Arduino单片机毕业设计.docx

石家庄邮电职业技术学院毕业设计基于Arduino的急救车音效设计届电信工程系专业移动通信技术（）班级学号姓名指导教师完成日期石家庄邮电职业技术学院毕业设计任务书姓名学号专业班级毕业设计题目基于Arduino的急救车音效设计指导教师姓名职称高级工程师工程师工作单位惠远公司毕业设计内容、基本要求、重点研究问题、主要设计方法（或步骤）：一、设计内容：基于Arduino的急救车音效二、基本要求：把Arduino实验板与蜂鸣器连接起来，通过向Arduino实验板中导入源代码，来使蜂 鸣器发出急救车的音效。三、重点研究内容：利用Arduino与蜂鸣器实现急救车音效四、 主要设计方法：1、Arduino的硬件、软件（开发环境）2、设备连接，调试主要参考文献、资料：1 李学海，经典80C51单片机轻松入门与上手，清华大学出版社，20092 班兹，爱上Arduino，人民邮电出版社，20113 程晨，Arduino开发实战指南，机械工业出版社，20124 网络资料搜集计划进度：1、2012年10月08日2012年10月12日选论题2、 2012年10月13日 2012年10月25日资料搜集,进行系统设计3、2012年10月26日2012年11月02日购买电路板元器件，焊接电路板4、2012年11月03日2012年11月20日撰写论文初稿5、2012年11月21日2012年12月14日修改，定稿打印6、2012年12月24日2012年12月26日答辩指导教师签字：年 月 日石家庄邮电职业技术学院毕业设计评定书姓名学号专业班级毕业设计题目基于Arduino的急救车音效设计指导教师评语：指导教师建议成绩（60%）指导教师签字：年 月 日答辩小组建议成绩（40%）组长签字：年 月 日答辩委员会最后审定成绩主任签字：年 月 日备注急救车，专指接载病员由伤病现场往医院，或用作载接病情严重者作转院服务的 陆上紧急交通工具。急救车的常规配备包括担架、轮椅、呼吸辅助器、氧气筒、药物、 警号灯等。而对于警号灯伴随着“嘀嘟嘀嘟”的声音最为我们熟悉，那么这种“嘀嘟 嘀嘟”的声音是怎样制作出来的呢？目前单片机渗透到我们生活的各个领域，人类生活中所用的几乎每件电子和机械 产品中都会集成有单片机。本文设计以ATMEGA328P-PU单片机为核心，以Arduino为平台。把设置好的 源代码传到Arduino控制板上，然后把蜂鸣器连接在控制板上，以此发出“嘀嘟嘀嘟” 的音效。1前言12 单片机Arduino的核心器件.12.1单片机的定义12.2单片机与个人计算机的异同12.3单片机的作用12.4单片机视图23 Arduino的基本组成.23.1 Arduino的定义.23.2 Arduino的诞生.23.3 Arduino 语言.33.3.1关键字34本次设计所需的硬件与软件64.1Arduino UNO .64.1.1 Arduino uno 基本概要 .74.1.2通信接口74.1.3下载程序84.1.4注意要点84.2蜂鸣器84.3开发环境85系统设计与调试95.1准备好硬件开发平台95.2实现原理95.3程序代码95.4 下载程序105.4.1打开文件夹105.4.2编写源代码115.4.3 编译程序12载程序 致谢20参考文献211前言Arduino是一个开源的电子原型平台，它基于易于使用的硬件和软件而设计。 适合于艺术家，设计师和业余爱好者创建交互性的对象和环境。Arduino通过接收来自各种传感器的输入来感知环境的变化，通过控制灯光， 马达和其它驱动器来表现行为。主板微控制器的编程使用Arduino编程语言（基 于Wiring）和Arduino开发环境（基于Processing）o Arduino项目可以独立运行， 也可以与计算机上运行的软件通信（如Flash、Processing、MaxMSP）。主板可以通过手工制作，或者购买商业成品，而软件是可以免费下载。硬件 参考设计（CAD文件）是开源许可的，可以根据需求自由调整。2单片机Arduino的核心器件2.1单片机的定义单片机，全称单片微型计算机（英语：Single-ChipMicrocomputer），又称微 控制器（Microcontroller），是把中央处理器、存储器、定时/计数器（Timer/Counter）、 各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。2.2单片机与个人计算机的异同一台能够工作的计算机要有这样几个部份构成：中央处理单元CPU （进行 运算、控制）、随机存储器RAM （数据存储）、只读存储器ROM （程序存储）、 输入/输出设备I/O （串行口、并行输出口等）。在个人计算机（PC）上这些部份 被分成若干块芯片，安装在一个被称之为主板的印刷线路板上。而在单片机中， 这些部份全部被做到一块集成电路芯片中了，所以就称为单片（单芯片）机，而 且有一些单片机中除了上述部份外，还集成了其它部份如模拟量/数字量转换 （A/D）和数字量/模拟量转换（D/A）等。电脑应用于高端，单片机应用于中低 端，二者有着各自的生存空间，至少短期内不会出现一种取代另一种的情况。2.3单片机的作用实际工作中并不是任何需要计算机的场合都要求计算机有很高的性能，一个 控制电冰箱温度的计算机难道要用酷睿处理器吗？应用的关键是看是否够用，是 否有很好的性能价格比。如果一台冰箱都需要用酷睿处理起来进行温度控制，那 价格就是天价了。单片机通常用于工业生产的控制、生活中与程序和控制有关（如：电子琴、冰箱、智能空调等）的场合。2.4单片机视图下图就是一个Atmega328P-PU单片机，基于AVR指令集的8位处理器，频 率20MHz，存储器空间32KB。图 2-1 Atmega328P-PU 单片机3 Arduino的基本组成3.1 Arduino 的定义Arduino，是一个开源的单板机控制器，采用了基于开放源代码的软硬件平 台，构建于开放源代码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java，C语言的 Processing/Wiring 开发环境。3.2 Arduino 的诞生2005年冬天，Massimo Banzi和David Cuartielles讨论学生们抱怨找不到便 宜好用的微控制器问题，讨论使两人决定设计自己的电路板，由Banzi的学生 David Mellis为电路板设计编程语言。两天以后，David Mellis就写出了程式码。 又过了三天，电路板就完工了。这块电路板被命名为 Arduino。随后Banzi， Cuartielles，和Mellis把设计图放到了网上。保持设计的开放源码理念，因为版 权法可以监管开源软件，却很难用在硬件上，他们决定采用共享创意许可。在共 享创意许可下，任何人都被允许生产电路板的复制品，还能重新设计，甚至销售 原设计的复制品。你不需要付版税，甚至不用取得Arduino团队的许可。唯一被 保留的只有Arduino这个名字。它被注册成了商标。3.3 Arduino 语言Arduino语言是建立在C/C+基础上的，其实也就是基础的C语言。3.3.1关键字ifif.elseforswitch casewhiledo. whilebreakcontinuereturngoto3.3.2语法符号;(/* */3.3.3运算符+*/%<><=>= &&|!+=*二/=3.3.4数据类型boolean布尔类型char字符类型byte字节类型int整数类型unsigned int无符号整型long长整型unsigned long无符号长整型float实数类型doublestringarrayvoid3.3.5常量HIGH | LOW表示数字IO 口的电平，HIGH 表示高电平（1）,L0W表示低电平（0）。INPUT | OUTPUT 表示数字IO 口的方向，INPUT表示输入（高阻态）， OUTPUT 表示输出（AVR能提供5V电压 40mA电流）。true | false true 表示真（1），false 表示假（0）。以上为基础C语言的关键字和符号，大家可以了解，具体使用可以结合实验的程序。3.3.6结构void setup ()初始化发量，管脚模式，调用库函数等void loop ()连续执行函数内的语句3.3.7功能数字I/OpinMode(pin, mode)数字IO 口输入输出模式定义函数，pin表示为013, mode 表示为 INPUT 或 OUTPUT。digitalWrite(pin, value)数字IO 口辒出电平定义函数，pin表示为013, value表示为HIGH或LOW。比如定义HIGH可以驱动LED。int digitalRead(pin)数字IO 口读输入电平函数，pin表示为013，value表示为HIGH或LOW。比如可以读数字传感器。模拟I/Oint analogRead(pin)模拟 IO 口读函数，pin 表示为 05 (ArduinoDiecimila为05 (Arduino nano为07)。比如，可以读模拟传感器(10位 AD，05V表示为01023)。analogWrite(pin, value)-PWM 数字 IO 口 PWM 输出函数，Arduino 数 字IO 口标注了 PWM的IO 口可使用该函数。pin表示3, 5, 6, 9, 10, 11，value 表示为0255。比如，可用于电机PWM调速或音乐播放。时间函数delay (ms)延时函数(单位ms)。delayMicroseconds(us)延时函数(单位 us)。数学函数min (x, y) 求最小值max (x, y) 求最大值abs (x)计算绝对值constrain(x, a, b)约束函数，下限a，上限b，x必须在ab之间才能返回。map (value, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh)约束函数，value必须在fromLow 与 toLow 之间和 fromHigh 与 toHigh 之间。pow (base, exponent) 开方函数，base 的 exponent 次方。sq(x)平方sqrt (x)开根号4本次设计所需的硬件与软件表4-1实验器件实验器件个数Arduino uno1蜂鸣器(无源)1导线24.1 Arduino UNOArduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作为Arduino平台的参 考标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出 口(其中6路可作为PWM输出)，6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一 个USB 口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。UNO已经发布 到第三版，与前两版相比有以下新的特点：在AREF处增加了两个管脚SDA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一 个预留管脚，将来扩展板将能兼容5V和3.3V核心板。这样改进了复位电路设 计，USB接口芯片由ATmega16U2替代了 ATmega8U2。如图4-1为改进后的 Arduino UNO。ARDUINDO ? 7 11 1 I 中*DICXTAL S云崩:.一球也苣。©也N©LuV -"14 8e i I ««L Lr4- 皿 = H , II -'a 1- mh£i .-.H0TM$ J T7C /klr§4图 4-1 Arduino UNOCS -03 0S4.1.1 Arduino uno 基本概要 处理器 ATmega328 工作电压5V输入电压（推荐）7-12V输入电压（范围）6-20V数字IO脚14 （其中6路作为PWM输出）模拟输入脚6 IO脚直流电流40 mA 3.3V脚直流电流50 mA Flash Memory 32 KB （ATmega328，其中 0.5 KB 用于 bootloader） SRAM 2 KB （ ATmega328） EEPROM 1 KB （ATmega328） 工作时钟16 MHz4.1.2通信接口串口： ATmega328内置的UART可以通过数字口 0 （RX）和1（TX）与夕卜 部实现串口通信；ATmega16U2可以访问数字口实现USB上的虚拟串口。TWI （兼容 I2C）接口。SPI 接口。4.1.3下载程序Arduino UNO上的ATmega328已经预置了 bootloader程序，因此可以通过 Arduino软件直接下载程序到UNO中。也可以直接通过UNO上ICSP header直接下载程序到ATmega328。ATmega16U2的Firmware （固件）也可以通过DFU工具升级。4.1.4注意要点Arduino UNO上USB 口附近有一个自恢复的保险丝，对电路起到保护作用。 当电流超过500mA时会断开USB连接。Arduino UNO提供了自动复位设计，可以通过PC主机复位。这样通过 Arduino软件下在程序到UNO中，软件可以自动复位，不需要手动复位按钮。 在印制板上丝印"RESET EN”处可以使能和禁止该功能。4.2蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结极的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计 算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等 电子产品中作发声器件。按其驱动方式的不同，可分为：有源蜂鸣器（内含驱动线路）和无源蜂鸣器 （外部驱动）。本设计使用无源蜂鸣器。4.3开发环境本次设计使用的软件为Arduino开发环境Arduino-0022，如图4-2所示。事 Ekeich_cctl9s | Ardu no 0022|用什 Edit Sketch Took Hedp回回囹网s图4-2开发环境5系统设计与调试5.1准备好硬件开发平台把Arduino控制板与其他器件连接好，再把Arduino与微机USB 口连接好。5.2实现原理蜂鸣器发出声音的时间间隔不同，频率就不同，所以发出的声音就不同。根 据这一原理我们通过改变蜂鸣器发出声音的时间间隔，来发出不同种声音，来模 拟各种声音。本程序首先让蜂鸣器间隔1ms发出一种频率的声音，循环80次；接着让蜂 鸣器间隔2ms发出另一种频率的声音，循环100次。5.3程序代码int buzzer = 7;/设置控制蜂鸣器的数字IO脚 void setup ()pinMode (buzzer, OUTPUT);/设置数字 IO 脚模式，OUTPUT 为输出void loop ()(unsigned char i, j;/定义发量while (1)(for (i=0 ;i<80; i+)/输出一个频率的声音(digitalWrite (buzzer, HIGH);/发声音delay (1);/延时 1msdigitalWrite (buzzer, LOW);/不发声音delay (1);/延时 1msfor (i=0 ;i<100; i+)/输出另一个频率的声音(digitalWrite (buzzer, HIGH);/发声音delay (2);/延时 2msdigitalWrite (buzzer, LOW);/不发声音delay (2);/延时 2ms5.4下载程序5.4.1打开文件夹打开arduino0022文件夹里面有一个标有arduino.exe图标，双击打开会出现 如图5-1的界面。DFile Edit Sketch Tools Help®回囹囹函Bketch_cct19a图5-1工作界面5.4.2编写源代码File-new然后编写蜂鸣器实验源代码，如图5-2所示。图5-2源代码5.4.3编译程序，这点击编译按钮，这时编译按钮会发成黄色，下面出现英文compiling 表示软件正在对你所写癿程序进行编译，如图5-3所示。File Edit Sketch Tools Helpo固田囱回3sketch_oct06b囹int buzzer-?：/控制蜂鸣器的数字口脚- D d set up）piniAode (buzzer,OUTPUT) : /Vi殳置数字口脚模式，OUTPUT为输出VD d I DDjj () funsEgned char i, J：/定义变里w h L p (I)For(L-0：输出一个频奉的声音digi tiiLflf ibLi"出 H【GH) ; 发声音dH叫：/涎时1姑dtgttiLUr tie (buzzer, LOA) ：/7不发声音de L a? (I); />'延口加当Fnrfr=n' Minn，/7蝠出M小临庆的吉吝图5-3编译程序等待一会，会看到编译按钮恢复原来的状态，下面出现Done compiling，最 下面一段文字说明编写的程序共有896字节数。这表明，程序编译成功，并且没 有语法上的错误。如图5-4所示。File Edit Sketch1 Tools Helpint buzzer-?;/设置控制蜂鸣器的数字。脚 L d setup fpEnAlDddbQzzer, OUTPUT) :/7设置数字口脚模甘，OUTPUT为输出- d d I nnp ()funsened char LJ:/7定义变熨wh Le (I)fFor(=0： <B0： -)/输出一个频率的声音fdgtaLflrte(bQzzeri HGH):"发声音delay：/7延时l姑dgtaLWrte (buzzer, LC削：/7不发声音delay1)：/7延时姑Fnr h=n，Ml nn w fl /7蝙虫H小晰恋的吉吝AT"# 卜?fk?'-Dv phhn' e pf-ffb7 . 6/ _v(ibp" 0/23 _v(ib j'uf ji j&|T"1图5-4编译成功5.4.4下载程序下载程序前先将板子型号和com 口选好。点击Tools->Board选择开发板型 号，如图5-5所示。壹i Eketh_cct06b | Arduirbo DO22Ale Edit SkstchHelpsketch_Dct06bFDir(L-U：<B0Auto FormatArchive SkecchCtrl+TFix Encoding & ReloadGeria I M onitorCtrl +Shift-F M1=1 LzJdEtalwri ds La?:Jd&3 白 LWri 1BoardS erifl I PortBum Bcatlnadeir=0：IOUM。筑出另一个坂率的声音Arduino- UnoArduino Duemilanovt or Nano w/ ATmega328Arduino Diecimila, DuemilanovB! or Nanc w/ ATmegal68Arduino Mega 2560Arduino Mega lATmpgal.2801Arduino Mini占戒也LMZE IbiLzt. HIGH)发声音ckL 站E) ：/阻SjEnsdEgEtaLrEtc Ibuzzcri LffH);。不发声音血LW。/旺时2心Arduino FioArduino BT M A.Tmega328 Arduino BT w/ ATmegalSB LilyPad Arduino w/ ATmegaB2& UlyPad Arduino W Arduino ProArduinc ProArduino ProArduino Prot Pfq Mini (5V, 16 MHz w/ AT meg a 3 23 or Pro Mini (5Ulb MHz) w/ ATmeqalbS or Pro Mini (3.3V, 8 MHz) w/ ATmega32S r Piro Mini (3,3V. B MHz w/ ATm?gal6BArduino NG or cider w/ ATmegalfeSArduino NG or alder 时 ATmegaS图5-5选择板型查看串口，然后选择正确的串口，如图5-6所示。File Edit Sketch |Tools HelpCE）。酬Auto FormatCtrl 4-TArchive SketchFix Encoding & Reloadsketch_oct06b囹For (=0：<S0： Serial MonitorCtrl4-Shift4-M-liLgit.aL'flr (1Boarddelay (l)；/Serial Port/ COM7iii"t 色 LHr 1delay (1) ：/Burn BootloadeirFor (-0：<100：-)/V输出另一个频率的声音 dtettalWr ite (bQzz.er, H【GH):发声音d-elay (2) ; 延时潢d.gtalflr te (buzzer, LOfl) : /7不发声音ielay:/7延时如mDone uploading.?fk'-ov phbq.' & pfwb? . -6/ _vijbp，比"O/23 _vtib j"uf jz j&图5-6选择串口同时板点击采后下载按钮发成橙色，软件下方出现Uploading to I/O Board, 子上标有TX和RX的灯会亮，如图5-7所示。图5-7下载程序程序下载完毕后，下载按钮恢复原来的颜色，下面出现Done Uploading, 图5-8所示。图5-8下载成功显示Done Uploading,表示程序下载成功了。程序下载成功后及本设计完成，完成后的实物图如图5-9所示。图5-9实物图6总结现当今，单片机的应用无处不在，利用单片机控制音乐播放也多不胜举，音 乐芯片也相当之多，而利用单片机存储音乐，控制播放最为广泛。本次设计以 Arduino为平台，利用在Atmega328P-PU单片机中编写程序，通过改变程序内的 参数来使蜂鸣器发出急救车的音效，来实现本次设计的效果。致谢本次设计从开始的选题到最后的完稿都是在指导老师的细心指导下完成的， 尤其是在设计元器件的挑选与购买上，老师耐心的在网络上给我们挑选价格便宜 但是性能高的电路板，为我们以后的设计与写稿方面节省了宝贵的时间，在电路 板与蜂鸣器的连接上，老师又给予了帮助。开始我用了一个小喇叭，通过导线直 接连接到了电路板上，老师看到后给我讲解了我设计的错误所在，并给我画出了 电路原理图，通过老师的讲解我明白了自己在设计中的错误，我把小喇叭换成了 无源蜂鸣器。在编写论文过程中，李老师又给予了很多帮助，当我把论文初稿交 给李老师审阅时，李老师仔细的查找文中的不足，并把不足处一一指出，使我在 修改时容易了一些，当我再一次提交论文时，老师没有批评由于我粗心造成的错 误，而是用其他颜色的字体给我标出了错误。在这个过程中我受益匪浅，李学海 老师渊博的专业知识，严谨的教学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚 师德，严以律己，宽以待人的崇高风范，朴实无华的人格魅力对我有深远影响。 在此，对李老师致以深深的敬意和由衷的感谢。参考文献1李学海，经典80C51单片机轻松入门与上手，清华大学出版社，2009程晨，Arduino开发实战指南，机械工业出版社，20123 班兹，爱上Arduino，人民邮电出版社，20114 网络资料搜集