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本書緊跟科技競爭潮流，深入剖析了基于Arduino與MATLAB協同開發(fā)技術在智能硬件與物聯網領域的革新應用。面對日益增長的科技需求，本書全面且系統地介紹了如何通過這兩款強大的工具Arduino開源硬件平臺和MATLAB高級計算軟件實現創(chuàng)意的快速轉化與復雜電子系統的構建。從Arduino平臺的初識到精通，再到與MATLAB的深度融合，本書通過14個精心設計的章節(jié)，帶領讀者逐步深入探索。入門篇以ArduinoNano為核心，通過實戰(zhàn)項目激發(fā)學習興趣，掌握基礎編程與硬件接口知識�；A篇則深入講解Arduino編程的各個方面，涵蓋數字引腳、計時器、模擬信號、通信協議及存儲擴展等關鍵技術，每個知識點均輔以實戰(zhàn)案例與擴展練習，確保學以致用。進入綜合篇，本書聚焦于Arduino與MATLAB的協同作戰(zhàn)，從UART通信、串口對象配置到復雜數據處理與系統仿真，逐一揭秘兩者協同工作的奧秘。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系統等前沿項目的實戰(zhàn)演練，不僅展示了Arduino在信號處理與通信領域的強大能力，也深刻揭示了MATLAB在數據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習路徑，無論是對于電子愛好者、教育工作者，還是致力于智能制造、物聯網及人工智能領域的專業(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的協同開發(fā)技術正逐步成為智能硬件和物聯網領域的主流趨勢。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)意轉化為現實。同時，MATLAB作為一款功能強大的數學計算、仿真和分析軟件，在科學研究、工程設計和教育教學中扮演著重要角色。MATLAB與Arduino的協同開發(fā)，簡化了數據采集、處理和可視化的過程，提高了系統設計的效率和精度，在智能制造、物聯網、人工智能等領域具有廣泛的應用前景。

本書全面而深入地介紹Arduino電子系統設計及其與MATLAB協同開發(fā)技術，通過豐富的實戰(zhàn)案例和詳細的步驟說明，幫助讀者從零開始掌握Arduino編程、硬件接口應用以及如何通過MATLAB進行高級數據處理與系統仿真，進而實現復雜電子系統的設計與開發(fā)。

第1、2章為入門篇。首先引導讀者認識Arduino平臺，通過揭秘Nano核心板，讓讀者初步了解其內部結構，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章為基礎篇，深入講解Arduino程序設計的各個方面，包括Arduino程序設計基礎、數字引腳資源應用設計、計時資源應用設計、模擬信號測量應用設計、I2C和SPI通信資源應用設計、自帶與外擴存儲資源的設計以及外擴模擬信號輸出的設計等。每章都通過多個實戰(zhàn)項目，幫助讀者掌握相關技術和方法，并提供了豐富的拓展練習鞏固所學知識。

第10~14章為綜合篇。第10章專注于Arduino與PC協同設計，詳細介紹了UART通信功能及其在Arduino與MATLAB之間的數據傳輸應用；第11章專注于MATLAB與Arduino協同設計，詳細介紹了如何在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)送字符命令和二進制數據，并接收來自Arduino的字符編碼數據和二進制數據幀；第12章通過Arduino實現快速傅里葉變換的實戰(zhàn)案例，展示了Arduino在信號處理領域的潛力；第13章聚焦于簡約型紅外通信鏈路設計，通過理論講解與實戰(zhàn)操作相結合的方式，介紹了紅外通信的基本原理、設計思路和實現方法；第14章是本書的重點部分，詳細介紹了Arduino與MATLAB協同的超聲雷達設計，首先明確了問題和目標，然后提出了系統的整體設計方案，并詳細闡述了硬件和軟件的設計實現過程，便于讀者深入理解Arduino與MATLAB協同工作的優(yōu)勢和技巧。

相較于已有書籍和文獻資料，本書具備以下顯著特色。

(1) Arduino與MATLAB協同設計的突出理念。本書特別強調Arduino與MATLAB的聯合使用，旨在融合Arduino在硬件交互方面的優(yōu)勢與MATLAB在數據處理上的強大功能，實現二者的優(yōu)勢互補。目前，市場上鮮有書籍或資料系統地探討這一協同設計理念及其實踐案例。本書則通過豐富的案例，詳細闡釋了Arduino與MATLAB協同進行電子系統設計的具體方法，填補了這一空白。
(2) 實踐導向的問題解決思路。本書強調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同解決問題的具體方案。在每個案例之后，本書均總結了設計調試的經驗教訓，旨在啟發(fā)讀者舉一反三，將所學知識應用于未來實際問題的解決之中。

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

(4) 低成本實驗材料與代碼公開。為便于讀者復現自學，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、硬材質導線等。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，高效掌握電子系統設計的精髓。

本書的撰寫分工如下。王濤負責全書的組織編寫，包括構思策劃、人員分工、實驗設計、提供實驗設備平臺等工作。李平負責本書第4、5、6、13章內容的編寫，包括應用背景、具體應用案例和實驗分析與討論等，還負責本書的審校工作，確保本書的準確性和規(guī)范性；王明房負責了本書第1、2、3、11、12、14章內容的編寫工作，包括應用背景、具體應用案例和實驗分析與討論等；二人共同負責第7~10章內容的編寫。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，幫助本書不斷改進和完善。

編者2025年5月

入門篇
第1章引言
1.1認識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
1.2.2解決方案
1.3基于Arduino的電子系統設計
1.3.1系統設計流程
1.3.2采用面包板的樣機制作方法
1.4Arduino和MATLAB的協同系統設計
1.4.1協同系統特色優(yōu)勢
1.4.2協同系統設計方案
本章小結
拓展練習
第2章體驗Arduino
2.1實戰(zhàn)21：從Nano向PC發(fā)送數據
2.1.1問題和目標
2.1.2解決方案
2.1.3擴展討論
2.2實戰(zhàn)22： Serial的實現代碼
2.2.1問題和目標
2.2.2解決方案
2.2.3擴展討論
2.3實戰(zhàn)23：隱藏的main()函數
2.3.1問題和目標
2.3.2解決方案
2.3.3擴展討論
2.4實戰(zhàn)24：用Nano燒寫B(tài)ootloader
2.4.1問題和目標
2.4.2解決方案
2.4.3擴展討論
2.5IDE編程的特點
本章小結
拓展練習
基礎篇
第3章Arduino程序設計基礎
3.1Arduino編程簡介
3.2Arduino常用數據類型
3.2.1浮點數精度的問題
3.2.2變量作用域
3.3Arduino中的運算
3.3.1算術運算符
3.3.2關系運算符
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
3.3.9隨機數
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數組與字符串
3.6.1Arduino中的數組
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
3.8Arduino中的函數
本章小結
拓展練習
第4章數字引腳資源應用設計
4.1Nano的數字引腳資源
4.2實戰(zhàn)41：用pinMode()和digitalWrite()函數點亮板載LED
4.2.1問題和目標
4.2.2解決方案
4.2.3擴展討論
4.3實戰(zhàn)42：用digitalRead()函數讀取撥碼開關輸入后控制板載LED
4.3.1問題和目標
4.3.2解決方案
4.3.3擴展討論
4.4實戰(zhàn)43：用引腳寄存器讀取多撥碼開關輸入后控制板載LED
4.4.1問題和目標
4.4.2解決方案
4.4.3擴展討論
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
4.5.2解決方案
4.5.3擴展討論
4.6實戰(zhàn)45：用analogWrite()函數產生PWM波形使LED亮度漸變
4.6.1問題和目標
4.6.2解決方案
4.6.3擴展討論
本章小結
拓展練習
第5章計時資源應用設計
5.1Nano的延時控制與時間測量
5.2實戰(zhàn)51：用delay()函數產生阻塞指定長度延時
5.2.1問題和目標
5.2.2解決方案
5.2.3擴展討論
5.3實戰(zhàn)52：用while循環(huán)產生阻塞條件判斷延時
5.3.1問題和目標
5.3.2解決方案
5.3.3擴展討論
5.4實戰(zhàn)53：用millis()或micros()函數實現計時功能
5.4.1問題和目標
5.4.2解決方案
5.4.3擴展討論
5.5實戰(zhàn)54：用pulseIn()函數測量脈沖寬度
5.5.1問題和目標
5.5.2解決方案
5.5.3擴展討論
本章小結
拓展練習
第6章模擬信號測量應用設計
6.1Nano自帶的模擬信號采集資源
6.2實戰(zhàn)61：用analogRead()函數測量模擬電壓
6.2.1問題和目標
6.2.2解決方案
6.2.3擴展討論
6.3實戰(zhàn)62：使用analogReference()函數提高模擬測量精度
6.3.1問題和目標
6.3.2解決方案
6.3.3擴展討論
6.4實戰(zhàn)63：使用外部基準源提高模擬測量精度
6.4.1問題和目標
6.4.2解決方案
6.4.3擴展討論
6.5實戰(zhàn)64：測量analogRead()函數的采樣頻率
6.5.1問題和目標
6.5.2解決方案
6.5.3擴展討論
6.6實戰(zhàn)65：提高analogRead()函數的采樣頻率
6.6.1問題和目標
6.6.2解決方案
6.6.3擴展討論
6.7實戰(zhàn)66：用串口繪圖器觀察模數采集信號
6.7.1問題和目標
6.7.2解決方案
6.7.3擴展討論
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
6.8.2解決方案
6.8.3擴展討論
本章小結
拓展練習
第7章I2C和SPI通信資源應用設計
7.1Nano引腳的I2C和SPI通信功能
7.2I2C協議原理
7.3實戰(zhàn)71：用Wire庫實現I2C通信
7.3.1問題和目標
7.3.2解決方案
7.3.3擴展討論
7.4SPI協議原理
7.5實戰(zhàn)72：用SPI庫實現SPI通信
7.5.1問題和目標
7.5.2解決方案
7.5.3擴展討論
本章小結
拓展練習
第8章自帶與外擴存儲資源的設計
8.1Arduino的數據存儲資源
8.2實戰(zhàn)81：用內置EEPROM存儲數據
8.2.1問題和目標
8.2.2解決方案
8.2.3擴展討論
8.3實戰(zhàn)82：用外部EEPROM存儲數據
8.3.1問題和目標
8.3.2解決方案
8.3.3擴展討論
8.4實戰(zhàn)83：用外部SD卡存儲數據
8.4.1問題和目標
8.4.2解決方案
8.4.3擴展討論
本章小結
拓展練習
第9章外擴模擬信號輸出的設計
9.1模擬信號輸出概述
9.2實戰(zhàn)91：用面包板擴展DA功能
9.2.1問題和目標
9.2.2解決方案
9.2.3擴展討論
9.3實戰(zhàn)92：用DAR模塊實現DA功能
9.3.1問題和目標
9.3.2解決方案
9.3.3擴展討論
9.4實戰(zhàn)93：用TI902實現并行DA功能
9.4.1問題和目標
9.4.2解決方案
9.4.3擴展討論
9.5實戰(zhàn)94：用PCF8591實現串行DA功能
9.5.1問題和目標
9.5.2解決方案
9.5.3擴展討論
本章小結
拓展練習
綜合篇
第10章Arduino與PC協同設計
10.1Arduino與PC協同的UART通信功能
10.2實戰(zhàn)101：用Serial.println()函數向PC發(fā)送文本信息
10.2.1問題和目標
10.2.2解決方案
10.2.3擴展討論
10.3實戰(zhàn)102：用Serial.println()函數向PC發(fā)送字符編碼數據
10.3.1問題和目標
10.3.2解決方案
10.3.3擴展討論
10.4實戰(zhàn)103：用Serial.write()函數向PC發(fā)送二進制數據
10.4.1問題和目標
10.4.2解決方案
10.4.3擴展討論
10.5實戰(zhàn)104：用Serial.available()和Serial.read()函數阻塞式接收
PC發(fā)送的字符
10.5.1問題和目標
10.5.2解決方案
10.5.3擴展討論
10.6實戰(zhàn)105：串口高級讀取功能
10.6.1問題和目標
10.6.2解決方案
10.6.3擴展討論
10.7實戰(zhàn)106：用serialEvent()函數并發(fā)式接收PC發(fā)送的數據
10.7.1問題和目標
10.7.2解決方案
10.7.3擴展討論
10.8實戰(zhàn)107：用SoftwareSerial實現軟串口通信
10.8.1問題和目標
10.8.2解決方案
10.8.3擴展討論
本章小結
拓展練習
第11章MATLAB與Arduino協同設計
11.1MATLAB的通信協同功能
11.1.1串口通信設計需考慮的關鍵問題
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
11.2.2解決方案
11.2.3擴展討論
11.3MATLAB串口發(fā)數據機制
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
11.4.2解決方案
11.4.3擴展討論
11.5實戰(zhàn)113： MATLAB向Arduino發(fā)送二進制數據
11.5.1問題和目標
11.5.2解決方案
11.5.3擴展討論
11.6MATLAB串口讀數據機制
11.7實戰(zhàn)114： MATLAB同步讀Arduino發(fā)送字符編碼數據
11.7.1問題和目標
11.7.2解決方案
11.7.3擴展討論
11.8實戰(zhàn)115： MATLAB同步讀Arduino發(fā)送的二進制數據幀
11.8.1問題和目標
11.8.2解決方案
11.8.3擴展討論
11.9MATLAB串口的相關事件和回調函數
11.9.1事件類型和回調屬性
11.9.2創(chuàng)建和執(zhí)行回調函數
11.10實戰(zhàn)116：用MATLAB串口異步讀取Arduino發(fā)送的數據
11.10.1問題和目標
11.10.2解決方案
11.10.3擴展討論
本章小結
拓展練習
第12章Arduino實現快速傅里葉變換
12.1問題和目標
12.2原理思路
12.2.1復數的表示
12.2.2FFT經典蝶形運算
12.3解決方案
12.4測試驗證
12.5擴展討論
12.5.1Arduino自帶pow()函數的易錯點
12.5.2Arduino內存的局限性
本章小結
拓展練習
第13章簡約型紅外通信鏈路設計
13.1問題和目標
13.2原理思路
13.2.1發(fā)射機設計
13.2.2接收機設計
13.3解決方案
13.4測試驗證
13.5擴展討論
本章小結
拓展練習
第14章Arduino與MATLAB協同的超聲雷達設計
14.1問題和目標
14.2系統整體設計方案
14.3系統硬件設計實現
14.3.1超聲雷達傳感器
14.3.2舵機云臺模塊
14.3.3聲音傳感器
14.3.4集成硬件樣機
14.4系統軟件設計實現
14.4.1Arduino軟件設計
14.4.2MATLAB軟件設計
本章小結
拓展練習
參考文獻

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