简 介： 本文就Arduino以及和ESP初步实验了8266连接。基于此，给出了基于人脸识别只能门锁系统的硬件设计。 ： ，
§01 Arduino 外部接口
1、Auduino的硬件
（1）原理图
▲ Arduino UNO 原理图
(2)管脚定义
▲ Arduino 管脚定义
▲ Arduino UNO 管脚功能定义
2、参考历程
- 开发板-UNO,Arduino
▲ 试验平台 UNO
§02 基础验证实验
1、按钮与LED
??程序直接由文件，示例，digital，Button生成。它使用大约2个数字口输入，13 作为LED输出。
const int buttonPin = 2; // the number of the pushbutton pin const int ledPin = 13; // the number of the LED pin // variables will change: int buttonState = 0; // variable for reading the pushbutton status void setup() {
// initialize the LED pin as an output: pinMode(ledPin, OUTPUT); // initialize the pushbutton pin as an input: pinMode(buttonPin, INPUT); } void loop() {
// read the state of the pushbutton value: buttonState = digitalRead(buttonPin); // check if the pushbutton is pressed. If it is, the buttonState is HIGH: if (buttnState == HIGH) {
// turn LED on:
digitalWrite(ledPin, HIGH);
} else {
// turn LED off:
digitalWrite(ledPin, LOW);
}
}
使用杜邦线连接D2到VCC，GND，可以改变LED的状态。
2、所有IO口
在 给出了IO口的详细定义。
使用下面的代码，可以验证可以多达20个数字IO口可以被使用。
/* **============================================================================== ** TEST1.C: -- by Dr. ZhuoQing, 2021-05-24 ** **============================================================================== */
//------------------------------------------------------------------------------
#define PIN_NUM 20
void setup() {
int i;
for(i = 0; i <PIN_NUM ; i ++) {
pinMode(i, OUTPUT);
}
}
void loop() {
int i;
for(i = 0; i < PIN_NUM; i ++) {
digitalWrite(i, HIGH);
}
delay(20);
for(i = 0; i < PIN_NUM; i ++) {
digitalWrite(i, LOW);
}
delay(20);
}
//==============================================================================
// END OF THE FILE : TEST1.C
//------------------------------------------------------------------------------
▲ Arduino 第19个数字IO（PC5）上的波形
▲ 对应的Arduino数字IO定义
▲ Arduino模拟IO口也可以用作数字输入输出
3、PWM输出
为了能够控制舵机的运动，需要使用到PWM输出功能。这种方式也可以作为一种模拟量的输出替代品。
在Arduino官方网站给出了 的简要说明。利用 可以在对应的Pin管脚上产生所需要的PWM波形。
-
管脚：3, 5, 6, 9, 10, 11PWM 频率：490 Hz (pins 5 and 6: 980 Hz)
（1）测试PWM波形输出
▲ 在PD3输出的PWM波形
const int PWM_PIN = 3;
void setup() {
pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
analogWrite(PWM_PIN, 128);
}
void loop() {
// analogWrite(PWM_PIN, 128);
delay(10);
}
如果将analogWrite()函数放置在loop()函数中，也可以产生相同的效果。
方波的频率为490Hz。那么如果用于驱动舵机，这个频率不合适。在 测量过，对于普通的舵机，它的指令频率不能够超过400Hz，通常情况下取 50Hz～300Hz 之间的频率。
（2）修改PWM频率
在 给出通过在void setup()函数中，修改 CS02,CS01,CS00来调整对应的ATMEGA328的输出PWM频率。
//---------------------------------------------- Set PWM frequency for D5 & D6 -------------------------------
//NOTE: Changing this timer 0 affects millis() and delay!
//TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000001; // set timer 0 divisor to 1 for PWM frequency of 62500.00 Hz
//TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000010; // set timer 0 divisor to 8 for PWM frequency of 7812.50 Hz
TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000011; // set timer 0 divisor to 64 for PWM frequency of 976.56 Hz (The DEFAULT)
//TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000100; // set timer 0 divisor to 256 for PWM frequency of 244.14 Hz
//TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000101; // set timer 0 divisor to 1024 for PWM frequency of 61.04 Hz
//---------------------------------------------- Set PWM frequency for D9 & D10 ------------------------------
//TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000001; // set timer 1 divisor to 1 for PWM frequency of 31372.55 Hz
//TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000010; // set timer 1 divisor to 8 for PWM frequency of 3921.16 Hz
TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000011; // set timer 1 divisor to 64 for PWM frequency of 490.20 Hz (The DEFAULT)
//TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000100; // set timer 1 divisor to 256 for PWM frequency of 122.55 Hz
//TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000101; // set timer 1 divisor to 1024 for PWM frequency of 30.64 Hz
//---------------------------------------------- Set PWM frequency for D3 & D11 ------------------------------
//TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000001; // set timer 2 divisor to 1 for PWM frequency of 31372.55 Hz
//TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000010; // set timer 2 divisor to 8 for PWM frequency of 3921.16 Hz
//TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000011; // set timer 2 divisor to 32 for PWM frequency of 980.39 Hz
TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000100; // set timer 2 divisor to 64 for PWM frequency of 490.20 Hz (The DEFAULT)
//TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000101; // set timer 2 divisor to 128 for PWM frequency of 245.10 Hz
//TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000110; // set timer 2 divisor to 256 for PWM frequency of 122.55 Hz
//TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000111; // set timer 2 divisor to 1024 for PWM frequency of 30.64 Hz
通过下面的程序测试，D3输出122.5Hz的PWM波形：
const int PWM_PIN = 3;
void setup() {
TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000110;
pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
analogWrite(PWM_PIN, 128);
delay(10);
}
▲ 修改TCCR2B之后对应的PWM占空比
（3）控制舵机运行
控制舵机的角度是由PWM的脉冲的高电平的时间宽度决定，通常情况下是 1ms～2ms 之间的脉宽。
假定设PWM输出频率为 f P W M = 122.55 H z f_{PWM} = 122.55Hz fPWM=122.55Hz，下面给出对应脉宽且1ms，1.5ms，2ms。
| PWM脉宽 | PWM设置值 | 实际输出时间(us) | 实测时间(us) |
|---|---|---|---|
| 1ms | 31 | 0.992ms | 0.988 |
| 1.5ms | 47 | 1.504ms | 1.5ms |
| 2ms | 63 | 2.016ms | 2.01ms |
使用下面的代码控制PWM输出脉宽1ms 到 2ms切换；舵机发生旋转。
const int PWM_PIN = 3;
void setup() {
TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000110;
pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
delay(1000);
analogWrite(PWM_PIN, 63);
delay(1000);
analogWrite(PWM_PIN, 31);
}
▲ 控制舵机运行的情况
下图给出了小型舵机的三条引线的功能定义：
▲ 舵机的三根引线功能定义
4、串口输入输出
在 给出了 Arduino的串口使用方法。在 的详细说明。
（1）串口输出
下面是测试代码：
const int PWM_PIN = 3;
void setup() {
TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000110;
pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
delay(100);
Serial.print("U");
}
测量TX输出管脚的波形为：
▲ 测量TX管脚的波形
（2）软件模拟UART
在 介绍了Arduino 软件UART的使用方式。
详细的软件UART可以参见 Arduino的官网 中的信息。
软件UART的限制：
- 在一个时间段，只有一个软件UART可以接收字符；
- 并不是所有的PIN都可以用于软件UART。
【Ⅰ.测试一个 Software UART】
代码来自于： 。它演示了一个软件串口的输出的情况。
#include <SoftwareSerial.h>
//------------------------------------------------------------------------------
SoftwareSerial mySerial(2, 3);
void setup() {
mySerial.begin(38400);
}
//------------------------------------------------------------------------------
void loop() {
mySerial.write('U');
delay(10);
}
▲ 测量PD3管脚的波形
【Ⅱ.测试两个Software】
这个例子的代码来自于 。
#include <SoftwareSerial.h>
//------------------------------------------------------------------------------
SoftwareSerial portOne(10, 11);
SoftwareSerial portTwo(8, 9);
void setup() {
portOne.begin(9600);
portTwo.begin(115200);
}
//------------------------------------------------------------------------------
void loop() {
portOne.write('U');
portTwo.write('V');
delay(10);
}
▲ 测量PIN9对应的输出‘V’的波形
▲ 测量PIN11对应的输出‘V’的波形
为了使得所有的串口都在前面，即硬件串口为PD0,1， 两个软件串口分别为（2,3），（4,5）进行同样的测试，输出结果相同。
#include <SoftwareSerial.h>
//------------------------------------------------------------------------------
SoftwareSerial portOne(4, 5);
SoftwareSerial portTwo(2, 3);
void setup() {
portOne.begin(9600);
portTwo.begin(115200);
}
//------------------------------------------------------------------------------
void loop() {
portOne.write('U');
portTwo.write('V');
delay(10);
}
§03 连接外部模块
1、软件UART连接语音模块
使用在 的模块，测试语言合成模块的功能。
（1）测试英文和数字
使用（4,5）软件UART，发送语言合成到SYN6288语音模块。
#include <SoftwareSerial.h>
//------------------------------------------------------------------------------
SoftwareSerial portOne(4, 5);
SoftwareSerial portTwo(2, 3);
void setup() {
portOne.begin(9600);
portTwo.begin(115200);
}
//------------------------------------------------------------------------------
void loop() {
portOne.print("1234.45");
delay(2000);
}
直接输出英文字符串，与数字，都可以正确的发音。
▲ 测试电路板
（2）输出汉字
直接输出汉字则遇到问题。比如：
portOne.print("下午好！");
则输出错误的发音。要解决这问题，可以根据 的方式，将所需要转换的汉字转换成GBK二进制之后，再发送到串口。比如下面的代码就可以正确读出“华大学”的汉字。
portOne.print("\xc7\xe5\xbb\xaa\xb4\xf3\xd1\xa7");
下面的代码发出“”正确读音。
portOne.print("\xcf\xc2\xce\xe7\xba\xc3");
下面是带有外壳的TTS模块，请注意它的引脚对应的功能。可以使用上面相同的软件使其发出正确的含资产读音。
▲ 带有外壳的TTS模块
2、连接WiFi模块
WiFi模块使用 ，这个模块在 测试过，可以通过urequest与网站进行连接。
import machine
import urequests
import network
wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
wlan.active(True)
wlan.connect('TENDA626A', 'gniqouhz')
print(wlan.ifconfig())
response = urequests.get("http://192.168.4.3:8000/lock/update/?type=LOCK&detail=AAAA")
print(response.text)
（1）将ESP8266模块UART0扩展
为了能够使用UART0既可以作为REPL的串口，又可以作为应用的串口，将UART0的输入通过肖特基二极管进行扩展。
▲ ESP8266 扩展口的定义
同时将下载板上的RXD上的电阻更换成肖特基二极管。这样外部的RXD便可以同样通过肖特基二极管与UART0的RXD相连了。
▲ 将下载板上的RXD上的电阻更换成肖特基二极管
（2）ESP8266>>Arduino
【Ⅰ.ESP8266代码】
#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY -- by Dr. ZhuoQing 2021-05-24
#
# Note:
#============================================================
from machine import UART,Pin
import time
uart = UART(1, baudrate = 9600)
tx2 = Pin(2, Pin.OUT)
while True:
time.sleep(1)
print('hello')
#------------------------------------------------------------
# END OF FILE : test1.PY
#============================================================
【Ⅱ.Arduino代码】
#include <SoftwareSerial.h> //------------------------------------------------------------------------------ SoftwareSerial portOne(4, 5