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作者：高山著

出版社：清华大学出版社

出版时间：2017-05-01

书籍编号：30383013

ISBN：9787302453925

正文语种：中文

字数：46065

版次：1

所属分类：互联网+-人工智能

版权信息

书名：Arduino＆乐高创意机器人制作教程

作者：高山

出版社：清华大学出版社

出版时间：2017-05-01

ISBN：9787302453925

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内容简介

本书使用全球领先的Arduino与乐高结合进行机器人制作，使学生能够巧妙地搭建机器人的机械结构；运用ArduBlock图形化语言进行程序编写，从而提升学生学习程序的兴趣；使用多种传感器制作不同功能的机器人，在制作过程中让学生学习机器人制作的相关知识。

本书以授课的形式，通过大量的机器人实例和搭建配图讲解机器人机械结构搭建和程序设计知识。详细讲解齿轮、连杆等机器人基本机械结构的原理和应用，并且鼓励学生想象、思考，从而建构自己的机器人。

本书主要讲解Arduino的使用方法，包括一些电子电路知识、传感器的原理和知识，让学生在制作机器人的同时，理解和掌握更多的科学知识和原理。

本书适用于有一定乐高积木搭建基础的机器人初学者和开源硬件Arduino的创意机器人开发人员，既可以作为机器人初学者的学习用书，也可以作为中小学教师校本机器人课程的参考教材。

前言
Preface

Arduino是一款国际流行的开源硬件，本书创造性地将Arduino与乐高积木完美地结合在一起，学生通过制作机器人，既可以学习机械结构和程序设计的知识，又可以学习电子电路的知识及多种传感器的使用方法和科学原理。

2014年笔者出版了《乐高EV3机器人初级教程》一书，获得了读者的一致好评，进入京东销售排行前500名。机器人的学习应该是可持续的，如何让学生从乐高式、积木式学习过渡到工业机器人制作或者创新作品研发，最终培养出创新型人才，这是教育者应始终思考的问题。学生对于机器人的学习应该是系统的、可持续的。本书的课程将乐高积木与全球最新的创客工具Arduino相结合，让学生利用Arduino继续深入学习机器人的知识，帮助他们将来独立开发和制作属于自己的机器人作品。

本书共15课，笔者以授课的方式由浅入深地讲授利用Arduino与乐高制作机器人的知识和方法，并通过大量机器人实例制作和搭建步骤图解让学生亲自制作和体验。本书适合中小学教师作为校本课程教材进行课堂教学，也适用于初学者学习Arduino的使用方法和智能机器人的制作。

本书穿插了笔者很多的制作经验和技巧，希望能给初学者一些启发和帮助。如果您有任何关于机器人方面的问题，欢迎共同探讨，可以发送邮件至22012372@qq.com。

2017年3月

第1课　神奇的Arduino

Arduino被广泛应用于电子设计和互动艺术领域中，你可以把它当作是一种“科技艺术”，也可以把它当成是一种“智能玩具”，它的产品LOGO如图1-1所示。Arduino的发明和使用注定会使我们这个神奇的世界变得更加精彩！

图1-1　Arduino标志

课程目标

• 了解Arduino的历史和发展；
  
• 理解Arduino主板的功能和作用；
  
• 理解ArduBlock图形化编程的使用方法；
  
• 掌握程序的顺序结构和数字口LED灯的编程方法。

任务描述

• 利用Arduino控制板载LED灯的亮和灭；
  
• 编写程序控制LED灯，使其快速闪动2次，慢速闪动1次。

动手制作

1. Arduino主板介绍

Arduino主板是一种开源硬件，我们可以很方便地使用它，如果有足够的技术，我们还可以改造它。本书所使用的就是一款经过改造的Fansmaker Arduino Uno主板。Arduino主板就像人的大脑一样，可以对输入信息进行处理和控制并输出信息，如图1-2所示。

图1-2　Arduino主板

注：①数字口D0～D13，共14个；②模拟口为A0～A5，共6个；③板载LED灯、TX和RX指示灯；④1个复位键；⑤下载接口；⑥外接电源接口。

Arduino控制主板体积小、重量轻，使用的是ATMEGA328P单片机，这款单片机是8位处理器，拥有32KB闪存、2KB内存。

知识加油站

Arduino的历史和发展

Arduino是意大利米兰互动设计学院的教师发明的，它是一个开源的硬件开发平台，被广泛应用于机器人和智能产品开发。Massimo Banzi是意大利米兰互动设计学院的教师，他的学生常常抱怨找不到一块价格便宜且功能强大的控制主板来设计他们的机器人。2005年冬天，Banzi和David Cuartielles讨论到这个问题，Cuartielles是西班牙的微处理器设计工程师，当时正在这所学校做访问研究。经过讨论，他们决定自己设计一块控制主板。他们找来了Banzi的学生David Mellis，让他编写代码程序。Mellis只花了两天时间就完成了代码编写，又经过3天，主板就设计出来了，取名为Arduino。很快，这块主板就受到了广大学生的欢迎。甚至那些完全不懂计算机编程的学生，都用Arduino做出了很炫的东西：有人用它控制和处理传感器，有人用它控制灯闪烁，有人用它制作机器人。

抛砖引玉

为什么要使用Arduino控制主板？

（1）Arduino控制器价格低、易于普及。

（2）Arduino控制器功能强大，I/O接口数量多。

（3）Arduino控制器可以连接常用的电子设备。

综上所述，Arduino控制器成本低、易开发。实际上，Arduino控制器的使用大大降低了人们创新的门槛，它非常适合教学和互动产品制作以及机器人研发。

2. 安装Arduino软件

（1）复制文件夹Arduino到计算机桌面上，本书使用的Arduino版本是v1.7.9，官方版本可以到www.arduino.cc下载，注意官方版本并不包括ArduBlock软件，还需要另行下载。本课所使用的软件包含ArduBlock软件，如图1-3所示。

图1-3　复制文件夹到桌面

（2）打开Arduino文件夹，如图1-4所示，双击arduino.exe文件，打开Arduino编程界面，如图1-5所示。

图1-4　程序文件夹界面

图1-5　Arduino程序界面

（3）从“工具”菜单中选择ArduBlock选项，如图1-6所示，打开ArduBlock程序设计界面，如图1-7所示。

图1-6　ArduBlock选项界面

图1-7　ArduBlock程序界面

抛砖引玉

ArduBlock程序是一种G语言，即图形化语言。它简单易学，初学者学习时很容易上手。本课程使用ArduBlock图形化软件编写程序。当然，也可以直接在Arduino界面编程，编程语言是C语言。如果需要编写比较复杂的程序，建议使用C语言编写。

（4）连接下载线。将下载线的USB口一端连接到计算机USB口上，打印口（方口）一端连接到Arduino主板的下载口。

抛砖引玉

将下载线连接好后观察主板电源指示灯是否亮起，正常情况下红色电源指示灯会亮起，并且Aduino Uno主板的绿色LED灯会闪烁。如果电源指示灯没有亮起，要立即拔掉电源，以免烧掉设备，随后马上检查主板与其他扩展板的连接是否正确。笔者就遇到过连接不正确的情况，当扩展板插到主板时，如果不是一一对应，而是向前或向后错了一个针脚，极易引起主板的损坏，一定注意。

（5）安装驱动程序。连接好下载线后，观察软件工具选项中的端口是否可以选择，如果不能选择，说明没有安装驱动程序，如图1-8所示，就需要手动安装驱动程序。

图1-8　端口不可选择

安装驱动步骤如下。

①右击“我的电脑”图标，选择“管理”-＞“设备管理器”选项，如图1-9所示（确认下载线已经连接到Arduino主板上）。

图1-9　设备管理器界面

②右击Arduino Uno更新驱动程序，选择“浏览计算机以查找驱动程序软件”，如图1-10所示。

图1-10　选择“浏览计算机以查找驱动程序软件”

③单击“浏览”按钮，选择“Arduino程序”文件夹中的drivers文件夹，如图1-11所示。

图1-11　选择drivers文件夹

④安装完毕后，重新打开“工具”菜单，观察工具中的端口是否已经变为可选。如果已经变为可选，需要手动选择COM端口。一般正确的端口选项显示为COM11（Arduino uno），注意端口前应该显示“√”，如图1-12所示。

图1-12　选择端口

通过上面的步骤，Arduino软件已经复制到计算机中，驱动程序也已经安装好了。

程序设计

1. ArduBlock简介

ArduBlock是一款图形化编程软件，不需要编写代码，只需将图片模块放到编程区域进行连接就可以了，是一款非常适合于初学者学习的编程软件，ArduBlock软件界面如图1-13所示。

图1-13　ArduBlock软件界面

2. 板载LED灯

LED灯是数字信号设备。主板上已经集成了几个板载LED灯，这节课要使用的是与数字针脚13相连通的LED灯，如图1-2中③所示。编写的程序要控制数字针脚13的输出值，从而控制板载LED灯的亮和灭，即输出高电平灯亮，输出低电平灯灭。

知识加油站

数字信号

有些事物只有两种状态，如门的开和关、灯的亮和灭、电机的转和不转，这种只有两种状态的信号称为数字信号。通常使用“高电平”和“低电平”表示，或者用1和0表示。由于数字信号受噪声的影响小，易于传输，目前已经得到广泛应用。

第2课　会发光的LED灯

LED（Light Emitting Diode）灯又称发光二极管，是一种能够直接将电能转化为可见光的固态半导体器件，如图2-1所示。

图2-1　LED灯

课程目标

• 熟练使用顺序结构控制LED灯的亮和灭；
  
• 理解PWM脉冲宽度调制技术并控制LED灯的明暗；
  
• 掌握程序的循环结构和呼吸灯的程序设计。

任务描述

• 制作台灯，编写程序控制台灯的亮或灭；
  
• 编写程序制作呼吸灯。

动手制作

1. 使用乐高积木搭建台灯

使用乐高积木能够很容易地搭建出台灯。本课台灯的结构利用乐高的梁和销进行搭建，如图2-2所示。

图2-2　积木搭建的灯

知识加油站

乐高梁分为直梁和弯梁，如图2-3和2-4所示。为了搭建方便，也可以使用四边形梁，如图2-5所示。我们搭建的机器人主要依靠这几种梁搭建出不同的机器人结构。

图2-3　直梁	图2-4　弯梁	图2-5　四边形梁

销分为黑色销和灰色销，如图2-6所示。黑色销和灰色销的区别在于，黑色销连接部分更加坚固，灰色销连接部分比较松动。当需要固定结构的时候，我们利用黑色销搭建；当需要转动结构的时候（如连杆机构），就可以利用灰色销搭建。

图2-6　灰色销和黑色销

十字轴如图2-7所示，它可以很方便地连接两根梁，固定的时候两端连接轴套。

图2-7　十字轴

抛砖引玉

使用乐高积木零件进行搭建更加简单、易学，可以在非常短的时间制作出满意的作品。使用的梁和销，相当于工业产品中的金属梁和螺丝钉。在熟练使用本套课件制作机器人后，同学们再去尝试金属零件的制作就轻而易举了。

2. 主板与I/O扩展板连接

将I/O扩展板插入Arduino主板上方，插针要与主板底座相对应，连接图如图2-8所示。

图2-8　主板与I/O扩展板连接

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I/O扩展板

主板可以方便地与I/O扩展板相互连接。扩展板提供14个数字3P针脚、6个模拟3P针脚；中部可直接插入Xbee封装的蓝牙、WiFi和Xbee通信模块，并配有普通蓝牙模块、APC和SD卡的扩展接口；扩展板角落接线柱为主控器和扩展板供电，中部接线柱为数字口上的舵机供电，如图2-9所示。

图2-9　FansMaker I/O扩展板

3. LED灯与主板连接

LED灯模块如图2-10所示。

图2-10　LED灯模块

知识加油站

LED灯的优点是体积小、发热量少、寿命长、省电、光源色彩丰富、抗冲击和抗震性能好、不易破损、安全性高。

LED灯有3个引脚，VCC、GND、D分别代表正极、地和数据。通过导线与主板的3个引脚对应连接，注意线序不要接错（颜色要对应），将LED灯连接到主板的数字4针脚上，如图2-11所示。

图2-11　LED灯与扩展板连接

抛砖引玉
导线的颜色与数字针脚的颜色是对应的，分别是黑色、红色和蓝色，连接时黑色接大地，红色连接正极，蓝色连接数据，这样就不会出错了。注意，一旦连接出现问题，有可能会烧

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