Arduino的25項實作－城市方舟

1.Arduino簡介:

Arduino 是由一家義大利公司核心成員所開發設計，硬體使用是AVR的 8位元精簡指令集架構晶片，為Atmel 這家公司所設計的晶片，軟體基礎為C語言可讓使用者短時間上手，另外多樣化的函式簡化周邊元件的控制程序。

AVR 目前可分為下列幾個家族:

8-bit tinyAVR系列

8-bit megaAVR系列

8/16-bit XMEGA系列

32-bit AVRs系列

越後面單晶片除了等級越高，記憶體較大、速度較快、腳位和周邊也比較多，教學中提到的 AVR 除非有特別說明不然指的都是 8 位元的晶片。目前市面上大多都看到下圖的Arduino電路板，除了方便的提供使用者操作，也減少了自行焊接電路板所花費的時間，一條USB傳輸線就可做燒錄及資料傳輸的功能，缺點就是比自行製作電路板的成本較高，且整體體積較大。如果需要機電整合之應用場合則可考慮購買單晶片製作較小型電路板。如要更深入了解AVR週邊則可下載相關型號datasheet，並依照下圖電路圖(ATmega328)完成屬於自己的板子。

2.Arduino編譯軟體簡介

Arduino電路板所使用之單晶片皆為AVR系列，而板子與電腦連接所需要的驅動程式可到Arduino官方網站的下載頁面http://arduino.cc/en/Main/Software下載使用，並可在Windows、Mac OS X、Linux上使用，雖然編譯基礎語言為C語言，但Arduino編譯學習門檻較低，可在短時間完成屬於自身的作品，網路上也能找到眾多的分享供參考。圖為Arduino編譯畫面，選擇你所使用的板子與序列(COM)位置，寫完程式後經由編譯除錯後即可燒錄至單晶片中。

3.電路圖繪製:

Fritzing繪製軟體可提供一個虛擬麵包板並可加以繪製電路中的電子零件，所畫出的線路圖及PCB Layout圖後可讓後面的初學者輕鬆地依照繪製的電路圖重新使用麵包板配線並完成所需之程式功能，減少焊接所花費的時間和焊接接觸不良時需重新焊接的問題，圖為官網所提供範例圖。

1.LED閃爍

將LED負接地，正接腳位10，產生時間間隔為一秒的亮滅動作。

1-1.元件:LED*1E、220Ω電阻*1

1-2.線路圖

2.按鍵控制

當按鍵按下時，腳位7為HIGH狀態時，同時腳位11輸出 HIGH使LED亮起。

2-1.元件:LED*1、220Ω、10kΩ電阻*1、按鍵開關*1

2-2線路圖

3.蜂鳴器控制

蜂鳴器有正負極之分，藉由按鍵控制蜂鳴器聲音

3-1.元件:蜂鳴器*1、按鍵*1

3-2.線路圖:

4.讀取類比訊號

接至電路板上之AI腳位，且UNO3版為10bit解析度為0~1023，數據傳至PC端

4-1.元件:可變電阻*1

4-2.線路圖

5.PWM控制光亮度

脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation )又稱為PWM，脈衝寬度調變是一種對類比信號電平進行數位編碼的方法，由於電腦不能輸出類比電壓，只能輸出0 或5V 的的數位電壓值，通過使用高解析度計數器，利用方波的占空比調變方式來對一個具體類比信號的電位進行編碼，從公式與圖可大致上了解。

輸出電壓=（導通時間/脈衝時間）*最大電壓值

PWM 應用許多地方如調光燈具、電機變速等等，PWM 的三個基本參數分別為：

1.脈衝寬度變化幅度的最小值/最大值

2.脈衝週期-1 秒內脈衝頻率個數的倒數

3.電壓範圍（例如：0V-5V）

5-1.元件:可變電阻*1、LED*1、220Ω*1

5-2.線路圖

6.RGB三色模組

6-1.元件:RGB LED模組*1

6-2.線路圖:

7.LCD顯示器

7-1.元件:

7-2.線路圖:

暫無

8.七段顯示器

七段顯示器是常見的普遍的顯示數位的顯示器件，日常生活中例如:電磁爐，全自動洗衣機，太陽能水溫顯示，電子鐘等。

8-1.元件:7段顯示器*1、220Ω*8

8-2線路圖:

9.8*8點陣列

原理圖如下，並依照腳位編號來輸出，LED 一般採用掃描式顯示，實際運用分為（1）點掃描（2）行列掃描

16×64=1024Hz，週期小於1ms 即可。若使用第二種方式則頻率必須大於16×8=128Hz，週期小於7.8ms 即可符合視覺暫留要求。

9-1.元件:8*8點陣列LED*1、220Ω*8

9-2.線路圖

暫無

10.光敏感測器

利用前面(3)配合光敏電阻，藉由光亮大小控制蜂鳴器聲音的頻率，光越強頻率越高。

10-1.元件: 蜂鳴器*1、光敏電阻*1

10-2線路圖:

11.LM35溫度感測器

常用且簡易使用的溫度感測元件，再將讀取的值轉換為實際溫度值

11-1.元件:LM35*1

11-2線路圖:

12.溫溼度感測器

DHT11數位溫濕度感測器是一款含有已校準數位信號輸出的溫濕度複合感測器，專門應用數位模組擷取資料和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。相關規格如下:

供電電壓：3.3~5.5V、DC

測量範圍：濕度20-90%RH，溫度0~50℃

測量精度：濕度+-5%RH，溫度+-2℃

12-1.元件:DHT11溫溼度感測器*1

12-2線路圖:

13.傾斜感測器

開關一端低於水準位置傾斜，開關開通類比口電壓值為5V左右（數位二進位表示為1023），點亮led 燈。當另一端低於水準位置傾斜，開關停止，類比口電壓值為0V 左右（數位二進位表示為0），熄滅led 燈。在程式中類比口電壓值是否大於2.5V 左右（數字二迕制表示為512），即可知道是否傾斜開關開通。

13-1.元件:傾斜開關、LED*1、220Ω*1

13-2線路圖:

14.火焰感測器

火焰感測器（即紅外接收三極管）是機器人專門用來搜尋火源的感測器，一旦火源靠近則讓蜂鳴器產生警示聲，且火源越大讀取電壓值則越大

14-1.元件: 火焰感測器*1、10kΩ*1

14-2線路圖:

15.DS1302 時鐘模組

DS1302是美信生產的時鐘模組，支援年、月、日、時、分、秒、星期顯示。

15-1.元件:DS1302*1

15-2.線路圖:

16.水位感測模組

編號:K-0135 工作電壓:DC5V 工作電流:小於20mA 工作溫度:10度~30度

16-1.元件:水位感測器*1、LED*1、220Ω*1

16-2線路圖

17.超音波模組

超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用於距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來量測。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易於做到即時控制，並且在測量精度方面能達到工業實用的要求。聲波測距模組能提供2cm-450cm非接觸式感測距離，測距的精度可高達3mm，該模組包括超聲波發送器、接收器和相應控制電路。

17-1元件: 超聲波模組*1

17-2線路圖

18.位移感測模組

18-1.元件:

18-2.線路圖

19.繼電器

繼電器具有隔離功能的自動開關元件，廣泛應用於遙控、遙測、通訊、自動控制、機電一體化及電力電子設備中，是最重要的控制元件之一。有下列功能:

1.擴大控制範圍:多觸點繼電器控制信號達到某一定值時，可以按觸點組的不同形式，同時換接、開斷、接通多路電路。

2.放大:靈敏型繼電器、中間繼電器等，用一個很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。

3.自動、遙控、監測：自動裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程式控制線路，從而實現自動化運行

繼電器有多個種類，包括1路繼電器，2路繼電器，4路繼電器， 8路繼電器等可以滿足不同使用者的用途需要，繼電器是一種當輸入量的變化達到規定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發生預定的階躍變化的一種電器。本繼電器模組可以接在240V交流或28V直流電源中對各種其它電器件進行控制。利用單片機可以實現定時控制開關的目的。可以應用於防盜，報警，玩具，建設等領域。

COM接到VCC上，NO接我們要控制的LED的陽極上，當繼電器導通後，LED燈便會點亮。使用NO端，當S送入高電平繼電器開關打向NO端，開關導通，與之相連的LED便會點亮，否則開關打向NC端，NO方向斷開，LED燈熄滅

19-1.元件:LED*1、330Ω*1、繼電器模組*1

19-2.電路圖

20.步進馬達

步進電機是一種將電脈衝轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈衝信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。你可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時你也可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。使用規格如下:電壓：5V、步進角度：5.625 x 1/64、減速比：1/64

5線4相可以用普通uln2003 晶片驅動，也可以接成2相使用該步進電機空載耗電在50mA 以下，具64倍減速器，輸出力矩比較大，可以驅動重負載，極適合開發板使用。注意：此款步進電機帶有64 倍減速器，與不具減速器的步進電機相比，轉速顯得較慢。

20-1.元件:步進馬達*1

20-2.線路圖

21.伺服馬達

伺服馬達是一種位置伺服的驅動器，主要是由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構成。工作原理是由接收機或者單片機發出信號給馬達，內部有一個基準電路，產生週期為20ms，寬度為1.5ms 的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。經由電路板上的IC 判斷轉動方向，再驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時送回信號，判斷是否已經到達定位。適用於那些需要角度不斷變化並可以保持的控制系統，一般馬達旋轉的角度範圍是0 度到180度。

21-1.元件:SG90伺服馬達*1

21-2.線路圖

22.直流馬達

22-1.元件:1N4001*1、PN2222*1、6V DC motor*1、270Ω*1

22-2.線路圖

23.搖桿模組

遊戲搖杆模組 Joystick，遊戲控制台中操縱桿，你可以控制輸入這個操縱桿模組的x、y、z，它可以被視為一個按鈕和電位計的組合。資料類型的x,y維為類比輸入信號而z維是數位輸入信號，因此x和y埠連接到模擬接腳感測器端,而z埠連接到數位埠。

23-1.元件:搖桿模組*1

23-2.線路圖:

24.紅外線遙控

紅外遙控器發出的信號是一連串的二進位脈衝碼。為了使其在無線傳輸過程中免受其他紅外信號的干擾，通常都是先將其調製在特定的載波頻率上，然後再經紅外發射二極體發射出去，而紅外線接收裝置則要濾除其他雜波，叧接收該特定頻率的信號並將其還原成二進位脈衝碼，也就是解調。

工作原理:為內置接收管將紅外發射管發射出來癿光信號轉換為微弱的電信號，此信號經由IC內放大器進行放大，然後通過自動增益控制、帶通濾波、解調變、波形整形後還原為遙控器發射出的原始編碼，經由接收頭的信號輸出腳輸入到電器上的編碼識別電路。

將板子連接好；接著將紅外接收頭按照上述方法接好，將VOUT接到數字11接腳，將LED燈通過電阻接到數位引腳2、3、4、5、6、7，完成了電路部分的連接。

實驗原理:要想對某一遙控器進行解碼必須要瞭解該遙控器的編碼方式。本產品使用的控器的碼方式為：NEC協議。下面介紹NEC協議：

NEC協議介紹：特點：（1）8位地址位，8位命令位

1.為了可靠性位址位和命令位被傳輸兩次

2.脈衝位置調製

3.載波頻率38khz

4.每一位癿時間為1.125ms戒2.25ms

0和1的定義如下圖

對遙控器發射出來的編碼脈衝進行解碼，根據解碼結果執行相應的動作，就可以用遙控器遙控控件了。

24-1.元件:紅外線遙控器*1、紅外接收頭*1、LED*6、220Ω*6

24-2.線路圖

25.RFID模組控制

射頻技術也簡稱 RFID，英文 radio frequency identification縮寫，叫做射頻識別技術，簡稱射頻技術。電子標籤又稱為射頻標籤、應答器、資料載體；閱讀器又稱為讀出裝置，掃描器、通訊器、讀寫器(取決於電子標籤是否可以無線改寫資料)。電子標籤與閱讀器之間通過耦合元件實現射頻信號的空間(無接觸)耦合、在耦合通道內，根據時序關係，實現能量的傳遞、資料的交換。本模組，大家一定要使用+3.3V 供電，否則會燒掉模組。當 IC卡靠近後，RFID模組將寫入資料到IC卡，然後RFID模組再從IC卡讀出數據。