單板零基礎(chǔ)教學(xué)課件課程導(dǎo)入：什么是單板及其應(yīng)用場景單板計算機簡介單板計算機（SingleBoardComputer，簡稱SBC）是指將微處理器、存儲器、輸入/輸出接口等計算機核心組件集成在一塊電路板上的完整計算系統(tǒng)。它體積小、功耗低、價格實惠，非常適合教育、原型開發(fā)和嵌入式應(yīng)用。樹莓派(RaspberryPi)教育目的設(shè)計的微型計算機，運行Linux系統(tǒng)，支持Python、C/C++等多種編程語言，擁有豐富的GPIO接口和擴展功能。行空板國產(chǎn)教育型單板計算機，面向STEAM教育和創(chuàng)客教學(xué)，簡化了開發(fā)流程，適合編程初學(xué)者和教育場景。Arduino開源電子原型平臺，使用簡化的C++語言，專注于交互式項目和電子控制，適合電子愛好者和創(chuàng)客。單板在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用單板計算機已成為物聯(lián)網(wǎng)和智能硬件開發(fā)的核心組件，為創(chuàng)新提供了強大的技術(shù)基礎(chǔ)。單板計算機在以下領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用：智能家居控制中心（溫度監(jiān)控、燈光控制、安防系統(tǒng)）工業(yè)自動化（數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、機器視覺）教育與STEAM學(xué)習(xí)（編程教學(xué)、電子制作、機器人設(shè)計）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)（智能設(shè)備原型、控制器、邊緣計算）學(xué)習(xí)目標與課程結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)目標通過本課程的學(xué)習(xí)，您將能夠：獨立搭建單板計算機的開發(fā)環(huán)境理解并運用基礎(chǔ)編程概念控制硬件設(shè)備掌握常用傳感器和執(zhí)行器的連接與編程方法設(shè)計并實現(xiàn)完整的單板計算機項目培養(yǎng)解決問題的能力和創(chuàng)新思維為進一步學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)打下基礎(chǔ)課程結(jié)構(gòu)安排本課程共30節(jié)課，分為五大章節(jié)，每章節(jié)循序漸進，難度逐步提升：1第一章：開發(fā)環(huán)境配置（第1-7課）工具安裝、驅(qū)動配置、基礎(chǔ)項目創(chuàng)建2第二章：單片機基礎(chǔ)實驗（第8-12課）IO操作、PWM控制、電機驅(qū)動、流水燈設(shè)計3第三章：進階模塊學(xué)習(xí)（第13-17課）ADC采集、中斷機制、定時器應(yīng)用4第四章：串口通信與調(diào)試（第18-22課）串口配置、數(shù)據(jù)收發(fā)、綜合項目實戰(zhàn)5第五章：Python與單板編程（第23-30課）Python基礎(chǔ)、硬件控制、項目開發(fā)、資源分享第一章：單板開發(fā)環(huán)境配置在開始單板計算機編程之前，我們需要先搭建適合的開發(fā)環(huán)境。本章將指導(dǎo)您安裝必要的軟件工具、驅(qū)動程序，并配置開發(fā)環(huán)境，為后續(xù)的學(xué)習(xí)和項目開發(fā)打下堅實基礎(chǔ)。開發(fā)工具選擇我們將使用業(yè)界廣泛認可的VSCode作為代碼編輯器，搭配Python和單板專用插件進行開發(fā)。驅(qū)動程序安裝不同型號的單板需要安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序，確保計算機能夠正確識別和通信。項目實踐安裝開發(fā)工具VSCode與Python3安裝VisualStudioCodeVSCode是一款輕量級但功能強大的代碼編輯器，支持多種編程語言和豐富的擴展插件，是單板開發(fā)的理想工具。訪問VSCode官網(wǎng)（/）下載適合您操作系統(tǒng)的安裝包（Windows/macOS/Linux）運行安裝程序，按照提示完成安裝安裝完成后，打開VSCode并安裝以下擴展插件：Python（提供Python語言支持）PlatformIOIDE（用于單板開發(fā)的集成環(huán)境）C/C++（提供C語言支持，部分單板需要）擴展插件安裝方法：點擊左側(cè)擴展圖標（或按Ctrl+Shift+X），在搜索框中輸入插件名稱，找到后點擊"安裝"按鈕。安裝Python3環(huán)境Python是單板編程的常用語言，特別是對于樹莓派和行空板等支持高級語言的平臺。訪問Python官網(wǎng)（/downloads/）或菜鳥教程（/python3/python3-install.html）下載最新版Python3安裝包運行安裝程序，重要：勾選"AddPythontoPATH"選項選擇自定義安裝，確保pip工具被安裝完成安裝后，打開命令提示符或終端，輸入以下命令驗證安裝：python--versionpip--version如果顯示版本號，說明安裝成功。接下來，安裝常用的Python庫：配置單板支持包與驅(qū)動安裝單板對應(yīng)的驅(qū)動程序不同類型的單板計算機需要安裝不同的驅(qū)動程序，以確保計算機能夠正確識別和通信。以下是幾種常見單板的驅(qū)動安裝指南：1Arduino驅(qū)動安裝Arduino使用CH340或CP210x等USB轉(zhuǎn)串口芯片，需要安裝相應(yīng)驅(qū)動：Windows系統(tǒng)：從Arduino官網(wǎng)下載驅(qū)動安裝包macOS系統(tǒng)：需要安裝CH340/CP210x驅(qū)動Linux系統(tǒng)：大多數(shù)發(fā)行版已包含驅(qū)動，一般無需額外安裝2STM32單板驅(qū)動安裝STM32開發(fā)板通常需要安裝ST-LINK驅(qū)動：訪問ST官網(wǎng)下載ST-LINK驅(qū)動程序運行安裝程序，按照提示完成安裝連接開發(fā)板，檢查設(shè)備管理器中是否正確識別3行空板驅(qū)動安裝行空板通常使用自定義驅(qū)動：從行空板官網(wǎng)下載適用于您操作系統(tǒng)的驅(qū)動包解壓后運行安裝程序按照提示完成安裝，可能需要重啟計算機配置開發(fā)環(huán)境插件安裝PlatformIO插件PlatformIO是一個強大的單板開發(fā)工具，支持多種開發(fā)板和框架，能夠簡化開發(fā)流程：打開VSCode，點擊左側(cè)擴展圖標搜索"PlatformIOIDE"并安裝安裝完成后，VSCode可能需要重啟重啟后，PlatformIO圖標將出現(xiàn)在側(cè)邊欄中配置開發(fā)板支持包不同類型的開發(fā)板需要安裝相應(yīng)的支持包：點擊PlatformIO圖標，打開PlatformIO主頁點擊"Platforms"，搜索您的開發(fā)板類型（如Arduino、ESP32、STM32等）點擊安裝按鈕，等待下載和安裝完成安裝完成后，您可以在"Boards"中找到支持的開發(fā)板型號對于特定的開發(fā)板，還可能需要安裝額外的庫和工具：創(chuàng)建第一個工程：點亮LED小燈新建項目步驟現(xiàn)在，讓我們創(chuàng)建第一個實際項目，控制LED燈的亮滅，驗證我們的開發(fā)環(huán)境是否正確配置：點擊PlatformIO圖標，選擇"NewProject"輸入項目名稱，如"LEDBlink"選擇您的開發(fā)板型號（如ArduinoUno、STM32F103C8等）選擇框架（如Arduino框架）點擊"Finish"創(chuàng)建項目等待PlatformIO初始化項目結(jié)構(gòu)接線示意圖以Arduino為例，基本接線非常簡單：LED正極（長腳）連接到數(shù)字引腳13LED負極（短腳）通過220歐姆電阻連接到GND（地）提示：大多數(shù)開發(fā)板上已經(jīng)內(nèi)置了一個連接到特定引腳的LED燈，通?？梢灾苯邮褂枚鵁o需額外接線。例如，ArduinoUno的引腳13、STM32的PC13等。代碼示例打開src/main.cpp文件（或main.ino），輸入以下代碼：//Arduino框架代碼示例voidsetup(){//初始化LED引腳為輸出模式pinMode(13,OUTPUT);//初始化串口，用于調(diào)試Serial.begin(9600);Serial.println("LED控制程序已啟動！");}voidloop(){//LED點亮digitalWrite(13,HIGH);Serial.println("LED點亮");delay(1000);//延時1秒//LED熄滅digitalWrite(13,LOW);Serial.println("LED熄滅");delay(1000);//延時1秒}編譯與上傳連接開發(fā)板到電腦USB端口點擊PlatformIO左下角的"?"圖標編譯代碼編譯成功后，點擊"→"圖標上傳到開發(fā)板上傳完成后，觀察開發(fā)板上的LED燈是否按照1秒的間隔閃爍打開串口監(jiān)視器（點擊"插頭"圖標），觀察串口輸出信息第二章：單片機基礎(chǔ)實驗在完成開發(fā)環(huán)境的配置后，我們將開始學(xué)習(xí)單片機的基礎(chǔ)知識并進行一系列實驗。本章將介紹單片機的輸入輸出控制、PWM模塊應(yīng)用以及電機控制基礎(chǔ)，通過實際項目鞏固所學(xué)知識。輸入輸出控制學(xué)習(xí)數(shù)字輸入輸出的基本原理，控制LED燈的亮滅，讀取按鍵狀態(tài)，實現(xiàn)簡單的人機交互。PWM調(diào)制技術(shù)掌握脈寬調(diào)制的工作原理，使用PWM信號控制LED亮度、電機速度等模擬量輸出。電機控制實踐了解直流電機驅(qū)動原理，使用H橋驅(qū)動電路控制電機的啟停、正反轉(zhuǎn)及速度調(diào)節(jié)。綜合項目實戰(zhàn)IO口普通輸出與輸入數(shù)字輸出：控制LED燈單片機的IO（輸入/輸出）引腳是與外部設(shè)備交互的基本方式。首先，我們來學(xué)習(xí)如何通過數(shù)字輸出控制LED燈的亮滅。數(shù)字輸出基本原理IO口設(shè)置為輸出模式時，可以輸出高電平（通常為3.3V或5V）或低電平（0V）LED燈連接到IO口和地之間（需要串聯(lián)電阻限流）IO口輸出高電平時LED點亮，輸出低電平時LED熄滅Arduino代碼示例voidsetup(){//設(shè)置引腳13為輸出模式pinMode(13,OUTPUT);}voidloop(){//輸出高電平，LED點亮digitalWrite(13,HIGH);delay(500);//輸出低電平，LED熄滅digitalWrite(13,LOW);delay(500);}數(shù)字輸入：按鍵檢測接下來學(xué)習(xí)如何讀取按鍵輸入，并根據(jù)按鍵狀態(tài)控制LED。按鍵輸入基本原理IO口設(shè)置為輸入模式，可以檢測外部信號的高低電平使用上拉電阻（接到VCC）或下拉電阻（接到GND）確保引腳在未按下按鍵時的穩(wěn)定狀態(tài)按鍵按下時改變引腳電平，單片機通過讀取引腳狀態(tài)判斷按鍵是否被按下按鍵控制LED代碼示例//定義引腳constintbuttonPin=2;//按鍵連接到引腳2constintledPin=13;//LED連接到引腳13intbuttonState=0;//按鍵狀態(tài)變量voidsetup(){pinMode(ledPin,OUTPUT);//設(shè)置LED引腳為輸出pinMode(buttonPin,INPUT_PULLUP);//設(shè)置按鍵引腳為輸入，啟用內(nèi)部上拉電阻Serial.begin(9600);//初始化串口}voidloop(){//讀取按鍵狀態(tài)buttonState=digitalRead(buttonPin);//由于使用上拉電阻，按鍵按下時為LOWif(buttonState==LOW){digitalWrite(ledPin,HIGH);//按鍵按下，LED點亮Serial.println("按鍵已按下，LED點亮");}else{digitalWrite(ledPin,LOW);//按鍵釋放，LED熄滅Serial.println("按鍵已釋放，LED熄滅");}delay(100);//短暫延時避免抖動}編寫代碼設(shè)置IO口模式，編寫輸入輸出邏輯連接電路按照電路圖連接LED和按鍵上傳程序編譯代碼并上傳到單板測試功能按下按鍵，觀察LED狀態(tài)變化PWM模塊與電機控制基礎(chǔ)PWM基本原理脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）是一種通過調(diào)節(jié)信號的占空比（高電平時間占總周期的比例）來控制輸出功率的技術(shù)。PWM信號通過快速開關(guān)（通常為幾千赫茲）創(chuàng)建一個平均電壓值，用于模擬模擬輸出。PWM的主要參數(shù)頻率：每秒鐘完成的周期數(shù)，單位為Hz占空比：高電平時間占總周期的百分比（0%~100%）分辨率：PWM信號可調(diào)節(jié)的精度，如8位（0-255）PWM控制LED亮度//使用PWM控制LED亮度constintledPin=9;//必須使用支持PWM的引腳voidsetup(){pinMode(ledPin,OUTPUT);}voidloop(){//亮度從暗到亮for(inti=0;i<=255;i++){analogWrite(ledPin,i);//設(shè)置PWM值（0-255）delay(10);}//亮度從亮到暗for(inti=255;i>=0;i--){analogWrite(ledPin,i);delay(10);}}H橋電機驅(qū)動原理H橋是一種電子電路，允許電機電流在兩個方向上流動，從而控制電機的正反轉(zhuǎn)。H橋基本結(jié)構(gòu)H橋由四個開關(guān)元件（通常是晶體管或MOSFET）組成，排列成字母"H"的形狀：對角線上的開關(guān)同時閉合，電流方向不同，控制電機正反轉(zhuǎn)通過PWM控制開關(guān)的導(dǎo)通時間，可以調(diào)節(jié)電機速度常用集成電路：L298N、L293D等電機控制代碼示例//電機控制引腳定義constintmotorPin1=8;//控制方向引腳1constintmotorPin2=9;//控制方向引腳2constintenablePin=10;//使能引腳（PWM控制速度）voidsetup(){pinMode(motorPin1,OUTPUT);pinMode(motorPin2,OUTPUT);pinMode(enablePin,OUTPUT);}voidloop(){//正轉(zhuǎn)，從慢到快digitalWrite(motorPin1,HIGH);digitalWrite(motorPin2,LOW);for(intspeed=0;speed<=255;speed+=5){analogWrite(enablePin,speed);//設(shè)置速度delay(50);}delay(1000);//最高速運行1秒//反轉(zhuǎn)，從快到慢digitalWrite(motorPin1,LOW);digitalWrite(motorPin2,HIGH);for(intspeed=255;speed>=0;speed-=5){analogWrite(enablePin,speed);delay(50);}delay(1000);//停止1秒}實驗案例：流水燈程序設(shè)計1項目概述流水燈是單片機編程中的經(jīng)典入門項目，通過控制多個LED燈按照特定順序和節(jié)奏點亮與熄滅，創(chuàng)造出動態(tài)的視覺效果。本實驗將實現(xiàn)三種不同的流水燈模式，并通過按鍵切換模式。2硬件準備開發(fā)板（Arduino/STM32/行空板等）LED燈3個（不同顏色更佳）限流電阻3個（220Ω）按鍵1個10kΩ上拉電阻1個（如果不使用內(nèi)部上拉）面包板和連接線3電路連接將三個LED燈分別連接到開發(fā)板的數(shù)字引腳（如9、10、11），每個LED的正極（長腳）通過220Ω電阻連接到引腳，負極直接連接到GND。按鍵一端連接到引腳2，另一端接地，并使用內(nèi)部上拉電阻。流水燈程序代碼constintledPins[]={9,10,11};//LED連接的引腳constintbuttonPin=2;//按鍵連接的引腳intmode=0;//當前模式（0-2）booleanbuttonPressed=false;//按鍵狀態(tài)標志voidsetup(){//設(shè)置LED引腳為輸出for(inti=0;i<3;i++){pinMode(ledPins[i],OUTPUT);}//設(shè)置按鍵引腳為輸入，啟用內(nèi)部上拉電阻pinMode(buttonPin,INPUT_PULLUP);//初始化串口Serial.begin(9600);Serial.println("流水燈程序已啟動！當前模式:0");}voidloop(){//檢測按鍵if(digitalRead(buttonPin)==LOW&&!buttonPressed){buttonPressed=true;mode=(mode+1)%3;//切換到下一個模式（循環(huán)0-2）//切換模式時關(guān)閉所有LEDfor(inti=0;i<3;i++){digitalWrite(ledPins[i],LOW);}Serial.print("切換到模式:");Serial.println(mode);delay(200);//去抖動}//按鍵釋放if(digitalRead(buttonPin)==HIGH){buttonPressed=false;}//根據(jù)當前模式執(zhí)行相應(yīng)的流水燈效果switch(mode){case0://模式0:順序點亮for(inti=0;i<3;i++){digitalWrite(ledPins[i],HIGH);delay(300);digitalWrite(ledPins[i],LOW);}break;case1://模式1:來回掃描for(inti=0;i<3;i++){digitalWrite(ledPins[i],HIGH);delay(300);digitalWrite(ledPins[i],LOW);}for(inti=1;i>=0;i--){digitalWrite(ledPins[i],HIGH);delay(300);digitalWrite(ledPins[i],LOW);}break;case2://模式2:累加點亮然后全滅for(inti=0;i<3;i++){digitalWrite(ledPins[i],HIGH);delay(300);}delay(500);for(inti=0;i<3;i++){digitalWrite(ledPins[i],LOW);}delay(500);break;}}電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計要求項目概述本項目將設(shè)計一個完整的電機調(diào)速系統(tǒng)，通過按鍵控制電機的啟動、停止、加速和減速，并使用LED指示燈顯示當前狀態(tài)。這是一個綜合性項目，將應(yīng)用前面學(xué)習(xí)的數(shù)字輸入輸出、PWM控制和電機驅(qū)動知識。功能要求電機控制：啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)：多級速度調(diào)節(jié)（最少5級）狀態(tài)指示：通過LED顯示電機運行狀態(tài)和速度等級人機交互：按鍵輸入，通過不同按鍵或按鍵組合實現(xiàn)功能切換硬件需求開發(fā)板（Arduino/STM32等）直流電機1個H橋驅(qū)動模塊（如L298N、L293D）按鍵4個（啟動/停止、加速、減速、方向切換）LED指示燈5個（電源、運行狀態(tài)、3個速度等級指示）限流電阻、連接線、面包板等系統(tǒng)設(shè)計方案按鍵功能定義按鍵1：啟動/停止電機按鍵2：增加電機速度按鍵3：減少電機速度按鍵4：切換電機旋轉(zhuǎn)方向LED指示燈定義LED1（綠色）：電源指示燈，系統(tǒng)啟動時常亮LED2（紅色）：電機運行狀態(tài)指示，電機運行時點亮LED3~5（黃色）：速度等級指示燈，速度越高，點亮的LED越多開發(fā)步驟建議搭建電路，連接電機、驅(qū)動模塊、按鍵和LED編寫初始化代碼，設(shè)置引腳模式實現(xiàn)按鍵檢測功能，包括去抖動處理編寫電機控制函數(shù)，實現(xiàn)啟停和速度調(diào)節(jié)設(shè)計LED顯示邏輯，反映系統(tǒng)狀態(tài)整合各部分代碼，測試完整功能優(yōu)化代碼，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度啟動/停止按下按鍵1切換電機的啟動和停止狀態(tài)，LED2指示電機運行狀態(tài)加速按下按鍵2增加電機速度，LED3~5逐個點亮表示速度等級減速按下按鍵3減少電機速度，LED3~5逐個熄滅表示速度降低方向切換按下按鍵4切換電機旋轉(zhuǎn)方向，可通過LED閃爍指示方向變化第三章：進階模塊學(xué)習(xí)在掌握基礎(chǔ)的輸入輸出控制后，我們將深入學(xué)習(xí)單片機的進階功能模塊。本章將介紹ADC模擬信號采集、中斷機制和定時器控制等重要概念，這些技術(shù)將大大拓展單板計算機的應(yīng)用范圍，使您能夠開發(fā)更加復(fù)雜和智能的項目。ADC模擬信號采集學(xué)習(xí)將真實世界的模擬信號（如溫度、光強、電壓等）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過軟件濾波提高數(shù)據(jù)可靠性。中斷機制應(yīng)用掌握中斷的工作原理和應(yīng)用方法，實現(xiàn)快速響應(yīng)外部事件，提高系統(tǒng)實時性。定時器中斷控制利用定時器準確控制任務(wù)執(zhí)行時間，實現(xiàn)周期性操作和精確時序控制。綜合應(yīng)用實踐整合ADC、中斷和定時器，開發(fā)更加智能和復(fù)雜的控制系統(tǒng)。中斷機制應(yīng)用中斷基本概念中斷是一種硬件機制，允許外部事件或內(nèi)部條件觸發(fā)處理器暫停當前任務(wù)，立即執(zhí)行預(yù)定義的中斷服務(wù)程序（ISR），然后返回繼續(xù)執(zhí)行原任務(wù)。中斷使單片機能夠?qū)崟r響應(yīng)外部事件，而不需要持續(xù)輪詢。中斷的優(yōu)勢實時響應(yīng)：無需等待主循環(huán)，立即處理緊急事件提高效率：不需要持續(xù)檢查外部條件，節(jié)省處理器資源降低功耗：允許處理器在等待事件時進入低功耗模式常見中斷源外部中斷：IO引腳電平變化觸發(fā)定時器中斷：定時器計數(shù)達到預(yù)設(shè)值觸發(fā)ADC完成中斷：模數(shù)轉(zhuǎn)換完成時觸發(fā)串口接收中斷：接收到數(shù)據(jù)時觸發(fā)中斷優(yōu)先級當多個中斷同時發(fā)生時，處理器根據(jù)中斷優(yōu)先級決定先處理哪個中斷。高優(yōu)先級中斷可以打斷低優(yōu)先級中斷的處理。IO口中斷應(yīng)用實例下面我們將實現(xiàn)一個基于中斷的按鍵控制LED程序，當按鍵狀態(tài)變化時，立即響應(yīng)并改變LED狀態(tài)。Arduino外部中斷示例constintbuttonPin=2;//外部中斷引腳（ArduinoUNO的2或3）constintledPin=13;//LED引腳volatileboolledState=false;//LED狀態(tài)變量（volatile關(guān)鍵字很重要）voidsetup(){pinMode(ledPin,OUTPUT);pinMode(buttonPin,INPUT_PULLUP);//設(shè)置中斷，當按鍵引腳電平變化時觸發(fā)buttonPressed函數(shù)//CHANGE:任何電平變化都觸發(fā)//RISING:僅上升沿觸發(fā)//FALLING:僅下降沿觸發(fā)attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(buttonPin),buttonPressed,FALLING);Serial.begin(9600);Serial.println("中斷示例程序已啟動！");}//中斷服務(wù)程序voidbuttonPressed(){//切換LED狀態(tài)ledState=!ledState;digitalWrite(ledPin,ledState);//注意：中斷服務(wù)程序應(yīng)盡量簡短//不應(yīng)在中斷中使用delay()或Serial通信}voidloop(){//主循環(huán)可以處理其他任務(wù)//LED的控制完全由中斷處理//為演示目的，打印當前狀態(tài)staticboollastLedState=!ledState;if(lastLedState!=ledState){Serial.print("LED狀態(tài)改變:");Serial.println(ledState?"開":"關(guān)");lastLedState=ledState;}delay(100);//減少CPU使用率}中斷服務(wù)程序注意事項保持簡短，快速執(zhí)行并返回避免使用delay()等阻塞函數(shù)避免或謹慎使用復(fù)雜計算和浮點運算使用volatile關(guān)鍵字聲明在中斷中修改的變量如需處理復(fù)雜任務(wù)，在中斷中設(shè)置標志，由主循環(huán)處理定時器中斷控制定時器基本原理定時器是單片機中的一種硬件模塊，能夠按照設(shè)定的時間間隔產(chǎn)生中斷信號，用于執(zhí)行周期性任務(wù)。定時器由時鐘源、預(yù)分頻器和計數(shù)器組成，可以精確控制時間間隔。定時器的主要功能定時功能：按照設(shè)定的時間間隔觸發(fā)中斷計數(shù)功能：計算外部事件的發(fā)生次數(shù)PWM生成：產(chǎn)生可調(diào)占空比的脈沖信號輸入捕獲：測量外部信號的時間特性定時器計算公式定時時間=(預(yù)分頻值×計數(shù)值)÷時鐘頻率例如：16MHz時鐘，預(yù)分頻1024，計數(shù)值15625定時時間=(1024×15625)÷16000000=1秒Arduino定時器中斷庫Arduino提供了TimerOne、TimerThree等庫，簡化了定時器的配置和使用。對于初學(xué)者，使用這些庫比直接操作寄存器更容易上手。定時器中斷應(yīng)用示例下面我們將創(chuàng)建一個基于定時器的LED閃爍程序，無需使用delay()函數(shù)，系統(tǒng)可以同時處理其他任務(wù)。使用TimerOne庫的示例代碼#includeconstintledPin=13;//LED引腳volatileboolledState=false;//LED狀態(tài)voidsetup(){pinMode(ledPin,OUTPUT);//初始化Timer1，設(shè)置中斷間隔為1秒（1000000微秒）Timer1.initialize(1000000);//設(shè)置中斷服務(wù)函數(shù)Timer1.attachInterrupt(timerCallback);Serial.begin(9600);Serial.println("定時器中斷示例已啟動！");}//定時器中斷服務(wù)函數(shù)voidtimerCallback(){//切換LED狀態(tài)ledState=!ledState;digitalWrite(ledPin,ledState);}voidloop(){//主循環(huán)可以執(zhí)行其他任務(wù)//比如讀取傳感器、處理數(shù)據(jù)等//這里僅作演示，打印一些信息Serial.print("主循環(huán)正在運行，LED狀態(tài):");Serial.println(ledState?"開":"關(guān)");delay(500);//延時不會影響LED的閃爍}多任務(wù)定時器應(yīng)用可以使用多個不同周期的定時器中斷，實現(xiàn)復(fù)雜的多任務(wù)控制：定時器1：高優(yōu)先級任務(wù)，如系統(tǒng)狀態(tài)檢測（10ms）定時器2：中等優(yōu)先級任務(wù)，如傳感器數(shù)據(jù)采集（100ms）定時器3：低優(yōu)先級任務(wù)，如顯示更新、數(shù)據(jù)記錄（1s）這種方式可以實現(xiàn)準實時操作，使單片機能夠同時處理多個不同優(yōu)先級的任務(wù)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)性和效率。實驗案例：基于中斷的電機調(diào)速系統(tǒng)項目概述本實驗將整合前面學(xué)習(xí)的中斷機制和定時器控制技術(shù)，設(shè)計一個更加智能的電機調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)使用外部中斷處理按鍵輸入，使用定時器中斷實現(xiàn)自動休眠功能，提高系統(tǒng)的響應(yīng)性和能效。1硬件準備開發(fā)板（Arduino/STM32）直流電機與H橋驅(qū)動（L298N等）按鍵3個（啟動/停止、加速、減速）LED指示燈4個（電源、運行狀態(tài)、2個速度指示）連接線、面包板等2外部中斷設(shè)計使用外部中斷處理按鍵輸入，避免輪詢導(dǎo)致的延遲和CPU資源浪費：啟動/停止按鍵：觸發(fā)開始或停止電機加速按鍵：增加電機速度（PWM占空比）減速按鍵：減少電機速度（PWM占空比）3定時器中斷功能使用定時器中斷實現(xiàn)以下功能：周期性檢查電機運行狀態(tài)計時無操作時間，超過預(yù)設(shè)時間自動進入休眠模式控制LED指示燈閃爍以提示系統(tǒng)狀態(tài)代碼實現(xiàn)#include//引腳定義constintmotorPin1=8;//電機方向控制引腳1constintmotorPin2=9;//電機方向控制引腳2constintenablePin=10;//電機使能引腳（PWM控制速度）constintstartStopPin=2;//啟動/停止按鍵（外部中斷）constintspeedUpPin=3;//加速按鍵（外部中斷）constintspeedDownPin=4;//減速按鍵（使用輪詢檢測）constintpowerLedPin=5;//電源指示LEDconstintstatusLedPin=6;//狀態(tài)指示LEDconstintspeedLed1Pin=7;//速度指示LED1constintspeedLed2Pin=11;//速度指示LED2//系統(tǒng)狀態(tài)變量volatileboolmotorRunning=false;//電機運行狀態(tài)volatileintspeedLevel=0;//速度等級（0-4）volatileunsignedlonglastActionTime=0;//最后操作時間constunsignedlongsleepTimeout=10000;//休眠超時時間（10秒）volatileboolsleepMode=false;//休眠模式標志voidsetup(){//設(shè)置引腳模式pinMode(motorPin1,OUTPUT);pinMode(motorPin2,OUTPUT);pinMode(enablePin,OUTPUT);pinMode(startStopPin,INPUT_PULLUP);pinMode(speedUpPin,INPUT_PULLUP);pinMode(speedDownPin,INPUT_PULLUP);pinMode(powerLedPin,OUTPUT);pinMode(statusLedPin,OUTPUT);pinMode(speedLed1Pin,OUTPUT);pinMode(speedLed2Pin,OUTPUT);//設(shè)置外部中斷attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(startStopPin),startStopISR,FALLING);attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(speedUpPin),speedUpISR,FALLING);//設(shè)置定時器中斷，間隔100msTimer1.initialize(100000);Timer1.attachInterrupt(timerISR);//初始化狀態(tài)digitalWrite(powerLedPin,HIGH);//電源LED常亮updateMotorSpeed();Serial.begin(9600);Serial.println("基于中斷的電機調(diào)速系統(tǒng)已啟動！");}//啟動/停止按鍵中斷服務(wù)程序voidstartStopISR(){//防抖動處理staticunsignedlonglastInterruptTime=0;unsignedlonginterruptTime=millis();if(interruptTime-lastInterruptTime>200){motorRunning=!motorRunning;updateMotorSpeed();wakeFromSleep();}lastInterruptTime=interruptTime;}//加速按鍵中斷服務(wù)程序voidspeedUpISR(){//防抖動處理staticunsignedlonglastInterruptTime=0;unsignedlonginterruptTime=millis();if(interruptTime-lastInterruptTime>200){if(speedLevel<4){speedLevel++;updateMotorSpeed();}wakeFromSleep();}lastInterruptTime=interruptTime;}//定時器中斷服務(wù)程序voidtimerISR(){//檢查是否需要進入休眠模式if(!sleepMode&&motorRunning&&(millis()-lastActionTime>sleepTimeout)){sleepMode=true;motorRunning=false;updateMotorSpeed();//狀態(tài)LED閃爍表示休眠digitalWrite(statusLedPin,!digitalRead(statusLedPin));}//在休眠模式下閃爍狀態(tài)LEDif(sleepMode){staticbytecounter=0;if(++counter>=5){//每500ms閃爍一次counter=0;digitalWrite(statusLedPin,!digitalRead(statusLedPin));}}}//從休眠模式喚醒voidwakeFromSleep(){lastActionTime=millis();if(sleepMode){sleepMode=false;digitalWrite(statusLedPin,motorRunning);}}//更新電機速度voidupdateMotorSpeed(){if(motorRunning){digitalWrite(motorPin1,HIGH);digitalWrite(motorPin2,LOW);//根據(jù)速度等級設(shè)置PWM值intpwmValue=map(speedLevel,0,4,50,255);analogWrite(enablePin,pwmValue);//更新狀態(tài)LED和速度指示LEDdigitalWrite(statusLedPin,HIGH);digitalWrite(speedLed1Pin,speedLevel>=2);digitalWrite(speedLed2Pin,speedLevel>=4);Serial.print("電機運行中，速度等級:");Serial.println(speedLevel);}else{//停止電機digitalWrite(motorPin1,LOW);digitalWrite(motorPin2,LOW);analogWrite(enablePin,0);//更新LED狀態(tài)digitalWrite(statusLedPin,LOW);digitalWrite(speedLed1Pin,LOW);digitalWrite(speedLed2Pin,LOW);Serial.println("電機已停止");}}voidloop(){//檢查減速按鍵（使用輪詢而非中斷）staticboollastSpeedDownState=HIGH;boolspeedDownState=digitalRead(speedDownPin);if(speedDownState==LOW&&lastSpeedDownState==HIGH){//減速按鍵被按下if(speedLevel>0){speedLevel--;updateMotorSpeed();}wakeFromSleep();delay(200);//簡單防抖}lastSpeedDownState=speedDownState;//主循環(huán)中可以執(zhí)行其他非關(guān)鍵任務(wù)//...delay(10);//減少CPU使用率}第四章：串口通信與調(diào)試串口通信是單片機與外部設(shè)備（如計算機、傳感器、顯示模塊等）進行數(shù)據(jù)交換的重要方式。本章將介紹串口通信的基本原理和應(yīng)用方法，學(xué)習(xí)如何通過串口控制硬件設(shè)備，以及如何結(jié)合ADC、中斷等技術(shù)開發(fā)更加復(fù)雜的項目。串口通信基礎(chǔ)學(xué)習(xí)串口通信的基本原理、配置方法和數(shù)據(jù)格式，掌握使用串口調(diào)試工具進行通信測試的技能。硬件控制與反饋通過串口命令控制LED、電機等硬件設(shè)備，并將狀態(tài)信息通過串口反饋給用戶，實現(xiàn)遠程控制功能。傳感器數(shù)據(jù)采集結(jié)合ADC和中斷技術(shù)，采集電壓、溫度等傳感器數(shù)據(jù)，并通過串口實時顯示或記錄數(shù)據(jù)變化。綜合項目應(yīng)用整合串口通信、傳感器數(shù)據(jù)采集和硬件控制技術(shù)，開發(fā)功能完整的智能電機控制系統(tǒng)。串口基礎(chǔ)配置與使用串口通信基本原理串行通信（SerialCommunication）是一種數(shù)據(jù)傳輸方式，它通過一條數(shù)據(jù)線按順序一位一位地傳輸數(shù)據(jù)。與并行通信相比，串行通信的連接線更少，但傳輸速度相對較慢。串口通信參數(shù)波特率：數(shù)據(jù)傳輸速率，單位為比特/秒（bps），常用值：9600、115200等數(shù)據(jù)位：每個字符的數(shù)據(jù)位數(shù)，通常為8位停止位：表示字符結(jié)束的位數(shù)，通常為1位奇偶校驗：錯誤檢測方式，常見有無校驗、奇校驗、偶校驗流控制：控制數(shù)據(jù)流的方法，如硬件流控制、軟件流控制或無流控制Arduino串口初始化voidsetup(){//初始化串口，波特率9600Serial.begin(9600);//等待串口準備就緒（可選）while(!Serial){;//等待串口連接（僅對Leonardo等板子有效）}Serial.println("串口通信測試程序已啟動！");}串口調(diào)試工具介紹串口調(diào)試工具可以幫助開發(fā)者查看單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)和向單片機發(fā)送命令，是開發(fā)和調(diào)試的重要工具。常用串口調(diào)試工具ArduinoIDE串口監(jiān)視器：簡單易用，集成在開發(fā)環(huán)境中串口助手：專用串口調(diào)試軟件，功能豐富PuTTY：跨平臺終端仿真器，支持多種通信協(xié)議CoolTerm：功能強大的串口終端程序數(shù)據(jù)發(fā)送與接收示例voidsetup(){Serial.begin(9600);Serial.println("串口發(fā)送接收示例");Serial.println("請輸入命令：");Serial.println("1.LED開");Serial.println("2.LED關(guān)");}voidloop(){//檢查是否有可用數(shù)據(jù)if(Serial.available()>0){//讀取輸入charincomingByte=Serial.read();//處理輸入switch(incomingByte){case'1':Serial.println("命令已接收：LED開");//這里添加控制LED的代碼digitalWrite(13,HIGH);break;case'2':Serial.println("命令已接收：LED關(guān)");//這里添加控制LED的代碼digitalWrite(13,LOW);break;default:Serial.println("未知命令，請輸入1或2");break;}//清空緩沖區(qū)中的其他字符while(Serial.available()>0){Serial.read();}}//其他代碼...delay(10);}串口控制LED燈與電機串口命令系統(tǒng)設(shè)計通過設(shè)計一套簡單而有效的命令系統(tǒng)，我們可以使用串口遠程控制單片機連接的硬件設(shè)備，實現(xiàn)更加靈活的交互方式。命令格式設(shè)計一個良好的命令格式應(yīng)該易于理解和解析，例如：單字符命令：如"L1"表示打開LED，"L0"表示關(guān)閉LED參數(shù)化命令：如"M:100"表示設(shè)置電機速度為100復(fù)合命令：如"LED:1,MOTOR:200"表示打開LED并設(shè)置電機速度命令解析函數(shù)//解析命令字符串voidparseCommand(Stringcommand){command.trim();//移除前后空格//LED控制命令if(command.startsWith("LED:")){//提取參數(shù)intvalue=command.substring(4).toInt();//控制LEDdigitalWrite(ledPin,value?HIGH:LOW);//發(fā)送確認Serial.print("LED已設(shè)置為:");Serial.println(value?"開":"關(guān)");}//電機控制命令elseif(command.startsWith("MOTOR:")){//提取參數(shù)intspeed=command.substring(6).toInt();//限制速度范圍speed=constrain(speed,0,255);//控制電機analogWrite(motorEnablePin,speed);//發(fā)送確認Serial.print("電機速度已設(shè)置為:");Serial.println(speed);}//方向控制命令elseif(command=="DIR:CW"){//順時針旋轉(zhuǎn)digitalWrite(motorPin1,HIGH);digitalWrite(motorPin2,LOW);Serial.println("電機方向:順時針");}elseif(command=="DIR:CCW"){//逆時針旋轉(zhuǎn)digitalWrite(motorPin1,LOW);digitalWrite(motorPin2,HIGH);Serial.println("電機方向:逆時針");}//幫助命令elseif(command=="HELP"){printHelp();}//未知命令else{Serial.println("未知命令，輸入HELP查看可用命令");}}完整控制系統(tǒng)實現(xiàn)硬件連接LED連接到數(shù)字引腳13，通過220Ω電阻接地電機驅(qū)動模塊（L298N）連接：IN1→引腳8（方向控制1）IN2→引腳9（方向控制2）ENA→引腳10（PWM速度控制）完整代碼示例//引腳定義constintledPin=13;//LED引腳constintmotorPin1=8;//電機方向控制1constintmotorPin2=9;//電機方向控制2constintmotorEnablePin=10;//電機使能（PWM速度控制）StringinputString="";//存儲串口輸入的字符串booleanstringComplete=false;//字符串接收完成標志voidsetup(){//初始化串口Serial.begin(9600);//設(shè)置引腳模式pinMode(ledPin,OUTPUT);pinMode(motorPin1,OUTPUT);pinMode(motorPin2,OUTPUT);pinMode(motorEnablePin,OUTPUT);//初始狀態(tài)digitalWrite(ledPin,LOW);digitalWrite(motorPin1,LOW);digitalWrite(motorPin2,LOW);analogWrite(motorEnablePin,0);//打印歡迎信息和幫助Serial.println("串口控制系統(tǒng)已啟動！");printHelp();}voidloop(){//處理完整的命令if(stringComplete){parseCommand(inputString);//重置輸入緩沖區(qū)inputString="";stringComplete=false;}//發(fā)送狀態(tài)信息（每5秒一次）staticunsignedlonglastStatusTime=0;if(millis()-lastStatusTime>5000){sendStatus();lastStatusTime=millis();}}//串口事件處理voidserialEvent(){while(Serial.available()){charinChar=(char)Serial.read();//如果收到換行符，標記命令接收完成if(inChar=='\n'){stringComplete=true;}else{//將字符添加到輸入字符串inputString+=inChar;}}}//發(fā)送當前狀態(tài)voidsendStatus(){Serial.println("---當前狀態(tài)---");Serial.print("LED:");Serial.println(digitalRead(ledPin)?"開":"關(guān)");Serial.print("電機:");if(analogRead(motorEnablePin)>0){Serial.print("運行中(速度:");Serial.print(analogRead(motorEnablePin));Serial.print(",方向:");if(digitalRead(motorPin1)&&!digitalRead(motorPin2)){Serial.println("順時針)");}elseif(!digitalRead(motorPin1)&&digitalRead(motorPin2)){Serial.println("逆時針)");}else{Serial.println("未知)");}}else{Serial.println("停止");}Serial.println("--------------");}//打印幫助信息voidprintHelp(){Serial.println("---可用命令---");Serial.println("LED:1-打開LED");Serial.println("LED:0-關(guān)閉LED");Serial.println("MOTOR:0-255-設(shè)置電機速度");Serial.println("DIR:CW-電機順時針旋轉(zhuǎn)");Serial.println("DIR:CCW-電機逆時針旋轉(zhuǎn)");Serial.println("HELP-顯示此幫助信息");Serial.println("--------------");}電壓傳感器數(shù)據(jù)采集與控制中斷方式采集電壓值為了在不影響主程序執(zhí)行的情況下定期采集電壓值，我們可以使用定時器中斷方式進行數(shù)據(jù)采集。這種方式可以保證采樣的時間間隔精確，并且避免阻塞主程序的執(zhí)行。硬件連接電壓傳感器（或電壓分壓器）連接到模擬輸入引腳A0電機驅(qū)動模塊連接到前面示例中的引腳LED指示燈（可選）用于顯示電壓狀態(tài)電壓采集定時器中斷設(shè)置#include//模擬輸入引腳constintvoltagePin=A0;//采樣相關(guān)變量volatilefloatvoltage=0.0;//當前電壓值constintnumSamples=10;//采樣次數(shù)（用于濾波）volatileintsampleIndex=0;//當前采樣索引volatilelongsampleSum=0;//采樣總和volatileintsamples[10];//采樣數(shù)組//定時器中斷處理函數(shù)voidsampleVoltage(){//讀取原始ADC值intrawValue=analogRead(voltagePin);//更新采樣數(shù)組sampleSum-=samples[sampleIndex];//減去舊值samples[sampleIndex]=rawValue;//存儲新值sampleSum+=rawValue;//添加新值到總和//更新索引sampleIndex=(sampleIndex+1)%numSamples;//如果已經(jīng)收集了足夠的樣本，計算平均值并轉(zhuǎn)換為電壓if(sampleIndex==0){intaverageValue=sampleSum/numSamples;//將ADC值轉(zhuǎn)換為電壓（假設(shè)參考電壓為5V，ADC分辨率為10位）voltage=averageValue*(5.0/1023.0);}}voidsetup(){//初始化串口Serial.begin(9600);//初始化電壓采樣數(shù)組for(inti=0;i<numSamples;i++){samples[i]=0;}//設(shè)置定時器中斷，每100ms采樣一次Timer1.initialize(100000);Timer1.attachInterrupt(sampleVoltage);Serial.println("電壓傳感器采集系統(tǒng)已啟動！");}電壓值控制電機系統(tǒng)我們可以根據(jù)采集到的電壓值自動調(diào)整電機的速度和狀態(tài)，實現(xiàn)一個電壓控制的自適應(yīng)系統(tǒng)。例如，可以設(shè)定以下控制邏輯：電壓低于2.0V：電機停止（保護模式）電壓2.0V-4.0V：電機速度與電壓成正比電壓高于4.0V：電機全速運行（制動模式）電壓控制電機的代碼實現(xiàn)voidloop(){//處理串口命令（前面示例中的代碼）//...//根據(jù)電壓控制電機controlMotorByVoltage();//每隔一段時間通過串口輸出當前電壓值staticunsignedlonglastReportTime=0;if(millis()-lastReportTime>1000){Serial.print("當前電壓:");Serial.print(voltage);Serial.println("V");lastReportTime=millis();}delay(10);//短暫延時，減少CPU使用率}//根據(jù)電壓控制電機voidcontrolMotorByVoltage(){//低于2.0V，停止電機（保護模式）if(voltage<2.0){digitalWrite(motorPin1,LOW);digitalWrite(motorPin2,LOW);analogWrite(motorEnablePin,0);//指示低電壓狀態(tài)digitalWrite(ledPin,HIGH);//LED常亮表示警告}//2.0V-4.0V，速度與電壓成正比elseif(voltage>=2.0&&voltage<=4.0){//設(shè)置電機方向（正轉(zhuǎn)）digitalWrite(motorPin1,HIGH);digitalWrite(motorPin2,LOW);//計算電機速度（線性映射）//2.0V->速度50，4.0V->速度250intmotorSpeed=map(voltage*100,200,400,50,250);analogWrite(motorEnablePin,motorSpeed);//指示正常工作狀態(tài)staticunsignedlonglastBlinkTime=0;if(millis()-lastBlinkTime>500){digitalWrite(ledPin,!digitalRead(ledPin));//LED閃爍lastBlinkTime=millis();}}//高于4.0V，全速運行（制動模式）else{//設(shè)置電機方向（反轉(zhuǎn)，制動模式）digitalWrite(motorPin1,LOW);digitalWrite(motorPin2,HIGH);//全速運行analogWrite(motorEnablePin,255);//指示高電壓狀態(tài)digitalWrite(ledPin,HIGH);//LED常亮表示高功率模式}}系統(tǒng)運行狀態(tài)反饋我們還可以通過串口輸出更詳細的系統(tǒng)狀態(tài)信息，幫助監(jiān)控和調(diào)試：//輸出詳細的系統(tǒng)狀態(tài)voidreportDetailedStatus(){Serial.println("======系統(tǒng)狀態(tài)報告======");Serial.print("電壓:");Serial.print(voltage);Serial.println("V");Serial.print("工作模式:");if(voltage<2.0){Serial.println("保護模式（低電壓）");}elseif(voltage>=2.0&&voltage<=4.0){Serial.println("正常運行模式");}else{Serial.println("制動模式（高電壓）");}Serial.print("電機速度:");if(voltage<2.0){Serial.println("0(停止)");}elseif(voltage>=2.0&&voltage<=4.0){intmotorSpeed=map(voltage*100,200,400,50,250);Serial.print(motorSpeed);Serial.print("(");Serial.print(map(motorSpeed,0,255,0,100));Serial.println("%)");}else{Serial.println("255(100%)");}Serial.print("電機方向:");if(voltage<2.0){Serial.println("停止");}elseif(voltage>=2.0&&voltage<=4.0){Serial.println("正轉(zhuǎn)");}else{Serial.println("反轉(zhuǎn)（制動）");}Serial.println("==========================");}項目實戰(zhàn)：智能電機控制系統(tǒng)本項目將整合前面學(xué)習(xí)的所有技術(shù)，開發(fā)一個完整的智能電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠根據(jù)電壓傳感器的輸入自動調(diào)整電機的運行狀態(tài)，同時提供串口界面進行遠程監(jiān)控和控制。1系統(tǒng)設(shè)計需求根據(jù)輸入電壓自動控制電機速度和方向低電壓停止，高電壓制動，中間區(qū)間線性調(diào)速通過PWM精確控制電機速度狀態(tài)指示燈顯示系統(tǒng)運行模式通過串口提供實時監(jiān)控和手動控制功能使用中斷方式提高系統(tǒng)響應(yīng)性2硬件組成控制器：Arduino/STM32等單片機傳感器：電壓傳感器或分壓器連接到A0執(zhí)行器：直流電機與H橋驅(qū)動器（L298N）輸出設(shè)備：三色LED指示燈（紅、黃、綠）通信：USB-TTL串口轉(zhuǎn)換器3軟件功能定時器中斷采樣電壓傳感器數(shù)據(jù)自適應(yīng)電機控制算法串口命令解析與執(zhí)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控與故障檢測數(shù)據(jù)記錄與報告功能完整系統(tǒng)代碼#include//引腳定義constintvoltagePin=A0;//電壓傳感器輸入constintmotorPin1=8;//電機方向控制1constintmotorPin2=9;//電機方向控制2constintmotorEnablePin=10;//電機使能（PWM速度控制）constintledRedPin=11;//紅色LED（低電壓/停止指示）constintledYellowPin=12;//黃色LED（正常運行指示）constintledGreenPin=13;//綠色LED（高電壓/制動指示）//系統(tǒng)參數(shù)constfloatlowVoltageThreshold=2.0;//低電壓閾值constfloathighVoltageThreshold=4.0;//高電壓閾值constintsampleInterval=100;//采樣間隔（毫秒）constintreportInterval=1000;//狀態(tài)報告間隔（毫秒）//采樣相關(guān)變量volatilefloatvoltage=0.0;//當前電壓值constintnumSamples=10;//采樣次數(shù)（用于濾波）volatileintsampleIndex=0;//當前采樣索引volatilelongsampleSum=0;//采樣總和volatileintsamples[10];//采樣數(shù)組//系統(tǒng)狀態(tài)enumSystemMode{PROTECT_MODE,//保護模式（低電壓）NORMAL_MODE,//正常運行模式BRAKE_MODE//制動模式（高電壓）};volatileSystemModecurrentMode=PROTECT_MODE;//串口通信StringinputString="";//存儲串口輸入的字符串booleanstringComplete=false;//字符串接收完成標志booleanmanualControl=false;//手動控制模式標志//電機控制參數(shù)intmanualSpeed=0;//手動模式下的速度值booleanmanualDirection=true;//手動模式下的方向（true為正轉(zhuǎn)）//定時器中斷處理函數(shù)-電壓采樣voidsampleVoltage(){//讀取原始ADC值intrawValue=analogRead(voltagePin);//更新采樣數(shù)組sampleSum-=samples[sampleIndex];//減去舊值samples[sampleIndex]=rawValue;//存儲新值sampleSum+=rawValue;//添加新值到總和//更新索引sampleIndex=(sampleIndex+1)%numSamples;//如果已經(jīng)收集了足夠的樣本，計算平均值并轉(zhuǎn)換為電壓if(sampleIndex==0){intaverageValue=sampleSum/numSamples;//將ADC值轉(zhuǎn)換為電壓（假設(shè)參考電壓為5V，ADC分辨率為10位）voltage=averageValue*(5.0/1023.0);//更新系統(tǒng)模式（僅在自動模式下）if(!manualControl){updateSystemMode();}}}//更新系統(tǒng)模式voidupdateSystemMode(){if(voltage<lowVoltageThreshold){currentMode=PROTECT_MODE;}elseif(voltage>=lowVoltageThreshold&&voltage<=highVoltageThreshold){currentMode=NORMAL_MODE;}else{currentMode=BRAKE_MODE;}}voidsetup(){//初始化串口Serial.begin(9600);//設(shè)置引腳模式pinMode(motorPin1,OUTPUT);pinMode(motorPin2,OUTPUT);pinMode(motorEnablePin,OUTPUT);pinMode(ledRedPin,OUTPUT);pinMode(ledYellowPin,OUTPUT);pinMode(ledGreenPin,OUTPUT);//初始化電壓采樣數(shù)組for(inti=0;i<numSamples;i++){samples[i]=0;}//設(shè)置定時器中斷，每100ms采樣一次Timer1.initialize(sampleInterval*1000);//轉(zhuǎn)換為微秒Timer1.attachInterrupt(sampleVoltage);//初始狀態(tài)digitalWrite(motorPin1,LOW);digitalWrite(motorPin2,LOW);analogWrite(motorEnablePin,0);digitalWrite(ledRedPin,HIGH);//初始為保護模式，紅燈亮digitalWrite(ledYellowPin,LOW);digitalWrite(ledGreenPin,LOW);//打印歡迎信息Serial.println("\n=====智能電機控制系統(tǒng)v1.0=====");Serial.println("系統(tǒng)已啟動，當前為自動控制模式");Serial.println("輸入'HELP'查看可用命令");Serial.println("================================");}voidloop(){//處理串口命令if(stringComplete){processCommand(inputString);//重置輸入緩沖區(qū)inputString="";stringComplete=false;}//根據(jù)當前模式控制電機（僅在自動模式下）if(!manualControl){controlMotorByMode();}//定期報告系統(tǒng)狀態(tài)staticunsignedlonglastReportTime=0;if(millis()-lastReportTime>reportInterval){reportStatus();lastReportTime=millis();}delay(10);//短暫延時，減少CPU使用率}//串口事件處理voidserialEvent(){while(Ser