如何使用UNO开发板控制外围电路中的6个LED灯点亮？

1、UNO R3的端口输出实验

1.1 实验介绍

对于单片机中最为经典的控制电路就是流水灯实验，流水灯也称作跑马灯，利用单片机的IO口输出高电平（HIGH）与低电平（LOW）进而控制外部电路中多个LED灯以不同时间频率的亮灭。在实验中使用UNO开发板控制外围电路中的6个LED灯，使其以1s的时间间隔依次亮起，其电路图如下所示：





1.2 核心代码


int Start= 2;
int Num = 6;
int Index = 0;
void setup()
{
        for (int i = Start; i < Start + Num; i ++)
        {
                pinMode(i, OUTPUT);
        }
}
void loop()
{
        for (int i = Start; i < Start + Num; i ++)
        {
                 digitalWrite(i, LOW);
        }
        digitalWrite(Start + Index, HIGH);
        Index = (Index + 1) % NUM;
        delay(1000);
}
2、UNO R3的端口输入实验

2.1 实验介绍

对于Arduino UNO开发板的数字IO口不仅有输出高低电平的功能（如前一小节），同时其还可以读取外部电路的高电平（5V）以及低电平（0V）。需要注意的是UNO的读取范围需要满足其工作电压以及电流，因此很多不匹配的输入需要通过一定的电路将其转换成UNO可以识别的范围。其中最简单的实验就是对按键开关连接或断开状态的判断，当按压开关按下时，单片机读取的输入信号应为高电平；当开关断开是，输入信号为低电平。本实验使用按键控制板载LED灯的亮灭，其电路如下所示：





2.2 核心代码


int Led= 13;
int Switch = 7;
int Value = 0;
void setup(){
        pinMode(Led, OUTPUT);
        pinMode(Switch, INPUT);
}


void loop() {
        Value = digitalRead(Switch);
        if (HIGH == Value)
        {
                digitalWrite(Led, LOW);
        }
        else
        {
                digitalWrite(Led, HIGH);
        }
}
3、步进电机实验

3.1 实验介绍

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每当输入一个脉冲信号是，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。因此，步进电动机又被称为脉冲电动机。脉冲电机相对于其它电机最大的区别就是，其接收数字控制信号，因此使用单片机对其进行控制是非常方便的。本次实验使用的是五线四相型步进电机，其实物如下图中所示：




实验中还需要应用到的一个模块便是ULN2003步进电机驱动模块，它是一个大功率驱动芯片常用来驱动小型的五线四相电机，板载的LED灯可以指示步进电机的工作状态。IN1~IN4口连接于单片机的IO口，用以输出数字信号，通过模块将其转换为脉冲信号进而控制电机工作，其实物如下图中所示：





3.2 核心代码


int motor1=8;
int motor2=9;
int motor3=10;
int motor4=11;
void stepMotor(int thisStep);
void ctlstepper(int whatSpeed,int steps);
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(motor1,OUTPUT);
  pinMode(motor2,OUTPUT);
  pinMode(motor3,OUTPUT);
  pinMode(motor4,OUTPUT);
}


void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  ctlstepper(800,20);
}
void ctlstepper(int whatSpeed,int steps)
{
  int FX;//记录方向
  int stepNumber=0;//记录运行到8拍的第几步
  int stepsLeft=abs(steps);//记录运行步数,取绝对值
  unsigned long stepDelay=60L*1000L/64/whatSpeed; //依据速度计算时间
  long lastStepTime=0; //保存两步之间的时间
  if(steps>0)
  {
    FX=1;
  }
  if(steps<0)
  {
    FX=0;
  }
  while(stepsLeft>0)
  {
    if(millis()-lastStepTime>=stepDelay)
    {
      lastStepTime=millis();
      if(FX==1)
      {
        stepNumber++;
        if(stepNumber==64)
        {
          stepNumber=0;
        }
      }
      else
      {
        if(stepNumber==0)
        {
          stepNumber=64;
        }
        stepNumber--;
      }
      stepsLeft--;
      stepMotor(stepNumber%8);
    }
  }
}
void stepMotor(int thisStep)
{
  switch(thisStep)
  {
    case 0: //1000
      digitalWrite(motor1,HIGH);
      digitalWrite(motor2,LOW);
      digitalWrite(motor3,LOW);
      digitalWrite(motor4,LOW);
      break;
    case 1: //1100
      digitalWrite(motor1,HIGH);
      digitalWrite(motor2,HIGH);
      digitalWrite(motor3,LOW);
      digitalWrite(motor4,LOW);
      break;
    case 2: //0100
      digitalWrite(motor1,LOW);
      digitalWrite(motor2,HIGH);
      digitalWrite(motor3,LOW);
      digitalWrite(motor4,LOW);
      break;
    case 3: //0110
      digitalWrite(motor1,LOW);
      digitalWrite(motor2,HIGH);
      digitalWrite(motor3,HIGH);
      digitalWrite(motor4,LOW);
      break;
    case 4: //0010
      digitalWrite(motor1,LOW);
      digitalWrite(motor2,LOW);
      digitalWrite(motor3,HIGH);
      digitalWrite(motor4,LOW);
      break;
    case 5: //0011
      digitalWrite(motor1,LOW);
      digitalWrite(motor2,LOW);
      digitalWrite(motor3,HIGH);
      digitalWrite(motor4,HIGH);
      break;
    case 6: //0001
      digitalWrite(motor1,LOW);
      digitalWrite(motor2,LOW);
      digitalWrite(motor3,LOW);
      digitalWrite(motor4,HIGH);
      break;
    case 7: //1001
      digitalWrite(motor1,HIGH);
      digitalWrite(motor2,LOW);
      digitalWrite(motor3,LOW);
      digitalWrite(motor4,HIGH);
      break;
  }
}
4、超声波测距实验

4.1 实验介绍

超声波是振动频率高于20kHz的机械波，它具备频率高、波长短、绕射现象小、方向性好以及能够成为射线从而定向船舶的特点。超声波可以被使用到各种不同的场景中，超声波HC-SR04距离传感器模块就是其中的一种应用。HC-SR04模块性能稳定、测度距离精确，且使用简单。通过单片机的一个控制口向模块的发送口发送一个超过10us时间的高电平，就可以在模块接收口处对高电平输出的时间进行采集，最后通过一定的数学转换公式即可计算出所测量的距离值。





4.2 核心代码


int trigPin=3;
float cm;
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(9600);
  pinMode(echoPin,INPUT);
  pinMode(trigPin,OUTPUT);
}


void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  digitalWrite(trigPin,LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin,HIGH);
  delayMicroseconds(10);//延时微秒
  digitalWrite(trigPin,LOW);
  cm=pulseIn(echoPin,HIGH)/58.0;//读取引脚上的高电平脉冲，最大脉冲时间间隔为60秒，并且把结果赋值给变量
  cm=(int (cm*100.0))/100.0;
  Serial.println(cm);  
  delay(100);
}
5、LCD液晶显示实验

5.1 实验介绍

对于LCD1602液晶屏模块的详细介绍可以参见往期的文章，硬件电路的连接情况如下图中所示。在这个实验当中使用UNO开发板控制液晶屏上显示我们想要的字符，在Arduino中调用库函数便可以简单的实现这个功能。其对应的引脚接线如表中所示：
[tr]LCD1602VCCGNDV0RSR/W[/tr]

Arduino UNO	5V	GND	3	3	GND
LCD1602	EN	D0~D3	D4~D7	BLA	BLK
Arduino UNO	5		10~13	5V	GND

5.2 核心代码


#include
const int Rs = 3, En = 5, D4 = 10 D5 = 11, D6 = 12, D7 = 13;
LiquidCrystal lcd(Rs, EN, D4, D5, D6, D7);
void setup()
{
        lcd.begin(16, 2);
        lcd.print(“Hellow Arduino UNO!”);
}
void loop()
{
        lcd.setCursor(0, 1);
        lcd.print( mills()/1000 );
}
6、传感器实验

6.1 温度采集实验

LM35是一种已经得到了广泛使用温度传感器，其用法简单，仅需要单片机的一个模拟口便可读取传感器采集到的模拟值，然后通过一定的数学公式将其转换为实际的温度。其硬件电路连接图与核心代码如下所示：




主要代码：

void loop()
{
  // put your main code here, to run repeatedly:
  Serial.println(analogRead(LM35)*4.9/10);
  delay(1000);
}
6.2 RFID射频识别实验

本实验中使用RFID读卡器对电子标签进行识别，需要调用到 MFRC522库，这个库可以完成对RFID读卡器的一系列操作，其核心代码如下所示：

#include
#include
#define SS_PIN 10
#define RST_PIN 9
MFRC522 mfrc522(SS_PIN,RST_PIN);
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(9600);
  SPI.begin();
  mfrc522.PCD_Init();
  Serial.println("Scan PICC to see UID and tye...");
}
void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  if(!mfrc522.PICC_IsNewCardPresent())//如果不是新卡就返回
  {
    return;
  }
  if(!mfrc522.PICC_ReadCardSerial())//选择卡片失败
  {
    return;
  }
  mfrc522.PICC_DumpToSerial(&(mfrc522.uid));
}
6.3 红外实验

本实验中采用的是如下图中的红外遥控器，以及红外接收传感器。在发送端使用遥控器按下按键，通过红外接收传感器可以在UNO开发板所在的接收端受到相应的按键信息。




主要代码：

#include
#include
//res.value为接收的值，recv.resume()接收下一个值
int recvPin=2;
IRrecv recv(recvPin);
decode_results res;
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(9600);
  recv.enableIRIn();
}


void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  if(recv.decode(&res))//判断是否收到数据
  {
    Serial.println(res);
  }
}
6.4 感光灯实验

本实验采用一个LED灯以及一个光敏电阻来完成感光灯的实验，当光敏电阻感受到不同光强是其阻值会发生变化，通过UNO采集这个变化值，最后呈现在LED的亮度变化上。





主要代码：

void loop()
{
        val=analogRead(potpin);
        Serial.println(val);
        analogWrite(ledpin, val);
        delay(10);
}
7、Arduino与Processing交互实验

7.1 实验介绍

Processing是一门开源编程语言和与之配套的的集成开发环境（IDE）的名称，其在电子艺术和视觉设计社区被用来教授编程基础，并运用与大量的新媒体和互动艺术作品中。在本次实验中，实现了Arduino通过串口控制Processing的相关操作。实现在Arduino UNO端利用A0模拟口读取声音传感器采集到的数据，然后通过串口发送到Processing客户端，最后将这些数据进行可视化的展示。
7.2 核心代码


Arduino端：


int sensorPin=A0;
int sensorValue=0;
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(sensorPin,INPUT);
  Serial.begin(9600);
}


void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  sensorValue=analogRead(sensorPin);
  Serial.println(sensorValue,DEC);
}


Processing端：


import processing.serial.*;
Serial myPort;
public static final char HEADER='h'; //从串口读取信息的第一个字符校验符
public static final short LF=10; //每次从串口读取信息的长度
float vol; //声音变量
float offset=100; //正弦曲线0点向y轴移动的值
float scaleVal=35;//曲线振幅
float angleInc=PI/60;//角速度
float angle=0;
float dx=0; //x轴偏移量
float under;//振幅的最小值
float high=200;//音量的最大值
String [] com;
void setup()
{
  //println(Serial.list());//获取当前可用串口列表
  //com=Serial.list();
  myPort=new Serial(this,"COM10",9600);//初始化myPort，读取第一个可用串口，比特率为9600
  myPort.bufferUntil('n');   //从串行口读数据时遇到换行符则结束读取
  size(600,200);
  noStroke();
  frameRate(60);  //每秒刷新60次
}
void draw()
{  
  scaleVal=map(vol,under,high,0,100);
  background(204);
  fill(255,0,0);
  rect(20,20,20,20);//绘制一个矩形，鼠标单击时获取当前背景噪声，并以当前噪音为基准线
  fill(0);
  for(int posx=0;posx<=width;posx++)
  {
    float posy=offset+(sin(angle-dx)*scaleVal);
    rect(posx,posy,1,1);
    angle+=angleInc;
  }
  dx+=0.05;
  angle=0;
}
void serialEvent(Serial myPort)
{
  String message=myPort.readStringUntil(LF);
  if(message!=null){
    String []data=message.split(",");//将字符串信息用逗号分隔
    if(data[0].charAt(0)==HEADER){
      if(data.length>1)
      {
        vol=Integer.parseInt(data[1]);
        if(high           vol=high;
        if(under>vol)
          vol=under;
      }
    }
  }
}
void mouseClicked()
{
  if(mouseX<40&&mouseX>20)
  {
    if(mouseY<40&&mouseY>20)
    {
      under=vol;
    }
  }
}


8、多线程库Scoop的使用

8.1 实验介绍

多线性，是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术，也就是说单片机可以在同一时间执行多个线程，进而提升整体的处理性能。通过之前的实验掌握的主要是单片机的顺序编程，也就是说单片机是按照编写的代码一步一步执行，在这里就有一个先后的次序问题。但在有些情况我们需要在一段时间内执行多个功能，这个时候就需要用到了多线程库，因此在Arduino UNO开发板上实现多线程编程本质上是从软件而不是硬件上实现的。在使用这个库是，必须要在setup() 函数中调用mySccop.start()命令，同时还需要在loop()函数中调用yield()命令，关于对多线程创建人物的模板如代码中所示。
8.2 核心代码


#include


#define led1 LED_BUILTIN


defineTaskLoop(myTask1)    //第一个线程函数（不需要初始化函数，将loop函数写在{}里）
{
        Serial.println("hello from task1");
        sleep(1000);
}


defineTask(myTask2)   //第二个线程函数
void myTask2::setup()
{
        trace("task2 setup");
        pinMode(led1, OUTPUT);
}


void myTask2::loop()  
{
        Serial.println("led1 HIGH");
        digitalWrite(led1, HIGH);
        sleepSync(500);
        Serial.println("led1 LOW");  
        digitalWrite(led1, LOW);  
        sleepSync(500);
}


defineTimerRun(Timer1,100) //快速定义一个时钟，周期为100ms
{
        if (Serial.available())
        {
             char c = Serial.read();
                 Serial.print(c);Serial.println(" key pressed");
                 if (c=='a') myTask1.pause();//任务一暂停
                 if (c=='b') myTask1.resume();//任务一重启
        }
}


void setup()
{
        Serial.begin(57600);
        while (!Serial);
        mySCoop.start();
}
void loop()  
{
        Serial.println("do whatever you want here also");
        mySCoop.sleep(500);
}