零基础学电子与Arduino:给编程新手的开发板入门指南 learn electr....pdf
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1、SEBASTOPOL, CA? ? ?Make: LEARN ELECTRONICS WITH ARDUINO?Arduino?Arduino? 版权声明版权声明 2019 year of first publication of the Translation Posts & Telecom Press. Authorized Simplified Chinese translation of the English edition of Learn Electronics with Arduino: An Illustrated Beginners Guide to Physical Co
2、mputing (ISBN 9781680453744) 2017 Maker Media, Inc. published by OReilly Media, Inc. This translation is published and sold by permission of OReilly Media, Inc., which owns or controls all rights to sell the same. 本书英文版版权归 Maker Media,Inc.所有,由 OReilly Media,Inc. 于 2017 年出版。简体中文版通过 OReilly Media,Inc.
3、授权给人民邮电出版社,于 2019 年出版发行,得到原出版方授权。版权所有,未经书面许可,本书的任何部分不得以任何形式重制。 内 容 提 要 本书是一本面向初学者的 Arduino 与电子制作入门指南。通过对本书的学习,你将快速掌握 Arduino 的基础与应用,同时学到很多电子电路相关的知识,以及编程方面的知识。本书图文并茂,内容循序渐进,即使你没有任何电学与编程基础,也能轻松入门。 著 美 乔迪卡尔金(Jody Culkin) 美 埃里克哈根(Eric Hagan) 译 刘端阳 王学昭 曲岩 等侯景艳 责任编辑 魏勇俊 责任印制 彭志环 人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路 11
4、号 邮编 100164 电子邮件 网址 http:/ 北京瑞禾彩色印刷有限公司印刷 开本:8001000 1/16 印张:16.2516.259.25 2019 年 8 月第 1 版 字数:416 千字 2019 年 8 月北京第 1 次印刷 著作权合同登记号 图字:01-2017-9198 号 定价:109.00 元 读者服务热线:( (010) )81055493 印装质量热线:( (010) )81055316 反盗版热线:( (010) )81055315 广告经营许可证:京东工商广登字 20170147 号 致敬将本书献给学生们,无论是过去、现在还是未来,学生的好奇心都驱使着他们,同
5、时也激励着我们。IV致谢VIII关于作者 IX前言X第 1 章Arduino 概论 11.1 物理计算 21.2 原型 21.3 需要什么?如何获得? 31.4 零件和工具 31.5 购买渠道 91.6 总结 10第 2 章你的 Arduino 112.1 Arduino 的零件 112.2 将 Arduino 连接到计算机 142.3 零件和工具 172.4 总结 20第 3 章 认识电路 213.1 电路:电子学的基础构件 213.2 电路图 243.3 使用面包板 283.4 制作电路 323.5 电池 363.6 电路的动力:电 373.7 调试电路 39目录目录V3.8 万用表 41
6、3.9 万用表的使用 443.10 继续调试我们的电路 473.11 总结 48第 4 章Arduino 编程 494.1 Arduino、电路、代码:一起工作 494.2 什么是 IDE ? 504.3 Arduino IDE 下载:入门 524.4 程序:Arduino 编程的基本组成 614.5 调试:如果 LED 没有闪烁,该怎么办? 654.6 LEA4_Blink 程序:概述 674.7 setup() 和 loop():代码的核心 694.8 loop():什么会反复发生 744.9 Arduino 电路图 784.10 构建基本电路 804.11 SOS 信号灯:创建更复杂的定
7、时 864.12 总结 92第 5 章电学和测量 935.1 对电学的初步了解 935.2 逐步构建电路 945.3 电流:概述 985.4 理解电子学:水箱类比法 1005.5 电压:电势 1015.6 电流:流程 1095.7 电阻:限流 1145.8 电压、电流、电阻:回顾 1185.9 并联和串联电路中的元器件 1225.10 总结 130第 6 章开关、 LED 及其他 1316.1 交互性 1316.2 概述:数字化的输入与输出 132目录VI目录6.3 数字化输入:增加一个按钮 1346.4 开关:多种变量 1416.5 数字输入课程 1456.6 看程序:条件语句 1466.7
8、 添加一个扬声器并调整代码 1506.8 再添加两个按钮并调整代码 1556.9 复习电学和代码概念 1616.10 总结 163第 7 章模拟值 1657.1 生活的意义不仅仅是打开和关闭! 1657.2 逐步创建电位器电路 1687.3 LEA7_AnalogInOutSerial 程序 1747.4 模拟输入:来自电位器的值 1787.5 输出的模拟值:PWM 1827.6 串行通信 1857.7 添加扬声器 1917.8 添加光敏电阻 1937.9 总结 199第 8 章伺服电机 2018.1 舞动旗帜 2028.2 详细了解伺服电机 2038.3 逐步构建伺服电机电路 2068.4
9、LEA8_Sweep 程序概述 2108.5 for 循环是什么? 2138.6 运算符 2168.7 程序中的 for 循环 2178.8 增加交互性:转动旗子 2188.9 LEA8_Knob 说明 2218.10 两面旗子:增加一个伺服电机 2228.11 初步了解 LEA8_2_servos 2248.12 总结 232目录VII第 9 章创建自己的项目 2339.1 项目管理 2339.2 一些有用的组件 2359.3 项目类型 2389.4 其他版本 Arduino 开发板 2409.5 记录下你的项目,然后和别人分享吧! 2439.6 总结 244附录 A读取电阻阻值 245VI
10、II致谢没有大家的帮助,本书不可能出版,在此无法一一致谢。但是要特别感谢我们的技术编辑 Anna Pinkas, 感谢她对本书孜孜不倦、细致周密地复审。同样感谢技术编辑 Michael Colombo 和 Sharon Cichelli 对前一版本的贡献。本书从开始编辑到出版的整个过程,离不开出版人兼编辑 Roger Stewart 的大力支持和帮助。一直很高兴可以和来自 Happen stance Type-O-Rama公司的生产小组一起工作,尤其是 Liz Welch 和 Maureen Forys。我们是在纽约大学的交互通信编程课上相遇的,一直对 Tom Igoe 心存感激之情,因为他建
11、议我们合作完成一个项目。事实上,我们更要感谢交互通信编程课的所有教师和员工,尤其是 Dan O Sullivan 和 Marianne Petit。Eric 想要感谢他的妻子 Marie 的鼎力相助,没有 Marie 的帮助,不可能写出这本书。Eric 还想要感谢他的父母 David 和 Tracey 对他工作的信任。Jody 想要感谢她的丈夫 Calvin Reid, 感谢他相信自己的妻子可以做成任何事,同时尽其所能去帮她实现目标。Jody 还想要向她的父母 Florence 和Hosmoer Culkin 致谢,他们将会对自己的女儿已经合著了一本科技类的书籍感到惊讶和骄傲。IX关于作者Jo
12、dy Culkin 是一位艺术家兼老师。她在全世界很多美术馆和博物馆展出了自己的雕塑、摄影作品以及装置艺术作品。2017 年,Sean Ragan 为Maker Media 公司写了一本书,该书中文版名为零基础学电子:面包板手册(全彩奇趣版),Jody Culkin 为这本书绘制了插图。她的漫画Arduino!已经被翻译成了 12 种语言。她还收到了美国国家科学基金会、纽约州艺术委员会,以及其他组织授予的奖项和补助金。目前她是纽约市立大学曼哈顿社区学院媒体艺术与技术部的教授。她有哈佛大学视觉研究的学士学位,获得了纽约大学交互通信课程的硕士学位。Eric Hagan 是纽约道夫地区的动态交互艺术
13、家兼教授。他为很多出版物写过文章,包括Make和Popular Science。他还参与了几个围绕纽约市开展的艺术装置项目, 包括第五大街的年度假期展示窗口以及Kara Walker的 “A Subtlety”展览 。目前他是纽约州立大学古西堡分校视觉艺术部的助理教授。他拥有杜克大学哲学专业的学士学位以及纽约大学交互通信课程的硕士学位。Eric 喜欢在纽约市创客节展示自己的作品。X前言本书面向初学者,可作为电子以及 Arduino 的入门书籍。即使你之前没有电子学方面和编程方面的基础,也能读懂本书,并从书中学到很多电子学知识和编程知识。当你学完本书之后,还能够把它作为电子技术基础以及Ardui
14、no 编程的参考资料。本书应该作为创建项目的起点。 当阅读完本书并且完成了书上所有项目后,你应该可以具备自主研发项目的能力。本书还没有涵盖 Arduino 能够做的所有的事情,但是已经引领你进入自主探索的道路了。本书中使用的大部分程序都是从Arduino IDE上面摘取的示例。其他的程序可以在 GitHub 官网获取(进入 GitHub 官网,搜索 arduinotogo/LEA)。另外需要注意的是,由于本书是引进版图书,书中很多电路符号和标准保留原版书的样式,与国内的电路符号和标准可能会有差异,特此说明!1第 1 章Arduino 概论或许你曾在当地零售商处看到过 Arduino;或许从购买
15、过的朋友那里听说过 Arduino;或只是因为在网上看到过一个很酷的设计,从而对 Arduino 产生了兴趣。什么是 Arduino ?简单地说,Arduino就是一个注重与外部世界互动的、物美价廉的小型简易计算机(见图 1.1)。你所熟悉的绝大多数计算机都是通过键盘、鼠标、触摸屏或触控板来进行控制操作的。而 Arduino 可以通过传感器来获取外界信息,Arduino 传感器可测量温度、光线和声音的强度,甚至可以测量脚步对地面造成的振动,然后将测量到的数据转换为动作、声音、光线等。 图 1.1Arduino 图标Arduino 最初是由教师开发的,目的是帮助其设计系的学生创造出交互式对象和环
16、境。Arduino 自2005 年发行以来,已销售出 100 多万件。设计师、教育家、工程师、业余爱好者和学生们已创建出各种各样的能通过 Arduino 感知和回应世界的项目。Arduino 有很多版本,每一版都有其特定功能。图 1.2 展示了一些 Arduino 样板。作者本着 Arduino 的团队精神 , 为不了解编程或电子元器件的初学者编写了本书。本书将向你展示如何充分运用好 Arduino。如果你动手能力强,且热爱学习,那么本书就非常适合你。 零基础学电子与Arduino:给编程新手的开发板入门指南(全彩图解)2Arduino UnoArduino YNArduino 101Ardu
17、ino Lilypad 图 1.2不同功能版本的 Arduino1.1 物理计算如何理解用 Arduino 构建物理计算项目?物理计算是指利用诸如传感器、转换器这类的输入端从外界获取信息,再利用某种类型的输出端回应这些信息。物理计算可以像在黑暗的房间里打开 LED 那么简单,也可以像能对房间内的人的位置做出反应的声光系统一样复杂。Arduino 可以充当这类系统的“大脑”,处理输入的信息以及回应输出。Arduino 是开源硬件运动的一部分。想一想这意味着什么。什么是开源硬件运动?官方网站将 Arduino 定义为一种开源电子成型平台。在开源硬件运动中,技术人员分享硬件和软件,以此推动新项目和新
18、想法的发展。 源设计以可修改的格式共享,并尽可能使用易获得的材料和开源工具来创造设计。通过鼓励分享资源, 开源硬件运动推动新项目和新设计的发展。 开源项目强调文档编制和共享的重要性,使整个用户区成为初学者的重要学习资源。 1.2 原型Arduino 是一种原型平台。什么是原型?原型可用作为系统建立模型。从最初的程序到详细的计划再第1章Arduino概论3到一系列的改进都会涉及原型,最后构建出一个可复制的、功能完整的模型。也就是说原型可以一次性地快速测试脑海中的想法。1.3 需要什么?如何获得?Arduino 有多种版本,自 2005 年以来一直在不断演变发展。 本书主要以 Arduino Un
19、o 为例,若你的Arduino 看起来和图 1.3 所示的 Arduino Uno 很不一样,也不用感到疑惑,这是因为本书简化了绘图以便于讲解相关部件。Arduino 是开源式的,所以你也可以购买一个其他品牌的主板。 本书主要讨论 Arduino Uno 和与其兼容的主板。MADE IN ITALYARDUINOPOWERANALOG INDIGITAL (PWM)UNO-+RESETIOREF3.3V5VGNDVinA0A1 A2 A3 A4 A5 ONTXRXAREFGND13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 2 10 3TXRXRESETICSP.ARDUINO.CCL初见 A
20、rduino Uno 图 1.3Arduino Uno1.4 零件和工具在使用 Arduino 构建项目时,同样也需要一些额外的电子元器件和工具。 以下就是完成本书项目所需购买的零件清单。同时本书会详细阐述这些零件的细节及其在项目构建中的作用。零件清单面包板USB A-B 型连接线9V 电池9 12V 电源9V 电池盒或电池座多色组合 LED零基础学电子与Arduino:给编程新手的开发板入门指南(全彩图解)4组合电阻10k 电位器3 个瞬时开关 / 按钮 光敏电阻8 扬声器2 个伺服电机跳线图 1.4 图 1.16 展示了这些零件的外观,并附有简要描述。电子零件是电子电路的组成部分,所以通常
21、也称之为元器件。第 3 章“了解电路”将对电路做详细阐述。图 1.4 所示的面包板通常用于快速构建和检测电路。 图 1.5 所示的 USB A-B 型连接线用于将 Arduino 连接到计算机以便编程,同时还能给 Arduino 供电。图 1.6 所示的 9V 电池可以为没有连接计算机的 Arduino 供电。 图 1.4面包板 图 1.5USB A-B 型连接线 图 1.69V 电池第1章Arduino概论5图 1.7 所示的电池扣用于连接电池和面包板。 图 1.7电池扣图 1.8 所示的电源适配器用于为没有连接到计算机的 Arduino 供电。图 1.9 所示的 LED,正向通电时可发光。
22、 图 1.8电源适配器 图 1.9LED图 1.10 所示的电阻用于限制电路中的电流大小。图 1.11 所示的瞬时按钮用于连接或断开电路。 图 1.10电阻 图 1.11瞬时按钮图 1.12 所示的电位器是一种可变电阻。图 1.13 所示的光敏电阻可在不同强度的光线下改变其电阻。图 1.14 所示的 8 扬声器,可用于播放声音信号。图 1.15 所示的伺服电机是一种很容易控制的普通电机。图1.16所示的跳线用于连接面包板中的各个元器件。 可以在商店购买这些跳线,也可以用剥线钳自己动手做。图 1.12电位器零基础学电子与Arduino:给编程新手的开发板入门指南(全彩图解)6关于 LED 的提示
23、LED 有多种颜色、款式及规格。本书将在许多项目中使用 LED,LED 能以一种更为直观的方式帮助你了解电子元器件及 Arduino 的基本概念。关于 LED 要记住的一件重要事情就是,由于 LED 有两极,因此必须正确放置两极的方向,LED 才能正常运作。如果方向不对,LED 则不会发亮。如何确定 LED 的正确连接方向呢? LED 有两个引脚,或者两根导线,长度不同,如图 1.17 所示。长的那端为阳极(正极),用于连接电源;短的那端为阴极(负极),指向远离电源的方向。当开始构建电路时,本书会指明如何放置这些 LED,并将时常提醒 LED 的极性。注意 如果放置的方向不对,LED则不会发光
24、,但也不会对项目造成任何危害。正极长引脚,接电源负极短引脚 图 1.17LED 的阳极(正极)和阴极(负极)图 1.13光敏电阻 图 1.148 扬声器图 1.15伺服电机 图 1.16跳线第1章Arduino概论7如果所用的 LED 产品导线长度相同呢?在大多数 LED 中都有灯泡,透过灯泡可以看到连接到灯泡底部更为平坦的一侧的导线为阴极,即负极。接下来看看项目所需的一些工具。工具万用表会告诉你电路中所有需要知道的电特性,这些电特性我们通过肉眼是不可见的。本书将在第 3章展示如何使用万用表。我们可从网上购买图 1.18 所示的万用表,也可以购买自己喜欢的。确保所选的万用表是数字的,有可移动的
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