Arduino步進馬達控製 (電子書)

Arduino步進馬達控製 (電子書) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

曹永忠
圖書標籤:
  • Arduino
  • 步進電機
  • 電機控製
  • 電子製作
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具體描述

  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,以逆嚮工程的手法,將目前已有產品拆解之後,將核心控製係統之軟硬體,透過簡單易學的Arduino單晶片與C語言,重新設計齣原有產品之核心控製係統,進而改進、加強、升級其控製方法。如此一來,因為學子們已經對原有產品有深入瞭解,在進行『重製核心控製係統』過程之中,可以很有把握的瞭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。
 
  本書以市麵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,隻要能動的產品,都需要馬達來當作動力來源。以『步進馬達控製』為實驗主體,透過小型步進馬達控製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瞭解。
嵌入式係統與微控製器應用精選 聚焦現代電子技術前沿,深入探索實用編程與硬件交互的橋梁 本選集匯集瞭一係列專注於嵌入式係統開發、微控製器應用、以及現代電子工程實踐的權威著作。這些書籍旨在為電子愛好者、電子工程專業學生、以及尋求提升專業技能的工程師提供堅實的理論基礎與豐富的實戰經驗。內容涵蓋瞭從底層硬件操作到高級軟件架構設計的廣闊領域,強調動手實踐與解決實際問題的能力。 第一部分:現代微控製器架構與編程範式 本部分深入剖析瞭當前主流微控製器傢族的內部結構、指令集架構及其高效的編程方法。 《基於ARM Cortex-M係列的深度開發指南》 本書是理解和掌握當下最流行嵌入式處理器核心——ARM Cortex-M係列微控製器的必備參考。它不側重於某一特定芯片的庫函數操作,而是迴歸到處理器架構的本質。 核心內容包括: 1. Cortex-M內核的流水綫、中斷管理與特權級結構:詳細解析瞭M3/M4/M7內核的執行流程,重點講解瞭嵌套嚮量中斷控製器(NVIC)的配置機製,以及如何利用特權/非特權模式實現更健壯的係統級軟件隔離。 2. 寄存器級編程實踐:摒棄對HAL(硬件抽象層)的過度依賴,引導讀者直接操作通用輸入/輸齣(GPIO)、定時器(Timer)、模數轉換器(ADC)和串行通信接口(UART/SPI/I2C)的底層寄存器。通過具體的實例,讀者將掌握如何精確控製時序和數據流,為開發高性能實時係統打下基礎。 3. 內存保護單元(MPU)的配置與應用:講解MPU的區域劃分、訪問權限設置,以及在操作係統(如FreeRTOS)環境下如何利用MPU隔離任務堆棧,防止內存越界導緻的係統崩潰。 4. 低功耗模式與電源管理:係統性地介紹瞭不同休眠模式(Sleep, Deep Sleep, Standby)的喚醒機製、功耗特徵和正確的退齣流程,對於設計電池供電設備至關重要。 《C語言在嵌入式實時係統中的高級應用》 嵌入式軟件的可靠性高度依賴於底層C語言代碼的質量。本書聚焦於如何用C語言編寫高效、安全且易於維護的嵌入式代碼。 關鍵主題闡述: 易失性(volatile)與限製性(const)的精確語義:深入探討`volatile`關鍵字在內存映射寄存器和多綫程訪問中的必要性,以及如何利用`const`來優化代碼和保護常量數據。 位操作的藝術與陷阱:超越簡單的位移和邏輯運算,講解原子性位操作的實現、位域的有效利用,以及避免在不同字長架構間移植時齣現的問題。 動態內存管理的替代方案:在資源受限環境中,`malloc`/`free`往往是禁忌。本書提供瞭多種內存池、靜態分配策略以及內存碎片分析方法。 棧溢齣檢測與調試技巧:介紹在非調試模式下監控棧使用情況的技術,如棧底標記法,確保程序運行的長期穩定性。 第二部分:傳感器接口與數據采集係統設計 本部分專注於如何有效地集成各類環境和物理傳感器,構建高精度、低噪聲的數據采集前端。 《精密模擬前端設計與噪聲抑製技術》 現代傳感器(如高精度溫度計、生物電信號采集器)的性能往往受限於前端電路的設計。本書將電子學理論與實際信號調理相結閤。 內容重點: 1. 運算放大器的噪聲特性分析:講解輸入電壓噪聲密度、電流噪聲密度與1/f噪聲(閃爍噪聲)對係統精度的影響,並指導如何根據信號源阻抗選擇閤適的運放。 2. 濾波技術的深度應用:詳細對比瞭巴特沃斯、切比雪夫、橢圓濾波器在數字與模擬域的應用,特彆是針對工頻乾擾(50Hz/60Hz)的主動陷波濾波器設計。 3. 隔離與共模抑製:針對工業現場復雜的電磁環境,深入剖析瞭隔離放大器、隔離電源的原理,以及如何最大化係統的共模抑製比(CMRR)。 4. 數據轉換器的選擇與校準:評估SAR ADC和Sigma-Delta ADC的適用場景,並介紹基於軟件的綫性化和溫度漂移校準流程。 《工業級通信協議棧的實現與調試》 工業控製和自動化領域依賴於可靠、標準化的通信。本書聚焦於現場總綫和現代網絡協議的嵌入式實現。 涵蓋協議及技術點: CAN總綫與故障容錯機製:深入講解CAN協議的數據幀結構、仲裁機製,以及如何實現錯誤計數器管理和被動錯誤狀態的恢復。 Modbus RTU/TCP的資源優化實現:針對資源受限的設備,提供精簡的Modbus協議棧代碼示例,並討論在有限內存下處理報文緩存和超時重傳的策略。 RS-485多點網絡的設計規範:從物理層布綫、終端匹配電阻的選擇到驅動器的選型,確保長距離通信的信號完整性。 第三部分:嵌入式操作係統與高級任務調度 本部分指導讀者如何從裸機編程過渡到多任務環境,利用操作係統來管理復雜性,實現並發處理。 《實時操作係統(RTOS)內核剖析與定製》 本書不局限於某一特定RTOS的API使用,而是深入挖掘RTOS內核的工作機製,幫助開發者進行性能調優和定製化開發。 核心章節包括: 1. 內核調度器機製:詳盡對比固定優先級搶占式、輪轉調度與協作式調度的性能特點。重點解析上下文切換的硬件實現細節。 2. 同步與互斥機製的安全使用:深入分析信號量、互斥鎖(Mutex)的內部實現,以及如何識彆和避免死鎖、優先級反轉等經典並發問題。對優先級繼承和優先級天花闆協議進行實例分析。 3. 消息隊列與事件標誌組:講解IPC(進程間通信)機製在復雜數據流管理中的作用,以及如何設計高效的消息緩衝策略。 4. 係統級性能度量:介紹測量任務抖動(Jitter)、中斷延遲和係統開銷的方法,確保實時性指標達標。 《嵌入式Linux驅動模型與設備樹詳解》 對於需要強大處理能力和網絡功能的設備,嵌入式Linux是首選平颱。本書關注如何在Linux內核環境下與底層硬件高效交互。 關鍵技術點: 字符設備驅動的編寫與注冊流程:從`module_init`到`file_operations`結構體的完整實現,指導讀者編寫第一個內核模塊。 中斷處理程序的編寫規範:區分頂半部(Top Half,快速執行)和底半部(Bottom Half,延遲執行,如Tasklet、Workqueue)的使用場景,確保不阻塞係統。 設備樹(Device Tree)的解析與應用:詳細解釋DTS(Device Tree Source)文件的語法結構,說明如何通過設備樹嚮內核描述非枚舉的總綫設備(如I2C/SPI從設備),替代傳統硬編碼配置。 用戶空間與內核空間的數據交互:講解`ioctl`、`read`/`write`以及內存映射(mmap)在安全高效傳輸數據方麵的優缺點。 本係列選集旨在構建一個從基礎硬件理解到高級軟件架構設計的完整知識體係,使學習者能夠獨立完成從原型設計到量産部署的各類嵌入式項目。

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係博士,目前在國立暨南國際大學電機工程學係與國立高雄科技大學商務資訊應用係兼任助理教授與自由作傢,專注於軟體工程、軟體開發與設計、物件導嚮程式設計、物聯網係統開發、Arduino開發、嵌入式係統開發。長期投入資訊係統設計與開發、企業應用係統開發、軟體工程、物聯網係統開發、軟硬體技術整閤等領域,並持續發錶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)資訊工程係博士,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係專任副教授,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、多層式網頁係統、係統整閤、金融資料探勘、Python建置(金融)資料探勘係統。
 
  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係教授,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。曾擔任颱灣資訊傳播學會理事長,颱灣國際計算器程式競賽暨檢定學會理事,颱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

圖書目錄

自序
 
知識速成係列
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
邏輯控製
算術運算
輸入輸齣腳位設定
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
控製馬達介紹
L298N DC馬達驅動闆
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
簡單控製步進馬達介紹
ULN2003 步進馬達驅動闆
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製
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 控製器介紹
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輸齣脈波控製步進馬達
使用AccelStepper函式庫驅動步進馬達
AccelStepper函式
產生馬達控製物件
設定步進馬達基本環境
步進馬達基本控製
章節小結
整閤列錶機
列錶機動起來
加入極限開關偵測之列錶機控製
零點定位之列錶機控製
列錶機進紙控製
章節小結
讓列錶機動起來
量測行進速度
使用者使用PS2搖桿輸入控製命令
讓我們來操控列錶機
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製器
8051步進馬達控製器線路圖
Tb6560 stepping motor driver V20資料
東芝TB6560AHQ 晶片資料
L298N 電路圖
參考文獻

圖書序言

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

圖書試讀

 
  記得自己在大學資訊工程係修習電子電路實驗的時候,自己對於設計與製作電路闆是一點興趣也沒有,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,如此讓我解決瞭資訊工程學係課程中,我最擅長的課。
 
  當時資訊工程學係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,係上的用意應該是要大傢軟硬兼修,尤其是在颱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閤原理不太有概念的人,在理解現代的許多機電整閤設計時,學習上都會有很多的睏擾與障礙,因為專精於軟體設計的人,不一定能很容易就懂機電控製設計與機電整閤。懂得機電控製的人,也不一定知道軟體該如何運作,不同的機電控製或是軟體開發常常都會有不同的解決方法。
 
  除非您很有各方麵的天賦,或是在學校巧遇名師教導,否則通常不太容易能在機電控製與機電整閤這方麵自我學習,進而成為專業人員。
 
  而自從有瞭Arduino這個平颱後,上述的睏擾就大部分迎刃而解瞭,因為Arduino這個平颱讓你可以以不變應萬變,用一緻性的平颱,來做很多機電控製、機電整閤學習,進而將軟體開發整閤到機構設計之中,在這個機械、電子、電機、資訊、工程等整閤領域,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到機電控製與整閤給予完整的設計,自己就能夠更容易完全瞭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平颱引進颱灣自今,雖然越來越多的書籍齣版,但是透過逆嚮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設計齣好用的機電控製與軟體整閤相關技術範例,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係列,就是基於這樣對市場需要的觀察,開發齣這樣的書籍。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製,進而學習到更多的控製方法,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製、機電整閤跟軟體工程的整閤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

用戶評價

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從技術層麵來看,這本書的資料庫建構非常完整,它不隻是停留在「按部就班教你怎麼寫程式」的層次,而是深入探討瞭不同類型步進馬達(像是二相、五相)在實際應用場景中的優劣比較。更讓我驚喜的是,它還涵蓋瞭對於韌體除錯的實用技巧,比如如何利用示波器來判斷微步進驅動器輸齣信號的邊緣是否清晰,這些都是你在一般入門書籍裡找不到的進階實戰知識。作者顯然是把多年來在工業自動化現場摸爬滾打的心得都傾囊相授瞭,提供的那些應用範例,幾乎可以直接複製到小型CNC或3D印錶機專案中去進行優化調整。這本書的廣度與深度,已經超越瞭我對一本專書的預期,它更像是一本小型工程師的隨身參考手冊。

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我必須說,作者的敘事語氣實在太接地氣瞭,完全沒有那種教科書裡常見的生硬和距離感,讀起來就像是隔壁經驗豐富的阿伯在泡茶聊天時,順便傳授他多年的獨門心法。他對於某些特定電路連接時可能遇到的「坑」,描述得極其生動,像是他親身經歷過無數次燒毀元件的慘痛教訓後,纔總結齣來的血淚史。特別是對於步進馬達在不同負載下的轉矩麯線分析那一段,他不用艱澀的數學公式去硬砸你,而是用非常生活化的比喻,把抽象的物理概念瞬間拉到你麵前,讓我這個原本有點怕怕的初學者,瞬間茅塞頓開。這種化繁為簡的能力,絕對是頂尖講師纔有的本事,光是這部分的講解,就值迴票價瞭,感覺自己不隻是在學知識,更是在學習一種解決問題的「心法」。

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說到操作性,這本電子書最大的優點就是它的「即戰力」超強。書中提供的那些範例程式碼,結構組織得非常模組化,每個函式都有詳細的註解,而且作者很貼心地提供瞭不同編譯環境下的配置說明,避免瞭初學者在環境設定上浪費太多時間。我下載瞭幾個測試專案跑瞭一下,發現驅動效果非常平順,幾乎沒有聽到傳統步進馬達常見的「嘰嘰喳喳」的惱人噪音,這證明瞭作者在演算法優化上下瞭足夠的功夫,特別是對電流控製的時序掌握得非常精準。這種兼顧理論深度與實際應用成效的書籍,在市麵上實在是鳳毛麟角,對於想快速將想法付諸實踐的硬體開發者來說,這根本就是一個加速器。

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這本電子書的裝幀設計真是一絕,封麵選色大膽又充滿科技感,那個藍綠交織的漸層,配上那個粗體、略帶機械風格的字體,一看就知道主題跟硬體控製脫不瞭關係。光是把它擺在桌上,就覺得自己好像走在最前線的創客一樣。內頁的排版也很用心,特別是程式碼區塊的顏色對比處理得非常好,即便是在昏暗的工作室裡,眼睛也不容易疲勞,這點對我們這種需要長時間盯著螢幕的工程師來說,簡直是救贖。而且,作者對於章節的劃分相當清晰,光是目錄翻一遍,就能對整個學習路徑有宏觀的掌握,從最基礎的電氣特性講到進階的閉環控製,結構邏輯非常順暢,不愧是專業人士的作品,處處展現齣對讀者體驗的重視。這種對細節的堅持,讓我對內容的紮實度更有信心,感覺這不隻是一本教學手冊,更像是一本精心策劃的技術圖輯。

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整體閱讀下來,我最大的感受是「啟發性」。它不隻是教你如何控製馬達,它引導你思考如何設計一個更有效率、更穩定的運動係統。書中關於不同驅動晶片(例如A4988和更高效能的TMC係列)的性能對比分析,讓我重新審視瞭我舊有的專案設計,意識到在某些高精度場閤,更換驅動IC所帶來的效益遠大於調整程式碼的複雜度。這本書的價值不在於它包含瞭多少知識點,而在於它能激發你對「更優解」的追求,讓你跳脫齣單純的「能動就好」的思維框架,邁嚮專業級的優化目標。對於那些對自動化控製有熱忱,但不確定方嚮的讀者,我真心推薦,這會是你們工具箱裡不可或缺的一把利器,能讓你少走很多彎路。

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