Arduino电子系统设计实践——基于Arduino IDE与MATLAB协同开发的方法_李平、王涛、王明房_9787302693574

本书紧跟科技竞争潮流，深入剖析了基于Arduino与MATLAB协同开发技术在智能硬件与物联网领域的革新应用。面对日益增长的科技需求，本书全面且系统地介绍了如何通过这两款强大的工具Arduino开源硬件平台和MATLAB高级计算软件实现创意的快速转化与复杂电子系统的构建。从Arduino平台的初识到精通，再到与MATLAB的深度融合，本书通过14个精心设计的章节，带领读者逐步深入探索。入门篇以ArduinoNano为核心，通过实战项目激发学习兴趣，掌握基础编程与硬件接口知识。基础篇则深入讲解Arduino编程的各个方面，涵盖数字引脚、计时器、模拟信号、通信协议及存储扩展等关键技术，每个知识点均辅以实战案例与扩展练习，确保学以致用。进入综合篇，本书聚焦于Arduino与MATLAB的协同作战，从UART通信、串口对象配置到复杂数据处理与系统仿真，逐一揭秘两者协同工作的奥秘。特别地，通过快速傅里叶变换、红外光通信链路及超声扫描雷达系统等前沿项目的实战演练，不仅展示了Arduino在信号处理与通信领域的强大能力，也深刻揭示了MATLAB在数据处理与分析中的不可替代性。本书旨在为读者提供一套从理论到实践的完整学习路径，无论是对于电子爱好者、教育工作者，还是致力于智能制造、物联网及人工智能领域的专业人士，都能从中获益匪浅。

随着科技竞争的加剧，基于Arduino和MATLAB的协同开发技术正逐步成为智能硬件和物联网领域的主流趋势。其中，Arduino作为一款灵活、易用的开源硬件开发平台，其社区不断壮大，吸引了来自不同国家和地区的开发者、教育者和创新者，这些用户通过Arduino平台，能够快速将创意转化为现实。同时，MATLAB作为一款功能强大的数学计算、仿真和分析软件，在科学研究、工程设计和教育教学中扮演着重要角色。MATLAB与Arduino的协同开发，简化了数据采集、处理和可视化的过程，提高了系统设计的效率和精度，在智能制造、物联网、人工智能等领域具有广泛的应用前景。

本书全面而深入地介绍Arduino电子系统设计及其与MATLAB协同开发技术，通过丰富的实战案例和详细的步骤说明，帮助读者从零开始掌握Arduino编程、硬件接口应用以及如何通过MATLAB进行高级数据处理与系统仿真，进而实现复杂电子系统的设计与开发。

第1、2章为入门篇。首先引导读者认识Arduino平台，通过揭秘Nano核心板，让读者初步了解其内部结构，并通过一系列入门级的实战项目，让读者亲身体验Arduino编程的乐趣，熟悉Arduino IDE的编程特点。

第3~9章为基础篇，深入讲解Arduino程序设计的各个方面，包括Arduino程序设计基础、数字引脚资源应用设计、计时资源应用设计、模拟信号测量应用设计、I2C和SPI通信资源应用设计、自带与外扩存储资源的设计以及外扩模拟信号输出的设计等。每章都通过多个实战项目，帮助读者掌握相关技术和方法，并提供了丰富的拓展练习巩固所学知识。

第10~14章为综合篇。第10章专注于Arduino与PC协同设计，详细介绍了UART通信功能及其在Arduino与MATLAB之间的数据传输应用；第11章专注于MATLAB与Arduino协同设计，详细介绍了如何在MATLAB中创建串口对象并配置其属性，以及如何通过MATLAB向Arduino发送字符命令和二进制数据，并接收来自Arduino的字符编码数据和二进制数据帧；第12章通过Arduino实现快速傅里叶变换的实战案例，展示了Arduino在信号处理领域的潜力；第13章聚焦于简约型红外通信链路设计，通过理论讲解与实战操作相结合的方式，介绍了红外通信的基本原理、设计思路和实现方法；第14章是本书的重点部分，详细介绍了Arduino与MATLAB协同的超声雷达设计，首先明确了问题和目标，然后提出了系统的整体设计方案，并详细阐述了硬件和软件的设计实现过程，便于读者深入理解Arduino与MATLAB协同工作的优势和技巧。

相较于已有书籍和文献资料，本书具备以下显著特色。

(1) Arduino与MATLAB协同设计的突出理念。本书特别强调Arduino与MATLAB的联合使用，旨在融合Arduino在硬件交互方面的优势与MATLAB在数据处理上的强大功能，实现二者的优势互补。目前，市场上鲜有书籍或资料系统地探讨这一协同设计理念及其实践案例。本书则通过丰富的案例，详细阐释了Arduino与MATLAB协同进行电子系统设计的具体方法，填补了这一空白。
(2) 实践导向的问题解决思路。本书强调从工程问题的实践角度出发，不仅深入剖析解决问题的原理与思路，还手把手地传授了软硬件协同解决问题的具体方案。在每个案例之后，本书均总结了设计调试的经验教训，旨在启发读者举一反三，将所学知识应用于未来实际问题的解决之中。

(3) 新颖实用的技术方案与案例。本书收录了一系列技术方案新颖、实用性强的案例和解决方案。其中不乏编者已申请专利保护的技术创新，这些案例不仅反映了电子系统设计的趋势，而且具有很强的实用性和可操作性，读者稍作改进即可应用于自己的实验验证或电子系统设计中。

(4) 低成本实验材料与代码公开。为便于读者复现自学，本书涉及的实验采用了成本低廉、易于采购的实验材料，如面包板、硬材质导线等。同时，书中公开了全部案例的源代码，使读者能够迅速搭建实验环境，高效掌握电子系统设计的精髓。

本书的撰写分工如下。王涛负责全书的组织编写，包括构思策划、人员分工、实验设计、提供实验设备平台等工作。李平负责本书第4、5、6、13章内容的编写，包括应用背景、具体应用案例和实验分析与讨论等，还负责本书的审校工作，确保本书的准确性和规范性；王明房负责了本书第1、2、3、11、12、14章内容的编写工作，包括应用背景、具体应用案例和实验分析与讨论等；二人共同负责第7~10章内容的编写。另外，石超宇参与第1、7、10、11、13章的编写，杨丹丹参与第1、13章的编写，罗程参与第1、3章的编写。在此，特向参与编纂的各位同仁致以诚挚的谢意，他们的贡献与不懈追求，是本书成功问世的重要基石。

鉴于编者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者提出宝贵的意见和建议，帮助本书不断改进和完善。

编者2025年5月

入门篇
第1章引言
1.1认识Arduino
1.1.1Arduino的前世今生
1.1.2Arduino核心板系列
1.1.3Arduino IDE
1.1.4Bootloader工作原理
1.2实战11：揭秘Nano核心板
1.2.1问题和目标
1.2.2解决方案
1.3基于Arduino的电子系统设计
1.3.1系统设计流程
1.3.2采用面包板的样机制作方法
1.4Arduino和MATLAB的协同系统设计
1.4.1协同系统特色优势
1.4.2协同系统设计方案
本章小结
拓展练习
第2章体验Arduino
2.1实战21：从Nano向PC发送数据
2.1.1问题和目标
2.1.2解决方案
2.1.3扩展讨论
2.2实战22： Serial的实现代码
2.2.1问题和目标
2.2.2解决方案
2.2.3扩展讨论
2.3实战23：隐藏的main()函数
2.3.1问题和目标
2.3.2解决方案
2.3.3扩展讨论
2.4实战24：用Nano烧写Bootloader
2.4.1问题和目标
2.4.2解决方案
2.4.3扩展讨论
2.5IDE编程的特点
本章小结
拓展练习
基础篇
第3章Arduino程序设计基础
3.1Arduino编程简介
3.2Arduino常用数据类型
3.2.1浮点数精度的问题
3.2.2变量作用域
3.3Arduino中的运算
3.3.1算术运算符
3.3.2关系运算符
3.3.3位运算符
3.3.4逻辑运算符
3.3.5赋值运算符
3.3.6限制取值范围
3.3.7取整
3.3.8三角函数
3.3.9随机数
3.4Arduino的循环语句
3.4.1while循环
3.4.2do…while循环
3.4.3for循环
3.4.4循环的跳出
3.5Arduino的条件判断语句
3.5.1if语句
3.5.2switch case语句
3.6Arduino数组与字符串
3.6.1Arduino中的数组
3.6.2Arduino中的字符串
3.6.3字符串的常用操作
3.7String及其成员函数
3.8Arduino中的函数
本章小结
拓展练习
第4章数字引脚资源应用设计
4.1Nano的数字引脚资源
4.2实战41：用pinMode()和digitalWrite()函数点亮板载LED
4.2.1问题和目标
4.2.2解决方案
4.2.3扩展讨论
4.3实战42：用digitalRead()函数读取拨码开关输入后控制板载LED
4.3.1问题和目标
4.3.2解决方案
4.3.3扩展讨论
4.4实战43：用引脚寄存器读取多拨码开关输入后控制板载LED
4.4.1问题和目标
4.4.2解决方案
4.4.3扩展讨论
4.5实战44：验证引脚上拉电阻的抗干扰作用
4.5.1问题和目标
4.5.2解决方案
4.5.3扩展讨论
4.6实战45：用analogWrite()函数产生PWM波形使LED亮度渐变
4.6.1问题和目标
4.6.2解决方案
4.6.3扩展讨论
本章小结
拓展练习
第5章计时资源应用设计
5.1Nano的延时控制与时间测量
5.2实战51：用delay()函数产生阻塞指定长度延时
5.2.1问题和目标
5.2.2解决方案
5.2.3扩展讨论
5.3实战52：用while循环产生阻塞条件判断延时
5.3.1问题和目标
5.3.2解决方案
5.3.3扩展讨论
5.4实战53：用millis()或micros()函数实现计时功能
5.4.1问题和目标
5.4.2解决方案
5.4.3扩展讨论
5.5实战54：用pulseIn()函数测量脉冲宽度
5.5.1问题和目标
5.5.2解决方案
5.5.3扩展讨论
本章小结
拓展练习
第6章模拟信号测量应用设计
6.1Nano自带的模拟信号采集资源
6.2实战61：用analogRead()函数测量模拟电压
6.2.1问题和目标
6.2.2解决方案
6.2.3扩展讨论
6.3实战62：使用analogReference()函数提高模拟测量精度
6.3.1问题和目标
6.3.2解决方案
6.3.3扩展讨论
6.4实战63：使用外部基准源提高模拟测量精度
6.4.1问题和目标
6.4.2解决方案
6.4.3扩展讨论
6.5实战64：测量analogRead()函数的采样频率
6.5.1问题和目标
6.5.2解决方案
6.5.3扩展讨论
6.6实战65：提高analogRead()函数的采样频率
6.6.1问题和目标
6.6.2解决方案
6.6.3扩展讨论
6.7实战66：用串口绘图器观察模数采集信号
6.7.1问题和目标
6.7.2解决方案
6.7.3扩展讨论
6.8实战67：用DSA模块测量双极性模拟信号
6.8.1问题和目标
6.8.2解决方案
6.8.3扩展讨论
本章小结
拓展练习
第7章I2C和SPI通信资源应用设计
7.1Nano引脚的I2C和SPI通信功能
7.2I2C协议原理
7.3实战71：用Wire库实现I2C通信
7.3.1问题和目标
7.3.2解决方案
7.3.3扩展讨论
7.4SPI协议原理
7.5实战72：用SPI库实现SPI通信
7.5.1问题和目标
7.5.2解决方案
7.5.3扩展讨论
本章小结
拓展练习
第8章自带与外扩存储资源的设计
8.1Arduino的数据存储资源
8.2实战81：用内置EEPROM存储数据
8.2.1问题和目标
8.2.2解决方案
8.2.3扩展讨论
8.3实战82：用外部EEPROM存储数据
8.3.1问题和目标
8.3.2解决方案
8.3.3扩展讨论
8.4实战83：用外部SD卡存储数据
8.4.1问题和目标
8.4.2解决方案
8.4.3扩展讨论
本章小结
拓展练习
第9章外扩模拟信号输出的设计
9.1模拟信号输出概述
9.2实战91：用面包板扩展DA功能
9.2.1问题和目标
9.2.2解决方案
9.2.3扩展讨论
9.3实战92：用DAR模块实现DA功能
9.3.1问题和目标
9.3.2解决方案
9.3.3扩展讨论
9.4实战93：用TI902实现并行DA功能
9.4.1问题和目标
9.4.2解决方案
9.4.3扩展讨论
9.5实战94：用PCF8591实现串行DA功能
9.5.1问题和目标
9.5.2解决方案
9.5.3扩展讨论
本章小结
拓展练习
综合篇
第10章Arduino与PC协同设计
10.1Arduino与PC协同的UART通信功能
10.2实战101：用Serial.println()函数向PC发送文本信息
10.2.1问题和目标
10.2.2解决方案
10.2.3扩展讨论
10.3实战102：用Serial.println()函数向PC发送字符编码数据
10.3.1问题和目标
10.3.2解决方案
10.3.3扩展讨论
10.4实战103：用Serial.write()函数向PC发送二进制数据
10.4.1问题和目标
10.4.2解决方案
10.4.3扩展讨论
10.5实战104：用Serial.available()和Serial.read()函数阻塞式接收
PC发送的字符
10.5.1问题和目标
10.5.2解决方案
10.5.3扩展讨论
10.6实战105：串口高级读取功能
10.6.1问题和目标
10.6.2解决方案
10.6.3扩展讨论
10.7实战106：用serialEvent()函数并发式接收PC发送的数据
10.7.1问题和目标
10.7.2解决方案
10.7.3扩展讨论
10.8实战107：用SoftwareSerial实现软串口通信
10.8.1问题和目标
10.8.2解决方案
10.8.3扩展讨论
本章小结
拓展练习
第11章MATLAB与Arduino协同设计
11.1MATLAB的通信协同功能
11.1.1串口通信设计需考虑的关键问题
11.1.2MATLAB的串口对象与属性
11.2实战111：创建MATLAB串口对象并配置属性
11.2.1问题和目标
11.2.2解决方案
11.2.3扩展讨论
11.3MATLAB串口发数据机制
11.4实战112： MATLAB向Arduino发送字符命令
11.4.1问题和目标
11.4.2解决方案
11.4.3扩展讨论
11.5实战113： MATLAB向Arduino发送二进制数据
11.5.1问题和目标
11.5.2解决方案
11.5.3扩展讨论
11.6MATLAB串口读数据机制
11.7实战114： MATLAB同步读Arduino发送字符编码数据
11.7.1问题和目标
11.7.2解决方案
11.7.3扩展讨论
11.8实战115： MATLAB同步读Arduino发送的二进制数据帧
11.8.1问题和目标
11.8.2解决方案
11.8.3扩展讨论
11.9MATLAB串口的相关事件和回调函数
11.9.1事件类型和回调属性
11.9.2创建和执行回调函数
11.10实战116：用MATLAB串口异步读取Arduino发送的数据
11.10.1问题和目标
11.10.2解决方案
11.10.3扩展讨论
本章小结
拓展练习
第12章Arduino实现快速傅里叶变换
12.1问题和目标
12.2原理思路
12.2.1复数的表示
12.2.2FFT经典蝶形运算
12.3解决方案
12.4测试验证
12.5扩展讨论
12.5.1Arduino自带pow()函数的易错点
12.5.2Arduino内存的局限性
本章小结
拓展练习
第13章简约型红外通信链路设计
13.1问题和目标
13.2原理思路
13.2.1发射机设计
13.2.2接收机设计
13.3解决方案
13.4测试验证
13.5扩展讨论
本章小结
拓展练习
第14章Arduino与MATLAB协同的超声雷达设计
14.1问题和目标
14.2系统整体设计方案
14.3系统硬件设计实现
14.3.1超声雷达传感器
14.3.2舵机云台模块
14.3.3声音传感器
14.3.4集成硬件样机
14.4系统软件设计实现
14.4.1Arduino软件设计
14.4.2MATLAB软件设计
本章小结
拓展练习
参考文献

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