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基于Arduino板的入门小项目

发布时间:2021-09-26
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基于Arduino板的入门小项目

发布时间:2021-09-26
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在这个教程中,我们将看看如何使用 LED(发光二极管)和按钮构建一个简单的电路。构建此电路的过程将帮助您学习使用 Arduino 构建电路的基础知识。

我们将构建的第一个项目是一个简单的电路,它可以以 1 秒的间隔打开和关闭 LED。然后,我们将修改该电路以包含一个按钮。

虽然为您提供了此教程的示例代码和图表,但建设性地使用这些示例很重要。尝试完全理解每个示例,以便尽可能多地了解如何绘制电路图、构建电路、在 Arduino IDE 中编写代码以及测试或排除电路故障。

第 1 步:安全

在开始使用任何电子设备之前,请务必遵循以下安全准则以防止您或设备受伤:

  1. 将任何松散的头发扎起来。
  2. 穿着适合工作的衣服,例如封闭的脚趾鞋。
  3. 取下任何悬垂的首饰。
  4. 戴上安全眼镜。
  5. 万一发生事故,请始终与合作伙伴合作。

此外,在使用敏感电子设备时,请确保遵循以下特定准则:

  1. 在接触敏感的电子元件之前,通过接触金属表面来释放静电
  2. 在将元件插入电路之前,务必仔细检查元件的放置和方向。错误地连接组件可能会很危险或损坏组件。

第 2 步:闪烁 LED 电路

我们将通过开始学习 Arduino Uno 的电路来开始这个 Instructable。我们将通过构建一个非常简单的电路来做到这一点,该电路以 1 秒的间隔闪烁一个 LED。上面显示了电路工作的视频。本 Instructable 中的以下步骤将引导您完成构建此电路的过程。

第 3 步:下载 Arduino IDE

 

在我们开始使用 Arduinos 构建电路之前,我们必须有合适的软件来对 Arduino 进行编程。

要开始在您的计算机上使用 Arduino,请从 Arduino 主网站https://www.arduino.cc下载 Arduino IDE(集成开发环境,一种用于对 Arduino 进行编程的软件)。

在主网站上,转到顶部“软件”选项卡下的“下载”。

在“下载”页面上,向下滚动,直到看到标题为“下载 Arduino IDE”的部分。从那里,下载适用于您各自系统的 Arduino IDE。

下载后,将 Arduino 插入您的计算机并打开 IDE。对于 Windows,该程序应该类似于上面的第一张图片,或者对于 Mac 的上面的第二张图片。与您的程序外观以及它在上图中的外观的唯一主要区别是 Arduino 文件名。这是因为创建新文件时的默认文件名基于创建文件的日期(例如,第一张图像中的文件是在 5 月 15 日创建的,因此文件名被命名为 Sketch_may15a)。因此,您的默认文件名很可能与上面的图像不同。

第 4 步:配置 Arduino IDE

在我们可以使用 Arduino IDE 之前,我们必须对设置进行一些更改,以便能够将代码上传到 Arduino。

使用 USB 电缆将 Arduino 插入您的计算机,然后打开 Arduino IDE。

需要更改的设置可以在菜单栏的工具选项卡下找到。首先,更改电路板设置,以便 IDE 将代码上传到正确的电路板类型。当您打开板的选项卡时,将打开不同类型的 Arduino 列表。对于此 Instructable,我们将使用“Arduino/Genuino Uno”板,因此请选择该选项(请参阅第一张图片以供参考)。

选择板后,您需要选择正确的端口。Port 选项卡位于 Board 选项卡的正下方。选择旁边带有 Arduino Uno 指示器的端口(请参阅第二张图片以供参考)。

完成此配置后,您就可以对 Arduino Uno 进行编程了!

第 5 步:绘制电路图/原理图

配置 Arduino 后,我们准备开始编写代码和构建电路。然而,在我们开始之前,我们需要弄清楚我们需要做什么。为此,我们需要先制作电路的电子或手绘原理图。

电路图/原理图是显示电路如何连接在一起的图。该原理图将作为构建物理电路和 Arduino 代码的蓝图,并作为任何必要电路故障排除的起点。

按照以下步骤绘制电路图:

  1. 确定您计划在电路中使用哪些组件。在我们的示例中,我们使用 LED、电阻器和 Arduino。
  2. 了解您需要如何连接组件以实现所需的结果。在一张纸上,说明电路所需的功能,然后尝试列出实现该结果所需的所有步骤。例如,要使 LED 闪烁,您需要为 Arduino 供电。然后,您需要使用 Arduino 反复打开和关闭 LED 的电源。
  3. 勾勒出每个组件必须如何连接在一起才能执行这些步骤。为了使 LED 点亮,我们必须为 LED 供电(我们让电流流过 LED)。为了控制来自 LED 的光的打开和关闭,我们可以使用 Arduino 来打开和关闭 LED 的电流。因此,LED 必须连接到 Arduino 上的控制引脚。为了限制电流以保护 LED,我们将在 Arduino 和 LED 之间使用一个电阻。LED 还必须连接回 Arduino 上的接地以完成电路。
  4. 使用原理图符号表示每个组件并绘制黑色实线表示接线连接。有关不同组件的电路图符号的更多信息,请参阅此链接:https://learn.parallax.com/support/reference/sche...

完成这些步骤后,您可能需要:

需要以特定方式使用特定电路元件。例如,LED 是一个二极管,电流只能在一个方向上流过它,才能使 LED 发光。这意味着它只能在一个方向(或极性)上连接。LED 的两个连接称为阴极和阳极。阳极连接到电源(在我们的例子中是 Arduino)的正极,阴极连接到地(或负电源)。
您可能还需要考虑哪些组件需要一起使用。例如,LED 必须与电阻串联以保护 LED,因为 LED 使用的电流低于 Arduino 输出。对于这个项目,220 欧姆是一个很好的电阻值。
查看 Arduino 板上引脚的不同功能。Arduino 板上的主要功能之一是 GND 和电源引脚。GND 引脚代表地或 0V,电源引脚(5V 和 3.3V)代表输出恒定电压的引脚。Arduino 板上的另一个主要功能是 Arduino 上的控制引脚,这些引脚可以控制输出或输入信号。例如,Arduino 板上标有 12 个数字引脚。数字引脚意味着它们只能发送HIGH(+5V)或LOW(接地或0V)数字信号,而Arduino板上的模拟引脚可以发送模拟信号,这意味着它们可以输出0V和0V之间的任何电压值的信号。 +5V。此 Instructable 中使用的组件将使用数字引脚 1-12,并且 12 个数字引脚之间没有区别。只要您的 Arduino 代码准确地反映了您选择的引脚,您的电路就可以使用您的代码。如果您需要帮助理解 Arduino 的不同部分,请阅读此主题或寻求帮助。
一张好的电路图需要整洁,清楚地标出相应的原理图符号,并为每个电路元件标上任何必要的值。

上面的示例电路图是绘制您应该构建的 LED 电路的正确方法。如图所示,来自 Arduino 的信号(电流)将从数字引脚 12 退出,通过 220 欧姆电阻进入 LED 的阳极端,从 LED 的阴极端退出,然后返回到Arduino 的接地引脚。

第 6 步:在 TinkerCAD 上设计电路

完成原理图后,在 TinkerCAD 上设计电路非常有帮助。TinkerCAD 是一个程序,可提供 Arduino 和面包板的真实视图,以帮助您准确规划电路接线方式。(注意:在 EGR101 过去的学期中,我们使用了一个叫做 Fritzing 的软件而不是 TinkerCAD。所以,在这个 Instructable 中,可能会有一些展示 Fritzing 软件的参考/图片;但是,这些图片在使用时仍然可以作为参考TinkerCAD 程序。)

在对如何连接电路进行原型设计时,您将需要使用面包板。面包板是一种可用于快速轻松地连接电路原型的工具。在上面的第三张图片中,图片显示了一个面包板以及面包板内部的样子。它包含一个孔网格,您可以将电子元件和电线插入其中。在面包板中,成排的孔通常由金属条连接在一起。看上面的第三张图片,其中显示了面包板的内部。面包板中间的行水平连接是 LED 和电阻器等组件的主要构建场所。面包板边缘的柱子或导轨通过图中红色箭头表示的细长金属条在整个电路板上连接起来。面包板上的这些柱子通常保留用于连接电源和地,因为它们沿着面包板的整个长度延伸。因此,面包板允许我们在原型电路时进行快速简便的无焊连接。

虽然我们可以直接在物理面包板上进行布线,但在实际制作之前,使用 TinkerCAD 之类的软件在电子面包板上设计电路通常很有用。您可以通过以下链接访问 TinkerCAD:https://www.tinkercad.com/learn/circuits/learning

访问 TinkerCAD 后,您应该根据之前制作的电路原理图在 TinkerCAD 上连接电路。如果您需要帮助在 TinkerCAD 中创建闪烁的 LED 原理图,您可以参考此 Instructable 页面上的第一张图片。

在构建物理电路之前,您必须学习如何绘制原理图,因为这是工业工程师的通用实践标准。当你开始建立你的物理电路时,它也会有很大帮助。

第 7 步:在面包板上构建电路

制作原理图和 TinkerCAD 模型后,您可以开始在物理面包板上构建电路。要开始构建,请收集制作电路所需的材料。这包括以下内容:

  • 面包板
  • 跳线
  • 一个 LED
  • 一个 220 欧姆的电阻器
  • Arduino

同样,面包板是连接电路的一种快速简便的方法。它们有一个孔网格,您可以在其中插入电路元件并创建原型电路。它们具有导电金属条,可通过多个孔传输电流。在上图中,请注意面包板上的中间孔如何跨行传导电流,而外孔如何沿轨道在一列中传导电流。

要确定电阻器的电阻,请参考电阻器的色带。色带形成了传达电阻的代码。例如,220 欧姆电阻具有红色、红色、棕色、金色的色带图案。检查电阻器电阻的一个好方法是使用万用表物理测量电阻器中的电阻,或者您可以使用在线电阻器计算器(例如此处的计算器:https://www.digikey.com/ en/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-resistor-color-code-4-band) 以找到色带电阻器的电阻值。

在构建电路之前,请通过拔下连接到 Arduino 的任何电源(包括您的计算机)来确保 Arduino 已关闭。然后,按照 TinkerCAD 模型和电路原理图,使用您收集的材料将电路构建到面包板上。通过将阳极(LED 的正端)连接到带有电阻器的行中,将阴极(负端)连接到地线,确保正确插入 LED。阳极由 LED 较长的引线表示,阴极由 LED 外壳上的扁平侧表示。

在 TinkerCAD 上构建电路后,您可以继续下一步。

第 8 步:编写 Arduino 代码

构建电路后,剩下要做的就是在 Arduino IDE 上编写代码并上传!

在上图中,您可以看到 LED 电路的工作示例代码以及注释和适当的归属。这段代码从 Arduino 的 Blink.ino 示例中稍作修改,以与我们使用 Arduino 的数字引脚 12 制作的电路配合使用。虽然我们为您提供了此示例代码,但了解示例代码中包含的 Arduino 编码的特定语法仍然很重要,以便您将来能够编写自己的代码。

该代码使用恒定整数值,以便可以轻松更改 LED 引脚。此代码中使用的主要函数是 digitalWrite()、pinMode() 和 delay()。您可以根据评论推断这些函数的作用,但在https://www.arduino.cc/reference/en/上阅读有关 Arduino 语法和不同 Arduino 函数的更多信息会很有帮助,以便您可以在未来。

请记住,在创建代码时,您必须对代码进行注释并在顶部提供代码归属。这些注释应该简洁,并提供有关您的代码正在做什么的信息。这让读者可以在高层次上了解您的代码在做什么,并表明您了解您的代码是如何工作的。有两种类型的注释:行注释和块注释。要进行行注释,请使用两个正斜杠 ("//"),然后在两个正斜杠之后写下您的注释。Arduino 编译器无法识别您在两个正斜杠后的行上写入的任何文本,但其他程序员查看您的代码时仍可读取。可以在第二张图片中看到行注释,其中行注释描述了代码的作用。块注释是可以跨越多行的注释,是通过编写跨越多行的注释来创建的,注释以正斜杠和星号开头,以星号和正斜杠结尾(/* 注释 */)。第一张图显示了用于代码归属的块注释。

对于归属,如果您使用了来自在线资源或获得许可的示例中的代码,请务必注明您的代码来源。要赋予代码属性,请在代码文件顶部使用块注释,说明代码的用途、代码的来源(如果可能,包括链接)、修改日期以及修改者。请参阅上面的示例以供参考。

通过使用 Arduino IDE 左上角的两个圆圈按钮验证和上传,复制代码并将此代码上传到 Arduino。如果您的电路运行正常,请打开 LED 一秒钟,然后重复关闭一秒钟,如上面的视频所示,您可以继续执行此步骤的其余部分。如果没有,请进行故障排除以找出您的电路出了什么问题。要进行故障排除,请从原理图开始,然后是 TinkerCAD 模型和物理电路,然后是代码。

在使用 Blinking_LED.ino 文件验证您的电路是否正常工作(上图中有 Blinking_LED 电路的视频)后,尝试使用 LED 电路进行试验,使其执行以下操作:

- 使电路使 LED 闪烁,但不要使用引脚 12,而是使用引脚 6。

- 使电路以 5 秒而不是 1 秒的间隔闪烁 LED。

成功更改代码/接线以使电路执行上述操作并了解原因后,将代码更改回原始示例代码并继续下一步以了解如何将按钮添加到系统中。

在这一步中,我们将在电路中添加一个按钮,以便在按下按钮时 LED 亮起。我们需要修改代码和电路的工作方式才能实现这种行为。

按钮是电路中使用的简单机械开关,通常带有可以按下的圆形按钮。这些按钮通常带有 4 个小金属腿,它们卷曲并向内指向按钮主体。彼此直接相对并指向彼此的腿是一对腿。一对腿中的腿总是通过一个按钮相互连接,按钮上的两个腿对可以根据按钮是否按下而连接在一起。未按下按钮时,开关常开,因此双腿之间的路径断开,电流无法在它们之间流动。当按下按钮时,开关闭合,因此双腿之间的路径连通,电流可以在两个腿对之间流动。

要向闪烁 LED 原理图添加按钮,我们将以特定方式将按钮连接到 Arduino,以便电路最终正常工作。按照电路原理图进行查看。首先,我们需要连接 Arduino 的数字引脚 2(请注意,除了引脚 0 或 1 之外的所有数字引脚都可以用来代替数字引脚 2)和一个 10kOhm 的上拉电阻跨越按钮的腿对。这意味着我们需要将引脚 2 连接到按钮的一个支脚,并将上拉电阻连接到支脚对中的相应支脚。然后上拉电阻应连接到 Arduino 的 GND 引脚。在原理图上,您可以通过引脚 2 和 GND 引脚在按钮一端的连接方式看到这一点。接下来,我们将 Arduino 的 5V 引脚连接到按钮的另一对腿。请注意 5V 引脚如何未连接到数字引脚和 GND 引脚,因为按钮中的栅极未关闭(这发生在未按下按钮时)。当门关闭时,5V 连接到另外两个引脚(按下按钮时会发生这种情况)。

在原理图中完成概念设计后,我们现在应该在 TinkerCAD 中设计电路。我们可以通过在面包板上添加一个按钮来做到这一点(按钮通常放置在面包板的桥上),然后将数字引脚 2 连接到按钮的腿对之一。然后我们将一个 10kOhm 上拉电阻连接到腿对的另一侧,然后将该电阻连接到 Arduino 上的 GND 引脚。然后,我们要将 5V 引脚连接到另一对腿,我们的 TinkerCAD 模型就完成了。提供Fritzing中正确设计的电路图片和原理图供您参考;确保您了解为什么他们的电路看起来像这样,以便您可以使带有按钮和 LED 的电路正常工作。

接下来,按照 TinkerCAD 模型在面包板上构建物理电路。如果要确保知道按钮的哪一侧连接在一起,可以使用万用表测试导通性。

将按钮添加到电路中后,我们可以将按钮添加到 Arduino 代码中。在代码中,我们将使用 pinMode() 将数字引脚 2 设置为 INPUT 引脚。这意味着 Arduino 将监视进入 Arduino 的任何电压的数字引脚 2。从概念上讲,当按钮未被按下时,Arduino 将从数字引脚 2 读取低电压,因为数字引脚 2 通过按钮的腿对之一连接到 Arduino 的 GND 引脚 (0V)。然而,当按下按钮时,按钮的两个脚对连接,将 5V 引脚连接到数字引脚 2 和另一个脚对的 GND 引脚。由于 5V 引脚连接到数字引脚 2,Arduino 将在数字引脚 2 读取高电压,因为它从 5V 引脚输入 5V 信号。

继续在代码中,此代码将与之前的代码不同,因为我们依赖于按钮的输入来打开灯。基本前提是一个逻辑语句,它检查按钮是否被按下,如果是,则打开 LED。因此,该代码将包含一个“if-else”语句,该语句将在 Arduino 感应到按下按钮时打开 LED,并在未按下按钮时关闭 LED。Arduino 通过使用 digitalRead() 函数来检测数字引脚 2(我们的输入引脚)上是否存在高电压或低电压。参考有关 if-else 语句或 digitalRead() 函数(如有必要)的更多信息,请访问网站。虽然在上面的图片中为您提供了此示例的代码,但请确保您了解代码的工作方式和原因。

最后,测试和排除电路故障。如果您正确连接了电路并使用了上面的代码,那么您的电路的行为应该与上面视频中的电路类似。如果您的电路表现正常,那么恭喜您!您已经完成了一个非常有用的 Arduino 电路,您可以继续在 Electronics Tools Mastery Project 中制作您自己的电路。如果不是,请仔细检查您的原理图是否正确,然后是 TinkerCAD 模型,然后是物理面包板电路,最后是代码。

希望这个教程对完成您的电子工具精通项目有帮助。在进行作业时请牢记安全规则,并仔细阅读作业说明。您可以使用本教程中的示例作为参考,但请务必提供必要的文档,例如归属代码。希望您能喜欢我的项目。

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