轻松玩转Arduino

本书主要讲解开源硬件的热门方向Arduino

本书从实际案例入手，全面系统地讲解了开源式硬件Arduino的基础知识、硬件结构、各典型接口应用及多个综合系统应用的设计和分析等。本书共分为7章，第1章讲Arduino的基础知识；第2~5章以Arduino UNO开发板为蓝本讲解了Arduino的各种应用实例，其中以较大的篇幅讲解了各种传感器的应用；第6章和第7章分别讲解了以Arduino为平台的轮式机器人和多足机器人的设计制作。
本书内容丰富、深入浅出，并且注重文并茂，书中收集了大量的Arduino设计实例电路图及程序案例，并配以详尽的文字讲解。在编写过程中，力求通俗易懂，适合电子设计爱好者学习使用，同时可作为自动化、机电一体化及机器人等专业在校师生的参考用书。

张亮，多年在职业院校担任一线教学，实践经验丰富，研制新型试验台，培训学生竞赛，获得省市多个教改和竞赛奖项。

第1章 初识Arduino 1
1．1 Arduino的特点 1
1．2 Arduino硬件介绍 2
1．2．1 Arduino主控芯片介绍 2
1．2．2 Arduino 开发板介绍 5
1．3 Arduino UNO开发板详解 7
1．3．1 Arduino UNO开发板的初步认识 7
1．3．2 ArduinoUNO开发板实际电路分析 8
1．4 Arduino开发环境（Arduino IDE） 16
1．4．1 获取Arduino IDE 16
1．4．2 安装驱动 16
1．4．3 程序烧录 17
1．4．4 Arduino IDE用户界面 20
1．5 软件基础 23
1．5．1 流程图 23
1．5．2 C语言基础 25
1．5．3 控制语句 29
1．5．4 程序结构 33
1．6 Arduino基本函数 34
1．6．1 数字IO口相关函数 34
1．6．2 模拟IO口相关函数 37
1．6．3 高级IO 40
1．6．4 时间函数 42
1．6．5 中断函数 43
1．6．6 串口通信函数 45
1．6．7 数学库 48
1．6．8 随机数 49
1．6．9 位操作（SPI口） 49
1．7 串口通信 52
1．7．1 通信协议 52
1．7．2 RS-232 53
1．8 Arduino应用 55
1．8．1 串口的应用 55
1．8．2 数字IO口的应用 57
1．8．3 模拟I/O口的应用 59
第2章 Arduino入门实训 61
2．1 LED灯试验 61
2．1．1 LED基础知识 61
2．1．2 LED闪灯试验 66
2．1．3 交通信号灯试验 70
2．1．4 广告流水灯试验 71
2．1．5 PWM（脉宽调制）LED调光试验 75
2．2 压电音频试验 77
2．2．1 压电陶瓷片和蜂鸣器概述 77
2．2．2 模拟救护车警笛试验 79
2．2．3 压电震动传感器 81
2．3 按键试验 83
2．3．1 按键开关 83
2．3．2 薄膜键盘 83
2．3．3 按键控制LED试验 85
2．3．4 按键显示试验 86
2．3．5 用薄膜键盘控制LED小灯试验 88
2．3．6 抢答器试验 89
2．4 移位寄存器应用试验 92
2．4．1 二进制数制 92
2．4．2 8位二进制计数器试验 93
2．5 驱动LED显示器件试验 101
2．5．1 LED点阵显示模块 101
2．5．2 多路复用技术 102
2．5．3 LED点阵显示模块基本动画试验 103
2．5．4 滚动画面试验 108
2．5．5 LED数码管 112
2．5．6 驱动数码管试验 114
2．6 继电器驱动试验 119
2．6．1 继电器 119
2．6．2 二极管简介 122
2．6．3 晶体三极管 129
2．6．4 继电器驱动电路 137
2．6．5 继电器控制LED试验 137
第3章 Arduino进阶实训 140
3．1 LCD液晶显示屏的应用 140
3．1．1 LCD液晶显示屏 140
3．1．2 1602液晶显示文字试验 141
3．1．3 LCD温度显示试验 150
3．2 直流电动机的应用 155
3．2．1 直流电动机 155
3．2．2 直流电动机简单驱动试验 157
3．2．3 L293D直流电动机驱动芯片 159
3．2．4 L293D芯片应用试验 162
3．3 步进电动机的应用 164
3．3．1 步进电动机 164
3．3．2 ULN2003步进电动机驱动芯片 167
3．3．3 步进电动机驱动试验 168
3．4 舵机的应用 171
3．4．1 舵机 171
3．4．2 Arduino舵机控制函数库 173
3．4．3 简单的舵机控制试验 174
3．4．4 两只舵机控制试验 176
3．4．5 两只舵机分别控制试验 179
3．5 两轮机器底盘的应用 181
3．5．1 电动机驱动扩展模块 181
3．5．2 两轮机器底盘 182
3．5．3 两轮机器底盘控制试验 182
3．6 SD存储卡的应用 185
3．6．1 SD存储卡 185
3．6．2 SD卡库 186
3．6．3 SD存储卡读写试验 186
第4章 传感器的应用 195
4．1 光敏电阻传感器的应用 195
4．1．1 光敏电阻 195
4．1．2 光控LED点亮试验 198
4．2 温度传感器的应用 200
4．2．1 模拟温度传感器 200
4．2．2 基于LM35的计算机温度测量试验 200
4．2．3 单线数字温度传感器应用 202
4．3 红外接近开关的应用 208
4．3．1 红外接近开关简介 208
4．3．2 传感器扩展板 209
4．3．3 障碍物检测试验 209
4．4 红外测距传感器的应用 211
4．4．1 红外测距传感器 211
4．4．2 液晶屏显示距离试验 212
4．5 超声波测距传感器的应用 216
4．5．1 超声波测距传感器原理 216
4．5．2 HC-SR04型超声波测距模块 217
4．5．3 利用串口输出的超声波测距试验 219
4．5．4 距离控制小灯试验 221
4．6 红外避障传感器的应用 222
4．6．1 红外避障传感器 222
4．6．2 红外避障传感器应用试验 223
4．7 红外寻线传感器的应用 224
4．7．1 红外寻线传感器 224
4．7．2 红外寻线传感器应用试验 225
4．8 激光传感器的应用 226
4．8．1 激光传感器 226
4．8．2 激光传感器应用试验 228
4．9 倾斜传感器的应用 229
4．9．1 倾斜传感器原理 229
4．9．2 倾斜传感器应用试验 229
4．10 水银开关式碰撞传感器的应用 230
4．10．1 水银开关式碰撞传感器 230
4．10．2 水银开关式碰撞传感器应用试验 231
4．11 振动传感器的应用 232
4．11．1 振动传感器 232
4．11．2 振动传感器应用试验 232
4．12 敲击传感器的应用 234
4．12．1 敲击传感器 234
4．12．2 敲击传感器应用试验 234
4．13 金属触摸传感器的应用 235
4．13．1 金属触摸传感器 235
4．13．2 金属触摸传感器的应用试验 236
4．14 火焰传感器的应用 237
4．14．1 火焰传感器 237
4．14．2 火焰传感器模拟输出应用试验 237
4．14．3 火焰传感器数字输出应用试验 238
4．15 旋转编码器的应用 239
4．15．1 旋转编码器 239
4．15．2 旋转编码器的应用试验 241
4．16 温/湿度一体传感器 243
4．16．1 DHT11型数字温/湿度传感器 243
4．16．2 DHT11应用试验 244
4．17 颜色传感器的应用 246
4．17．1 三原色原理 246
4．17．2 TCS3200D型颜色传感器 246
4．17．3 颜色传感器应用试验 247
4．18 PS2摇杆的应用 252
4．18．1 Joystick PS2摇杆 252
4．18．2 Joystick PS2摇杆控制液晶屏显示试验 252
4．19 气压传感器的应用 254
4．19．1 气压传感器 254
4．19．2 BMP085型气压传感器 254
4．19．3 基于BMP085的气压测量试验 255
4．20 运动检测传感器的应用 262
4．20．1 MMA7361型加速度传感器 262
4．20．2 MMA7361型加速度传感器的应用试验 263
4．20．3 ADXL345加速度传感器 266
4．20．4 I2C总线函数库 266
4．20．5 ADXL345加速度传感器应用试验 268
4．20．6 MPU6050运动检测传感器的应用 270
4．21 磁阻传感器的应用 275
4．21．1 HMC5883L型磁阻传感器 275
4．21．2 HMC5883L型磁阻传感器应用试验 276
第5章 Arduino的远程通信与控制 278
5．1 无线通信网络 278
5．1．1 1对多通信 279
5．1．2 多对多通信 280
5．1．3 混合式通信 281
5．2 红外遥控的应用 281
5．2．1 红外线 281
5．2．2 红外遥控系统原理 282
5．2．3 红外遥控试验 286
5．2．4 家电遥控器替代试验 290
5．3 Arduino的网络应用 294
5．3．1 Ethernet库 294
5．3．2 网络扩展模块Ethernet Shield 296
5．3．3 Arduino Web服务器 303
5．3．4 网络温度传感器试验 306
5．4 Arduino的无线网络应用 312
5．4．1 WiFi扩展板 312
5．4．2 WiFi库 313
5．4．3 无线加速度传感器试验 315
5．4．4 WiFi转串口模块的应用 319
5．5 无线蓝牙通信 327
5．5．1 蓝牙技术简介 327
5．5．2 BLK-MD-BC04-B型蓝牙模块简介 328
5．5．3 BLK-MD-BC04-B型蓝牙模块AT指令集 330
5．5．4 主从配置 340
5．5．5 蓝牙控制点亮LED试验 345
5．6 ZigBee通信技术的应用 348
5．6．1 ZigBee通信技术 348
5．6．2 DRF1605H型ZigBee无线模块的应用 349
5．6．3 XBee-PRO模块的应用 358
5．7 无线数传模块的应用 363
5．7．1 2．4G无线数传模块的应用 363
5．7．2 APC220无线数传模块的应用 375
第6章 轮式机器人的制作 383
6．1 机器人的基础知识 383
6．1．1 机器人的基本组成 383
6．1．2 机器人的分类 384
6．1．3 自律型移动机器人 385
6．1．4 机器人的运动 386
6．2 轮式机器人的制作 389
6．2．1 动力机构 389
6．2．2 组装底盘 391
6．2．3 组装上盖 394
6．2．4 安装控制板 394
6．2．5 安装传感器 395
6．3 轮式机器人运动试验 396
6．3．1 车轮驱动调试 396
6．3．2 运动程序设计 398
6．3．3 机器人运动试验 401
6．3．4 程序简化 403
6．4 机器人避障 408
6．5 机器人寻线运动 410
6．6 机器人电脑遥控试验 411
6．6．1 硬件连接 411
6．6．2 程序代码 411
6．7 使用无线遥控器控制机器人试验 413
6．7．1 摇杆扩展板简介 413
6．7．2 制作无线遥控器 414
6．7．3 遥控机器人调速试验 416
第7章 仿生机器人的制作 421
7．1 遥控机械臂的制作 421
7．1．1 机械臂简介 421
7．1．2 调整舵机 421
7．1．3 组装机械臂 422
7．1．4 安装控制电路 426
7．1．5 Wii手柄安装 426
7．1．6 机械臂试验 427
7．2 多足机器人的制作 431
7．2．1 平衡和关节应力问题 431
7．2．2 多足机器人的步态 432
7．2．3 六足机器人试验 435

Massimo Banzi之前是意大利Ivrea一家高科技设计学校的老师。他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就写出了程序代码。又过了三天，电路板就完工了。Massimo Banzi喜欢去一家名叫di Re Arduino的酒吧，该酒吧是以1000年前意大利国王Arduin的名字命名的。为了纪念这个地方，他将这块电路板命名为Arduino。
随后，anzi、Cuartielles和Mellis把设计图放到了网上。版权法可以监管开源软件，却很难用在硬件上，为了保持设计的开放源码理念，他们决定采用Creative Commons（CC）的授权方式公开硬件设计图。在这样的授权下．任何人都可以生产电路板的复制品，甚至还能重新设计和销售原设计的复制品。人们不需要支付任何费用，甚至不用取得Arduino团队的许可。然而，如果重新发布了引用设计，则必须声明原始Arduino团队的贡献。如果修改了电路板，则最新设计必须使用相同或类似的Creative Commons（CC）的授权方式，以保证新版本的Arduino电路板也会一样是自由和开放的。唯一被保留的只有Arduino这个名字，它被注册成了商标，在没有官方授权的情况下不能使用它。Arduino发展至今，已经有了多种型号及众多衍生控制器推出
Arduino之所以称为开源式硬件，是由于其具有简单易用、扩展丰富、完全开源的特点，电子爱好者可以在不用系统学习电子硬件知识的情况下，很快掌握电子系统的设计开发知识，根据自己的想法可以使Arduino构成各种实用的小产品，从简单的跑马灯、抢答器到复杂的多足机器人系统，Arduino可以说是上天入地无所不能，只有你想不到的，没有其做不到的。
Arduino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。Arduino简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现，更快地完成自己的项目开发，大大节约了学习成本，缩短了开发周期。
因为Arduino的种种优势，越来越多的专业硬件开发者已经或开始使用Arduino来开发他们的项目、产品；越来越多的软件开发者使用Arduino进入硬件、物联网等开发领域；大学里，自动化、软件，甚至艺术专业，也纷纷开展了Arduino相关课程。虽然在一些专业的硬件工程师看来，Arduino只是一个再简单不过的8位单片机的最小系统，但对于那些没有专业知识的电子爱好者——创客们来说，这比他们以前玩过的矿石收音机、组装一台计算机等要复杂很多了，既需要有硬件方面的知识，还需要有专业的单片机及C语言基础，这使得他们在使用Arduino设计开发电子系统时会遇到很多这样那样的问题，有些爱好者因此对Arduino产生了望而却步的心理。目前国内大部分Arduino类书籍都是翻译的外文资料，千篇一律，没有任何新意。
鉴于上述情况，笔者根据自己十余年的电子硬件系统设计经验编写了本书。本书以Arduino开发板中的中端系列——Arduino UNO开发板为蓝本，全面系统地讲解了Arduino的基础知识、硬件结构、各典型接口应用及多个综合系统应用的设计和分析等。本书的内容区别于市面上其他相关参考书籍，主要以实例为主，偏重于实用性，书中每个案例都经过了实践验证，具有很强的实用指导性，使读者能从实践中掌握Arduino的开发与应用技术。
参加本书编写的人员有：周新、张明霞、张亮、薛云飞、王丽俊、寇海军、赵红芳、王雪亮、赵宝全、朱明英、刘旭阳、刘东淼、曹振华、张伯龙、孟凡新等，在本书的编写过程中，参阅了不少同类书籍，并从互联网上收集了部分资料，从中得到了不少启发和收益，在此一并表示感谢。
本事适合电子设计爱好者学习使用，同时可作为自动化、机电一体化及机器人等专业在校师生的参考用书。
由于作者知识水平有限，加之时间仓促，本书难免有不足之处，望广大读者批评指正。
编 者