Arduino與通用技術/青少年科技創新叢書 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

（1）多元結閤，綜閤實踐：信息技術和通用技術融閤，實現綜閤能力提升。
（2）來源生活，服務生活：案例難度適中，緊密聯係生活。
（3）立足技術，實現整閤：實現 Arduino教學與技術課程的整閤。
（4）學習製作，學習創作：幫助學生實現從“學習製作”到“學習創作”的改變。
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內容簡介

本書以Arduino為載體，以通用技術知識點為導嚮，圍繞Arduino電子製作展開介紹，通過具體的案例製作，介紹瞭控製方式、係統組成、控製係統分類等通用技術的知識點。本書作為安徽省省級課題“基於Arduino平颱的普通高中通用技術課程開發”研究成果，經過3年實踐，取得瞭良好的效果。
本書的適用對象為普通高級中學學生。現行通用技術教材內容中缺少學生動手實驗的平颱，而Arduino又是一個注重實際動手的産品，本書將Arduino與通用技術知識點融閤，通過一個個項目製作讓學生在製作中理論聯係實際，完成知識的構建。因此，本書可作為普通高中學生通用技術學習的實驗指導書。

作者簡介

陳傑，淮南市技術科目兼職教研員，淮南市學科帶頭人，DF創客社區Arduino闆塊版主，淮南一中中級教師。緻力於創客教育研究，主持省級課題2項。曾獲安徽省優秀教科研成果評選二等奬。指導學生參與青少年科技創新大賽，多次獲得省一等奬。

姚琦，淮南市第十六小學信息技術高級教師。淮南市信息技術學科帶頭人，曾多次獲得國傢、省、市優質課評比一等奬。

李曉坤，淮南一中信息技術高級教師，淮南市學科帶頭人、安徽省“電化教育先進工作者”，安徽省電教館專傢組成員，在CN刊物上發錶的有20多篇，負責課題多個《網絡環境下信息技術教學模式的研究》《基於數字化校園網研究——信息技術課程管理係統》《信息技術學科教學多元評價方法的實施研究》。曾輔導學生參加全省電腦作品競賽，獲全省“機器人足球”比賽高中組一等奬。

目錄

第1章初識Arduino1
1.1Arduino概述1
1.2Arduino的特色3
1.3Arduino快速上手9
1.4Arduino基本函數15
第2章感受多樣控製方式——玩轉LED21
2.1LED延遲開關21
2.2“呼吸燈”26
2.3感知顔色的燈29
2.4手勢控製的燈35
2.5網絡控製的燈38
第3章係統的組成——“黏土怪”與“盒仔”45
3.1係統的組成45
3.2人體紅外監測裝置——“黏土怪”46
3.3“包裝”人體紅外監測裝置——“黏土怪”49
3.4桌麵“氣象怪”55
3.5包裝桌麵氣象颱59
第4章控製係統分類——傳感器在日常生活中的應用62
4.1天然氣檢測報警處理裝置62
4.2火焰檢測滅火裝置66
4.3隨光綫強度自動調整的燈68
4.4電控升降衣架模型71
4.5恒溫房間73
第5章基於物聯網平颱的禁煙防火預警係統80
5.1基於物聯網平颱的禁煙防火預警係統設計80目錄 Arduino與通用技術〖2〗〖2〗 〖1〗
5.2通過網絡采集溫度數據82
5.3采集多路傳感器數據87
5.4通過微博播報室內溫度90
5.5通過發送微博控製電器93
5.6係統的技術試驗及優化95
第6章基於藍牙的遙控係統設計與製作102
6.1基於藍牙的數據收發103
6.2基於藍牙控製的遙控項目106
6.3藍牙多功能夜燈的創意設計112
6.4BLE無綫編程114
6.5基於藍牙的轉嚮指示器119
第7章電子控製係統綜閤應用——智能小車126
7.1驅動小車——走“8”字127
7.2避障小車132
7.3防跌落小車136
7.4巡綫小車138
7.5無綫遙控小車142
7.6創意小車方案147
參考文獻149

精彩書摘

第1章初識Arduino
本章將帶你瞭解什麼是Arduino，Arduino可以用來做哪些事情，怎樣使用Arduino快速上手，以及Arduino的常用函數。快讓我們一起來認識一下神奇的Arduino吧！
1.1Arduino概述
如果認為編程就是坐在計算機屏幕前不停地敲鍵盤，利用電子計算機自動處理問題，那就落伍瞭。今天的Arduino已使人對編程的看法“耳目一新”。因為在編寫程序前要設置好自己的電路，然後再編寫程序代碼，並且這些程序可以控製和感知外圍世界。例如，圖1��1“智能傢居控製係統”模型，可實現火焰報警、煙霧報警、自動門、光控燈、恒溫屋等功能。
圖1��1智能傢居係統
Arduino是一款開源電子平颱，包含各種型號的Arduino闆和Arduino IDE軟件。它由意大利教師Massimo Banzi和西班牙籍晶片工程師David Cuartielles聯手開發設計電路闆，並引入Banzi的學生提供的程序設計語言。起初他們是為瞭解決學生們在做試驗時找不到便宜好用的微控製器這一問題。但隨後3人又秉承設計時的開放源代碼理念，把設計圖放到瞭網上，任何人都可以生産這種電路闆，還能重新設計，為現在市場上大量的Arduino控製闆奠定瞭堅實基礎。Arduino不僅是一個基於開放源代碼的軟硬件平颱，並且具有類似Java、C語言的開發環境。幾乎任何人，即使不懂計算機編程，也能用Arduino做齣很酷的東西。例如，對傳感器偵測數據作齣迴應，閃爍燈光，控製電動機……實質上Arduino就是一塊單片機。圖1��2所示為一塊Aduino Uno R3控製闆。
第1章初識Arduino Arduino與通用技術〖2〗〖2〗 〖1〗 圖1��2Arduino Uno R3闆
【知識拓展】什麼是單片機？它與PC有什麼不同？
一颱完整的計算機係統通常由以下幾部分構成: 中央處理器CPU進行運算、控製工作；隨機存儲器RAM、隻讀存儲器ROM，閤稱存儲器，用於存儲數據；輸入設備；輸齣設備。在PC上這些部件被分成若乾塊芯片，安裝在一塊稱為主闆的印製綫路闆上。而在單片機中，這些部件全部被做到一塊集成電路芯片中，所以稱為單片機，而且有一些單片機中除瞭上述部件外，還集成瞭其他部件，如模擬量/數字量轉換(A/D)和數字量/模擬量轉換(D/A)等。
單片機在生活中有何應用？
實際工作生活中並不是所有需要計算機的場閤都要求PC有很高的性能，對於一個控製房間溫度的控製器，如果要用酷睿處理器，那絕對是一種浪費，應用的關鍵是看是否夠用，是否有很好的性價比。如果一颱空調都需要用酷睿來進行溫度控製，那空調的價格就是天價瞭。單片機通常用於工業生産的控製、生活中與程序和控製有關(如電子玩具、電子琴、冰箱、智能空調等)的場閤。圖1��3所示的Atmega328P|PU單片機，是基於AVR指令集的8位處理器，頻率20MHz，存儲器空間32KB。
圖1��3Atmega328P-PU單片機
【小任務】請你從日常生活中所使用的電氣設備中找到單片機的身影。
1.2Arduino的特色〖*2〗1. 開放的電路闆設計Arduino控製闆是采用開放源代碼的電路圖設計，所以有經驗的電路設計師能夠根據需求設計自己的模塊，可以對其擴展或改進；甚至對於一些沒有經驗的用戶，也可以通過製作試驗闆來理解Arduino是怎麼工作的。而且版權法隻監管開源軟件，卻很難用在硬件上，於是Arduino采用Creative Commons許可。任何人都可以生産電路闆，還能重新設計，甚至銷售，而這一切都不需要付版稅。然而，如果你重新發布瞭引用設計，必須說明原始Arduino團隊的貢獻。如果你調整或改動瞭電路闆，你的最新設計必須使用相同或類似的 Creative Commons許可，以保證新版本的Arduino電路闆也是自由和開放的。圖1��4～圖1��6是各類Arduino闆。
圖1��4Arduino Yun闆
圖1��5DFRduino UNO V3.0 R3闆
圖1��6OCROBOT MANGO闆
如果想熟悉Arduino的電路設計，並想親自動手，完全能夠從網上找到一些Arduino的電器元件，依據布局分布圖把它們組閤在一起，如圖1��7和圖1��8所示。
圖1��7焊接原型闆
圖1��8電子元器件
2. 跨平颱編程方式多樣
Arduino IDE可以運行在Windows、Macintosh OSX和Linux操作係統上，其編程主要有以下幾種方式。
(1) 使用官網Arduino IDE編程環境，可在官網(http://www.arduino.cc)下載，支持Windows、MacOS、Linux操作係統。Arduino是基於AVR平颱，對AVR庫進行瞭二次編譯封裝，把端口都打包好，拋開寄存器、地址指針之類匯編語言等，取而代之的是高級語言的簡單函數。大大降低瞭軟件開發難度，適宜非專業愛好者使用。Arduino軟件是開源的，同時與C、Java語言在語法上有很大的相似性，有經驗的程序員可以對其進行擴展。圖1��9所示為Arduino IDE編程界麵，其功能為每隔1s循環打開或關閉LED。
圖1��9Arduino IDE編程界麵
(2) 使用微軟的Visual Studio環境，也有Arduino for Microsoft Visual Studio的插件，安裝後可以在Visual Studio裏麵進行Arduino的開發。圖1��10所示為Arduino for Microsoft Visual Studio。
圖1��10Arduino for Microsoft Visual Studio界麵
(3) 如果不太喜歡寫代碼，或者是教小孩子玩Arduino，可以使用ArduBlock(圖1��11所示的ArduBlock編程界麵)或S4A。ArduBlock軟件是Arduino官方編程環境的第三方軟件，目前必須依附於Arduino軟件運行，區彆於Arduino文本式編程環境，ArduBlock是以圖形化積木搭建的方式編程的，這樣的方式會使編程的可視化和交互性加強，編程門檻降低，即使沒有編程經驗的人也可以嘗試給Arduino控製器編寫程序。
圖1��11Ardublock編程界麵
以上3種編程環境對初學者來說很容易就能學會。同時Arduino編程環境又能為高級用戶提供足夠的高級應用。
3. 價格便宜
與其他平颱相比，Arduino控製闆算是相當便宜瞭。最便宜的Arduino版本可以自己動手製作，即使是組裝好的成品，其價格也不會很高，目前DRROBOT推齣的Arduino入門套件(圖1|12)Beginner KIT for Arduino為210元。
圖1��12Beginner KIT for Arduino
試驗所用器材如錶1��1所示。錶1��1試驗器材清單
序號名稱數目1DFRdunio UNO Rev312Prototyping Shield for Arduino13紅外接收頭IRM3638T144腳直插輕觸按鍵45環保光敏電阻16振動開關（綠色）27數碼管共陽1序號名稱數目8LM35DZ精密溫度傳感器19高品質試驗跳綫1106節AA電池盒111直插電阻220R2012直插電阻4.7kΩ2013直插電阻4.7kΩ2014直插電阻10kΩ20
序號名稱數目15直插電阻1kΩ2016紅、黃、綠色各3個直插LED17R、G、B LED共陰1189g微型舵機119微型遙控器120USB綫 AtoB方口1續錶
序號名稱數目21繼電器122無源蜂鳴器123電動機的扇葉124直流電動機125電位器326公母頭麵包綫14. 綫上燒錄、感知外圍世界
Arduino可使用ICSP綫上燒入器，將編製程序燒入芯片，隻需一根連接綫就可以隨時隨地嚮芯片中刷入程序，實現相應的功能。同時利用Arduino控製闆可簡單地與傳感器、各式各樣的電子元件連接，如紅外綫、超聲波、熱敏電阻、光敏電阻、電動機等，從而實現感知外圍世界、控製外圍世界的目的。例如，圖1��13所示的溫度報警器中，當溫度達到設定的極限值時，蜂鳴器發齣警報聲。
圖1��13溫度報警器
Arduino還有很多優點。例如，支持安卓係統、支持多種互動程序，如Flash、Max/Msp、PD、Processing等，並且由於其在軟硬件上都采用開源的理念，使得Arduino擁有大量的資源。
【小任務】請你觀察圖1��14所示的提示溫度的水杯設計，瞭解其工作原理，想一想水杯采用瞭哪些電器元件？
圖1��14提示溫度的水杯
1.3Arduino快速上手〖*2〗1. 下載Arduino IDE編譯器打開網頁輸入網址http://arduino.cc/en/Main/Software,進入頁麵後，找到圖1��15所示的Arduino IDE下載界麵。對於Windows用戶，單擊下載Windows(ZIP file)；對於Mac、Linux用戶，則選擇相應的係統。下載完成後，解壓文件，打開Arduino 1.0.6文件夾，單擊Arduino就可以直接使用瞭。
2. 安裝驅動
準備一塊Arduino UNO控製闆，把USB一端插到UNO上，另一端連到計算機。當第一次將Arduino UNO與計算機相連接時，計算機上會齣現“找到新硬件嚮導”對話框，連接成功後，Arduino UNO闆的紅色電源指示燈亮起。然後，打開控製麵闆，選擇設備管理器。圖1��16所示為Arduino設備識彆界麵。
……

前言/序言

吹響信息科學技術基礎教育改革的號角
（一）
信息科學技術是信息時代的標誌性科學技術。信息科學技術在社會各個活動領域廣泛而深入的應用，就是人們所熟知的信息化。信息化是21世紀最為重要的時代特徵。作為信息時代的必然要求，它的經濟、政治、文化、民生和安全都要接受信息化的洗禮。因此，生活在信息時代的人們應當具備信息科學的基本知識和應用信息技術的基礎能力。
理論和實踐錶明，信息時代是一個優勝劣汰、激烈競爭的時代。誰先掌握瞭信息科學技術，誰就可能在激烈的競爭中贏得製勝的先機。因此，對於一個國傢來說，信息科學技術教育的成敗優劣，就成為關係國傢興衰和民族存亡的根本所在。
同其他學科的教育一樣，信息科學技術的教育也包含基礎教育和高等教育兩個相互聯係、相互作用、相輔相成的階段。少年強則國強，少年智則國智。因此，信息科學技術的基礎教育不僅具有基礎性意義，而且具有全局性意義。
（二）
為瞭搞好信息科學技術的基礎教育，首先需要明確: 什麼是信息科學技術？信息科學技術在整個科學技術體係中處於什麼地位？在此基礎上，明確： 什麼是基礎教育階段應當掌握的信息科學技術？
眾所周知，人類一切活動的目的歸根結底就是要通過認識世界和改造世界，不斷地改善自身的生存環境和發展條件。為瞭認識世界，就必須獲得世界（具體錶現為外部世界存在的各種事物和問題）的信息，並把這些信息通過處理提煉成為相應的知識；為瞭改造世界（錶現為變革各種具體的事物和解決各種具體的問題），就必須根據改善生存環境和發展條件的目的，利用所獲得的信息和知識，製定能夠解決問題的策略並把策略轉換為可以實踐的行為，通過行為解決問題、達到目的。
可見，在人類認識世界和改造世界的活動中，不斷改善人類生存環境和發展條件這個目的是根本的齣發點與歸宿，獲得信息是實現這個目的的基礎和前提，處理信息、提煉知識和製定策略是實現目的的關鍵與核心，而把策略轉換成行為則是解決問題、實現目的的最終手段。不難明白，認識世界所需要的知識、改造世界所需要的策略以及執行策略的行為是由信息加工分彆提煉齣來的産物。於是，確定目的、獲得信息、處理信息、提煉知識、製定策略、執行策略、解決問題、實現目的，就自然地成為信息科學技術的基本任務。
這樣，信息科學技術的基本內涵就應當包括： ①信息的概念和理論； ②信息的地位和序（1） Arduino與通用技術〖2〗〖2〗 〖1〗 作用，包括信息資源與物質資源的關係以及信息資源與人類社會的關係； ③信息運動的基本規律與原理，包括獲得信息、傳遞信息、處理信息、提煉知識、製定策略、生成行為、解決問題、實現目的的規律和原理； ④利用上述規律構造認識世界和改造世界所需要的各種信息工具的原理和方法； ⑤信息科學技術特有的方法論。
鑒於信息科學技術在人類認識世界和改造世界活動中所扮演的主導角色，同時鑒於信息資源在人類認識世界和改造世界活動中所處的基礎地位，信息科學技術在整個科學技術體係中顯然應當處於主導與基礎雙重地位。信息科學技術與物質科學技術的關係，可以錶現為信息科學工具與物質科學工具之間的關係： 一方麵，信息科學工具與物質科學工具同樣都是人類認識世界和改造世界的基本工具；另一方麵，信息科學工具又是駕馭物質科學的工具。
參照信息科學技術的基本內涵，信息科學技術基礎教育的內容可以歸結為： ①信息的基本概念； ②信息的基本作用； ③信息運動規律的基本概念和可能的實現方法； ④構造各種簡單信息工具的可能方法； ⑤信息工具在日常活動中的典型應用。
（三）
與信息科學技術基礎教育內容同樣重要甚至更為重要的問題是要研究： 怎樣纔能使中小學生真正喜愛並能夠掌握基礎信息科學技術？其實，這就是如何認識和實踐信息科學技術基礎教育的基本規律的問題。
信息科學技術基礎教育的基本規律有很豐富的內容，其中有兩個重要問題： 一是如何理解中小學生的一般認知規律；二是如何理解信息科學技術知識特有的認知規律和相應能力的形成規律。
在人類（包括中小學生）一般的認知規律中，有兩個普遍的共識： 一是“興趣決定取捨”；二是“方法決定成敗”。前者錶明，一個人如果對某種活動有瞭濃厚的興趣和好奇心，就會主動、積極地探尋奧秘；如果沒有興趣，就會放棄或者消極應付。後者錶明，即使有瞭濃厚的興趣，如果方法不恰當，最終也會導緻失敗。所以，為瞭成功地培育人纔，激發濃厚的興趣和啓示良好的方法都非常重要。
小學教育處於由學前的非正規、非係統教育轉為正規的係統教育的階段，原則上屬於啓濛教育。在這個階段，調動興趣和激發好奇心理更加重要。中學教育的基本要求同樣是要不斷調動學生的學習興趣和激發他們的好奇心理，但是這一階段越來越重要的任務是要培養他們的科學思維方法。
與物質科學技術學科相比，信息科學技術學科的特點是比較抽象、比較新穎。因此，信息科學技術的基礎教育還要特彆重視人類認識活動的另一個重要規律： 人們的認識過程通常是由個彆上升到一般，由直觀上升到抽象，由簡單上升到復雜。所以，從個彆的、簡單的、直觀的學習內容開始，經過量變到質變的飛躍和升華，纔能掌握一般的、抽象的、復雜的學習內容。其中，親身實踐是實現由直觀到抽象過程的良好途徑。
綜閤以上幾方麵的認知規律，小學的教育應當從個彆的、簡單的、直觀的、實際的、有趣的學習內容開始，循序漸進，由此及彼，由錶及裏，由淺入深，邊做邊學，由低年級到高年級，由小學到中學，由初中到高中，逐步嚮一般的、抽象的、復雜的學習內容過渡。
（四）
我們欣喜地看到，在信息化需求的推動下，信息科學技術的基礎教育已在我國眾多的中小學校試行多年。感謝全國各中小學校的領導和教師的重視，特彆感謝廣大一綫教師們堅持不懈的努力，剋服瞭各種睏難，展開瞭積極的探索，使我國信息科學技術的基礎教育在摸索中不斷前進，取得瞭不少可喜的成績。
由於信息科學技術本身還在迅速發展，人們對它的認識還在不斷深化。由於受“重書本”“重灌輸”等傳統教育思想和教學方法的影響，學生學習的主動性、積極性尚未得到充分發揮，加上部分學校的教學師資、教學設施和條件還不夠充足，教學效果尚不能令人滿意。總之，我國信息科學技術基礎教育存在不少問題，亟須研究和解決。
針對這種情況，在教育部基礎司的領導下，我國從事信息科學技術基礎教育與研究的廣大教育工作者正在積極探索解決這些問題的有效途徑。與此同時，北京、上海、廣東、浙江等省市的部分教師也在自下而上地聯閤起來，共同交流和梳理信息科學技術基礎教育的知識體係與知識要點，

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