Arduino项目开发——音乐创意

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，以供不同人员的需求；同时，本书附有实际项目的硬件设计图和软件实现代码，供读者自我学习和自我提高使用；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，也可以作为主要的技术参考书。
本书配套提供项目设计的硬件电路图、程序代码、实现过程中出现的问题及解决方法，可供读者举一反三，二次开发。

 

本书以“大众创业万众创新”为时代背景，结合当前高等院校创新实践课程，总结Arduino开源硬件的开发方法，并给出了系统开发Arduino智能硬件产品的实际案例。其主要内容包括四个方面：开源硬件简介及Arduino开发板，Arduino开发产品的基本方法、外围硬件及传感器使用方法。本书内容是教师在教学过程中，基于Arduino开发平台，指导学生进行创新项目，*后总结了优秀的项目开发案例，图文并茂，丰富实用，深入浅出，易学易用。 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、产品展示以及每个案例所用模块进行详细讲解，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。

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引脚的操作函数

1．4．3模拟I/O引脚的操作函数

1．4．4高级I/O引脚的操作函数

1．4．5时间函数

1．4．6中断函数

1．4．7串行通信函数

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开发平台样例与编程

第2章八阶光立方实现蓝牙控制项目设计

2．1功能及总体设计

2．2模块介绍

2．2．1主程序模块

2．2．2HC05蓝牙模块

2．2．3音乐频谱模块

2．2．4输出模块

2．3产品展示

2．4元件清单

第3章乐光宝盒项目设计

3．1功能及总体设计

3．2模块介绍

3．2．1主程序模块

3．2．2US100模块

3．2．3HC05模块

3．2．4输出模块

3．3产品展示

3．4元件清单

第4章音乐游戏项目设计

4．1功能及总体设计

4．2模块介绍

4．2．1输入模块

4．2．2Processing界面显示模块

4．3产品展示

4．4元件清单

第5章节奏大师之疯狂打地鼠项目设计

5．1功能及总体设计

5．2模块介绍

5．2．1主程序模块

5．2．2ESP8266模块

5．2．3服务器模块

5．2．4前端模块

5．3产品展示

5．4元件清单

第6章基于红外测距的虚拟电子琴项目设计

6．1功能及总体设计

6．2模块介绍

6．2．1主程序模块

6．2．2SD卡读写模块

6．2．3红外测距模块

6．2．4数据处理模块

6．3产品展示

6．4元件清单

第7章智能弹奏尤克里里项目设计

7．1功能及总体设计

7．2模块介绍

7．2．1主程序模块

7．2．2HC05蓝牙模块

7．2．3手机端APP制作

7．2．4舵机的调试

7．3产品展示

7．4元件清单

第8章身临其境项目设计

8．1功能及总体设计

8．2模块介绍

8．2．1主程序模块

8．2．2HC05模块

8．2．3输出模块

8．3产品展示

8．4元件清单

第9章基于温度感应的LED表情控制音乐水杯项目设计

9．1功能及总体设计

9．2模块介绍

9．2．1DS18B20模块

9．2．2MAX7219ENG模块

9．2．3音乐输出模块

9．3产品展示

9．4元件清单

第10章旋转音乐盒项目设计

10．1功能及总体设计

10．2模块介绍

10．2．1主程序模块

10．2．2人体红外感应模块

10．2．3输出模块

10．3产品展示

10．4元件清单

第11章蓝牙音乐播放器项目设计

11.1功能及总体设计

11.2模块介绍

11.2.1SD卡模块

11.2.2HC06模块

11.2.3LCD1602模块

11.2.4音频放大电路模块

11.3产品展示

11.4元件清单

第12章吉他手套项目设计

12．1功能及总体设计

12．2模块介绍

12．2．1弯曲传感器模块

12．2．2输出模块

12．3产品展示

12．4元件清单

第13章音频文件净化器

13．1功能及总体设计

13．2模块介绍

13．2．1SD卡读取模块

13．2．2数字信号处理模块

13．2．3输出模块

13．3产品展示

13．4元件清单

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，人才培养方法和模式也应该满足当前的时代需求。编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，培养适应未来工业4．0发展的人才。因此，本书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，对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。书中系统地介绍了如何利用Arduino平台进行产品开发，包括相关的设计、实现与产品应用，主要内容包括Arduino设计基础及音乐创意方面的案例。
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(2019TD01)的大力支持。在此一并表示感谢！
由于作者水平有限，书中不妥之处在所难免，衷心希望广大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
2019年4月

第5章

节奏大师之疯狂打地鼠

项目设计

本章根据陈文恺、谢岳项目设计整理而成。

 

本项目基于Arduino开发板设计一款具有计时功能、将节奏大师与打地鼠结合起来的游戏，玩家可以选择根据地鼠出现的顺序或者LED的提示，实现演奏功能。
5．1功能及总体设计
本项目根据地鼠出现的顺序(按照音乐《两只老虎》的节奏)，或者彩灯输出的顺序按下按键实现演奏音乐与打地鼠同步。在游戏里还加入了计时功能，记录玩家完成演奏一首音乐的时间并生成一条纪录(如果完成时间变短则更新纪录，否则保持之前纪录不变)，以此鼓励玩家不断地进行游戏并打破之前的纪录。
要实现上述功能需将作品分成四部分进行设计，即总体输入、处理部分、传输部分和输出部分。总体输入选用了焊接在万用板上的6个按键，每个按键对应一种音调，同时也各自对应1个LED和网页端的地鼠洞，当对应的LED亮或者出现地鼠的时候，按下按键即可演奏音乐，打下地鼠； 传输部分选用了ESP8266模块配合Arduino开发板实现，将LED输出的信息(程序生成的字符)同步传输到网页端，由暗变亮或者由亮变暗的LED对应地鼠出现或被打下； 处理部分由本地服务器和前端构成，将ESP8266传送的信息进行处理； 输出部分使用6个LED和网页端上显示的打地鼠界面实现。

1． 整体框架图
整体框架如图51所示。

图51整体框架图

 

2． 系统流程图
系统流程如图52所示。

图52系统流程图

预先在代码中写入了《两只老虎》的节奏。游戏开始之后，LED按照音乐的节奏由暗变亮。ESP8266将此信息传至服务器和前端，对此信息进行处理，控制网页端对应地鼠出现。根据网页端地鼠出现或者LED变亮的信息，正确按下对应按键，让蜂鸣器发出准确的音调，LED由亮变暗，网页端的地鼠被打下； 未按或者按错按键，不会发出声音或音调错误，则LED和网页端的地鼠都保持不变直至玩家按下正确的按键。
3． 总电路图
总电路如图53所示，引脚连接如表51所示。

图53总电路图

 

表51引脚连接表

 

元件及引脚名Arduino开发板引脚

ESP8266
UTXD
8
CH_PD
3．3V
VCC
3．3V
URXD
7
GND
GND

LED
LED1
13
LED2
12
LED3
11
LED4
10
LED5
9
LED6
A1

开关
KEY1
2
KEY2
3
KEY3
4
KEY4
5
KEY5
6
KEY6
A2