Arduino案例实战（卷Ⅰ）

本书从构思、设计到实现，深入理解Arduino项目开发！《Arduino案例实战》系统论述了Arduino开源硬件的开发方法和技术。书中以丰富Arduino设计实例，介绍了智能硬件的物联网应用。在处理嵌入式系统的开发过程中，使用Arduino开源平台，将事半功倍，极大提高效率。本书涉及的主题：(1) 智能控制类开发案例(2) 人机交互类开发案例(3) 生活便捷类开发案例(4) 物联网络类开发案例(5) 其他创意类开发案例本书突出的特点：(6) 典型场景的创新应用(7) 智能开源的编程实践(8) 不同领域的经典案例(9) 多种产品的功能实现注：本书提供配套学习资源，下载地址为清华大学出版社本书页面。 

本书以“大众创业万众创新”为时代背景，以物联网和智能开源硬件发展为技术背景，总结信息时代创新模式、创新方法和创新产品。以CDIO（ConceiveDesignImplementoperate）方法为指导，构建创新产品，将北京邮电大学信息工程专业同学的创新产品开发案例进行总结，其基本内容包括Arduino设计基础和22个案例，主要涉及智能控制类开发案例、生活便捷类开发案例、物联网络类开发案例、人机交互类开发案例和其他创意类开发案例。
本书主要针对创新产品的实际开发案例进行描述，包括软件设计流程图、硬件电路图、各种传感器和模块，从功能、使用方法、电路连接和实例程序等方面介绍其使用方法； 综合应用各种技术，提高产品的总体性能和可实现性。本书案例的内容由总到分、先模块后代码，创新思维与实践案例相结合，以满足不同层次人员的需求； 同时，本书附有实际项目的硬件设计图和软件实现代码，可供读者自我学习和自我提高使用。
本书可作为高等院校信息与通信工程及相关专业的本科生教材，也可以作为智能硬件爱好者创新手册使用，还可以为创客的需求产生、分析产品、设计生产、实现产品提供帮助。对于从事物联网创新开发和设计的专业技术人员，本书也可以作为主要的技术参考书。

李永华  现执教于北京邮电大学，拥有超过10年的嵌入式开发经验，致力于物联网和智能硬件的研究开发工作。在教学中以兴趣为导向，激发学生的创造性；以素质为基础，提高自身教学水平；以科研为手段，促进教学理念转变。通过信息工程专业综合改革，探索了以“学生学为中心”的教学模式，营造生动活泼的学习方法，提高学生独立思考问题、发现问题、解决问题的能力，激发学生的创造激情。在研发及教学实践中指导学生实现200余个创新案例，并指导着一支物联网开发团队，曾在物联网、开源硬件等技术领域进行了多场学术报告，并且出版了《AllJoyn技术原理及物联网程序开发指南》《Arduino实战指南——游戏开发、智能硬件、人机交互、智能家居与物联网设计30例》《Arduino软硬件协同设计实战指南》等多部物联网技术方向的著作。

 

 

 

 

 

 

目录

第1章Arduino项目设计基础

 

1.1开源硬件简介

 

1.2Arduino开源硬件

 

1.2.1Arduino开发板

 

1.2.2Arduino扩展板

 

1.3Arduino软件开发平台

 

1.3.1Arduino平台特点

 

1.3.2Arduino IDE的安装步骤

 

1.3.3Arduino IDE的使用方法

 

1.4Arduino编程语言

 

1.4.1Arduino编程基础

 

1.4.2数字I/O口的操作函数

 

1.4.3模拟I/O口的操作函数

 

1.4.4高级I/O函数

 

1.4.5时间函数

 

1.4.6中断函数

 

1.4.7串口通信函数

 

1.4.8Arduino的库函数

 

1.5Arduino硬件设计平台

 

1.5.1Fritzing软件简介

 

1.5.2Fritzing使用方法

 

1.5.3Arduino电路设计

 

1.5.4Arduino样例与编程

 

第2章基于Arduino的四轴飞行器

 

2.1项目背景

 

2.2创意描述

 

2.3功能及总体设计

 

2.3.1功能介绍

 

2.3.2总体设计

 

2.3.3模块介绍

 

2.4产品展示

 

2.5故障及问题分析

 

2.6元器件清单

 

第3章智能自动捡球机

 

3.1项目背景

 

3.2创意描述

 

3.3功能及总体设计

 

3.3.1功能介绍

 

3.3.2总体设计

 

3.3.3模块介绍

 

3.4产品展示

 

3.5故障及问题分析

 

3.6元器件清单

 

第4章智能泊车系统

 

4.1项目背景

 

4.2创意描述

 

4.3功能及总体设计

 

4.3.1功能介绍

 

4.3.2总体设计

 

4.3.3模块介绍

 

4.4产品展示

 

4.5故障及问题分析

 

4.6元器件清单

 

第5章北邮艇

 

5.1项目背景

 

5.2创意描述

 

5.3功能及总体设计

 

5.3.1功能介绍

 

5.3.2总体设计

 

5.3.3模块介绍

 

5.4产品展示

 

5.5故障及问题分析

 

5.6元器件清单

 

第6章无人停车库

 

6.1项目背景

 

6.2创意描述

 

6.3功能及总体设计

 

6.3.1功能介绍

 

6.3.2总体设计

 

6.3.3模块介绍

 

6.4产品展示

 

6.5故障及问题分析

 

6.6元器件清单

 

第7章多功能模型小车

 

7.1项目背景

 

7.2创意描述

 

7.3功能及总体设计

 

7.3.1功能介绍

 

7.3.2总体设计

 

7.3.3模块介绍

 

7.4产品展示

 

7.5故障及问题分析

 

7.6元器件清单

 

第8章App遥控四轴飞行器

 

8.1项目背景

 

8.2创意描述

 

8.3功能与整体设计

 

8.3.1功能介绍

 

8.3.2总体设计

 

8.3.3模块介绍

 

8.4产品展示

 

8.5故障及问题分析

 

8.6元器件清单

 

第9章红外遥控智能小车

 

9.1项目背景

 

9.2创意描述

 

9.3功能及总体设计

 

9.3.1功能介绍

 

9.3.2总体设计

 

9.3.3模块介绍

 

9.4产品展示

 

9.5故障及问题分析

 

9.6元器件清单

 

第10章蓝牙手柄避障小车

 

10.1项目背景

 

10.2创意描述

 

10.3功能及总体设计

 

10.3.1功能介绍

 

10.3.2总体设计

 

10.3.3模块介绍

 

10.4产品展示

 

10.5故障及问题分析

 

10.6元器件清单

 

第11章红外遥控自动避障小车

 

11.1项目背景

 

11.2创意描述

 

11.3功能及总体设计

 

11.3.1功能介绍

 

11.3.2总体设计

 

11.3.3模块介绍

 

11.4产品展示

 

11.5故障及问题分析

 

11.6元器件清单

 

第12章自行车测速里程计

 

12.1项目背景

 

12.2创意描述

 

12.3功能及总体设计

 

12.3.1功能介绍

 

12.3.2总体设计

 

12.3.3模块介绍

 

12.4产品展示

 

12.5故障及问题分析

 

12.6元器件清单

 

第13章超声波自动避障小车

 

13.1项目背景

 

13.2创意描述

 

13.3功能及总体设计

 

13.3.1功能介绍

 

13.3.2总体设计

 

13.3.3模块介绍

 

13.4产品展示

 

13.5故障及问题分析

 

13.6元器件清单

 

第14章DIY四轴飞行器

 

14.1项目背景

 

14.2创意描述

 

14.3功能及总体设计

 

14.3.1功能介绍

 

14.3.2总体设计

 

14.3.3模块介绍

 

14.4产品展示

 

14.5故障及问题分析

 

14.6元器件清单

 

第15章拍照密码锁

 

15.1项目背景

 

15.2创意描述

 

15.3功能及总体设计

 

15.3.1功能介绍

 

15.3.2总体设计

 

15.3.3模块介绍

 

15.4产品展示

 

15.5故障及问题分析

 

15.6元器件清单

 

第16章手势图案解锁门

 

16.1项目背景

 

16.2创意描述

 

16.3功能及总体设计

 

16.3.1功能介绍

 

16.3.2总体设计

 

16.3.3模块介绍

 

16.4产品展示

 

16.5故障及问题分析

 

16.6元器件清单

 

第17章智能窗户

 

17.1项目背景

 

17.2创意描述

 

17.3功能及总体设计

 

17.3.1功能介绍

 

17.3.2总体设计

 

17.3.3模块介绍

 

17.4产品展示

 

17.5故障及问题分析

 

17.6元器件清单

 

第18章App四宫格手势解锁门

 

18.1项目背景

 

18.2创意描述

 

18.3功能及总体设计

 

18.3.1功能介绍

 

18.3.2总体设计

 

18.3.3模块介绍

 

18.4产品展示

 

18.5故障及问题分析

 

18.6元器件清单

 

第19章RFID智能门锁设计

 

19.1项目背景

 

19.2创意描述

 

19.3功能及总体设计

 

19.3.1功能介绍

 

19.3.2总体设计

 

19.3.3模块介绍

 

19.4产品展示

 

19.5故障及问题分析

 

19.6元器件清单

 

第20章光立方

 

20.1项目背景

 

20.2创意描述

 

20.3功能及总体设计

 

20.3.1功能介绍

 

20.3.2总体设计

 

20.3.3模块介绍

 

20.4产品展示

 

20.5故障及问题分析

 

20.6元器件清单

 

第21章灯光棋盘

 

21.1项目背景

 

21.2创意描述

 

21.3功能及总体设计

 

21.3.1功能介绍

 

21.3.2总体设计

 

21.3.3模块介绍

 

21.4产品展示

 

21.5故障及问题分析

 

21.6元器件清单

 

第22章贪吃蛇游戏

 

22.1项目背景

 

22.2创意描述

 

22.3功能及总体设计

 

22.3.1功能介绍

 

22.3.2总体设计

 

22.3.3模块介绍

 

22.4产品展示

 

22.5故障及问题分析

 

22.6元器件清单

 

第23章MakeyMakey手柄

 

23.1项目背景

 

23.2创意描述

 

23.3功能及总体设计

 

23.3.1功能介绍

 

23.3.2总体设计

 

23.3.3模块介绍

 

23.4产品展示

 

23.5故障及问题分析

 

23.6元器件清单

 

参考文献

 

 

 

 

 

前言

物联网、智能硬件和大数据技术给社会带来了巨大的冲击，个性化、定制化和智能化的硬件设备成为未来的发展趋势。中国制造2025计划、德国的工业4.0及美国的工业互联网，都是将人、数据和机器连接起来，其本质是工业的深度信息化，为未来智能社会的发展提供制造技术基础。

在“大众创业万众创新”的时代背景下，人才的培养方法和模式，也应该满足当前的时代需求。作者试图依据当今信息社会的发展趋势，结合Arduino开源硬件的发展及智能硬件的发展要求，探索基于创新工程教育的基本方法，并将其提炼为适合我国国情、具有自身特色的创新实践教材。本书将实际教学中应用智能硬件的创新工程教学经验进行总结，包括具体的创新方法和开发案例，希望对教育教学及工业界有所帮助，起到抛砖引玉的作用。

本书系统地介绍了如何利用Arduino开发平台进行产品开发，包括相关的设计、实现与产品的应用。传统Arduino方面的书籍仅侧重介绍硬件开发平台的实现方法，而很少关注具体创新案例的开发及工程教育方法应用。因此，本书试图面向未来的工业创新与发展，通过CDIO的工程教育方法，以智能开源硬件平台为基础，培养面向工业4.0的创新型人才。

本书的内容和素材主要来自于作者所在的学校近几年承担的*和北京市的教育、教学改革项目和成果，是北京邮电大学信息工程专业的所有同学，通过基于CDIO工程教育方法的实施，使得创新产品的整个过程得到了实现，同学们不但学到了知识，提高了能力，而且为本书提供了手素材和资料。本书的主要内容包括Arduino项目设计基础和22个开发案例，涉及智能控制类开发案例、生活便捷类开发案例、物联网络类开发案例、人机交互类开发案例及其他创意类开发案例。

对于书中的每个案例从项目背景、创意描述、功能及总体设计、具体电路图、系统流程图、子模块介绍、产品展示、故障及问题分析以及每个案例所用元器件进行详细讲解，使读者可以从不同层面对开发案例进行分析、理解和具体实现。

本书的编写得到了*电子信息类专业教学指导委员会、信息工程专业国家类特色专业建设项目、信息工程专业国家第二类特色专业建设项目、*CDIO工程教育模式研究与实践项目、*本科教学工程项目、信息工程专业北京市特色专业建设、北京市教育教学改革项目及北京邮电大学教学综合改革项目的大力支持，在此表示感谢！

同时，也特别感谢林家儒教授的鼎力支持和悉心指导，感谢谭扬、郑铖、黄旭新、顾铁玥等研究生同学的大力协助，感谢北京邮电大学信息工程专业所有同学，感谢父母妻儿在精神上给予的支持与鼓励，才使得本书得以问世！

本书由北京市教育科学“十二五”规划重点课题(优先关注)和北京市职业教育产教融合专业建设模式研究(ADA15159)资助，特此表示感谢！

本书内容由总到分、先思考后实践，创新思维与实践案例相结合，以满足不同层次人员的需求；
同时，本书附有实际项目的硬件设计图和软件实现代码，可供读者自我学习和自我提高使用。本书可作为大学信息与通信工程及相关专业的本科生教材，也可以作为智能硬件爱好者创新手册使用，还可以为创客的需求产生、分析产品、设计生产、实现产品提供帮助。对于从事物联网创新开发和设计的专业技术人员，本书也可以作为主要的技术参考书。

由于作者的水平有限，书中难免存在不当之处，衷心地希望各位读者提出宝贵意见及具体的整改措施，以便作者进一步修改和完善。

李永华

2017年9月

于北京邮电大学

 

 

 

第3章
智能自动捡球机

设计者： 武殊伊王佳怡寇霞霞3.1项目背景随着科学技术的不断发展与创新，人类充分发挥自己的聪明才智，创造出了一系列令人眼花缭乱的高科技产品。这些产品种类丰富、功能多样，便利了生活的方方面面。纵观如今的高科技产品市场，尤以智能硬件产业发展为火热。本项目把目光由智能家居转向了智能体育方面。宽阔的球场、矫健的运动员和凌空飞舞的乒乓球，组成了一幅幅美丽的画卷，令人目不暇接。然而，一个个落地的小球却躺在场地的角落等待主人的到来。场地上若有专门的捡球人员，势必会影响运动员们的发挥，也影响了观众们的视线。若此时有智能自动捡球机，则会方便很多。智能自动捡球机具有体积小、行动灵活、干扰小等特点，可以广泛应用于日常训练和正式比赛中。在提高效率的同时，自动捡球机也会成为球场一道美丽的风景线。经过不断地探索，本项目制作出了一个利用传感器自动检测乒乓球的位置，并主动捡起球的智能机器。这样，不仅节省了时间和人力，提高体育运动的效率，而且还具有观赏价值，吸引更多的人参与到体育运动中来。3.2创意描述本项目首先设计一个自动追踪小车，使其能找到乒乓球的位置。为了能精确地定位，使用了三个红外光电开关和一个超声波传感器。先用超声波传感器寻找目标的方向，再通过红外光电开关找到目标的精确位置。在小车前部固定一个舵机，利用旋转的舵机带动捡球器自上而下，通过捡球器前端的可黏性物质将小球粘起。在此捡球小车的基础上，我们通过部分更改捡球小车的功能，在小车前部的右侧增加一个红外光电开关，这个红外光电开关是检测地面的，当朝地的红外亮时，其他三个红外检测目标位置，当朝地的红外不亮时，小车后退右转，当朝地的红外再次亮时，其他三个红外传感器再次检测目标位置。因此，本项目的创新点，通过使用红外光电开关与超声波传感器的组合方式检测小球位置； 小车前端的捡球器设置类似于挖掘机前端。3.3功能及总体设计本作品主要由两个部分构成： 智能小车行走部分和捡球部分。小车行走部分主要功能是在空旷的场内定位并找到所需捡球的位置； 捡球部分主要功能是在小车定位到球的基础上，通过捡球器捡起小球。3.3.1功能介绍当把自动捡球机放到场中时，捡球机前端的超声波传感器和三个红外光电开关开始工作。如果所有红外光电开关都没有检测到信号，而且超声波探测的目标距离超过了范围(目前是300mm)，说明目标不在前方，就慢速向右转圈寻找其他方向的目标； 如果所有红外光电开关都没有检测到信号，但超声波探测的目标距离小于范围，说明目标在前方，此时缓慢前进接近目标； 如果左侧红外光电开关检测到目标，说明目标在左侧，则迅速左转，面向目标； 如果右侧红外光电开关检测到目标，说明目标在右侧，则迅速右转，面向目标； 如果中间的红外光电开关检测到目标，说明目标就在正前方，而且距离合适，搜寻完成。之后舵机就会开始转动，捡球器自上而下运动，通过其前端的可黏性物质粘起小球。之后中间的红外光电开关就会检测不到小球，则舵机停止转动。而小车继续前进，寻找下一个目标。清障部分： 当朝地面的红外亮时，其他三个红外则检测目标物体，当检测到物体时，小车前进，推动物体往固定的黑色圈外，到黑圈边界时，朝地面的红外灭，则小车后退右转，退回圈内，继续寻找目标。3.3.2总体设计1. 整体框架图项目整体框架如图31所示。Arduino Uno板与传感器扩展板相连，直流电机驱动板、超声波模块、红外光电开关和舵机连接到扩展板上，直流电机驱动板连接两个直流减速电机。