Arduino案例实战（卷Ⅴ）

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。书中以丰富的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。
本书突出的特点
? 典型场景的创新应用
? 智能开源的编程实践
? 不同领域的经典案例
? 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。 

本书系统论述了Arduino开源硬件的架构、原理、开发方法及15个完整的项目设计案例。本书共16章，内容包括Arduino设计基础、模拟乒乓球体感运动垫项目设计、魔幻音乐盒项目设计、四旋翼图传自研飞控无人机项目设计、四轴飞行器在生活中的检测与应用项目设计、信息采集小夜灯项目设计、运动环境管理助手项目设计、追踪机器人项目设计、打地鼠闯关游戏项目设计、大棚传感机器人项目设计、简易升降机项目设计、蓝牙锁项目设计、人脸考勤机项目设计、文明大使项目设计、语音互动机器人项目设计和智能餐饮服务系统项目设计。
在编排方式上，全书针对创新产品的项目设计过程进行描述，分别从需求、分析、设计与实现等角度论述了硬件电路、软件设计、传感器和功能模块等，并剖析了产品的功能、使用、电气连接和程序代码等。为便于读者高效学习，及时掌握Arduino开发方法，本书提供配套项目设计的硬件电路图和程序代码，可供读者举一反三，二次开发。
本书可作为高校电子信息类专业“开源硬件设计”“电子系统设计”“创新创业”等课程的教材，也可作为创客及智能硬件爱好者的参考用书，还可作为从事物联网、创新开发和设计专业人员的技术参考书。

目录

第1章Arduino设计基础

1.1开源硬件概述

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口的操作函数

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章模拟乒乓球体感运动垫项目设计

2.1项目背景

2.2创新描述

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章魔幻音乐盒项目设计

3.1项目背景

3.2创新描述

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章四旋翼图传自研飞控无人机项目设计

4.1项目背景

4.2创新描述

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章四轴飞行器在生活中的检测与应用项目设计

5.1项目背景

5.2创新描述

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章信息采集小夜灯项目设计

6.1项目背景

6.2创新描述

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章运动环境管理助手项目设计

7.1项目背景

7.2创新描述

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章追踪机器人项目设计

8.1项目背景

8.2创新描述

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章打地鼠闯关游戏项目设计

9.1项目背景

9.2创新描述

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章大棚传感机器人项目设计

10.1项目背景

10.2创新描述

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章简易升降机项目设计

11.1项目背景

11.2创新描述

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章蓝牙锁项目设计

12.1项目背景

12.2创新描述

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章人脸考勤机项目设计

13.1项目背景

13.2创新描述

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章文明大使项目设计

14.1项目背景

14.2创新描述

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章语音互动机器人

15.1项目背景

15.2创新描述

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章智能餐饮服务系统项目设计

16.1项目背景

16.2创新描述

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

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。作者依据当今信息社会的发展趋势，结合Arduino开源硬件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。
本书的内容和素材主要来源于作者所在学校近几年承担的*和北京市的教育、教学改革项目和成果，也是北京邮电大学信息工程专业的同学们创新产品的设计成果。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，主要内容包括Arduino设计基础及项目开发案例，涉及智能控制类开发案例、生活便捷类开发案例、物联网类开发案例、人机交互类开发案例及其他创意类开发案例。
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。本书的编写也得到了*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、北京邮电大学教育教学改革项目（2017JY04）支持，在此一并表示感谢！
同时，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、高凡石、陈佳丰等研究生的大力协助，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，使本书得以问世。

本书主要由李永华编著，李和禹、陈河泉、陈向梅、张秋彤、李昕烨、张国利也参与了部分内容的编写。
本书可作为高校电子信息类专业“开源硬件设计”“电子系统设计”“创新创业”等课程的教材，也可以作为创客及智能硬件爱好者的参考用书，还可作为从事物联网、创新开发和设计专业人员的技术参考书。为便于读者高效学习，及时掌握Arduino开发方法，本书提供配套项目设计的硬件电路图和程序代码，可供读者举一反三，二次开发。欢迎广大读者加入开源硬件学习QQ群，以便获取本书配套资源并进行学习交流。
由于作者水平有限，书中不妥之处在所难免，衷心希望各位读者多提宝贵意见及具体的修改措施，以便作者进一步修改和完善。
李永华
于北京邮电大学
2018年11月

第3章

魔幻音乐盒项目设计

3.1项目背景
本章根据郑少波、邓博文项目设计整理而成。
通过将各种传感器与音乐联系起来，是当今社会科技与娱乐融合的体现，从超声波、激光、压力传感器的应用，到各种电子琴、电子音乐盒以及电子打击乐器，可以进行不同领域的应用。基于这些启发，本项目组在超声波与音乐结合的基础上，保留“弹奏音乐”的功能，开发出更多与音乐有关的有趣模块，终制作成一个魔幻音乐盒。
3.2创新描述
本音乐盒除了要手动打开之外，其余所有的功能选项，由手机通过蓝牙模块来控制，并且用按键代替直接输入指令，交互性很强。除了可以自我弹奏音乐之外，本项目还编写了一些歌曲可以直接播放，在播放音乐的同时配有炫目的灯光，做到了“魔幻”的效果。整个音乐盒采用直流电池供电，包装精巧，携带方便，可提供随时随地的娱乐。
3.3功能及总体设计
3.3.1功能介绍

音乐盒的主体功能共分为“弹奏音乐”和“播放音乐”两种模式。在“弹奏音乐”模式下，手在超声波传感器上进行移动，扬声器发出不同的音调，同时LED灯带出现不同颜色的灯光； 在“播放音乐”模式下，可自主选择播放歌曲和想要的灯光模式效果。
3.3.2总体设计
1. 整体框架图

整体框架如图31所示。

图31整体框架

整体由五个模块组成。其中，供电模块用来给Arduino开发板供电，电压为DC 6V； 超声波传感器模块用来检测手到它的距离，从而控制扬声器和LED灯带； 扬声器模块用来输出声音； LED灯带模块用来显示灯光； 蓝牙模块使Arduino开发板与手机相连，进行发送指令控制Arduino开发板。电源由电池盒、船型开关、电池和导线组成。为了能够用上开关，剪掉了电池盒自带的黑线，并串联上了船型开关。电池盒的5mm插头用来插在Arduino开发板上，给Arduino开发板供上6V的直流电源。
2. 系统流程图
系统流程图如图32所示。
在开机之后，会有一段2~3s的开机音乐。打开手机，连上蓝牙之后，共有两大模式可供选择。一是“弹奏音乐”模式，按下“弹奏音乐”按钮，将手放在超声波传感器上上下移动，共可发出Do、Re、Mi、Fa、So、La、Si 7个不同音，同时对应每一个音调，LED灯带出现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种不同的颜色。再次按下按钮，可关闭该模式。二是“播放音乐”模式，按下“播放音乐”模式，再选择3个按钮： “让我们荡起双桨”“大海”和“爱的华尔兹”，即可播放相应歌曲。在播放歌曲的同时，可再选择3个按钮： “灯光模式1”“灯光模式2”和“灯光模式3”，即可让LED灯带出现3种不同的灯光效果。当音乐停止时，灯光自动关闭，并且在播放音乐的同时，无论按下歌曲按钮还是“播放音乐”按钮，都可以让音乐和灯光停止。
3. 总电路图
总电路如图33所示。
在Arduino开发板中，共使用了8个引脚，分别为5V、GND、引脚2、引脚3、引脚6、引脚9、引脚10和引脚11。其中，5V用来给超声波传感器、蓝牙和LED灯带提供电源； GND用来给超声波传感器、蓝牙、LED灯带和扬声器做地端； 引脚2接超声波传感器的Trig端，用来输入触发控制信号； 引脚3接超声波传感器的Echo端，用来输出回响信号； 引脚6接LED灯带的数据传输口，用此口对灯带进行编程； 引脚9接扬声器的正极，用来控制输出不同频率的音调； 引脚10被定义为R端； 引脚11被定义为T端，分别与蓝牙的T端和R端相连，实现蓝牙通信。
4. 手机App按钮控制图
手机App界面如图34所示。

图32系统流程图

图33系统总电路

图34手机App界面

这个App来自一个叫作“蓝牙串口”的软件。该软件下有空白开关可供编辑。在连接蓝牙之后，可以通过按钮来控制Arduino开发板。其原理为按下某一个按钮，手机将向蓝牙发送一个字符，蓝牙将该字符发送给Arduino开发板，Arduino开发板根据预先设定的程序发出相应指令。弹起某个按钮时的情况也是如此，在这里弹起按钮时对Arduino开发板所做的指令为停止声音或关闭灯光。按钮第1列为主体模式选择，第2列是在选中“播放音乐”时才可选择的歌曲，第3列是在选中某首歌曲的情况下才可选择的灯光模式。各按钮所实现的功能已在流程图处说明，故这里不再赘述。
3.3.3模块介绍
本项目主要包括四个模块： 超声波传感器模块、扬声器模块、LED灯带模块和蓝牙模块。下面分别给出各模块的功能和相关代码。
1. 超声波传感器模块
1) 功能介绍
超声波测距原理： 发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即s=340m/s×t/2,这就是所谓的时间差测距法。
使用Arduino采用数字引脚给超声波传感器的Trig引脚至少10μs的高电平信号，触发SR04模块测距功能。触发后，模块会自动发送8个40kHz的超声波脉冲，并自动检测是否有信号返回。这一步会由模块内部自动完成。如有信号返回，Echo引脚会输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。此时，使用函数pulseIn()获取到测距的结果，并计算出与被测物的实际距离。