Arduino开发实战指南

作者简介

本书主要通过了解，学习，使用Arduino开源模块，让读者在实战过程中学习并掌握基于AVR8位单片机的项目开发技巧。

在2011年举行的Google I/O开发者大会上，Google发布了基于Arduino的Android Open Accessory标准和ADK工具，这使得大家对Arduino的前景十分看好。Phillip Torrone大胆地预测Google将用Android+Arduino的形式掀起自己的“Kinect模式”浪潮。目前，国内关注Arduino的人越来越多，但介绍Arduino的书籍却很少。笔者由于工作的关系，接触Arduino较早，所以希望通过自己的努力让更多的人了解Arduino，在近一年的时间里，通过不断学习、查阅Arduino相关知识，终于完成了书稿的撰写工作。但在书稿完成之后，心中却一直忐忑不安，Arduino是一个介于软件与硬件之间的产品，系统性不是很强，加上笔者水平有限，拙著中一定存在不少的缺点与漏洞，为此，笔者先为书中的不足之处致以真诚的歉意，同时诚挚地欢迎广大读者提出宝贵的意见并不吝赐教。

本书的内容及面向的读者

Arduino是一个注重实际动手操作的产品，所以本书以实际应用为纽带将各个章节联系起来。本书共9章，首先介绍Arduino的一些基础知识，接着针对具体应用介绍了一些扩展板以及Arduino扩展库，最后应用之前的内容完成了具有视频监控功能的履带车、遥控机械臂以及双足机器人的制作。

因为Arduino本身具有简单易用的特点，所以本书面向的读者是所有有兴趣使用Arduino进行项目开发的人。

当然，根据读者的情况不同，本书的阅读方式也不同。

如果读者是一个之前没有进行过单片机开发也没有进行过软件开发的人，现在想使用Arduino来实现自己的一些想法，那么首先要阅读本书的前两章，了解一些简单的编程思想以及程序结构，接下来阅读第3章的目录，了解Arduino都有什么基本函数，具体内容可以先不用看，当你之后使用这些函数遇到问题时再回过头来看一看相应的函数说明。然后将Arduino接到你的电脑上，翻开第4章，根据书中的内容，边学习边实践，4.5节可以跳过不看。第5～7章介绍了Arduino周边的资源，以便帮助你尽快地实现想法，这3章的内容也可以采用跳跃式的阅读方式。第8、9章会告诉你前3章的内容是如何结合起来的，建议按照书中的内容至少动手完成一个项目的制作。

如果读者之前进行过AVR单片机的开发，想了解Arduino一些底层的知识，那么第2章的知识就可以跳过了，在简单地翻阅第3章的内容后，直接进入第4章，把Arduino连到电脑上实践一下，再回过头阅读第3章中关于Arduino的基本函数，结合自身已有的AVR单片机的知识了解Arduino底层的工作机制。需要说明的是，这里需要读者自己花一些精力，可能还需要学习一些C++方面的知识。第5章对Arduino硬件原理进行了详细介绍，若读者之前学习过，这一章可以选择性学习。第6章介绍的是Arduino的扩展库，如果读者也想开发一些Arduino扩展板，并以库的形式提供扩展板的软件资源，那么建议先学习最后一节，再从6.1节开始学习，深入地了解这些扩展库是如何与Arduino结合在一起的。至于剩下几章的内容，如果用开发单片机的思路来完成也是不难的，所以阅读的重点是看看如何用Arduino的思路进行项目的制作。

如果读者之前是做纯电脑软件开发工作的，即使用C++非常熟练，那么在阅读完第1章后，可以直接跳到第4章，感受一下Arduino给纯软件开发人员带来的那种完成硬件制作的感觉，然后仔细阅读第5章，看看目前都有哪些扩展板可以为自己所用，控制电机、控制液晶之类的，硬件知识哪怕我们不用，也还是要了解一些的。接下来，对于第6章，可以仔细阅读一下与硬件关系不太大的扩展库以及如何创建自己的库，在今后底层硬件库不断丰富完善的情况下，开发一些注重应用、与底层关系不是太紧密的库时，这就是我们的用武之地。第7～9章的内容会告诉我们前面的知识是如何结合起来的—用纯软件的思路，同样建议按照书中的内容至少动手完成一个项目的制作，做纯软件开发工作的人开发硬件也是很容易的。

致谢

首先要感谢本书的策划张国强先生，是他对Arduino的关注促成了本书的出版，同时在笔者撰写书稿时他也对本书提出了宝贵的写作建议，并对书稿进行了仔细审阅。

其次要感谢让我了解Arduino的庄明波先生，他不但在技术上给予了我很多的指导，同时也无私地提供了大量的Arduino扩展板的资料以及实物，供我在Arduino的程序调试中使用，同时与我共同探讨技术上遇到的问题。

最后要感谢现在正捧着这本书的您，感谢您肯花费时间和精力阅读本书，由于时间有限，书中难免存在疏漏与错误，诚恳地希望您批评指正，您的意见和建议将是我巨大的财富。希望在Arduino的领域结识更多的朋友。

书籍目录

前言

第一篇　 基础篇

第1章　 初识Arduino
2

1.1　 Arduino的历史
2

1.2　 Arduino的家族
3

1.3　 Arduino的资源
6

1.4　 Arduino的开发环境
9

1.5　 添加新硬件及设置开发环境
9

1.6　 Arduino开发环境的应用
14

第2章　 编写Arduino程序
16

2.1　 绘制流程图
16

2.1.1　 流程图基本符号
16

2.1.2　 流程图的三种基本结构
17

2.2　 C语言的标识符与关键字
18

2.2.1　 标识符
18

2.2.2　 关键字
18

2.2.3　 运算符
19

2.2.4　 分隔符
21

2.2.5　 常量
21

2.2.6　 注释符
21

2.3　 控制语句
21

2.3.1　 if语句
21

2.3.2　 switch语句
22

2.3.3　 while语句
23

2.3.4　 do-while语句
24

2.3.5　 for语句
25

2.3.6　 break语句
26

2.3.7　 continue语句
26

2.3.8　 goto语句
26

2.4　 程序结构
27

第3章　 Arduino的基本函数
29

3.1　 数字I/O
30

3.1.1　 pinMode(pin,mode)
30

3.1.2　 digitalWrite(pin,value)
31

3.1.3　 digitalRead(pin)
32

3.2　 模拟I/O
33

3.2.1　 analogReference(type)
33

3.2.2　 analogRead(pin)
33

3.2.3　 analogWrite(pin, value)
34

3.3　 高级I/O
37

3.3.1　 shiftOut(dataPin,clockPin, bitOrder,val)
37

3.3.2　 pulseIn(pin,state,timeout)
38

3.4　 时间函数
39

3.4.1　 millis( )
39

3.4.2　 delay(ms)
40

3.4.3　 delayMicroseconds(us)
40

3.5　 数学库
41

3.5.1　 min(x,y)
41

3.5.2　 max(x,y)
41

3.5.3　 abs(x)
41

3.5.4　 constrain(amt,low,high)
41

3.5.5　 map(x,in_min,in_max,out_min, out_max)
41

3.5.6　 三角函数
42

3.6　 随机数
42

3.6.1　 randomSeed(seed)
42

3.6.2　 random(howsmall,howbig)
42

3.7　位操作
43

3.8　中断函数
43

3.8.1　interrupts( )和noInterrupts( )
43

3.8.2　attachInterrupt(interrupt,function,mode)
43

3.9　 串口通信
45

3.10　 SPI接口
48

3.10.1　 SPI接口概述
48

3.10.2　 SPI接口数据传输
48

3.10.3　 SPI类及其成员函数
49

第4章　 Arduino硬件平台
52

4.1　 Arduino的原理图
52

4.2　 串行通信口的使用
55

4.2.1　 实例功能
56

4.2.2　 硬件电路
56

4.2.3　 程序设计
56

4.3　 数字I/O口的使用
58

4.3.1　 实例功能
59

4.3.2　 硬件电路
59

4.3.3　 程序设计
59

4.4　 模拟I/O口的使用
61

4.4.1　 实例功能
61

4.4.2　 硬件电路
61

4.4.3　 程序设计
62

4.5　 烧写引导程序
62

4.5.1　 下载器AVRISP
63

4.5.2　 AVR Studio
64

4.5.3　 烧写引导程序
65

第二篇　 模块篇

第5章　 Arduino基本扩展模块
68

5.1　 L293 Motor Shield
68

5.1.1　 直流电机的工作原理
68

5.1.2　 H桥驱动电路
70

5.1.3　 线性放大调速原理
71

5.1.4　 PWM调速原理
72

5.1.5　 L293 Motor Shield的原理
72

5.1.6　 L293 Motor Shield的应用
74

5.1.7　 程序设计
75

5.1.8　 程序分析
76

5.1.9　 程序的精练
77

5.2　 Input Shield
78

5.2.1　 Input Shield原理图
79

5.2.2　 Input Shield的实例
79

5.2.3　 程序设计
80

5.2.4　 程序分析
81

5.2.5　 使用摇杆控制直流电机转速
81

5.3　 LCD Keypad Shield
83

5.3.1　 液晶显示原理
83

5.3.2　 标准1602液晶模块
83

5.3.3　 1602液晶模块控制方式
84

5.3.4　 LCD Keypad Shield原理图
87

5.3.5　 LCD Keypad Shield应用实例
89

5.3.6　 程序设计
89

5.3.7　 程序分析
92

5.3.8　 Arduino的液晶控制方式
93

5.3.9　 “hello Arduino！”
94

5.4　 Ethernet Shield
97

5.4.1　 Ethernet Shield原理图
97

5.4.2　 W5100芯片介绍
97

5.4.3　 W5100芯片的寄存器
101

5.4.4　 W5100芯片的使用
105

5.4.5　 Ethernet Shield应用实例
105

5.4.6　 程序设计
106

5.5　 I/O扩展板
109

5.5.1　 Xbee传感器扩展板V5
109

5.5.2　 伺服电机控制
110

5.5.3　 伺服电机应用实例
111

5.5.4　 Interface shield
114

5.5.5　 RGB LED Module
114

5.5.6　 RGB LED Module应用实例
118

5.5.7　 程序的精练
123

第6章　 Arduino的扩展库
126

6.1　 Arduino扩展库介绍
126

6.1.1　 Arduino扩展库的作用
126

6.1.2　 Arduino扩展库的应用
126

6.2　 对象和类
130

6.2.1　 类的定义
130

6.2.2　 对象的创建及成员函数的调用
131

6.2.3　 对象的初始化和构造函数
132

6.2.4　 函数的重载
133

6.2.5　 析构函数
133

6.3　 LiquidCrystal库
134

6.3.1　 构造函数
136

6.3.2　 command( )和write( )
139

6.3.3　 begin( )
140

6.3.4　 clear( )
142

6.3.5　 home( )
142

6.3.6　 setCursor( )
142

6.3.7　 noDisplay( )和display( ) 143

6.3.8　 cursor( )和noCursor( )
143

6.3.9　 blink( )和noBlink( )
143

6.3.10　 autoscroll( )和

noAutoscroll( )
144

6.3.11　 scrollDisplayLeft( )和scrollDisplayRight( )
144

6.3.12　 print( )
145

6.4　 Ethernet库
146

6.4.1　 EthernetClass类定义
146

6.4.2　 Server类定义
148

6.4.3　 Server类构造函数
148

6.4.4　 Server类成员函数
148

6.4.5　 Client类定义
152

6.4.6　 Client类构造函数
152

6.4.7　 Client类成员函数
153

6.5　 SoftwareSerial库
158

6.5.1　 构造函数
159

6.5.2　 begin( )
160

6.5.3　 read( )
160

6.5.4　 print( )和println( )
161

6.5.5　 使用限制
164

6.6　 EEPROM库
165

6.6.1　 read( )
165

6.6.2　 write( )
166

6.7　 Wire库
166

6.7.1　 IIC总线概述
166

6.7.2　 TwoWire类定义
167

6.7.3　 begin( )
168

6.7.4　 requestFrom( )
168

6.7.5　 available ( )
169

6.7.6　 receive( )
169

6.7.7　 beginTransmission( )
170

6.7.8　 endTransmission( )
170

6.7.9　 send( )
171

6.7.10　 onReceive( )
172

6.7.11　 onRequest( )
173

6.8　 Servo库
174

6.8.1　 构造函数
175

6.8.2　 attach()
176

6.8.3　 write( )
177

6.8.4　 writeMicroseconds( )
177

6.8.5　 read( )
178

6.8.6　 readMicroseconds( )
178

6.8.7　 attached( )
178

6.8.8　 detach( )
179

6.9　 Stepper库
179

6.9.1　 步进电机概述
179

6.9.2　 步进电机的基本参数
180

6.9.3　 步进电机的优缺点
181

6.9.4　 步进电机的工作原理
181

6.9.5　 步进电机的控制电路
183

6.9.6　 Stepper类定义
185

6.9.7　 构造函数
186

6.9.8　 setSpeed( )
188

6.9.9　 step( )
188

6.10　 TLC5940库
189

6.10.1　 Tlc5940类的定义
190

6.10.2　 init( )
191

6.10.3　 update( )
192

6.10.4　 set( )
193

6.10.5　 get( )
194

6.10.6　 setAll( )
194

6.10.7　 clear( )
195

6.11　 OneWire库
195

6.11.1　 单总线的结构
195

6.11.2　 单总线控制方式
195

6.11.3　 单总线信号形式
196

6.11.4　 OneWire类
198

6.11.5　 构造函数
200

6.11.6　 reset( )
200

6.11.7　 write_bit( )
201

6.11.8　 read_bit( )
202

6.11.9　 write( )
202

6.11.10　 read( )
203

6.11.11　 select( )
203

6.11.12　 skip( )
204

6.12　 XBee库
204

6.12.1　 XBee类定义
204

6.12.2　 构造函数
205

6.12.3　 begin( )
206

6.12.4　 readPacket( )
206

6.12.5　 send( )
209

6.13　 创建自己的库
210

6.13.1　 库的功能—Morse
210

6.13.2　 MorseCode类的定义
213

6.13.3　 MorseCode类的成员函数
214

6.13.4　 MorseCode库的使用
222

6.13.5　 关键字的定义
223

第7章　 无线模块的应用
224

7.1　 APC220
224

7.1.1　 APC220性能指标
224

7.1.2　 模块引脚定义
226

7.1.3　 模块的使用
226

7.1.4　 注意事项
227

7.2　 DFduino wireless
228

7.2.1　 DFduino wireless性能指标
228

7.2.2　 模块引脚定义
229

7.2.3　 模块的使用
229

7.3　 Bluetooth V3
231

7.3.1　 Bluetooth V3性能指标
231

7.3.2　 模块引脚定义
232

7.3.3　 模块的使用
232

7.4　 XBee和XBee PRO
234

7.4.1　 XBee及XBee PRO性能指标
235

7.4.2　 模块引脚定义
235

7.4.3　 模块的使用
236

7.4.4　 程序设计
236

第三篇　 应用篇

第8章　 打造自己的遥控履带车
242

8.1　 履带车的驱动
242

8.1.1　 实现功能
242

8.1.2　 所需器材
242

8.1.3　 硬件连接
243

8.1.4　 程序设计
246

8.1.5　 MotorCar类
251

8.1.6　 类的应用
255

8.2　 添加感知器件
257

8.2.1　 实现功能
257

8.2.2　 所需器材
257

8.2.3　 器材介绍
257

8.2.4　 硬件连接
258

8.2.5　 程序设计
258

8.3　 添加无线模块
261

8.3.1　 实现功能
261

8.3.2　 所需器材
261

8.3.3　 硬件连接
261

8.3.4　 程序设计
262

8.4　 制作遥控器
264

8.4.1　 实现功能
264

8.4.2　 所需器材
265

8.4.3　 硬件连接
265

8.4.4　 程序设计
265

8.5　 履带车遥控调速
267

8.5.1　 实现功能
267

8.5.2　 程序设计
267

8.6　 添加无线摄像头
272

8.6.1　 实现功能
272

8.6.2　 所需器材
272

8.6.3　 器材介绍
272

8.6.4　 硬件连接
273

8.6.5　 程序设计
277

8.7　 环境信息获取器件
283

8.7.1　 实现功能
283

8.7.2　 所需器材
284

8.7.3　 器材介绍
284

8.7.4　 硬件连接
285

8.7.5　 程序设计
286

第9章　 仿生机器人
295

9.1　 遥控机械臂
295

9.1.1　 实例功能
295

9.1.2　 器材列表
295

9.1.3　 搭建硬件环境
296

9.1.4　 安装控制部分
298

9.1.5　 Wii游戏手柄
298

9.1.6　 机械臂程序设计
300

9.2　 双足机器人
304

9.2.1　 实例功能
304

9.2.2　 器材列表
304

9.2.3　 搭建硬件环境
305

9.2.4　 双足机器人程序设计
307

9.2.5　 PC调试软件编写
310

9.2.6　 双足机器人的调试
317

附录A　 Arduino引脚与AVR单片机管脚对应关系
319

附录B　 Arduino扩展板
320

附录C　 其他可扩展模块
322

编辑推荐

《Arduino开发实战指南(AVR篇)》编辑推荐：国内首本Arduino著作，全面而系统地讲解Arduino平台的功能特性和开发方法。注重实战。包含大量实战案例，不懂硬件的工程师也能迅速搭建产品原型。资深Arduino玩家、硬件工程师主笔。创客联盟与学术专家联袂推荐，权威性毋庸置疑。

内容概要

程 晨　国内较早接触Arduino的硬件工程师，在Arduino的应用方面拥有丰富的实战经验。对Arduino的底层代码进行了长达一年的学习与研究,同时使用过大量的Arduino类库，对于Arduino的架构和实现原理有着非常深入的理解和认识。同时在PC端、手机端的应用程序开发方面也有一定的经验，应用Arduino进行过多款交互式产品制作。

媒体关注与评论

这是一本全面讲述Arduino应用开发的书，它从Arduino的I／O板和最基本的C语言入门开始，详细介绍了Arduino库和10多个第三方开源库及其对应的外围设备的使用与编程。这本书第三部分通过详细介绍两个实例展示了Arduino作品开发的过程，也体现了Arduino的强大潜力。本书适合Arduino的初学者作为循序渐进的教材，也适合希望深入学习Arduino的开发者作为参考手册。　　——浙江大学计算机学院Arduino创新教学实践者翁恺老师A rduIno是一个开源硬件平台，电子专业的学生完全可以通过查资料、买元件、做PCB、焊电路，制作自己的ArduIno硬件模块；同时，很多厂商也开发了各种各样的ArdtJino外围功能电路供学生选择，无论是电机驱动、无线通信、音乐播放，还是各种传感器压力、速度、倾角、方向等），这些均为学生在学习和设计与自动控制、物联网、无线传感网相关的知识提供了不同的学习途径，并且使得学习电子知识变得相对容易。另外，Arduino的代码语法简单易懂，对于学过C语言程序设计甚至没有任何编程经验的读者来说，Arduino程序也是简单易读的。因此，这本书非常适合作为Arduino爱好者的参考教材。同时。通过全面系统介绍Arduino及其开发方法，本书也为电子和计算机类专业低年级学生打开了一扇兴趣之门，书中丰富的实例更是增强学生动手能力不可多得的素材。　　——西安邮电大学计算机学院周立功“3+1”创新教育实验班班主任马博老师这是一本关于Arduino及其开发方法的书。本书内容涵盖广泛，但又不失重点。通过系统的理论知识介绍和精彩的实例讲解，将Arduino这个开源硬件平台阐释得淋漓尽致。这本书的内容包括Arduino的来龙去脉、C语言基础、Arduino开发平台的使用以及实战项目。与之前看过的几本直接翻译的国外Arduino书籍相比，这本书更加生动。读者即使原来没有在嵌入式平台上编写过软件，通过这本书也可以学会Arduino的开发方法，实现自己的产品创意。这也是Arduino的魔力所在。本书作者有非常丰富的Arduino项目开发经验，后面几个章节的项目记录了作者使用Arduino的开发心得。通过阅读此书你也可以DIY出充满创意的产品原型！　　——DFRobot创始人、Arduino首批引入者之一庄明波

章节摘录

版权页：插图：Arduino是源自意大利的一个开放源代码的硬件项目平台，该平台包括一块具备简单I／O功能的电路板以及一套程序开发环境软件。Arduino可以用来开发交互产品，比如它可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制电灯、电机和其他各式各样的物理设备；Arduino也可以开发出与PC相连的周边装置，能在运行时与PC上的软件进行通信。Arduino的硬件电路板可以自行焊接组装，也可以购买已经组装好的模块，而程序开发环境的软件则可以从网上免费下载与使用。说到Arduino的起源似乎有点令人感觉无心插柳柳成荫。MassimoBanzi是意大利米兰互动设计学院的教师，他的学生常常抱怨不能找到一块价格便宜且功能强大的控制主板来设计他们的机器人。2005年的冬天，Banzi和1DavidCual。tielles讨论到这个问题，David Cuartielles是西班牙的微处理器设计工程师，当时在这所学校做访问研究。他们决定自己设计一块控制主板。他们找来了Banzi的学生DavidMellis，让他来编写代码程序。DavidMellis只花了两天时间就完成了代码的编写，然后又过了3天，板子就设计出来了，取名为Arduino。很快，这块板子受到了广大学生的欢迎。这些学生当中那些甚至完全不懂计算机编程的人，都用Arduino做出了“很炫”的东西：有人用它控制和处理传感器，有人用它控制灯闪烁，有人用它制作机器人……之后Banzi、Cuartielles和Mellis将设设计图上传到网上，然后花了3000欧元加工出第一批板子。Banzi等人当时加工了200块板子，卖给学校50块，起初还担心剩下的150块怎么卖出去，但是几个月后，他们的设计作品在网上得到了快速传播，接着他们收到了几个上百块板子的订单。这时他们明白Arduino是很有市场价值的，所以，他们决定开始Arduino的事业，但是有个原则——开源。他们规定任何人都可以复制、重设计甚至出售Arduino板子。人们不用花钱购买版权，连申请许可权都不用。但是，如果你加工出售Arduino原板，版权还是归Arduino团队所有。如果你是在基于.Arduino的设计上修改，你的设计必须也和Arduino一样开源。

图书封面

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