Arduino图形化编程轻松学

本书基于 Grove Arduino 入门套件、几个扩展模块，以及图形化编程软件 Codecraft，通过 28 个有趣项目带读者入门 Arduino 开源硬件，内容组织：01 章（第 1~14 课），每课通过一个或多个任务，带领读者逐步学习 Grove Arduino 入门套件中 10 个最常用的电子模块，并生动地讲述相关背景知识—LED 灯、蜂鸣器、OLED 显示屏等；02 章（第 15~19 课），首先介绍产品原型的设计启蒙，然后制作4个较为复杂的项目，如智能加湿器、遥控电风扇、自动报警器等，提升读者的综合运用能力；03 章邀请了 5 位资深创客分享他们制作项目的经历和感悟，如宇树科技的王兴兴制作机器狗的经历、肯綮科技的余运波研发动力外骨骼的故事等。

书中所有项目均提供了源程序，方便读者参考学习；还为复杂项目提供了可用于激光切割的文件，读者可用它烧刻出适合项目的木质结构件。背景知识包括生活常识和很多物理学科知识点，方便老师进行学科融合教学。

本书适合零经验、期望快速入门开源硬件的个人爱好者，也适合学校或培训机构教学。

冯磊

70后，做过游戏网站、游戏杂志、产品经理、游戏策划与运营。

2018年至今，在柴火创客教育任课程组负责人，带领团队开发了20多门创客教育课程。

[俄]Dmitry Maslov

应用机器学习和机器人方面的专业人士，精通四种语言。参与设计了柴火创客教育的多门创客课程。

蒋炜波

清华大学附属中学物理学科高级教师，获全国中学物理青年教师教学大赛一等奖，主持或参与国j级、北京市级课题10余项。

25个基础项目，逐一玩转各个模块。4个扩展项目，启蒙产品原型设计。5个创业故事，点亮成就自我的梦想。

推荐序一

可编程硬件曾是专业工程师上天入地的利器，但需要全面的软硬件知识和很高的研发成本。Arduino?平台通过对底层硬件的简化和封装，极大地降低了可编程硬件的门槛，使这些工具成为了大众的玩具，催生了各种创意和创业项目，是全球创客运动的重要组成部分。我也正是通过?Arduino入门，研发了?OpenCat?系列机器人，走上了全职创业的道路。

虽然?Arduino?有着非常活跃的全球社区，但国内的用户并没有太多接触它的窗口。矽递科技是较早把?Arduino?引入国内的公司，其定义了一套?Grove?标准接口，方便各种传感器和执行器的接入；而在软件端，矽递科技又开发了一套积木式图形编程界面?CodeCraft，进一步简化了程序的语法细节，保留了对编程思想的提炼。本书综合介绍了这两个体系，方便零基础的用户入门。

这本书首先带你用代码点亮一盏灯，这与我们的祖先学会用火同样意义重大——你将驯服看不见摸不着的电子，把它纳入能被理性操控的实体，并开发它蕴藏的巨 大能量。但相比于火的狂放不羁，电子漫游于错综复杂的电路，显得低调而神秘。在后续的章节里，你将通过它的视角，了解电路是如何感知周围环境、传递信号，并反作用于环境的。你将使用电路能理解的编程语言，把逻辑的碎片嵌入敏捷、准确、 不知疲倦的程序中，教它代你理解、判断、重复、表达。一方面，个人所能操纵的逻辑单元得以无限扩增，加速对现有资源的利用；另一方面，宝贵的创造力得以从 简单的重复中解放出来，探索未知领域的宝藏。

编程是一项实践性很强的技能，本书由浅入深的内容安排可以帮你迈出忐忑的第一步。软硬件结合的呈现方式特别适合把抽象的逻辑过程具象化，而丰富的示例 则可以给你带来启发，利用各种功能模块的排列组合解决实际的问题。历史的进程伴随着信息的创造和传播，未来的蓝图由公理和逻辑展开。我们曾束缚于贫瘠的想象，文明起源于偶然的几次电击。祝大家学得开心，玩得高级！

李荣仲?博士

Petoi?& 派拓艺创始人

2021 年 4 月 30 日

推荐序二

当下有大量计算机编程语言和硬件开发平台 可供初学者选择，其中赫赫有名的就有Arduino

平台。对STEM教育（科学、技术、工程和数 学教育）而言，最大的挑战就是如何养成终身学习的习惯，以此不断培养自己的能力和技能。矽递科技设计的 Grove Arduino 入门套件和Codecraft软件开发平台，是一个很好的组合，可以满足新手、中级和专家级学习者的需求，如下表所示。

对于新手来说，图形化编程平台 Codecraft 简单易学。入门套件上微控制器和模块已经通过电路板连接，解决了模块间接线的问题，使学习者能够专注于开发Arduino 程序。

当学完本书的课程后，就可以顺利进入下一阶段——在设计中添加更多的模块和外部元件，开发复杂的 Arduino 程序。

致教育工作者 / 教师：

相信矽递科技的?Grove?Arduino?入门套件和?Codecraft?软件开发平台，能成为你向学生教授?STEM?技能的利器。鼓励学生在编程过程中，多单击?CodeCraft 中的代码按钮，以查看由开发工具自动生成的?Arduino?程序。让学生尝试解释每一行代码都在做什么，有助于帮助他们更快地成为中级和专业的?Arduino?开发人。

与他人分享你的课程和成功案例，并充分利用全球资源。

致家长：

鼓励孩子与你分享他们所学到的知识，引导他们提出好问题和富有挑战性的想法。当然，最好能和他们一起学习?STEM?技巧！

致学生：

保持好奇心！积极实践！当你创造的东西和你预期的不一样时，恭喜你，这是你学到新东西的大好时机！如果你遇到问题，可以向你的朋友、家人、同学、老师请教或者上网搜索，要相信周围有很多资源可以帮助你。最重要的是，希望你能利用这次经历中学到的新技能，继续挑战自己，创造出更棒的项目。

积极地为自己的项目拍摄照片或视频、撰写说明、绘制草图或流程图……要不遗余力地通过各种在线平台与他人分享你的项目记录，让你的创造力成为他人的灵感。有朝一日，你或许就会创造出一个伟大的?Arduino?库或示例程序，被其他制作者广为使用或借鉴。开源的精髓，就是和你身边甚至是世界各地的人们共同努力，创造一个更美好的世界。

致矽递科技和 Codecraft 团队：

你们精心设计的产品和书让全世界的学生和爱好者都能更容易地学习?Arduino?技能，无论是新手还是专家。衷心感谢为此付出巨大努力的工程师、软件开发人员、课程编辑、产品经理、制造技术人员和所有使这一切成为可能的人们。

谢谢你们 !

Wayne Seltzer

科罗拉多大学博尔德分校 CU 科学探索中心讲师，ATLAS 研究所 BTU 实验室总监

科罗拉多大学 STEM 教育网站 buildarobotk12.com 的指导老师，STEM 技术专家兼顾问

博尔德谷学区终身学习社区、咨询委员会的社区代表

推荐序三

亲爱的发明家们，很高兴有机会写这篇推荐序。作为既是老师也是学生的我，对借助技术和教

育改善人类生活，并使世界变得更美好的力量深感着迷。

我们的世界每时每刻都在变得更加紧密相连，

更加自动化，更加复杂。但这个过程充满坎坷，且极具挑战。我们每解决一个“旧世界”的问题，就会冒出一个“新世界”的问题，挑战我们的头脑和想象力。是的，未来蕴藏着过去从未有过的令人不安的问题，但它也提供了令人难以置信的机遇。 其中一些机遇可以在地球上获得，但借助科学和技术，人类现在可以探索更为高远的边界。

就在几天前，美国国家航空航天局（NASA）的“毅力号”火星探测器登陆火星，经过 7 个月，4.8 亿千米的星际旅行，以每小时 39600 千米的速度飞抵火星，并准确地降落在杰泽罗陨石坑内。这辆火星车搭载了一系列神奇的技术：可视光谱相机、激光成像仪、地下实验雷达成像仪、火星环境动态分析仪、利用火星二氧化碳制造氧气的装置、紫外光谱仪和 X 射线光谱仪，以及各种通信仪器，一台可以做出决策控制所有火星车操作并与地球上的队友进行通信的计算机，等等。它甚至还配备了一架无人机，这是火星上的第一架飞行器 !

你能想象吗？

一个由科学家和工程师组成的团队创造了一台机器，前往另一个星球进行实验，以获得关于我们这个世界的更多认知。这个单一的任务包含了无数的问题，这些问题中的每一个都必须利用现有的和新的技术来解决。

在这个过程中，我们学到了很多东西，人类探索太空的脚步又迈进了一步。毅力号的任务是科学和工程学的奇迹之一，我们用技术来解决平凡的日常问题，并扩大我们在宇宙中的影响力。我们用技术来治疗、保护和哺育我们的身体，连接和娱乐我们的心灵，并塑造我们的环境。

世界正变得更加复杂。由于教育和技术的发展，世界也正在变得更大。我们可以用宇宙飞船到达火星（甚至更远），而且可以想象一个更安全、更繁荣和充实的世界。科学技术是用来建设这样一个世界的工具。

无论你是想成为未来太空任务工程团队的一员，还是想研究地球上的问题，旅程都是从当下开始的，始于卑微第一步。它可能是学习如何让一个 LED 灯闪烁，学习如何让蜂鸣器发出一个音符，或者如何将信息打印到屏幕上……

不积跬步，无以至千里。将漫游车送往另一个星球，发明互联网，或者建造第一辆自动驾驶汽车……都是由充满激情的工程师们在数千年的时间里所做出的难以计数的努力累积而成的。

在个人层面上，每一步都建立在前人的努力之上，结果是成为一个更好的工程师，能够解决更复杂和更重要的问题。 你想成为那个工程师吗？

Grove Arduino 入门套件可以帮助你迈出这最初的几步。这些工具可以帮助你更快地学习，减少错误。虽然错误是有用的，因为它们提供了独特的学习机会，但我也相信，太多的错误会产生相反的效果——会使学习者失去动力。

自学正变得越来越普遍，如今越来越多的人采用自学的方式，借助一本书或几个视频，无须老师的帮助。

作为一名教育工作者，当我帮助一名新生开始学习电子技术时，我的主要奋斗目标是让学习曲线尽可能地平缓。很多学生容易在入门阶段就选择放弃，因为他们要学习的信息量太大。而学习是一项长期的工作，所以我们应积极进行各种尝试和努力，以减少学生们早期放弃的风险，并帮助学生坚持足够长的时间，以到达信和独立的境界。今天的教育工具比以往任何时候都更为关键，诸如本书使用的Codecraft（基于 Scratch 3.0）或其他图形化编程语言的创新都有助于实现这一目标。

对于任何想要从头开始学习电子和编程的人来说，这本书是一个很好的选择。即使你从来没有写过一行代码，也可以创建自己的第一个电路并进行编程。本书向你展示了如何使用Grove Arduino 入门套件与图形化的 Codecraft 网络编程环境。你将学会如何控制灯光、屏幕、蜂鸣器、按键和各种传感器。如果你想在十年后成为一名工程师，创造神奇的机器，创造未来，这些都是你需要迈出的必要的第一步。祝你在未来的旅途中一路顺畅，并诚邀你释放自己的创造力，无惧天马行空。

Peter Dalmaris 博士

Maker Education Revolution 作者，Tech Explorationsa 的创始人

2021 年 2 月 20 日

引言 为什么要学开源硬件 1

01 章 入门套件课程 19

第 1 课 我的第一个 Arduino 程序：Blink 21

第 2 课 控制 LED 灯的亮度 39

第 3 课 循环与变量—— LED “呼吸灯” 47

第 4 课 条件语句—用按键控制开关灯 59

第 5 课 用旋钮调节 LED 灯的亮度 71

第 6 课 摩尔斯电码发报机和音乐盒 85

第 7 课 点亮 OLED 显示屏，开启可视化交互 99

第 8 课 那些默不作声的硬件真的在工作吗 111

第 9 课 “看见”声音与制作声控灯 125

第 10 课 光控灯 139

第 11 课 气压计与高度计 147

第 12 课 小小气象站 168

第 13 课 三轴加速度计——运动与平衡 179

第 14 课 入门套件创意脑力训练 199

02 章 入门套件与扩展项目 207

第 15 课 产品原型设计启蒙 209

第 16 课 扩展项目 1：智能加湿器 225

第 17 课 扩展项目 2 ：可转头的遥控电风扇 237

第 18 课 扩展项目 3 ：自动报警宝箱 251

第 19 课 扩展项目 4：超声波测距传感器应用 259

03 章 踏进未知领域 265

邓斌华 小汪变色夜灯的创作分享 267

刘焱锋 我和同学们的创客教育故事 271

王兴兴 执着于心——从 XDog 到春晚机器小牛“犇犇” 277

余运波 六年磨一剑——肯綮科技的动力机械外骨骼 283

李荣仲 OpenCat——从创客到创业的可持续发展 293

附录 300

附录 A 词汇表 302

附录 B 知识点索引表 308