作者：黄文恺
出版社：机械工业出版社
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Arduino开发实战指南：机器人卷试读：
前言
单片机中各种复杂的寄存器曾让众多的学习者望而生畏——要完成某项功能需要耗费大量的时间去熟悉单片机的底层。Arduino的诞生，改变了这一局面。Arduino将各种寄存器封装起来，并提供了易用的接口，极其简洁的界面，C语言编程方式，强大的第三方函数库支持，这些功能赋予其强大的生命力。目前市面上开始出现不少Arduino的学习教程，包括Android+Arduino的教程，但是和机器人应用开发相结合的书籍尚不多见。
机器人是一个典型的光机电算一体化系统，它融合了光学、机械、电子、传感器、计算机软硬件和人工智能等众多先进技术，是目前世界各国高校进行创新思维训练、创新技能训练、工程实践训练最理想的平台，吸引了无数爱好者参与其中。但由于机器人涉及的技术面比较广，门槛较高，往往让人觉得徒有热情，而不知从何下手。Arduino与机器人的结合改变了这一状况，使人们从海量的机器人相关基础知识中解放出来，能快速地实现设计者想要的功能，加速了机器人的研发。目前Arduino已经广泛应用于机器人、3D打印机、无人机等热门的科技项目。从笔者多年的机器人开发经验得出这样一条结论：学好Arduino对掌握机器人技术有较大的帮助。
很多基于Arduino的传感器、机电控制模块、通信模块等已经在市场上大量涌现，但是目前还没有一本教材能系统地把机器人的各个部分与Arduino结合起来，并详细介绍Arduino在机器人设计上的应用，而且机器人更强调的是一种系统工程的设计理念，单个专业的技术层面较为狭窄，不利于机器人的研究和开发。笔者通过不断学习，查阅Arduino的相关资料，并将从事机器人设计与制作六年的工程经验带入到本书中。本书将机器人涉及的光机电算一体化知识进行了融合，让读者能更全面地了解机器人的相关知识，引发读者从多学科交叉的角度去思考与钻研，最终完成机器人的设计和制作。
本书主要内容及面向的读者
机器人的制作非常强调动手能力，本书以实际机器人的制作应用为基础，将制作机器人所需要的必备知识进行一一叙述。首先介绍Arduino的基础知识，接着介绍机器人的运动控制部分，然后介绍机器人的感知部件——传感器，再介绍无线控制的方法，并辅以实例来介绍机器人的制作，最后提供了两套机器人竞赛的平台，其中包含了机器人设计制作和比赛的完整规则。
由于机器人属于跨学科的领域，必须掌握多个学科的知识。本书虽涉及多个学科，但尽量以浅显易懂的语言描述相关知识，没有涉及太深的内容，阅读本书建议有一定的电子知识基础和C语言基础。
根据读者情况的不同，本书的阅读方式也不同。
如果读者完全没有接触过单片机和软件开发，笔者建议从头阅读本书，并借助相关的Arduino书籍来辅助理解，因为本书并不完全是Arduino的基础入门教程。如果读者已经有一定Arduino开发经验，可以直接跳过第一篇，而从第二篇开始学习，掌握各种电机的控制方法。由于传感器种类繁多，本书只挑选了一些机器人常用的传感器来介绍（第三篇），建议读者购买各种传感器套装来配合本书的学习，将传感器接在Arduino板上，亲身体验一下各种传感器的特点和使用方法。第四篇介绍了五种常用的无线通信模块，每种模块各有优劣，读者可以根据项目开发的需要选择所需模块。第五篇介绍了几种机器人的制作，读者可以通过边学边做，逐步掌握机器人的相关知识。第六篇是机器人竞赛篇，里面有两套机器人比赛的完整赛制及所用机器人的制作方法。主要机器人零件均使用3D打印机打印制作。读者可通过访问http://www.hzbook.com查找本书的相关链接，下载书中所有机器人实例的3D打印零件库源文件、程序源代码、地图及部分数据文档。读者可将机器人打印出来进行对抗赛，机械设计相关专业的学生可在本篇学习到机器人机械设计方法，并对零件进行改进。本篇提供的机器人竞赛规则，适合大专或本科院校组织和开展机器人比赛。
致谢
首先要感谢本书的策划编辑张国强先生，感谢他对本书的关心和帮助，提出了很多宝贵的写作建议，并对书稿进行了仔细审阅。
其次要感谢“广州市教育局青少年科技教育计划”对本书的撰写、器材的购买提供的资助。
还要感谢笔者的学生黄冠彬、叶景祥、唐华杰、王朋、李昇圳、王召、黄煜楠、纪孟廷、覃镇波和崔杰城，感谢他们将节假日贡献出来，完成了第15章和第16章的资料整理和程序调试工作。
最后要感谢读者朋友们。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，敬请批评指正。希望有更多志同道合的人能加入到机器人的制作中来！第一篇 Arduino入门篇第1章 Arduino简介1.1 认识Arduino
Arduino是一款源自意大利的开放源代码硬件项目平台，该平台是一块USB接口Simple I/O接口板（包括12通道数字GPIO，4通道PWM输出，6-8通道10bit ADC输入通道），并且使用类似Java、C语言的IDE（集成开发环境）。
Arduino的核心是基于AVR指令集的单片机，但它简化了单片机工作的流程，对AVR库进行了二次编译封装，将复杂的单片机底层代码封装成简单实用的函数，使用者无需关心单片机编程繁琐的细节，如寄存器、地址指针等，从而大大降低了单片机系统开发难度，特别适合老师、学生和业余爱好者使用。
Arduino系列控制器具有的特色如下：
1）开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可根据需求自行修改。
2）可以采用USB接口供电，也可以外部供电。
3）支持ISP在线烧写，可以将新的“bootloader”固件烧入Arduino的CPU芯片。有了bootloader之后，可以通过USB更新程序。
4）可依据官方提供的PCB和SCH电路图（Eagel格式）来简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制。可简单地与传感器、电子元件等连接，如红外线、光敏电阻、热敏电阻、超声波、舵机等。
5）支持多种互动程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV、C、Processing等。
6）在应用方面，利用Arduino突破了以往只能使用鼠标、键盘、CCD等输入方式获取互动内容，而是可以更简单地达成单人或多人游戏互动。1.2 Arduino资源
Arduino的出现，大大降低了互动设计的门槛，越来越多没有学过电子知识的人，如艺术家、设计师等，开始使用Arduino制作各种充满创意的作品。为了满足不同应用领域的要求，Arduino设计了多款不同型号的开发板，如Arduino Duemilanove、Arduino Nano、Arduino mini、Arduino BT、Arduino Fio、Arduino Uno等。本书针对后面章节的需要，介绍Arduino Uno与Arduino Mega2560两种开发板。1.2.1 Arduino Uno开发板
Arduino Uno具有14个数字I/O口，6个模拟I/O口，一个复位开关，一个ICSP下载口，支持USB接口。其中，可通过USB接口直接供电，也可以使用单独的7～12V电源供电，具体的资源分配如图1.1所示。
Arduino Uno开发板的各引脚定义如下：
·数字引脚：0～13
·串行通信：0作为RX，接收数据；1作为TX，发送数据
·外部中断：2，3
·PWM输出：～3，～5，～6，～9，～10，～11
·SPI通信：10作为SS，11作为MOSI，12作为MISO，13作为SCK
·板上LED：13
·模拟引脚：A0～A5（在引脚号前加A，以区分数字引脚）
·TWI通信：A4作为SDA，A5作为SCL图1.1 Arduino Uno的资源1.2.2 Arduino Mega 2560开发板
与Arduino Uno相比，Arduino Mega2560的资源就丰富多了，它具有54个数字I/O口（其中14个可提供PWM输出），16个模拟I/O口，4对串行数据通信口（UART），一个复位开关，一个ICSP下载口，支持USB接口和直流电源供电，具体的资源分配如图1.2所示。图1.2 Arduino Mega2560的资源
Arduino Mega2560开发板的各引脚定义如下：
·数字引脚：0～53
·串行通信：提供4组串行通信端口，0（RX）和1（TX）作为串口1，19（RX）和18（TX）作为串口2，17（RX）和16（TX）作为串口3，15（RX）和14（TX）作为串口4
·外部中断：提供6个外部中断源，分别是2（外部中断0），3（外部中断1），21（外部中断2），20（外部中断3），19（外部中断4），18（外部中断5）
·PWM输出：0～13
·SPI通信：53作为SS，51作为MOSI，50作为MISO，52作为SCK
·板上LED：13
·模拟引脚：A0～A15（在引脚号前加A，以区分数字引脚）
·TWI通信：20作为SDA，21作为SCL1.3 安装Arduino Uno驱动
在应用Arduino开发环境进行程序设计前，首先要安装Arduino Uno控制板的驱动程序。本节介绍Arduino Uno驱动程序的常规安装方法，并对一种经常导致驱动安装不成功的情况给出了解决方法。1.3.1 常规Arduino Uno驱动程序安装方法
准备一块Arduino Uno控制板和一条USB连接线，当第一次将Arduino Uno板与电脑相连时，电脑上会出现“找到新的硬件向导”对话框，如图1.3所示，同时控制板上的电源指示灯被点亮。图1.3 “找到新的硬件向导”对话框
在图1.3中，选择“从列表或指定位置安装（高级）”，点击“下一步”，出现如图1.4所示的对话框。图1.4 在Arduino开发环境目录下找到驱动程序
选取Arduino开发环境目录下的drivers文件夹，点击“下一步”，完成驱动程序安装，如图1.5所示。
如图1.6所示，在设备管理器中查看新安装的Arduino Uno开发板通过USB转串口所对应的串口号为COM3。1.3.2 Arduino驱动安装过程出现的问题及解决方法
在上面步骤中，如果按照图1.4所示进行下一步操作后，弹出如图1.7所示的Arduino板驱动程序安装失败的对话框，可通过如下步骤来解决。图1.5 Arduino驱动程序安装完成图1.6 在设备管理器中查看USB转串口设备所对应的串口号图1.7 Arduino驱动程序安装失败
首先把文件mdmcpq.inf拷贝到系统盘（一般是C盘）Windows目录下的inf文件夹里面，其次把文件usbser.sys拷贝到C:\Windows\System32\drivers里面。这两个文件可从其他Windows系统中拷贝过来，或到网络上查找。
然后打开电脑的“设备管理器”对话框，如图1.8所示。
点击右键选中未被电脑识别的Arduino Uno，如图1.9所示，从弹出的快捷菜单中，选择“更新驱动程序”，将弹出如图1.10所示的“硬件更新向导”对话框，依照提示完成Arduino Uno驱动的安装。图1.8 Arduino Uno在设备管理器中的状态图1.9 更新Arduino Uno驱动程序图1.10 Arduino Uno硬件更新向导
按照图1.4的提示，完成Arduino Uno驱动程序更新，如图1.11所示。图1.11 Arduino Uno硬件更新成功1.4 Arduino开发环境
Arduino开发环境的主界面如图1.12所示，除了包含File（文件）、Edit（编辑）、Sketch（概述）、Tools（工具）、Help（帮助）这5类菜单外，在菜单栏下方还提供了5个常用的快捷菜单按钮，它们依次为Verify（校验）、Upload（上传）、New（新建）、Open（打开）、Save（保存）。图1.12 Arduino的开发环境
这5个快捷菜单按钮的具体功能如下：：Verify（校验），用于完成程序的检查和编译。：Upload（上传），用于将编译完成后的程序上传到Arduino控制板中。：New（新建），用于新建一个Arduino程序文件。：Open（打开），用于打开一个已存在的Arduino程序文件，其文件后缀名为.pde，1.0版本以后的文件后缀名为.ino。：Save（保存），用于保存当前的程序文件。
下面以Arduino Uno开发板自带的LED灯闪烁的例子，来介绍利用Arduino进行单片机程序开发的具体流程。1.新建文件
点击New按钮后，新建一个空白的Arduino程序文件，其界面如图1.12所示。2.串口设置和Arduino控制板型号选择
Arduino控制板驱动程序安装完成后，在“我的电脑→设备管理器”中查看连接到电脑的Arduino板所对应的串口号，如图1.13所示，当前Arduino Uno板对应的串口是COM3。图1.13 在设备管理器中查看Arduino Uno板对应的串口号
点击“Tools→Serial Port”，在其下拉菜单中选择COM3，如图1.14所示，即完成当前设备的串口配置。图1.14 在Arduino开发环境选中Arduino Uno板对应的串口号
点击“Tools→Board”，在其下拉菜单中选择“Arduino Uno”，如图1.15所示，即完成当前控制板的型号选择。图1.15 在Arduino开发环境选中Arduino板的型号3.程序设计
在Arduino开发环境的程序编辑区中输入程序代码，如图1.16所示。图1.16 在Arduino的程序编辑区中编写程序源代码
从图1.1可知，Arduino Uno板上LED的引脚是13，则编写使该LED循环点亮-熄灭1秒的程序如下：
int led = 13;
void setup()
{
pinMode(led, OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(led, HIGH); // LED
引脚置高电平
delay(1000); //
延时1s
digitalWrite(led, LOW); // LED
引脚置低电平
delay(1000); //
延时1s
}4.程序保存
程序输入完成后，在Arduino开发环境中点击“File→Save”菜单，在当前路径保存文件，或点击“File→Save As”将该文件另存在其他路径。5.程序编译
点击（Verify）按钮实现当前程序的编译，程序编译需要一点时间，等完成编译工作后，Arduino开发环境的状态栏会提示“Done compiling（程序已编译完成）”，同时信息提示栏会显示该程序进行编译后的大小，如图1.17所示，该程序编译后的大小为1084bytes。图1.17 对Arduino程序进行编译6.程序上传
点击（Upload）按钮将编译成功的程序上传到Arduino Uno控制板，在程序上传过程中，控制板的串口指示灯（RX和TX）会不停闪烁。程序上传完成后，Arduino开发环境的状态栏提示“Done uploading”，如图1.18所示，同时Arduino Uno控制板上的LED会不停闪烁。恭喜你，到此为止，通过一个简单的例子，你已经学会了使用Arduino。图1.18 上传程序到Arduino Uno控制板第2章 Arduino的基本函数
从第1章中我们已经初步了解了Arduino的易用性、自由性与交互性，然而它真正吸引众多爱好者是因为提供了大量的基础函数，包括I/O控制、时间函数、中断函数、数学函数、串口通信函数等，这些基础函数使单片机系统开发不再有复杂的底层代码，没有难懂的汇编语言，使用者可以方便地对板上的资源进行控制。另外，Arduino还提供了许多关于这些基础函数的示例程序，这些示例可以在Arduino开发环境的“File→Examples”菜单中找到，从而大大地降低了初学者的学习难度，缩短了单片机系统开发周期。2.1 数字I/O口的操作函数2.1.1 pinMode(pin, mode)
pinMode函数用于配置引脚为输入或输出模式，它是一个无返回值函数，一般放在setup里，先设置再使用。
pinMode函数有两个参数——pin和mode。pin参数表示要配置的引脚，以Arduino Uno为例，它的范围是数字引脚0～13，也可以把模拟引脚（A0～A5）作为数字引脚使用，此时编号为14脚（对应模拟引脚0）到19脚（对应模拟引脚5）。mode参数表示设置的模式——INPUT（输入）或OUTPUT（输出），其中INPUT用于读取信号，OUTPUT用于输出控制信号。
配置数字引脚3为输出模式的语句如下：
pinMode(3, OUTPUT);2.1.2 digitalWrite(pin, value)
digitalWrite函数的作用是设置引脚的输出电压为高电平或低电平，也是一个无返回值函数，在使用该函数设置引脚之前，需要先用pinMode将引脚设置为OUTPUT模式。
digitalWrite函数有两个参数——pin和value，pin参数表示所要设置的引脚，value参数表示输出的电压——HIGH（高电平）或LOW（低电平）。
配置数字引脚2的输出电平为高电平的语句如下：
pinMode(2, OUTPUT);
digitalWrite(2, HIGH);2.1.3 digitalRead(pin)
digitalRead函数的作用是获取引脚的电压情况，该函数返回值为int型——HIGH（高电平）或者LOW（低电平），在使用该函数设置引脚之前，需要先用pinMode将引脚设置为INPUT模式。
digitalRead函数只有一个参数——pin，它表示所要获取电压情况的引脚号，如果引脚没有连接到任何地方，那么将随机返回HIGH（高电平）或者LOW（低电平）。
获取数字引脚4的电压情况的语句如下：
pinMode(4, INPUT);
digitalRead(4);2.2 模拟I/O口的操作函数2.2.1 analogReference(type)
analogReference函数的作用是配置模拟输入引脚的基准电压（即输入范围的最大值），它是一个无返回值函数，只有一个参数type，type的选项有DEFAULT/INTERNAL/INTERNAL1V1/INTERNAL2V56/EXTERNAL，其具体含义如下。
·DEFAULT：默认5V或3.3V为基准电压（以Arduino板的电压为准）。
·INTERNAL：低电压模式，使用片内基准电压源（Arduino Mega无此选项）。
·INTERNAL1V1：低电压模式，以1.1V为基准电压（此选项仅针对Arduino Mega）。
·INTERNAL2V56：低电压模式，以2.56V为基准电压（此选项仅针对Arduino Mega）。
·EXTERNAL：扩展模式，以AREF引脚（0～5V）的电压作为基准电压，其中AREF引脚的位置如图2.1所示。图2.1 AREF引脚的位置
设置模拟输入引脚的基准电压为默认值的语句如下：
analogReference (DEFAULT);注意
使用AREF引脚上的电压作为基准电压时，需接一个5kΩ的上拉电阻，以实现外部和内部基准电压之间的切换。但总阻值会发生变化，因为AREF引脚内部有一个32kΩ电阻，接上拉电阻后会产生分压作用，因此，最终AREF引脚上的电压为，Varef为AREF引脚的输入电压。2.2.2 analogRead(pin)
analogRead函数的作用是从指定的模拟引脚读取值，读取周期为100μs，即最大读取速度可达每秒10000次。参数pin表示读取的模拟输入引脚号，返回值为int型（范围在0～1023）。
Arduino Uno主板有6个通道（Mega有16个）10位AD（模数）转换器，即精度为10位，返回值是0～1023。也就是说输入电压为5V的读取精度为5V/1024个单位，约等于每个单位0.049V（4.9mV）。输入范围和进度可通过analogReference()进行修改。
如输入电压为a，那么获取模拟输入引脚3的电压值的示例程序如下：
int potPin = 3;
int value = 0;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
value = analogRead(potPin) *a*1000/1023; //
输入电压是a
Serial.println(value); //
输出电压值的单位为mV
}注意
对Arduino Uno而言，函数参数的pin范围是0～5，对应板上的模拟口A0～A5。其他型号的Arduino控制板以此类推。2.2.3 analogWrite(pin,value)
analogWrite函数的作用是通过PWM的方式将模拟值输出到引脚，即调用analogWrite函数后，相应引脚将产生一个指定占空比的稳定方波（频率大约为490Hz），直到下一次调用该函数，可应用在LED亮度调节、电机速度控制等方面。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]