基于Arduino 的綜合學習競賽平臺

姚世豪 楊亞男 孫嵐嵐 王瑤 高利杰

摘要：本文介紹了一款基于Arduino開源硬件，面向青少年硬件編程教育、電子創客愛好者、電子信息類大學生電子制作學習的綜合訓練平臺。本平臺以Arduino Mega2560為核心板，設計基礎功能訓練部分，傳感器功能訓練部分，擴展功能訓練部分。本文設計的Arduino綜合學習平臺降低了廣大的青少年編程學習者、電子創客、電子信息類大學生的初期學習門檻，且已應用到了青少年編程比賽當中。

關鍵詞：Arduino，開發板，青少年編程，電子創客

Arduino-Based Comprehensive Learning Competition Platform

YAO Shihao1 ?YANG Yanan2 ?SUN Lanlan1 ?WANG Yao1 ?GAO Lijie1

（1. School of Technology， College of Technology and Communication Kaifeng Henan， Kaifeng， Henan Province， 475002 China; 2. School of Electrical Engineering， Yellow River Conservancy Technical Institute， Kaifeng， Henan Province， 475002 China）

Abstract： In this paper， it introduces a comprehensive training platform based on Arduino open-source hardware， which is aimed at young hardware programming education， electronic maker enthusiasts， electronic information college students and electronic production learning. This platform uses Arduino Mega2560 as the core board， designing basic function training part， sensor function training part， and extended function training part. The Arduino comprehensive learning platform designed in this paper has lowered the initial learning threshold for the majority of young programming learners， electronic makers， and electronic information college students， and has been applied to youth programming competitions.

Key Words： Arduino， Development board， Youth program， E-maker

在人工智能技術、5G、物聯網迅猛發展的時代背景下，青少年編程能力的培養成為正在迅猛發展，也有越來越多的非電子類專業愛好者進行簡易的電子產品設計，高校電子信息類大學生也急需快速入門電子產品的設計與開發[1-2]。開源電子原型平臺Arduino為電子創客、青少年編程學習者、電子信息類大學生入門學習提供了高性價比易入門的應用平臺。但市面上的Arduino硬件平臺多為“核心板+各種模塊”，通過連接線的方式進行學習和創作，對于廣大的入門級學習者，通過這種學習方式很難查找出是自己程序設計的錯誤還是硬件連接線的問題[3-4]。本文介紹了一款以Arduino Mega2560為核心板設計的綜合學習平臺，可以使入門學習者主要關注程序部分的學習、設計、開發，減少硬件錯誤所帶來的困難，同時也降低了青少年編程學習者的學習門檻，且已應用到了青少年編程比賽當中，起到了良好的效果。

1 系統主要組成及開發平臺

該平臺組成部分的核心是以Arduino Mega2560板為基礎，設計了一款全功能的學習訓練平臺，平臺基礎學習部分設計有8位LED燈、1位呼吸燈，4位一體的共陰極數碼管數字顯示輸出、6位觸動按鍵輸入、1位觸摸按鍵輸入、1位搖桿控制輸入、1位蜂鳴器輸出、1個LCD1602顯示屏字符顯示等模塊，平臺傳感器學習部分設計有聲音傳感器、溫濕度傳感器、光線傳感器、滑動變阻器、陀螺儀傳感器、人體紅外傳感器、RTC時鐘等傳感器相關學習模塊，平臺擴展部分設計有2.4寸LCD觸摸顯示屏、藍牙通信、WiFi通信、步進電機、直流電機、舵機、超聲波、紅外發射和接收、繼電器、SD卡、NFC卡、IIC通信、UART通信、3.3V和5V等接口。

該平臺的軟件開發部分可以使用Arduino IDE作為開發工具，也可以采用國產圖形化編程開發軟件Mixly（米思齊）作為開發工具，即可滿足青少年編程愛好者的學習使用，亦可支持電子信息類大學生的入門和進階開發學習。本平臺使用一根USB轉串口的數據線通過與電腦連接即可完成程序驗證和功能實現。

2Arduino綜合學習平臺人機交互基礎學習部分硬件電路設計

2.1 燈光輸出電路設計

LED燈是日常生活中最為常見的光源，應用在生活的方方面面。學習者對于硬件開發平臺的學習均是從LED燈的控制開始[5]。本學習平臺設計了生活中最為常用的LED電路、呼吸燈電路、全彩LED電路，幫助學習者全面對各種燈光控制的理解和學習。

結合Arduino Mega2560核心板單片機芯片I/O引腳的內部結構，學習平臺8路LED燈采用共陽極設計，其中8個LED燈LED1-LED8的正極經過限流電阻接系統電源，負極分別與Arduino Mega2560核心板的D31-D38管腳相連接，如圖1（a）所示。學習平臺采用1路呼吸燈設計，因呼吸燈需要使用PWM輸出，故呼吸燈正極通過一個限流電阻連接Arduino Mega2560核心板的PWM10引腳，負極接系統GND，如圖1（b）所示。開發板設計1個全彩RGB燈，可以實現1677萬色的調光，全彩RGB燈采用共陽極設計，公共正極端接系統電源VCC，3個管腳負極R、G、B分別通過限流電阻連接Arduino Mega2560核心板的PWM5、PWM6、PWM7管腳，如圖1（c）所示。

2.2 數字顯示輸出電路設計

LED數碼管是較為常用的數字顯示器件，LED數碼管的內部是由多個發光二極管在一起組成“8”字形的器件，數碼管是由八個發光管組成8字形構成的，其中多出來的一位為小數點顯示位[6]。本學習平臺設計一個四位一體的共陰極數碼管，供學習者進行數字顯示學習及使用。

為了配合Arduino IDE開發環境和Mixly開發環境[7]，LED數碼管電路設計使用一片帶數碼管接口的LED驅動控制專用電路TM1650來驅動數碼管顯示。該芯片為IIC通信協議，把IIC傳輸的數據包解析并驅動操作數碼管進行數字顯示，該IIC通信引腳與Arduino Mega2560核心板的IIC通信引腳SDA、SLC相連接，如圖1（d）所示。

2.3 按鍵、搖桿輸入電路設計

作為人機交互的關鍵部分，按鍵是幾乎是各類產品設計中不可缺少的部件，本學習平臺設計為了吸引學習者的學習興趣和使用體驗，采用6位微動開關作為按鍵輸入、1位觸摸按鍵輸入、1個搖桿（游戲手柄）輸入。尤其是青少年學習者對學習中有玩游戲的興趣。

根據Arduino Mega2560核心板單片機芯片I/O引腳的內部結構，本開發板按鍵輸入采用下拉電阻方式，即所有按鍵的其中一段通過上拉電阻連接系統電源，另外一端分別與Mega2560核心板的D23-D25、RX1引腳，且通過下拉電阻連接系統GND，沒有按鍵被下下的時候I/O引腳識別為低電平，有按鍵按下之后I/O引腳識別為高電平，如圖2（a）所示。觸摸按鍵采用PCB電路板上隔離銅皮連接觸摸感知芯片TTP223設計，TTP223芯片的輸出端連接Arduino Mega2560核心板的D29引腳，如圖2（b）所示。游戲手柄-搖桿的內部結構X/Y軸分別是一個滑動變阻器，Z軸是一個微動按鍵，故本學習平臺對其X/Y/Z軸分別連接Arduino Mega2560核心板的A5/A6/D39引腳，可是學習者對其進行充分的學習和應用，設計電路如圖2（c）所示。

2.4 LCD1602顯示屏電路

本文2.2章節介紹了數字顯示器件數碼管的設計，但各種智能化的設備會經常用到字符顯示，液晶顯示器LCD1602是廣泛使用的一種字符型液晶顯示器件，能夠顯示英文字母、阿拉伯數字、日文片假名和一般性符號等[8]。

為充分利用Arduino Mega2560核心板的I/O資源，配合Arduino IDE開發環境和Mixly開發環境，本學習平臺采用一款并口擴展芯片PCF8574，通過IIC引腳與核心板進行數據傳輸，并通過擴展的I/O口與LCD1602控制端口連接，實現Mega2560通過一個IIC總線進行LCD1602顯示屏的顯示通信。為確保LCD1602顯示屏背光亮度的穩定性顯示，顯示屏背光引腳對GND端通過PCF8574的P3引腳控制一個NPN三極管的飽和截止來控制顯示屏的背光。另外通過一個10K的滑動變阻器與LCD1602顯示屏的VO引腳連接，通過滑動變阻實現對LCD1602顯示屏字符顯示對比度的調整。LCD1602液晶顯示屏整體設計如圖3（a）所示。

2.5 蜂鳴器電路設計

蜂鳴器是一種電子訊響器件，廣泛應用在報警器、計算機、定時器、電子玩具、汽車電子設備等電子產品中作警示器件。由于蜂鳴器的發聲原理由振動裝置和諧振裝置組成，又分為無源他激型與有源自激型的內部結構[9]。

為了實現蜂鳴器效果的穩定與多樣化，本學習平臺采用無源蜂鳴器設計，無源蜂鳴器的負極輸入端連接電路板的系統GND，蜂鳴器的正極端是Mega2560核心板的PWM3引腳控制一個NPN三極管的飽和截止來控制蜂鳴器的聲音、聲調，電路設計如圖3（b）所示。

3Arduino綜合學習平臺傳感器部分硬件電路設計

3.1聲音傳感器

聲音傳感器的效果相當于話筒（麥克風），其用來接收聲波信號，輸出聲音的振動情況。在智能硬件快速發展的現狀下，也來越多的各種電子設備支持語音交互功能，為人們的日常生活提供了很大的方便。

本綜合學習平臺使用LM386運算放大器對話筒采集的聲音信號進行整形濾波處理，通過一個滑動變阻器可以調節聲音輸出幅值的大小。聲音信號處理后的輸出值為模擬電壓值，電路設計通過Arduino Mega2560核心板的模擬引腳A3管腳進行聲音信號的采集，電路設計如圖4（a）所示。

3.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器是一種裝有熱敏和濕敏電子元件，能夠對環境的溫度和濕度進行測量的傳感器裝置。溫濕度傳感器體積小、性能穩定等特點，被廣泛應用在生產生活的各個領域[8]。

本文采用的DHT11是一款有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器，通過Onewire總線通信協議與MCU進行數據傳輸。DHT11溫濕度傳感器有4個管腳，根據DHT11傳感器手冊，其中1號引腳接系統電源VCC，3/4號引腳接系統GND，本文設計2號引腳與Mega2560核心板的D42號引腳相連接進行數據通信，為了保持信號的穩定傳輸，D42引腳通過一個1K的上拉電阻與系統電源VCC相連接，電路設計如圖4（b）所示。

3.3 光線傳感器，滑動變阻器

光線傳感器的功能是用來感應光線強弱的，然后反饋到MCU，控制器通過光纖強度的高低來執行對其他部分的控制，如自動調節屏幕亮度、自動關閉照明燈等，從而達到省電的目的和環境的感知。滑動變阻器是生產生活中常用器件之一，工作原理是通過改變接入電路部分改變電阻的阻值。音響音量大小調節、臺燈燈光調節、汽車量油表、過磅秤等場所都離不開滑動變阻器。

本文設計的光線傳感器采用GL5516型光敏電阻，電阻的阻值會隨著光照強度的變化而變化，電路設計光敏電阻通過一個1K的電阻分別與系統電源VCC連接和系統GND連接，通過Mega2560核心板A4管腳測量光敏電阻分壓值來確定光照強度，電路設計如圖4（c）所示。本文設計滑動變阻器采用10K阻值方便用戶調節操作的帶帽電位器，滑動變阻器的電阻兩段分別系統電源VCC連接和系統GND連接，滑動變阻器手柄管腳與Mega2560核心板A2引腳連接，電路設計如圖4（d）所示。

3.4 陀螺儀傳感器

陀螺儀傳感器又稱為加速度、傾斜角傳感器，是基于自由空間移動和手勢的定位的控制系統，現已被廣泛運用于手機等移動便攜設備。陀螺儀傳感器是現代航天、航空、航海、國防工業等應用中常用的控制裝置。

本文設計加速度傳感器選用一款低功耗，三軸MEMS加速度計ADXL345芯片，該芯片支持IIC通信和SPI通信。根據ADXL345傳感器手冊及兼容Arduino IDE開發環境和Mixly開發環境的使用，本文電路設計采用IIC接口通信，ADXL345傳感器的IIC接口與Mega2560核心板的IIC接口相連接，電路設計如圖5（a）所示

3.5 人體紅外傳感器

人體紅外傳感器也即熱釋電傳感器，廣泛應用在人體感應開關開關、來客告知、防盜報警等非接觸開關領域[10]。

本文電路設計采用AM612人體紅外熱釋傳感器，根據AM612手冊可知該傳感器的1號引腳需連接系統電源VCC，2/3可直接連接系統GND，4號引腳連接Mega2560核心板的PWM11號管腳與主控MCU通信，電路設計如圖5（b）所示。

3.6 RTC時鐘

實時時鐘芯片是長身生活中不可缺少的消費類電子產品。實時時鐘為人們提供精確的時間，也可以為電子系統提供精確的時間基準。

本文實時時鐘電路設計采用是一款低功耗，具有56字節非失性RAM的全BCD碼時鐘日歷實時時鐘的IIC通信器件DS1307芯片。由于上文的電路設計Mega2560核心板的IIC引腳已經掛在多個設備，為了使用戶更為方便地學習和使用，實時時鐘芯片DS1307的通信引腳設計為PWM13/PWM12引腳，用戶可在編程時設置此引腳為虛擬IIC通信模式即可，DS1302的3號引腳連接一個CR1220的紐扣電池，以確保在學習板不通電的情況下實時時鐘可以繼續運轉，電路設計如圖5（c）所示。

4 結束語

限于篇幅，本文關于平臺擴展部分的設計理念及系統軟件設計方面未能做詳細介紹。本文設計的Arduino綜合學習訓練平臺，可以使相關學習者系統地學習電子產品的系統開發設計的一般操作流程和軟硬件設計方法，同時也大為降低入門者學習門檻。以本平臺作為教學實驗提高了學習者編程學習的主動性，鍛煉了學習者解決問題的能力，使學習者的開發實戰能力得到了較大的提高，同時也在青少年編程競賽中發揮著重要的作用。

參考文獻

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