Arduino嵌入式系统的开发与应用.docx

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Arduino嵌入式系统的开发与应用

Arduino嵌入式系统的开发与应用

1.Arduino 简述                    

图:

arduino商标logo:

最常见的一种Arduino实物图片

一种常见的Arduino实物图片:

ArduinoUno

一种常见的Arduino实物图片:

ArduinoMega2560 

一种常见的Arduino实物图片:

ArduinoNano

1.1Arduino嵌入式系统的概念

 Arduino 是2005 年由米兰交互设计学院的两位教师DavidCuartielles 和MassimoBanzi 联合创建, 是一块基于开放原始代码的SimpleI/O 平台,该平台由两部分组成:

硬件（包括微处理器、电路板等）和软件（编程接口和语言）。

平台的两部分都是开源的, 如果需要, 可以下载Arduino 的图表、购买需要的所有独立部件、切割电路板并制作一个电路板。

Arduino 具有类似java、C 语言的开发环境。

可以快速使用Arduino 语言与Flash 或Processing 等软件完成互动作品。

Arduino 能够使用开发完成的电子元件,如Switch、Sensors 或其它控制器、LED、步进电机或其它输入/输出装置, 同时, Arduino 也可以成为独立与软件沟通的平台, 如flash、 Processing、Max/MSP 或其它互动软件。

我们可以将Arduino与大家熟知的51单片机开发系统放在一起来对比理解，就如计算机系统中Linux系统之于Windows系统的对照。

Arduino可以被用来开发能够独立运行并具备一定互动性的电子作品，也可以被用来开发与PC相连接的外围装置，目前较广泛地应用于欧美、日本等国家的电子设计及互动艺术设计领域。

  MIT（美国麻省理工学院）的NeilGershenfeld教授提出了一个个人制造的概念：

电脑主机从占地百十亩、重量几十吨到小得一个桌上能摆好几个，这个桌面革命没用几十年，在不久的未来，自己用电脑芯片做小玩意将是下一个桌面革命。

他判断那些制造昂贵且具有巨型电脑主机的专业工具，也会像当年几十吨的主机渐进到当今几公斤

在这之后世界各地出现不少在这个理念下设立的FABLAB,除此之外也有很多人也早已经在自家车库动手改造电脑、写程序、装配电子元件和机械结构，开始个人制造的尝试。

   由个人制造的电脑设备，跟个人电脑的最大不同在于，它可以是任何你希望的形状，有着为你量身定做的功能。

它不再是全功能的设备，只为处理某件对于我们特别重要的事项而诞生，甚至它不再被叫做电脑，而是折纸、橡皮泥、蜡笔。

1.2Arduino功能特点

Arduino 在开发之初设计了开源开放的平台,便于对其进行二次开发。

Arduino 的主要功能特点如下:

1）开放源代码的电路图设计。

程序开发接口免费下载, 也可依需求自己修改。

2）使用低价格的微处理控制器（ATmega8 或ATmega128）。

可以采用USB 接口供电,不需外接电源,也可以使用外部9VDC 输入。

3）支持 ISP 线上烧入器,将Bootloader 固件烧入芯片。

Arduino 控制器内带Bootloader 程序,是系统上电后运行的第一段代码,就好比PC 机BIOS 中的程序,启动就进行自检, 配置端口等等,当然,单片机是靠烧写熔丝位来设定上电从boot 区启动的,使用这个程序就可以直接把从串口发来的程序存放到flash 区中。

所以,使用Arduino 编译环境下载程序时,就先让单片机复位,启动Bootloader 程序引导串口发过来的程序顺利写入flash 区中,flash 可以重复烧写,因此想更新软件非常方便。

有了Bootloader 之后, 可以通过串口或者USBtoRS232 线更新固件。

4）可依据官方提供的 PCB 和SCH 电路图,简化Arduino 模组,完成独立运作的微处理控制。

5）可简单地与传感器,各式各样的电子元件连接,如红外线、超音波、热敏电阻、光敏电阻、伺服马达等。

下面是其中一些的实物图片

 光敏传感器 

 电机驱动板   

 蓝牙模块

霍尔传感器

 烟雾传感器

6）支持多样的互动程序,如 Flash,Max/MSP,VVVV,PureData,C,Processin 等。

使用低价格的微处理控制器。

7）应用方面,利用 Arduino,突破以往只能使用鼠标、键盘、CCD 等输入的装置的互动内容, 可以更简单地达成单人或多人游戏互动。

 1.3基本结构

Arduino 系统针对不同的应用环境还开发了不同的版本,文中以“Arduino Duemilanove”版本为例介绍,该版本于 2009 年开发,基于ATmega328 微控制器板,能自动选择何种供电,直接将它用USB 线连上计算机或者用一个电源适配器给它供电,就可以开始使用。

ArduinoDuemilanove 的外部结构如下图 所示。

 Arduino 外部结构图

实物图片

ArduinoDuemilanove 的结构包括以下几个部分:

1）1 个9VDC 输入, 为Arduino 板提供外部电源输出,使Arduino控制板具有能够驱动舵机等大功率外部设备的能力;2）1 个USB 口,通过该口连接到计算机,由Arduino 的IDE

将用户编写好的控制程序上传到控制板中,同时还可以通过该口为电路板供电,驱动小功率的外部设备;

3）14 个数字输入/输出端,其中端口0（RX）和 1（TX）分别连接主控芯片的串行引脚, 用来接收和发送TTL 串行数据。

其中端口2、3 可以接收外部信号,实现外部中断功能;端口3、5、6、9、10、11 作为PWM 端口, 可用于电机PWM 调速或音乐播放;端口 10（SS）、11（MOSI）、12（MISO）和 13 （SCK）在SPI 模块库的支持下,可以提供SPI 通信模式;端口13 内部连接了一个LED 指示灯,随着13 脚上电平的高低变化,实现开启和关闭;

4）6 个模拟输入/输出端,其中端口4（SDA）和端口 5 （SCL）端口可以实现I2C 通信;

5）1个5VDC输出和1个3.3VDC输出,可为其它电路提高3.3V 和5V 直流电源;

6）1 个复位接口。

Arduino 系统是基于单片机开发的,并且大量应用通用和标准的电子元器件, 包括硬件和软件在内的整个设计, 代码均采用开源方式发布,因此采购的成本较低,在各种电子制作竞赛、电子艺术品创意设计等越来越多地使用Arduino 作为开发平台。

3应用

Arduino 系统在电子设计等方面应用较多, 本文以简单的LEO 控制为例,说明Arduino 系统的使用。

LEO 控制系统中,采用开关S 控制LED 的亮灭,设开关S 闭合时,LED 发光,S 断开时,LED 熄灭。

因此,系统设计时采用数字输入/输出口的两个引脚分别进行LED 和S 开关的连接,电路如下图 所示。

 LED 控制电路原理图

Arduino 语言是建立在C/C++基础上的,其实也就是基础的C 语言,Arduno 语言将AVR 单片机（微控制器）相关的一些参数设置模块化,包括EEPROM、以太网、LED 矩阵、舵机、步进和TWI/I2C 控制程序库,不需要用户直接处理底层系统,可以提高应用程序的开发效率。

流程如下图所示。

Arduino 语言是以setup（）开头,loop（）作为主体的一个程序构架。

将编写好的控制代码通过Arduino 的IDE 上传到控制板之后,关闭或者打开开关S,便会观察到 LED 的亮灭情况。

2.Arduino嵌入式系统的应用实例

-------基于Arduino的简易亮光报警器的设计与实现.

 下面让我们来通过一个实例来体味一下Arduino的开发与应用的特点.我们将完成的课题名字叫做

基于Arduino的简易亮光报警器的设计与实现.

我们将试图通过该实验探究Arduino及其特色;并对ATmega单片机进行简单介绍;详细地去叙述了光敏电阻的结构和工作原理。

阐述了亮光报警器的基本原理和组成,给出了器件清单、连线方法、源程序及程序下载方法。

最后指出Arduino应用前景。

Arduino控制器,它的硬件CPU就是AVR,主要是软件编程环境与ICCAVR和WINAVR不同,Arduino环境里,不需要设置单片机各寄存器,直接用简单的几个类C的函数就可编程,容易上手,是电子爱好者普遍使用的下位机语言。

用过AVR单片机的人都知道AVR难学的原因就是需了解众多的寄存器的功能,并且要在软件中小心地设置这些寄存器,而Arduino不需要。

在Arduino环境里,可以把单片机内部当成黑匣子,只要知道单片机的引脚作用就行,Arduino语言程序直接控制这些引脚的输入输出即可,很容易学习使用的。

2.1ATmega单片机

ATmega单片机属于美国ATMEL公司AVR中的高档产品,它承袭了AT90所具有的特点,并在AT90（如AT9058515、AT9058535）的基础上,增加了更多的接口功能,而且在省电性能。

稳定性、抗干扰性以及灵活性方面考虑得更加周全和完善。

2.2光敏电阻介绍

2.2.1认识光敏电阻

光敏电阻又称光电管,常用的制作材料为硫化镉,另外还有硫化铝,硫化铅等材料,这些制作材料具有在特定波长下的光照射时,其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电,在外电场的作用下作漂移运动,电子奔向电源的正极,空穴奔向电源的负极,从而使光敏电阻的阻值迅速下降。

实物图、结构图和代表符号如图1。

图1光敏电阻实物图、结构图与代表符号

2.3工作原理

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应,光敏电阻的核心器件为光电导体,

它是由半导体制成的。

光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时可以加直流电压,也可以加交流电压,为了增加灵敏度,两电极常做成梳状。

在有光照射时入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。