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 開關按鍵實驗4.3 電機控制實驗4.4 LCD顯示實驗4.5 設計游戲Jumping Pong4.1 Arduino開發(fā)環(huán)境 4.1.1 材料清單4.1.2 調試代碼圖4-1為實驗的原理圖圖4-1原理圖4.1.2 調試代碼 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 調試代碼編好后，單機下載到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4.2.3 硬件調試圖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 程序設計2.程序源碼pinMode(LED,OUTPUT); /設置數(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); /設置第13引腳為高電平，點亮LED燈else

4、 digitalWrite(LED,LOW); /設置第13引腳為低電平，熄滅LED燈 3.調試及實驗現(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)的功能就是當按下按鍵并放開后，LED仍然會一直亮著。要想達到這個目的，在不修改硬件連接的情況下，只需要對程序進行適當?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)主要歸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)字化技術的發(fā)展，數(shù)字控制技術得到了廣泛而深入的應用。步進電機是一種將數(shù)字信號直接轉換成角位移或線位移的控制驅動元件，具有快速啟動和停止的特點。 因為步進電動機的控制系統(tǒng)結構簡單，價格低廉，性能上滿足工業(yè)控制的基本要求，所以廣泛地應用于手工業(yè)自動控制，數(shù)控機床，組合機床，機器人，計算機外圍設備，照相機，投影儀，數(shù)碼攝像機，大型望遠鏡，衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)，醫(yī)療器件以及各種可控機械工具等。 直流電機廣泛應用于計算機外圍設備（如磁盤，軟盤和光盤存儲器），家電產品，醫(yī)療器械和電動車上，無刷直流電機的轉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) 被廣泛應用。在電工設備中的應用，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電機中的應用。在發(fā)電場里，同步發(fā)電機的勵磁機，蓄電池的充電機等，都是直流發(fā)電機；鍋爐給粉機的原動機-是直流電動機。此外，在許多工業(yè)應用場合，列如大型軋鋼設備，大型精密機床，礦井卷揚機，市內電車，電纜設備等嚴格要求線速度一致的地方，通常都采用直流電動機作為原動機來拖動工作機械。直流發(fā)電機通常作為直流電源，向負載輸出電能；直流電動機則作為原動機帶動各種生產機械工作，向負載輸出機械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機還有其他的用途，例如測速電機，伺服電機等，它們都是利

8、用電和磁的相互作用來實現(xiàn)向機械能的轉換。 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速，停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機就轉過一個步距角。由于這一線性關系的存在，加上步進電機具有只有周期性的誤差而無累計誤差等特點，所以步進電機在速度，位置控制等領域應用廣泛，使用步進電機后使很多原本復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電機的運行速度，步數(shù)及方向進行控制。根據(jù)計算機所發(fā)出脈沖的頻率和數(shù)量所需的時間來設計一個字程序，該子程序包含一定的指令，設計者通常要對這些指令的執(zhí)行時間進行嚴密

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， 每當子程序結束后，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。因此需要重新設計步進電機的控制程序，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，設計一種步進電機控制方式，僅需要幾條簡單的指令就可以產生具有一定頻率和數(shù)目的脈沖信號。可編程的硬件定時器直接對系統(tǒng)時脈沖或某一固定頻率的時鐘脈沖進行計數(shù)，計數(shù)值則由編程決定。當計數(shù)到預定的脈沖數(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 硬件調試4.3.4 程序設計1.步進電機實驗軟件流程自增自減運算符是一類特殊的運算符，其中，自增運算符（+）和自減運算符（-）對 變量的操作結果是增加1和減少 1。圖4-10步進電機試驗軟件流程圖2.步進電機實驗程序#include /這里設置步進電機旋轉一圈是多少步#define STEPS 100/設置步進電機的步數(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() /設置電機每分鐘的轉速

11、為90步 stepper.setSpeed(90);void loop() int val = analogRead(0); /移動步數(shù)為當前讀數(shù)減去歷史讀數(shù) stepper.step(val - previous); /保存歷史讀數(shù) previous = val; 4.3.5 拓展訓練 1.直流電機的工作原理直流電機是指能將直流電能轉換成機械能的機械設備，因其良好的調速性能而在電力拖動中得到廣泛應用。直流電動機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，串勵和復勵3種。本文不對直流電機原理進行深入研究，只是大概介紹一下。其實在本實驗主要是關注直流電機是有刷電機還是無刷電機，因為有

12、刷電機干擾很大，會對Arduino以及其他外圍芯片造成干擾，甚至會導致芯片復位，所以只從有刷和無刷這兩類大致進行介紹。 （1）有刷直流電動機。 有刷電動機的2個刷（銅刷或者鋼刷）是通過絕緣座固定在電動機后蓋上，直接將電源的正負極引入到轉子的換相器上，而換相器連通了轉子的線圈，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動起來。由于換相器與轉子固定在一起，而刷與外殼（定子）固定在一起，電動機轉動時刷與換相器不斷地發(fā)生摩擦產生大量的阻力與熱量。所以，有刷電機效率較低。但是，它具有制造簡單，成本低廉的優(yōu)點。 （2）無刷直流電動機 無刷直流電動機是將普通直流電動機的定子與轉子進行了互

13、換。其轉子為永久磁鐵，產生氣隙磁通；定子為電樞，由多相繞組組成。在結構上，它與永磁同步電動機類似。無刷直流電動機定子的結構與普通的同步電動機或感應電動機相同，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，以便進行合理換相。轉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。由于電動機本機為永磁電機，所以習慣上把無刷直流電動機也叫做永磁無刷電動機。2.驅動芯片 驅動步進電機用的是ULN2003。由于只用了4個引腳，ULN2013還有3個空閑的驅動引腳。另外，為了使電路

14、簡單，就直接用ULN2003剩余的一個引腳來驅動了。因此，也只能驅動電機朝一個方向轉動。3.驅動電路由于使用的是直流電機，干擾較大，驅動電路就要多作一些消除干擾的設計，常見的有在電機兩端串聯(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),其結構是在兩片平行的玻璃基板當中放置液晶盒，下基板玻璃上設置TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設置彩色濾光片，通過TFT上的信號與電壓改變來控

15、制液晶分子的轉動方向，從而達到每個像素帶點偏振光出射的目的?，F(xiàn)在LED已經(jīng)替代CRT成為主流，價格已經(jīng)下降了很多，其普及速度相當快。1602液晶也叫1602字符型液晶，是指顯示的內容為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，符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5*7或者5*11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，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用于市面上大部分的字符型液晶。本實驗是驅動1602液晶顯示文字。 4.4.3 硬件調試4.4.4 程序設計4.5 Jumping Pong4.5.1 功能構思Jumping pong.主要功能包括以下幾個方面的內容：（1）8乘8點陣的應用 （6）光敏電阻實現(xiàn)光控開關。（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顯示屏顯示分數(shù)。（5）游戲搖桿模塊實現(xiàn)球拍移動。4.5.2 設計原理1.設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)境的光照強度，當光強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，當接收到特定值得信號時，調用game函數(shù)，游戲開始。每當球碰到一次拍子，分數(shù)就自動加1，實現(xiàn)計分功能。當一方未接到球時，游戲結束，顯示分數(shù)及下一步功能選擇。如此反復，在游戲進行中，不斷刷新光敏電阻的值，判斷是否符合光強條件，以保證游戲功能正常運行。2.各模塊電路連接 所需材料：Arduino主板和擴展板（各1個），88點陣（1個），MAX7219驅動芯片（1個），面包板（2塊），LCD顯示屏（1個），語音模塊（1個），導線若干，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打地鼠游戲機設計一個打地鼠游戲機，該設計中4個LED燈，對應4個按鍵，每秒生成一個14的隨機數(shù)，對應點