然后执行相应的条件判断。

前进按钮按下：

if (digitalRead(f_button) == LOW) {
  digitalWrite(m1, LOW);
  digitalWrite(m3, LOW);
  digitalWrite(m2, HIGH);
  digitalWrite(m4, HIGH);
}

这会将编码器的 m1 和 m2 拉低（具体对应哪个输出取决于接线），从而激活接收端两个电机同时正转。

后退按钮按下：

if (digitalRead(b_button) == LOW) {
  digitalWrite(m2, LOW);
  digitalWrite(m4, LOW);
  digitalWrite(m1, HIGH);
  digitalWrite(m3, HIGH);
}

左转按钮按下：

if (digitalRead(l_button) == LOW) {
  digitalWrite(m1, LOW);
  digitalWrite(m2, HIGH);
  digitalWrite(m3, HIGH);
  digitalWrite(m4, HIGH);
}

右转按钮按下：

if (digitalRead(r_button) == LOW) {
  digitalWrite(m1, HIGH);
  digitalWrite(m2, LOW);
  digitalWrite(m3, HIGH);
  digitalWrite(m4, HIGH);
}

编译代码后上传到发射端的 Arduino 板。

最后，把船放到水面上测试。如果运动方向不对，试着调换电机极性或螺旋桨的安装方向。另外也要注意船体两侧的重量平衡。

int f_button = 9;
int b_button = 8;
int l_button = 7;
int r_button = 6;
int m1 = 2;
int m2 = 3;
int m3 = 4;
int m4 = 5;

void setup() {
  pinMode(f_button, INPUT_PULLUP);
  pinMode(b_button, INPUT_PULLUP);
  pinMode(l_button, INPUT_PULLUP);
  pinMode(r_button, INPUT_PULLUP);
  pinMode(m1, OUTPUT);
  pinMode(m2, OUTPUT);
  pinMode(m3, OUTPUT);
  pinMode(m4, OUTPUT);
}

void loop() {
  if (digitalRead(f_button) == LOW) {
    digitalWrite(m1, LOW);
    digitalWrite(m3, LOW);
    digitalWrite(m2, HIGH);
    digitalWrite(m4, HIGH);
  }
  if (digitalRead(b_button) == LOW) {
    digitalWrite(m2, LOW);
    digitalWrite(m4, LOW);
    digitalWrite(m1, HIGH);
    digitalWrite(m3, HIGH);
  }
  if (digitalRead(l_button) == LOW) {
    digitalWrite(m1, LOW);
    digitalWrite(m2, HIGH);
    digitalWrite(m3, HIGH);
    digitalWrite(m4, HIGH);
  }
  if (digitalRead(r_button) == LOW) {
    digitalWrite(m1, HIGH);
    digitalWrite(m2, LOW);
    digitalWrite(m3, HIGH);
    digitalWrite(m4, HIGH);
  }
}

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