Arduino开发-盘古文库

Arduino开发

来源：盘古文库

作者：莲生三十二

2025-09-13

Arduino开发（精选7篇）

Arduino开发第1篇

随着当代社会经济技术的发展,人们对于人身和财产的安全也越发的重视。为了实施安全防范控制,人们通常会选择采用安防系统。但受限于普通的安防系统,智能安防系统的应用也越来越广泛。市面常见的安防系统主要依靠人的自主判断,不能离开人为的干预,缺乏自主对视频内容的智能分析。并且使得安防系统只能完成设定时间内的视频存储记录,仅仅可为事后分析提供证据。本文设计了一种基于Arduino控制,以人体热释电红外传感器、RFID、摄像头等模块为辅助,多传感器协同判断的智能安防系统,该系统可以对来访者进行判断,同时还可以即时将画面传到服务器,实现用户在移动端的查看,并准确地保存有效证据。

1 系统硬件设计

智能安防系统的硬件主要由5大模块组成:红外传感器模块、RFID传感器模块、摄像头模块、WIFI模块、主控单元。系统的硬件结构图,如图1所示。

1.1 传感器检测电路

本电路负责各种异常信号的采集,同时由控制中心转换读取。它主要由2种传感器组成:人体热释电红外传感器和RFID传感器。

1.1.1 红外传感器

红外传感器方面以非接触方式检测出人体红外线,并获得电压信号值;同时不需要红外线或者电磁波等发射源,功耗较低,隐蔽性较好,灵敏度高,控制范围较为精确。

人体表面的温度一般是37度,会发出10μm左右波长的红外线,本系统中人体热释电红外传感器为检测该红外线,所采用的是被动式红外探头。该探头上安装有菲尼尔滤光片,该滤光片将人体发射的10μm左右的红外线先进行增强,然后再汇聚到红外感应源上。红外感应源上装有热释电元件,该元件收集到辐射来的人体红外温度后,其中的电荷将失去电荷平衡,从而向外释放电荷,反映到电路中便是产生了一个高电平,最后进行信号处理。

人体热释电红外传感器电路,如图2所示。

1.1.2 RFID传感器

RFID使用的是ZT-24LE1DEV,核心板为NRF24LE1射频模块加母板的分离式结构进行设计。NRF24LE1是一款高性价比且内置微控制器的智能2.4GHz射频收发器。

NRF24LE1的好处包括严密的协议时序、安全性以及低功耗和改善共存的性能。对于应用层,NRF24LE1提供了一个丰富的外设,包括:SPI,IIC,UART,6至12位ADC,PWM和一个用于电压等级系统唤醒的超低功耗模拟比较器。

24LE1DEV的额定工作电压为5V,信号的调制方式为GFSK,频率范围涵盖了ISM频段2400~2483.5MHz,信道数量为125,空中速率为250kbps,1Mbps,2Mbps;在空旷无障碍的情况下,通讯距离可以达到30~60m。

RFID传感器电路,如图3所示。

1.2 摄像头模块

摄像头模块采用的摄像头型号为OV7670,该款摄像头使用感光阵列转换光信号,感光阵列将摄像头透镜中传过来的光采集,转换形成数字信号。感光阵列越密像素越大。常见感光阵列有CCD、COMS。OV7670采用的感光阵列为COMS。若想要直接将电信号放大并转换成为数字信号,需要采用CMOS感光阵列。CMOS使得每个像素点直接连接ADC,并且制程简单。由于缺少专属通道,所以每个像素的资料需要先放大,再整合。因此,CMOS比较容易受到环境的影响,成像条件较为苛刻,否则容易出现坏点,图像容易失真。但随着工艺的进步,它的可兼容性变强,功耗的控制更加优化,更加的符合嵌入式系统的设计,同时产生的图像失真现象也可以通过软件进行算法上的补偿。

OV7670图像传感器电路,如图4所示。

OV7670内部的图像传感器虽然体积小,但是能够提供单片VGA摄像头的所有功能,同时可以作为影像处理器,并且工作时需要的额定电压较低。通过SCCB总线控制,可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种数据。该摄像头的VGA图像最高可达到30帧/秒。使用时可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能包括伽马曲线、白平衡、饱和度、色度等等都可以通过SCCB接口编程。

OV7670带FIFO模块,可以降低MCU采集速度,能够实现图像采集控制。由于采用了FIFO做为数据缓冲,数据采集大大简便,使用时只需要关心数据如何进行读取,而不需要关心数据是如何采集到的。这样可减小甚至不用关心CMOS的控制以及时序关系,就能够实现图像的采集。

1.3 WIFI发送模块

本模块所采用的为ESP8266,ESP8266芯片功能完善,能够自成一个体系。还能够搭载软件应用,或通过另一个应用处理器卸载所有WIFI网络功能。

ESP 8266芯片电路,如图5所示。

ESP 8266搭载有高速缓冲存储器,所以在作为应用处理器并搭载应用时,可以从外接闪存中直接启动,这样有利于提高系统性能。

此外,当设备通过无线网络直接接入并作为WIFI适配器时,可以经由中央处理器中AHB桥接口或者SPI/SDIO接口直接将其添加到各种微型系统的控制器中,连接的方法也较为简单。

ESP 8266芯片由于其功能强大,并且有着良好的片上处理能力和存储能力,具备GPIO接口,因而可以集成到其他的传感器,应用到其它特定的设备上。对于系统资源占用率较小,适合前期的开发。同时在ESP 8266中,高度集成了天线开关、电源管理转换器等,所以其不需要设计过多的外部电路,并且PCB空间占用率最低。

ESP 8266具备以下特征:

节能———唤醒/睡眠模式下快速切换;

自适应无线电偏置——需要配合低功率操作;

能够对前端信号进行处理和故障进行排除;

可消除蓝牙、蜂窝数据、DDR、LVDS、LCD干扰。

1.4 主控单元模块

主控单元选择的是Arduino UNO R3,Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源硬件产品,具有丰富的接口,有数字I/O口,模拟I/O口,同时支持SPI,IIC,UART串口通信。配合多样的传感器可对环境进行感知,并通过控制LED等设置来影响环境。Arduino的编译环境简洁,使用方便,自由度高,还具有很强的扩展性,同时还具备标准化的接口模式。

Arduino在使用过程中,并不需要去了解硬件的内部结构和去设置寄存器,只需要了解端口的作用,并且编译语言采用的是类C语言,即可完成Arduino的编写程序工作。具有指令数少,指令可读性高的特点。

Arduino的软硬件是开源的,在技术上没有保留,并积累了大量的常用I/O设备的Arduino程序。初学者只需要对其进行简单的修改,就可以实现自己想要的复杂的功能。由于其具有开源的特性,所以相关的资料及文献都可以从网站、博客、论坛当中获取到,方便日常的学习。

相比较于其他的开发板,Arduino开发板有着上手容易,学习成本低,相关产品价格低廉,也不需要烧写器即可烧录代码,学习和使用上来讲都较为便捷。

2 系统软件设计

2.1 服务器的搭建

本系统采用的服务器搭载的操作系统是Cent OS,是一款免费的企业级Linux操作系统。身为一个由志愿者推动的社区项目,Cent OS仍然赢得了良好的声誉。Cent OS同时也是一套适合企业桌面环境的解决方案,有着优异的稳定性、可靠性拔群,并且可以对最新软件及功能提供长期支持。

该系统经过非常严格的测试,在用户安全性上可以得到保障,并且具备极高的稳定性与可靠性。可以免费下载及使用并且还有长达五年的免费安全更新周期。

该系统基于Java Web开发环境,可以实现多设备、跨平台的使用,不会受到设备的影响,更加方便与便捷。Web服务器采用的是Tomcat,作为一个能够实现完整Java EE标准的最小的web服务器,Tomcat技术先进、性能稳定,而且开源免费,该服务器支持全部JSP以及Servlet规范。

2.2 流程图

上位机与下位机通信流程图,如图6所示。

2.3 通讯协议

本系统所采取的是异步通信,是以字符或者字节为单位组成字符帧进行传输。字符帧格式中包括空闲位、起始位、资料位、奇偶校验位、停止位。

以RS232通信协议规定为例,异步通信是以一个逻辑值为0的低电平作为起始位,以停止位结束,逐个字符逐位的传输,并且字符之间对于时间间隔并没有要求。在起始位后面的是由5-8位数据构成的字符数据,字符数据后一位为校验位,但也有可能没有校验位。后面是停止位,停止位的长度有可能是1位、1.5位或者2位,最后是空闲位。为保证起始位的高电平有一个跳变,需将停止位和空闲位设置为高电平。如图7所示。

异步通信依靠检测起始位来实现发送端与接收端的时钟自同步。这样,只要发送端和接收端协商好字符帧格式和波特率,就可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收。

相比于同步通信,有以下特点,如表1所示。

3 可行性验证

将摄像头、人体热释电红外传感器、ESP8266分别连接到Arduino主板上。

如图8,图9所示。

人体热释电模块检测人体,如图10所示。

当人体热释电红外传感器模块检测到红外信号,并且RFID模块未检测到另一射频模块时,摄像头模块拍摄图片并将图片转换成十六进制串口数据,经过处理后再已图片的形式显示。

4 结论

Arduino开发第2篇

Arduino是一个开源的单片机电子设计平台。硬件部分由Atmel AVR单片机、I/O接口及相关电路组成。软件部分则包括标准的程序编译器和程序下载器。作为一种新型的集成开发环境,Arduino最大的特点是简单易用。它采用一种类似于C++和Java的编程语言进行编程,在单片机编程中很多常用的功能,如延时、数据读写、中断等都被模块化封装成一个个子函数供程序开发者调用,程序开发者只需着眼于程序的逻辑结构,而不必关心底层函数的具体设计,从而大大降低了编程的复杂程度。此外,程序开发者可以使用USB将编写好的程序下载到Arduino开发板,程序的烧写和修改变得更加容易。

本文提出了一种基于Arduino开发环境的智能寻光小车设计方案,小车能够不断检测平面内的红外线,最终找到红外线发射源。

1 设计原理

1.1 系统组成

系统由Arduino控制板、红外传感器、直流电机及电机驱动电路组成,如图1所示。Arduino控制板根据各方向红外传感器检测到的红外信号,制定控制策略,输出PWM信号,调节左右两台直流电机的转速;输出数字量信号,调节电机的旋转方向,最终实现小车的前进、后退、左右转弯。

1.2 寻光原理

本文提出的设计方案中,引导智能寻光小车运动的“光”信号是红外线。波长在780nm~1 000μm之间[1],与可见光相比,将红外线作为引导信号受环境中光线的干扰较小,且依然能够保持直线传播。采用台湾亿光(Everlight)生产的IR333-A红外发射管作为红外线发射源,该红外发射管发射的红外线定向性好,发射的红外线强度与通过红外发射管的电流成正比,发射出的红外线中,波长为940nm的红外线强度最大。与红外发射管对应,采用红外光敏三极管检测红外线,检测范围约为60°,当红外线波长为940nm时,相对敏感度最高[2,3]。

2 硬件部分设计

2.1 Arduino控制板

本设计中采用Arduino Mega控制板,核心是一片ATmega1280-16AU单片机。控制板还包括54通道数字I/O接口(其中14通道可作为PWM输出)和16通道10bADC模拟量输入。工作电压为5V,建议输入电压为7~12 V,每个数字I/O口的直流电流为40mA。存储空间方面,板载128KB FLASH Memory(其中4 KB被用作bootloader),8 KB SRAM,4 KB E2PROM。时钟晶振为16 MHz。控制板通过标准USB线缆与电脑连接,便于在线进行程序调试[4]。

2.2 寻光模块

该模块由红外光敏三极管和LM393双电压比较器组成单限比较器电路[5],如图2所示。当未检测到红外线时,比较器正相输入端的电压大于参考电压,输出信号为高电平。当检测到红外线时,比较器反相输入端的电压小于参考电压,输出信号为低电平。

本方案中采用3个寻光模块,其中1个与小车轴线重合,另外2个分布在轴线两侧,且与轴线构成的夹角相等,3个寻光模块产生3组数字量,分别代表左、中、右引导信号,引导小车的运动方向。每个寻光模块的1管脚接电源VCC,3管脚接GND。3个寻光模块的2管脚分别接数字量I/O接口3~5。

2.3 电机驱动模块

本文采用以L298电机驱动芯片为核心的直流电机驱动模块,其输出电流为2A,最高电流为4A,最高工作电压为50V。电机驱动模块管脚功能与连接方式如表1所示。

本设计将Arduino控制板上的数字量I/O接口6~9连接到驱动电路的A1,A2,B1,B2管脚,从而控制直流电机的旋转方向;将Arduino控制板上的PWM输出11,12连接到驱动电路的ENA、ENB使能管脚,从而控制直流电机的转速,最终实现了双路直流电机控制,进而控制了小车的运动状态。

3 软件部分设计

3.1 算法描述

本设计中,当未检测到红外线时,小车以预先设定好的速度直行。当负责某一方向的红外传感器检测到红外线时,该传感器给出引导信号,单片机接收该信号并执行“转向”程序,即小车向检测到红外线的方向转动,接下来引入一个简单的反馈环节[6,7]:小车一直转动,直到中间的红外传感器检测到红外线,终止“转向”程序,小车直行,向着红外线发射源前进。

3.2 检测子程序

检测子程序[8]的功能是检测左、中、右3个寻光模块给出的引导信号,进而控制小车的运动方向。以检测左侧寻光模块的子程序代码为例:

程序代码中的digitalRead()是Arduino特有的函数,其功能是读取某一特定数字量管脚的值。在Arduino开发环境中,对于数字量的值定义如下:高于3V被视为高电平,用HIGH表示;低于2V被视为低电平,用LOW表示。在对某一管脚使用digitalRead()子函数之前,必须对该管脚进行配置,配置函数pinMode()的句法为pinMode(pin,mode),pin为用户欲配置的管脚编号,mode为配置模式(INPUT表示配置为输入管脚,OUTPUT表示配置为输出管脚)。例如,将left_pin所对应的管脚配置为输入管脚:pinMode(left_pin,INPUT)。

3.3 PWM调速子程序

基于Arduino开发环境的直流电机调速部分程序代码如下[9,10](以直行子程序为例):

代码中digitalWrite()函数为Arduino开发环境自带函数,其功能是对一个数字管脚写数字量高(HIGH)或低(LOW)。对于PWM调速,Arduino开发环境中有专用函数analogWrite(),调用该函数后,指定管脚将会持续产生指定占空比的稳定方波,直到再次调用该函数控制该管脚。PWM信号频率约为490 Hz。函数句法为analogWrite(pin,value),pin为输出PWM调速信号管脚的管脚编号,value值与PWM调速信号占空比相对应,0为最小值,表示占空比为0%,64表示占空比为25%,127表示占空比为50%,……,以此类推,255为最大值,表示占空比为100%。由此可见,anglogWrite()函数使得PWM调速变得更为简单和容易。

4 试验结果

按照本方案设计的小车能够达到寻找红外线发射源的目的。但检测范围存在一定的“死区”,受红外线传感器数量限制,小车只能检测前方小于180°范围内的红外线发射源。此外检测距离也较近,不能满足远距离“寻光”。对于存在的问题,可以通过优化软件算法设计、增加红外传感器数量、增加红外线发射源的辐射强度来解决。

5 结语

本文着重介绍了基于Arduino这一新型集成开发环境的智能寻光小车设计,作为开放性的互动软硬件开发平台,对于Arduino开发环境的广泛应用具有较好的参考价值。

摘要：简要介绍了一种基于Arduino新型集成开发环境的智能寻光小车设计方案,包括对设计原理、软硬件部分设计及试验结果的介绍。该方案基于光直线传播原理,利用红外光敏三极管设计红外传感器,检测小车前方不同方向上的红外线强度,确定红外线发射源的位置,利用PWM直流电机调速技术控制小车的前进、后退和转向。试验证明,寻光小车能够达到设计目的并运行稳定。设计方案切实可行,对于Arduino新型集成开发环境的应用具有一定的参考价值。

关键词：Arduino,寻光小车,PWM电机调速,红外传感器

参考文献

[1]ISO.ISO 20473:2007[S].Switzerland:ISO TechnicalCommittees,2007.

[2]TSAI J.Technical datasheet,5mm Infrared LED,T-1 3/4,IR333-A[EB/OL].[2005-7-20].http://www.everlight.com/datasheets/IR333_A_datasheet.pdf.

[3]张宏建.自动检测技术与装置[M].北京:化学工业出版社,2004.

[4]BANZI M.Getting started with Arduino[M].California:O′Reilly,2009.

[5]王小海,祁才君.集成电子技术基础教程(上册)[M].2版.北京:高等教育出版社,2008.

[6]胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2009.

[7]D′AZZO J J,HOUPIS C H,SHELDON Stuart N.Linearcontrolsystem analysis and design[M].北京:清华大学出版社,2000.

[8]崔才豪,张玉华,杨树财.利用Arduino控制板的光引导运动小车设计[J].自动化仪表,2011,32(9):5-7.

[9]王汀.微处理机原理与接口技术[M].杭州:浙江大学出版社,2008.

基于arduino的语音控制系统第3篇

1.1 项目名称

基于arduino的语音控制系统。

1.2 项目含义

近年来,随着语音识别与确认技术的逐渐成熟,基于语音识别技术的对话控制系统受到了越来越多的关注。现有的语音技术有些是要先录入声音,然后采用对照的方式进行识别,这样一来,不同的人说同样的话,可能识别结果不一样,该系统采用专门的控制板,不需要事先录入,只需设置相应的关键词,就可以进行识别,配合arduino控制器,从而进行相应的执行动作。

1.3 项目产生的背景及原因

语音识别技术,也被称为自动语音识别(Automatic Speech Recognition,ASR),其目标是将人类的语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入,例如按键、二进制编码或者字符序列。与说话人识别及说话人确认不同,后者尝试识别或确认发出语音的说话人而非其中所包含的词汇内容。

语音识别技术的应用包括语音拨号、语音导航、室内设备控制、语音文档检索、简单的听写数据录入等。语音识别技术与其他自然语言处理技术如机器翻译及语音合成技术相结合,可以构建出更加复杂的应用,例如语音到语音的翻译。

语音识别技术所涉及的领域包括:信号处理、模式识别、概率论和信息论、发声机理和听觉机理、人工智能等等。

1960年代,人工神经网络被引入了语音识别。这一时代的两大突破是线性预测编码Linear Predictive Coding(LPC)和动态时间规整Dynamic Time Warp技术。

1.4 项目实施的必要性

语音识别一直是人类的梦想,故事“阿里巴巴和四十大盗”里面的“芝麻开门”便反映了古人对语音产品的一个构想。科技发展到今天,人类对语音识别的研究工作始于20世纪50年代。经过50多年的努力和积淀,尤其进入90年代后,语音识别技术进一步成熟,开始向市场提供商业化运作比较成熟的产品。许多发达国家如美国、日本、韩国以及IBM、Apple、Nuance、Microsoft等公司都为语音识别系统的实用化开发研究投以巨资,但在生活中,语音识别似乎应用的不太多,该项目采用简单的结构,以语音识别模块为核心,实现简单的语音控制应用,是语音识别技术在生活中的一个应用实例。

语音识别技术发展到今天,特别是中小词汇量非特定人语音识别系统识别精度已经大于98%,对特定人语音识别系统的识别精度就更高。这些技术已经能够满足通常应用的要求。

2 项目实现的目标及实现方法

2.1 项目目标

该项目实现的目标为:通过语音识别模块,识别人说话的意思,并发送信号给arduino,由arduino程序去控制相应的执行机构动作,例如:开灯,关灯,打开或者关闭风扇等等。从而实现人机互动。语音模块具备以下性能。

(1)高准确度和实用的语音识别效果。

(2)非特定人语音识别技术:不需要用户进行录音训练。

(3)可动态编辑的识别关键词列表:只需要把识别的关键词以字符串的形式传送进芯片,即可以在下次识别中立即生效。比如,用户在51等MCU的编程中,简单地通过设置芯片的寄存器,把诸如“你好”这样的识别关键词的内容动态地传入芯片中,芯片就可以识别这样设定的关键词语了。

(4)支持用户自由编辑50条关键词:在同一时刻,最多在50条关键词语中进行识别,终端用户可以根据场景需要,随时编辑和更新这50条关键词语的内容。

2.2 实现方法

该项目采用现成的语音控制模块,但是模块本身有局限性,就是只有2个控制引脚,只能控制2个外部器件。大大限制了其实用性,好在其自带串口通信引脚,我们就用arduino(arduino本质上是一种AVR单片机,开发者对其进行了二次开发,大大降低了使用的难度)和其进行串口通信,arduino本身自带50多个控制引脚并且还可以扩展以获得更多引脚,这样,通过对语音控制模块编程,语音控制模块负责将声音转换为相应的代码(例如语音“打开电灯”对应“001”,“关闭电灯”对应“002”),并通过串口发送给arduino,然后再对arduino编程,使其接受到相应的代码后,能执行相关操作(例如将arduino的13号输出脚通过继电器控制电灯,当arduino接受到“001”时候,使得13号输出脚输出高电平从而点亮电灯,接受到“002”时候,使得13号输出脚输出低电平从而关闭电灯)。这样,需要控制多种电器的话,只需要依次对应在语音模块和arduino里增加程序即可!

3 结语

该项目是南京机电职业技术学院2015年度三创大赛决赛的入围作品,通过近一个月的努力,我们最终调试完成,并在决赛中获得了二等奖的好成绩!

“车到山前必有路”并不是自我安慰,而是真实的心理现象。每个人都有一些创意,但是当这些创意真正需要实现的时候,往往觉得无从下手。其实,当你真想完成这个项目的时候,通过查阅资料、请教他人、相互讨论等方式,是可以克服这些困难的。

当你敢想、敢做的时候,哪怕最终失败,你也是最优秀的创客!

参考文献

[1]Simon Monk,著.创客电子电子制作DIY指南[M].孙宇,译.人民邮电出版社,2014.

[2]Simon Monk,著.arduino编程从零开始[M].刘椮楠,译.科学出版社,2013.

Arduino开发第4篇

1 系统的整体架构

整个车辆监控系统由车载移动终端、安卓系统手机平台、移动通信网络和通信服务器组成,其系统组成如图1所示。车载移动终端的GPS模块获取汽车当前的位置、时间、速度等信息,车辆其他的状态信息通过终端的CAN模块获取,获取到的所有信息不断通过终端GPRS模块以GPRS网络通信的方式上传到通信服务器上。同时,GPRS模块也不断从服务器上查询是否有数据需要返回,从而实现移动终端与通信服务器的双向数据传输。从服务器上返回终端的数据通过串口传给Arduino控制器处理并执行相应的操作。同样,安卓手机与通信服务器通过网络协议建立连接,安卓手机可根据需要随时从服务器获取各种信息或发送数据到服务器。这样,通过通信服务器就能把车载移动终端和安卓手机间接连在一起,从而达到手机获取汽车信息以及控制汽车的目的。限于篇幅,本文着重介绍车载终端的硬软件设计,安卓APP和服务器平台的搭建在本文不做具体分析。

2 系统硬件设计

车载设备由主控制器、GPRS通信模块、GPS模块、CAN模块、电源模块等组成,其结构如图2所示。

为缩短开发周期、方便验证设计方案的可行性,选用开源硬件Arduino作为主控制器进行系统开发。Arduino独有的开放性、简易性、交流性、实用性、廉价性以及丰富的第三方资源使得开发更便捷、成本更低廉。本系统使用的Arduino Mega1280是采用USB接口的核心电路板,处理器核心是ATMEL公司的ATmega 1280,同时具有54路数字输入/输出口,16路模拟输入,4路UART接口,丰富的资源满足了系统的整体设计。GPRS模块选用了SIMCOM公司的SIM808模块,该模块采用SMT封装形式,性能稳定、外观精巧、性价比高。SIM808采用工业标准接口,GSM、GPRS的工作频率适用于全球各地区,内嵌TCP/IP协议,可以低功耗实现语音、短信(SMS)、数据和传真信息的传输。在SIM808模块外围还需扩展SIM卡模块才能正常使用其功能。Arduino通过一路串口与SIM808模块相连接,实现单片机与GPRS模块的相互通信。SIM808的引脚图及SIM模块的电路如图3、图4所示。

GPS模块采用U-BLOX NEO-6M模组,体积小巧、性能优异。同时模块增加了放大电路,有利于无缘陶瓷芯片的快速搜星,模块可通过串口进行各种参数设置,并可保存在EEPROM中,使用方便。模块还自带了SMA接口,可以连接各种有源天线,适应能力较强,并且模块还带有可充电的后备电池,在主电源断开后,后备电池可维持0.5h左右的GPS星历数据保存,以支持温启动或热启动,从而实现快速定位。由于模块兼容3.3V/5V电瓶,所以可方便连接各种单片机系统。GPS模块与Arduino的另一路串口相连接,并由单片机供电,以方便向单片机传输定位数据等信息。CAN总线模块选用了Microchip的MCP2515,MCP2515是一款独立控制器的局域网络协议控制器,它完全支持CAN V2.0B技术规范,通讯速率为1 Mb/s。MCP2515与单片机的连接是通过业界标准串行外设接口(SPI)实现。单片机可通过MCP2515与CAN总线上的其他MCU通信,使得单片机对于CAN总线的操作变得更加容易。在本系统中,Arduino单片机通过SPI接口与MCP2515通信,Arduino的SPI控制器工作在主机模式,汽车发动机、传感器等工作在从机模式。CAN模块CANH端和CANL端分别接汽车对应的高、低总线,这样Arduino端的CAN收发器与车总线上的CAN收发器就可以通过CAN总线相互传输数据。

此外在车载系统中,不同的设备需要不同的电源,单片机、GPRS模块、GPS模块、CAN模块等所需的电压都有所不同,这就需要针对不同设备提供其所需电压。在本设计中GPRS模块使用的是12V的直流电,而Arduino单片机使用的是5V的直流电,GPS模块与CAN模块可由单片机的IO供电。因此,在电源管理设计中,需要将车载电源输出的12V电压转换为5V直流电压,以保证各个部分都能在正常电压下工作。

3 系统软件设计

系统软件设计部分选用开源硬件Arduino的集成开发环境来编写,编程语言基于Wiring,语法使用类似于C语言,软件的主程序流程如图5所示。主程序包括系统初始化、循环检测以及中断程序等,并设置了高级、低级和优先级。单片机通过GPRS模块接收用户命令,并在处理后给予回复,Arduino控制器通过AT指令控制SIM808模块并完成各种功能。AT指令集是从终端设备(TE)或者数据终端设备(DTE)向终端适配器(TA)或者数据电路终端设备(DCE)发送。具有通过TA、TE发送AT指令来控制移动台(MS)的功能,并与GSM网络业务进行交互。用户可通过AT指令进行呼叫、短信、数据业务等方面的控制。AT指令必须以“AT”或者“at”开头,以回车(<CR>)结尾。

在编写Arduino程序中,向GPRS模块发送串口命令:GprsSerial.print("AT+CIPSTART="TCP","42.123.81.215","81"rn"),使模块建立TCP连接,连接的目标地址为42.123.81.215,连接端口号为81。串口命令:Gprs-Serial.print("AT+CIPSENDr");用于发送数据,后接命令:GprsSerial.print("GEThttp://42.123.81.215:81/api/data/get.php"),即为要发送的内容。最后发送串口命令:GprsSerial.write(0x1A),实现数据向服务器的发送。U-BLOX NEO-6M模块共有7条命令语句:$GPGGA,$G-PGSA,$GPGSV,$GPRMC,$GTVTG,$G-PGLL,$GPZDA。其中$GPRMC是标准推荐的定位信息语句,从中可以提取到经度、纬度、速度、航向等信息。

Arduino单片机通过SPI接口对MCP2515设置读写命令控制发送和接收操作。当MCP2515通过SPI接口进行读操作时,将读命令以及要读的首地址发送到SI引脚,当时钟的下降沿到来时,将接收到的数据发送到SO引脚。相反,当MCP2515通过SPI接口进行写操作时,将写命令以及要写的首地址发送到SO引脚,当时钟的下降沿到来时,将接收到的数据发送到SI引脚。因为MCP2515是字符设备,而CAN总线上传输的是数据帧,所以在编写驱动程序时需要定义合适的报文结构。CAN报文帧的标识符在总线上发送信息时,id用来确定各个发送节点的地址。要控制汽车的启动和熄火,即需要发动机部分的id。在驱动程序代码中,还需定义功能函数,如读写操作函数、控制函数等,才能完成相关操作。

4 结束语

本文利用GPS技术、GPRS网络通信技术以及CAN总线技术,以开源硬件Arduino作为主控制器,设计一款车载移动监控终端。在安卓手机平台及服务器平台支持下,实现了手机远程对车辆进行实时定位、检测、启动、熄火等控制。该设计将方便私家车主在没有监控中心调度下,自主地对汽车进行监控。同时,该设计也具有广阔的发展前景。

参考文献

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Arduino开发第5篇

单摆测重力加速度的设计

在动手制作单摆测量重力加速度之前,我们首先得知道单摆和周期的公式:T=2π√L/g,根据这个公式我们可以换算出g=4π2L/T2,还可以发现只需要保证L的大小不变,测量周期的大小带入公式即可。

现在测量重力加速度的问题就转换成了测量周期的问题,我们通过查找资料发现为了获得比较准确的周期数值,应注意这样两个问题:1多次测量求取平均值;2初始角度小于5度。

在结构搭建方面,我们使用铁架台做底座,使用细线连接试管夹和小钢球,如图1所示。另外,为了检测小球转动的次数我们还使用了红外数字壁障传感器,只要测量出小球通过的时间,总时间除以总次数就是平均周期了。

在正式实施的时候用手控制小球的启动,容易出现小球初始角度不一致和小球不停旋转的问题,这对结果影响会很大。因此我们就想使用电磁铁控制小球释放,当给电磁铁通电时,电磁铁吸引小钢球,按下按钮电磁铁自动释放。但我们身边的电磁铁电压是12V,而我们的Arduino UNO只能提供5V的电压,因此需要加入一个继电器转换电压。为了方便安置电磁铁我们使用3D打印机制作了一个配套的底座,如图2所示。

为了可以使实验脱离电脑,我们为装置安装了一个LCD屏,并给Ardunio UNO提供了一个外接电源。在实际操作的过程中,小球转动的次数对结果的影响很大,但是每一次手动改变记录的次数又很麻烦,我们加入角度传感器,通过控制角度传感器的角度可以实现次数的记录。最后通过测试,我们发现在本实验中记录40次结果是最好的。

综上所述,制作本品所需要的材料和说明如下页表所示。

代码编写

本次实验的代码比较简单,我们选择北京师范大学创客教育实验室开发的图形化编程软件Mixly,使用Mixly这款软件编写Arduino代码非常简单,具体代码如图3、图4所示。

测试效果

通过点击按钮小球释放,单摆运行一段时间后,显示屏上直接显示最终结果。本次实验运行的结果达到9.75,与实际数值符合。结果如图5所示。

通过实验我们发现,为了确保实验结果的准确性,需要注意以下内容:1初始摆角小于5度,小球不能在旋转姿态下运行。2红外传感器放置在小球运动的最低端。3摆动的次数适中,本装置在40次达到最优结果。4整个实验装置在密闭环境下运行。5整个实验需要牢牢地固定。

知识拓展

通过数字化工具,重新对传统物理实验进行设计并不是一件很难的事情。例如,机械能守恒和牛顿第二定律的验证等问题。在传感器的帮助下,能有效减少误差,实验效果更加明显。而且,在Mixly之类的图形化编程软件的帮忙下,Arduino的编程其实十分简单,所以在中学阶段传感器和编程知识是很有必要的。

Arduino开发第6篇

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台, 它由硬件 (Atmel AVR单片机、I/O接口及相关电路等) 和软件 (Arduino IDE) 组成。Arduino的硬件平台是完全开放的, 任何人均可从其官网上下载最新的PCB设计进行复制。硬件平台包括基于AVR微控制器的主控制电路板以及大量的输入、输出电子模块, 由于各类模块与主控制电路板连接时无需焊接, 只需像积木一样拼接即可, 因此Arduino也被称为“电子积木”[1]。在软件方面, Arduino有属于自己的基于Eclipse的IDE软件开发环境, 采用类C++的语言进行编程, 很多在单片机编程中常用到的功能都被模块化封装成一个个子函数供程序开发者调用, 从而大大简化了程序开发工作。此外, 由于可以使用USB将编写好的程序下载到Arduino开发板, 使程序的烧写和修改变得更加容易[2,3,4]。

本文提出了一种基于Arduino开发环境的简易倒车雷达系统设计方案, 该系统可以通过LCD1602液晶显示屏实时显示车后部与障碍物的距离, 并在小于安全距离时声光报警。此外, 通过温度传感器, 该系统还可以在液晶显示屏上实时显示车内温度。

1 设计原理

1.1 系统组成

汽车防撞报警电路系统由Arduino控制板及外围电路、超声波发射部分、超声波接收部分、温度检测部分、数据显示部分构成, 加报警电路即构成倒车雷达。系统总体框架设计如图1所示。Arduino板根据超声波发射器和接收器检测到的时间间隔信息, 计算出超声波测距装置与障碍物之间的距离, 并与温度传感器接收到的温度信息一并显示在液晶屏上。

1.2 超声波测距原理

超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。在此使用脉冲反射式, 即利用超声的反射特性。超声波测距的原理是通过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, 超声波经空气传播, 在碰到障碍物时立即返回, 超声波接收器收到反射波就停止计时, 如图2所示。常温下超声波在空气中的传播速度为v=340m/s, 根据计时器记录的时间Δt, 就可以计算出发射点距障碍物的距离 (S) [5,6], 即:

式中:t0= (T1+T2) /2, t0即所谓的渡越时间。

在超声波测量系统设计中, 若频率取得太低, 外界的杂音干扰较多;若频率取得太高, 在传播的过程中衰减较大。因此在超声波测量中, 常使用40 k Hz的超声波。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性, 以此为基础做成的倒车雷达具有很高的抗干扰性能[7]。

2 硬件部分设计

2.1 Arduino控制板

本设计中采用的Arduino Mega2560是一块采用USB接口的核心电路板, 处理器核心是ATmega2560, 同时具有54路数字输入/输出口 (其中16路可作为PWM输出) , 16路模拟输入, 4路UART接口, 一个16 MHz晶体振荡器, 一个USB口 (便于在线进行程序调试) , 一个电源插座, 一个ICSP header和一个复位按钮。Arduino Mega2560也能兼容为Arduino UNO设计的扩展板[2,8]。

2.2 超声波测距模块

本设计中采用的超声波测距模块HC-SR04可提供2~400 cm的非接触式距离感测功能, 测距精度可达到3 mm, 模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。采用I/O口TRIG触发测距, 给至少10μs的高电平信号, 模块自动发送8个40 k Hz的方波, 并自动检测是否有信号返回, 一旦检测到回波信号则通过IO口ECHO输出一个高电平, 高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间, 测试距离计算公式为[9,10]:

这里声速为340 m/s。

测量周期应在60 ms以上, 以防止发射信号对回响信号产生影响。HC-SR04模块引脚如图3所示。

2.3 液晶显示模块

本倒车雷达系统的显示电路选择液晶显示器LCD1602, 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等优点。LCD1602采用标准的14脚 (无背光) 或16脚 (带背光) 接口, 各引脚接口说明如表1所示。

2.4 实验电路连接图

各个模块与Arduino板连接的电路图如图4所示。

3 软件部分设计

3.1 算法描述

本设计中, 系统初始化后, 首先由超声波发送模块发送超声波, 待遇到障碍物后, 超声波返回, 超声波接收模块接收超声波信息, 并将时间差Δt反馈给Arduino板, 通过一定算法, 计算出超声波测距装置与障碍物的距离, 并将其显示在液晶屏上。同时, 温度传感器不断接收温度信息, 并将其反馈给Arduino板, 经过一定算法的换算, 将车内温度实时显示在液晶屏上。主程序的流程图如图5所示。

3.2 超声波测距与报警子程序

基于Arduino开发环境的超声波测距与报警子程序如下:

在采用Arduino编程的过程中, 主要采用的是一个pulse In () 函数, 该函数用来读取引脚的脉冲 (HIGH或LOW) 。如果value是HIGH, pulse In () 就会等待引脚变为HIGH, 开始计时后, 在等待引脚变为LOW并停止计时, 并返回脉冲的长度 (单位μs) [1]。

3.3 温度显示子程序

基于Arduino开发环境的温度显示子程序如下:

4 实验结果

按照本方案设计的倒车雷达系统 (实物图如图6所示) 经过测试完全可以达到实际应用的目的, 该系统不同于简单的超声波测距, 它可以通过实时检测车尾部与障碍物的距离, 并在该距离小于警戒值时同时发出声光报警, 提示司机注意倒车安全。作为一项附加功能, 该倒车雷达的液晶屏上还能实时显示车内温度, 在倒车雷达不使用时充分发挥液晶显示屏的显示作用。但由于该系统目前还是比较初步的试验品, 无法对车后空间实施全方位扫描, 因此扫描范围必然存在一定的“死区”。

5 结语

本文着重介绍了基于Arduino这一新型集成开发环境的倒车雷达系统设计, 通过较低的成本实现了超声波测距、声光报警、温度检测、液晶显示等多项功能, 具有一定的实用价值, 同时对于Arduino开发环境的广泛应用具有较好的参考价值。

参考文献

[1]康凌.基于Arduino的超声测距系统的设计[J].电子世界, 2013 (20) :140-141.

[2]纪欣然.基于Arduino开发环境的智能寻光小车设计[J].现代电子技术, 2012, 35 (15) :161-163.

[3]高磊.Arduino让我们爱上制作[J].无线电, 2010 (9) :6-7.

[4][美]BANZI Massimo.爱上Arduino[M].2版.北京:科学出版社, 2012.

[5]王安敏, 张凯.基于AT89C52单片机的超声波测距系统[J].仪表技术与传感器, 2006 (6) :45-49.

[6]张健, 李钢.超声波测距系统的研究与设计[J].合肥工业大学学报:自然科学版, 2004, 27 (6) :640-643.

[7]路锦正, 王建勤, 杨绍国, 等.超声波测距仪的设计[J].传感器技术, 2002, 21 (8) :29-34.

[8]蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程, 2012, 20 (16) :155-157.

[9]李军, 申俊泽.超声测距模块HC-SR04的超声波测距仪设计[J].单片机与嵌入式系统应用, 2011, 11 (10) :78-79.

Arduino在中职教育中的探索第7篇

Arduino, 是一块基于开放源代码的USB接口Simple I/O接口板。利用Arduino开展单片机教学、机器人教学和创新课程等, 可以发掘学生创新能力, 让学生在制作中体验科技带来的快乐。Arduino有以下特色: (1) Arduino的IDE是免费、开源的; (2) Arduino的硬件也是开源的, 包括原理图和PCB图; (3) Arduino的所有资源都可以免费下载, 并且可依需求自己修改; (4) Arduino的附件只需1根USB线, 编程、烧写一键搞定; (5) Arduino使用低价格、容易购买的微处理控制器ATMEGA328; (6) 支持多种互动软件:Flash、Max/Msp、VVVV、PD、Processing等; (7) 可简单地与传感器、各式各样的电子组件连接; (8) 利用Arduino, 能突破以往只能使用鼠标、键盘等输入的装置的互动内容, 可以更简单地达成单人或多人互动。

Arduino简易上手, 但不是简单。Arduino在单片机的基础上作了简化, 把单片机控制简化成输入和输出两类, 又进一步把输入分为模拟输入和数字输入, 把输出分为模拟输出和数字输出, 在这种简化的基础上, 使用Arduino再也不用为单片机设置枯燥的寄存器。此外Arduino还有非常多而且很活跃的用户, 在网络上能够找到使用Arduino制作的各种机器人的资料, 这对于拓展思路、培养创新精神十分有益。各类型的Arduino控制板如图1所示。

二、Arduino在中职课程中的开展形式

自从Arduino问世以来, 得到很多爱好者的追捧, 在各大电子论坛和网站都很活跃。因为Arduino的开源软、硬件, 加之可以很快入门学习, 是DIY爱好者的首选。Arduino的问世将会为中职教育课程提供一个可行的切入点。现从以下几方面谈谈。

(一) 单片机课程

单片机是一门应用性很强的课程。重在“理实一体化”, 单单理论基础是远远不够的, 必须结合实验不断练习验证, 才能熟练掌握。单片机对理论和实践的要求都很高, 除了抽象的逻辑电路和编程技巧需要学习外, 具有能够独立动手解决实际问题的能力也是必要的, 而中职学校的学生的基础相对薄弱一些。因此在学习“单片机”课程时普遍感觉到非常困难。现将中职单片机课程现状分析如下:

1. 理论与实际存在脱节。

教师过于注重单片机原理讲解, 忽略了实际应用, 导致学生学习起来感到枯燥, 进而失去了学习兴趣。

2. 教程知识点陈旧。

单片机是一门前沿性的技术, 尤其是技术突飞猛进的时代, 目前单片机教程多以51单片机来讲述。

3. 实验设备问题。

现行的实验设备大多都不具备再次创新能力, 内部实验电路模块固定, 学生不易学习, 只需连接线路, 观察运行结果。约束了学生的创作能力。

下面以Arduino为平台开展单片机教学。

电路结构———Arduino以电子积木形式呈现, 其电路原理图、PCB文件公开, 可根据实际需要选择相应的模块, 进行构建电路, 如图2所示。

编程软件———Arduino的软件系统使用的是初学者也能很容易掌握的编程环境, 并且可以选择图形化编程界面, 可以使那些不懂代码想搞创新作品的学生容易上手, 制作形式各异的科技作品。图3所示是Arduino官方的IDE和非官方的图形化编程软件, 图形化的编程软件更符合学生的认识规律。

程序设计———同时Arduino可以很方便地连接温度传感器、光敏传感器、颜色传感器和马达、舵机等。Arduino有很多第三方库, 可以很方便地实现以往单片机难以实现的功能。Arduino编程软件中带有大量例程供参考学习。

组织形式———以Arduino为平台开展单片机教学, 不能像以往的教学那样讲授。在教学中我们可以为学生配备Arduino学习套件和计算机。可以两个学生一组来共同研究学习Arduino, 教师将课堂交于学生, 在一段时间学生兴趣被激发后, 学生可以自己研究讨论来学习Arduino。

(二) 社团课教学

中职学生社团课重在发掘培养学生的兴趣, 现行的社团课都比较陈旧, 多以体育、娱乐性为主, 结合本专业创造一个富有特色的社团课是有必要的。

以Arduino平台开展电子兴趣社团小组。Arduino有很多电子模块, 教师引领学生向打积木式的组装电路, 写程序, 体验成果, 同时在过程中穿插电路图的讲解, 让学生在兴趣中不断提高专业知识, 激发学生的创作能力。学生可以认识串并联电路、二极管、三极管、各类传感器特性、p H值测量等演示。在传感器的基础上添加机电结合, 适用于学习单片机开发、制作简易机器人、开发智能家庭监控系统、了解现代农业自动化控制技术等。这对学生创新能力的培养有着重要的意义。

(三) 机器人课程

机器人是一门创新课程, 它是一门涵盖机械、传感器、程序设计等技术的综合性课程。机器人课程要立足于科学与技术素养的培养, 注重拓展学生的知识面, 开发学生的创造性潜能;中学阶段机器人课程的主要任务是让学生体验机器人, 培养对机器人的兴趣。

基于Arduino开源硬件的中学机器人课程选取生动有趣的机器人制作项目。通过动手制作机器人, 在做中玩, 在做中学, 了解机器人基本知识, 体验设计的思想, 使学生在学习上既能够及时体验到成功感, 又能够经历较为完整的机器人从设计到制作的整个过程, 引领学生体验技术创新的价值, 培养学生追求创新的精神, 实现发展学生创新能力的教育理想追求。

对于中职学生来说, 主要培养对机器人的学习兴趣, 可以将Arduino机器人课程知识目的的难度要求降低, 主要侧重于技能和情感态度目标。

知识目标———初步了解机器人和Arduino的起源、现状与发展方向, 了解机器人的结构组成、基本原理和机器人传感器, 了解并掌握Arduino机器人简单编程和程序调试方法。

技能目标———通过使用Arduino制作机器人、编写Arduino机器人程序, 体会机器人的工作过程, 初步养成综合运用知识技能的能力。

情感目标———养成进一步学习、研究机器人的兴趣, 提高创新意识和创新精神, 逐步形成合作意识和协作精神。

其教学内容可分为:基础知识、传感器与执行器和机器人设计。

1. 基础知识。

学生在学习机器人课程之前, 对机器人的了解仅限于电影、电视和书籍中对机器人的描绘。通过这一模块的学习, 学生可以初步了解机器人的来历和发展, 掌握Arduino机器人程序编写和下载的一般步骤, 为后面的学习做准备。

2. 传感器与执行器。学生通过对传感器和执行器的学习, 初步了解机器人的工作过程。

3. 机器人设计。

机器人是综合创作活动。通过前面的学习, 学生初步掌握了传感器、执行器的使用以及程序的编写和下载。通过竞赛的形式, 学生可参与一系列的机器人制作任务, 激发对机器人的学习兴趣, 培养创新精神。

(四) 创新实验室硬件建设方案

1. 配备计算机。根据学校实际情况, 采购计算机, 建议可以2—3人使用一台计算机。