机器人控制器编程实践指导书旧版-实践一 LED灯（数字量）

适用于UNO/2560/DUE/ESP8266/ESP32，2021年之前使用版本。

实践一 LED灯（数字量）

1.1 实践目的

• 了解机器人控制器的基本概念和特点
• 了解Arduino[ESP32]简介及相应的硬件设备
• 掌握Arduino[ESP32] IDE的安装和使用
• 掌握Arduino[ESP32]硬件基本资源和编程方法

1.2 实践设备

• PC机一台
• Arduino[ESP32]开发板及配件等
• 万用表和示波器等

1.3 实践原理

• 初级：

1.3.1 控制13引脚灯闪烁。

示意图和原理图

参考代码：

int led = 13; // integer variable led is declared

void setup() { // the setup() method is executed only once

pinMode(led, OUTPUT); // the led PIN is declared as digital output

}

void loop() { // the loop() method is repeated

digitalWrite(led, HIGH); // switching on the led

delay(1000); // stopping the program for 1000 milliseconds

digitalWrite(led, LOW); // switching off the led

delay(1000); // stopping the program for 1000 milliseconds

}

1.3.2 跑马灯。

示意图

原理图

参考代码：

int timer = 100; // The higher the number, the slower the timing.

void setup() { // use a for loop to initialize each pin as an output:

for (int thisPin = 2; thisPin < 8; thisPin++) {

pinMode(thisPin, OUTPUT);

}

}

void loop() {

// loop from the lowest pin to the highest:

for (int thisPin = 2; thisPin < 8; thisPin++) {

// turn the pin on:

digitalWrite(thisPin, HIGH);

delay(timer);  

// turn the pin off:

digitalWrite(thisPin, LOW);

}

// loop from the highest pin to the lowest:

for (int thisPin = 7; thisPin >= 2; thisPin--) {

// turn the pin on:

digitalWrite(thisPin, HIGH);

delay(timer);

// turn the pin off:

digitalWrite(thisPin, LOW);

}

}

1.3.3 按键控制。

示意图

原理图

参考代码：

// constants won't change. They're used here to

// set pin numbers:

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 (buttonState == HIGH) {

// turn LED on:

digitalWrite(ledPin, HIGH);

}

else {

// turn LED off:

digitalWrite(ledPin, LOW);

}

}

• 中级：

1.3.4 74HC595。

示意图

原理图

使用74HC595与数字直接控制LED有何优势，写出核心代码。（选做）

595驱动电流大,35毫安每个端口,操作灵活,需要数据线,时钟线,锁存线,(三态控制线,清零线 可不用),数目多的话用595可以方便的组成动态显示,电路简单成本低。

void _74hc595_init(void)  

{

         gpio_config_t io_conf = {

        .intr_type = GPIO_PIN_INTR_DISABLE,

        .mode = GPIO_MODE_OUTPUT,

        .pin_bit_mask = (1ULL<<SCK_GPIO_PIN)|(1ULL<<RCK_GPIO_PIN)|(1ULL<<SDA_GPIO_PIN), 

        .pull_down_en = 1,

        .pull_up_en = 0,

    };

    gpio_config(&io_conf);

    HC595_SCK_Low();

    HC595_RCK_Low();

    HC595_Data_Low();

}

void HC595_Save(void)

{

   HC595_RCK_Low();   // 将RCK拉低

   delay(10);

   HC595_RCK_High();  // 再将RCK拉高，RCK即可产生一个上升沿

}

void HC595_Send_Byte(uint8_t byte)

{

    uint8_t i;

    for (i = 0; i < 8; i ++)  //一个字节8位，传输8次，一次一位，循环8次，刚好移完8位

    {

        HC595_SCK_Low();   // SCK拉低

       if (byte & 0x80){      //先传输高位，通过与运算判断第八是否为1

           HC595_Data_High();    //如果第八位是1，则与 595 DS连接的引脚输出高电平

       }else{                  //否则输出低电平

           HC595_Data_Low();

       }

       byte <<= 1;       // 左移一位，将低位往高位移，通过  if (byte & 0x80)判断低位是否为1

       HC595_SCK_High();  // SHCP拉高， SHCP产生上升沿

    }

}

void HC595_Send_Multi_Byte(uint8_t *data, uint16_t len)

{

    uint8_t i;

    for (i = 0; i < len; i ++ ) {

        HC595_Send_Byte(data[i]);

       debug_i("leve  :%d  data:%x",i,data[i]);

    }

    HC595_Save();

}

1.3.5 旋钮控制灯亮度。

示意图

原理图

• 高级：

开源机器人操作系统ROS和开源硬件Arduino[ESP32]联调（选修）

ROS 1.0 Melodic：

/*

 * rosserial Subscriber Example

 * Blinks an LED on callback

 */

#include <ros.h>

#include <std_msgs/Empty.h>

ros::NodeHandle  nh;

void messageCb( const std_msgs::Empty& toggle_msg){

digitalWrite(13, HIGH-digitalRead(13));   // blink the led

}

ros::Subscriber<std_msgs::Empty> sub("toggle_led", &messageCb );

void setup()

{

  pinMode(13, OUTPUT);

  nh.initNode();

  nh.subscribe(sub);

}

void loop()

{ 

  nh.spinOnce();

  delay(1);

}

依次分别在不同终端运行如下命令：

roscore

rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyUSB0

rostopic pub toggle_led std_msgs/Empty --once

观察LED灯状态。

ROS 2.0 Dashing：

#include <ros2Arduino[ESP32].h>

#define XRCEDDS_PORT  Serial

void subscribeLed(std_msgs::Bool* msg, void* arg)

{

  (void)(arg);

  digitalWrite(LED_BUILTIN, msg->data);

}

class LedSub : public ros2::Node

{

public:

  LedSub()

  : Node("ros2Arduino[ESP32]_sub_node")

  {

    this->createSubscriber<std_msgs::Bool>("Arduino[ESP32]_led", (ros2::CallbackFunc)subscribeLed, nullptr);

  }

};

void setup()

{

  XRCEDDS_PORT.begin(115200);

  while (!XRCEDDS_PORT);

  ros2::init(&XRCEDDS_PORT);

  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

}

void loop()

{

  static LedSub LedNode;

  ros2::spin(&LedNode);

}

1.4 实践内容

阅读1.3中示意图、原理图和参考代码，在Arduino[ESP32]平台上完成实践。

1.5 实践问题

1.5.1交通灯：

示意图

原理图

请编写代码实现英文简介中的功能。

void setup() {

        pinMode(LED_G, OUTPUT);

        pinMode(LED_Y, OUTPUT);

        pinMode(LED_R, OUTPUT);

} 

void loop() {

        digitalWrite(LED_G, LOW);点亮 绿灯

        delay(5000);//延时5秒

        digitalWrite(LED_G, HIGH); //熄灭 绿灯

        for(int i=0;i<3;i++)//闪烁交替三次，黄灯闪烁效果

        {

                delay(500);//延时0.5 秒

                digitalWrite(LED_Y, LOW);//点亮  黄灯

                delay(500);//延时0.5 秒

                digitalWrite(LED_Y, HIGH);//熄灭  黄灯

        }

        delay(500);//延时0.5 秒

        digitalWrite(LED_R, LOW);//点亮 红灯

        delay(5000);//延时5 秒

        digitalWrite(LED_R, HIGH);//熄灭 红灯

}

1.5.2 能否调节非PWM口外接的LED灯的亮度，为什么？

能。

PWM是一种脉冲宽度调制，也就是看高电平持续的时长。PWM的占空比代表的是平均电压,占空比发生变化后LED和限流电阻两端的平均电压就会发生变化,那么流过LED的电流就会发生变化,这就是PWM调节亮度的原理。

int potpin=0;

int ledpin=11;

int val=0;

void setup()

{

pinMode ( ledpin, OUTPUT);

Serial.begin(9600);

}

void loop （）

{

val=analogRead(potpin);

Serial.println(val) ;

analogWrite(ledpin, val);

delay(10);

}

1.6 实践总结

回顾本次实践，遇到哪些问题，如何解决，经验和启发有哪些？

74HC595是一个8位串行输入、并行输出的位移缓存器：并行输出为三态输出。在SCK 的上升沿，串行数据由数据脚（A）输入到内部的8位位移缓存器，并由Q7’输出，而并行输出则是在LCK的上升沿将在8位位移缓存器的数据存入到8位并行输出缓存器。当串行数据输入端OE的控制信号为低使能时，并行输出端的输出值等于并行输出缓存器所存储的值。