Arduino簡單實驗課件

1、第4章 Arduino簡單實驗 目錄4.1 LED燈實驗4.2 開關(guān)按鍵實驗4.3 電機(jī)控制實驗4.4 LCD顯示實驗4.5 設(shè)計游戲Jumping Pong4.1 Arduino開發(fā)環(huán)境 4.1.1 材料清單4.1.2 調(diào)試代碼圖4-1為實驗的原理圖圖4-1原理圖4.1.2 調(diào)試代碼 按照右圖連接好電路后，就可以開始編寫程序了。程序需要讓LED小燈閃爍，實現(xiàn)點(diǎn)亮1秒熄滅1秒。這個程序很簡單，與Arduino自帶的例程里的Blink相似，只是將13數(shù)字接口換做10數(shù)字接口。圖4-2實物圖4.1.3 調(diào)試代碼編好后，單機(jī)下載到Arduino，Arduino的編程界面就會出現(xiàn)下列代碼。void s

2、etup()pinMode(10,OUTPUT);void loop()digitalWrite(10,!(HIGH);delay(1000);digital Write(10,!(LOW);delay(1000);緊接著就可以看到接到I/O口10腳上的高亮LED燈模塊在閃爍了，小燈閃爍實驗就完成了。注意：Arduino開發(fā)軟件的選擇工具欄板卡的選項是Uno，通信端口要選擇初次安裝出現(xiàn)的串口，兩項缺一不可，否則不能下載程序。圖4-3 Arduino的編程界面4.1.4 拓展訓(xùn)練流水燈，用八個LED，呈現(xiàn)多種流水效果。圖4-4 實物圖4.2 開關(guān)按鍵實驗4.2.1 材料清單4.2.2 實驗原理圖

3、4-5 按鍵開關(guān)4.2.3 硬件調(diào)試圖4-6 連接圖按照單鍵控制LED連接原理圖連接好電路。按鍵開關(guān)的一端連接5V，另一端接模擬輸入的0號端口；LED陽極串聯(lián)220限流電阻后連接數(shù)字13號端口，陰極連接到地。連接圖如圖4-6所示。4.2.4 程序設(shè)計2.程序源碼pinMode(LED,OUTPUT); /設(shè)置數(shù)字I/0引腳為輸出模式void loop()int i;while(1)i=analogRead(A0); /讀取模擬0口電壓值 if(i1000) / 如果電壓值大于1000（即4.88V） digitalWrite(LED,HIGH); /設(shè)置第13引腳為高電平，點(diǎn)亮LED燈else

4、 digitalWrite(LED,LOW); /設(shè)置第13引腳為低電平，熄滅LED燈 3.調(diào)試及實驗現(xiàn)象圖4-8單鍵控制LED實物連接圖4.2.5拓展訓(xùn)練完成上述實驗后，會發(fā)現(xiàn)一個問題，要想LED一直亮著就必須一直按著按鍵不放，很顯然這是一個不切實際的做法，所以現(xiàn)在要實現(xiàn)的功能就是當(dāng)按下按鍵并放開后，LED仍然會一直亮著。要想達(dá)到這個目的，在不修改硬件連接的情況下，只需要對程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷募纯桑ǘx了state變量用來保存按鍵按下的狀態(tài)）。下面為修改后的參考程序源代碼：#define LED 13#define sw 7int val=0;int old_val=0;int state=0

5、; /定義狀態(tài)位void setup() pinMode(LED,OUTPUT); pinMode(sw,INPUT);void loop() val=digitalRead(sw);if(val=HIGH)&(old_val=LOW) state=1-state; /狀態(tài)位取反 delay(10);old_val=val;if(state=1) digitalWrite(LED,HIGH);else digitalWrite(LED,LOW); 將上述代碼下載到開發(fā)板上后，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)按下按鍵并松開后，LED燈不會熄滅，而是一直亮著。該功能的實現(xiàn)主要?dú)w功于上述參考程序中定義的state變量保

6、存了按鍵按下的狀態(tài)。4.3電機(jī)控制實驗4.3.1 材料清單4.3.2 實驗原理隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)得到了廣泛而深入的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動元件，具有快速啟動和停止的特點(diǎn)。 因為步進(jìn)電動機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，性能上滿足工業(yè)控制的基本要求，所以廣泛地應(yīng)用于手工業(yè)自動控制，數(shù)控機(jī)床，組合機(jī)床，機(jī)器人，計算機(jī)外圍設(shè)備，照相機(jī)，投影儀，數(shù)碼攝像機(jī)，大型望遠(yuǎn)鏡，衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)，醫(yī)療器件以及各種可控機(jī)械工具等。 直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外圍設(shè)備（如磁盤，軟盤和光盤存儲器），家電產(chǎn)品，醫(yī)療器械和電動車上，無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子普遍使用永磁材料組成

7、的磁鋼，在航空，航天，汽車，精密電子等行業(yè) 被廣泛應(yīng)用。在電工設(shè)備中的應(yīng)用，除了直流電磁鐵（直流繼電器，直流接觸器等）外，最重要的就是在直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的應(yīng)用。在發(fā)電場里，同步發(fā)電機(jī)的勵磁機(jī)，蓄電池的充電機(jī)等，都是直流發(fā)電機(jī)；鍋爐給粉機(jī)的原動機(jī)-是直流電動機(jī)。此外，在許多工業(yè)應(yīng)用場合，列如大型軋鋼設(shè)備，大型精密機(jī)床，礦井卷揚(yáng)機(jī)，市內(nèi)電車，電纜設(shè)備等嚴(yán)格要求線速度一致的地方，通常都采用直流電動機(jī)作為原動機(jī)來拖動工作機(jī)械。直流發(fā)電機(jī)通常作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電動機(jī)則作為原動機(jī)帶動各種生產(chǎn)機(jī)械工作，向負(fù)載輸出機(jī)械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其他的用途，例如測速電機(jī)，伺服電機(jī)等，它們都是利

8、用電和磁的相互作用來實現(xiàn)向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速，停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個步距角。由于這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)具有只有周期性的誤差而無累計誤差等特點(diǎn)，所以步進(jìn)電機(jī)在速度，位置控制等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，使用步進(jìn)電機(jī)后使很多原本復(fù)雜的控制變得非常簡單。 一般采用軟件延時的方法來對步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，步數(shù)及方向進(jìn)行控制。根據(jù)計算機(jī)所發(fā)出脈沖的頻率和數(shù)量所需的時間來設(shè)計一個字程序，該子程序包含一定的指令，設(shè)計者通常要對這些指令的執(zhí)行時間進(jìn)行嚴(yán)密

9、的計算或者精確的測試，以便確定延長時時間是否符合要求， 每當(dāng)子程序結(jié)束后，可以執(zhí)行下面的操作。采用軟件延時方式時，cpu一般被占用，cpu利用率低，這些許多場合是非常不利的。因此需要重新設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的控制程序，采用pcl-812PG數(shù)據(jù)采集卡，利用812PG卡中自帶的可編程計數(shù)/定時器8254及其他邏輯電路器件，設(shè)計一種步進(jìn)電機(jī)控制方式，僅需要幾條簡單的指令就可以產(chǎn)生具有一定頻率和數(shù)目的脈沖信號?？删幊痰挠布〞r器直接對系統(tǒng)時脈沖或某一固定頻率的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)值則由編程決定。當(dāng)計數(shù)到預(yù)定的脈沖數(shù)時，給出定時時間到的信號，得到所需的延時時間或定時間隔，由于計數(shù)的初始值由編程決定，因此在不

10、改動硬件的情況下，只通過程序的變化即可滿足不同的定時和計數(shù)要求，使用很方便。 4.3.3 硬件調(diào)試4.3.4 程序設(shè)計1.步進(jìn)電機(jī)實驗軟件流程自增自減運(yùn)算符是一類特殊的運(yùn)算符，其中，自增運(yùn)算符（+）和自減運(yùn)算符（-）對 變量的操作結(jié)果是增加1和減少 1。圖4-10步進(jìn)電機(jī)試驗軟件流程圖2.步進(jìn)電機(jī)實驗程序#include /這里設(shè)置步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈是多少步#define STEPS 100/設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)和引腳Stepper stepper(STEPS, 8, 9, 10, 11);/定義變量用來存儲歷史讀數(shù)int previous = 0;void setup() /設(shè)置電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速

11、為90步 stepper.setSpeed(90);void loop() int val = analogRead(0); /移動步數(shù)為當(dāng)前讀數(shù)減去歷史讀數(shù) stepper.step(val - previous); /保存歷史讀數(shù) previous = val; 4.3.5 拓展訓(xùn)練 1.直流電機(jī)的工作原理直流電機(jī)是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)械設(shè)備，因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機(jī)按勵磁方式分為永磁，它勵和自勵三類，其中自勵又分為并勵，串勵和復(fù)勵3種。本文不對直流電機(jī)原理進(jìn)行深入研究，只是大概介紹一下。其實在本實驗主要是關(guān)注直流電機(jī)是有刷電機(jī)還是無刷電機(jī)，因為有

12、刷電機(jī)干擾很大，會對Arduino以及其他外圍芯片造成干擾，甚至?xí)?dǎo)致芯片復(fù)位，所以只從有刷和無刷這兩類大致進(jìn)行介紹。 （1）有刷直流電動機(jī)。 有刷電動機(jī)的2個刷（銅刷或者鋼刷）是通過絕緣座固定在電動機(jī)后蓋上，直接將電源的正負(fù)極引入到轉(zhuǎn)子的換相器上，而換相器連通了轉(zhuǎn)子的線圈，3個線圈極性不斷地交替交換與外殼上固定的2塊磁鐵形成作用力而轉(zhuǎn)動起來。由于換相器與轉(zhuǎn)子固定在一起，而刷與外殼（定子）固定在一起，電動機(jī)轉(zhuǎn)動時刷與換相器不斷地發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的阻力與熱量。所以，有刷電機(jī)效率較低。但是，它具有制造簡單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。 （2）無刷直流電動機(jī) 無刷直流電動機(jī)是將普通直流電動機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子進(jìn)行了互

13、換。其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，由多相繞組組成。在結(jié)構(gòu)上，它與永磁同步電動機(jī)類似。無刷直流電動機(jī)定子的結(jié)構(gòu)與普通的同步電動機(jī)或感應(yīng)電動機(jī)相同，在鐵芯中嵌入多相繞組（三相，四相，五相不等），繞組可接成星行或三角形，并分別與逆變器的各種率管相連，以便進(jìn)行合理換相。轉(zhuǎn)子多采用釤鈷或釹鐵硼等高嬌頑力，高剩磁密度的稀土料，由磁極中磁性材料所放位置的不同，可以分為表面式磁極，嵌入式磁極和環(huán)形磁極。由于電動機(jī)本機(jī)為永磁電機(jī)，所以習(xí)慣上把無刷直流電動機(jī)也叫做永磁無刷電動機(jī)。2.驅(qū)動芯片 驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)用的是ULN2003。由于只用了4個引腳，ULN2013還有3個空閑的驅(qū)動引腳。另外，為了使電路

14、簡單，就直接用ULN2003剩余的一個引腳來驅(qū)動了。因此，也只能驅(qū)動電機(jī)朝一個方向轉(zhuǎn)動。3.驅(qū)動電路由于使用的是直流電機(jī)，干擾較大，驅(qū)動電路就要多作一些消除干擾的設(shè)計，常見的有在電機(jī)兩端串聯(lián)手感，加電容等方法。這里只加了續(xù)流二極管和電容，如圖4-11所示，其中Arduino的12腳接ULN2003的第7腳。圖4-11 電路圖4.4 LCD顯示實驗4.4.1 材料清單4.4.2 實驗原理液晶顯示器簡稱LED(liquid crystal display),其結(jié)構(gòu)是在兩片平行的玻璃基板當(dāng)中放置液晶盒，下基板玻璃上設(shè)置TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設(shè)置彩色濾光片，通過TFT上的信號與電壓改變來控

15、制液晶分子的轉(zhuǎn)動方向，從而達(dá)到每個像素帶點(diǎn)偏振光出射的目的?，F(xiàn)在LED已經(jīng)替代CRT成為主流，價格已經(jīng)下降了很多，其普及速度相當(dāng)快。1602液晶也叫1602字符型液晶，是指顯示的內(nèi)容為16*2（即可以顯示兩行），每行16個字符的液晶模塊（顯示字符和數(shù)字），是一種專門來顯示字母，數(shù)字，符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個5*7或者5*11等點(diǎn)陣字符位組成，每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到字符間距和行間距的作用。因此。1502型液晶不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好），但非常適合便攜式及低功耗測試設(shè)備。市面上的字符型液晶大多數(shù)是基

16、于HD44780液晶芯片的，控制原理完全相同，因此基于HD44780所編寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。本實驗是驅(qū)動1602液晶顯示文字。 4.4.3 硬件調(diào)試4.4.4 程序設(shè)計4.5 Jumping Pong4.5.1 功能構(gòu)思Jumping pong.主要功能包括以下幾個方面的內(nèi)容：（1）8乘8點(diǎn)陣的應(yīng)用 （6）光敏電阻實現(xiàn)光控開關(guān)。（2）紅外遙控的接收與發(fā)射。（7）模塊連接。（3）語音模塊的使用。（4）1602LCD顯示屏顯示分?jǐn)?shù)。（5）游戲搖桿模塊實現(xiàn)球拍移動。4.5.2 設(shè)計原理1.設(shè)計思路將游戲代碼封裝在一個函數(shù)game中，改變gane中控制球速的代碼將游

17、戲分為不同等級和單雙人模式，在游戲開始前，先判斷周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度，當(dāng)光強(qiáng)大于一定值時再繼續(xù)執(zhí)行緊接著的功能。之后，判斷是否接到紅外信號，當(dāng)接收到特定值得信號時，調(diào)用game函數(shù)，游戲開始。每當(dāng)球碰到一次拍子，分?jǐn)?shù)就自動加1，實現(xiàn)計分功能。當(dāng)一方未接到球時，游戲結(jié)束，顯示分?jǐn)?shù)及下一步功能選擇。如此反復(fù)，在游戲進(jìn)行中，不斷刷新光敏電阻的值，判斷是否符合光強(qiáng)條件，以保證游戲功能正常運(yùn)行。2.各模塊電路連接 所需材料：Arduino主板和擴(kuò)展板（各1個），88點(diǎn)陣（1個），MAX7219驅(qū)動芯片（1個），面包板（2塊），LCD顯示屏（1個），語音模塊（1個），導(dǎo)線若干，游戲搖桿模塊（2個），小喇叭（1個），紅外線遙控和光敏電阻（各1個）。電路連接分為88點(diǎn)陣部分，紅外線遙控都分，光敏電阻部分，1602LCD顯示屏部分及總體電路，分別如圖4-14、4-15、4-16、4-17所示。圖4-14 8*8點(diǎn)陣連接Arduino UNO圖4-15 紅外遙控部分圖4-16光敏電阻部分圖4-17 LCD顯示屏部分4.6打地鼠游戲機(jī)設(shè)計一個打地鼠游戲機(jī)，該設(shè)計中4個LED燈，對應(yīng)4個按鍵，每秒生成一個14的隨機(jī)數(shù)，對應(yīng)點(diǎn)