浙 江 省 普 通 高 中 兴 趣 特 长 类 选 修 课 程 电 子 教 材 Arduino 创 意 机 器 人 温 州 中 学 编 著 浙 江 省 教 育 厅 推 荐 浙 江 教 育 资 源 网 发 布 1 / 102
作 者 声 明 1 本 电 子 教 材 著 作 权 归 作 者 所 有, 未 经 作 者 授 权, 任 何 组 织 或 个 人 不 得 以 任 何 形 式 对 本 电 子 教 材 进 行 出 版 发 行 2 本 电 子 教 材 由 作 者 授 权 在 浙 江 教 育 资 源 网 发 布, 其 他 组 织 和 个 人 不 得 进 行 转 载 发 布 3 本 电 子 教 材 供 浙 江 省 普 通 高 中 选 用, 全 省 普 通 高 中 学 校 可 以 通 过 浙 江 教 育 资 源 网 实 名 下 载 本 电 子 教 材 的 电 子 版 及 相 关 教 育 资 源, 允 许 并 仅 供 在 本 校 范 围 内 用 于 选 修 课 教 学 4 本 电 子 教 材 存 在 的 疏 漏 错 误 之 处 敬 请 批 评 指 正, 欢 迎 相 关 专 家 老 师 与 作 者 联 系, 共 同 参 与 本 电 子 教 材 的 研 究 和 完 善 工 作 2 / 102
编 写 说 明 主 编 : 谢 作 如 参 与 编 写 : 张 禄 张 丽 芳 刘 正 云 3 / 102
前 言 机 器 人 教 育 融 机 械 传 感 与 控 制 等 为 一 体, 让 学 生 在 手 脑 并 用 解 决 实 际 问 题 的 过 程 中, 有 效 地 提 高 逻 辑 思 维 能 力 判 断 能 力 动 手 能 力 和 创 新 能 力, 是 实 施 素 质 教 育 的 一 个 重 要 平 台, 十 分 有 利 于 培 养 强 国 需 要 的 高 素 质 人 才 为 推 广 机 器 人 教 育, 中 国 教 育 技 术 协 会 专 业 委 员 会 启 动 了 机 器 人 进 课 堂 项 目 该 项 目 将 在 全 国 部 分 省 市 以 地 方 课 程 或 校 本 课 程 的 形 式 开 展 机 器 人 教 育 实 验, 从 试 点 开 始 逐 步 积 累 经 验, 扩 大 影 响, 直 至 形 成 遍 及 全 国 的 成 熟 的 机 器 人 教 育 课 程 温 州 中 学 有 幸 成 为 机 器 人 进 课 堂 项 目 的 首 批 实 验 学 校, 于 2011 年 开 始 实 施 基 于 Arduino 的 机 器 人 课 程 本 电 子 教 材 配 合 Arduino 创 意 机 器 人 课 程 进 行 使 用, 由 浙 江 省 温 州 中 学 谢 作 如 老 师 主 编, 南 师 大 教 育 科 学 学 院 研 究 生 张 禄 张 丽 芳 和 刘 正 云 三 位 同 学 一 起 参 与 编 写 作 为 面 向 中 小 学 的 Arduino 的 选 修 课 程, Arduino 创 意 机 器 人 设 计 了 大 量 需 要 学 生 动 手 实 践 的 任 务 或 者 实 验, 引 导 学 生 在 玩 中 学 做 中 学 本 电 子 教 材 共 设 计 了 22 课, 其 中 4 节 课 为 选 学 内 容 我 们 期 望 教 师 采 用 两 节 课 连 上 的 方 式, 以 9 个 专 题 18 课 时 的 形 式 展 开 教 学 当 然, 也 可 以 采 用 单 节 课 的 形 式, 其 中 教 材 中 的 1 课 刚 好 为 1 课 时, 根 据 学 生 的 学 习 情 况, 适 当 调 整 课 时 如 果 有 条 件, 建 议 增 加 几 个 综 合 创 意 的 活 动 课, 让 课 时 增 加 到 36 具 体 教 材 的 课 时 安 排 请 参 考 我 们 提 供 教 学 设 计 教 学 课 件 教 学 微 视 频 等 资 源 为 方 便 更 多 的 学 校 开 展 教 学, 也 方 便 学 生 们 根 据 网 络 视 频 教 材 自 学, 我 们 特 意 为 Arduino 创 意 机 器 人 教 材 设 计 了 学 习 套 件, 采 用 了 Arduino 中 国 代 理 商 DFRobot 公 司 的 各 种 模 块, 必 选 模 块 的 价 格 为 600 左 右 你 也 可 以 根 据 器 材 清 单, 通 过 淘 宝 网 的 其 他 店 铺 购 买 根 据 研 究 进 程, 我 们 将 推 出 其 他 品 牌 的 Arduino 学 习 套 件 本 电 子 教 材 的 讨 论 地 址 :http://blog.sina.com.cn/xiezuoru/ Arduino 创 意 机 器 人 学 习 套 件 购 买 地 址 :http://www.dfrobot.com.cn/ 4 / 102
教 材 目 录 绪 论 认 识 机 器 人...6 第 一 章 智 能 LED...10 第 1 课 走 进 Arduino 的 世 界... 11 第 2 课 闪 烁 LED...21 第 3 课 按 钮 控 制 的 LED...26 第 4 课 聪 明 的 按 钮...29 第 5 课 呼 吸 灯...32 第 6 课 光 控 LED...36 第 7 课 LED 综 合 创 意...41 第 二 章 智 能 风 扇...45 第 1 课 声 控 风 扇...46 第 2 课 换 挡 风 扇...51 第 3 课 自 动 变 速 风 扇...55 第 4 课 遥 控 风 扇...58 第 5 课 摇 头 风 扇...61 第 6 课 自 动 跟 踪 风 扇...65 第 7 课 风 扇 综 合 创 意...69 第 三 章 智 能 小 车...72 第 1 课 走 直 线 小 车...73 第 2 课 跳 8 字 舞 的 小 车...77 第 3 课 避 障 小 车...82 第 4 课 防 跌 落 小 车...86 第 5 课 巡 线 小 车 一...90 第 6 课 巡 线 小 车 二...95 第 7 课 小 车 综 合 创 意...98 附 录 :Arduino 机 器 人 教 学 套 件... 102 5 / 102
绪 论 认 识 机 器 人 科 技 每 时 每 刻 都 在 悄 然 改 变 着 我 们 的 生 活, 机 器 人 这 个 以 前 看 似 遥 不 可 及 的 事 物 已 经 慢 慢 融 入 了 我 们 的 日 常 生 活 中 什 么 是 机 器 人? 什 么 是 智 能 机 器 人? 怎 么 学 习 机 器 人 技 术? 在 绪 论 部 分, 我 们 将 了 解 机 器 人, 理 解 机 器 人 的 几 大 主 要 组 成 部 分 以 及 它 们 的 功 能 任 务 导 航 认 识 机 器 人 的 几 大 主 要 组 成 部 分 及 其 功 能 了 解 机 器 人 技 术 的 发 展 材 料 阅 读 1. 什 么 是 机 器 人? 机 器 人 (Robot) 这 个 词 最 早 出 现 在 上 世 纪 初 捷 克 科 幻 作 家 的 一 部 叫 做 罗 索 姆 的 万 能 机 器 人 的 小 说 中, 在 原 文 里 本 来 是 写 作 Robota 的, 后 来 慢 慢 演 变 成 了 大 家 都 接 受 的 Robot 一 词 不 过, 大 家 可 别 被 机 器 人 这 个 名 字 所 误 导, 认 为 机 器 人 就 一 定 长 得 和 我 们 人 类 有 几 分 相 似 实 际 上, 机 器 人 的 外 表 千 奇 百 怪, 很 多 和 我 们 人 类 的 外 表 没 有 半 点 相 似 性 可 言 那 么 机 器 人 是 如 何 定 义 的 呢? 科 学 家 们 说, 机 器 人 是 一 种 自 动 化 的 机 器, 能 够 依 靠 自 身 的 动 力 和 控 制 能 力 实 现 某 种 任 务, 这 种 机 器 具 备 一 些 与 人 或 生 物 相 似 的 智 能 能 力, 如 感 知 能 力 规 划 能 力 动 作 能 力 和 协 同 能 力 等 按 照 这 个 定 义, 我 们 日 常 生 活 中 每 天 都 接 触 到 的 很 多 机 械 设 备, 如 : 自 动 售 货 机 全 自 动 洗 衣 机 自 动 取 款 机 甚 至 是 红 外 感 应 的 自 动 冲 水 马 桶 都 能 算 是 机 器 人 了 看! 机 器 人 离 我 们 的 生 活 并 不 远, 对 吧? 而 智 能 机 器 人 比 起 一 般 的 机 器 人 来 又 进 了 一 步 如 果 一 个 机 器 人 能 够 利 用 传 感 器 感 知 外 部 世 界, 然 后 依 靠 自 身 的 智 能 对 外 界 环 境 的 变 化 做 出 反 应, 那 么 这 种 机 器 人 就 可 以 被 叫 做 智 能 机 器 人 了 2. 机 器 人 的 三 大 组 成 部 分 根 据 机 器 人 所 需 要 完 成 的 任 务 不 同, 它 们 的 设 计 也 是 千 差 万 别, 光 从 外 貌 很 难 看 出 规 律 不 过, 如 果 我 们 仔 细 地 对 它 们 做 个 总 结 就 会 发 现, 大 多 数 的 机 器 人 无 外 乎 包 括 下 面 的 几 个 部 分, 而 且 这 几 大 部 件 都 和 人 类 或 动 物 的 身 体 器 官 能 够 一 一 对 应 呢! 机 器 人 的 大 脑 主 控 制 器 和 我 们 人 类 的 大 脑 一 样, 机 器 人 的 大 脑 主 控 制 器, 是 机 器 人 最 核 心 的 部 件 我 们 为 机 器 人 编 写 的 各 种 控 制 程 序 和 人 工 智 能 程 序 都 要 运 行 在 主 控 制 器 中 由 机 器 人 的 传 感 器 得 到 的 众 多 的 外 界 环 境 信 息 在 这 里 得 到 汇 总, 然 后 控 制 器 中 的 人 工 智 能 程 序 就 会 对 这 些 信 息 进 行 处 理, 再 随 之 给 各 种 驱 动 器 执 行 器 发 出 控 制 命 令 机 器 人 就 是 以 这 种 方 式 去 执 行 各 种 各 样 实 际 的 任 务 了 那 么 主 控 制 器 具 体 是 什 么 东 西 呢? 实 际 上, 它 就 是 一 种 计 算 机 而 已 这 里 的 计 算 机 是 一 个 相 当 宽 泛 的 概 念, 它 们 可 不 仅 仅 是 指 我 们 家 里 每 天 用 的 个 人 电 脑 除 了 个 人 电 脑 外, 还 有 其 它 形 形 色 色 的 各 种 计 算 机, 小 到 只 有 同 学 们 指 甲 盖 大 小 的 单 片 机 (MCU), 大 到 要 装 满 几 个 大 房 间 的 超 级 计 算 机 而 这 些 计 算 机 中 最 广 泛 被 用 作 机 器 人 控 制 器 的 还 是 要 数 单 片 机 了 同 学 们 可 以 想 一 想, 如 果 我 们 要 制 造 一 台 全 自 动 洗 衣 机 前 面 说 过 了 全 自 动 洗 衣 机 也 是 一 种 机 器 人 那 么 用 上 一 台 个 人 电 脑 去 做 控 制 器, 是 不 是 就 有 些 杀 鸡 用 牛 刀 了 呢? 这 种 时 候, 单 片 机 就 可 以 大 展 拳 脚 了 单 片 机 是 典 型 的 麻 雀 虽 小, 五 脏 俱 全 一 片 小 小 的 单 6 / 102
片 机 中 就 包 括 了 中 央 处 理 器 存 储 器 定 时 器 数 字 输 入 / 输 出 接 口 模 拟 输 入 / 输 出 接 口 等 本 书 中 所 使 用 的 机 器 人 的 主 控 制 器 就 是 以 一 个 单 片 机 为 核 心 的, 它 的 计 算 能 力 说 出 来 可 能 会 吓 同 学 们 一 跳, 小 小 的 一 片 单 片 机 一 秒 钟 能 做 上 千 万 次 的 运 算 呢! 机 器 人 的 眼 睛 耳 朵 和 触 角 传 感 器 如 果 机 器 人 只 能 按 照 我 们 编 好 的 程 序 指 令 有 一 是 一, 有 二 是 二 地 行 动, 会 不 会 就 显 得 太 笨 了 呢? 科 学 家 们 早 就 想 办 法 让 机 器 人 具 备 了 更 高 的 智 能, 让 它 们 能 够 根 据 环 境 的 变 化 做 出 反 应 比 如 说, 现 在 已 经 有 服 务 机 器 人 可 以 根 据 主 人 家 里 的 温 度 变 化 调 节 空 调 暖 气, 让 人 类 主 人 一 直 处 于 舒 适 的 环 境 中 再 比 如 说, 在 国 外 的 一 些 博 物 馆 中 已 经 有 导 游 机 器 人 为 人 们 服 务 了, 它 们 能 不 知 疲 倦 地 带 领 你 进 行 参 观 并 且 进 行 讲 解 但 是 在 博 物 馆 中, 人 来 人 往, 导 游 机 器 人 怎 么 能 够 防 止 自 己 撞 上 其 他 游 客 呢? 这 些 能 力 就 要 靠 传 感 器 来 实 现 了 传 感 器 就 像 是 我 们 人 类 的 眼 睛 鼻 子 耳 朵 或 是 动 物 的 触 角 声 纳 它 们 可 以 将 环 境 中 的 声 光 电 磁 温 度 湿 度 等 物 理 量 转 化 为 机 器 人 的 大 脑 控 制 器 可 以 处 理 的 电 信 号 控 制 器 通 过 读 取 这 些 电 信 号 就 可 以 很 快 知 道 周 围 发 生 了 什 么, 然 后 其 中 的 智 能 程 序 就 可 以 根 据 周 围 环 境 的 变 化, 做 出 实 时 的 响 应 了 机 器 人 的 手 足 驱 动 器 和 执 行 器 前 面 所 举 的 机 器 人 的 例 子, 如 智 能 抽 水 马 桶 全 自 动 洗 衣 机 等, 都 是 没 有 移 动 能 力 的 机 器 人 但 是 想 想 看, 会 跑 的 机 器 人 也 许 能 更 好 地 帮 助 人 类, 我 们 可 不 想 家 里 的 智 能 管 家 机 器 人 只 能 呆 在 一 个 房 间 中, 对 吧? 因 此, 人 们 制 造 了 一 大 类 可 以 自 由 运 动 的 机 器 人, 它 们 被 称 作 移 动 机 器 人 而 帮 助 它 们 移 动 的 机 械 和 电 子 设 备 就 叫 做 驱 动 器 同 样, 机 器 人 的 驱 动 器 也 是 五 花 八 门 大 多 数 机 器 人 就 像 我 们 日 常 生 活 中 常 见 的 各 种 车 辆 一 样, 是 用 轮 子 或 者 履 带 运 动 的 也 有 机 器 人 应 用 仿 生 学 原 理, 像 人 或 动 物 一 样 用 两 足 四 足 或 六 足 的 方 式 运 动 还 有 的 机 器 人 可 以 螺 旋 桨 产 生 的 推 力 翱 翔 在 天 空, 可 以 像 蛟 龙 一 样 自 由 地 潜 入 水 下 看, 有 了 驱 动 器 的 帮 助, 是 不 是 机 器 人 变 得 上 山 下 海, 无 所 不 能 了 呢? 机 器 人 的 结 构 中 用 来 实 际 完 成 特 定 任 务 的 装 置 就 被 叫 做 执 行 器, 比 如 自 动 售 货 机 中, 把 货 物 取 出 交 给 顾 客 的 装 置 就 是 执 行 器 还 有 一 些 机 器 人 的 执 行 器 更 加 复 杂, 也 看 起 来 更 像 是 人 类 的 手 臂 现 代 工 厂 中 的 焊 接 机 器 人 喷 漆 机 器 人 码 垛 机 器 人 就 都 有 一 只 灵 活 强 壮 的 手 也 许 在 工 厂 中 做 某 些 技 术 活 儿 时, 机 器 人 还 是 不 如 有 经 验 的 人 类 师 傅 但 是 在 做 那 些 高 强 度 重 复 性 的 劳 动 时, 机 器 人 就 会 全 面 胜 出 了, 它 们 可 以 不 知 疲 倦 地 工 作, 又 快 又 好 地 完 成 任 务 现 在 最 先 进 的 机 器 人 已 经 可 以 进 行 复 杂 的 外 科 手 术 了 这 些 是 不 是 很 神 奇 呢? 动 手 操 作 活 动 主 题 : 寻 找 生 活 中 的 机 器 人 同 学 们 的 生 活 中 能 见 到 各 种 各 样 机 器 人 的 身 影, 让 我 们 睁 大 发 现 的 眼 睛, 去 寻 找 生 活 中 的 各 种 机 器 人, 并 且 用 这 节 课 我 们 教 给 大 家 的 思 路 分 析 它 们 的 几 大 组 成 部 分 吧, 把 你 的 结 果 填 写 在 下 面 的 表 格 中 表 1 寻 找 生 活 中 的 机 器 人 机 器 人 名 称 功 能 控 制 器 传 感 器 驱 动 器 执 行 器 例 子 : 智 能 冲 水 马 桶 感 知 到 有 人 使 用 后 自 动 冲 水 小 单 片 机 红 外 热 释 电 传 感 器 无 电 动 冲 水 装 置 7 / 102
探 究 思 考 不 管 是 终 结 者 还 是 I,Robot,AI 和 机 器 人 试 图 取 代 人 类, 都 是 一 种 极 为 普 遍 的 想 法 或 许 这 代 表 了 人 类 对 未 来 科 技 的 恐 慌, 但 并 未 阻 止 技 术 的 进 步 虽 然 人 类 往 往 拥 有 不 可 预 知 的 创 造 性, 但 机 器 人 在 很 多 方 面 都 具 备 先 天 优 势 所 以, 有 人 说 人 类 将 逐 步 失 业, 机 器 人 正 偷 走 人 类 的 工 作 请 思 考 一 下, 哪 些 工 作 将 逐 步 被 机 器 人 替 代? 人 类 该 做 出 哪 些 对 策? 视 野 拓 展 1. 机 器 人 是 如 何 帮 助 人 类 的? 机 器 人 可 以 代 替 人 类 完 成 重 复 性 高 强 度 的 体 力 劳 动 在 现 代 化 工 厂 中, 大 部 分 枯 燥 的 体 力 劳 动 都 可 以 用 不 知 疲 倦 的 工 业 机 器 人 代 替 工 人 师 傅 们 完 成 了, 工 人 师 傅 们 在 电 脑 屏 幕 后 就 可 以 完 成 原 来 又 脏 又 累 的 工 作 了 机 器 人 进 行 重 复 性 工 作 时 的 精 确 度 也 是 人 类 无 法 比 拟 的, 因 此 产 品 的 质 量 会 更 有 保 障 机 器 人 还 可 以 代 替 人 类 在 危 险 或 者 难 以 生 存 的 条 件 下 工 作 不 久 的 将 来, 大 家 就 会 发 现, 一 旦 发 生 自 然 灾 害 后, 救 灾 机 器 人 会 冲 在 第 一 线, 挽 救 灾 区 人 民 的 生 命 和 财 产 现 在 已 经 有 发 达 国 家 在 军 队 中 装 备 了 机 器 人, 这 种 机 器 人 可 以 负 重 几 百 公 斤 在 各 种 地 貌 环 境 中 前 进 从 月 球 火 星 到 海 底 火 山, 凡 是 科 学 家 们 需 要 探 索 的 地 方 都 少 不 了 机 器 人 的 身 影 美 国 发 射 的 几 代 火 星 探 索 机 器 人 已 经 正 在 火 星 上 进 行 科 考 工 作 了 机 器 人 还 可 以 与 人 类 和 谐 相 处 现 代 社 会 中 生 活 节 奏 变 得 越 来 越 快, 在 物 质 丰 富 的 同 时 也 产 生 了 各 种 社 会 问 题 越 来 越 多 的 空 巢 老 人 和 行 动 不 便 的 病 人 需 要 人 来 照 顾, 面 对 这 些 问 题, 科 学 技 术 能 如 何 帮 助 我 们 呢? 科 学 家 们 设 计 出 了 各 种 服 务 机 器 人, 来 满 足 我 们 的 要 求 请 递 给 我 一 杯 水 把 房 间 温 度 调 高 一 些 帮 我 接 通 社 区 医 院 的 电 话, 以 后 主 人 们 只 要 像 这 样 说 出 自 己 的 命 令, 服 务 机 器 人 就 会 及 时 满 足 他 们 的 要 求 了 除 了 帮 做 家 务, 当 主 人 感 到 孤 独 时, 机 器 人 宠 物 还 可 以 陪 伴 主 人, 给 主 人 精 神 慰 藉 根 据 最 新 的 报 道, 法 国 科 学 家 研 制 的 Nao 机 器 人, 已 经 被 用 于 治 愈 自 闭 症 儿 童, 并 且 产 生 了 惊 人 的 效 果 很 多 患 有 和 人 们 交 流 障 碍 的 儿 童, 通 过 和 Nao 机 器 人 的 相 处 改 变 了 自 己, 也 改 变 了 未 来 2. 什 么 是 单 片 机? 单 片 机 是 一 种 集 成 电 路 芯 片, 是 采 用 超 大 规 模 集 成 电 路 技 术 把 具 有 数 据 处 理 能 力 的 中 央 处 理 器 CPU 随 机 存 储 器 RAM 只 读 存 储 器 ROM 多 种 I/O 口 和 中 断 系 统 定 时 器 / 计 数 器 等 功 能 ( 可 能 还 包 括 显 示 驱 动 电 路 脉 宽 调 制 电 路 模 拟 多 路 转 换 器 A/D 转 换 器 等 电 路 ) 集 成 到 一 块 硅 片 上 构 成 的 一 个 小 而 完 善 的 微 型 计 算 机 系 统, 在 工 业 控 制 领 域 广 泛 应 用 从 上 世 纪 80 年 代, 由 当 时 的 4 位 8 位 单 片 机, 发 展 到 现 在 的 300M 的 高 速 单 片 机 一 些 功 能 比 较 简 单 的 机 器 人, 都 是 用 单 片 机 作 为 控 制 器 的 2. 怎 么 学 习 机 器 人 技 术? 机 器 人 技 术 并 非 高 不 可 攀 的 新 技 术, 但 是 其 涉 及 运 动 学 和 动 力 学 系 统 结 构 传 感 技 术 控 制 技 术 等 多 领 域 的 交 叉 学 科, 制 作 机 器 人 的 过 程, 就 是 整 合 科 学 技 术 数 学 领 域 的 知 识, 以 工 程 标 准 化 的 思 想 进 行 综 合 实 践 的 过 程 学 习 机 器 人 的 过 程, 大 致 可 以 分 为 模 仿 改 造 创 新 三 个 部 分, 循 序 渐 进, 螺 旋 上 升 如 果 有 能 力, 建 议 通 过 淘 宝 自 行 购 买 相 关 的 学 习 套 件, 8 / 102
将 自 己 的 创 意 实 现 出 来 挑 战 自 我 你 最 想 设 计 的 机 器 人 是 怎 么 样 的? 请 大 胆 想 象, 并 且 对 照 机 器 人 的 三 大 结 构, 分 别 写 出 机 器 人 各 个 的 功 能 9 / 102
第 一 章 智 能 LED 10 / 102
第 1 课 走 进 Arduino 的 世 界 对 喜 好 机 器 人 与 机 器 人 技 术 的 人 而 言, 除 了 希 望 了 解 机 器 人 的 定 义 及 其 构 成 之 外, 更 有 兴 趣 的 是 参 与 机 器 人 的 设 计 与 创 新, 那 么 我 们 到 底 通 过 什 么 来 制 作 机 器 人 呢? 大 家 有 没 有 接 触 过 Arduino? 通 过 这 节 课 的 学 习, 我 们 将 带 大 家 进 入 到 Arduino 的 神 奇 世 界 中 来 任 务 导 航 1. 认 识 Arduino, 了 解 Arduino 控 制 板 的 种 类 ; 2. 掌 握 Arduino 驱 动 的 安 装 ; 3. 体 验 Arduino 编 程 界 面 材 料 阅 读 1. 什 么 是 Arduino Arduino 是 一 个 基 于 开 放 源 码 的 软 硬 件 平 台, 构 建 于 开 放 源 码 simple I/O 界 面 版, 并 具 有 使 用 类 似 Java C 语 言 的 IDE 集 成 开 发 环 境 和 图 形 化 编 程 环 境 由 于 源 码 开 放 和 价 格 低 廉,Arduino 目 前 广 泛 地 应 用 于 欧 美 等 国 家 和 地 区 的 电 子 设 计 以 及 互 动 艺 术 设 计 领 域, 得 到 了 Make magazine( 中 文 版 名 称 为 爱 上 制 作 ) 等 出 版 物 和 Instructable 等 网 站 的 认 可 和 推 荐 Arduino 被 称 为 科 技 艺 术, 作 为 一 种 新 的 玩 具, 甚 至 新 的 艺 术 载 体, 吸 引 了 各 个 领 域 的 人 们 加 入 到 Arduino 的 神 奇 世 界 里 来 2.Arduino 板 子 种 类 Arduino 先 后 发 布 了 十 多 个 型 号 的 板 子, 有 可 以 缝 在 衣 服 上 的 LiLiPad, 也 有 为 Andriod 设 计 的 Mega, 也 有 最 基 础 的 型 号 UNO, 还 有 最 新 的 Leonardo, 如 图 1.1.1~1.1.4 所 示 图 1.1.1 LiLyPad 图 1.1.2 MEGA 11 / 102
图 1.1.3 UNO 图 1.1.4 Leonardo Arduino UNO 是 USB 系 列 的 最 新 版 本, 不 同 于 以 前 的 各 种 Arduino 控 制 器, 它 不 再 使 用 FIDI 的 USB 到 串 口 驱 动 芯 片, 而 是 把 Atmega8U2 编 程 为 一 个 USB 到 串 口 转 换 器, 目 前 Arduino UNO 已 成 为 Arduino 主 推 的 产 品 3.Arduino Romeo V1 本 书 使 用 的 Arduino 控 制 器 是 由 DFRobot 出 品 的 Arduino Romeo V1, 如 图 1.1.5 所 示 该 控 制 器 采 用 的 是 最 基 础 且 应 用 最 广 泛 的 UNO 板 卡 它 继 承 了 Arduino 328 控 制 器 所 有 的 特 性 而 且 集 成 了 电 机 驱 动 键 盘 IO 扩 展 板 无 线 数 据 串 行 通 讯 等 接 口 它 不 仅 可 以 兼 容 几 乎 所 有 Arduino 系 列 的 传 感 器 和 扩 展 板, 而 且 可 以 直 接 驱 动 12 个 舵 机 除 此 之 外, 它 还 提 供 了 更 多 人 性 化 设 计, 采 用 了 3P 彩 色 排 针, 能 够 对 应 传 感 器 连 接 线, 防 止 插 错 其 中 红 色 对 应 电 源, 黑 色 对 应 GND, 蓝 色 对 应 模 拟 口, 绿 色 对 应 数 字 口 (1) 处 理 器 :ATmega328; (2) 输 出 电 源 :5V(2A)/3.3V; (3) 数 字 IO 脚 :( 其 中,3 5 6 9 10 和 11 路 作 为 PWM 输 出 ), 数 字 口 的 值 为 0 或 1; (4) 模 拟 输 入 值 :A0-A7, 模 拟 口 的 值 为 0-1023 之 间 的 任 意 值 ; (5)EEPROM:1KB; (6)IIC:3 个 ( 其 中 有 两 个 是 90 度 针 脚 接 头 ); (7) 测 试 按 钮 :5 个 (S0-S4); (8) 复 位 按 钮 :1 个 (RST); (9) 工 作 时 钟 :16MHZ 12 / 102
图 1.1.5 Remeo Arduino Romeo V1 的 功 能 和 连 接 说 明 如 图 1.1.6 所 示 图 1.1.6 UNO 的 功 能 和 连 接 说 明 4.Arduino IDE 安 装 得 益 于 Arduino 的 开 源, 我 们 可 以 访 问 Arduino 的 官 方 网 站 (www.arduino.cc), 下 载 13 / 102
Arduino IDE 软 件, 该 软 件 用 来 编 写 程 序 并 上 传 程 序 到 控 制 器 上, 下 载 网 址 为 http://arduino.cc/en/main/software 这 里 要 提 醒 大 家 的 是 下 载 版 本 要 与 计 算 机 的 操 作 系 统 相 匹 配 该 软 件 下 载 之 后, 无 需 安 装, 解 压 后 即 可 使 用, 如 图 1.1.7 所 示 图 1.1.7 解 压 后 的 Arduino IDE 文 件 列 表 Arduino IDE 的 环 境 不 仅 有 文 本 式 的 编 程 环 境 ( 图 1.1.8 所 示 ), 还 有 图 形 化 积 木 式 的 编 程 环 境 ArduBlock( 图 1.1.9 所 示 ), 本 书 采 用 的 编 程 环 境 是 后 者 图 1.1.8 Arduino IDE 开 发 环 境 14 / 102
图 1.1.9 ArduBlock 开 发 环 境 5.Arduino 驱 动 的 安 装 Arduino 控 制 器 和 计 算 机 的 连 接 一 般 采 用 USB 连 接 线 计 算 机 第 一 次 连 接 上 Arduino 控 制 器, 需 要 安 装 驱 动, 以 后 再 将 Arduino 控 制 器 连 到 电 脑 上 之 后, 就 不 需 要 再 装 驱 动 了 驱 动 程 序 在 Arduino IDE 安 装 目 录 的 Drivers 文 件 夹 中 下 面 以 Windows 7 操 作 系 统 为 例, 介 绍 驱 动 安 装 过 程, 如 图 1.1.10~1.1.15 所 示 图 1.1.10 打 开 设 备 管 理 器, 找 到 Arduino UNO 设 备 15 / 102
图 1.1.11 选 择 浏 览 计 算 机 以 查 找 驱 动 程 序 软 件 图 1.1.12 选 择 驱 动 程 序 Drivers 所 在 的 文 件 夹 16 / 102
图 1.1.13 如 果 系 统 出 现 安 全 提 示, 选 择 安 装 图 1.1.14 安 装 完 毕 驱 动 程 序 安 装 之 后, 在 设 备 管 理 器 的 端 口 一 项 中 将 增 加 一 个 COM 口 设 备, 请 记 下 该 端 口 号, 如 图 1.1.15 所 示,Arduino 与 计 算 机 通 信 端 口 号 为 COM4 17 / 102
图 1.1.15 通 过 设 备 管 理 器 查 看 Arduino 的 COM 口 最 后 要 在 Arduino 开 发 环 境 中 设 置 相 应 的 串 口 号 以 及 Arduino 板 的 型 号, 注 意 Arduino 板 卡 的 型 号 为 Arduino UNO, 串 口 要 设 置 要 与 设 备 管 理 器 中 显 示 的 Arduino 的 COM 口 一 致 ( 比 如 我 们 这 里 的 COM4) 6. 体 验 Arduino 驱 动 安 装 完 之 后, 就 可 以 开 始 Arduino 之 旅 了 接 下 来 我 们 用 Arduino IDE 开 发 环 境 中 LED 闪 烁 的 示 例 来 体 验 一 下 Arduino 吧 在 Arduino UNO 板 的 13 号 针 脚 上 已 经 带 了 一 个 LED 灯, 如 图 1.1.16 所 示 点 击 文 件 > 示 例 > Basic >Blink, 这 时 会 弹 出 一 个 已 经 加 载 到 程 序 编 辑 区 的 IDE 环 境, 点 击 传 完 之 后 会 有 上 传 成 功 的 提 示, 大 家 会 看 到 LED 灯 在 不 停 的 闪 烁, 将 程 序 上 传 到 Arduino 控 制 器 中, 程 序 上 18 / 102
13 号 针 脚 的 LED 指 示 灯 图 1.1.16 数 字 针 脚 13 指 示 灯 动 手 操 作 活 动 主 题 一 :Arduino 驱 动 的 安 装 在 装 完 Arduino 驱 动 之 后, 要 打 开 设 备 管 理 器, 查 看 自 己 的 Arduino UNO 的 端 口, 并 在 打 开 Arduino IDE 之 后 修 改 端 口 号 使 其 保 持 一 致, 除 此 之 外 还 要 选 择 板 卡 为 Arduino UNO 活 动 主 题 二 : 上 传 Blink 示 例 程 序, 观 察 现 象 探 究 思 考 请 同 学 们 上 网 或 者 查 阅 相 关 的 资 料, 了 解 一 下 通 过 Arduino 平 台 可 以 制 作 哪 些 有 生 活 意 义 有 趣 的 智 能 人 造 物 视 野 拓 展 Arduino 的 历 史 Arduino 这 个 经 典 的 开 源 项 目, 诞 生 于 意 大 利 的 一 间 设 计 学 校 Arduino 的 核 心 开 发 团 队 成 员 包 括 :Massimo Banzi,David Cuartielles,Tom Igoe,Gianluca Martino,David Mellis 和 Nicholas Zambetti 19 / 102
据 说,Massimo Banzi 的 学 生 们 经 常 抱 怨 找 不 到 便 宜 好 用 的 微 控 制 器,2005 年 冬 天, Massimo Banzi 跟 朋 友 David Cuartielles 讨 论 了 这 个 问 题,David Cuartielles 是 一 个 西 班 牙 籍 晶 片 工 程 师, 当 时 在 这 所 学 校 做 访 问 学 者 两 人 决 定 设 计 自 己 的 电 路 板, 并 引 入 了 Banzi 的 学 生 David Mellis 为 电 路 板 设 计 编 程 语 言 两 天 以 后,David Mellis 就 写 出 了 程 式 码 又 过 了 三 天, 电 路 板 就 完 工 了 这 块 电 路 板 被 命 名 为 Arduino 几 乎 任 何 人, 即 使 不 懂 电 脑 编 程, 也 能 用 Arduino 做 出 很 酷 的 东 西, 比 如 对 感 测 器 作 出 回 应, 闪 烁 灯 光, 还 能 控 制 马 达 随 后 Banzi,Cuartielles, 和 Mellis 把 设 计 图 放 到 了 网 上 保 持 设 计 的 开 放 源 码 理 念, 因 为 版 权 法 可 以 监 管 开 源 软 件, 却 很 难 用 在 硬 件 上, 他 们 决 定 采 用 Creative Commons 许 可 Creative Commons(CC) 是 为 保 护 开 放 版 权 行 为 而 出 现 的 类 似 GPL 的 一 种 许 可 在 Creative Commons 许 可 下, 任 何 人 都 被 允 许 生 产 电 路 板 的 复 制 品, 还 能 重 新 设 计, 甚 至 销 售 原 设 计 的 复 制 品 你 不 需 要 付 版 税, 甚 至 不 用 取 得 Arduino 团 队 的 许 可 然 而, 如 果 你 重 新 发 布 了 引 用 设 计, 你 必 须 说 明 原 始 Arduino 团 队 的 贡 献 如 果 你 调 整 或 改 动 了 电 路 板, 你 的 最 新 设 计 必 须 使 用 相 同 或 类 似 的 Creative Commons 许 可, 以 保 证 新 版 本 的 Arduino 电 路 板 也 会 一 样 的 自 由 和 开 放 唯 一 被 保 留 的 只 有 Arduino 这 个 名 字, 它 被 注 册 成 了 商 标 如 果 有 人 想 用 这 个 名 字 卖 电 路 板, 那 他 们 可 能 必 须 付 一 点 商 标 费 用 给 Arduino 的 核 心 开 发 团 队 成 员 你 可 以 参 考 Arduino 的 官 方 网 站, 在 那 里 你 会 找 到 各 种 创 意 作 品 的 源 码, 当 然 也 有 很 多 机 器 人 应 用 实 例 代 码, 例 如 直 流 电 机 PWM 调 速 舵 机 控 制 超 声 波 测 距 红 外 传 感 器 寻 迹 等, 相 信 它 能 使 你 早 日 实 现 DIY 机 器 人 的 梦 想 挑 战 自 我 同 学 们 已 经 大 概 了 解 了 Arduino, 请 大 胆 想 象, 使 用 Arduino 可 以 制 作 哪 些 机 器 人 作 品? 20 / 102
第 2 课 闪 烁 LED 灯 是 我 们 日 常 生 活 中 最 常 见 的 电 器 之 一, 已 经 成 为 我 们 日 常 生 活 中 必 不 可 少 的 电 器, 我 们 可 以 通 过 开 关 或 者 声 音 控 制 灯 的 亮 灭, 那 么 我 们 能 否 用 Arduino 来 实 现 呢? 如 何 实 现? 这 节 课 我 们 来 用 Arduino 点 亮 一 盏 灯 任 务 导 航 1. 熟 悉 ArduBlock; 2. 搭 建 电 路 ; 3. 制 作 一 个 闪 烁 的 LED 材 料 阅 读 1.ArduBlock ArduBlock( 图 1.2.1 所 示 ) 是 一 款 为 Arduino 设 计 的 图 形 化 编 程 软 件, 是 Arduino 官 方 编 程 环 境 的 第 三 方 软 件, 目 前 必 须 依 附 于 Arduino IDE 软 件 运 行 ArduBlock 是 使 用 图 形 化 积 木 搭 建 的 方 式 编 程 的, 这 样 的 方 式 加 强 了 编 程 的 可 视 化 和 交 互 性, 降 低 了 编 程 门 槛, 即 使 没 有 编 程 经 验 的 人 也 可 以 尝 试 给 Arduino 控 制 器 编 写 程 序 除 此 之 外 我 们 还 可 以 对 程 序 进 行 批 注 图 1.2.1 ArduBlock 编 程 环 境 程 序 中 的 各 个 模 块 都 是 从 左 侧 的 模 块 库 里 拖 进 编 程 界 面 的, 然 后 用 这 些 模 块 积 木 进 行 拼 接, 拼 接 对 了, 会 发 出 一 声 咔 的 清 脆 响 声 如 果 要 删 去 模 块, 直 接 把 不 需 要 的 模 块 拖 出 编 程 界 面 即 可 当 我 们 编 写 好 一 个 程 序, 点 击 编 程 环 境 上 方 的 上 载 到 Arduino 按 钮, 会 发 现 Arduino 文 本 式 的 编 程 环 境 上 的 上 传 图 标 也 开 始 工 作 了, 而 且 在 Arduino 文 本 式 的 编 程 环 境 里 还 生 成 了 文 本 式 的 代 码 程 序 上 传 成 功 之 后, 文 本 式 的 文 本 环 境 下 面 会 提 示 我 们 上 传 成 功 21 / 102
2.Arduino 与 LED 模 块 的 连 接 LED(Light Emitting Diode, 发 光 二 极 管 ) 是 一 种 能 够 将 电 能 转 化 为 可 见 光 的 固 态 半 导 体 器 件, 如 图 1.2.2 所 示 它 可 以 直 接 把 电 能 转 化 为 光, 具 有 体 积 小 耗 电 量 低 高 亮 度 低 热 量 使 用 寿 命 长 的 特 点, 是 Arduino 机 器 人 作 品 中 实 现 光 效 功 能 的 最 佳 选 择 LED 发 光 模 块 具 有 红 绿 蓝 等 多 种 颜 色, 并 且 只 能 显 示 一 种 颜 色, 如 图 1.2.3 所 示 一 般 来 说,LED 接 到 Arduino 上, 需 要 串 联 限 流 电 阻 图 1.2.2 发 光 二 极 管 图 1.2.3 LED 发 光 模 块 本 书 使 用 的 LED 发 光 模 块 是 由 DFRobot 出 品 的 数 字 食 人 鱼 LED 发 光 模 块, 如 图 1.2.3 所 示 该 发 光 模 块 利 用 SMT 将 LED 二 极 管 焊 在 可 爱 的 PCB 板 上, 然 后 引 出 3P 接 口, 我 们 通 过 3P 线 将 LED 发 光 模 块 插 到 Arduino 的 数 字 口 上 即 可 不 管 是 LED 发 光 模 块 还 是 连 接 到 Arduino 控 制 器 的 其 他 传 感 器, 一 般 有 三 条 连 接 线, 分 别 为 输 入 电 压 ( 标 注 为 + 或 5V 或 VCC 等 ) 输 出 信 号 ( 标 注 为 D 或 S 等 ) 以 及 地 线 ( 标 注 为 - 或 GND 等 ), 这 三 条 线 分 别 和 Arduino 控 制 器 的 数 字 口 或 者 模 拟 口 连 接 这 三 条 线 分 别 连 接 电 压 数 字 口 或 者 模 拟 口 地 以 LED 发 光 模 块 与 Arduino 的 连 接 为 例, 连 接 图 如 图 1.2.4 所 示 22 / 102
图 1.2.4 控 制 器 与 LED 发 光 模 块 的 接 连 接 好 线 之 后 要 记 住 接 的 针 脚 号, 如 图 接 的 是 数 字 针 脚 3 这 里 要 提 醒 大 家 的 是 在 接 线 的 时 候, 黑 色 的 线 接 黑 色 的 针 脚, 即 GND, 红 色 的 线 接 红 色 针 脚, 即 VCC, 绿 色 的 线 接 信 号 针 脚, 即 D 除 此 之 外, 数 字 针 脚 0 和 1 用 于 计 算 机 和 Arduino 之 间 的 通 信, 其 中 数 字 针 脚 0 用 于 接 收 信 号, 数 字 针 脚 1 用 于 发 送 信 号, 所 以 在 接 线 的 时 候 数 字 针 脚 0 和 1 不 要 接 3. 制 作 闪 烁 的 LED 数 字 针 脚 的 值 为 1 或 0, 即 高 电 平 或 低 电 平, 我 们 使 用 的 这 款 LED 发 光 模 块, 高 电 平 可 以 点 亮 LED, 而 低 电 平 则 熄 灭 LED 其 中 延 迟 模 块 的 功 能 是 上 一 个 模 块 执 行 的 持 续 时 间, 例 如 延 迟 1000 毫 秒, 指 的 是 上 一 个 模 块 会 持 续 执 行 1000 毫 秒 动 手 操 作 主 题 一 : 制 作 闪 烁 的 LED 在 了 解 了 Arduino 的 相 关 知 识, 也 熟 悉 了 ArduBlock 编 程 环 境 之 后, 我 们 自 己 动 手 制 作 闪 烁 的 LED 吧 器 材 :Arduino 板 子 LED USB 数 据 线 1. 硬 件 搭 建 同 学 们 在 连 接 LED 发 光 模 块 与 Arduino 控 制 器 时, 要 注 意 黑 线 一 般 接 GND, 红 线 接 5V, 第 三 根 线 接 数 字 针 脚, 同 时 要 记 住 自 己 接 的 针 脚 号 在 这 里 提 醒 大 家 数 字 针 脚 0 和 1 不 要 接 2. 参 考 程 序 图 1.2.5 闪 烁 LED 程 序 3. 程 序 下 载, 观 察 现 象 在 下 载 程 序 之 前, 要 提 醒 同 学 们 是 查 看 自 己 的 板 卡 和 端 口 号 是 否 正 确,ArduBlock 编 程 环 境 里 面 的 数 字 针 脚 号 是 否 与 LED 发 光 模 块 接 到 Arduino 控 制 器 上 的 数 字 针 脚 号 一 致 主 题 二 : 模 拟 交 通 灯 红 灯 亮 A 秒 之 后 灭 掉, 绿 灯 亮 B 秒 之 后 灭 掉, 黄 灯 亮 C 秒 之 后 灭 掉, 以 此 类 推 器 材 :Arduino 板 子 三 个 LED USB 数 据 线 1. 硬 件 搭 建 将 三 个 LED 发 光 模 块 分 别 接 在 Arduino 控 制 器 的 数 字 口 2. 参 考 程 序 23 / 102
图 1.2.6 模 拟 交 通 灯 探 究 思 考 大 家 已 经 学 会 了 制 作 闪 烁 的 LED, 想 想 日 常 生 活 中 哪 些 地 方 用 到 了 LED? 这 些 LED 有 何 功 能? 有 什 么 效 果? 视 野 拓 展 全 彩 的 LED 我 们 前 面 使 用 的 LED 发 光 模 块, 尽 管 有 红 绿 蓝 等 多 种 颜 色, 但 是 只 能 显 示 一 种 颜 色 其 实, 还 有 一 种 类 型 的 LED, 它 可 以 显 示 多 种 颜 色, 这 类 LED 称 为 全 彩 LED 全 彩 LED 内 置 了 红 (Red) 绿 (Green) 和 蓝 (Blue) 三 种 颜 色 的 灯 珠, 通 过 控 制 不 同 颜 色 灯 珠 的 亮 度, 根 据 三 原 色 的 原 理 调 出 多 种 颜 色 常 见 的 LED 大 屏 幕 都 是 利 用 这 用 原 理 进 行 调 色, 呈 现 出 全 彩 的 效 果 8*8 LED RGB Matrix 是 由 DFRobot 出 品 的 一 个 XY 轴 可 任 意 级 联 的 三 色 全 彩 LED 显 示 矩 阵 模 块, 如 图 1.2.6 所 示 它 可 以 用 于 显 示 图 片 和 文 字, 支 持 多 图 层 和 各 图 层 的 各 种 平 移 效 果 24 / 102
图 1.2.7 8*8 LED RGB Matrix 挑 战 自 我 现? 大 家 已 经 学 会 了 制 作 闪 烁 的 LED, 想 想 还 能 做 哪 些 效 果 的 LED? 流 水 灯 的 效 果 能 否 实 25 / 102
第 3 课 按 钮 控 制 的 LED 在 上 节 课 我 们 已 经 学 会 了 制 作 闪 烁 的 LED, 即 用 程 序 来 控 制 LED 的 变 化, 而 控 制 的 实 现 只 能 靠 不 同 时 间 的 间 隔 来 表 现 一 些 特 殊 的 闪 烁 方 式, 这 好 像 有 些 呆 板 了, 而 且 实 际 应 用 大 都 是 利 用 外 部 信 号 来 控 制 的, 如 日 常 生 活 中 我 们 的 灯 一 般 是 通 过 开 关 来 控 制 的, 我 们 也 先 用 简 单 的 按 钮 来 控 制 LED 吧 任 务 导 航 1. 认 识 按 钮, 正 确 连 接 电 路 ; 2. 制 作 按 钮 按 下 亮, 放 开 灭 的 LED; 3. 制 作 按 钮 按 下 亮, 延 时 一 段 时 间, 自 动 灭 的 LED 材 料 阅 读 1. 按 钮 按 钮, 也 称 为 按 键, 是 一 种 常 用 的 控 制 电 器 元 件, 常 用 来 接 通 或 断 开 控 制 电 路 ( 其 中 电 流 很 小 ), 从 而 达 到 控 制 电 动 机 或 其 他 电 气 设 备 运 行 目 的 的 一 种 开 关 我 们 使 用 的 按 钮 如 图 1.3.1 所 示, 也 叫 做 按 压 式 的 开 关 数 字 输 入 模 块, 能 够 实 现 非 常 有 趣 的 互 动 作 品, 该 按 钮 模 块 使 用 大 按 钮 加 优 质 按 键 帽, 使 用 方 便 可 以 做 到 即 插 即 用 按 钮 有 两 种 状 态, 即 按 下 或 者 放 开 我 们 使 用 的 这 款 按 钮 按 下 是 1(HIGH), 放 开 是 0(LOW), 注 意 不 同 厂 家 生 产 的 按 钮 可 能 不 同 按 钮 模 块 与 LED 模 块 一 样, 也 是 接 Arduino 控 制 器 的 数 字 口, 通 常 黑 线 接 GND, 红 线 接 5V, 绿 线 接 数 字 针 脚 图 1.3.1 按 钮 2. 选 择 结 构 -- 如 果 当 我 们 需 要 判 断 某 些 结 果 来 决 定 是 否 要 执 行 不 同 的 程 序 时, 选 择 性 结 构 是 一 个 很 方 便 的 结 构, 判 断 结 果 决 定 是 否 执 行 内 部 的 程 序 选 择 性 语 句 的 判 断 有 如 果 和 如 果 否 则 在 程 序 当 中, 若 有 以 上 几 种 结 构, 便 会 依 据 不 同 的 条 件 选 择, 执 行 不 同 的 程 序 片 段, 以 达 成 不 同 的 目 的 这 节 课 我 们 主 要 来 学 习 如 果 模 块 选 择 结 构 如 果 的 基 本 形 式 : 图 1.3.2 选 择 结 构 如 果 其 语 义 是 : 如 果 条 件 满 足 即 值 为 真, 则 执 行 模 块 里 面 语 句, 否 则 不 执 行 该 语 句 其 过 程 可 表 示 为 图 1.3.3 其 中 判 断 条 件 既 可 以 是 关 系 运 算 也 可 以 是 逻 辑 运 算 26 / 102
图 1.3.3 选 择 结 构 3. 数 字 口 的 输 出 (1) 功 能 : 读 取 指 定 数 字 针 脚 的 输 入 值 (2) 参 数 : 需 要 读 取 输 入 值 的 针 脚 号 (3) 实 例 : 含 义 是 读 取 数 字 针 脚 3 的 值 动 手 操 作 主 题 一 : 制 作 按 钮 按 下 亮, 放 开 灭 的 LED 1. 硬 件 搭 建 连 接 电 路 时, 按 钮 模 块 与 LED 模 块 一 样, 都 要 接 到 数 字 口 器 材 :Arduino 控 制 器 LED 模 块 按 钮 模 块 以 及 USB 数 据 线 2. 参 考 程 序 图 1.3.4 按 钮 按 下 亮, 放 开 灭 的 LED 主 题 二 : 制 作 按 钮 按 下 亮, 延 时 一 段 时 间, 自 动 关 闭 的 LED 1. 生 活 实 例 (1) 走 廊 里 的 灯, 亮 了 之 后 过 一 会 自 动 关 闭 了 (2) 中 国 地 质 大 学 学 生 发 明 了 投 币 式 台 灯, 当 硬 币 投 入 台 灯 下 的 储 蓄 罐 中 时, 台 灯 便 可 开 始 照 明, 半 小 时 后, 灯 自 动 熄 灭 2. 参 考 程 序 27 / 102
图 1.3.5 按 钮 按 下 亮, 延 时 一 段 时 间, 自 动 关 闭 的 LED 探 究 思 考 除 了 以 上 按 钮 控 制 LED 亮 灭 的 效 果, 还 可 以 用 按 钮 控 制 LED 实 现 哪 些 效 果? 视 野 拓 展 波 段 开 关 一 般 的 开 关 如 前 面 介 绍 的 按 钮 只 有 两 种 状 态 即 按 下 或 者 放 开, 如 果 说 需 要 输 出 多 个 状 态 的 话, 我 们 还 需 要 再 接 几 个 按 钮 到 Arduino 控 制 器 上 面, 而 波 段 开 关 它 有 多 种 状 态 以 DFRobot 出 品 的 波 段 开 关 为 例, 如 图 1.3.6 所 示, 该 模 块 波 段 开 关 是 一 种 通 过 旋 转 来 调 整 信 号 输 出 的 开 关 它 只 需 要 一 个 模 拟 口 就 能 读 取 12 个 状 态, 大 大 节 省 了 其 他 数 字 端 口 而 且 这 款 波 段 开 关 具 备 12 个 档 位, 每 个 档 位 边 上 都 有 LED 显 示, 产 生 炫 酷 的 灯 光 效 果, 我 们 可 以 实 时 了 解 档 位 的 状 态, 非 常 方 便 挑 战 自 我 图 1.3.6 波 段 开 关 请 同 学 们 尝 试 实 现 按 钮 按 下 LED 亮, 再 按 下 LED 灭 28 / 102
第 4 课 聪 明 的 按 钮 一 般 来 说, 家 里 面 的 灯 都 是 通 过 开 关 来 控 制 的, 即 按 下 开, 再 按 下 关, 那 么 能 否 用 Arduino 实 现 呢 这 节 课 我 们 一 起 来 学 习 用 按 钮 开 关 实 现 按 下 开, 再 按 下 关 的 LED 效 果 任 务 导 航 1. 掌 握 布 尔 类 型 和 变 量 ; 2. 制 作 按 钮 按 下 开, 再 按 下 关 的 LED 材 料 阅 读 1. 变 量 和 常 量 在 编 程 过 程 中 变 量 和 常 量 是 基 本 的 数 据 对 象 编 写 程 序 总 是 要 与 各 种 数 据 打 交 道, 如 马 达 的 速 度 等 待 的 时 间 等, 这 就 需 要 涉 及 到 变 量 和 常 量 了 常 量 指 的 是 程 序 在 运 行 过 程 中, 其 值 不 能 改 变 的 数 据, 如 图 1.4.1 所 示 其 中 常 量 分 为 数 字 常 量 字 符 常 量 字 符 串 常 量 等 图 1.4.1 ArduBlock 环 境 中 的 常 量 变 量 是 指 在 程 序 中 用 来 代 表 数 据 的 字 符, 这 些 字 符 的 值 是 可 以 变 化 的, 其 中 变 量 有 多 种 类 型, 如 数 字 变 量 模 拟 变 量 字 符 串 变 量 字 符 变 量 等 等 ArduBlock 环 境 中 的 部 分 变 量 如 下 图 1.4.2 所 示 图 1.4.2 变 量 2. 布 尔 类 型 布 尔 类 型 (bool) 用 于 表 示 真 / 假 该 类 型 的 变 量 值 只 能 是 0 或 者 1 无 论 赋 予 任 何 非 零 值 给 该 类 型 的 变 量, 它 的 值 都 只 会 是 1 表 4-1 布 尔 类 型 灯 亮 1 真 TRUE 高 电 平 高 电 位 按 下 按 钮 HIGH 灯 灭 0 假 FALSE 低 电 平 低 电 位 放 开 按 钮 LOW 3. 非 运 算 符 29 / 102
运 算 符 是 告 诉 编 译 程 序 执 行 特 定 算 术 或 逻 辑 操 作 的 符 号 运 算 符 主 要 分 为 三 大 类 : 算 术 运 算 符 关 系 运 算 符 与 逻 辑 运 算 符 按 位 运 算 符 我 们 这 节 课 主 要 来 学 习 逻 辑 运 算 符 里 面 的 非 运 算 非 运 算 是 单 目 符 号 运 算 的 一 种, 所 谓 单 目 运 算 符 就 是 只 有 需 要 一 个 操 作 数 的 运 算 符 非 运 算 的 符 号 是!, 其 意 思 就 是 取 与 表 达 式 相 反 的 值, 若 表 达 式 值 为 真, 则 逻 辑 非 运 算 结 果 为 假 例 如, 如 果 数 字 针 脚 的 值 为 0, 非 0 就 是 1 即 真 ; 相 反 如 果 数 字 针 脚 的 值 为 1, 非 1 就 是 0 即 假 3. 按 钮 抖 动 通 常 的 按 键 所 用 开 关 为 机 械 弹 性 开 关, 当 机 械 触 点 断 开 闭 合 时, 由 于 机 械 触 点 的 弹 性 作 用, 一 个 按 键 开 关 在 闭 合 时 不 会 马 上 稳 定 地 接 通, 在 断 开 时 也 不 会 一 下 子 断 开 因 而 在 闭 合 及 断 开 的 瞬 间 均 伴 随 有 一 连 串 的 抖 动, 为 了 不 产 生 这 种 现 象 而 作 的 措 施 就 是 按 键 消 抖 而 最 简 单 的 消 抖 方 法 就 是 加 入 延 时 动 手 操 作 主 题 : 制 作 按 钮 按 下 开, 再 按 下 关 的 LED 1. 硬 件 搭 建 电 路 的 连 接 跟 我 们 上 节 课 的 一 样, 这 里 还 是 要 特 别 强 调 一 下 我 们 的 按 钮 模 块 接 数 字 口, 并 且 黑 线 接 GND, 红 线 接 5V, 第 三 根 线 接 信 号 针 脚 在 接 好 电 路 之 后, 要 记 住 自 己 接 的 是 哪 个 数 字 口 器 材 :Arduino Romeo 控 制 器 按 钮 LED 发 光 模 块 以 及 数 据 线 2. 参 考 程 序 一 参 考 程 序 二 图 1.4.3 按 钮 按 下 开, 再 按 下 关 的 LED 30 / 102
提 示 : 参 考 程 序 二 加 了 延 时 探 究 思 考 1. 请 同 学 们 下 载 程 序, 仔 细 观 察 LED 的 稳 定 性 如 何? 解 释 为 什 么 出 现 这 种 现 象? 如 何 来 解 决? 2. 思 考 一 个 按 钮 控 制 LED, 还 有 哪 些 情 况? 视 野 拓 展 1. 按 钮 抖 动 现 象 通 常 的 按 键 所 用 开 关 为 机 械 弹 性 开 关, 当 机 械 触 点 断 开 闭 合 时, 由 于 机 械 触 点 的 弹 性 作 用, 一 个 按 键 开 关 在 闭 合 时 不 会 马 上 稳 定 地 接 通, 在 断 开 时 也 不 会 一 下 子 断 开 因 而 在 闭 合 及 断 开 的 瞬 间 均 伴 随 有 一 连 串 的 抖 动, 为 了 不 产 生 这 种 现 象 而 作 的 措 施 就 是 按 键 消 抖, 如 图 1.4.4 所 示 抖 动 时 间 的 长 短 由 按 键 的 机 械 特 性 决 定, 一 般 为 5ms~10ms 这 是 一 个 很 重 要 的 时 间 参 数, 在 很 多 场 合 都 要 用 到 图 1.4.4 按 键 抖 动 按 键 稳 定 闭 合 时 间 的 长 短 则 是 由 操 作 人 员 的 按 键 动 作 决 定 的, 一 般 为 零 点 几 秒 至 数 秒 键 抖 动 会 引 起 一 次 按 键 被 误 读 多 次 为 确 保 CPU 对 键 的 一 次 闭 合 仅 作 一 次 处 理, 必 须 去 除 键 抖 动 在 键 闭 合 稳 定 时 读 取 键 的 状 态, 并 且 必 须 判 别 到 键 释 放 稳 定 后 再 作 处 理 2. 按 钮 消 抖 消 抖 是 为 了 避 免 在 按 键 按 下 或 是 抬 起 时 电 平 剧 烈 抖 动 带 来 的 影 响 按 键 的 消 抖, 可 用 硬 件 或 软 件 两 种 方 法 一 般 来 说, 我 们 会 使 用 软 件 方 法 去 抖, 即 检 测 出 键 闭 合 后 执 行 一 个 延 时 程 序,5ms~10ms 的 延 时, 让 前 沿 抖 动 消 失 后 再 一 次 检 测 键 的 状 态, 如 果 仍 保 持 闭 合 状 态 电 平, 则 确 认 为 真 正 有 键 按 下 当 检 测 到 按 键 释 放 后, 也 要 给 5ms~10ms 的 延 时, 待 后 沿 抖 动 消 失 后 才 能 转 入 该 键 的 处 理 程 序 软 件 消 抖 的 方 法 是 不 断 检 测 按 键 值, 直 到 按 键 值 稳 定 实 现 方 法 : 假 设 未 按 键 时 输 入 1, 按 键 后 输 入 为 0, 抖 动 时 不 定 可 以 做 以 下 检 测 : 检 测 到 按 键 输 入 为 0 之 后, 延 时 5ms~10ms, 再 次 检 测, 如 果 按 键 还 为 0, 那 么 就 认 为 有 按 键 输 入 延 时 的 5ms~10ms 恰 好 避 开 了 抖 动 期 挑 战 自 我 1. 思 考 能 否 用 模 拟 变 量 实 现 按 钮 按 下 LED 亮, 再 按 下 LED 灭? 2. 两 个 按 钮 控 制 LED, 有 哪 些 效 果? 思 考 并 尝 试 实 现 31 / 102
第 5 课 呼 吸 灯 在 前 面 的 实 例 当 中, 我 们 都 是 用 基 于 Arduino 控 制 器 来 控 制 LED 灯 的 亮 或 灭 的 变 化 但 是 并 没 有 体 现 LED 的 电 压 由 高 到 低 或 者 由 低 到 高 的 变 化, 即 中 间 过 程 没 有 得 到 体 现 但 有 时 要 有, 比 如 在 歌 舞 厅 或 演 唱 会 上, 为 了 达 到 很 好 的 灯 光 效 果, 有 时 要 使 灯 的 亮 暗 变 化 是 个 渐 渐 的 过 程, 即 是 个 连 续 变 化 的 过 程 那 我 们 能 否 实 现 呢? 任 务 导 航 1. 认 识 呼 吸 灯 ; 2. 掌 握 PWM; 3. 掌 握 模 拟 输 出 ; 4. 掌 握 当 循 环 材 料 阅 读 1. 呼 吸 灯 呼 吸 灯, 顾 名 思 义, 就 是 灯 光 在 微 电 脑 控 制 之 下 完 成 由 亮 到 暗 的 逐 渐 变 化, 感 觉 像 是 在 呼 吸 广 泛 应 用 于 手 机 之 上, 并 成 为 各 大 品 牌 新 款 手 机 的 卖 点 之 一 如 果 你 的 手 机 里 面 有 未 处 理 的 通 知, 比 如 说 未 接 来 电, 未 查 收 的 短 信 等 等, 呼 吸 灯 就 会 由 暗 到 亮 的 变 化, 像 呼 吸 一 样 那 么 有 节 奏, 起 到 一 个 通 知 提 醒 的 作 用 2.PWM 现 今 多 数 系 统 皆 采 用 数 字 控 制 的 方 式, 由 核 心 微 处 理 器 接 收 回 传 的 感 测 信 息, 并 针 对 与 目 标 的 差 值 再 调 整 输 出 而 数 字 信 号 只 有 0 与 1 两 种 变 化, 怎 么 调 整 输 出 值 的 大 小 满 足 需 求 呢? 这 时 我 们 可 以 将 数 字 信 号 转 化 成 模 拟 信 号, 这 就 需 要 我 们 的 PWM 了 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM), 是 英 文 Pulse Width Modulation 的 缩 写, 简 称 脉 宽 调 制, 是 利 用 微 处 理 器 的 数 字 输 出 来 对 模 拟 电 路 进 行 控 制 的 一 种 非 常 有 效 的 技 术, 广 泛 应 用 在 从 测 量 通 信 到 功 率 控 制 与 变 换 的 许 多 领 域 中, 它 可 以 将 数 字 信 号 转 化 为 模 拟 信 号 Arduino Romeo 控 制 器 的 数 字 口 上 有 6 个 针 脚 支 持 PWM 信 号, 即 3 5 6 9 10 和 11 PWM 的 输 出 值 为 0~255,LED 发 光 模 块 接 到 这 几 个 针 脚 上 面, 就 可 以 控 制 LED 的 亮 度, 不 会 只 有 单 纯 的 亮 跟 灭 两 种 选 择 这 里 要 注 意 的 是 LED 发 光 模 块 是 可 以 调 亮 度 的, 有 些 LED 发 光 模 块 不 能 调 节 亮 度, 即 便 插 在 这 借 个 针 脚 上 面, 也 无 法 控 制 LED 的 亮 度 本 书 用 的 LED 发 光 模 块 是 可 以 调 节 亮 度 的 3. 模 拟 针 脚 的 输 入 (1) 功 能 : 将 指 定 的 值 给 模 拟 口 (2) 参 数 :Pin 是 需 要 输 入 值 的 针 脚 号 ;Value 的 取 值 为 0~255 之 间 的 任 意 值 (3) 实 例 : 意 思 就 是 将 模 拟 针 脚 3 的 值 设 32 / 102
定 为 255 4. 当 循 环 前 面 介 绍 的 选 择 结 构 只 能 判 断 一 次, 只 有 程 序 流 程 重 新 来 过 时, 才 会 再 次 判 断 而 某 些 情 况 下 还 需 要 条 件 满 足 的 时 候 不 断 地 重 复 执 行 某 些 语 句, 这 就 需 要 循 环 型 的 控 制 语 句 如 重 复 循 环 或 当 循 环 了 当 循 环 的 基 本 形 式 : 功 能 描 述 : 当 条 件 成 立 即 为 真 (1) 的 时 候, 执 行 循 环 体 内 的 语 句, 且 循 环 体 会 重 复 执 行 ; 当 条 件 不 成 立 的 时 候 即 为 假 (0) 时, 跳 出 循 环 体, 结 束 循 环 如 果 条 件 始 终 成 立, 则 会 进 入 死 循 环, 循 环 体 一 直 执 行 下 去 动 手 操 作 主 题 一 : 数 值 控 制 LED 亮 度 1. 硬 件 搭 建 在 连 接 电 路 时,LED 模 块 要 接 到 数 字 口 支 持 PWM 信 号 的 针 脚 上, 即 3 5 6 9 10 和 11 器 材 :Arduino Romeo 控 制 器 LED 发 光 模 块 以 及 数 据 线 2. 参 考 程 序 主 题 二 : 制 作 呼 吸 灯 33 / 102
图 1.5.1 呼 吸 灯 参 考 程 序 探 究 思 考 1. 能 否 用 按 钮 控 制 LED 的 亮 度 情 况? 如 何 实 现? 2. 你 会 使 用 条 件 语 气 制 作 呼 吸 灯? 3. 还 可 以 制 作 哪 些 效 果 的 LED? 视 野 拓 展 1.PWM PWM, 脉 宽 调 制 : 即 通 过 一 系 列 脉 冲 的 宽 带 来 调 制 ( 或 控 制 ) 来 等 效 得 到 所 需 要 的 波 形 ( 包 括 形 状 和 幅 值 ), 比 如 图 1.5.2 所 示, 咱 们 可 以 通 过 很 多 脉 冲 来 恢 复 得 到 正 弦 波 形 这 也 可 以 从 高 中 所 学 积 分 的 面 积 等 效 的 原 理 解 释 比 如 第 1 个 脉 冲 所 围 的 面 积, 等 于 第 一 个 脉 冲 前 由 正 弦 波 形 围 成 的 面 积 通 过 改 变 方 波 的 占 空 比, 就 可 以 改 变 等 效 的 输 出 电 压 波 形 试 想 一 下, 如 果 每 个 脉 冲 的 宽 度 相 等, 则 所 等 效 的 波 形 为 一 条 直 线, 即 为 直 流 电 压 信 号 PWM 调 制 广 泛 应 用 与 电 机 调 速 和 阀 门 控 制 中 比 如 现 在 的 电 动 车 就 是 通 过 PWM 调 速 的 34 / 102
图 1.5.2 PWM 2. 数 字 信 号 和 模 拟 信 号 数 字 信 号 : 是 指 幅 度 取 值 离 散 的, 其 值 被 限 制 在 有 限 域 范 围 内, 如 二 进 制 码 就 是 一 种 离 散 信 号 其 特 点 是 抗 干 扰 能 力 强, 易 于 数 字 信 号 处 理 现 在 很 多 信 号 基 本 上 都 是 数 字 信 号, 如 手 机 信 号, 计 算 机 处 理 信 息 等 等 模 拟 信 号 : 是 指 其 信 号 波 形 是 连 续 变 化 的, 咱 们 可 以 在 任 意 的 瞬 间 取 值 由 于 模 拟 信 号 易 受 干 扰 影 响, 不 容 易 处 理, 一 般 都 是 先 将 模 拟 信 号 离 散 成 数 字 信 号, 以 便 处 理 两 者 的 区 别 如 下 图 1.5.4 所 示 : 挑 战 自 我 图 1.5.4 A/D 区 别 前 面 我 们 已 经 学 过 了 用 按 钮 控 制 LED 的 亮 灭, 请 同 学 们 尝 试 用 按 钮 控 制 呼 吸 灯 35 / 102
第 6 课 光 控 LED 既 然 Arduino 能 够 输 出 模 拟 的 电 压, 那 么 Arduino 能 不 能 感 知 到 外 界 模 拟 的 信 号 呢, 如 声 音 光 线 等 信 息? 这 些 就 需 要 用 到 我 们 的 传 感 器 了 这 节 课 我 们 就 来 学 习 利 用 传 感 器 感 知 外 界 的 信 息 来 控 制 LED 任 务 导 航 1. 认 识 传 感 器 ; 2. 能 够 正 确 连 接 传 感 器, 并 利 用 传 感 器 信 息 进 行 相 应 的 控 制 ; 3. 掌 握 串 口 监 视 器 的 使 用 材 料 阅 读 1. 传 感 器 传 感 器 是 一 种 物 理 装 置 或 生 物 器 官, 能 够 探 测 感 受 外 界 的 信 号 物 理 条 件 ( 如 光 热 湿 度 ) 或 化 学 组 成 ( 如 烟 雾 ), 并 将 探 知 的 信 息 传 递 给 其 他 装 置 或 器 官 传 感 器 一 般 由 敏 感 元 件 转 换 器 件 和 转 换 电 路 三 个 部 分 组 成, 通 过 敏 感 元 件 获 取 外 界 信 息 并 转 换 成 电 信 号 输 出, 然 后 由 控 制 器 进 行 分 析 处 理, 如 图 1.6.1 所 示 图 1.6.1 传 感 器 结 构 可 以 从 不 同 的 维 度 对 传 感 器 进 行 分 类, 这 里 我 们 只 介 绍 以 其 输 出 信 号 为 标 准 对 传 感 器 进 行 分 类, 可 以 分 为 : 模 拟 传 感 器 将 被 测 量 的 非 电 学 量 转 换 成 模 拟 电 信 号, 如 声 音 传 感 器 光 线 传 感 器 等 数 字 传 感 器 将 被 测 量 的 非 电 学 量 转 换 成 数 字 输 出 信 号 ( 包 括 直 接 和 间 接 转 换 ), 如 寻 线 传 感 器 防 跌 落 传 感 器 等 开 关 传 感 器 当 一 个 被 测 量 的 信 号 达 到 某 个 特 定 的 阈 值 时, 传 感 器 相 应 地 输 出 一 个 设 定 的 低 电 平 或 高 电 平 信 号, 如 按 钮 其 中 开 关 传 感 器 以 及 数 字 传 感 器 统 称 为 数 字 传 感 器 2. 光 线 传 感 器 光 线 传 感 器 也 称 环 境 光 线 传 感 器, 本 书 使 用 的 光 线 传 感 器 是 由 DFRobot 出 品 的 模 拟 环 境 光 线 传 感 器, 如 图 1.6.2 所 示 该 传 感 器 模 块 可 以 用 来 对 环 境 光 线 的 强 度 进 行 检 测, 通 常 用 来 制 作 随 光 线 强 度 变 化 产 生 特 殊 效 果 的 互 动 作 品 36 / 102
图 1.6.2 光 线 传 感 器 光 线 传 感 器 是 一 种 模 拟 传 感 器, 它 要 接 到 Arduino Romeo 控 制 板 的 模 拟 口 上, 值 范 围 为 0~1023, 光 线 强 弱 的 不 同 会 输 出 不 同 的 值, 光 线 越 强 数 值 越 大, 光 线 越 暗 数 值 越 小 光 线 传 感 器 在 接 线 时, 也 是 黑 线 接 GND, 红 线 接 5V, 第 三 根 线 接 模 拟 针 脚 光 线 传 感 器 与 Arduino Romeo 控 制 器 的 连 接 示 意 图, 如 图 1.6.3 所 示 3. 串 口 监 视 器 图 1.6.3 光 线 传 感 器 与 Arduino 的 连 接 光 线 传 感 器 可 以 检 测 当 前 环 境 的 光 线 值, 那 光 线 值 到 底 是 多 少 呢? 这 就 需 要 用 到 串 口 监 视 器 了 ArduBlock 开 发 环 境 下 的 ( 串 口 监 视 器 ) 用 来 监 控 串 口 的 通 讯 状 况 单 击 串 口 监 视 器 按 钮 后 将 出 现 类 似 于 如 图 1.6.4 所 示 的 窗 口 串 口 监 视 器 可 以 显 示 从 37 / 102
Arduino Romeo 控 制 器 发 来 的 数 据, 比 如 光 线 传 感 器 声 音 传 感 器 的 值 等 Serial Monitor ( 串 口 监 视 器 ) 是 非 常 有 用 的 工 具, 特 别 是 在 调 试 程 序 时 图 1.6.4 串 口 监 视 器 串 口 输 出 要 用 到, 具 体 使 用 方 法 如 图 1.6.5 所 示 : 图 1.6.5 串 口 输 出 针 脚 值 这 里 要 提 醒 大 家 的 是 其 中 的 message 模 块 可 有 可 无, 而 且 message 模 块 里 面 的 message 可 以 改 为 其 它 的 字 符 串 ; 如 果 我 们 要 输 出 的 模 拟 传 感 器 的 值, 我 们 要 选 择 和 模 拟 量 结 合 模 块, 如 果 是 数 字 传 感 器 或 者 LED 发 光 模 块 的 值, 我 们 要 选 择 和 数 字 量 结 合 模 块, 其 中 数 字 针 脚 或 者 模 拟 针 脚 换 成 我 们 传 感 器 或 者 LED 发 光 模 块 的 阵 脚 值 动 手 操 作 主 题 一 : 读 取 光 线 传 感 器 的 值 1. 硬 件 搭 建 光 线 传 感 器 模 块 要 接 到 Arduino 控 制 器 模 拟 口 上 器 材 :Arduino Romeo 控 制 器 USB 线 光 线 传 感 器 2. 参 考 程 序 38 / 102
图 1.6.6 串 口 输 出 光 线 传 感 器 的 值 主 题 二 : 制 作 光 控 LED 1. 作 品 描 述 如 果 光 线 暗,LED 点 亮, 否 则 LED 熄 灭 2. 硬 件 搭 建 光 线 传 感 器 模 块 要 接 到 Arduino 控 制 器 模 拟 口 上,LED 发 光 模 块 接 到 Arduino 控 制 器 的 数 字 针 脚 上 器 材 :Arduino Romeo 控 制 器 USB 线 光 线 传 感 器 以 及 LED 发 光 模 块 3. 参 考 程 序 提 示 : 程 序 中 30 是 光 线 暗 的 时 候 传 感 器 的 值 图 1.6.7 光 控 LED 探 究 思 考 利 用 光 线 传 感 器 还 可 以 实 现 那 些 效 果 的 LED? 光 线 传 感 器 还 可 以 控 制 那 些 东 西? 能 不 能 制 作 其 他 效 果 的 LED? 视 野 拓 展 映 射 ArduBlock 编 程 环 境 中 有 一 个 映 射 模 块, 该 模 块 可 以 将 一 定 范 围 内 的 一 个 值 转 化 为 另 一 个 范 围 内 的 值 下 面 简 单 介 绍 一 下 该 模 块 的 使 用 39 / 102
下 面 给 大 家 举 个 简 单 的 例 子, 比 如 说 0~100 之 间 的 20 可 以 转 化 为 0~10 之 间 的 2 这 节 课 我 们 实 现 了 光 控 LED, 即 光 线 暗 LED 亮, 光 线 强 LED 灭 ; 我 们 也 知 道 了 光 线 传 感 器 的 值 为 0~1023, 而 LED 的 亮 度 为 0~255, 那 么 能 否 根 据 光 线 光 线 的 强 弱 控 制 LED 的 亮 度 呢? 利 用 映 射 实 现 挑 战 自 我 我 们 已 经 学 会 了 用 按 钮 或 者 传 感 器 控 制 LED 的 亮 灭 和 明 暗, 请 同 学 们 想 想, 我 们 还 可 以 制 作 那 些 有 创 意 的 LED? 还 能 用 那 些 传 感 器 控 制 我 们 的 LED? 40 / 102
第 7 课 LED 综 合 创 意 通 过 前 面 几 节 课 的 学 习, 我 们 已 经 了 解 并 学 会 了 利 用 按 钮 或 者 传 感 器 来 控 制 LED 的 亮 度 以 及 明 暗 情 况, 在 我 们 一 起 设 计 和 开 发 的 过 程 中, 同 学 们 有 没 有 产 生 一 些 创 意 的 想 法 呢? 这 节 课 我 们 就 来 制 作 一 些 有 创 意 的 LED 任 务 导 航 1. 熟 悉 防 跌 落 传 感 器 和 声 音 传 感 器 ; 2. 设 计 并 尝 试 实 现 一 个 创 意 的 LED 作 品 材 料 阅 读 1. 声 音 传 感 器 本 书 所 用 到 的 声 音 传 感 器 使 用 的 是 DFrobot 出 品 的 模 拟 声 音 传 感 器, 如 图 1.7.1 所 示 这 是 一 款 简 单 实 惠 的 电 子 耳 朵, 它 可 以 用 来 对 周 围 环 境 的 声 音 强 度 进 行 检 测, 并 转 化 为 模 拟 信 号, 检 测 到 的 声 音 强 度 与 输 出 电 压 成 正 比, 它 通 常 用 来 制 作 一 些 与 声 音 有 关 的 机 器 人 作 品, 例 如 听 到 声 音 点 亮 LED, 延 时 一 段 时 间 LED 自 动 关 闭 该 传 感 器 模 块 的 接 线 与 光 线 传 感 器 模 块 的 接 线 相 同, 同 样 接 的 是 模 拟 口 图 1.7.1 声 音 传 感 器 2. 防 跌 落 传 感 器 本 书 使 用 的 数 字 防 跌 落 传 感 器 模 块 采 用 夏 普 的 红 外 测 距 模 块, 如 图 1.7.2 所 示 该 模 块 输 出 的 数 字 信 号, 有 效 距 离 10cm, 当 检 测 到 10cm 内 有 障 碍 物 时, 输 出 低 电 平 ; 而 没 有 检 测 到 障 碍 物 时, 输 出 高 电 平 该 模 块 也 有 三 个 针 脚, 接 线 方 法 与 LED 发 光 模 块 一 样, 红 色 接 VCC, 黑 色 接 GND, 第 三 根 线 接 数 字 针 脚 同 样, 使 用 该 传 感 器 也 可 以 制 作 一 些 创 意 的 机 器 人 作 品, 例 如 使 用 两 个 防 跌 落 传 感 器 可 以 制 作 手 势 控 制 LED, 比 如 手 势 从 左 到 右 点 亮 LED; 手 势 从 右 到 左 熄 灭 LED 41 / 102
图 1.7.2 数 字 防 跌 落 传 感 器 动 手 操 作 主 题 一 : 声 控 灯 ( 听 到 声 音 LED 亮, 再 听 到 声 音 LED 灭 ) 1. 硬 件 搭 建 在 连 接 电 路 时, 声 音 传 感 器 模 块 要 接 到 模 拟 口 上 面,LED 发 光 模 块 接 到 数 字 口 器 材 :Arduino Romeo 控 制 器 USB 线 声 音 传 感 器 以 及 LED 模 块 2. 参 考 程 序 图 1.7.4 声 控 LED 主 题 二 : 制 作 手 势 控 制 LED 1. 硬 件 搭 建 在 搭 建 硬 件 时, 两 个 数 字 防 跌 落 传 感 器 以 及 LED 发 光 模 块 接 到 数 字 口 上 面 器 材 :Arduino Romeo 控 制 器 USB 线 两 个 数 字 防 跌 落 传 感 器 以 及 LED 模 块 2. 参 考 程 序 42 / 102
主 题 三 : 其 他 创 意 的 LED 图 1.7.4 手 势 控 制 LED 探 究 思 考 同 学 们 互 相 交 换 自 己 的 创 意 LED, 并 相 互 评 价 视 野 拓 展 风 能 驱 动 的 LED 路 灯 这 是 一 款 可 以 被 风 驱 动 的 LED 路 灯, 如 图 1.7.5 所 示 外 面 的 灯 罩 是 透 明 的 扇 片 并 排 列 成 圆 筒 型, 点 亮 后 与 我 们 传 统 的 走 马 灯 相 似, 而 中 间 就 是 低 能 耗 的 LED 灯, 只 要 风 速 达 到 1.5 米 / 秒 就 可 以 被 点 亮,LED 功 率 不 大 却 足 够 照 亮 附 近 的 区 域 白 天 只 要 有 风 转 动 灯 罩,LED 路 灯 就 能 将 风 能 转 化 成 电 能 储 存 起 来, 如 同 涓 涓 细 流 般 汇 聚 起 来 让 LED 灯 点 亮 整 个 晚 上 这 款 利 用 风 能 的 LED 路 灯 将 风 能 发 电 部 分 与 LED 路 灯 完 美 地 融 为 一 体, 简 单 而 实 用, 而 且 扇 片 快 速 转 动 时 透 出 光 线 的 效 果 也 是 很 独 特 的 无 需 额 外 的 电 网 供 电 与 控 制, 幽 蓝 色 的 LED 路 灯 能 够 很 好 地 融 入 自 然 环 境, 在 幽 暗 的 环 境 里 为 人 们 提 供 一 个 明 亮 的 守 候 图 1.7.5 风 能 驱 动 的 LED 路 灯 43 / 102
直 接 用 手 指 掌 控 的 LED 灯 现 实 生 活 中 我 们 习 惯 用 开 关 来 控 制 灯 光 的 关 闭, 灯 的 亮 度, 现 在 介 绍 的 是 一 款 可 以 带 触 摸 的 智 能 控 制 灯 亮 程 度 的 LED 台 灯, 如 图 1.7.6 所 示 或 许 这 样 酷 的 台 灯 会 出 现 在 某 个 精 致 的 书 吧, 在 面 板 上 方 用 手 指 轻 触 感 应 用 手 指 跨 度 的 距 离 对 LED 灯 光 强 弱 进 行 控 制, 关 闭 灯 光 的 方 式 是 迅 速 划 过 面 板 挑 战 自 我 图 1.7.6 手 指 掌 控 的 LED 同 学 们 想 一 想 我 们 还 可 以 制 作 那 些 有 创 意 的 LED? 我 们 设 计 的 LED 还 有 那 些 地 方 需 要 改 进? 44 / 102
第 二 章 智 能 风 扇 45 / 102
第 1 课 声 控 风 扇 风 扇 是 我 们 生 活 中 常 见 的 家 用 电 器, 它 是 通 过 直 流 电 机 带 动 扇 叶 转 动 的, 可 以 用 Arduino 控 制 风 扇 吗? 如 何 控 制 呢? 在 这 节 课 里, 我 们 可 以 理 解 Arduino 控 制 直 流 电 机 的 方 式 以 及 制 作 声 控 风 扇 任 务 导 航 1. Romeo 控 制 直 流 电 机 ; 2. 制 作 声 控 风 扇 材 料 阅 读 1.Romeo 控 制 直 流 电 机 Romeo 控 制 器 不 仅 继 承 Arduino328 控 制 器 所 有 的 特 性, 而 且 集 成 了 电 机 驱 动 按 钮 IO 扩 展 板 无 线 数 据 串 行 通 讯 等 接 口 由 于 本 节 课 主 要 用 到 的 是 带 动 风 扇 的 电 机, 这 里 就 主 要 讲 解 一 下 Romeo 中 直 流 电 机 的 控 制 控 制 LED 是 将 LED 模 块 直 接 连 接 到 数 字 针 脚, 那 么 控 制 风 扇 是 不 是 也 将 电 机 直 接 连 接 到 数 字 针 脚 呢? 当 然 不 是, 因 为 针 脚 直 接 输 出 的 电 流 太 小, 无 法 带 动 电 机 转 动, 所 以 需 要 专 门 的 电 机 输 出 Romeo 板 的 L298 驱 动 Romeo 中 电 机 控 制 针 跳 线, 将 分 配 用 于 电 机 控 制 针 脚 为 数 字 口 4 5 6 7 拔 掉 跳 线 将 释 放 数 字 口, 电 机 控 制 器 将 被 禁 用 接 线 图 如 2.1.1 所 示, 连 接 电 机 的 地 方 变 式 电 机 驱 动 模 块 另 外,Romeo 可 以 使 用 外 接 电 源, 也 可 不 使 用, 通 过 跳 线 控 制 图 2.1.1 电 机 接 线 图 Romeo 控 制 电 机 有 两 种 模 式 :PWM 模 式 和 PLL 模 式, 这 里 我 们 用 到 的 是 PWM 模 式, PLL 模 式 在 视 野 拓 展 中 会 有 介 绍 通 过 改 变 两 个 数 字 IO 针 脚 和 两 个 PWM 针 脚 的 PWM 对 直 流 电 动 机 控 制 端 口 实 现 如 表 2.1.1 是 PWM 控 制 模 式 的 针 脚 分 配, 图 2.1.2 是 对 应 的 实 物 其 中,M1 是 电 机 1,M2 是 电 机 2 表 2.1.1 PWM 针 脚 分 配 针 脚 功 能 4 电 机 1 的 方 向 控 制 46 / 102
5 电 机 1 的 PWM 控 制 6 电 机 2 的 PWM 控 制 7 电 机 2 的 方 向 控 制 2. 模 拟 声 音 传 感 器 图 2.1.2 PWM 控 制 模 式 模 拟 声 音 传 感 器 是 一 款 简 单 实 惠 的 电 子 耳 朵, 它 能 听 到 声 音 的 大 小, 并 转 化 为 模 拟 信 号 通 过 模 拟 反 馈 电 压 信 号 的 大 小 值 体 现 环 境 声 音 的 大 小 要 一 个 简 单 的 3 芯 数 据 线 就 能 将 它 连 接 到 大 脑 Arduino 控 制 器 Arduino 在 听 到 不 同 强 弱 的 声 音 后 做 出 你 设 定 的 反 应 它 是 基 于 麦 克 风 为 声 音 检 测 的 传 感 器, 可 用 来 对 周 围 环 境 中 的 声 音 强 度 进 行 检 测, 具 有 300 倍 的 放 大 器, 输 出 模 拟 信 号 能 使 用 3.3V 和 5V 为 基 准 AD 采 集, 可 以 用 来 实 现 根 据 声 音 大 小 进 行 互 动 的 效 果 制 作 声 控 机 器 人 声 控 开 关 声 控 报 警 等 实 物 如 图 2.1.3 所 示, 接 线 时 注 意 连 接 模 拟 针 脚 动 手 操 作 图 2.1.3 模 拟 声 音 传 感 器 主 题 : 制 作 我 的 声 控 风 扇 同 学 们 在 了 解 了 相 关 的 知 识 后, 可 以 自 己 制 作 本 课 的 声 控 风 扇 了, 我 们 用 到 的 器 材 主 要 是 Romeo 板 子 模 拟 声 音 传 感 器 风 扇 ( 带 直 流 电 机 ) 1. 声 控 风 扇 的 连 接 在 连 接 物 理 电 路 时, 需 要 注 意 : 模 拟 声 音 传 感 器 接 到 模 拟 口 ( 程 序 中, 传 感 器 连 接 的 是 47 / 102
模 拟 口 1, 电 机 接 的 是 M1 接 线 柱 ) 2. 读 取 模 拟 声 音 传 感 器 的 值 3. 声 控 风 扇 的 参 考 程 序 图 2.1.4 读 取 模 拟 声 音 传 感 器 的 值 图 2.1.5 声 控 风 扇 探 究 思 考 请 同 学 们 讨 论 一 下, 在 生 活 中 声 控 风 扇 可 以 用 在 哪 里 呢? 哪 些 地 方 也 用 到 了 声 音 控 制? 视 野 拓 展 1. 直 流 电 机 的 控 制 方 式 直 流 电 机 是 将 直 流 电 能 转 换 成 机 械 能 的 装 置, 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 一 种 机 器 人 驱 动 器 件, 具 有 效 率 高 调 速 性 能 好 和 起 动 转 矩 大 等 特 点 直 流 电 机 应 用 磁 感 应 原 理 将 电 能 转 换 为 机 械 能, 在 磁 场 中 放 入 通 有 电 流 的 导 体 就 会 产 生 磁 感 应 效 应 图 2.1.7 中 所 示 为 一 个 典 型 的 直 流 电 机 控 制 电 路 电 路 得 名 于 H 桥 驱 动 电 路 是 因 为 它 的 形 状 酷 似 字 母 H 在 这 里,4 个 三 极 管 组 成 H 的 4 条 垂 直 腿, 而 电 机 就 是 H 中 的 横 杠 ( 注 意 : 图 2.1.7 及 随 后 的 两 个 图 都 只 是 示 意 图, 而 不 是 完 整 的 电 路 图, 其 中 三 极 管 的 驱 动 电 路 没 有 画 出 来 ) 如 图 所 示,H 桥 式 电 机 驱 动 电 路 包 括 4 个 三 极 管 和 一 个 电 机 要 使 电 机 运 转, 必 须 导 通 对 角 线 上 的 一 对 三 极 管 根 据 不 同 三 极 管 对 的 导 通 情 况, 电 流 可 能 会 从 左 至 右 或 从 右 至 左 流 过 电 机, 从 而 控 制 电 机 的 转 向 48 / 102
图 2.1.6 H 桥 驱 动 电 路 示 意 图 要 使 电 机 运 转, 必 须 使 对 角 线 上 的 一 对 三 极 管 导 通 例 如, 如 图 2.1.8 所 示, 当 Q1 管 和 Q4 管 导 通 时, 电 流 就 从 电 源 正 极 经 Q1 从 左 至 右 穿 过 电 机, 然 后 再 经 Q4 回 到 电 源 负 极 按 图 中 电 流 箭 头 所 示, 该 流 向 的 电 流 将 驱 动 电 机 顺 时 针 转 动 当 三 极 管 Q1 和 Q4 导 通 时, 电 流 将 从 左 至 右 流 过 电 机, 从 而 驱 动 电 机 按 特 定 方 向 转 动 ( 电 机 周 围 的 箭 头 指 示 为 顺 时 针 方 向 ) 图 2.1.7 H 桥 驱 动 电 动 机 顺 时 针 转 动 图 2.1.9 所 示 为 另 一 对 三 极 管 Q2 和 Q3 导 通 的 情 况, 电 流 将 从 右 至 左 流 过 电 机 当 三 极 管 Q2 和 Q3 导 通 时, 电 流 将 从 右 至 左 流 过 电 机, 从 而 驱 动 电 机 沿 另 一 方 向 转 动 ( 电 机 周 围 的 箭 头 表 示 为 逆 时 针 方 向 ) 49 / 102
图 2.1.8 H 桥 驱 动 电 动 机 逆 时 针 转 动 2.PLL 控 制 模 式 Romeo 也 支 持 PLL 相 位 锁 相 环 控 制 模 式 如 表 2.1.2 是 PLL 控 制 模 式 的 针 脚 分 配, 图 2.1.10 是 对 应 的 实 物 图 表 2.1.2 PLL 针 脚 分 配 针 脚 功 能 4 电 机 1 启 用 控 制 5 电 机 1 方 向 控 制 6 电 机 2 方 向 控 制 7 电 机 2 启 用 控 制 图 2.1.9 PLL 控 制 模 式 对 这 种 控 制 模 式 感 兴 趣 的 同 学 可 以 利 用 网 络 查 找 并 了 解 一 下 挑 战 自 我 我 们 制 作 的 声 控 风 扇 有 声 音 时 转 动, 没 声 音 时 马 上 就 停 掉 了, 如 果 想 让 风 扇 过 一 会 在 停 掉, 可 以 怎 样 解 决 呢? 回 想 一 下 LED 中 学 过 按 钮 可 以 控 制 LED 的 亮 灭, 可 以 控 制 风 扇 的 开 关 吗? 自 己 尝 试 一 下 50 / 102
第 2 课 换 挡 风 扇 家 中 的 风 扇 一 般 是 可 以 换 挡 的, 而 上 节 课 我 们 制 作 的 风 扇 的 不 能 实 现 这 个 功 能 Arduino 可 以 制 作 出 换 挡 风 扇 吗? 答 案 是 肯 定 的, 这 节 课 就 来 学 习 换 挡 风 扇 的 制 作 任 务 导 航 1. 掌 握 选 择 结 构 的 嵌 套 ; 2. 进 一 步 熟 悉 PWM 控 制 直 流 电 机 的 速 度 ; 3. 制 作 换 挡 风 扇 材 料 阅 读 1. 选 择 结 构 我 们 前 面 已 经 学 习 过 选 择 结 构, 包 括 如 果 和 如 果 否 则 两 种 基 本 结 构, 如 图 2.2.1 所 示 : 图 2.2.1 选 择 结 构 其 实 选 择 结 构 还 可 以 嵌 套 使 用, 如 图 2.2.2 所 示 : 图 2.2.2 选 择 结 构 的 嵌 套 2. 用 按 钮 换 挡 用 按 钮 换 挡 可 以 制 作 出 换 挡 风 扇, 用 自 然 语 言 描 述 换 挡 风 扇 的 功 能 : 初 始 状 态 是 空 档, 风 扇 静 止 ; 按 钮 按 下 一 次, 风 扇 一 档, 风 扇 转 动 稍 快 ; 再 按 一 次, 风 扇 二 档, 风 扇 转 动 更 快 ; 再 按 一 次, 回 空 挡, 风 扇 停 止 转 动 控 制 风 扇 转 速 是 通 过 设 定 针 脚 5 的 值, 前 提 是 电 机 接 的 M1 接 线 柱 ; 若 接 M2 的 话, 则 是 设 定 针 脚 6 的 值 注 意 : 值 的 取 值 范 围 应 该 是 0-255 之 间 动 手 操 作 51 / 102
主 题 : 制 作 我 的 换 挡 风 扇 同 学 们 在 了 解 了 相 关 的 知 识 后, 可 以 自 己 制 作 本 课 的 换 挡 风 扇 了, 我 们 用 到 的 器 材 主 要 是 Romeo 板 子 按 钮 风 扇 ( 带 直 流 电 机 ) 1. 换 挡 风 扇 的 连 接 在 连 接 物 理 电 路 时, 需 要 注 意 : 按 钮 接 到 数 字 口 上 ( 程 序 中, 按 钮 连 接 的 是 数 字 口 2, 电 机 接 的 是 M1 接 线 柱 ) 2. 换 挡 风 扇 的 参 考 程 序 探 究 思 考 图 2.2.3 换 挡 风 扇 想 一 想, 你 做 的 换 挡 风 扇 性 能 如 何, 符 合 你 的 预 期 吗? 请 同 学 们 相 互 讨 论 一 下, 你 的 风 扇 还 可 以 做 哪 些 改 进, 或 者 是 还 可 以 添 加 哪 些 创 意 的 效 果 视 野 拓 展 1.ArduBlock 中 控 制 电 机 的 模 块 我 们 都 使 用 了 设 定 针 脚 数 字 值 和 设 定 针 脚 模 拟 值 这 亮 个 模 块 来 控 制 电 机 的 转 动, 以 控 制 电 机 M1 为 例, 我 们 可 以 通 过 设 定 针 脚 4 的 高 低 电 平 来 控 制 其 转 动 方 向, 通 过 设 定 针 脚 5 的 PWM 值 来 控 制 其 转 动 速 度 其 实,ArduBlock 还 为 我 们 提 供 了 其 它 的 电 机 控 制 模 块 在 教 育 机 器 人 一 栏 中, 分 别 有 电 机 运 行 设 置 电 机 停 止 电 机 三 个 电 机 控 制 模 块 下 面 我 们 就 分 别 介 绍 一 下 这 三 个 模 块 电 机 运 行 模 块 如 图 2.2.4 所 示, 是 同 时 设 置 电 机 M1 和 M2 的 转 动 方 向 和 转 动 速 度 参 数 的 正 负 代 表 转 动 方 向, 参 数 值 大 小 代 表 转 动 速 度, 参 数 范 围 在 -100 到 100 之 间 52 / 102
图 2.2.4 电 机 运 行 模 块 设 置 电 机 模 块 如 图 2.2.5 所 示, 是 设 置 某 一 个 电 机 的 转 动 方 向 与 转 动 速 度 上 面 参 数 是 电 机 编 号, 下 面 参 数 是 电 机 转 动 方 向 和 转 动 速 度, 同 电 机 运 行 图 2.2.5 设 置 电 机 模 块 停 止 电 机 模 块 如 图 2.2.6 所 示, 是 停 止 所 有 电 机 图 2.2.6 停 止 电 机 模 块 这 几 个 模 块 使 用 起 来 都 比 较 简 单, 有 兴 趣 的 同 学 可 以 尝 试 试 用 一 下 2. 延 时 消 抖 还 记 得 LED 中 按 钮 抖 动 现 象 吗? 细 心 的 同 学 会 发 现, 我 们 这 里 的 按 钮 也 会 有 抖 动 现 象 对 于 本 课 中 的 风 扇 利 用 延 时 消 抖, 其 实 很 简 单, 就 在 程 序 最 后 加 上 一 个 小 的 延 时, 如 下 面 红 框 中 标 出 的 即 是 挑 战 自 我 图 2.2.7 延 时 消 抖 53 / 102
请 同 学 们 思 考 一 下, 根 据 前 面 学 过 的 按 钮 控 制 的 LED, 若 使 用 两 个 按 钮 做 换 挡 风 扇, 一 个 是 加 档, 一 个 是 减 档, 你 可 以 实 现 吗? 尝 试 一 下 再 想 一 想 还 有 其 他 的 控 制 方 式 吗? 54 / 102
第 3 课 自 动 变 速 风 扇 通 过 前 面 的 学 习, 同 学 们 了 解 了 风 扇 的 转 速 是 可 以 变 化 的, 比 如 用 按 钮 制 作 的 换 挡 风 扇, 那 么 风 扇 可 以 根 据 我 们 的 需 要 自 动 变 速 吗? 听 起 来 很 酷 吧 在 这 节 课 里, 我 们 就 来 尝 试 一 下 制 作 自 动 变 速 风 扇 任 务 导 航 1. 了 解 超 声 波 传 感 器 及 其 测 距 原 理 ; 2. 制 作 自 动 变 速 风 扇 材 料 阅 读 1. 超 声 波 传 感 器 我 们 使 用 的 超 声 波 传 感 器 是 HC-SR04 超 声 波 传 感 器, 它 基 于 声 纳 原 理, 通 过 监 测 发 射 一 连 串 调 制 后 的 超 声 波 及 其 回 波 的 时 间 差 来 得 知 传 感 器 与 目 标 物 体 间 的 距 离 值 其 性 能 比 较 稳 定, 测 度 距 离 精 确, 盲 区 为 2cm, 如 图 2.3.1 是 HC-SR04 超 声 波 传 感 器 图 2.3.1 HC-SR04 超 声 波 传 感 器 HC-SR04 超 声 波 传 感 器 的 主 要 参 数 如 下 : 使 用 电 压 :DC5V; 静 态 电 流 : 小 于 2mA; 电 平 输 出 : 高 5V, 低 0V; 感 应 角 度 : 不 大 于 15 ; 探 测 距 离 :2cm 到 450cm; 精 度 :0.2cm 在 使 用 HC-SR04 超 声 波 传 感 器 时, 应 先 将 其 插 好 在 电 路 板 上 再 通 电, 避 免 产 生 高 电 平 的 误 动 作, 如 果 产 生 了, 重 新 通 电 方 可 解 决 针 脚 定 义, 如 表 2.3.1 所 示 表 2.3.1 HC-SR04 超 声 波 传 感 器 针 脚 定 义 针 脚 说 明 VCC 电 源 +5V 输 入 GND 电 源 地 线 Echo 超 声 波 接 收 端 Trig 超 声 波 发 射 端 2. 超 声 波 传 感 器 测 距 55 / 102
在 这 里, 我 们 只 学 习 超 声 波 测 距 的 最 简 单 的 一 种, 也 是 本 课 需 要 用 到 的, 即 超 声 波 传 感 器 固 定 住, 此 时 可 以 用 其 测 量 与 障 碍 物 之 间 的 距 离 HC-SR04 的 工 作 原 理 :(1) 采 用 IO 触 发 测 距, 给 至 少 10us 的 高 电 平 信 号 ;(2) 模 块 自 动 发 送 8 个 40khz 的 方 波, 自 动 检 测 是 否 有 信 号 返 回 ;(3) 有 信 号 返 回, 通 过 IO 输 出 一 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, 测 试 距 离 =( 高 电 平 时 间 声 速 )/2 在 ArduBlock 里 面 可 以 直 接 读 出 超 声 波 传 感 器 测 到 的 距 离 值, 如 下 图 2.3.2 所 示,Trig 连 接 数 字 口 8,Echo 连 接 数 字 口 9 动 手 操 作 图 2.3.2 超 声 波 测 距 并 显 示 主 题 : 制 作 我 的 自 动 变 速 风 扇 同 学 们 在 了 解 了 相 关 的 知 识 后, 可 以 自 己 制 作 本 课 的 自 动 变 速 风 扇 了, 我 们 用 到 的 器 材 主 要 是 Romeo 板 子 HC-SR04 超 声 波 传 感 器 风 扇 ( 带 直 流 电 机 ) 1. 自 动 变 速 风 扇 的 连 接 在 连 接 物 理 电 路 时, 需 要 注 意 :Trig 和 Echo 分 别 接 到 数 字 口 ( 程 序 中,Trig 和 Echo 分 别 连 接 数 字 口 8 和 9, 电 机 接 的 是 M1 接 线 柱 ) 2. 检 测 使 风 扇 转 动 的 电 平 由 于 风 扇 电 机 或 者 载 重 的 不 同, 使 风 扇 转 动 的 最 小 电 平 也 会 不 同 的, 请 同 学 们 自 己 检 测 一 下 使 风 扇 转 动 的 PWM 值 最 小 是 多 少, 并 记 录 下 来 3. 自 动 变 速 风 扇 的 参 考 程 序 探 究 思 考 图 2.3.3 自 动 变 速 风 扇 请 同 学 们 思 考 并 讨 论 一 下, 在 我 们 日 常 生 活 中, 哪 里 有 用 到 超 声 波 测 距? 哪 里 可 以 运 用 超 声 波 测 距 呢? 超 声 波 测 距 都 有 哪 些 优 缺 点? 56 / 102
视 野 拓 展 1. 超 声 波 测 距 由 于 超 声 波 指 向 性 强, 能 量 消 耗 缓 慢, 在 介 质 中 传 播 的 距 离 较 远, 因 而 超 声 波 经 常 用 于 距 离 的 测 量, 如 测 距 仪 和 物 位 测 量 仪 等 都 可 以 通 过 超 声 波 来 实 现 利 用 超 声 波 检 测 往 往 比 较 迅 速 方 便 计 算 简 单 易 于 做 到 实 时 控 制, 并 且 在 测 量 精 度 方 面 能 达 到 工 业 实 用 的 要 求, 因 此 在 移 动 机 器 人 研 制 上 也 得 到 了 广 泛 的 应 用 超 声 波 发 射 器 向 某 一 方 向 发 射 超 声 波, 在 发 射 时 刻 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 来, 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=340 t/2 这 就 是 所 谓 的 时 间 差 测 距 法 超 声 波 测 距 的 原 理 是 利 用 超 声 波 在 空 气 中 的 传 播 速 度 为 已 知, 测 量 声 波 在 发 射 后 遇 到 障 碍 物 反 射 回 来 的 时 间, 根 据 发 射 和 接 收 的 时 间 差 计 算 出 发 射 点 到 障 碍 物 的 实 际 距 离 由 此 可 见, 超 声 波 测 距 原 理 与 雷 达 原 理 是 一 样 的 测 距 的 公 式 表 示 为 :L=C T 式 中 L 为 测 量 的 距 离 长 度 ;C 为 超 声 波 在 空 气 中 的 传 播 速 度 ;T 为 测 量 距 离 传 播 的 时 间 差 (T 为 发 射 到 接 收 时 间 数 值 的 一 半 ) 超 声 波 测 距 主 要 应 用 于 倒 车 提 醒 建 筑 工 地 工 业 现 场 等 的 距 离 测 量, 虽 然 目 前 的 测 距 量 程 上 能 达 到 百 米, 但 测 量 的 精 度 往 往 只 能 达 到 厘 米 数 量 级 2. 红 外 线 测 距 还 有 一 种 测 距 是 利 用 红 外 线 测 距 的 红 外 测 距 原 理 和 雷 达 测 距 原 理 相 似, 是 发 射 红 外 线 然 后 测 量 回 波 时 间, 光 速 乘 以 时 间 再 除 以 2 就 得 到 距 离 由 于 光 速 很 快, 而 红 外 测 距 仪 一 般 测 量 距 离 比 较 短, 用 常 规 的 脉 冲 法 ( 发 射 一 个 脉 冲 然 后 计 算 收 到 反 射 脉 冲 的 时 间 ) 常 常 因 为 时 间 过 短 而 无 法 测 量, 所 以 一 般 是 将 红 外 线 发 射 功 率 调 制 上 一 个 较 低 的 频 率, 然 后 测 量 回 波 与 发 射 波 的 相 位 差, 根 据 相 位 差 可 以 计 算 出 回 波 时 间 利 用 红 外 线 发 射 装 置 发 出 红 外 线, 经 过 障 碍 物 反 射 以 后, 被 一 红 外 线 接 收 探 头 收 到, 将 接 收 到 的 红 外 线 信 号 转 化 为 电 信 号 进 行 计 算, 公 式 就 是 从 发 射 到 接 受 到 的 时 间 的 一 半 乘 以 光 速! 红 外 测 距 还 是 有 很 多 应 用 的, 比 如 : 汽 车 超 速 抓 拍 货 车 限 高 检 测 飞 机 高 度 检 测 列 车 到 站 检 测 接 触 网 检 测 船 舶 对 接 检 测 矿 井 电 梯 位 置 检 测 仓 储 料 位 监 测 桥 梁 高 度 检 测 吊 机 高 度 位 置 检 测 矿 井 轮 廓 扫 描 等 等 挑 战 自 我 请 同 学 们 思 考 一 下, 假 如 超 声 波 传 感 器 可 以 前 后 移 动, 那 么 测 距 的 时 候 需 要 做 哪 些 考 虑 呢? 写 下 你 的 想 法, 与 其 他 同 学 讨 论 一 下 57 / 102
第 4 课 遥 控 风 扇 红 外 遥 控 器 是 我 们 常 用 的 一 种 遥 控 设 备, 可 以 用 它 控 制 电 视 空 调 等 家 用 电 器 前 面 我 们 用 过 的 风 扇 也 是 生 活 中 常 见 的 家 用 电 器, 可 以 用 遥 控 控 制 吗? 这 节 课 通 过 对 红 外 遥 控 的 学 习, 我 们 就 可 以 控 制 风 扇 了, 开 始 智 能 家 居 的 一 点 尝 试 吧 任 务 导 航 1. 了 解 红 外 遥 控 套 件 ; 2. 制 作 遥 控 风 扇 材 料 阅 读 1. 红 外 遥 控 套 件 简 介 红 外 遥 控 是 目 前 使 用 最 广 泛 的 一 种 通 信 和 遥 控 手 段 由 于 红 外 遥 控 装 置 具 有 体 积 小 功 耗 低 功 能 强 成 本 低 等 特 点, 继 彩 电 录 像 机 之 后, 在 录 音 机 音 响 设 备 空 凋 以 及 玩 具 等 其 它 小 型 电 器 装 置 上 也 纷 纷 采 用 红 外 遥 控 工 业 设 备 中, 在 高 压 辐 射 有 毒 气 体 粉 尘 等 环 境 下, 采 用 红 外 线 遥 控 不 仅 完 全 可 靠 而 且 能 有 效 地 隔 离 电 气 干 扰 红 外 遥 控 主 要 包 括 红 外 遥 控 器 和 红 外 接 收 头, 如 图 2.4.1 所 示 红 外 遥 控 器 有 21 个 按 键, 红 外 接 收 头 针 脚 的 定 义 是 :D 连 接 数 字 口,VCC 接 5V,GND 接 GND 图 2.4.1 红 外 遥 控 套 件 红 外 遥 控 器 都 有 对 应 的 键 值, 在 使 用 时, 首 先 需 对 遥 控 器 进 行 解 码, 本 书 中 用 到 的 红 外 遥 控 器 的 键 值 ( 十 六 进 制 的 数 值 ) 如 表 2.4.1 所 示 表 2.4.1 红 外 遥 控 器 键 值 附 表 遥 控 器 字 符 键 值 遥 控 器 字 符 键 值 红 色 按 钮 FD00FF ST/REPT FD708F VOL+ FD807F 1 FD08F7 FUNC/STOP FD40BF 2 FD8877 左 2 个 三 角 FD20DF 3 FD48B7 暂 停 键 FDA05F 4 FD28D7 右 2 个 三 角 FD609F 5 FDA857 向 下 三 角 FD10EF 6 FD6897 VOL- FD906F 7 FD18E7 向 上 三 角 FD50AF 8 FD9867 58 / 102
0 FD30CF 9 FD58A7 EQ FDB04F 动 手 操 作 主 题 : 制 作 我 的 遥 控 风 扇 同 学 们 在 了 解 了 相 关 的 知 识 后, 可 以 自 己 制 作 本 课 的 遥 控 风 扇 了, 我 们 用 到 的 器 材 主 要 是 Romeo 板 子 红 外 遥 控 套 件 风 扇 ( 带 直 流 电 机 ) 功 能 : 通 过 遥 控 控 制 风 扇 开 启, 关 闭 1. 遥 控 风 扇 的 连 接 在 连 接 物 理 电 路 时, 需 要 注 意 : 红 外 接 收 头 连 接 到 数 字 口, 取 出 红 外 遥 控 器 电 池 外 面 的 塑 料 绝 缘 片 ( 程 序 中, 红 外 接 收 头 连 接 数 字 口 11, 电 机 接 的 是 M1 接 线 柱 ) 2. 红 外 遥 控 器 的 解 码 程 序 3. 遥 控 风 扇 的 参 考 程 序 图 2.4.2 红 外 遥 控 器 的 解 码 图 2.4.3 遥 控 风 扇 探 究 思 考 请 同 学 们 思 考 一 下, 在 我 们 小 时 候 的 玩 具 中, 有 没 有 用 到 遥 控 的 呢? 比 如 遥 控 飞 机 遥 控 汽 车 等, 它 们 是 红 外 遥 控 吗? 如 果 不 是, 与 红 外 遥 控 有 什 么 区 别? 视 野 拓 展 1. 红 外 遥 控 工 作 原 理 红 外 遥 控 器 发 出 的 信 号 是 一 连 串 的 二 进 制 脉 冲 码, 为 了 使 其 在 无 线 传 输 过 程 中 免 受 其 他 59 / 102
红 外 信 号 的 干 扰, 通 常 都 是 先 将 其 调 制 在 特 定 的 载 波 频 率 上, 然 后 再 经 红 外 发 射 二 极 管 发 射 出 去, 而 红 外 线 接 收 装 置 则 要 滤 除 其 他 杂 波, 只 接 收 该 特 定 频 率 的 信 号 并 将 其 还 原 成 二 进 制 脉 冲 码, 也 就 是 解 调 内 置 接 收 管 将 红 外 发 射 管 发 射 出 来 的 光 信 号 转 换 为 微 弱 的 电 信 号, 此 信 号 经 由 IC 内 部 放 大 器 进 行 放 大, 然 后 通 过 自 动 增 益 控 制 带 通 滤 波 解 调 变 波 形 整 形 后 还 原 为 遥 控 器 发 射 出 的 原 始 编 码, 经 由 接 收 头 的 信 号 输 出 脚 输 入 到 电 器 上 的 编 码 识 别 电 路 要 想 对 某 一 遥 控 器 进 行 解 码 必 须 要 了 解 该 遥 控 器 的 编 码 方 式, 这 就 叫 知 己 知 彼, 百 战 不 殆 本 节 课 使 用 的 遥 控 器 的 编 码 方 式 为 :NEC 协 议 下 面 就 介 绍 一 下 NEC 协 议 : (1)8 位 地 址 位,8 位 命 令 位 ; (2) 为 了 可 靠 性, 地 址 位 和 命 令 为 被 传 输 两 次 ; (3) 脉 冲 位 置 调 制 ; (4) 载 波 频 率 38khz; (5) 每 一 位 的 时 间 为 1.125ms 或 2.25ms 2. 智 能 家 居 智 能 家 居 是 以 住 宅 为 平 台, 利 用 综 合 布 线 技 术 网 络 通 信 技 术 智 能 家 居 - 系 统 设 计 方 案 安 全 防 范 技 术 自 动 控 制 技 术 音 视 频 技 术 将 家 居 生 活 有 关 的 设 施 集 成, 构 建 高 效 的 住 宅 设 施 与 家 庭 日 程 事 务 的 管 理 系 统, 提 升 家 居 安 全 性 便 利 性 舒 适 性 艺 术 性, 并 实 现 环 保 节 能 的 居 住 环 境 智 能 家 居 是 在 互 联 网 影 响 之 下 的 物 联 化 体 现 智 能 家 居 通 过 物 联 网 技 术 将 家 中 的 各 种 设 备 ( 如 音 视 频 设 备 照 明 系 统 窗 帘 控 制 空 调 控 制 安 防 系 统 数 字 影 院 系 统 网 络 家 电 以 及 三 表 抄 送 等 ) 连 接 到 一 起, 提 供 家 电 控 制 照 明 控 制 窗 帘 控 制 电 话 远 程 控 制 室 内 外 遥 控 防 盗 报 警 环 境 监 测 暖 通 控 制 红 外 转 发 以 及 可 编 程 定 时 控 制 等 多 种 功 能 和 手 段 与 普 通 家 居 相 比, 智 能 家 居 不 仅 具 有 传 统 的 居 住 功 能, 兼 备 建 筑 网 络 通 信 信 息 家 电 设 备 自 动 化, 集 系 统 结 构 服 务 管 理 为 一 体 的 高 效 舒 适 安 全 便 利 环 保 的 居 住 环 境, 提 供 全 方 位 的 信 息 交 互 功 能 帮 助 家 庭 与 外 部 保 持 信 息 交 流 畅 通, 优 化 人 们 的 生 活 方 式, 帮 助 人 们 有 效 安 排 时 间, 增 强 家 居 生 活 的 安 全 性, 甚 至 为 各 种 能 源 费 用 节 约 资 金 同 学 们 有 没 有 想 过 通 过 红 外 遥 控 控 制 家 中 的 其 他 家 电 呢? 赶 快 体 验 一 下 智 能 家 居 吧! 挑 战 自 我 前 面 我 们 做 过 一 个 换 挡 风 扇, 这 次 我 们 使 用 红 外 遥 控 控 制 风 扇, 做 一 个 可 换 挡 的 风 扇 60 / 102
第 5 课 摇 头 风 扇 前 面 我 们 制 作 的 风 扇 都 是 朝 一 个 方 向 吹 的, 而 家 里 的 有 些 风 扇 是 可 以 摇 头 的, 能 不 能 让 我 们 的 风 扇 也 摇 头 呢? 当 然 可 以, 这 就 需 要 舵 机 的 加 入 了, 这 节 课 我 们 将 了 解 舵 机 的 有 关 知 识, 并 制 作 出 摇 头 风 扇 任 务 导 航 1. 了 解 舵 机 相 关 知 识 ; 2. 制 作 摇 头 风 扇 材 料 阅 读 1. 舵 机 简 介 舵 机, 又 称 伺 服 电 机, 其 工 作 过 程 是 把 所 接 收 到 的 电 信 号 转 换 成 电 动 机 轴 上 的 角 位 移 或 角 速 度 输 出 目 前 广 泛 应 用 于 机 器 人 控 制 领 域 中 本 书 用 到 的 舵 机 是 TowerPro 出 品 的 SG90 舵 机, 如 图 2.5.1 所 示 该 舵 机 采 用 高 强 度 ABS 透 明 外 壳 配 以 内 部 高 精 度 尼 龙 齿 轮 组, 加 上 精 准 的 控 制 电 路 高 档 轻 量 化 空 心 杯 电 机 使 该 微 型 舵 机 的 重 量 只 有 9 克, 而 输 出 力 矩 达 到 了 惊 人 的 1.8kg*cm 标 准 的 舵 机 有 三 条 控 制 线, 分 别 是 电 源 地 和 信 号 线 舵 机 的 针 脚 定 义 为 : 棕 色 线 GND, 红 色 线 5V, 橙 色 线 信 号 线 图 2.5.1 SG90 舵 机 舵 机 的 控 制 一 般 需 要 不 断 地 发 给 它 一 个 高 电 平 时 间 在 1-2ms 之 间 低 电 平 时 间 在 5-20ms 之 间 的 脉 冲 信 号 注 意 :Arduino 板 上 支 持 舵 机 的 只 有 数 字 口 9 和 10, 因 此 舵 机 橙 色 线 只 能 连 接 数 字 口 9 或 10, 另 外 我 们 使 用 的 SG90 舵 机 转 动 角 度 在 0-180 之 间 2. 当 循 环 当 循 环 的 含 义 是, 当 条 件 满 足 时, 循 环 执 行 内 部 语 句, 直 到 条 件 不 满 足 时 跳 出 循 环 ArduBlock 中 为 我 们 提 供 了 当 循 环 模 块, 如 图 2.5.2 所 示 动 手 操 作 图 2.5.2 当 循 环 主 题 : 制 作 我 的 摇 头 风 扇 同 学 们 在 了 解 了 相 关 的 知 识 后, 可 以 自 己 制 作 本 课 的 摇 头 风 扇 了, 我 们 用 到 的 器 材 主 要 是 Romeo 板 子 舵 机 风 扇 ( 带 直 流 电 机 ) 1. 摇 头 风 扇 的 连 接 61 / 102
在 连 接 物 理 电 路 时, 需 要 注 意 : 舵 机 接 到 数 字 口 ( 程 序 中, 舵 机 连 接 的 是 数 字 口 9, 电 机 接 的 是 M1 接 线 柱 ) 2. 控 制 舵 机 从 0 转 到 180 的 参 考 程 序 图 2.5.3 控 制 舵 机 3. 摇 头 风 扇 的 参 考 程 序 摇 头 风 扇 是 舵 机 从 0 转 到 180, 然 后 再 转 回 来, 并 且 一 直 保 持 风 扇 的 电 机 开 启 即 可, 如 下 所 示 探 究 思 考 图 2.5.4 摇 头 风 扇 请 同 学 们 观 察 一 下, 风 扇 都 是 自 动 摇 头, 我 们 可 以 控 制 它 吗? 讨 论 一 下, 如 何 实 现? 62 / 102
视 野 拓 展 1. 舵 机 的 工 作 原 理 舵 机 是 遥 控 模 型 控 制 动 作 的 动 力 来 源, 不 同 类 型 的 遥 控 模 型 所 需 的 舵 机 种 类 也 随 之 不 同 如 何 审 慎 地 选 择 经 济 且 合 乎 需 求 的 舵 机, 也 是 一 门 不 可 轻 忽 的 学 问 工 作 原 理 : 控 制 信 号 由 接 收 机 的 通 道 进 入 信 号 调 制 芯 片, 获 得 直 流 偏 置 电 压 它 内 部 有 一 个 基 准 电 路, 产 生 周 期 为 20ms, 宽 度 为 1.5ms 的 基 准 信 号, 将 获 得 的 直 流 偏 置 电 压 与 电 位 器 的 电 压 比 较, 获 得 电 压 差 输 出 最 后, 电 压 差 的 正 负 输 出 到 电 机 驱 动 芯 片 决 定 电 机 的 正 反 转 当 电 机 转 速 一 定 时, 通 过 级 联 减 速 齿 轮 带 动 电 位 器 旋 转, 使 得 电 压 差 为 0, 电 机 停 止 转 动 当 然 我 们 可 以 不 用 去 了 解 它 的 具 体 工 作 原 理, 知 道 它 的 控 制 原 理 就 够 了 就 像 我 们 使 用 晶 体 管 一 样, 知 道 可 以 拿 它 来 做 开 关 管 或 放 大 管 就 行 了, 至 于 管 内 的 电 子 具 体 怎 么 流 动 是 可 以 完 全 不 用 去 考 虑 的 2. 舵 机 的 控 制 方 式 舵 机 的 伺 服 系 统 由 可 变 宽 度 的 脉 冲 来 进 行 控 制, 控 制 线 是 用 来 传 送 脉 冲 的 脉 冲 的 参 数 有 最 小 值, 最 大 值, 和 频 率 一 般 而 言, 舵 机 的 基 准 信 号 都 是 周 期 为 20ms, 宽 度 为 1.5ms 这 个 基 准 信 号 定 义 的 位 置 为 中 间 位 置 舵 机 有 最 大 转 动 角 度, 中 间 位 置 的 定 义 就 是 从 这 个 位 置 到 最 大 角 度 与 最 小 角 度 的 量 完 全 一 样 最 重 要 的 一 点 是, 不 同 舵 机 的 最 大 转 动 角 度 可 能 不 相 同, 但 是 其 中 间 位 置 的 脉 冲 宽 度 是 一 定 的, 那 就 是 1.5ms 如 图 2.5.5 所 示 图 2.5.5 脉 冲 宽 度 角 度 是 由 来 自 控 制 线 的 持 续 的 脉 冲 所 产 生 这 种 控 制 方 法 叫 做 脉 冲 调 制 脉 冲 的 长 短 决 定 舵 机 转 动 多 大 角 度 例 如 :1.5 毫 秒 脉 冲 会 到 转 动 到 中 间 位 置 ( 对 于 180 舵 机 来 说, 就 是 90 位 置 ) 当 控 制 系 统 发 出 指 令, 让 舵 机 移 动 到 某 一 位 置, 并 让 他 保 持 这 个 角 度, 这 时 外 力 的 影 响 不 会 让 它 的 角 度 产 生 变 化, 但 是 这 个 是 由 上 限 的, 上 限 就 是 他 的 最 大 扭 力 除 非 控 制 系 统 不 停 的 发 出 脉 冲 稳 定 舵 机 的 角 度, 舵 机 的 角 度 不 会 一 直 不 变 当 舵 机 接 收 到 一 个 小 于 1.5ms 的 脉 冲, 输 出 轴 会 以 中 间 位 置 为 标 准, 逆 时 针 旋 转 一 定 角 度 接 收 到 的 脉 冲 大 于 1.5ms 情 况 相 反 不 同 品 牌, 甚 至 同 一 品 牌 的 不 同 舵 机, 都 会 有 不 同 的 最 大 值 和 最 小 值 一 般 而 言, 最 小 脉 冲 为 1ms, 最 大 脉 冲 为 2ms 如 图 2.5.6 所 示 63 / 102