Arduino案例实战（卷Ⅱ）

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，总结了智能硬件的创新模式、创新方法和创新产品。本书主要内容包括Arduino设计基础及开发案例，涉及Arduino智能控制类开发案例、Arduino生活便捷类开发案例、Arduino物联网络类开发案例、Arduino人机交互类开发案例、其他Arduino创意类开发案例。
本书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，以供不同层次的人员需求，同时，本书附有实际项目的硬件设计图和软件实现代码，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领域的本科生教材，也可以作为智能硬件爱好者创新手册使用，还可以为创客产生需求、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，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

 

1.3.3Arduino IDE的使用

 

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
Pulseln(pin,state,timeout)

 

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PM2.5检测仪

 

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章表情口罩

 

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章简易心率监测仪

 

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App控制智能小风扇

 

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章智能天然气控制报警系统

 

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章自动控制风扇

 

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章多功能加湿器

 

8.1项目背景

 

8.2创意描述

 

8.3功能及总体设计

 

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章多功能闹钟

 

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章红外遥控旋转小风扇

 

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故障及其问题分析

 

10.6元器件清单

 

第11章基于自建云服务器的智能家居

 

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章语音控制台灯

 

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章盲文教学器

 

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章智能拳击手套

 

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章简易翻译机

 

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章智能教室管理系统

 

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章基于Arduino实现的激光雕刻机

 

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章自动扫码分拣装置

 

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章肩带式转向警示器

 

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章水位监测预警器

 

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

 

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、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，采取激励创新的工程教育方法，培养可以适应未来工业4.0发展的人才。因此，试图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开发平台进行开发产品，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具体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教育部和北京市的教育、教学改革项目和成果，北京邮电大学信息工程专业的同学们通过基于CDIO工程教育方法的实施，实现了创新产品的整个过程，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。

本书对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。

本书的编写得到了教育部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、教育部CDIO工程教育模式研究与实践项目、教育部本科教学工程项目、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、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，感谢郑铖、谭扬、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，才使得此书得以问世！

本书由北京市教育科学“十二五”规划重点课题（优先关注）、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！

由于作者的水平有限，书中不当及错误之处在所难免，衷心地希望各位读者多提宝贵意见及具体的整改措施，以便作者进一步修改和完善。

李永华于北京邮电大学

2017年5月

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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宋体;mso-fareast-theme-font:minor-fareast;mso-hansi-font-family:Calibri;
mso-hansi-theme-font:minor-latin’>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章基于Arduino实现的激光雕刻机

 

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章自动扫码分拣装置

 

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章肩带式转向警示器

 

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章水位监测预警器

 

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

 

参考文献

评论

第5章App控制智能小风扇

5.1项目背景

设计者： 吴泽君何江东

本项目为基于Arduino控制的实用功能型产品。夏季高温炎热，对于还没有安装空调的宿舍，小小的电风扇则成为大家的“救命稻草”。但传统的电风扇需要手动控制，电风扇的开关、风速大小、转向等均需要手动调节，与当今生活硬件智能化的主题格格不入。因此，本项目致力于开发一个由手机APP控制的智能小风扇，对其所有操作只需在手机客户端单击按钮即可。5.2创意描述作为实用功能型产品，它通过Arduino板将传统硬件与软件相结合，实现我们日常生活用品的智能化。主要由电风扇、信息转换部分、手机APP、点阵显示部分组成，通过手机APP对电风扇实现智能控制。创新点： 通过手机APP便可实现电风扇的开关、延时关闭、电风扇状态显示； 实用性比较强，应用对象也很广，可以对诸如加湿器、空调甚至热水器等做类似应用移植。 5.3功能及总体设计本产品主要分为三个部分进行设计： 开关部分、延时关闭部分和状态显示部分。首先，通过蓝牙模块来实现手机与Arduino板的通信。开关部分主要是Arduino板通过继电器来控制电风扇的开启和关闭； 延时关闭部分是由延时程序以及继电器模块的有效组合实现在一定时间之后关闭风扇； 状态显示部分主要是通过控制一个8×8点阵来显示电风扇当前运行状态。5.3.1功能介绍智能小风扇能让用户在吹风时享受更加方便、智能的服务，通过手机输入便可选择风扇的开关，多长时间以后关闭，并能看到风扇的运行状态。开关部分主要是通过手机字母输入，以控制电风扇的开启和关闭； 延时关闭部分是指可以在手机控制端通过选择不同的档位来选择何时关闭风扇； 状态显示部分主要是通过一个8×8点阵来显示风扇当前运行状态，用户可自由选择是否开启点阵以获得相关信息。5.3.2总体设计要实现上述功能，需要将作品分成三部分进行设计： 关闭部分、延时部分和点阵显示部分。1. 整体框架图项目整体框架如图51所示。继电器和LED8×8点阵直接连到Arduino UNO板上，风扇连接到继电器的输出端，这样，通过Arduino板便可控制小风扇以及LED显示屏。

图51整体框架图

2. 系统流程图系统流程如图52所示。接通电源以后，如果继电器模块输出高电平，则电风扇开始转动。Arduino板与LED点阵相连可控制显示屏开始显示。

图52系统流程图

3. 总电路图系统总电路及Arduino UNO开发板引脚如图53所示。从左到右依次是带红外避障模块的LED点阵、蓝牙模块、Arduino板、继电器、电风扇。其中，LED点阵的2、3、4接口与Arduino板的12、11、10相连，GND与GND相连，6端口与5V相连。蓝牙模块的RX、TX、VCC、GND和Arduino板的1、0、5V、GND相连。继电器模块的VCC、GND、IN分别和5V、GND、2端口相连。继电器的OUT与电风扇的正极相连，而GND便与GND相连。5.3.3模块介绍本项目主要包括以下几个模块： 蓝牙模块、继电器模块、LED点阵显示模块。下面分别给出各模块的功能、元件、电路图和相关代码。1. 蓝牙模块1) 功能介绍实现手机App与Arduino板的通信，把手机App上输入的信息传递给Arduino板。元器件包括HC05蓝牙模块、杜邦线和面包板。蓝牙模块接线如图54所示。2) 相关代码
void setup()
{
Serial.begin(9600);                        //设置传输速率
}
void loop() 
{
while(Serial.available())
{
char s=Serial.read();       //s为蓝牙端口读取数据
}
}

图53系统总电路及Arduino UNO开发板引脚图

图54蓝牙模块接线图

2. 继电器模块(包括开关电风扇和延时关闭电风扇)1) 功能介绍继电器模块为高电平触发，当输入信号为高电平时，继电器吸合，电路连通，风扇开始工作。元器件包括5V高电平触发单路继电器、杜邦线。继电器模块接线图如图55所示。

图55继电器模块接线图

2) 相关代码
const int relayPin = 2;                     //继电器连接到数字2
int relayState =  LOW;                      //继电器初始状态为LOW

void setup() {
pinMode(relayPin, OUTPUT);                 //引脚二设置为输出
Serial.begin(9600);
digitalWrite(relayPin, relayState);       //设置继电器的初始状态
}

void loop() 
{

while(Serial.available())
{
char s=Serial.read();
if(s==’a’)                         //输入指令a开启电风扇