第２５卷第１期 ２０１２年１月 机电产品开崖与 崭 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｉｃａｌｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｖｏ１．２５．Ｎｏ．１ Ｊａｎ．．２０１２ 文章编号：１００２—６６７３（２０１２）０１—０９９—０３ 基于Ａｒｄｕｉｎｏ的网络互动产品创新设计 杨继志 ，杨宇环 （１．北京航天试验技术研究所，北京１０００７４；２．吉林油田江南物业管理公司，吉林松原１３８０００） 摘 要：Ａｒｄｕｉｎｏ是一款电子互动产品开发的软硬件平台，有时也叫做“电子积木”。由于其有丰富的外围 硬件模块和大量的开源软件库可以使用，因此其开发互动产品十分便捷，特别是与因特网的连接， 由于有相关网络模块和软件库的支持，开发网络互动产品也非常方便，这是一般单片机系统不具 备的特点。论文简要介绍了Ａｄｕｉｎｏ的主要特点和硬软件组成，并通过实例说明了基于Ａｒｄｕｉｎｏ系 统的网络互动产品创新设计的基本过程。使读者可以初步掌握采用Ａｒｄｕｉｎｏ进行网络互动产品设 计的基本能力。 关键词：Ａｒｄｕｉｎｏ：单片机；因特网连接 中图分类号：ＴＢ５１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１２．０１．０４０ ＡｒｄｕｉｎＯ—ｂａｓｅｄ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ＹＡＮＧ 一Ｚｈｉ ，ＹＡＮＧ Ｙｕ—Ｈｕａｎ （１．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆＪｉｌｉｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｃｏｍｐａｎｙ，ＳｏｎｇｙｕａｎＪｉｌｉｎ １３８０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｒｄｕｉｎｏ ｉｓ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｓｏｍｅｔｉｍｅｓ ｉｔ ｉｓ ｃａｌｌｅｄ”ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｂｌｏｃｋｓ．”Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｒｉｃｈ ｐｅ却ｈｅｒａｌ ｈａｒｄｗａｒｅ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｎｄ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｏｐｅｎ ｓｏｕｒｃｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｌｉｂｒａｒｉｅｓ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｍｅｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ｓｏｆｔ－ ｗａｒｅ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｅａｓｙ．Ｔｈｉｓ ｉｓ ｉｓ ｃｈａｒａｃｔｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｙｓ— ｔｅｒｎｓ ｈａｖｅｎ ｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ａｄｕｉｎｏ Ｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｍｏｒｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ Ａｒｄｕｉｎｏ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｄｅｓｉｇｎ ＷａＳ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔＯ ｒｅａｄｅｒｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ Ａｒｄｕｉｎｏ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｒｄｕｉｎｏ；ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ０引言 Ａｒｄｕｉｎｏ是一款基于单片机系统的电子产品开发平 多地使用Ａｒｄｕｉｎｏ作为开发平台，由于Ａｒｄｕｉｎｏ的流行 和易用性，相信将会有更多的Ａｒｄｕｉｎｏ标准的软件库和 硬件模块出现。本文简要介绍了Ａｒｄｕｉｎｏ的硬件、软件 并给出了采用Ａｒｄｕｉｎｏ开发与因特网互动产品的实例， 使初学者对它有一个基本的认识。 台，它的软硬件系统都具有高度的模块化．而且软件系 统是完全开源的，有大量的志愿者在随时发布和升级相 关软件库，因此保证了其软件系统的开源、内容丰富、 实时更新的特点。其硬件系统也是高度模块化的．在核 １ Ａｒｄｕｉｎｏ硬件 １．１ Ａｒｄｕｉｎｏ主控制板 Ａｒｄｕｉｎｏ的主控板采用ＡＶＲ单片机．这似乎并没有 新颖的地方，但是由于其与自己独特的软件开发环境相 配合，在其软件环境的支持下。隐藏了几乎全部的与硬 件相关的部分，因此使得Ａｒｄｕｉｎｏ的硬件给设计者的感 心控制板的外围，有开关量输入输出模块、各种模拟量 传感器输入模块、总线类传感器的输人模块，还有网络 通信模块，只要在核心控制板上增加网络控制模块，就 可以容易地与互联网连接。由于Ａｒｄｕｉｎｏ具有这样的高 度的模块化特点，因此有时叫它“电子积木”。目前， 我国各种电子制作竞赛、电子艺术品创意设计等越来越 收稿日期：２０１１—１１—２４ 受是十分简单易用，其虽然也采用类Ｃ＋＋语言作为对硬 件编程的语言，但是却十分简单易用。例如，其设定并 作者简介：杨继志（１９７７－），毕业于哈尔滨工程大学，获得 机械设计及理论专业硕士学位，高级Ｘ－程师。目前在北京航 开始以９６００的波特率进行串口通信，仅仅需要Ｓｅｒｉａ１． ｂｅｇｉｎ（９６００），对串口进行输出仅仅是Ｓｅｒｉａ１．Ｐｒｉｎｔ（“ｓｏｍｅ． ｔｈｉｎｇ ｙｏｕ ｗａｎｔ”）即可，因此可以看出硬件相关的诸如 天试验技术研究所从事工业自动化系统设计工作。 ・制造业信息化・ 定时器的设定等编程代码全部进行了封装，这对于对单 片机硬件系统并不是十分熟悉的用户也可以容易地上手 使用其硬件。Ａｒｄｕｉｎｏ主控板最新的版本是ＵＮＯ，它把 关的一些参数都参数化并进行了很好的封装，因此不用 开发者去了解其硬件结构即可对其编程，实现设计者的 设计意图和创意。但是Ａｒｄｕｉｎｏ的语言与Ｃ／Ｃ＋＋语言运 行机制还是有一些区别的。Ａｒｄｕｉｎｏ的程序中必须包括 ｓｅｔｕｐ和ｌｏｏｐ两个函数，ｓｅｔｕｐ函数在系统上电或复位后 运行一次，因此一些一次性的工作可以放在这个函数中 运行，如在其中做一些初始化工作。Ｌｏｏｐ函数是Ａｒ． ｄｕｉｎｏ软件项目的主体，系统上电并且运行完成ｓｅｔｕｐ函 数后，就进入ｌｏｏｐ函数，并且该函数是一个无限循环的 Ａｔｍｅｇａ８Ｕ２编程为一个ＵＳＢ设备，使得Ａｒｄｕｉｎｏ在Ｐｃ 端可以显示成为一个ＵＳＢ设备，就像是一个鼠标或游 戏操作手柄，开辟了Ａｒｄｕｉｎｏ的新用途ｌｌｌ。总之Ａｒｄｕｉｎｏ的 主控板就是一个单片机控制板，在这一点上与其它单片 机控制板并无本质的区别，但是由于有丰富的系列产 品、大量的开源软件以及软件对与硬件相关的设置进行 了很好的封装，让Ａｒｄｕｉｎｏ得到了更为广泛的应用和支 持，甚至可以作为电子艺术创意产品设计的平台。 过程，这与ＰＬＣ程序的运行机制类似，做过工业控制的 用户会很容易理解其运行原理。但是对习惯于Ｃ语言开 发的用户还是需要注意。ＬＯＯＰ函数运行时相当与Ｃ语 言中的一个无限循环，也就是相当于以下程序： Ｗｈｉｌｅ（１） １．２ Ａｒｄｕｉｎｏ输出模块 由于Ａｒｄｕｉｎｏ的硬件是以ＣＣ（Ｃｒｅａｔｉｖｅ Ｃｏｍｍｏｎｓ）形 式授权的，这意味着任何人都可以仿制和开发Ａｒｄｕｉｎｏ 的硬件电路，使得Ａｒｄｕｉｎｏ官方版以及非官方的克隆版、 变种版数量超过５０万块在使用【ｌ】。其输出模块种类也很 丰富，有各类显示模块，如ＬＥＤ灯控制模块、ＬＣＤ控 ｛ 用户程序 ） 制模块、触摸屏控制等；还有声音输出模块，如嗡鸣器 和扬声器模块：还有物理系统的控制。如各类直流小马 达、步进电机、舵机等。这是在各类机器人制作竞赛上 经常看到基于Ａｒｄｕｉｎｏ的项目的原因 由于这样丰富的 硬件输入模块的支持，使得开发者可以将精力集中在控 制策略和系统功能上来而不是在单片机系统和外围控制 在系统Ｓｅｔｕｐ执行之后，总是进入这个函数，开发 者需要把自己的程序放在这个函数内运行，需要习惯这 种运行机制。 ２．２ Ａｒｄｕｉｎｏ开发环境 Ａｒｄｕｉｎｏ的开发环境可以在其官方网站上下载免费 使用。ＩＤＥ如图１所示。与一般的ＷｉｎｄｏｗｓＩＤＥ程序没 有特别的区别。在编程窗口下是一个串口监视器窗口， 在许多程序的调试过 程中需要Ａｒｄｕｉｎｏ传输 给上位机一些信息以 系统的ＰＣＢ制作上。另外还可以利用ＡＶＲ单片机的 ＰＷＭ输出１３进行ＤＡ转换。这些模块大大拓展了Ａｒ－ ｄｕｉｎｏ作为一个单片机平台的用途，使其不仅仅可以对 大功率的开关器件进行控制．还可以进行功率的连续控 制，如基于ＬＮ２９８设计的直流马达控制模块，在需要进 行调节各类机器人中小马达速度的情况下使用很多。它 能够同时控制两路直流马达或步进电机，对完成巡线机 器人等项目十分便利。 便于开发者判断程序 的运行状况．或者得 到程序的运行结果， 可以在Ａｒｄｕｉｎｏ中编 １．３ Ａｒｄｕｉｎｏ输入模块 与一般的单片机系统相同．Ａｒｄｕｉｎｏ也需要一些如 各类按钮、位置行程开关等的开关量输入，而这些开关 量的输入都有相关的模块可以直接使用，简化了设计。 其它输入模块诸如超声测距、压力传感器、温度传感 入从串口输出中间结 果的语句，便于开发 图１ Ａｒｄｕｉｎｏ的ＩＤＥ Ｆｉｇ．１ Ａｒｄｕｉｎｏ￣ＩＤＥ 者判断程序的运行，极大地方便了项目的开发。 ３ Ａｒｄｕｉｎｏ与互联网通信项目开发实例 使用单片机开发与互联网通信的程序，对一般的电 子制作爱好者或电子创意产品设计者是一个很大的挑 战。但是在Ａｒｄｕｉｎｏ在网络硬件模块和相应的软件库的 支持下，这个任务却变得简单了。首先是将Ａｒｄｕｉｎｏ的 网络模块安装好．其安装也很容易，按相应的插针插入 主控板即可。之后可在ＩＤＥ中写入相关的代码。下面用 一器、倾角传感器等也比较丰富。另外还有记录数据和通 信用的模块，如ＳＤ卡模块．以太网接入模块等。所有 这些让Ａｒｄｕｉｎｏ可以不仅仅作为一个控制终端使用，还 可以进行数据的存储和简单处理、与外界系统通信等。 ２ Ａｒｄｕｉｎｏ软件 ２．１ Ａｒｄｕｉｎｏ编程语言 Ａｒｄｕｉｎｏ有自己特有的编程语言．其语法规则类似 于Ｃ／Ｃ＋＋语言。ＩＤＥ环境和语言把ＡＶＲ单片机与硬件相 １００ 个使用Ａｒｄｕｉｎｏ向互联网上发送电子邮件的程序进行 简要的说明。关键部分程序如下： ＃ｉｎｃｌｕｄｅ＜Ｅｔｈｅｍｅｔ．ｈ＞ （下转第６０页） ・产品与市场・ 管带进空气，应启动电源，关闭回油阀，打开进油阀， 让主体油缸中含有空气的油流回油箱。如此反复数次． 定程度产生漏油），或稳压弹簧刚度过低；②节流针孔 有堵塞现象，应采取的措施：首先应检查液压系统，排 除漏油因素，其次清洗节流针孔，检查稳压弹簧刚度是 否合适，否则予以更换。 直至空气排尽；④油液粘度低，活塞周围有较多溢油， 高压回漏油，应采取的措施：更换符合要求的新 油；⑤送油阀内有铁末、油渣等异物，使送油阀内顶杆 不能在阀内的分流槽内自由移动，使液压系统产生震 ５．５摆锤回位不良 其可能原因有：①缓冲阀问题：一是缓冲阀调节不 当，二是缓冲阀节流针磨损。三是缓冲阀内的钢球与进 油口接触不良，有空隙；四是缓冲阀出油孔堵塞；（ 油 动，应采取的措施：清洗送油阀，排出异物；⑥送油阀 内起稳压作用的弹簧刚度不适（一般太软），引起液压 系统震动，应采取的措施：更换合适的弹簧。 的粘度过大或过小（摆锤回落速度太慢或太快）；③液压 油太脏。应采取的措施：首先检查缓冲器调节位置是否 恰当，油液是否清洁，粘度是否符合要求，其次检查缓 ５．２载荷保持不住 其可能原因有：①液压油粘度过低；②液压系统内 有空气存在；③液压系统漏油或回油阀关闭不严；④送 油阀内的稳压弹簧刚度过小；⑤送油阀内有杂质异物。 应采取的措施：首先排出液压系统中的空气，排除漏油 因素，如活塞四周有大量液压油溢出，则应检查溢流管 导通情况，其次检查液压油粘度，视情况处理。如经处 理或换油后不漏油而载荷仍保持不住，则应清洗送油阀 并增加阀内稳压弹簧刚度。 冲阀是否清洁完好，节流针是否磨损。视情况予以调整 或更换。 ６安装与初次运行 （１）试验机要安装在清洁、干燥、无震动且温度均 匀的房间内，并考虑到作长梁弯曲试验和使用各种引伸 计进行试验。以及对设备的维修等，在试验机的周围应 留出足够的空间。试验机主机应安装在混凝土的基础 上，基础的上平面应平正，用水平尺找平，待基础干燥 后，再装上主机。 ５．３加不上载荷。或加不到最大载荷 其可能原因有：①油泵皮带松动，有打滑现象；② 油泵不能正常丁作；⑧油箱中的储油量不足；④液压油 粘度过低；⑤液压系统有漏油情况发生；⑥送油阀内稳 压弹簧刚度不够：⑦送油阀内的节流针孑Ｌ有堵塞现象。 应采取的措施：首先检查高压油路系统是否漏油，油箱 内储油量是否足够，油泵皮带是否松动，其次检查回油 （２）主机的浇固，主机找正后，用混凝土将地脚螺 母浇固，并将机座下面四周的空隙全部填死，保证机座 与基础良好接触，防止在使用过程中因受震动而造成主 机垂直度发生变化。 参考文献： ［１１王以伦．液压技术【Ｍ］．广播电视大学出版社，２０００． 管的回油量是否在油压上升时变大（正常情况下应不变 或变小），然后再检查送油阀、油泵等是否正常，根据 情况采取相应对策。 【２】薛祖得－灞 压传动【Ｍ１．北京出版社，１９９５． 【３］济南试验机制造总公司．万能试验机说明书［ｚ］．２００５，２． ［４】上海ｌＴ业大学．液压传动与控制［Ｍ］．上海科学技术出版社，１９８１． ５．４加荷途中。指针突然向回倒或抖动 其可能原因有：①液压系统有严重漏油（升压到一 （上接第１００页） Ｂｙｔｅ ｓｅｒｖｅｒ ＩＪ｛Ｘ，Ｘ，Ｘ，Ｘ｝；／／Ｘ，Ｘ，Ｘ，Ｘ是电子邮件 服务器的ＩＰ地址 由此可见，一项本来比较艰巨的任务变得简单了， 仅仅是包含相应的库文件、定义重要的数据、生成邮件 客户机类的实例、用ｃｌｉｅｎｔ．ｐｒｉｎｔｌｎ函数发送相关信息等， 可见软件代码很清晰和简短，真正体现了“电子积木” 的特点。 Ｃｌｉｅｎｔ ｃｌｉｅｎｔ（ｓｅｒｖｅｒ，２５）； Ｖｏｉｄ ｓｅｎｄＥｍａｉｌ ０ ｛ Ｉｆ（ｃｌｉｅｎｔ．ｃｏｎｎｅｃｔ ０） ｛ ４结论 Ａｒｄｕｉｎｏ是一个开放的单片机开发人机互动产品的 Ｃｌｉｅｎｔ．ｐｒｉｎｔｌｎ（”ＨＥＬＬＯ ＭＹＳＥＲＶＥＲ”）；ｄｅｌａｙ ０； Ｃｌｉｅｎｔ．ｐｒｉｎｔｌｎ（”ＡＵＴＨ ＧＯＧＩＮ”）；ｄｅｌａｙ ０； Ｃｌｉｅｎｔ．ｐｒｉｎｔｌｎ（”用户名”）；ｄｅｌａｙ ０； 软硬件平台，由于它有丰富的软硬件资源而且十分易 用，因此得到了广泛的应用，特别是电子制作竞赛、电 子艺术品创意开发等方面应用很广。 参考文献： 【ｌ】Ｊｏｓｈ Ａｄａｍｓ．Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ Ａｒｄｕｉｎｏ，Ｍｉｃｈａｅｌ ＭｃＲｏｂｅｒｔｓ ２０１０． Ｃｌｉｅｎｔ．ｐｒｉｎｔｌｎ（”密码”）；ｄｅｌａｙ ０； ／／之后用同样的ｃｌｉｅｎｔ．ｐｒｉｎｔｌｎ函数向邮件服务器 发送电子邮件的标题内容等 ｝ ６Ｏ 【２ Ｍａｓｓｉ２］ｍｏ Ｂａｎｚｉ．Ｇｅｔｔｉｎｇ Ｓｔａｒｔｅｄ ｗｉｔｈ Ａｒｄｕｉｎｏ，２００９．
