Arduino开发从入门到实战

l  案例教学，由浅入深，适合读者自主学习。将概念、基础实验与创新实验相结合，注重应变能力与主动思考能力的培养。       l  入门篇加入章前导语、课前提问及章末总结，条理清晰地引导读者学习。融入更多技术小贴士，帮助读者扩展知识。       l  开源的编程环境，方便快捷，容易上手，是电子爱好者及开源硬件发烧友的法宝，也是零基础创客人士的入门典籍。       l  本书配套有教学课件（PPT）和相关源代码等资料，下载地址为清华大学出版社网站本书页面。 

本书以Arduino Uno R3开发板为硬件平台，沿着“基础知识→模块实验→项目实战”的思路，由浅入深、先易后难、先简单后综合地讲述了Arduino技术。书中基础知识部分(第1~4章)介绍了Arduino的基本概念、原理、开发环境和开发语言。模块实验部分(第5~14章)是项目实战部分的基础，采用实验讲解方式阐述了常用传感器、I/O设备等经典Arduino实验。项目实战部分(第15章)针对Arduino智慧农业大棚项目，详细讲解了项目架构设计、模块设计、硬件设计、软件设计及系统测试等项目研发流程，*终完成了系统的单片机、PC和手机端软硬件系统的研发全过程。本书可作为高等院校物联网、计算机、电子信息、自动化等相关专业的教材，也可作为创客机构、青少年科技创新辅导部门的参考书，同时，本书更是电子爱好者及开源硬件发烧友的入门宝典。

 

目录

Contents

 

 

 

 

 

第1部分基
础 知 识

 

 

第1章Arduino概述

 

1.1Arduino起源

 

1.2Arduino可以做什么

 

1.3为什么用Arduino

 

1.4Arduino开源文化

 

1.5Arduino发展趋势

 

1.5.1创客文化

 

1.5.2快速原型设计

 

1.6Arduino趣味实例

 

1.7课后问答

 

1.8本章小结

 

第2章Arduino硬件资源

 

2.1核心芯片

 

2.2典型开发板

 

2.2.1Arduino Uno

 

2.2.2Arduino Nano

 

2.2.3Arduino ProMini

 

2.2.4Arduino Leonardo

 

2.2.5Arduino Mega2560

 

2.3典型扩展板

 

2.3.1Proto Shield原型开发板

 

2.3.2GPRS Shield扩展板

 

2.3.3Arduino Ethernet W5100 R3 Shield网络扩展板

 

2.3.4WizFi210扩展板

 

 

2.3.5Arduino L298N电机驱动扩展板

 

2.3.6Arduino传感器扩展板

 

2.4简单认识其他不同型号的Arduino控制器

 

2.4.1Arduino Zero

 

2.4.2Arduino兼容控制器

 

2.4.3衍生控制器

 

2.5课后问答

 

2.6本章小结

 

Arduino开发从入门到实战

 

第3章开发环境

 

3.1开发环境概述

 

3.2集成开发环境搭建

 

3.3驱动安装

 

3.4IDE基本操作

 

3.4.1菜单

 

3.4.2快捷键

 

3.5程序输入、编译及下载

 

3.6开发环境常见问题

 

3.7课后问答

 

3.8本章小结

 

第4章Arduino语言

 

4.1Arduino语言概述

 

4.1.1标识符

 

4.1.2关键字

 

4.1.3Arduino语言运算符

 

4.1.4Arduino语言控制语句

 

4.1.5Arduino语言基本结构

 

4.2Arduino基本函数

 

4.2.1数字I/O

 

4.2.2模拟I/O

 

4.2.3高级I/O

 

4.2.4时间函数

 

4.2.5数学函数

 

4.2.6三角函数

 

4.2.7外部中断函数

 

4.2.8中断使能函数

 

4.2.9串口收发函数

 

4.3Arduino库函数

 

4.3.1库函数概述

 

4.3.2常用库函数

 

4.4课后问答  

 

4.5本章小结

 

第2部分模
块 实 验

 

 

第5章炫酷LED灯

 

5.1实验原理

 

5.2材料清单及数据手册

 

5.2.1材料清单

 

5.2.2核心元件数据手册

 

5.3硬件连接

 

5.4程序设计

 

5.4.1设计思路及流程图

 

5.4.2程序源码

 

5.5调试及实验现象

 

5.6代码回顾

 

5.7拓展实验

 

5.8拓展实验调试及现象

 

5.9技术小贴士

 

5.9.1解析LED正负极判别方法

 

5.9.2LED分类

 

第6章按键开关输入

 

6.1实验原理

 

6.2材料清单

 

6.3硬件连接

 

6.4程序设计

 

6.4.1设计思路及流程图

 

6.4.2程序源码

 

6.5调试及实验现象

 

6.6拓展实验

 

6.7拓展实验调试及现象

 

6.8技术小贴士

 

第7章触摸延时开关

 

7.1实验原理

 

7.2材料清单及数据手册

 

7.2.1材料清单

 

7.2.2核心元件数据手册

 

7.3硬件连接

 

7.4程序设计

 

7.4.1设计思路及流程图

 

7.4.2程序源码

 

7.5调试及实验现象

 

7.6拓展实验

 

7.7拓展实验调试及现象

 

7.8技术小贴士

 

第8章温度与湿度监测

 

8.1实验原理

 

8.2材料清单及数据手册

 

8.2.1材料清单

 

8.2.2DHT11数据手册

 

8.3硬件连接

 

8.4程序设计

 

8.4.1设计思路及流程图

 

8.4.2程序源码

 

8.5调试及实验现象

 

8.6拓展实验

 

8.7拓展实验调试及现象

 

8.8技术小贴士

 

第9章气体监测

 

9.1实验原理

 

9.2材料清单及数据手册

 

9.2.1材料清单

 

9.2.2MQ2数据手册

 

9.2.3MQ2烟雾传感器模块

 

9.3硬件连接

 

9.4程序设计

 

9.4.1设计思路及流程图

 

9.4.2程序源码

 

9.5调试及实验现象

 

9.6技术小贴士

 

第10章LCD显示

 

10.1实验原理

 

10.2材料清单及数据手册

 

10.3硬件连接

 

10.4程序设计

 

10.5调试及实验现象

 

10.6技术小贴士

 

第11章电机控制

 

11.1实验背景

 

11.2材料清单及数据手册

 

11.2.1材料清单

 

11.2.2步进电机数据手册

 

11.3硬件连接

 

11.4程序设计

 

11.5调试及实验现象

 

11.6拓展实验

 

11.7技术小贴士

 

第12章蓝牙通信

 

12.1实验背景

 

12.2材料清单及数据手册

 

12.2.1材料清单

 

12.2.2蓝牙模块数据手册

 

12.3硬件连接

 

12.4程序设计

 

12.5调试及实验现象

 

12.6技术小贴士

 

第13章WiFi无线数据传输

 

13.1实验背景

 

13.2材料清单及数据手册

 

13.2.1材料清单

 

13.2.2WiFi模块数据手册

 

13.3电路连接及通信初始化

 

13.4程序设计

 

13.5程序调试

 

13.6技术小贴士

 

第14章ZigBee无线数据传输

 

14.1实验背景

 

14.2材料清单及数据手册

 

14.2.1材料清单

 

14.2.2XBee/XBeePRO模块数据手册

 

14.3硬件连接

 

14.4程序设计

 

14.5程序调试

 

14.6技术小贴士

 

第3部分项
目 实 战

 

 

第15章基于Arduino的智慧农业大棚

 

15.1系统概述

 

15.2系统总体设计方案

 

15.3硬件设计

 

15.3.1系统整体硬件连接

 

15.3.2STC12C5A16S2控制器

 

15.3.3下位机控制外设

 

15.3.4Arduino传感器网络

 

15.3.5空气温湿度传感器模块

 

15.3.6CO2浓度传感器模块

 

15.3.7土壤湿度传感器模块

 

15.3.8光照强度传感器模块

 

15.4软件设计

 

15.4.1系统软件流程

 

15.4.2空气温湿度传感器模块

 

15.4.3CO2浓度传感器模块

 

15.4.4土壤湿度传感器模块

 

15.4.5光照强度传感器模块

 

15.5PC端软件设计

 

15.6Android手机客户端软件设计

 

15.7系统调试

 

15.8设计中的问题及解决方法

 

参考文献

 

附录Arduino实验常见元件清单

 

前言

 

Foreword

 

 

 

 

 

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)。它适合创客、设计师、电子爱好者和对电子产品DIY（Do It Yourself）有兴趣的朋友们使用。

Arduino给自己的定位是开源电子原型开发平台，其软硬件设计资料全面开放，构成一个可供用户搭建机器人及各类电子项目的开发环境。开源硬件使得人们可以更容易、更便捷地开发自己的产品，开发者可以直接下载电路图和源代码，既可直接使用，也可DIY来实现自己所需要的功能。

近几年，Arduino技术在国内开始普及，使用人群从喜欢科技创新的中小学生到资深的电子工程师。在国内，开设Arduino课程的学校越来越多，雨后春笋般成立的创客工作室、青少年科技创新辅导机构也大都使用了Arduino系列实验设备或Arduino机器人。Arduino系列产品(实验板、配套模块、教材、教辅等)的市场需求量急剧增加。

国内Arduino方面的书籍多为参考书，适用于教学的教材还较少，本书正是为了满足此方面的需求而编写的。学习本课程，将为学生提高实践能力及就业竞争力打下坚实基础。

本书的创新点是通过“基础知识→模块实验→项目实战”的思路，由浅入深、先易后难、先简单后综合地引导读者进行学习和逐步提高，分层激发电子爱好者的DIY兴趣。书中基础知识部分按照理论讲解方法进行，模块实验部分按照实验课模式讲解，项目实战部分按照项目研发流程进行阐述。书中添加了许多技术小贴士，帮助读者扩展实验知识；
还配套了元件清单、全部的程序源代码、PPT课件等，更加便于自学。

本书共15章，建议教学学时为64学时，其中理论32学时，实验32学时(普通实验20学时，综合实验12学时)，该课程的前导课程为电路分析、模块电路、单片机基础等。

本书编写工作由河北地质大学李明亮教授、孙大鹏、赵莹莹、张茹娜、阮婷婷、胡慧、焦倩、肖震霞、蔡石磊等共同完成。其中第1~4章由阮婷婷、胡慧、肖震霞编写；
第5~14章由李明亮教授、张茹娜、赵莹莹、肖震霞编写；
第15章由孙大鹏、焦倩、蔡石磊编写。李明亮教授完成了全部书稿的统筹及审核工作。

希望读者在学习完本书后能自己动手进行Arduino的开发，也希望本书能为读者带来精彩的技术人生。

 

 

衷心感谢石家庄邮电职业技术学院的李学海教授为本书指引方向；
感谢河北地质大学肖震霞老师为本书插图设计所做的大量工作；
感谢曾经在本书撰写过程中提供过帮助的人们。

后，要特别感谢清华大学出版社的大力支持，如果没有他们的努力和辛勤劳动，这本书是不会这么快出版的。

由于时间仓促，加之作者水平有限，书中难免有不足之处，欢迎广大读者批评指正。有兴趣的读者可发送邮件到[email protected]与我们联系。

作者2017年9月

 

Arduino开发从入门到实战

 

 

 

 

 

 

.1实验原理LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成： 一部分是P型半导体(带正电的空穴占主导地位)，另一部分是N型半导体(带负电电子占主导地位)。这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个PN结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。曾经有人指出，高亮度LED是人类继爱迪生发明白炽灯后，伟大的发明之一。随着国际国内的经济发展，LED的应用领域正在不断扩展。各种各样的LED灯如图5.1所示。

图5.1各种LED灯

在照明领域，LED正以优势“吞噬”着整个领域。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。(1) 便携灯具： 手电筒、头灯、矿工灯、潜水灯等。(2) 汽车用灯： 汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯、外部的高位刹车灯、转向灯、倒车灯、尾灯、侧灯以及头灯等，大功率的LED已被大量用于汽车照明中。(3) 特殊照明： 太阳能庭院灯、太阳能路灯、水底灯等。由于LED尺寸小，便于动态的亮度和颜色控制，因此比较适合用于建筑装饰照明。(4) 普通照明： LED照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd，适用于室内场合如家电、仪器仪表、通信设备、微机及玩具等方面的应用。LED筒灯、LED天花灯、LED日光灯、LED光纤灯已悄悄地进入家庭。目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部扩展到了全球范围。有趣的是，LED在装饰方面的应用也很广，如可广泛应用于发光立体字，建筑景观外观发光体，高架、高楼、公路、桥梁、地标、标志建筑发光源，广告立体字、标志、标识、指示光源，商业空间、机场、建筑工程、地铁、医院、饭店、白货商场、广场、餐馆、PUB设计灯光，汽车、运输、轮船、宣传指示警示光源，计算机、手机、通信、滑鼠、信号传输应用光源，其他应用例如一种广受儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光，以及利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示等。本次实验需要完成的就是用Arduino控制LED灯，让它闪烁起来。