《机械创新设计》课件-项目5 智能控制与编程技术

1.硬件模块基础-1Arduinouno主板布局ATmega328P的核心地位数字输入/输出引脚概述模拟输入/输出引脚概述电源管理概述与详解一、Arduinouno主板布局（一）ArduinoUno实物图1C234657ATmega328P微控制器1数字引脚（DigitalPins）2模拟引脚（AnalogPins）3电源接口（USB、DC插孔）4电源输出引脚（3.3V、5V、GND）5复位按钮（ResetButton）6ICSP接口（编程接口）7板载LED（Pin13）8二、ATmega328P的核心地位（一）核心作用二、ATmega328P的核心地位（二）与其他硬件组件的关系C1234657三、数字输入/输出引脚概述1.输入模式2.输出模式3.PWM输出C123读取外部信号输出信号

PWM（脉宽调制）输出四、模拟输入/输出引脚概述（一）模拟引脚概述ArduinoUno提供了6个模拟引脚，编号从A0到A5，位于板子的右下角。（二）模拟引脚的功能模拟引脚的主要功能是读取连续的模拟信号。四、模拟输入/输出引脚概述（三）模拟引脚应用示例电位器读取（调节电压）光敏电阻读取光照强度五、电源管理概述与详解（一）电源输入方式USB供电外部电源（DC插孔）五、电源管理概述与详解（二）电源输出引脚ArduinoUno提供了3.3V和5V的电源输出引脚，以及GND接地引脚（三）电源管理详解USB供电的特点与限制以及外部电源的电压范围（7-12V）硬件模块基础-2Arduinouno主板布局ATmega328P的核心地位数字输入/输出引脚概述模拟输入/输出引脚概述电源管理概述与详解一、通信接口概述（一）什么是通信协议通信协议是设备之间交换数据的规则和标准，确保信息准确传输。核心要素物理层数据格式时序控制解决设备兼容性，提高通信可靠性一、通信接口概述（二）常见通信协议分类类型特点典型协议适用场景串行通信逐位传输，节省引脚UART、SPI、I2C传感器、外设模块并行通信多线同时传输，速度快并行总线（如LCD接口）高速数据传输（已逐渐淘汰）无线通信无需物理连接蓝牙、Wi-Fi，星闪物联网、远程控制（三）Arduino支持的通信方式UART（串口）

SPII2C二、串口通信（UART）（一）基本概念解决设备兼容性，提高通信可靠性。无需时钟信号，依靠预定义的波特率同步。异步特性全双工（可同时收发）。通信方式Arduino与PC通信、模块调试、GPS数据接收。异步特性二、串口通信（UART）（二）硬件接口引脚功能说明TX(D1)数据发送输出TTL电平信号RX(D0)数据接收输入TTL电平信号（三）关键参数配置波特率300bps-2Mbps，数据位5-9位，校验位无/奇/偶，停止位 1/2位。三、SPI通信（一）SPI引脚的功能1.MOSI线2.MISO线3.SCK时钟信3.SS片选线三、SPI通信（二）SPI通信的特点与优势其全双工特性允许数据同时收发，有效提升了总线利用率；SPI既支持传统的星型拓扑，也可实现菊花链式连接；SPI协议精简高效，适合对实时性要求严格的工业控制系统；三、SPI通信（三）SPI通信的应用场景应用于存储设备领域PART.01应用于显示控制方面PART.02应用于精密传感器PART.03应用于工业自动化系统中PART.04四、I2C通信（一）I2C引脚的功能（SDA\SCL）I2C总线仅需两根信号线即可实现完整通信功能：SDA（串行数据线）负责双向数据传输，采用开漏输出设计，必须外接上拉电阻。SCL（串行时钟线）由主设备产生，标准模式下频率为100kHz，快速模式可达400kHz。四、I2C通信（二）I2C通信的特点与优势01两线制架构大幅节省了硬件资源02独特的地址寻址机制支持单个总线挂载多达112个设备03两线制架构大幅节省了硬件资源四、I2C通信（三）I2C通信的应用场景传感器网络领域消费电子领域工业领域五、其他硬件资源概述（一）复位按钮的功能与使用瞬时触发型设计，按下立即生效；复位过程约需500ms完成；会中断当前程序执行，所有变量和寄存器恢复初始值；不影响已烧录的程序代码。五、其他硬件资源概述ICSP接口的作用底层编程调试开发参数配置晶体振荡器的作用时钟发生时序同步稳定性保障01.高度集成的模块化设计：ATmega328P微控制器为核心，实现功能丰富与成本优化的平衡。ArduinoUno硬件资源的核心要点总结02.高效的硬件协同机制：数字I/O与模拟输入的有机配合，电源系统与功能模块的完美匹配。03.理想的开发平台特性：标准化接口降低入门门槛，从教育到原型开发的广泛适用性。04.持久的市场生命力：经典的开源硬件架构，在嵌入式领域的标杆地位。2.ArduinoUno硬件资源简介硬件概览应用举例01简介PARTONE简介（一）什么是ArduinoArduino是一个基于开放源码的软硬件平台，具有可使用C/C++等编程语言的IDE集成开发编程环境，也有直观的图形化编程环境。目前Arduino是全球最热门的开发平台。UNOnano简介（二）Arduino可以做什么02硬件概览PARTTWO硬件概览（一）ArduinoUnoATmega328P硬件资源数字I/O输入输出引脚1-13引脚模拟I/O输入输出引脚A0-A5引脚PWM6路PWM输出FLASH32KBSRAM2KBEEPROM1KB时钟速度16MHz硬件概览（二）ArduinoUno外围电路LED硬件概览（二）ArduinoUno外围电路蜂鸣器内部区别：有源蜂鸣器内部自带振荡电路（振动源），无源蜂鸣器没有；使用区别：有源蜂鸣器通电即响，无源蜂鸣器必须得给一定频率的信号；外观区别：有源蜂鸣器底部有黑胶封闭，无源蜂鸣器可以到绿色电路板。无源蜂鸣器有源蜂鸣器硬件概览（二）ArduinoUno外围电路数码管是由7个LED封装在一起组成的“8”字型的器件，再加上一位小数点，器件中就一共包含有8个LED灯。其他任何多位数码管也都是1位数码管集合而成。数码管按键按键开关：也称为轻触开关，是一种电子开关，常用于接通和断开电路。原理：按键开关一般有4个脚（如右图），其中1和4，内部是连通的，2和3也是连通的，而1、4与2、3之间平时是断开的，只有当按钮按下时才接通。由于其内部金属弹片作用力的影响，在没有外力按压时，1、4与2、3平时处于断开状态。03应用举例PARTTHREE应用举例（一）模拟硬件线路连接更改试图，查看面包板，原理图，PCB图器件库，拥有添加各种封装好的模块主界面，用于期间布局连线在Fritzing软件上完成模拟线路连接在Fritzing软件上加载出所需硬件，完成线路连接应用举例（二）红外遥控风扇在红外遥控换挡风扇的基础上，再增加一种按键换挡方式，实现；即可红外遥控换挡，也可以按键换挡。应用举例（三）计时器应用举例（四）距离测量仪举例生活中还有哪些地方可以用到Arduino控制？查阅资料，还有哪些类似于Arduino的芯片。3.mind+软件使用01.mind+是什么02.用mind+进行编程03.编程举例01mind+是什么PARTONE一、mind+是什么（一）什么是mind+Mind+是一款拥有自主知识产权的国产青少年编程软件，集成各种主流主控板及上百种开源硬件，支持人工智能（AI）与物联网（IoT）功能，既可以拖动图形化积木编程，还可以使用Python/C/C++等高级编程语言，让大家轻松体验创造的乐趣。一、mind+是什么支持原生态Scratch3.0图形化编程平台；兼容Arduino、microbit、掌控等多种开源硬件交互；集成几十种传感器和执行模块，并不断增长中；支持python、C等多种代码编译环境，并可一键生成代码。（二）mind+的核心特点一、mind+是什么（三）mind+界面介绍01020302用mind+进行编程PARTTWO二、用mind+进行编程（一）条件语句与循环语句If条件语句For循环语句While循环语句1234二、用mind+进行编程（二）运动与外观模块介绍二、用mind+进行编程（三）事件、控制、侦测模块介绍二、用mind+进行编程（四）运算符、变量、函数模块介绍03编程举例PARTTHREE三、编程举例（一）小车循迹角色创建三、编程举例（一）小车循迹代码搭建4.电机控制系统01.项目导入02.硬件系统03.软件系统01项目导入PARTONE一、项目导入

（一）电机控制系统硬件系统软件系统硬件模块的功能了解；根据硬件模块的功能完成硬件模块的线路连接；（重点）掌握步进电机的驱动原理；

（难点）根据步进电机的驱动原理，利用mind+软件编写电机驱动代码（重难点）02硬件系统PARTTWO二、硬件系统（一）主控模块ATmega328P硬件资源数字I/O输入输出引脚1-13引脚模拟I/O输入输出引脚A0-A5引脚PWM6路PWM输出FLASH32KBSRAM2KBEEPROM1KB时钟速度16MHz主控芯片：ATmega328P数字I/O输入输出引脚模拟I/O输入输出引脚Arduino控制板：1.用于数据接收；2.数据处理；3.控制指令的发出；二、硬件系统（二）电机与电机驱动模块五线四项步进电机步进电机接口控制信号输入端电源输入端uln2003电机驱动模块二、硬件系统（三）步进电机驱动原理五线四项步进电机步进电机内部剖面图在Fritzing软件上完成模拟线路连接。二、硬件系统（四）模拟硬件线路连接更改试图，查看面包板，原理图，PCB图。器件库，拥有添加各种封装好的模块。主界面，用于期间布局连线。在Fritzing软件上加载出所需硬件，完成线路连接。二、硬件系统（五）硬件线路连接主控模块ULN2003驱动板步进电机PIN8IN1磁极APIN9IN2磁极BPIN10IN3磁极CPIN11IN4磁极D在Fritzing软件上完成线路连接03软件系统PARTTHREE三、软件系统（一）电机转动控制逻辑分析正转磁极通电顺序反转磁极通电顺序AB->BC->CD->DA->ABBA->AD->DC->CB->BA主控模块步进电机PIN8磁极APIN9磁极BPIN10磁极CPIN11磁极D主控模块状态1状态2状态3状态4PIN8高低低高PIN9高高低低PIN10低高高低PIN11低低高高主控模块状态1状态2状态