Проекты с использованием контроллера Arduino

Книга для тех, кто хочет быстро освоить программирование плат Arduino и их практическое применение в проектах автоматизации и робототехники. Все разобранные примеры снабжены необходимыми схемами и листингами программ.

Помимо самих управляющих плат Arduino в книге рассмотрены платы расширения (шилды), которые добавляют новую функциональность основному контроллеру. Подробно описан язык программирования и среда Arduino IDE.

В учебных проектах из книги показаны разнообразные способы применения контроллера в области робототехники, погодных метеостанций, «умного дома», вендинга, компьютерного зрения и беспроводной связи, например: Bluetooth, радиоуправление, связь с устройствами Android и многое другое.

Темы проектов

• Взаимодействие с датчиками.
• Создание «умного дома».
• Системы на радиоуправлении.
• Метеостанции и сбор данных.
• Самодельные вендинговые аппараты.
• Дисплеи и камера Pixy.
• Интернет вещей, нейронные сети, компьютерное зрение.
• Геолокация GPS и Яндекс.Карты.

Особенности четвёртого издания

Рассмотрены новые платы Arduino MKR и Nano 33, новые платы расширения, светодиодные матрицы, протокол MQTT, RFID-идентификация, GPS-трекер, Яндекс.Карты и проекты в области нейронных сетей.

Данные

• Автор: Виктор Петин
• Формат: 165×233 мм
• Кол-во страниц: 560
• Тип издания: мягкая обложка
• Печать: чёрно-белая
• Год выхода: 2021 (четвёртое издание)
• Издательство: «БХВ-Петербург»
• ISBN: 978-5-9775-6711-4

Оглавление

Предисловие

• Для кого и о чем эта книга?
• Структура книги
• Благодарности

Часть I. Arduino — общий обзор

Глава 1. Введение в Arduino

• Arduino — что это?
• В чём преимущество Arduino?
• Новые тенденции и перспективы развития Arduino

Глава 2. Платы семейства Arduino и платы расширения для них

• Обзор плат семейства Arduino
  • Arduino Uno
  • Arduino Nano
  • Arduino Pro Mini
  • Arduino LilyPad
  • Arduino Mega2560
  • Arduino Leonardo
  • Arduino Due
  • Arduino Yún
  • Arduino MKR WiFi 1010
  • Arduino Nano 33
  • Платы расширения для Arduino

Часть II. Среды разработки и язык программирования плат Arduino

Глава 3. Среда разработки Arduino IDE

• Установка Arduino IDE в Windows
• Установка Arduino IDE в Linux
• Настройка среды Arduino IDE

Глава 4. Облачная среда разработки Arduino Create

• Начало работы в среде Arduino Create
• Загрузка и выполнение пробного скетча

Глава 5. Программирование плат Arduino

• Базовые знания
  • Цифровые выводы
  • Аналоговые входы
  • Широтно-импульсная модуляция
  • Память в Arduino
• Структура программы
  • Функции setup() и loop()
• Синтаксис и операторы
  • Управляющие операторы
    • Оператор if (условие) и операторы сравнения ==, !=, < , >
    • Оператор if...else
    • Оператор for
    • Оператор switch
    • Оператор while
    • Оператор do...while
    • Оператор break
    • Оператор continue
    • Оператор return
  • Синтаксис
    • ; (semicolon, точка с запятой)
    • {} (curly braces, фигурные скобки)
    • Комментарии: // (single line comment, однострочный), /* */ (multi-line comment, многострочный)
  • Арифметические операторы
    • = (assignment, оператор присваивания)
    • + (cложение), – (вычитание), * (умножение), / (деление)
    • % (modulo)
  • Операторы сравнения
  • Логические операторы
    • && (логическое И)
    • || (логическое ИЛИ)
    • ! (логическое отрицание)
  • Унарные операторы
    • ++ (увеличение значения), / – – (уменьшение значения)
    • += , -= , *= , /=
• Данные
  • Типы данных
    • boolean
    • char
    • byte
    • int
    • unsigned int
    • long
    • unsigned long
    • float
    • double
    • string — текстовые строки
    • Массивы
    • void
  • Константы
  • Переменные
    • Объявление переменных
    • Границы переменных
  • Преобразование типов данных
    • char()
    • byte()
    • int()
    • long()
    • float()
• Функции
  • Цифровой ввод/вывод
    • Функция pinMode
    • Функция digitalWrite()
    • Функция digitalRead()
  • Аналоговый ввод/вывод
    • Функция analogRead()
    • Функция analogReference()
    • Функция analogWrite()
  • Дополнительные фунции ввода/вывода
    • Функция tone()
    • Функция noTone()
    • Функция shiftOut()
    • Функция pulseIn()
  • Работа со временем
    • Функция millis()
    • Функция micros()
    • Функция delay()
    • Функция delayMicroseconds()
  • Математические функции
    • Функция min(x,yx)
    • Функция max(x, y)
    • Функция abs()
    • Функция constrain(x, a, b)
    • Функция map(value, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh)
    • Функция pow(base, exponent)
    • Функция sq(x)
    • Функция sqrt(x)
  • Тригонометрические функции
    • Функция sin(rad)
    • Функция cos(rad)
    • Функция tan(rad)
  • Генераторы случайных значений
    • Функция randomSeed(seed)
    • Функция random()
  • Операции с битами и байтами
    • Функция lowByte()
    • Функция highByte()
    • Функция bitRead()
    • Функция bitWrite()
    • Функция bitSet()
    • Функция bitClear()
    • Функция bit()
  • Внешние прерывания
    • Функция attachInterrupt
    • Функция detachInterrupt
• Управление портами через регистры ATmega

Часть III. Практическое применение Arduino

Глава 6. Проекты для изучения выводов Arduino

• Цифровые выводы — «бегущий огонь» на светодиодах
  • Подключение светодиода к выводу Arduino
  • Подключение к плате Arduino 8 светодиодов
• Цифровые входы — управляем светодиодами с помощью кнопок
  • Подключение кнопки к плате Arduino
  • Управление кнопками количеством горящих светодиодов
• Аналоговые входы — светодиодный индикатор аналоговых значений
  • Подключение потенциометра к плате Arduino
  • Вывод показаний потенциометра на светодиодную шкалу
• ШИМ — радуга на RGB-светодиоде
  • Подключение к плате Arduino RGB-светодиода
• Светодиодные индикаторы
  • Подключение к плате Arduino семисегментного индикатора
• Расширение цифровых выходов — микросхема 74HC595
  • Подключение к плате Arduino сдвигового регистра 74HC595
• Расширение цифровых входов и выходов — микросхема MCP23017
• Расширение аналоговых входов — мультиплексор CD4051

Глава 7. Использование библиотек в проектах Arduino

• Установка библиотек
  • Установка библиотеки через Менеджер библиотек
  • Установка библиотеки из ZIP-архива
  • Установка библиотеки вручную
• Подключение библиотеки
• Создание собственной библиотеки
  • Создание заголовочного файла D5651.h
  • Создание файла реализации D5651.cpp
  • Создание файла keywords.txt

Глава 8. Arduino и последовательный порт UART

• Библиотека Serial
  • Функция Serial.begin
  • Функция Serial.print
  • Функция Serial.println
  • Функция Serial.write
  • Функция Serial.available
  • Функция Serial.read
• Использование UART для отладки программ
  • Подключение к плате Arduino нескольких кнопок
• Использование UART для установки параметров
• Библиотека SoftwareSerial
• Соединение по UART двух плат Arduino

Глава 9. Подключение датчиков к плате Arduino

• Подключение аналоговых датчиков
  • Подключение к плате Arduino аналогового датчика температуры LM335
• Подключение датчиков по протоколу 1-Wire
  • Подключение к плате Arduino цифрового датчика температуры DS18B20
• Подключение датчиков влажности и температуры DHT
• Подключение датчиков по протоколу I²C
  • Подключение к плате Arduino датчика интенсивности света BH1750

Глава 10. Использование дисплеев в проектах Arduino

• Символьные дисплеи на микроконтроллере HD44780
  • Функция begin()
  • Функция clear()
  • Функция home()
  • Функция setCursor()
  • Функция write()
  • Функция print()
  • Функция cursor()
  • Функция noCursor()
  • Функция blink()
  • Функция noBlink()
  • Функция display()
  • Функция noDisplay()
  • Функция scrollDisplayLeft()
  • Функция scrollDisplayRight()
  • Функция autoscroll()
  • Функция noAutoscroll()
  • Функция leftToRight()
  • Функция rightToLeft()
  • Функция createChar()
• Подключение дисплеев на контроллере HD44780 по протоколу I²C
  • Вывод на ЖК-дисплей данных с датчика, работающего по протоколу I²C
• Графический дисплей Nokia
• OLED-дисплеи
  • Электронные часы на OLED-дисплее
• Дисплеи Nextion
  • Создание нового проекта для дисплея Nextion
  • Прошивка дисплея через UART
  • Прошивка дисплея с помощью карты microSD
  • Подключение дисплея Nextion к плате Arduino
• Светодиодные матрицы
  • Четырёхразрядная светодиодная матрица
  • Вывод на четырёхразрядную светодиодную матрицу спрайтов и символов
  • Бегущая строка на четырёхразрядной светодиодной матрице
  • Русификация «бегущей строки» на четырёхразрядной светодиодной матрице
  • Матрица 16×16 на светодиодах WS2812
  • Arduino-библиотека Adafruit Neopixel
  • Графический аудиоспектроанализатор на матрице 16×16 светодиодов WS2812

Глава 11. Подключение к Arduino исполнительных устройств

• Подключение к плате Arduino электромагнитного или твердотельного реле
• Подключение к плате Arduino электродвигателя постоянного тока
  • Управление двигателем с помощью транзистора
• Управление двигателями с помощью драйвера
• Подключение к плате Arduino сервопривода
  • Использование сервопривода в проекте звуковой сигнализации
• Подключение к плате Arduino шагового двигателя
  • Управление дроблением шага и направлением вращения шагового двигателя с платы Arduino
• Подключение к плате Arduino бесколлекторного двигателя

Глава 12. Arduino и беспроводная связь

• ИК-управление
  • Управление сервоприводом с помощью ИК-связи
• Радиомодули для частоты 433 МГц
  • Управление светодиодом платы Arduino с другой такой же платы по радиоканалу 433 МГц
• Радиомодули NRF24L01
  • Организация связи между двумя платами Arduino с использованием модулей NRF24L01
• Использование Arduino c аппаратурой радиоуправления
  • Принципы формирования радиосигнала
  • Организация связи приёмника с передатчиком
  • Разработка скетча для приёма платой Arduino команд передатчика
• Arduino и Bluetooth

Глава 13. Arduino и Интернет вещей

• Подключение к Интернету с помощью платы расширения Ethernet shield
  • Получение IP-адреса по DHCP
  • Отправка данных на сайт «Народный мониторинг» через Ethernet shield
• Подключение к Интернету с помощью платы расширения GSM/GPRS shield
  • Отправка и получение SMS-сообщений с помощью GSM/GPRS shield
  • Отправка данных на сайт «Народный мониторинг» через GSM/GPRS shield
• Протокол MQTT
  • Отправка данных по протоколу MQTT
  • Получение данных по протоколу MQTT
  • Android-приложение IoT MQTT Dashboard
• Плата Arduino MKR WiFi 1010 для проектов IoT
• Отправка данных в облако Arduino IoT Cloud и получение их оттуда

Глава 14. RFID-идентификация

• Считыватель RFID RC522
• Организация контроля доступа по RFID-меткам
• Запись информации на RFID-метку
• Проект «Говорящая фотография»

Глава 15. Специальные возможности отдельных плат Arduino

• Использование Arduino Leonardo в качестве USB-устройства
  • Arduino Leonardo: имитация клавиатуры
  • Блокируем клавиатуру с наступлением темноты
  • Arduino Leonardo: имитация компьютерной мыши
• Плата Arduino Esplora
  • Arduino Esplora: установка цветов RGB-светодиода
  • Arduino Esplora: создание игры
• Плата Arduino LilyPad
• Плата Arduino Yún
  • Плата расширения Arduino Yún shield
  • Arduino Yún shield: управляем веб-камерой

Глава 16. Взаимодействие Arduino c другими программируемыми системами

• Использование Arduino в проектах LEGO
  • Получение микрокомпьютером LEGO данных с датчика влажности и температуры DHT11, подключённого к плате Arduino
• Arduino в проектах ROS
  • Установка ROS
  • Узлы и темы в ROS
  • Пакет rosserial
  • Подготовка сообщения (publisher) на Arduino
  • Создание подписки (subscriber) на Arduino
  • Связь через ROS двух плат Arduino
• Arduino и Raspberry Pi
  • Установка WebIOPi на Raspberry Pi
  • Обмен данными по последовательному порту
  • Управление движущейся платформой на базе Arduino по web-интерфейсу Raspberry Pi

Глава 17. Программирование в среде Arduino IDE других плат

• ESP8266 — микроконтроллер с интерфейсом Wi-Fi
  • Установка Arduino IDE для работы с ESP8266
  • Печать курса валют на термопринтере в проекте Интернета вещей
• Z-Uno — плата для прототипирования устройств Z-Wave
  • Установка Arduino IDE для Z-Uno
  • Подключение к плате Z-Uno датчика влажности DHT11

Часть IV. Интересные проекты на Arduino

Глава 18. Умная теплица

• Мониторинг климатических параметров умной теплицы
• Индикация показаний умной теплицы
• Организация полива, обдува и освещения в умной теплице
• Переносим функции мониторинга и управления теплицей на устройство с ОС Android
• Создаём собственное мобильное приложение для управления умной теплицей
• Превращаем нашу умную теплицу в объект Интернета вещей

Глава 19. GPS-трекер и онлайн-сервис поиска стоянок

• Подключение GPS-модуля к плате Arduino
• Отправка данных по GPRS на сервер
• Создание веб-страницы с использованием API Яндекс.Карт

Глава 20. Проекты для вендинга: купюроприёмник, монетоприёмник, разменный автомат

• Купюроприёмник ICT серий A7 и V7
  • Подключение купюроприёмника ICT V7 к плате Arduino
  • Скетч для получения номинала принимаемой купюры
• Монетоприемник CH-926
  • Настройка монетоприёмника
  • Калибровка монетоприёмника
• Разменный автомат (хоппер) Cube Hopper MK II
  • Подключение хоппера к плате Arduino
  • Программирование хоппера

Глава 21. Создание управляющей платы для автомойки самообслуживания

• Блок приёма денежных средств и блок индикации
• Выбор программ работы мойки
• Отсчёт времени выполнения программы. Реализация паузы
• Режим администратора. Установка параметров

Глава 22. Arduino и интерфейс USB: управление роботами

• Интерфейс USB
• Плата расширения USB Host Shield
• HID-устройства USB
• Подключение HID-мыши USB
• Управление роботом с помощью руля Defender
• Управление роботом с помощью геймпада Defender

Глава 23. Камера Pixy: реализация компьютерного зрения

• Настройка камеры
• Подключение камеры Pixy к плате Arduino
• Организация слежения камерой за объектом

Глава 24. Проекты на плате Nano 33 BLE Sense

• Начало работы с платой Nano 33 BLE Sense
• Bluetooth Low Energy (BLE)
• Отправка данных c датчиков платы Nano 33 BLE Sense по BLE
• БиблиотекаTensorFlow Lite
  • Пример создания классификатора объектов с обучением
  • Сбор данных
  • Обучение модели
  • Скетч классификатора для запуска нейронной сети на плате Nano 33 BLE Sense

Приложения

• Приложение 1. Перечень использованных источников
• Приложение 2. Описание электронного архива
• Предметный указатель