Grove Beginner Kits基础实验

Posted 2021-05-25 卓晴

简 介： 本文就Arduino的基础实验以及与ESP8266连接进行了初步实验。并基于此，给出了基于人脸识别只能门锁系统的硬件设计。

关键词： Arduino，ESP8266

 

§01 Arduino 外部接口

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1、Auduino的硬件

（1）原理图

^{▲ Arduino UNO 原理图}

（2）管脚定义

^{▲ Arduino 管脚定义}

^{▲ Arduino UNO 管脚功能定义}

2、参考历程

• Built-In Examples
• arduinouno 详解基于ATmega328P的Arduino开发板-UNO,Arduino

^{▲ 测试的实验平台 UNO}

 

§02 基础验证实验

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1、按钮与LED

  程序直接由“文件，示例，digital，Button”生成。它利用数字口2左右输入，13 作为LED输出。

const int buttonPin = 2;     // the number of the pushbutton pin
const int ledPin =  13;      // the number of the LED pin

// variables will change:
int buttonState = 0;         // variable for reading the pushbutton status

void setup() {
  // initialize the LED pin as an output:
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  // initialize the pushbutton pin as an input:
  pinMode(buttonPin, INPUT);
}

void loop() {
  // read the state of the pushbutton value:
  buttonState = digitalRead(buttonPin);

  // check if the pushbutton is pressed. If it is, the buttonState is HIGH:
  if (buttonState == HIGH) {
    // turn LED on:
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
  } else {
    // turn LED off:
    digitalWrite(ledPin, LOW);
  }
}

  使用杜邦线连接D2到VCC，GND，可以改变LED的状态。

2、所有IO口

  在 详解Arduino Uno开发板的引脚分配图及定义（重要且基础） - Neo0820 - 博客园 给出了IO口的详细定义。

  使用下面的代码，可以验证可以多达20个数字IO口可以被使用。

/*
**==============================================================================
** TEST1.C:             -- by Dr. ZhuoQing, 2021-05-24
**
**==============================================================================
*/
//------------------------------------------------------------------------------
#define PIN_NUM  20
void setup() {
    int i;
    for(i = 0; i <PIN_NUM ; i ++) {
        pinMode(i, OUTPUT);
    }
}
void loop() {
    int i;
    for(i = 0; i < PIN_NUM; i ++) {
        digitalWrite(i, HIGH);
    }
    delay(20);
    for(i = 0; i < PIN_NUM; i ++) {
        digitalWrite(i, LOW);
    }
    delay(20);
}
//==============================================================================
//                END OF THE FILE : TEST1.C
//------------------------------------------------------------------------------

  使用示波器观察到的第19个数字IO（PC5）上的波形：

^{▲ Arduino 第19个数字IO（PC5）上的波形}

^{▲ 对应的Arduino数字IO定义}

^{▲ Arduino模拟IO口也可以用作数字输入输出}

3、PWM输出

  为了能够控制舵机的运动，需要使用到PWM输出功能。这种方式也可以作为一种模拟量的输出替代品。

  在Arduino官方网站给出了 PWM 的简要说明。利用 anlogWrite() 可以在对应的Pin管脚上产生所需要的PWM波形。

   Uno, Nano, Mini产生PWM管脚

管脚：3, 5, 6, 9, 10, 11
PWM 频率：490 Hz (pins 5 and 6: 980 Hz)

（1）测试PWM波形输出

^{▲ 在PD3输出的PWM波形}

const int PWM_PIN   = 3;

void setup() {
    pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
    analogWrite(PWM_PIN, 128);
}

void loop() {
//    analogWrite(PWM_PIN, 128);

    delay(10);

}

  如果将analogWrite()函数放置在loop()函数中，也可以产生相同的效果。

  方波的频率为490Hz。那么如果用于驱动舵机，这个频率不合适。在 舵机的脉冲指令的频率对于舵机运动影响 测量过，对于普通的舵机，它的指令频率不能够超过400Hz，通常情况下取 50Hz～300Hz 之间的频率。

（2）修改PWM频率

  在 Arduino-PWM-Frequency 给出通过在void setup()函数中，修改 CS02,CS01,CS00来调整对应的ATMEGA328的输出PWM频率。

//---------------------------------------------- Set PWM frequency for D5 & D6 -------------------------------
//NOTE: Changing this timer 0 affects millis() and delay!
//TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000001;    // set timer 0 divisor to     1 for PWM frequency of 62500.00 Hz
//TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000010;    // set timer 0 divisor to     8 for PWM frequency of  7812.50 Hz
  TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000011;    // set timer 0 divisor to    64 for PWM frequency of   976.56 Hz (The DEFAULT)
//TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000100;    // set timer 0 divisor to   256 for PWM frequency of   244.14 Hz
//TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000101;    // set timer 0 divisor to  1024 for PWM frequency of    61.04 Hz

//---------------------------------------------- Set PWM frequency for D9 & D10 ------------------------------

//TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000001;    // set timer 1 divisor to     1 for PWM frequency of 31372.55 Hz
//TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000010;    // set timer 1 divisor to     8 for PWM frequency of  3921.16 Hz
  TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000011;    // set timer 1 divisor to    64 for PWM frequency of   490.20 Hz (The DEFAULT)
//TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000100;    // set timer 1 divisor to   256 for PWM frequency of   122.55 Hz
//TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000101;    // set timer 1 divisor to  1024 for PWM frequency of    30.64 Hz

//---------------------------------------------- Set PWM frequency for D3 & D11 ------------------------------

//TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000001;    // set timer 2 divisor to     1 for PWM frequency of 31372.55 Hz
//TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000010;    // set timer 2 divisor to     8 for PWM frequency of  3921.16 Hz
//TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000011;    // set timer 2 divisor to    32 for PWM frequency of   980.39 Hz
  TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000100;    // set timer 2 divisor to    64 for PWM frequency of   490.20 Hz (The DEFAULT)
//TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000101;    // set timer 2 divisor to   128 for PWM frequency of   245.10 Hz
//TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000110;    // set timer 2 divisor to   256 for PWM frequency of   122.55 Hz
//TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000111;    // set timer 2 divisor to  1024 for PWM frequency of    30.64 Hz

  通过下面的程序测试，D3输出122.5Hz的PWM波形：

const int PWM_PIN   = 3;
void setup() {
    TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000110;
    pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
    analogWrite(PWM_PIN, 128);
    delay(10);
}

^{▲ 修改TCCR2B之后对应的PWM占空比}

（3）控制舵机运行

  控制舵机的角度是由PWM的脉冲的高电平的时间宽度决定，通常情况下是 1ms～2ms 之间的脉宽。

  假定设PWM输出频率为$f_{PWM}=122.55Hz$，下面给出对应脉宽且1ms，1.5ms，2ms。

PWM脉宽	PWM设置值	实际输出时间(us)	实测时间(us)
1ms	31	0.992ms	0.988
1.5ms	47	1.504ms	1.5ms
2ms	63	2.016ms	2.01ms

  使用下面的代码控制PWM输出脉宽1ms 到 2ms切换；舵机发生旋转。

const int PWM_PIN   = 3;
void setup() {
    TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000110;
    pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
    delay(1000);
    analogWrite(PWM_PIN, 63);
    delay(1000);
    analogWrite(PWM_PIN, 31);
}

^{▲ 控制舵机运行的情况}

  下图给出了小型舵机的三条引线的功能定义：

^{▲ 舵机的三根引线功能定义}

4、串口输入输出

  在 Arduino基础入门篇23—串口通讯 TonyCode 给出了 Arduino的串口使用方法。在 Arduino官网中也给出了Serial函数 的详细说明。

（1）串口输出

  下面是测试代码：

const int PWM_PIN   = 3;
void setup() {
    TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000110;
    pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
    Serial.begin(9600);
}
void loop() {
    delay(100);
    Serial.print("U");
}

  测量TX输出管脚的波形为：

^{▲ 测量TX管脚的波形}

（2）软件模拟UART

  在 Using SoftwareSerial in Arduino for Serial Communication 介绍了Arduino 软件UART的使用方式。

  详细的软件UART可以参见 Arduino的官网 SoftwareSerial 中的信息。

  软件UART的限制：

• 在一个时间段，只有一个软件UART可以接收字符；
• 并不是所有的PIN都可以用于软件UART。

【Ⅰ.测试一个 Software UART】

  代码来自于： Software Serial Example 。它演示了一个软件串口的输出的情况。

#include <SoftwareSerial.h>
//------------------------------------------------------------------------------
SoftwareSerial mySerial(2, 3);
void setup() {
    mySerial.begin(38400);
}
//------------------------------------------------------------------------------
void loop() {
    mySerial.write('U');
    delay(10);
}

^{▲ 测量PD3管脚的波形}

【Ⅱ.测试两个Software】

  这个例子的代码来自于 Two Port Receive 。

#include <SoftwareSerial.h>
//------------------------------------------------------------------------------
SoftwareSerial portOne(10, 11);
SoftwareSerial portTwo(8, 9);
void setup() {
    portOne.begin(9600);
    portTwo.begin(115200);
}
//------------------------------------------------------------------------------
void loop() {
    portOne.write('U');
    portTwo.write('V');
    delay(10);
}

^{▲ 测量PIN9对应的输出‘V’的波形}

^{▲ 测量PIN11对应的输出‘V’的波形}

  为了使得所有的串口都在前面，即硬件串口为PD0,1， 两个软件串口分别为（2,3），（4,5）进行同样的测试，输出结果相同。

#include <SoftwareSerial.h>
//------------------------------------------------------------------------------
SoftwareSerial portOne(4, 5);
SoftwareSerial portTwo(2, 3);
void setup() {
    portOne.begin(9600);
    portTwo.begin(115200);
}
//------------------------------------------------------------------------------
void loop() {
    portOne.write('U');
    portTwo.write('V');
    delay(10);
}

 

§03 连接外部模块

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1、软件UART连接语音模块

  使用在 语音合成模块 文本转TTS 真人发音 SYN6288的模块，测试语言合成模块的功能。

（1）测试英文和数字

  使用（4,5）软件UART，发送语言合成到SYN6288语音模块。

#include <SoftwareSerial.h>
//------------------------------------------------------------------------------
SoftwareSerial portOne(4, 5);
SoftwareSerial portTwo(2, 3);
void setup() {
    portOne.begin(9600);
    portTwo.begin(115200);
}
//------------------------------------------------------------------------------
void loop() {
    portOne.print("1234.45");
    delay(2000);
}

  直接输出英文字符串，与数字，都可以正确的发音。

^{▲ 测试电路板}

（2）输出汉字

  直接输出汉字则遇到问题。比如：

portOne.print("下午好！");

  则输出错误的发音。要解决这问题，可以根据 ESP32-S的UART2的初始化需要注意的问题 的方式，将所需要转换的汉字转换成GBK二进制之后，再发送到串口。比如下面的代码就可以正确读出“清华大学”的汉字。

portOne.print("\\xc7\\xe5\\xbb\\xaa\\xb4\\xf3\\xd1\\xa7");

  下面的代码发出“下午好”正确读音。

portOne.print("\\xcf\\xc2\\xce\\xe7\\xba\\xc3");

  下面是带有外壳的TTS模块，请注意它的引脚对应的功能。可以使用上面相同的软件使其发出正确的含资产读音。

^{▲ 带有外壳的TTS模块}

2、连接WiFi模块

  WiFi模块使用 ESP-12F模块转接板测试版调试说明，下载MicroPython程序。ESP8266-12F ，这个模块在 ESP8266访问网站-urequest get方法 测试过，可以通过urequest与网站进行连接。

import machine
import urequests

import network
wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
wlan.active(True)

wlan.connect('TENDA626A', 'gniqouhz')

print(wlan.ifconfig())

response = urequests.get("http://192.168.4.3:8000/lock/update/?type=LOCK&detail=AAAA")
print(response.text)

（1）将ESP8266模块UART0扩展

  为了能够使用UART0既可以作为REPL的串口，又可以作为应用的串口，将UART0的输入通过肖特基二极管进行扩展。

^{▲ ESP8266 扩展口的定义}

  同时将下载板上的RXD上的电阻更换成肖特基二极管。这样外部的RXD便可以同样通过肖特基二极管与UART0的RXD相连了。

^{▲ 将下载板上的RXD上的电阻更换成肖特基二极管}

（2）ESP8266>>Arduino

【Ⅰ.ESP8266代码】

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2021-05-24
#
# Note:
#============================================================

from machine                import UART,Pin
import time

uart = UART(1, baudrate = 以上是关于Grove Beginner Kits基础实验的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 
 网易官方极客战记（codecombat）攻略-森林-Burlbole 树林-burlbole-grove
 The Grove（poj 3182）
 POJ 3182 The Grove [DP(spfa) 射线法]
 BZOJ 1656 [Usaco2006 Jan] The Grove 树木：bfs射线法
 windows QT kits配置
 Qt5.12.x 导入CMakeLists.txt 工程 提示 No suitable kits found.