超圖解 Arduino 互動設計入門(第四版)

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趙英傑
圖書標籤:
  • Arduino
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  • 第四版
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圖書描述

  華文世界銷售第一的 Arduino 創客經典教材!
 
  本書的目標是讓高中以上, 沒有電子電路基礎, 對微電腦、電子 DIY 及互動裝置有興趣的人士, 也能輕鬆閱讀, 進而順利使用 Arduino 控製闆自造完成各種互動應用, 加入創客的行列。因此, 實驗用到的電子和程式觀念, 皆以手繪圖解的方式說明, 看圖就能懂。主要特色如下:
 
  ■ 【超清楚手繪接線圖, 人人都能動手當創客】:製作電子實驗一定要動手接電路, 本書利用手繪方式提供超清楚的實體接線圖, 隻要對照圖中的接線與電子零件標示, 就可以在麵包闆上正確接好線路, 進行實驗。除瞭手繪接線圖外, 本書也會提供對照的電路圖, 讓讀者不隻入門容易, 也為將來邁嚮專業等級做好準備。
 
  ■ 【程式語言從零開始, 人人都能設計程式】:使用 Arduino 製作互動設計除瞭組裝電路外, 最重要的就是要能夠撰寫程式控製互動邏輯。本書特別以手繪的程式觀念圖以及清楚易懂的流程圖, 從零開始說明程式設計的基礎觀念, 即使沒有程式設計經驗, 也可依照書中說明動手撰寫互動程式。
 
  ■ 【隨手自造享受無窮樂趣】:除瞭花錢購買電子零件以外, 本書還會教您利用身邊現有的材料自造齣令人驚艷的有趣設計, 像是使用廢棄的塑膠硬殼製作簡易機器手臂、將廢棄的軟碟片改造成電子鼓、將玩具模型車變成可自動躲避障礙物的智慧型自走車等。
 
  ■ 【Arduino × Android 互動串連】:互動裝置能夠遙控更是酷, 本書也會介紹如何結閤 Arduino 與 Android 雙 A 裝置, 透過藍牙無線傳輸設計個人專屬的藍牙遙控機器人, 還可以自己開發 App, 延伸自造樂趣。
 
  ■ 【邁入科技潮流物聯網應用世界】:使用網路模組讓 Arduino 互動裝置上網, 即可透過客製化的網頁遠端遙控傢電, 邁入物聯網的世界。本書更進一步介紹可無線連網的 D1 mini 控製闆, 拓展物聯網的範圍, 任何人都可以自由自造智慧生活所需要的各種無線裝置。
 
  ■ 【精心設計 DIY 趣味範例】:包括手機藍牙遙控機器人、連網智慧傢電控製、光感應音樂盒、聲控開關、自動調光小夜燈、LED 矩陣動畫與文字跑馬燈、電子尺、電子燭光特效、避障自走車、數位溫濕度計、體感控製機器手臂、自動尋軌車、RFID 門禁控製、模擬悠遊卡儲存值、入侵偵測 LINE 警報通知器、遠端網頁調光器等。
 
  第四版並提升實驗零件取得的容易度, 從原本改造身邊的電子產品和玩具著手, 搭配組裝電子零件的 DIY 風格, 改成盡量採用方便購買的現成模組, 以求自學實作及老師授課的便利, 不過在使用這些現成的模組時, 同時也會說明模組內部的電路及其運作原理, 避免許多初學者一旦沒有模組可用, 就不知道該如何完成相同功能的睏境。
 
  此外第四版也在程式設計和演算法上更加全麵地介紹 Arduino 程式語言, 包含物件導嚮程式設計和自製程式庫等進階主題。部分內容雖然因為篇幅有限, 從紙本書中移除, 但仍採電子書形式提供給讀者參考, 方便讀者查閱進修。書末更提供中文電腦書通常沒有的索引,更是作者花費長時間精心整理完成, 期望能讓本書在學習之餘, 更能成為各位手邊最便利好查的工具書。 
 
本書特色 
 
  ■ 華文世界銷售第一的 Arduino 創客經典教材!
  ■ 超圖解、人人都能看得懂
  ■ 沒學過電子電路也能做齣來
  ■ 沒寫過程式也能從零開始
  ■ 隨手自造享受無窮樂趣
  ■ Arduino × Android 互動串連
  ■ 邁入科技潮流物聯網應用世界
探索微控製器世界的基石:樹莓派與Python編程實踐指南 本書亮點速覽: 麵嚮初學者與進階者的橋梁: 詳盡講解樹莓派硬件基礎、操作係統安裝配置,以及如何利用Python進行高效編程和項目開發。 實踐驅動的學習路徑: 摒棄枯燥的理論灌輸,通過一係列清晰的實戰案例(如物聯網傳感器數據采集、傢庭自動化控製、小型機器人構建等),鞏固知識點。 深度集成現代技術: 重點介紹如何結閤流行的雲計算服務(如MQTT、AWS IoT入門)和Web技術,構建真正具備連接能力的智能係統。 豐富的代碼示例與調試技巧: 隨書提供完整的代碼庫和詳盡的排錯指南,確保讀者能夠順利跨越初期的技術障礙。 --- 第一章:樹莓派——開啓嵌入式計算的鑰匙 本章將帶領讀者全麵認識樹莓派(Raspberry Pi)——這款在全球範圍內廣受歡迎的單闆計算機。我們將從其核心架構、曆代型號的演進與差異入手,幫助讀者根據自身需求(性能、接口、功耗)選擇最閤適的型號。 1.1 硬件概覽與核心組件解析 我們將逐一剖析樹莓派的各個關鍵端口和芯片: SoC(係統級芯片): 深入理解其ARM處理器架構、GPU性能及其對不同操作係統和應用負載的影響。 內存與存儲: 探討SD卡/eMMC/NVMe固態硬盤作為啓動和存儲介質的區彆,以及內存管理的重要性。 輸入/輸齣接口的徹底解析: 詳細介紹USB 2.0/3.0、以太網、HDMI、音頻/視頻輸齣端口的功能與規格。特彆關注GPIO(通用輸入/輸齣)引腳的布局、電壓規範(3.3V邏輯電平)和安全注意事項,這是連接外部世界的基礎。 1.2 操作係統安裝與環境搭建 成功啓動樹莓派是項目的第一步。本節將指導讀者完成從零開始的環境配置: 選擇閤適的操作係統: 比較Raspberry Pi OS (Debian-based)、Ubuntu Core等主流選擇的優劣,並給齣推薦。 鏡像燒錄實戰: 使用官方推薦工具(如Raspberry Pi Imager)進行操作係統鏡像的寫入和基礎設置(如SSH啓用、Wi-Fi配置)。 無頭模式(Headless Operation)配置: 學會如何在不連接顯示器和鍵盤的情況下,通過網絡遠程管理設備,這是專業部署的關鍵技能。 基礎命令行操作: 介紹Linux基礎命令集(`apt`包管理、文件係統導航、權限管理),為後續的Python編程打下堅實的操作基礎。 --- 第二章:Python語言精要與樹莓派的完美結閤 Python憑藉其簡潔的語法和強大的庫生態係統,成為樹莓派編程的首選語言。本章聚焦於如何將Python的強大功能高效地應用於嵌入式係統開發。 2.1 Python 基礎迴顧與嵌入式特性強化 對於已有編程基礎的讀者,本章將快速迴顧Python的關鍵特性,並側重於嵌入式開發中常用的數據結構、文件操作、異常處理機製。 2.2 GPIO編程:點亮你的第一個LED 這是樹莓派硬件交互的核心。我們將引入Python的RPi.GPIO庫(或更現代的gpiozero庫),詳細講解: 引腳的初始化與模式設置(輸入/輸齣)。 數字信號的讀寫: 驅動LED、讀取按鈕狀態。 PWM(脈衝寬度調製): 實現LED亮度漸變和直流電機速度控製。 中斷處理: 編寫高效的代碼,對外部事件(如按鍵按下)做齣即時響應,而不是輪詢。 2.3 串行通信協議的Python實現 樹莓派與外部設備(如傳感器、模塊)的通信依賴於標準協議。本章將深入講解如何使用Python的`pyserial`庫處理: UART(通用異步收發傳輸): 與GPS模塊、特定類型的傳感器進行數據交換。 I2C總綫通信: 詳解I2C協議原理,並使用`smbus`庫讀取和寫入如OLED顯示屏、溫度/濕度傳感器(如BMP280)的數據。 SPI接口應用: 在需要更高速度的數據傳輸場景下(如高速ADC、SD卡操作)的應用示例。 --- 第三章:數據采集與傳感器融閤實戰 本章將把抽象的編程知識轉化為具體的物理世界數據流,構建實際的數據采集係統。 3.1 溫度、濕度與環境監測係統 案例實踐: 使用DHT22或BME280傳感器,采集溫濕度數據。 數據過濾與校準: 探討如何處理傳感器噪聲,並進行簡單的數學模型校準。 數據存儲方案: 學習使用SQLite數據庫在本地存儲時間序列數據,確保數據不丟失。 3.2 模擬量輸入處理(ADC) 樹莓派原生缺乏模擬輸入接口。本章將介紹如何通過外部ADC芯片(如MCP3008)擴展模擬信號讀取能力,並利用Python編寫程序來讀取電位器、光敏電阻等模擬設備的數據。 3.3 可視化與本地反饋 采集到的數據需要直觀展示。我們將學習使用輕量級的Python庫(如Matplotlib或Plotly的本地模式)在樹莓派桌麵環境中實時繪製數據圖錶,並結閤TFT或OLED屏幕進行本地信息顯示。 --- 第四章:網絡連接與物聯網(IoT)基礎 現代嵌入式係統的核心在於連接。本章將指導讀者如何讓樹莓派成為一個健壯的“物聯網節點”。 4.1 網絡編程基礎:Socket與HTTP請求 Python Socket編程: 建立簡單的TCP/UDP客戶端與服務器,理解網絡通信的底層機製。 Web請求實戰: 使用`requests`庫與外部API進行交互,例如獲取實時天氣數據或提交係統狀態。 構建Web服務器: 使用Flask或Django的輕量級實現,在樹莓派上搭建一個簡單的Web界麵,用於遠程監控和控製。 4.2 擁抱消息隊列:MQTT協議的應用 MQTT是物聯網設備間通信的首選協議。 MQTT原理剖析: 深入理解發布/訂閱模式、Broker、Topic的概念。 Python MQTT客戶端(Paho-MQTT): 學習如何連接到公共或私有的MQTT Broker。 構建雙嚮通信: 編寫程序,使樹莓派能接收遠程指令(如“開燈”)並發布狀態更新(如“電池電量”)。 4.3 基礎雲平颱對接入門 本章將提供一個簡化的教程,展示如何將樹莓派采集到的數據安全、可靠地發送到主流雲平颱(如阿裏雲IoT或AWS IoT Core)進行存儲和進一步分析。涉及證書管理和安全連接的初步概念。 --- 第五章:項目進階與係統優化 本章將聚焦於如何提升係統的可靠性、效率和安全性,為長期穩定運行打下基礎。 5.1 多任務處理與後颱服務 進程與綫程: 理解Python中的並發性,何時使用多進程(CPU密集型)和多綫程(I/O密集型)。 Systemd服務管理: 如何將你的Python腳本配置為係統服務,確保樹莓派重啓後程序能自動、可靠地啓動並持續運行。 5.2 攝像頭模塊與圖像處理(OpenCV入門) 介紹樹莓派專用攝像頭模塊(CSI接口)的使用,並結閤OpenCV庫的Python接口,實現基礎的圖像捕獲、視頻流處理、運動檢測等功能。 5.3 係統維護與故障排除 日誌管理: 建立有效的日誌記錄係統,便於遠程診斷。 性能監控: 使用如`htop`和Python的內置工具監控CPU、內存使用情況。 係統安全加固: 基礎的防火牆配置(iptables/ufw)、SSH密鑰登錄的強製使用,以及定期更新係統的最佳實踐。 通過係統地學習本書內容,讀者將不僅掌握樹莓派的硬件操作,更重要的是,能夠利用Python語言構建齣功能完善、具備網絡連接能力的自主智能係統。本書旨在培養讀者從硬件認知到軟件實現,再到網絡集成的完整工程思維鏈條。

著者信息

圖書目錄

 1 認識 Arduino 與微電腦控製闆
1-1 認識 Arduino 
1-2 安裝 Arduino Uno 控製闆的驅動程式 
1-3 Arduino 程式開發工具與開發步驟簡介
1-4 上傳「閃爍 LED」範例程式 

2 認識電子零件與工具
2-1 電壓、電流與接地
2-2 控製闆的電源供應器
2-3 電阻
2-4 電容
2-5 二極體
2-6 發光二極體(LED) 
2-7 看懂電路圖
2-8 電子工作必備的量測工具:萬用電錶 
2-9 麵包闆以及其他電子工具

3 Arduino 控製闆與程式設計入門
3-1 Arduino Uno 控製闆的功能和接腳說明
3-2 認識程式語言
動手做 3-1 寫一個 LED 閃爍控製程式 
3-3 用「變數」來管理程式碼
3-4 不變的「常數」 
3-5 使用 #define 巨集指令替換資料 

4 開關、分歧指令與歐姆定律
4-1 認識開關 
4-2 開關電路與上 / 下拉電阻 
動手做 4-1 用麵包闆組裝開關電路
4-3 改變程式流程的 if 條件式 
動手做 4-2 LED 切換開關
動手做 4-3 用 RC 電路消除開關彈跳訊號
動手做 4-4 LED 跑馬燈 
4-4 迴圈
動手做 4-5 跑馬燈範例程式二:使用 for 迴圈 
4-5 認識陣列 
動手做 4-6 使用陣列變數的 LED 來迴跑馬燈 
4-6 用歐姆定律計算齣限流電阻值 

5 UART 序列埠通信
5-1 並列與序列通訊簡介
5-2 認識 UART 序列埠
5-3 處理文字訊息:認識字元與字串資料類型
5-4 認識程式庫:傳遞序列訊息
動手做 5-1 從序列埠監控視窗觀察變數值
5-5 認識 String(字串)程式庫 
5-6 從 Arduino 接收序列埠資料 
動手做 5-2 從序列埠控製 LED 開關
5-7 switch...case 控製結構
5-8 認識數字係統

6 LED 七段顯示器與序列轉並列輸齣 IC
6-1 七段顯示器
動手做 6-1 連接 LED 七段顯示器與 Arduino 闆
6-2 使用積體電路簡化電路 
動手做 6-2 序列連接七段顯示器 
動手做 6-3 不用 delay() 的延遲方法
動手做 6-4 一個 74HC595 控製多個七段顯示器

7 SPI 序列介麵與 LED 矩陣顯示器
7-1 建立自訂函式
動手做 7-1 建立自訂函式 
7-2 變數的有效範圍:全域、區域和靜態 
7-3 LED 矩陣簡介 
7-4 認識 SPI 序列介麵與 MAX7219 
動手做 7-2 組裝 LED 矩陣電路 
7-5 顯示單一矩陣圖像
動手做 7-3 在矩陣 LED 上顯示音符圖像
動手做 7-4 在序列埠監控視窗輸齣矩形排列的星號
7-6 LED 矩陣動畫與多維陣列程式設計 
動手做 7-5 在矩陣 LED 上顯示動態圖像
7-7 LED 矩陣跑馬燈
動手做 7-6 LED 矩陣逐字捲動效果程式
7-8 認識指標(Pointer) 
7-9 將常數保存在「程式記憶體」裡 

8 I2C 序列通訊介麵與 LCD 顯示器
8-1 認識文字型 LCD 顯示模組
動手做 8-1 並列連接 LCD 顯示器 
8-2 認識 I2C 介麵
動手做 8-2 掃描 I2C 匯流排連接的週邊位址 
8-3 LCD 顯示器的特殊字元和自訂字元
動手做 8-3 在 LCD 上顯示自訂字元符號 
動手做 8-4 透過 I2C 介麵串連兩個 Arduino 闆 
動手做 8-5 在 I2C 介麵上傳送整數資料
8-4 DHT11 數位溫濕度感測器 
動手做 8-6 製作數位溫濕度顯示器

9 類比信號處理
9-1 讀取類比值
動手做 9-1 從序列埠讀取「類比輸入」值
9-2 認識光敏電阻與分壓電路
動手做 9-2 使用光敏電阻製作小夜燈
9-3 壓力感測器與彎麯感測器
9-4 電容式麥剋風元件與運算放大器 
動手做 9-3 自製麥剋風聲音放大器(拍手控製開關) 
動手做 9-4 拍手控製開關改良版 

10 變頻控製 LED 燈光和馬達
10-1 調節電壓變化
10-2 類比輸齣(PWM)指令和預設頻率 
動手做 10-1 調光器 
動手做 10-2 隨機數字與燭光效果
動手做 10-3 透過序列埠調整燈光亮度
10-3 認識直流馬達
10-4 認識電晶體元件 
動手做 10-4 電晶體馬達控製與調速器

11 發音體、超音波距離感測、物件導嚮程式設計與自製程式庫
11-1 發音體和聲音
11-2 使用 tone() 函數發齣聲音 
動手做 11-1 演奏一段瑪莉歐鏇律
11-3 認識超音波
動手做 11-2 使用超音波感測器製作數位量尺
11-4 物件導嚮程式設計:自己寫程式庫

12 馬達控製闆與自動迴避障礙物的自走車
12-1 控製馬達正反轉的 H 橋式馬達控製電路 
動手做 12-1 編寫馬達驅動程式模組 
動手做 12-2 自動迴避障礙物的自走車

13 伺服馬達、數位濾波、資料排序與體感控製機械雲颱
13-1 認識伺服馬達
動手做 13-1 吃錢幣存錢筒
動手做 13-2 自製伺服馬達雲颱
13-2 簡易數位濾波以及資料排序演算法
13-3 使用陀螺儀和加速度計模組控製伺服馬達雲颱 
13-4 從陀螺儀和加速度計取得角度 
動手做 13-3 讀取 IMU 數據並繪圖顯示 
動手做 13-4 透過「序列埠繪圖傢」 呈現訊號波形
動手做 13-5 使用 IMU 感測器 控製伺服馬達 

14 紅外線遙控、施密特觸發器與循跡自走車
14-1 認識紅外線
動手做 14-1 使用 IRremote 程式庫解析紅外線遙控值 
動手做 14-2 使用紅外線遙控器控製伺服馬達
動手做 14-3 從 Arduino 發射紅外線 遙控電器 
14-2 認識反射型與遮光型光電開關 
動手做 14-4 光電子琴製作
14-3 紅外線循跡/避障模組與施密特觸發器 
14-4 認識電壓比較器 
14-5 製作循跡自走車 
動手做 14-5 組裝自走車

15 手機藍牙遙控機器人製作
15-1 電波、頻段和無線傳輸簡介
15-2 認識藍牙(Bluetooth) 
15-3 5V 和 3.3V 電壓準位轉換 
動手做 15-1 使用軟體序列埠 (SoftwareSerial) 連接 Arduino 與藍牙模組
動手做 15-2 用 Android 手機藍牙遙控機器人
15-4 透過 AT 命令更改藍牙模組的名稱
動手做 15-3 透過 AT 命令更改藍牙 模組的名稱 

16 RFID 無線識別裝置
16-1 認識條碼與 RFID 
動手做 16-1 讀取 Mifare RFID 卡的 UID 碼 
動手做 16-2 Mifare RFID 的門禁係統實驗
16-2 Mifare Classic 1KB 的記憶體結構
動手做 16-3 讀寫 RFID 卡片資料(扣款與充值)實驗 

17 網路與 HTML 網頁基礎+嵌入式網站伺服器製作
17-1 認識網路與 IP 位址
17-2 網域名稱、URL 網址和傳輸協定
動手做 17-1 認識網頁與 HTML 
17-3 網路的連線標準與封包 
17-4 認識 HTTP 通訊協定
17-5 連接乙太(Ethernet)網路卡建立 Arduino 微型網站伺服器 
動手做 17-2 建立微型網站伺服器

18 網路傢電控製
18-1 使用 Webduino 程式庫建立微型網站 
動手做 18-1 監控遠端的溫濕度值
18-2 傳遞資料給網站伺服器 
動手做 18-2 建立網頁錶單
18-3 認識傳遞資料的 GET 方法和查詢字串 
動手做 18-3 建立接收 POST 錶單資料的自訂命令 
18-4 控製傢電開關
動手做 18-4 使用繼電器控製傢電開關

19 ESP8266 控製闆 Wi-Fi 物聯網應用實作
19-1 ESP8266 模組 
19-2 Wemos D1 mini 闆的接腳
19-3 使用 Arduino IDE 開發 ESP8266 控製闆程式 
19-4 認識 Wi-Fi 無線網路
19-5 使用 ESP8266 的 WiFi 程式庫連接無線網路 
動手做 19-1 使用 ESP8266WebServer 程式庫建立 HTTP 伺服器
動手做 19-2 處理 GET 或 POST 請求 
19-6 PIR 人體感應器
動手做 19-3 偵測人體移動
19-7 從 ESP8266 串連網路服務 
動手做 19-4 從 D1 闆(ESP8266)連結網站伺服器
動手做 19-5 自動發送 LINE 訊息的入侵警報係統 
19-8 在 ESP8266 的快閃記憶體中儲存網頁檔案 
動手做 19-6 建立非同步網站伺服器讀取並傳送網頁檔案 
動手做 19-7 動態網頁調光器 
19-9 使用 MOSFET 元件轉換邏輯電位 

A 中斷處理與交流電調光器製作
A-1 輪詢 VS 中斷 
A-2 調整交流電的輸齣功率
A-3 定時觸發執行的 TimerOne 程式庫
動手做 A-1 交流電調光器電路 

PDF 電子書
B 燒錄 ATmega 微處理器的開機啟動程式 (bootloader)
動手做 B-1 用麵包闆組裝 Arduino 微電腦實驗闆
動手做 B-2 使用 Arduino Uno 控製闆燒錄 bootloader 
動手做 B-3 連接電腦的 USB 介麵並上傳程式檔 

C 改造 3C 小玩意的控製鈕
C-1 認識光電耦閤元件

D 認識焊接工具:焊錫、電烙鐵及焊接助手
D-1 焊接工具
動手做 D-1 基礎焊接練習 
動手做 D-2 焊接鱷魚夾
D-2 印刷電路闆及萬用闆 
動手做 D-3 焊接電路闆
動手做 D-4 活用 USB 電源供應器

E 使用 App Inventor 開發 Android App
E-1 認識 App Inventer 2.0
E-2 建立第一個 App Inventor 專案:聲音播放程式
E-3 藍牙遙控機器人 App 的程式碼說明 

F 使用 Wii 搖桿控製機械手臂
F-1 認識 Wii 左手把的通訊介麵:I2C
動手做 F-1 讀取 Wii 左手把的搖桿、按鈕與加速度計值
動手做 F-2 使用 Wii 左手把控製機械手臂

G Arduino + Flash 整閤互動應用
G-1 Arduino + Flash = 多元互動媒體 
動手做 G-1 測試 Arduino 與 Flash 連線
動手做 G-2 「接電子零件」互動遊戲
G-2 認識 Arduino 的 String(字串)程式庫
動手做 G-3 Flash 燈光開關和調光器
G-3 使用 Firmata 在 Flash 和 Arduino 之間傳遞資料

H 使用 RFID 製作問答遊戲
H-1 RFID 模組介紹與標籤讀取實驗
動手做 H-1 讀取 RFID 標籤 
H-2 儲存與比對 RFID 編碼 
動手做 H-2 使用 RFID 控製開關
動手做 H-3 使用 RFID 進行 Flash 問答遊戲 

I 製作 MIDI 電子鼓
I-1 認識 MIDI 
I-2 MIDI 訊息格式
動手做 I-1 透過 Arduino 演奏 MIDI 音樂
動手做 I-2 透過「虛擬 MIDI」介麵演奏音樂 
動手做 I-3 製作 MIDI 電子鼓

圖書序言

  • ISBN:9789863126232
  • 規格:平裝 / 656頁 / 17 x 23 x 3.3 cm / 普通級 / 雙色印刷 / 四版
  • 齣版地:颱灣

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