Arduino步進馬達控制 (電子書)

Arduino步進馬達控制 (電子書) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

曹永忠
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具体描述

  本書針對目前學習上的盲點,希望透過現有產品的產品解析,透過產品簡單的拆解,以逆向工程的手法,將目前已有產品拆解之後,將核心控制系統之軟硬體,透過簡單易學的Arduino單晶片與C語言,重新設計出原有產品之核心控制系統,進而改進、加強、升級其控制方法。如此一來,因為學子們已經對原有產品有深入了解,在進行『重製核心控制系統』過程之中,可以很有把握的了解自己正在進行什麼,而非針對許多邏輯化的需求進行開發。
 
  本書以市面常見的步進馬達為主要開發標的,我們身邊不乏許多的東西,只要能動的產品,都需要馬達來當作動力來源。以『步進馬達控制』為實驗主體,透過小型步進馬達控制到使用驅動模組來使用步進馬達,來進行本書的內容,相信整個研發過程會更加了解。
嵌入式系统与微控制器应用精选 聚焦现代电子技术前沿,深入探索实用编程与硬件交互的桥梁 本选集汇集了一系列专注于嵌入式系统开发、微控制器应用、以及现代电子工程实践的权威著作。这些书籍旨在为电子爱好者、电子工程专业学生、以及寻求提升专业技能的工程师提供坚实的理论基础与丰富的实战经验。内容涵盖了从底层硬件操作到高级软件架构设计的广阔领域,强调动手实践与解决实际问题的能力。 第一部分:现代微控制器架构与编程范式 本部分深入剖析了当前主流微控制器家族的内部结构、指令集架构及其高效的编程方法。 《基于ARM Cortex-M系列的深度开发指南》 本书是理解和掌握当下最流行嵌入式处理器核心——ARM Cortex-M系列微控制器的必备参考。它不侧重于某一特定芯片的库函数操作,而是回归到处理器架构的本质。 核心内容包括: 1. Cortex-M内核的流水线、中断管理与特权级结构:详细解析了M3/M4/M7内核的执行流程,重点讲解了嵌套向量中断控制器(NVIC)的配置机制,以及如何利用特权/非特权模式实现更健壮的系统级软件隔离。 2. 寄存器级编程实践:摒弃对HAL(硬件抽象层)的过度依赖,引导读者直接操作通用输入/输出(GPIO)、定时器(Timer)、模数转换器(ADC)和串行通信接口(UART/SPI/I2C)的底层寄存器。通过具体的实例,读者将掌握如何精确控制时序和数据流,为开发高性能实时系统打下基础。 3. 内存保护单元(MPU)的配置与应用:讲解MPU的区域划分、访问权限设置,以及在操作系统(如FreeRTOS)环境下如何利用MPU隔离任务堆栈,防止内存越界导致的系统崩溃。 4. 低功耗模式与电源管理:系统性地介绍了不同休眠模式(Sleep, Deep Sleep, Standby)的唤醒机制、功耗特征和正确的退出流程,对于设计电池供电设备至关重要。 《C语言在嵌入式实时系统中的高级应用》 嵌入式软件的可靠性高度依赖于底层C语言代码的质量。本书聚焦于如何用C语言编写高效、安全且易于维护的嵌入式代码。 关键主题阐述: 易失性(volatile)与限制性(const)的精确语义:深入探讨`volatile`关键字在内存映射寄存器和多线程访问中的必要性,以及如何利用`const`来优化代码和保护常量数据。 位操作的艺术与陷阱:超越简单的位移和逻辑运算,讲解原子性位操作的实现、位域的有效利用,以及避免在不同字长架构间移植时出现的问题。 动态内存管理的替代方案:在资源受限环境中,`malloc`/`free`往往是禁忌。本书提供了多种内存池、静态分配策略以及内存碎片分析方法。 栈溢出检测与调试技巧:介绍在非调试模式下监控栈使用情况的技术,如栈底标记法,确保程序运行的长期稳定性。 第二部分:传感器接口与数据采集系统设计 本部分专注于如何有效地集成各类环境和物理传感器,构建高精度、低噪声的数据采集前端。 《精密模拟前端设计与噪声抑制技术》 现代传感器(如高精度温度计、生物电信号采集器)的性能往往受限于前端电路的设计。本书将电子学理论与实际信号调理相结合。 内容重点: 1. 运算放大器的噪声特性分析:讲解输入电压噪声密度、电流噪声密度与1/f噪声(闪烁噪声)对系统精度的影响,并指导如何根据信号源阻抗选择合适的运放。 2. 滤波技术的深度应用:详细对比了巴特沃斯、切比雪夫、椭圆滤波器在数字与模拟域的应用,特别是针对工频干扰(50Hz/60Hz)的主动陷波滤波器设计。 3. 隔离与共模抑制:针对工业现场复杂的电磁环境,深入剖析了隔离放大器、隔离电源的原理,以及如何最大化系统的共模抑制比(CMRR)。 4. 数据转换器的选择与校准:评估SAR ADC和Sigma-Delta ADC的适用场景,并介绍基于软件的线性化和温度漂移校准流程。 《工业级通信协议栈的实现与调试》 工业控制和自动化领域依赖于可靠、标准化的通信。本书聚焦于现场总线和现代网络协议的嵌入式实现。 涵盖协议及技术点: CAN总线与故障容错机制:深入讲解CAN协议的数据帧结构、仲裁机制,以及如何实现错误计数器管理和被动错误状态的恢复。 Modbus RTU/TCP的资源优化实现:针对资源受限的设备,提供精简的Modbus协议栈代码示例,并讨论在有限内存下处理报文缓存和超时重传的策略。 RS-485多点网络的设计规范:从物理层布线、终端匹配电阻的选择到驱动器的选型,确保长距离通信的信号完整性。 第三部分:嵌入式操作系统与高级任务调度 本部分指导读者如何从裸机编程过渡到多任务环境,利用操作系统来管理复杂性,实现并发处理。 《实时操作系统(RTOS)内核剖析与定制》 本书不局限于某一特定RTOS的API使用,而是深入挖掘RTOS内核的工作机制,帮助开发者进行性能调优和定制化开发。 核心章节包括: 1. 内核调度器机制:详尽对比固定优先级抢占式、轮转调度与协作式调度的性能特点。重点解析上下文切换的硬件实现细节。 2. 同步与互斥机制的安全使用:深入分析信号量、互斥锁(Mutex)的内部实现,以及如何识别和避免死锁、优先级反转等经典并发问题。对优先级继承和优先级天花板协议进行实例分析。 3. 消息队列与事件标志组:讲解IPC(进程间通信)机制在复杂数据流管理中的作用,以及如何设计高效的消息缓冲策略。 4. 系统级性能度量:介绍测量任务抖动(Jitter)、中断延迟和系统开销的方法,确保实时性指标达标。 《嵌入式Linux驱动模型与设备树详解》 对于需要强大处理能力和网络功能的设备,嵌入式Linux是首选平台。本书关注如何在Linux内核环境下与底层硬件高效交互。 关键技术点: 字符设备驱动的编写与注册流程:从`module_init`到`file_operations`结构体的完整实现,指导读者编写第一个内核模块。 中断处理程序的编写规范:区分顶半部(Top Half,快速执行)和底半部(Bottom Half,延迟执行,如Tasklet、Workqueue)的使用场景,确保不阻塞系统。 设备树(Device Tree)的解析与应用:详细解释DTS(Device Tree Source)文件的语法结构,说明如何通过设备树向内核描述非枚举的总线设备(如I2C/SPI从设备),替代传统硬编码配置。 用户空间与内核空间的数据交互:讲解`ioctl`、`read`/`write`以及内存映射(mmap)在安全高效传输数据方面的优缺点。 本系列选集旨在构建一个从基础硬件理解到高级软件架构设计的完整知识体系,使学习者能够独立完成从原型设计到量产部署的各类嵌入式项目。

著者信息

作者簡介
 
曹永忠 (Yung-Chung Tsao) 
 
  國立中央大學資訊管理學系博士,目前在國立暨南國際大學電機工程學系與國立高雄科技大學商務資訊應用系兼任助理教授與自由作家,專注於軟體工程、軟體開發與設計、物件導向程式設計、物聯網系統開發、Arduino開發、嵌入式系統開發。長期投入資訊系統設計與開發、企業應用系統開發、軟體工程、物聯網系統開發、軟硬體技術整合等領域,並持續發表作品及相關專業著作。
 
  Email:prgbruce@gmail.com
  Line ID:dr.brucetsao WeChat:dr_brucetsao
  作者網站:www.cs.pu.edu.tw/~yctsao/myprofile.php
  臉書社群(Arduino.Taiwan)www.facebook.com/groups/Arduino.Taiwan/
  Github網站:github.com/brucetsao/
  原始碼網址:github.com/brucetsao/ESP_Bulb 
 
許智誠(Chih-Cheng Hsu)
 
  美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)資訊工程系博士,曾任職於美國IBM等軟體公司多年,現任教於中央大學資訊管理學系專任副教授,主要研究為軟體工程、設計流程與自動化、數位教學、雲端裝置、多層式網頁系統、系統整合、金融資料探勘、Python建置(金融)資料探勘系統。
 
  Email: khsu@mgt.ncu.edu.tw
  作者網頁:www.mgt.ncu.edu.tw/~khsu/
 
蔡英德 (Yin-Te Tsai)
 
  國立清華大學資訊科學博士,目前是靜宜大學資訊傳播工程學系教授,靜宜大學資訊學院院長及靜宜大學人工智慧創新應用研發中心主任。曾擔任台灣資訊傳播學會理事長,台灣國際計算器程式競賽暨檢定學會理事,台灣演算法與計算理論學會理事、監事。主要研究為演算法設計與分析、生物資訊、軟體開發、智慧計算與應用。
 
  Email:yttsai@pu.edu.tw
  作者網頁:www.csce.pu.edu.tw/people/bio.php?PID=6#personal_writing

图书目录

自序
 
知識速成系列
Arduino的開始
Arduino 起源
Arduino特色
Arduino硬體-Duemilanove
Arduino硬體-UNO
Arduino硬體-Mega 2560
程式設計
區塊式結構 (Block Structure) 的程式語言
註解
變數
型態轉換
邏輯控制
算術運算
輸入輸出腳位設定
時間函式
數學函式
亂數函式
通訊函式
章節小結
馬達
馬達介紹
控制馬達介紹
L298N DC馬達驅動板
章節小結
Arduino時鐘功能
步進馬達
步進馬達
步進馬達介紹
步進馬達相數介紹
步進馬達動作介紹
簡單控制步進馬達介紹
ULN2003 步進馬達驅動板
使用時序圖方式驅動步進馬達
使用Stepper函式庫驅動步進馬達
Stepper函式
章節小結
Arduino時鐘功能
極限偵測
極限開關
加入極限開關偵測之馬達行進控制
章節小結
光遮斷器
光遮斷器(Photointerrupter)
光遮斷器(Photointerrupter)使用方法
章節小結
Playstation 搖桿連接
Play Station® 歷史沿革
Play Station 控制器介紹
如何連結PS搖桿(PSX 函數)
PSX 函數說明
如何連結PS搖桿(PS2X 函數)
章節小結
8051步進馬達模組
步進馬達模組介紹
章節小結
使用步進馬達驅動器驅動馬達
步進馬達驅動器
使用訊號產生器驅動步進馬達
使用Arduino輸出脈波控制步進馬達
使用AccelStepper函式庫驅動步進馬達
AccelStepper函式
產生馬達控制物件
設定步進馬達基本環境
步進馬達基本控制
章節小結
整合列表機
列表機動起來
加入極限開關偵測之列表機控制
零點定位之列表機控制
列表機進紙控制
章節小結
讓列表機動起來
量測行進速度
使用者使用PS2搖桿輸入控制命令
讓我們來操控列表機
章節小結
本書總結
附錄
Stepper 函式庫
Motor Shield 函式庫
AccelStepper 函式庫
AccelStepper Class Member List
PSX 函式庫
PS2X 函式庫
SONY PLAYSTATION CONTROLLER INFORMATION
8051步進馬達可程式驅動控制器
8051步進馬達控制器線路圖
Tb6560 stepping motor driver V20資料
東芝TB6560AHQ 晶片資料
L298N 電路圖
參考文獻

图书序言

  • ISBN:9786263320734
  • EISBN:9786263322417
  • 規格:普通級 / 初版
  • 出版地:台灣
  • 檔案格式:EPUB固定版型
  • 建議閱讀裝置:平板
  • TTS語音朗讀功能:無
  • 檔案大小:38.9MB

图书试读

 
  記得自己在大學資訊工程系修習電子電路實驗的時候,自己對於設計與製作電路板是一點興趣也沒有,然後又沒有天分,所以那是苦不堪言的一堂課,還好當年有我同組的好同學,努力的照顧我,命令我做這做那,我不會的他就自己做,如此讓我解決了資訊工程學系課程中,我最擅長的課。
 
  當時資訊工程學系對於設計電子電路課程,大多數都是專攻軟體的學生去修習時,系上的用意應該是要大家軟硬兼修,尤其是在台灣這個大部分是硬體為主的產業環境,但是對於一個軟體設計,但是缺乏硬體專業訓練,或是對於眾多機械機構與機電整合原理不太有概念的人,在理解現代的許多機電整合設計時,學習上都會有很多的困擾與障礙,因為專精於軟體設計的人,不一定能很容易就懂機電控制設計與機電整合。懂得機電控制的人,也不一定知道軟體該如何運作,不同的機電控制或是軟體開發常常都會有不同的解決方法。
 
  除非您很有各方面的天賦,或是在學校巧遇名師教導,否則通常不太容易能在機電控制與機電整合這方面自我學習,進而成為專業人員。
 
  而自從有了Arduino這個平台後,上述的困擾就大部分迎刃而解了,因為Arduino這個平台讓你可以以不變應萬變,用一致性的平台,來做很多機電控制、機電整合學習,進而將軟體開發整合到機構設計之中,在這個機械、電子、電機、資訊、工程等整合領域,不失為一個很大的福音,尤其在創意掛帥的年代,能夠自己創新想法,從original idea到機電控制與整合給予完整的設計,自己就能夠更容易完全了解與掌握核心技術與產業技術,整個開發過程必定可以提供思維上與實務上更多的收穫。
 
  Arduino平台引進台灣自今,雖然越來越多的書籍出版,但是透過逆向工程手法來解析原有產品思維,進而完成產品開發的書籍仍然鮮見,尤其是能夠從頭到尾,利用範例與理論解釋並重,完完整整的解說如何用Arduino設計出好用的機電控制與軟體整合相關技術範例,如此的書籍更是付之闕如。永忠、英德兄與敝人計畫撰寫知識速成系列,就是基於這樣對市場需要的觀察,開發出這樣的書籍。所以希望所有的讀者能夠享受與珍惜這個完整的學習經驗,由利用Arduino來練習步進馬達的控制,進而學習到更多的控制方法,是本書最大的希望。
 
  另外本書的撰寫方式會讓您體會到許多更複雜的機電控制、機電整合跟軟體工程的整合其實都可以跟隨本書的寫作與理解流程,能讓讀者由淺入深,達到真正宛如愛迪生當年透過自修而發明許多有用之物的些許情境。這就是我們作者對這本書的深切期許。
 
許智誠   於中壢雙連坡中央大學

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