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掌控Arduino :基于Tinkercad仿真 版權(quán)信息
- ISBN：9787030688903
- 條形碼：9787030688903 ; 978-7-03-068890-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
掌控Arduino :基于Tinkercad仿真 內(nèi)容簡(jiǎn)介
現(xiàn)在很多人都已經(jīng)能夠利用Arduino制作很好有創(chuàng)意的作品了，但是對(duì)于Arduino具體是如何工作的，并不是真正理解。如果我們利用Tinkercad提供的電子電路仿真功能，能較好地理解Arduino是如何運(yùn)行的。Tinkercad并不是只能展示編程的效果，它的編程及模擬程序運(yùn)行的功能是建立在能夠模擬真實(shí)電路的情況下，本書就是通過仿真的形式來介紹Arduino的工作原理。
掌控Arduino :基于Tinkercad仿真 目錄
目錄
前言
第1章 重新認(rèn)識(shí)Tinkercad
1.1 開源硬件的開創(chuàng)者Arduino 1
1.2 功能強(qiáng)大的Tinkercad 5
1.3 創(chuàng)建賬戶 8
1.4 Tinkercad中的電路設(shè)計(jì) 9
第2章 萬用表和示波器
2.1 萬用表的使用 13
2.2 歐姆定律 19
2.3 示波器的使用 22
第3章 Arduino基本輸入輸出
3.1 基本電信號(hào) 28
3.2 數(shù)字量輸入、輸出 30
3.3 模擬量輸入 49
第4章 方波輸出
4.1 PWM輸出 54
4.2 伺服電機(jī) 56
4.3 電子音樂盒 63
第5章 方波的接收與處理
5.1 超聲波傳感器 73
5.2 串行通信 76
5.3 紅外遙控器 82
第6章 多樣的串行通信
6.1 移位寄存器 92
6.2 全彩燈帶 106
6.3 8×8點(diǎn)陣屏 116
第7章 液晶顯示屏
7.1 液晶顯示原理 120
7.2 1602液晶模塊 121
7.3 LiquidCrystal庫 131
第8章 4×4小鍵盤
8.1 小鍵盤介紹 136
8.2 加減法出題機(jī) 146
附錄 555集成電路
附.1 555集成電路簡(jiǎn)介 153
附.2 555集成電路引腳定義 154
附.3 555集成電路工作原理 154
附.4 延時(shí)小夜燈 156
附.5 閃爍警告燈 159
附.6 光敏百靈鳥 161
前言
第1章 重新認(rèn)識(shí)Tinkercad
1.1 開源硬件的開創(chuàng)者Arduino 1
1.2 功能強(qiáng)大的Tinkercad 5
1.3 創(chuàng)建賬戶 8
1.4 Tinkercad中的電路設(shè)計(jì) 9
第2章 萬用表和示波器
2.1 萬用表的使用 13
2.2 歐姆定律 19
2.3 示波器的使用 22
第3章 Arduino基本輸入輸出
3.1 基本電信號(hào) 28
3.2 數(shù)字量輸入、輸出 30
3.3 模擬量輸入 49
第4章 方波輸出
4.1 PWM輸出 54
4.2 伺服電機(jī) 56
4.3 電子音樂盒 63
第5章 方波的接收與處理
5.1 超聲波傳感器 73
5.2 串行通信 76
5.3 紅外遙控器 82
第6章 多樣的串行通信
6.1 移位寄存器 92
6.2 全彩燈帶 106
6.3 8×8點(diǎn)陣屏 116
第7章 液晶顯示屏
7.1 液晶顯示原理 120
7.2 1602液晶模塊 121
7.3 LiquidCrystal庫 131
第8章 4×4小鍵盤
8.1 小鍵盤介紹 136
8.2 加減法出題機(jī) 146
附錄 555集成電路
附.1 555集成電路簡(jiǎn)介 153
附.2 555集成電路引腳定義 154
附.3 555集成電路工作原理 154
附.4 延時(shí)小夜燈 156
附.5 閃爍警告燈 159
附.6 光敏百靈鳥 161
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掌控Arduino :基于Tinkercad仿真 節(jié)選
第1章 重新認(rèn)識(shí)Tinkercad 第1章的標(biāo)題之所以叫做“重新認(rèn)識(shí)Tinkercad”，是因?yàn)門inkercad在大眾普遍認(rèn)知中是一款3D建模軟件。而本書介紹的內(nèi)容并不是用Tinkercad來創(chuàng)建三維模型，而是用它來仿真Arduino編程，這個(gè)領(lǐng)域可能大家了解比較少，所以需要“重新”認(rèn)識(shí)一下它。 1.1 開源硬件的開創(chuàng)者Arduino 在開始正式的內(nèi)容之前，先簡(jiǎn)單說一下Arduino。 相比于2010年、2011年本人開始寫國內(nèi)**本中文Arduino圖書的時(shí)候，我想現(xiàn)在已經(jīng)不用再單獨(dú)介紹什么是Arduino了（如果你還不太了解Arduino，建議先閱讀本人之前出版的一系列Arduino圖書）。經(jīng)過這些年的培訓(xùn)和宣傳活動(dòng)，Arduino基本已經(jīng)成為科技創(chuàng)新作品制作的必選硬件平臺(tái)。每年本人在不同的科技創(chuàng)新比賽當(dāng)中，都能見到大量用Arduino制作的作品。 對(duì)于Arduino的出現(xiàn)，之前的出版物中本人提到了它的偶然性。在本人的《Arduino開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南》一書中有一段關(guān)于Arduino歷史的介紹，其中**句話就是“說到Arduino的起源似乎有點(diǎn)令人感覺無心插柳柳成蔭”。其實(shí)Arduino的出現(xiàn)也有其必然性，本書就通過簡(jiǎn)單梳理電子科技、集成電路、微處理器的發(fā)展，說說它的必然性。 1.1.1 集成電路 這段科技史我們跳過電子管、晶體管的部分，直接從集成電路的出現(xiàn)開始。 1958年，美國德克薩斯儀器公司宣布一種集成的振蕩器問世，首次把晶體管和電阻、電容等器件集成在一塊硅片上，構(gòu)成了一個(gè)基本完整的單芯片功能電路。1961年，美國仙童公司宣布制造出了一種集成的觸發(fā)器。從此，集成電路獲得了飛速發(fā)展。 數(shù)字集成電路從小規(guī)模、中規(guī)模到大規(guī)模，甚至是超大規(guī)模，集成度越來越高。與此同時(shí)，在模擬集成電路方面，設(shè)計(jì)師與生產(chǎn)商在一小片硅片上集成了許許多多的晶體管電路，硅片由塑料外殼封裝，外部的金屬引腳與芯片內(nèi)部硅片上的細(xì)小引線相連。集成電路的發(fā)明開創(chuàng)了集電子器件與某些電子元件于一體的新局面，使傳統(tǒng)電子器件的概念發(fā)生了變化，同時(shí)也讓電子設(shè)備的體積和性能不斷變化，使得過去的中小型計(jì)算機(jī)甚至是大型計(jì)算機(jī)得以小型化或微型化，而性能卻在成倍地提高。 1946年2月14日誕生的世界上**臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC占地170平方米，重達(dá)30噸，耗電功率約150千瓦，每秒只能進(jìn)行5000次運(yùn)算。而現(xiàn)在隨隨便便一部手機(jī)每秒都能運(yùn)行幾十億次，且尺寸只有手掌大小。 摩爾定律 摩爾定律是Intel創(chuàng)始人之一戈登？摩爾（Gordon Moore）提出來的。其核心內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，每隔18~24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18~24個(gè)月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。 1.1.2 微處理器 如果打開20世紀(jì)80、90年代的錄音機(jī)、錄像機(jī)或是CD機(jī)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)里面的電路板都很大，有可能還不止一塊，而且電路板上密密麻麻都是集成電路和電子元器件。相比而言，現(xiàn)在的電視盒、路由器等電子設(shè)備都很空，在一個(gè)不大的電路板上也只有兩到三個(gè)較大的芯片和一些外圍電子元件。這種變化一方面得益于集成電路加工工藝的發(fā)展，另一方面是由于設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)由硬件完成慢慢變成了由微處理器中的軟件來進(jìn)行。 微處理器也是集成電路的一種，它是一種能運(yùn)行程序的集成電路。20世紀(jì)80年代中期，大多數(shù)電子產(chǎn)品都是由十分復(fù)雜且巧妙的邏輯電路構(gòu)成，所以在制造這些電子產(chǎn)品的時(shí)候會(huì)使用大量的邏輯電路芯片（本書中也會(huì)介紹一些）。不過從20世紀(jì)70年代開始，就已經(jīng)有芯片廠家開始通過在產(chǎn)品中嵌入微處理器來減少芯片的使用數(shù)量了，到了20世紀(jì)80年代，隨著微處理器性能的提升和技術(shù)的完善，越來越多的工程師意識(shí)到如果在設(shè)備中使用微處理器，不僅可以提高設(shè)備的性能，而且能夠降低制造成本，關(guān)鍵是還能減少開發(fā)成本和更新維護(hù)的費(fèi)用。 在未使用微處理器之前，設(shè)備的開發(fā)需要非常專業(yè)的電子工程師才能完成，而且維護(hù)更新也需要熟練的工人進(jìn)行；使用微處理器之后，設(shè)備的開發(fā)就被分成了硬件設(shè)計(jì)和微處理器編程兩部分，硬件設(shè)計(jì)還是需要專業(yè)的工程師來實(shí)現(xiàn)，但微處理器編程部分則不需要專業(yè)的電子工程師，同時(shí)設(shè)備的維護(hù)和更新也可以讓廉價(jià)的勞動(dòng)力通過更換程序存儲(chǔ)器件來解決（早期的芯片只能寫一次程序，如果程序有問題則需要換一個(gè)芯片）。 **款微處理器Intel 4004 Intel 4004微處理器是世界上**款商用計(jì)算機(jī)微處理器。片內(nèi)集成了2250個(gè)晶體管，晶體管之間的距離是10μm，能夠處理4bit的數(shù)據(jù)，每秒運(yùn)算6萬次，運(yùn)行頻率為108kHz，成本不到100美元，1971年11月15日發(fā)布。英特爾公司首席執(zhí)行官戈登？摩爾將4004稱為“人類歷史上*具革新性的產(chǎn)品之一”。 Intel*初的主業(yè)實(shí)際是存儲(chǔ)器芯片，在4004誕生之前，由于受到日本半導(dǎo)體公司的沖擊，Intel已經(jīng)處于破產(chǎn)的邊緣。這個(gè)時(shí)候，一家日本計(jì)算器公司Busicom找到了Intel，愿意花60000美元讓Intel幫他們的Busicom 141-PF打印式計(jì)算器設(shè)計(jì)12個(gè)芯片，并且拿出了他們的設(shè)計(jì)圖紙，一套6種極其復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)方案。 Intel工程師霍夫更改了芯片設(shè)計(jì)方案，只用4個(gè)芯片就實(shí)現(xiàn)了同樣的功能。這四個(gè)芯片就是4001（動(dòng)態(tài)內(nèi)存DRAM）、4002（只讀存儲(chǔ)器ROM）、4003（寄存器芯片）以及4004，用這4個(gè)芯片就可以架構(gòu)出一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。不過由于制造工藝的問題，4004遲遲無法交貨。當(dāng)時(shí)的計(jì)算器市場(chǎng)有點(diǎn)像今天的手機(jī)市場(chǎng)，美國公司基本上退出了競(jìng)爭(zhēng)，留下來的日本公司都在打價(jià)格戰(zhàn)，在這種市場(chǎng)環(huán)境下，延遲交貨對(duì)產(chǎn)品來說是非常致命的。于是當(dāng)Intel完成4004芯片的設(shè)計(jì)和樣品的生產(chǎn)時(shí)，Busicom公司要求Intel補(bǔ)償，Intel同意了，退還了部分費(fèi)用，但是附加了一個(gè)條件：允許Intel在除計(jì)算器芯片市場(chǎng)之外的其他市場(chǎng)上自由出售4004芯片（之前這個(gè)芯片的所有權(quán)歸日本公司）。Busicom公司答應(yīng)了，至此，Intel公司完成了從單一的存儲(chǔ)器制造商向微處理器制造商的轉(zhuǎn)型。 1.1.3 單片機(jī) 雖然微處理器的出現(xiàn)簡(jiǎn)化了電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，但硬件設(shè)計(jì)依然比較復(fù)雜。這主要是因?yàn)橐胱屛⑻幚砥饔行У貙?shí)現(xiàn)各種功能，必須在其外圍增加許多信號(hào)處理芯片以及其他輔助芯片，比如譯碼芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片、時(shí)鐘芯片等。 到了20世紀(jì)90年代，由于硅處理與芯片制造技術(shù)的進(jìn)步，廠家可以在一個(gè)芯片中集成更多的電路。以前需要多個(gè)外部芯片才能實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在可以集成到一個(gè)芯片中完成，比如與其他芯片通信的串行端口、監(jiān)測(cè)模擬信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換等。為了將這種芯片與微處理器進(jìn)行區(qū)分，大家將這種芯片稱為單片機(jī)，你也可以將其看成一種集成化的微控制器。 單片機(jī)的出現(xiàn)讓更多的消費(fèi)電子產(chǎn)品，包括兒童玩具開始使用芯片控制，讓它們更加智能化，比如家里程序化控制的洗衣機(jī)，現(xiàn)在只需要選擇對(duì)應(yīng)的模式，洗衣機(jī)就會(huì)順序開展浸泡、漂洗和甩干等工作，中間不需要人為干預(yù)；再比如家里的空調(diào)，會(huì)檢測(cè)當(dāng)前的室內(nèi)溫度，并與用戶設(shè)定的溫度值進(jìn)行對(duì)比，在制冷模式下，當(dāng)室內(nèi)溫度低于設(shè)定的溫度時(shí)就會(huì)停止空調(diào)的制冷工作。 可以說單片機(jī)的出現(xiàn)讓真實(shí)的物理世界和虛擬的電子信息世界聯(lián)系在一起，為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來奠定了硬件基礎(chǔ)。臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦的功能非常強(qiáng)大，可以同時(shí)處理很多事情，比如可以在處理文檔的時(shí)候，同時(shí)播放音樂；可以在播放或編輯視頻的時(shí)候，同時(shí)下載文件。但如果不借助其他包含單片機(jī)的電子設(shè)備，要讓臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦與真實(shí)的世界聯(lián)系并不容易。 1.1.4 開源硬件Arduino 單片機(jī)與臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦是兩種不同的發(fā)展路線。單片機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景通常比較簡(jiǎn)單，往往不需要太強(qiáng)的計(jì)算能力，但應(yīng)用場(chǎng)景千變?nèi)f化，而且對(duì)價(jià)格非常敏感。這就造成市面上單片機(jī)的種類越來越多，而每種單片機(jī)都有自己的一套開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具，學(xué)習(xí)任何一種單片機(jī)都需要先學(xué)會(huì)使用對(duì)應(yīng)的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具，同時(shí)針對(duì)所使用單片機(jī)的具體型號(hào)，還要熟悉其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)。如果要學(xué)習(xí)另一種新的單片機(jī)類型，則要重復(fù)這個(gè)過程。 這其實(shí)給單片機(jī)的學(xué)習(xí)使用帶來了一定的門檻，因?yàn)楹芏嗳思幢阒雷约阂獙?shí)現(xiàn)什么功能，但學(xué)習(xí)對(duì)應(yīng)的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具還是有一些難度的。盡管很多廠家都針對(duì)自己的單片機(jī)產(chǎn)品推出了簡(jiǎn)單易用的開發(fā)板，但所謂的簡(jiǎn)單易用也需要用戶對(duì)電子技術(shù)、數(shù)字邏輯、接口地址、寄存器操作等內(nèi)容有一定的了解。 Arduino從誕生之初就是針對(duì)完全零基礎(chǔ)的使用者，這里的零基礎(chǔ)只是說他們對(duì)于硬件知識(shí)零基礎(chǔ)，但應(yīng)該都有一定的編程素養(yǎng)，這些使用者是之前各個(gè)單片機(jī)生產(chǎn)廠家忽略的用戶，事實(shí)上這個(gè)用戶群體相當(dāng)龐大，因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中一直都在培養(yǎng)這樣的人。這些用戶需要一款相對(duì)“傻瓜”一些的標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)板，而Arduino提供了一個(gè)這樣的產(chǎn)品，對(duì)于硬件工程師來說，這種標(biāo)準(zhǔn)化讓Arduino在使用上少了一些選擇，但這些選擇對(duì)于零基礎(chǔ)的使用者來說也許正是一種困擾。少了這些選擇之后，使用者可以把注意力完全放在表現(xiàn)自己的想法和創(chuàng)意上。 屬于開源硬件的Arduino，其標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)板也是開源的。在標(biāo)準(zhǔn)化的硬件基礎(chǔ)之上，Arduino通過網(wǎng)絡(luò)社區(qū)的形式，匯集了大量用戶的應(yīng)用實(shí)例。由于Arduino基于知識(shí)共享的CC協(xié)議設(shè)計(jì)，所以這些實(shí)例的所有資料都是開源的，包括結(jié)構(gòu)件、電路圖、材料清單，以及控制代碼等，任何人都能夠使用和改進(jìn)。參考這些實(shí)例，用戶能夠很快地完成自己的電子作品。可以說Arduino是開源硬件的開創(chuàng)者和推廣者。 1.2 功能強(qiáng)大的Tinkercad 說完了Arduino，我們把目光拉回到本書的主角Tinkercad。 本人**次使用Tinkercad是在2013年翻譯《解析3D打印機(jī)：3D打印機(jī)的科學(xué)與藝術(shù)》（Practical 3D Printers：The Science and Art of 3D Printing）這本書的時(shí)候，當(dāng)時(shí)書中介紹了這款基于WebGL的網(wǎng)絡(luò)建模工具，我也動(dòng)手試了試，界面非常簡(jiǎn)潔，使用起來也很方便，之后就一直留意著它的變化。 2017年，Tinkercad集成了Circuits編輯器的時(shí)候確實(shí)讓我眼前一亮，不過由于時(shí)間問題，一直沒有時(shí)間具體地用一用，在我的潛意識(shí)里也一直認(rèn)為這個(gè)編輯器只是能用虛擬的方式展示編程的效果，就像一個(gè)可視化的程序解釋器。不過當(dāng)我在2019年使用它的圖形化編程建模功能時(shí)（當(dāng)時(shí)正在找一些JavaScript代碼編程3D建模的內(nèi)容），順便又看了一下Circuits的功能，才發(fā)現(xiàn)自己對(duì)于Tinkercad Circuits的認(rèn)識(shí)是完全錯(cuò)誤的，當(dāng)時(shí)就有了寫這本書的想法。下面就跟著我“重新”認(rèn)識(shí)一下Tinkercad吧。 1.2.1 Tinkercad簡(jiǎn)介 Tinkercad是美國著名的Autodesk公司目前主打教育領(lǐng)域的設(shè)計(jì)軟件，其主要功能是三維建模設(shè)計(jì)，旨在讓用戶能夠簡(jiǎn)單輕松地實(shí)現(xiàn)三維建模。不同于其他專業(yè)建模軟件，Tinkercad不強(qiáng)調(diào)功能全面，而是更注重快速簡(jiǎn)單地搭建模型，通過組合各種不同的基本體，使用者可以快速構(gòu)建出自己的模型。因此，Tinkercad非常適合三維建模的初學(xué)者。 圍繞三維建模的功能，Tinkercad提供了很多開源硬件與機(jī)器人部件的模型，其中就包括Arduino控制板，如圖1.1所示。使用者在建模界面中能夠很方便地找到它們，并利用這些模型輔助自己快速完成模型設(shè)計(jì)或是驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)是否合適。比如想要設(shè)計(jì)一個(gè)舵機(jī)的支架，只需要選取舵機(jī)的模型，然后在自己的模型上相應(yīng)地減去這個(gè)舵機(jī)模型就可以了。 圖1.1 Tinkercad中包含的部分開源硬
掌控Arduino :基于Tinkercad仿真 作者簡(jiǎn)介
程晨，科技作家，創(chuàng)客布道師，創(chuàng)客教育踐行者。編著、翻譯出版人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、3D打印、機(jī)器人領(lǐng)域相關(guān)圖書數(shù)十本，《無線電》、《愛上機(jī)器人》雜志特約作者，國內(nèi)Arduino、Intel Edison、3D打印技術(shù)、Mixly科普先行者。少年創(chuàng)學(xué)院聯(lián)合創(chuàng)始人兼院長，2015 Intel軟件創(chuàng)新大使，2017 ELF全球杰出教育領(lǐng)袖，2019年Arduino官方認(rèn)證推廣大使。中國電子學(xué)會(huì)青少年軟件編程等級(jí)考試標(biāo)準(zhǔn)工作組副組長。Python教師社區(qū)“派森社”聯(lián)合發(fā)起人。曾任北京航空航天大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、天津美院特聘講師，參與清華大學(xué)、北京科技大學(xué)等多個(gè)高校的創(chuàng)新性課程設(shè)計(jì)。
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