§01 Arduino ATmega328 测试电路

根据 Arduino门禁人机接口调试 Version 1.0 基于Groove Beginner的背板的设计基础上，按照 从0 开始 DIY你的Arduino UNO 设计方法，将ATmega328直接与接口电路设计成一个单一的电路板，便可以大大简化系统的构成了。

1、电路设计

▲ 图1-1 最小系统原理图

▲ 图1-2 ESP8266子系统电路

▲ 图1-3 接口电路

▲ 图1-4 USB下载电路接口

2、接口说明

根据下图所示的Arduino管脚的定义，结合前面的原理图设计，可以分别确定按键，LED模块，舵机，语音模块，人脸模块，ESP8266模块的接口。

▲ 图2-1 Arduino 管脚定义

（1）按键接口

按键的行扫描与列扫描分别使用 D4，D5，D6，D7，D8，D9，D18，D19。键盘的读取参考程序参见：

/*
**==============================================================================
** TESTKEY.C:             -- by Dr. ZhuoQing, 2021-05-25
**
**==============================================================================
*///------------------------------------------------------------------------------#define KEYLINE_1       4
#define KEYLINE_2       5
#define KEYLINE_3       6
#define KEYLINE_4       7
#define KEYCODE_1       8
#define KEYCODE_2       9
#define KEYCODE_3       18
#define KEYCODE_4       19#define KEY_NULL        0xff
#define KEY_1           0x47
#define KEY_2           0x4B
#define KEY_3           0x4D
#define KEY_4           0x37
#define KEY_5           0x3B
#define KEY_6           0x3D
#define KEY_7           0x27
#define KEY_8           0x2B
#define KEY_9           0x2D
#define KEY_0           0x17
#define KEY_A           0x4E
#define KEY_B           0x3E
#define KEY_C           0x2E
#define KEY_D           0x1E
#define KEY_E           0x1D
#define KEY_F           0x1Bvoid keyLineSet(unsigned char ucLine) {if(ucLine & 0x1)    digitalWrite(KEYLINE_1, HIGH);else digitalWrite(KEYLINE_1, LOW);if(ucLine & 0x2)    digitalWrite(KEYLINE_2, HIGH);else digitalWrite(KEYLINE_2, LOW);if(ucLine & 0x4)    digitalWrite(KEYLINE_3, HIGH);else digitalWrite(KEYLINE_3, LOW);if(ucLine & 0x8)    digitalWrite(KEYLINE_4, HIGH);else digitalWrite(KEYLINE_4, LOW);
}void keySetup(void) {pinMode(KEYLINE_1, OUTPUT);pinMode(KEYLINE_2, OUTPUT);pinMode(KEYLINE_3, OUTPUT);pinMode(KEYLINE_4, OUTPUT);pinMode(KEYCODE_1, INPUT_PULLUP);pinMode(KEYCODE_2, INPUT_PULLUP);pinMode(KEYCODE_3, INPUT_PULLUP);pinMode(KEYCODE_4, INPUT_PULLUP);        keyLineSet(0x0);
}unsigned char keyReadCode(void) {keyLineSet(0xe);if(keyCode() != 0xf) return 0x10 | keyCode();keyLineSet(0xd);if(keyCode() != 0xf) return 0x20 | keyCode();keyLineSet(0xb);if(keyCode() != 0xf) return 0x30 | keyCode();keyLineSet(0x7);if(keyCode() != 0xf) return 0x40 | keyCode();return 0xff;
}unsigned char keyCode(void) {unsigned char ucCode;ucCode = 0x0;if(digitalRead(KEYCODE_1) == HIGH) ucCode |= 0x1;if(digitalRead(KEYCODE_2) == HIGH) ucCode |= 0x2;if(digitalRead(KEYCODE_3) == HIGH) ucCode |= 0x4;if(digitalRead(KEYCODE_4) == HIGH) ucCode |= 0x8;return ucCode;
}//------------------------------------------------------------------------------
unsigned char Hex2Text(unsigned char ucCode) {if(ucCode < 10) {return '0' + ucCode;}return 'A' + ucCode - 10;}void SendHEX8(unsigned char ucCode) {Serial.write(Hex2Text(ucCode >> 4));Serial.write(Hex2Text(ucCode & 0xf));
}//------------------------------------------------------------------------------
void setup(void) {Serial.begin(115200);keySetup();}//------------------------------------------------------------------------------
void loop(void) {delay(250);SendHEX8(keyReadCode());Serial.write("\r\n");
}//==============================================================================
//                END OF THE FILE : TESTKEY.C
//------------------------------------------------------------------------------

（2）点阵LED模块接口

控制点阵LED模块的四个IO口分别为 D14，D15，D16，D17。

对于LED模块控制参考程序为：

/*
**==============================================================================
** TESTLED.C:             -- by Dr. ZhuoQing, 2021-05-25
**
**==============================================================================
*/#define LED_DATA1       14
#define LED_DATA2       15
#define LED_CLK1        16
#define LED_CLK2        17//------------------------------------------------------------------------------
unsigned char g_ucLEDBuffer[4][16];void ledSetup(void) {int i, j;for(i = 0; i < 4; i ++) {for(j = 0; j < 16; j ++) {g_ucLEDBuffer[i][j] = 0x0;}}pinMode(LED_DATA1, OUTPUT);pinMode(LED_DATA2, OUTPUT);pinMode(LED_CLK1, OUTPUT);pinMode(LED_CLK2, OUTPUT);        digitalWrite(LED_CLK1, HIGH);digitalWrite(LED_CLK2, HIGH);digitalWrite(LED_DATA1, HIGH);digitalWrite(LED_DATA2, HIGH);}void ledSetData12(unsigned char ucData12) {if(ucData12 & 0x1) digitalWrite(LED_DATA1, HIGH);else digitalWrite(LED_DATA1, LOW);if(ucData12 & 0x2) digitalWrite(LED_DATA2, HIGH);else digitalWrite(LED_DATA2, LOW);
}void ledClock1(void) {digitalWrite(LED_CLK1, HIGH);       // clock up 7usdigitalWrite(LED_CLK1, LOW);
}void ledClock2(void) {digitalWrite(LED_CLK2, HIGH);digitalWrite(LED_CLK2, LOW);
}void ledStart(void) {digitalWrite(LED_DATA1, LOW);digitalWrite(LED_DATA2, LOW);digitalWrite(LED_CLK1, LOW);digitalWrite(LED_CLK2, LOW);}void ledStop(void) {digitalWrite(LED_DATA1, LOW);digitalWrite(LED_DATA2, LOW);digitalWrite(LED_CLK1, HIGH);digitalWrite(LED_CLK2, HIGH);digitalWrite(LED_DATA1, HIGH);digitalWrite(LED_DATA2, HIGH);}void ledWriteData(unsigned char ucChar1, unsigned char ucChar2,unsigned char ucChar3, unsigned char ucChar4) {unsigned char i;unsigned char ucMask;ucMask = 0x1;for(i = 0; i < 8; i++) {if(ucChar1 & ucMask) digitalWrite(LED_DATA1, HIGH);else digitalWrite(LED_DATA1, LOW);            if(ucChar2 & ucMask) digitalWrite(LED_DATA2, HIGH);else digitalWrite(LED_DATA2, LOW);            digitalWrite(LED_CLK1, HIGH);       // clock up 7usdigitalWrite(LED_CLK1, LOW);if(ucChar3 & ucMask) digitalWrite(LED_DATA1, HIGH);else digitalWrite(LED_DATA1, LOW);            if(ucChar4 & ucMask) digitalWrite(LED_DATA2, HIGH);else digitalWrite(LED_DATA2, LOW); digitalWrite(LED_CLK2, HIGH);       // clock up 7usdigitalWrite(LED_CLK2, LOW);ucMask = ucMask << 1;}}//------------------------------------------------------------------------------
#define LEDCMD_ADD_INC          0x40
#define LEDCMD_ADD_SET          0x44
#define LEDCMD_MODE_CLOSE       0x80
#define LEDCMD_MODE_OPEN        0x8a//------------------------------------------------------------
void ledWriteByteAll(unsigned char ucChar) {ledWriteData(ucChar, ucChar, ucChar, ucChar);
}void ledWriteData16All(unsigned char ucData) {unsigned char i;ledStart();ledWriteByteAll(LEDCMD_ADD_INC);ledStop();ledStart();ledWriteByteAll(0xc0);for(i = 0; i < 16; i ++) {ledWriteByteAll(ucData);}ledStop();ledStart();    ledWriteByteAll(LEDCMD_MODE_OPEN);ledStop();
}//------------------------------------------------------------------------------
void ledWriteBuffer(void) {unsigned char i;ledStart();ledWriteByteAll(LEDCMD_ADD_INC);ledStop();ledStart();ledWriteByteAll(0xc0);for(i = 0; i < 16; i ++) {ledWriteData(g_ucLEDBuffer[0][i],g_ucLEDBuffer[1][i],g_ucLEDBuffer[2][i],g_ucLEDBuffer[3][i]);}ledStop();    ledStart();    ledWriteByteAll(LEDCMD_MODE_OPEN);ledStop();
}//------------------------------------------------------------------------------
#define LED_PIN         13
void setup(void) {ledSetup();pinMode(LED_PIN, OUTPUT);}//------------------------------------------------------------------------------
unsigned char ucCount = 0;
void loop(void) {int i, j;ucCount ++;if(ucCount & 0x1) digitalWrite(LED_PIN, HIGH);else digitalWrite(LED_PIN, LOW);for(i = 0; i < 4; i ++) {for(j = 0; j < 16; j ++) {g_ucLEDBuffer[i][j] = ucCount;}}ledWriteBuffer();delay(500);
}//==============================================================================
//                END OF THE FILE : TESTLED.C
//------------------------------------------------------------------------------

将按键与LED模块符合在一起的测试程序，请参见 Arduino门禁人机接口调试 Version 1.0 最后的例程。

（3）舵机接口

使用ATmega328 的MOSI（PB3）接口，对应的Arduino接口 D11。

根据 Grove Beginner Kits基础实验 Arduino 对于IO口控制舵机的讨论，需要将定时器2的寄存器TCCR2B进行修改，才能够将输出的频率修改成122.5Hz，满足舵机控制所需。参考处贴上如下：

const int PWM_PIN   = 11;
void setup() {TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000110;pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {delay(1000);analogWrite(PWM_PIN, 63);delay(1000);analogWrite(PWM_PIN, 31);
}

上述程序分别输出31（对应1ms）与63（对应2ms），可以控制舵机从最左边移动到最右边。

PWM脉宽 PWM设置值 实际输出时间(us) 实测时间(us)
1ms 31 0.992ms 0.988
1.5ms 47 1.504ms 1.5ms
2ms 63 2.016ms 2.01ms 
/*
**==============================================================================
** TESTPWM.C:             -- by Dr. ZhuoQing, 2021-05-30
**
**==============================================================================
*/#define ON(pin)                 digitalWrite(pin, HIGH)
#define OFF(pin)                digitalWrite(pin, LOW)
#define VAL(pin)                digitalRead(pin)
#define IN(pin)                 pinMode(pin, INPUT)
#define OUT(pin)                pinMode(pin, OUTPUT)
const int LED_PIN = 13;const int PWM_PIN       = 11;
const int SERVO_MID     = 47;
const int SERVO_LEFT    = 31;
const int SERVO_RIGHT   = 63;
void servoSetup(void) {TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000110;pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);analogWrite(PWM_PIN, SERVO_MID);
}//------------------------------------------------------------------------------
void setup(void) {pinMode(LED_PIN, OUTPUT);servoSetup();}//------------------------------------------------------------------------------
void loop(void) {analogWrite(PWM_PIN, SERVO_LEFT);delay(1000);analogWrite(PWM_PIN, SERVO_RIGHT);delay(1000);}//==============================================================================
//                END OF FILE : TESTPWM.C
//------------------------------------------------------------------------------

（4）语音模块接口

语音模块使用了SoftwareSerial。利用ATmega328 的 MISO，SCK两个管脚（分别对应）D12，D13作为RX，TX。

语音模块使用9600的波特率。通过软件串口发送对应文字的编码便可以发出声音。

#include <SoftwareSerial.h>
//------------------------------------------------------------------------------
SoftwareSerial mySerial(12, 13);
void setup() {mySerial.begin(9600);
}
//------------------------------------------------------------------------------
void loop() {mySerial.write('U');delay(10);
}

下面的程序发送“卓一康”的读音。

/*
**==============================================================================
** TESTSERIAL.C:             -- by Dr. ZhuoQing, 2021-05-30
**
**==============================================================================
*/#include <SoftwareSerial.h>//------------------------------------------------------------------------------
SoftwareSerial ttsPort(12, 13);void setup(void) {ttsPort.begin(9600);}//------------------------------------------------------------------------------
void loop(void) {ttsPort.write("\xd7\xbf\xd2\xbb\xbf\xb5");delay(1000);
}//==============================================================================
//                END OF FILE : TESTSERIAL.C
//------------------------------------------------------------------------------

（5）人脸识别模块接口

未完待续

（6）ESP8266接口

ESP8266有ATmega328 的SoftwareSerial相连接。使用到D2，D3两个端口。通讯的波特率为115200。

下面的示例程序显示了发送与接收的过程。

/*
**==============================================================================
** UNORECEIVE.C:             -- by Dr. ZhuoQing, 2021-05-30
**
**==============================================================================
*/#include <SoftwareSerial.h>#define ON(pin)                 digitalWrite(pin, HIGH)
#define OFF(pin)                digitalWrite(pin, LOW)
#define VAL(pin)                digitalRead(pin)
#define IN(pin)                 pinMode(pin, INPUT)
#define OUT(pin)                pinMode(pin, OUTPUT)SoftwareSerial ttsPort(12, 13);
SoftwareSerial wifiPort(2, 3);//------------------------------------------------------------------------------
void setup(void) {char c;ttsPort.begin(9600);wifiPort.begin(115200);wifiPort.listen();wifiPort.setTimeout(500);Serial.begin(115200);//----------------------------------------------------------------------}//------------------------------------------------------------------------------
int count = 0;
String str;
void loop(void) {char c;char buf[256];ttsPort.listen();wifiPort.print("http://192.168.4.2:8000/lock/update/?type=LOCK&detail=AAAA\r");wifiPort.listen();while(1) {str = wifiPort.readString();Serial.print(str);if(wifiPort.available() == 0) break;        }delay(2000);}//==============================================================================
//                END OF FILE : UNORECEIVE.C
//------------------------------------------------------------------------------

※ 实验总结 ※

未完待续

■ 相关文献链接:

  • Arduino门禁人机接口调试 Version 1.0
  • 从0 开始 DIY你的Arduino UNO
  • Grove Beginner Kits基础实验 Arduino

● 相关图表链接:

  • 图1-1 最小系统原理图
  • 图1-2 ESP8266子系统电路
  • 图1-3 接口电路
  • 图1-4 USB下载电路接口
  • 图2-1 Arduino 管脚定义

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