Arduino自动小车最佳入门与应用：打造轮型机器人轻松学

内容简介:本书除了介绍软硬件知识与所需基本电路原理外，还涵盖大多数机器人自动小车的控制范例，如使用红外线循迹模块、RFID模块、超音波模块、红外线遥控器、十字摇杆模块等，并通过红外线、RF、XBee、蓝牙、Wi-Fi等无线通信控制机器人自动小车，另附有组装参考解说，是非常全面的实战经典。

本书是为对自动机器人感兴趣，却苦于没有足够知识、经验与技术开发设计的读者编写的。

目录:第1章 Arduino快速入门

1-1 认识Arduino 2

1-2 Arduino硬件介绍 2

1-2-1 Duemilanove板 3

1-2-2 UNO板 3

1-2-3 Leonardo板 4

1-2-4 DUE板 4

1-2-5 Mini板 5

1-2-6 Micro板 5

1-2-7 Nano板 5

1-2-8 Mega 2560板 6

1-2-9 LilyPad板 6

1-2-10 Fio板 7

1-3 Arduino软件介绍 7

1-3-1 下载Arduino开发环境 7

1-3-2 安装Arduino板驱动程序 9

1-3-3 Arduino开发环境使用说明 13

1-3-4 执行第一个Arduino范例程序 14

1-4 Arduino语言基础 16

1-4-1 变量与常数 17

1-4-2 运算符 18

1-4-3 Arduino程序流程控制 24

1-4-4 数组 32

1-4-5 预处理命令 33

1-4-6 函数 34

1-4-7 Arduino常用函数 36

第2章 基本电路原理

2-1 电的基本概念 42

2-1-1 电荷 42

2-1-2 电压 43

2-1-3 电流 43

2-1-4 电阻 43

2-1-5 电能 44

2-1-6 功率 44

2-2 数字系统 44

2-2-1 十进制表示法 45

2-2-2 二进制表示法 45

2-2-3 十六进制表示法 45

2-2-4 常用进位转换 46

2-3 认识基本手动工具 46

2-3-1 面包板 47

2-3-2 电烙铁 48

2-3-3 剥线钳 49

2-3-4 尖嘴钳 49

2-3-5 斜口钳 50

2-4 认识万用表 50

2-4-1 电压的测量 51

2-4-2 电流的测量 51

2-4-3 电阻的测量 52

2-5 认识基本电子元件 52

第3章 自动机器人实习

3-1 认识机器人 56

3-2 认识自动机器人 56

3-3 认识自动机器人的部件 57

3-3-1 Arduino控制板 58

3-3-2 马达驱动模块 59

3-3-3 马达部件 60

3-3-4 万向轮 61

3-3-5 电源电路 62

3-3-6 杜邦线 65

3-3-7 Arduino周边扩展板 66

3-4 制作自动机器人 67

3-4-1 车体制作 68

3-4-2 行走原理 70

3-4-3 直线行走测试实习 73

3-4-4 转弯测试实习 74

第4章 红外线循迹自动机器人实习

4-1 认识红外线 78

4-2 认识红外线循迹模块 78

4-2-1 CNY70红外线模块 78

4-2-2 TCRT5000红外线模块 80

4-2-3 红外线循迹模块 82

4-2-4 红外线模块的数量 84

4-2-5 红外线模块排列的间距 85

4-3 认识红外线循迹自动机器人 85

4-4 制作红外线循迹自动机器人 87

第5章 红外线遥控自动机器人实习

5-1 认识无线通信 94

5-2 认识红外线发射模块 94

5-2-1 编码电路 94

5-2-2 载波电路与调制电路 97

5-3 认识红外线接收模块 97

5-3-1 红外线接收模块 98

5-3-2 IRremote.h函数库 98

5-4 认识红外线遥控自动机器人 101

5-5 制作红外线遥控自动机器人 105

第6章 手机蓝牙遥控自动机器人实习

6-1 认识蓝牙 110

6-2 认识蓝牙模块 110

6-2-1 蓝牙工作模式 112

6-2-2 蓝牙参数的设置 112

6-2-3 SoftwareSerial.h函数库 117

6-2-4 使用Arduino IDE设置蓝牙参数 118

6-3 认识手机蓝牙模块 121

6-4 认识手机蓝牙遥控自动机器人 123

6-5 制作手机蓝牙遥控自动机器人 128

6-5-1 手机蓝牙遥控App程序 128

6-5-2 修改手机蓝牙遥控App程序的界面设置 129

6-5-3 蓝牙遥控自动机器人的电路 133

第7章 RF遥控自动机器人实习

7-1 认识RF 138

7-2 认识RF模块 138

7-3 认识RF遥控自动机器人 142

7-4 制作RF遥控自动机器人 143

7-4-1 RF发射电路 144

7-4-2 RF遥控自动机器人电路 146

第8章 XBee遥控自动机器人实习

8-1 认识ZigBee 152

8-2 认识XBee模块 152

8-2-1 XBee扩展板 153

8-2-2 XBee配置的设置 153

8-3 认识XBee遥控自动机器人 156

8-4 制作XBee遥控自动机器人 156

8-4-1 XBee发射电路 156

8-4-2 XBee遥控自动机器人电路 159

第9章 加速度计遥控自动机器人实习

9-1 认识加速度计 164

9-2 认识加速度计模块 164

9-2-1 加速度计的g值灵敏度 164

9-2-2 倾斜角度与X、Y、Z三轴输出电压的关系 165

9-2-3 最大倾斜角度与X、Y、Z三轴输出电压的关系 165

9-3 认识加速度计遥控自动机器人 166

9-4 制作加速度计遥控自动机器人 167

9-4-1 加速度计遥控电路 167

9-4-2 XBee遥控自动机器人电路 170

9-5 认识手机加速度计 174

9-5-1 手机倾斜角度与X、Y、Z三轴输出值的关系 174

9-5-2 手机最大倾斜角度与X、Y、Z三轴输出值的关系 174

9-6 认识手机加速度计遥控自动机器人 175

9-7 制作手机加速度计遥控自动机器人 176

9-7-1 手机加速度计遥控App程序 176

9-7-2 蓝牙遥控自动机器人电路 180

第10章 超声波避障自动机器人实习

10-1 认识超声波 186

10-2 认识超声波模块 186

10-2-1 工作原理 187

10-2-2 物体定位 187

10-3 认识超声波避障自动机器人 188

10-3-1 工作原理 188

10-3-2 行走策略 189

10-4 制作超声波避障自动机器人 190

第11章 RFID导航自动机器人实习

11-1 认识声音 196

11-2 认识RFID 196

11-2-1 RFID读取器 197

11-2-2 RFID标签 198

11-3 认识RFID模块 199

11-3-1 125kHz低频RFID模块 199

11-3-2 13.56MHz高频RFID模块 200

11-4 认识RFID导航自动机器人 200

11-5 读取RFID标签序号 202

11-6 制作RFID导航自动机器人 204

第12章 Wi-Fi遥控自动机器人实习

12-1 认识计算机网络 214

12-1-1 局域网（LAN） 214

12-1-2 广域网（WAN） 215

12-1-3 无线局域网（WLAN） 216

12-2 认识以太网模块 218

12-3 制作以太网家电控制电路 218

12-4 认识Wi-Fi模块 225

12-4-1 官方Wi-Fi扩展板 226

12-4-2 兼容Wi-Fi扩展板 226

12-4-3 下载WiShield函数库 226

12-5 认识Wi-Fi遥控自动机器人 227

12-6 制作Wi-Fi遥控自动机器人 227

12-7 认识ESP8266 Wi-Fi模块 236

12-7-1 ESP8266 Wi-Fi功能AT命令 238

12-7-2 设置ESP8266模块参数 239

12-8 认识ESP8266 Wi-Fi遥控自动机器人 243

12-9 制作ESP8266 Wi-Fi遥控自动机器人 244

12-9-1 手机Wi-Fi遥控App程序 244

12-9-2 ESP8266 Wi-Fi遥控自动机器人电路 249

附录A 实习材料表

A-1 如何购买本书材料 258

A-2 全书实习材料表 258

A-3 各章实习材料表 259

A-3-1 第3章实习材料表 259

A-3-2 第4章实习材料表 260

A-3-3 第5章实习材料表 260

A-3-4 第6章实习材料表 261

A-3-5 第7章实习材料表 261

A-3-6 第8章实习材料表 262

A-3-7 第9章实习材料表 263

A-3-8 第10章实习材料表 264

A-3-9 第11章实习材料表 265

A-3-10 第12章实习材料表 265

附录B 刻录ATmega开机引导程序

B-1 认识引导程序(Bootloader) 268

B-2 认识Arduino UNO板引脚 268

B-3 使用ArduinoISP烧录ATmega引导程序 270

附录C Arduino自动机器人组装说明

C-1 自动机器人车体的组装 276

C-2 Arduino控制板和原型扩展板的组装 279

C-3 超声波模块和伺服马达的组装 281

C-4 红外线循迹模块的组装 283

前言:在英、美、日、德等工业发达的国家中，工业型机器人（Robot）早已成为自动化生产的主角。除了工业型机器人外，服务型机器人也开始应用于国防、救灾、医疗、运输、农用、建筑等领域。机器人是集机械、电子、电机、控制、计算机、传感、人工智能等多种先进科学技术的产品。随着机器人工业的兴起，对于程序设计、嵌入系统、材料零部件、机电集成等研发人才的需求也与日俱增。

机器人的运动方式大致上可以分为轮型机器人和足型机器人两种。轮型机器人具有快速移动的优点，而足型机器人具有机动性、可步行于危险环境、跨越障碍物以及可上下台阶等优点。本书主要介绍轮型自动机器人（后面简称为自动机器人）的制作技术。几十年前要制作一台自动机器人，不但技术复杂而且价格昂贵，随着开放源码（open-source）Arduino的出现，在软件方面已内建了多样化的函数，以此简化了周边部件的底层控制程序用神经网络设计自动跳舞机器人控制系通过，硬件方面也有多样化的周边模块可供选择。另外，网络上也提供了相当丰富的共享资源，让没有电子、信息相关专业背景的人也可以快速又简单地制作一台Arduino自动机器人。

本书为谁而写

《Arduino自动小车最佳入门与应用》是为一些对自动机器人感兴趣，却又苦于没有足够知识、经验与技术能力去开发设计的读者而编写的。通过本书浅显易懂的图文解说，读者只要按图施工，就能保证成功。

本书如何编排

本书内容已经涵盖了大多数自动机器人的控制范例，如使用红外线循迹模块、RFID模块、超声波模块、红外线遥控器、十字游戏杆模块等，并且通过红外线、RF、XBee、蓝牙、Wi-Fi等无线通信来建立连接，以便控制自动机器人。本书中每一章所需的软、硬件知识和相关技术都有详细的图文解说，读者可根据自己的喜好自行安排阅读顺序并轻松组装完成具有个人特色的Arduino自动机器人。

第1章 Arduino快速入门：快速引领读者认识Arduino硬件和软件的相关知识，并介绍Arduino开发环境的建立和使用。另外，提供了Arduino语言的语句、语法以及常用内部函数的说明，以方便读者随时查阅。如果要进一步了解详情，可到官方网站arduino.cc上阅读。

第2章 基本电路原理：本章主要是针对从未学过电子、信息等相关知识的初学者而编写的。内容包含电的基本概念、数字系统等电学理论基础，并且介绍基本手动工具和万用电表的使用方法。如果读者已经熟悉，可以直接跳过本章。

第3章 自动机器人实习：认识与使用自动机器人所需的Arduino板、马达驱动模块、马达部件、电源电路、周边扩展板等模块，以及如何制作一台自动机器人，如何利用Arduino板来控制自动机器人执行前进、后退、右转、左转、停止等行走动作。本章是后面各章的基础，读者有必要详细阅读。

第4章 红外线循迹自动机器人实习：认识与使用红外线循迹模块CNY70和TCRT5000，并且利用红外线循迹模块TCRT5000来控制自动机器人自动行走在黑色或白色轨道上。

第5章 红外线遥控自动机器人实习：认识与使用红外线遥控器和38kHz、940nm红外线接收模块，并且利用红外线遥控器控制“红外线遥控自动机器人”的前进、后退、右转、左转以及停止等行走动作。

第6章 手机蓝牙遥控自动机器人实习：认识与使用Android手机蓝牙模块和HC-05蓝牙模块，并且利用手机蓝牙来控制“蓝牙遥控自动机器人”的前进、后退、右转、左转及停止等行走动作。

第7章 RF遥控自动机器人实习：认识与使用RF模块，并且使用VirtualWire函数库进行RF无线通信。通过十字游戏杆的按压方向， 远程控制“RF遥控自动机器人”执行前进、后退、右转、左转及停止等行走动作。

第8章 XBee遥控自动机器人实习：认识与使用XBee模块，并且使用XBee模块进行无线通信。通过十字游戏杆的按压方向，远程控制“XBee遥控自动机器人”执行前进、后退、右转、左转及停止等行走动作。

第9章 加速度计遥控自动机器人实习：本章可分为两部分，第一部分通过MMA7260加速度计模块的重力变化，使用XBee模块进行无线通信，远程控制“XBee遥控自动机器人”执行前进、后退、右转、左转及停止等行走动作；第二部分通过手机加速度计的手势控制，使用蓝牙模块进行无线通信，远程控制“蓝牙遥控自动机器人”执行前进、后退、右转、左转及停止等行走动作。

第10章 超声波避障自动机器人实习：认识与使用PING)))TM超声波模块及伺服马达，并且利用伺服马达转动超声波模块检测自动机器人右方（45°）、前方（90°）和左方（135°）3个方向的障碍物距离。通过Arduino板的判断，选择一条不会碰撞到任何障碍物的安全路线前进。

第11章 RFID导航自动机器人实习：认识与使用RFID模块，并且利用RFID读取器读取RFID标签控制码，控制自动机器人执行前进、后退、右转、左转及停止等行走动作。

第12章 Wi-Fi遥控自动机器人实习：认识与使用Wi-Fi模块和HTML网页设计用神经网络设计自动跳舞机器人控制系通过，通过手机或计算机网页控制，利用Wi-Fi模块进行无线通信，远程控制“Wi-Fi遥控自动机器人”执行前进、后退、右转、左转及停止等行走动作。

本书特色

学习最容易：Arduino公司提供了免费的Arduino IDE开发软件，内建了多样化的函数，因而简化了周边部件的底层控制程序。本书使用开放式架构的自动机器人车体，电路不预制于印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）车体中，创意不受限制。读者可以根据自己的喜好，使用市售或自制的各种传感器模块快速、轻松地组装出具有创意的自动机器人。

学习花费少：Arduino自动机器人与乐高机器人所使用的控制器和周边模块相比较，在功能性和灵活度上毫不逊色，而且可以使用最少的花费实现更多功能。

学习资源多：Arduino IDE提供了多样化的范例程序，不但在官方网站上可以找到多元的技术支持资料，而且网络上也提供了相当丰富的共享资源。另外，硬件开发商也提供了多样化的周边模块可供选择，或者直接向本书合作厂商——慧手科技有限公司购买自动机器人的开发工具包。

内容多样化：本书内容涵盖了大多数自动机器人的控制范例，例如红外线循迹自动机器人、红外线遥控自动机器人、RF遥控自动机器人、XBee遥控自动机器人、手机蓝牙遥控自动机器人、手机加速度计遥控自动机器人、超声波避障自动机器人、RFID导航自动机器人、Wi-Fi遥控自动机器人等。另外，只要稍加修改本书的自动机器人范例，就可以轻松完成其他有趣又好玩的自动机器人，例如温控自动机器人、声控自动机器人、光控自动机器人、竞速自动机器人、相扑自动机器人、负重自动机器人等。