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本書緊跟科技競爭潮流，深入剖析了基于Arduino與MATLAB協(xié)同開發(fā)技術(shù)在智能硬件與物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的革新應(yīng)用。面對日益增長的科技需求，本書全面且系統(tǒng)地介紹了如何通過這兩款強(qiáng)大的工具Arduino開源硬件平臺和MATLAB高級計算軟件實現(xiàn)創(chuàng)意的快速轉(zhuǎn)化與復(fù)雜電子系統(tǒng)的構(gòu)建。從Arduino平臺的初識到精通，再到與MATLAB的深度融合，本書通過14個精心設(shè)計的章節(jié)，帶領(lǐng)讀者逐步深入探索。入門篇以ArduinoNano為核心，通過實戰(zhàn)項目激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，掌握基礎(chǔ)編程與硬件接口知識�；A(chǔ)篇則深入講解Arduino編程的各個方面，涵蓋數(shù)字引腳、計時器、模擬信號、通信協(xié)議及存儲擴(kuò)展等關(guān)鍵技術(shù)，每個知識點均輔以實戰(zhàn)案例與擴(kuò)展練習(xí)，確保學(xué)以致用。進(jìn)入綜合篇，本書聚焦于Arduino與MATLAB的協(xié)同作戰(zhàn)，從UART通信、串口對象配置到復(fù)雜數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)仿真，逐一揭秘兩者協(xié)同工作的奧秘。特別地，通過快速傅里葉變換、紅外光通信鏈路及超聲掃描雷達(dá)系統(tǒng)等前沿項目的實戰(zhàn)演練，不僅展示了Arduino在信號處理與通信領(lǐng)域的強(qiáng)大能力，也深刻揭示了MATLAB在數(shù)據(jù)處理與分析中的不可替代性。本書旨在為讀者提供一套從理論到實踐的完整學(xué)習(xí)路徑，無論是對于電子愛好者、教育工作者，還是致力于智能制造、物聯(lián)網(wǎng)及人工智能領(lǐng)域的專業(yè)人士，都能從中獲益匪淺。

隨著科技競爭的加劇，基于Arduino和MATLAB的協(xié)同開發(fā)技術(shù)正逐步成為智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的主流趨勢。其中，Arduino作為一款靈活、易用的開源硬件開發(fā)平臺，其社區(qū)不斷壯大，吸引了來自不同國家和地區(qū)的開發(fā)者、教育者和創(chuàng)新者，這些用戶通過Arduino平臺，能夠快速將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。同時，MATLAB作為一款功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計算、仿真和分析軟件，在科學(xué)研究、工程設(shè)計和教育教學(xué)中扮演著重要角色。MATLAB與Arduino的協(xié)同開發(fā)，簡化了數(shù)據(jù)采集、處理和可視化的過程，提高了系統(tǒng)設(shè)計的效率和精度，在智能制造、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

本書全面而深入地介紹Arduino電子系統(tǒng)設(shè)計及其與MATLAB協(xié)同開發(fā)技術(shù)，通過豐富的實戰(zhàn)案例和詳細(xì)的步驟說明，幫助讀者從零開始掌握Arduino編程、硬件接口應(yīng)用以及如何通過MATLAB進(jìn)行高級數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)仿真，進(jìn)而實現(xiàn)復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

第1、2章為入門篇。首先引導(dǎo)讀者認(rèn)識Arduino平臺，通過揭秘Nano核心板，讓讀者初步了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并通過一系列入門級的實戰(zhàn)項目，讓讀者親身體驗Arduino編程的樂趣，熟悉Arduino IDE的編程特點。

第3~9章為基礎(chǔ)篇，深入講解Arduino程序設(shè)計的各個方面，包括Arduino程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)字引腳資源應(yīng)用設(shè)計、計時資源應(yīng)用設(shè)計、模擬信號測量應(yīng)用設(shè)計、I2C和SPI通信資源應(yīng)用設(shè)計、自帶與外擴(kuò)存儲資源的設(shè)計以及外擴(kuò)模擬信號輸出的設(shè)計等。每章都通過多個實戰(zhàn)項目，幫助讀者掌握相關(guān)技術(shù)和方法，并提供了豐富的拓展練習(xí)鞏固所學(xué)知識。

第10~14章為綜合篇。第10章專注于Arduino與PC協(xié)同設(shè)計，詳細(xì)介紹了UART通信功能及其在Arduino與MATLAB之間的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用；第11章專注于MATLAB與Arduino協(xié)同設(shè)計，詳細(xì)介紹了如何在MATLAB中創(chuàng)建串口對象并配置其屬性，以及如何通過MATLAB向Arduino發(fā)送字符命令和二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并接收來自Arduino的字符編碼數(shù)據(jù)和二進(jìn)制數(shù)據(jù)幀；第12章通過Arduino實現(xiàn)快速傅里葉變換的實戰(zhàn)案例，展示了Arduino在信號處理領(lǐng)域的潛力；第13章聚焦于簡約型紅外通信鏈路設(shè)計，通過理論講解與實戰(zhàn)操作相結(jié)合的方式，介紹了紅外通信的基本原理、設(shè)計思路和實現(xiàn)方法；第14章是本書的重點部分，詳細(xì)介紹了Arduino與MATLAB協(xié)同的超聲雷達(dá)設(shè)計，首先明確了問題和目標(biāo)，然后提出了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，并詳細(xì)闡述了硬件和軟件的設(shè)計實現(xiàn)過程，便于讀者深入理解Arduino與MATLAB協(xié)同工作的優(yōu)勢和技巧。

相較于已有書籍和文獻(xiàn)資料，本書具備以下顯著特色。

(1) Arduino與MATLAB協(xié)同設(shè)計的突出理念。本書特別強(qiáng)調(diào)Arduino與MATLAB的聯(lián)合使用，旨在融合Arduino在硬件交互方面的優(yōu)勢與MATLAB在數(shù)據(jù)處理上的強(qiáng)大功能，實現(xiàn)二者的優(yōu)勢互補(bǔ)。目前，市場上鮮有書籍或資料系統(tǒng)地探討這一協(xié)同設(shè)計理念及其實踐案例。本書則通過豐富的案例，詳細(xì)闡釋了Arduino與MATLAB協(xié)同進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計的具體方法，填補(bǔ)了這一空白。
(2) 實踐導(dǎo)向的問題解決思路。本書強(qiáng)調(diào)從工程問題的實踐角度出發(fā)，不僅深入剖析解決問題的原理與思路，還手把手地傳授了軟硬件協(xié)同解決問題的具體方案。在每個案例之后，本書均總結(jié)了設(shè)計調(diào)試的經(jīng)驗教訓(xùn)，旨在啟發(fā)讀者舉一反三，將所學(xué)知識應(yīng)用于未來實際問題的解決之中。

(3) 新穎實用的技術(shù)方案與案例。本書收錄了一系列技術(shù)方案新穎、實用性強(qiáng)的案例和解決方案。其中不乏編者已申請專利保護(hù)的技術(shù)創(chuàng)新，這些案例不僅反映了電子系統(tǒng)設(shè)計的趨勢，而且具有很強(qiáng)的實用性和可操作性，讀者稍作改進(jìn)即可應(yīng)用于自己的實驗驗證或電子系統(tǒng)設(shè)計中。

(4) 低成本實驗材料與代碼公開。為便于讀者復(fù)現(xiàn)自學(xué)，本書涉及的實驗采用了成本低廉、易于采購的實驗材料，如面包板、硬材質(zhì)導(dǎo)線等。同時，書中公開了全部案例的源代碼，使讀者能夠迅速搭建實驗環(huán)境，高效掌握電子系統(tǒng)設(shè)計的精髓。

本書的撰寫分工如下。王濤負(fù)責(zé)全書的組織編寫，包括構(gòu)思策劃、人員分工、實驗設(shè)計、提供實驗設(shè)備平臺等工作。李平負(fù)責(zé)本書第4、5、6、13章內(nèi)容的編寫，包括應(yīng)用背景、具體應(yīng)用案例和實驗分析與討論等，還負(fù)責(zé)本書的審校工作，確保本書的準(zhǔn)確性和規(guī)范性；王明房負(fù)責(zé)了本書第1、2、3、11、12、14章內(nèi)容的編寫工作，包括應(yīng)用背景、具體應(yīng)用案例和實驗分析與討論等；二人共同負(fù)責(zé)第7~10章內(nèi)容的編寫。另外，石超宇參與第1、7、10、11、13章的編寫，楊丹丹參與第1、13章的編寫，羅程參與第1、3章的編寫。在此，特向參與編纂的各位同仁致以誠摯的謝意，他們的貢獻(xiàn)與不懈追求，是本書成功問世的重要基石。

鑒于編者水平有限，書中難免存在不足之處，懇請廣大讀者提出寶貴的意見和建議，幫助本書不斷改進(jìn)和完善。

編者2025年5月

入門篇
第1章引言
1.1認(rèn)識Arduino
1.1.1Arduino的前世今生
1.1.2Arduino核心板系列
1.1.3Arduino IDE
1.1.4Bootloader工作原理
1.2實戰(zhàn)11：揭秘Nano核心板
1.2.1問題和目標(biāo)
1.2.2解決方案
1.3基于Arduino的電子系統(tǒng)設(shè)計
1.3.1系統(tǒng)設(shè)計流程
1.3.2采用面包板的樣機(jī)制作方法
1.4Arduino和MATLAB的協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計
1.4.1協(xié)同系統(tǒng)特色優(yōu)勢
1.4.2協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計方案
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
第2章體驗Arduino
2.1實戰(zhàn)21：從Nano向PC發(fā)送數(shù)據(jù)
2.1.1問題和目標(biāo)
2.1.2解決方案
2.1.3擴(kuò)展討論
2.2實戰(zhàn)22： Serial的實現(xiàn)代碼
2.2.1問題和目標(biāo)
2.2.2解決方案
2.2.3擴(kuò)展討論
2.3實戰(zhàn)23：隱藏的main()函數(shù)
2.3.1問題和目標(biāo)
2.3.2解決方案
2.3.3擴(kuò)展討論
2.4實戰(zhàn)24：用Nano燒寫B(tài)ootloader
2.4.1問題和目標(biāo)
2.4.2解決方案
2.4.3擴(kuò)展討論
2.5IDE編程的特點
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
基礎(chǔ)篇
第3章Arduino程序設(shè)計基礎(chǔ)
3.1Arduino編程簡介
3.2Arduino常用數(shù)據(jù)類型
3.2.1浮點數(shù)精度的問題
3.2.2變量作用域
3.3Arduino中的運算
3.3.1算術(shù)運算符
3.3.2關(guān)系運算符
3.3.3位運算符
3.3.4邏輯運算符
3.3.5賦值運算符
3.3.6限制取值范圍
3.3.7取整
3.3.8三角函數(shù)
3.3.9隨機(jī)數(shù)
3.4Arduino的循環(huán)語句
3.4.1while循環(huán)
3.4.2do…while循環(huán)
3.4.3for循環(huán)
3.4.4循環(huán)的跳出
3.5Arduino的條件判斷語句
3.5.1if語句
3.5.2switch case語句
3.6Arduino數(shù)組與字符串
3.6.1Arduino中的數(shù)組
3.6.2Arduino中的字符串
3.6.3字符串的常用操作
3.7String及其成員函數(shù)
3.8Arduino中的函數(shù)
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
第4章數(shù)字引腳資源應(yīng)用設(shè)計
4.1Nano的數(shù)字引腳資源
4.2實戰(zhàn)41：用pinMode()和digitalWrite()函數(shù)點亮板載LED
4.2.1問題和目標(biāo)
4.2.2解決方案
4.2.3擴(kuò)展討論
4.3實戰(zhàn)42：用digitalRead()函數(shù)讀取撥碼開關(guān)輸入后控制板載LED
4.3.1問題和目標(biāo)
4.3.2解決方案
4.3.3擴(kuò)展討論
4.4實戰(zhàn)43：用引腳寄存器讀取多撥碼開關(guān)輸入后控制板載LED
4.4.1問題和目標(biāo)
4.4.2解決方案
4.4.3擴(kuò)展討論
4.5實戰(zhàn)44：驗證引腳上拉電阻的抗干擾作用
4.5.1問題和目標(biāo)
4.5.2解決方案
4.5.3擴(kuò)展討論
4.6實戰(zhàn)45：用analogWrite()函數(shù)產(chǎn)生PWM波形使LED亮度漸變
4.6.1問題和目標(biāo)
4.6.2解決方案
4.6.3擴(kuò)展討論
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
第5章計時資源應(yīng)用設(shè)計
5.1Nano的延時控制與時間測量
5.2實戰(zhàn)51：用delay()函數(shù)產(chǎn)生阻塞指定長度延時
5.2.1問題和目標(biāo)
5.2.2解決方案
5.2.3擴(kuò)展討論
5.3實戰(zhàn)52：用while循環(huán)產(chǎn)生阻塞條件判斷延時
5.3.1問題和目標(biāo)
5.3.2解決方案
5.3.3擴(kuò)展討論
5.4實戰(zhàn)53：用millis()或micros()函數(shù)實現(xiàn)計時功能
5.4.1問題和目標(biāo)
5.4.2解決方案
5.4.3擴(kuò)展討論
5.5實戰(zhàn)54：用pulseIn()函數(shù)測量脈沖寬度
5.5.1問題和目標(biāo)
5.5.2解決方案
5.5.3擴(kuò)展討論
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
第6章模擬信號測量應(yīng)用設(shè)計
6.1Nano自帶的模擬信號采集資源
6.2實戰(zhàn)61：用analogRead()函數(shù)測量模擬電壓
6.2.1問題和目標(biāo)
6.2.2解決方案
6.2.3擴(kuò)展討論
6.3實戰(zhàn)62：使用analogReference()函數(shù)提高模擬測量精度
6.3.1問題和目標(biāo)
6.3.2解決方案
6.3.3擴(kuò)展討論
6.4實戰(zhàn)63：使用外部基準(zhǔn)源提高模擬測量精度
6.4.1問題和目標(biāo)
6.4.2解決方案
6.4.3擴(kuò)展討論
6.5實戰(zhàn)64：測量analogRead()函數(shù)的采樣頻率
6.5.1問題和目標(biāo)
6.5.2解決方案
6.5.3擴(kuò)展討論
6.6實戰(zhàn)65：提高analogRead()函數(shù)的采樣頻率
6.6.1問題和目標(biāo)
6.6.2解決方案
6.6.3擴(kuò)展討論
6.7實戰(zhàn)66：用串口繪圖器觀察模數(shù)采集信號
6.7.1問題和目標(biāo)
6.7.2解決方案
6.7.3擴(kuò)展討論
6.8實戰(zhàn)67：用DSA模塊測量雙極性模擬信號
6.8.1問題和目標(biāo)
6.8.2解決方案
6.8.3擴(kuò)展討論
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
第7章I2C和SPI通信資源應(yīng)用設(shè)計
7.1Nano引腳的I2C和SPI通信功能
7.2I2C協(xié)議原理
7.3實戰(zhàn)71：用Wire庫實現(xiàn)I2C通信
7.3.1問題和目標(biāo)
7.3.2解決方案
7.3.3擴(kuò)展討論
7.4SPI協(xié)議原理
7.5實戰(zhàn)72：用SPI庫實現(xiàn)SPI通信
7.5.1問題和目標(biāo)
7.5.2解決方案
7.5.3擴(kuò)展討論
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
第8章自帶與外擴(kuò)存儲資源的設(shè)計
8.1Arduino的數(shù)據(jù)存儲資源
8.2實戰(zhàn)81：用內(nèi)置EEPROM存儲數(shù)據(jù)
8.2.1問題和目標(biāo)
8.2.2解決方案
8.2.3擴(kuò)展討論
8.3實戰(zhàn)82：用外部EEPROM存儲數(shù)據(jù)
8.3.1問題和目標(biāo)
8.3.2解決方案
8.3.3擴(kuò)展討論
8.4實戰(zhàn)83：用外部SD卡存儲數(shù)據(jù)
8.4.1問題和目標(biāo)
8.4.2解決方案
8.4.3擴(kuò)展討論
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
第9章外擴(kuò)模擬信號輸出的設(shè)計
9.1模擬信號輸出概述
9.2實戰(zhàn)91：用面包板擴(kuò)展DA功能
9.2.1問題和目標(biāo)
9.2.2解決方案
9.2.3擴(kuò)展討論
9.3實戰(zhàn)92：用DAR模塊實現(xiàn)DA功能
9.3.1問題和目標(biāo)
9.3.2解決方案
9.3.3擴(kuò)展討論
9.4實戰(zhàn)93：用TI902實現(xiàn)并行DA功能
9.4.1問題和目標(biāo)
9.4.2解決方案
9.4.3擴(kuò)展討論
9.5實戰(zhàn)94：用PCF8591實現(xiàn)串行DA功能
9.5.1問題和目標(biāo)
9.5.2解決方案
9.5.3擴(kuò)展討論
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
綜合篇
第10章Arduino與PC協(xié)同設(shè)計
10.1Arduino與PC協(xié)同的UART通信功能
10.2實戰(zhàn)101：用Serial.println()函數(shù)向PC發(fā)送文本信息
10.2.1問題和目標(biāo)
10.2.2解決方案
10.2.3擴(kuò)展討論
10.3實戰(zhàn)102：用Serial.println()函數(shù)向PC發(fā)送字符編碼數(shù)據(jù)
10.3.1問題和目標(biāo)
10.3.2解決方案
10.3.3擴(kuò)展討論
10.4實戰(zhàn)103：用Serial.write()函數(shù)向PC發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)
10.4.1問題和目標(biāo)
10.4.2解決方案
10.4.3擴(kuò)展討論
10.5實戰(zhàn)104：用Serial.available()和Serial.read()函數(shù)阻塞式接收
PC發(fā)送的字符
10.5.1問題和目標(biāo)
10.5.2解決方案
10.5.3擴(kuò)展討論
10.6實戰(zhàn)105：串口高級讀取功能
10.6.1問題和目標(biāo)
10.6.2解決方案
10.6.3擴(kuò)展討論
10.7實戰(zhàn)106：用serialEvent()函數(shù)并發(fā)式接收PC發(fā)送的數(shù)據(jù)
10.7.1問題和目標(biāo)
10.7.2解決方案
10.7.3擴(kuò)展討論
10.8實戰(zhàn)107：用SoftwareSerial實現(xiàn)軟串口通信
10.8.1問題和目標(biāo)
10.8.2解決方案
10.8.3擴(kuò)展討論
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
第11章MATLAB與Arduino協(xié)同設(shè)計
11.1MATLAB的通信協(xié)同功能
11.1.1串口通信設(shè)計需考慮的關(guān)鍵問題
11.1.2MATLAB的串口對象與屬性
11.2實戰(zhàn)111：創(chuàng)建MATLAB串口對象并配置屬性
11.2.1問題和目標(biāo)
11.2.2解決方案
11.2.3擴(kuò)展討論
11.3MATLAB串口發(fā)數(shù)據(jù)機(jī)制
11.4實戰(zhàn)112： MATLAB向Arduino發(fā)送字符命令
11.4.1問題和目標(biāo)
11.4.2解決方案
11.4.3擴(kuò)展討論
11.5實戰(zhàn)113： MATLAB向Arduino發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)
11.5.1問題和目標(biāo)
11.5.2解決方案
11.5.3擴(kuò)展討論
11.6MATLAB串口讀數(shù)據(jù)機(jī)制
11.7實戰(zhàn)114： MATLAB同步讀Arduino發(fā)送字符編碼數(shù)據(jù)
11.7.1問題和目標(biāo)
11.7.2解決方案
11.7.3擴(kuò)展討論
11.8實戰(zhàn)115： MATLAB同步讀Arduino發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)幀
11.8.1問題和目標(biāo)
11.8.2解決方案
11.8.3擴(kuò)展討論
11.9MATLAB串口的相關(guān)事件和回調(diào)函數(shù)
11.9.1事件類型和回調(diào)屬性
11.9.2創(chuàng)建和執(zhí)行回調(diào)函數(shù)
11.10實戰(zhàn)116：用MATLAB串口異步讀取Arduino發(fā)送的數(shù)據(jù)
11.10.1問題和目標(biāo)
11.10.2解決方案
11.10.3擴(kuò)展討論
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
第12章Arduino實現(xiàn)快速傅里葉變換
12.1問題和目標(biāo)
12.2原理思路
12.2.1復(fù)數(shù)的表示
12.2.2FFT經(jīng)典蝶形運算
12.3解決方案
12.4測試驗證
12.5擴(kuò)展討論
12.5.1Arduino自帶pow()函數(shù)的易錯點
12.5.2Arduino內(nèi)存的局限性
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
第13章簡約型紅外通信鏈路設(shè)計
13.1問題和目標(biāo)
13.2原理思路
13.2.1發(fā)射機(jī)設(shè)計
13.2.2接收機(jī)設(shè)計
13.3解決方案
13.4測試驗證
13.5擴(kuò)展討論
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
第14章Arduino與MATLAB協(xié)同的超聲雷達(dá)設(shè)計
14.1問題和目標(biāo)
14.2系統(tǒng)整體設(shè)計方案
14.3系統(tǒng)硬件設(shè)計實現(xiàn)
14.3.1超聲雷達(dá)傳感器
14.3.2舵機(jī)云臺模塊
14.3.3聲音傳感器
14.3.4集成硬件樣機(jī)
14.4系統(tǒng)軟件設(shè)計實現(xiàn)
14.4.1Arduino軟件設(shè)計
14.4.2MATLAB軟件設(shè)計
本章小結(jié)
拓展練習(xí)
參考文獻(xiàn)

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