Конструируем роботов на Arduino. Первые шаги

East 96th Street,
Indianapolis, Indiana 46240 USA

ARDUINO FOR
BEGINNERS 

John Baichtal

ESSENTIAL SKILLS EVERY MAKER NEEDS

Конструируем 
роботов

на Arduino

Первые шаги

3-е издание, электронное 

Дж. Бейктал

Перевод с английского
О. А. Трефиловой

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 621.86/.87
ББК 32.816
Б41

С е р и я о с н о в а н а в 2016 г.
Ведущие редакторы серии Т. Г. Хохлова, Ю. А. Серова
Бейктал Дж.
Б41
Конструируем роботов на Arduino

R○. Первые шаги /
Дж. Бейктал ; пер. с англ. О. А. Трефиловой. — 3-е изд.,
электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 323 с. — (РОБОФИШКИ). — Систем. требования: Adobe Reader XI ;
экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-900-8
Это практическое руководство для тех, кто делает первые
шаги в робототехнике на платформе Arduino. С этой книгой вы
разберетесь в основах электроники, научитесь программировать
в среде Arduino IDE, работать с печатными платами Arduino,
инструментами,
соблюдать
правила
безопасности
и
многому
другому. Вы также сможете выполнить разнообразные проекты
и оценить невероятный потенциал Arduino, который вдохновит
вас на творчество и изобретения, ограниченные только вашим
воображением.
Для молодых изобретателей и программистов, а также всех
тех, кто увлекается робототехникой.
УДК 621.86/.87
ББК 32.816

Деривативное издание на основе печатного аналога: Конструируем роботов на Arduino

R○. Первые шаги / Дж. Бейктал ; пер. с англ.
О. А. Трефиловой. — 2-е изд. — М. : Лаборатория знаний, 2019. —
320 с. : ил. — (РОБОФИШКИ). — ISBN 978-5-00101-095-1.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель
вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-900-8
Authorized translation from the English language edition, entitled ARDUINO FOR
BEGINNERS: ESSENTIAL SKILLS EVERY MAKER NEEDS; by JOHN BAICHTAL;
published by Pearson Education, Inc, publishing as QUE Publishing. Copyright c○ 2014
by Pearson Education, Inc.
All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any
information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc.
Авторизованный
перевод
англоязычного
издания,
под
заглавием
ARDUINO
FOR BEGINNERS: ESSENTIAL SKILLS EVERY MAKER NEEDS, ISBN 0789748835;
автор JOHN BAICHTAL; опубликованного Pearson Education, Inc, осуществляющим
издательскую деятельность под торговой маркой QUE Publishing.
Copyright
c○ 2014 by Pearson Education, Inc.
Все права защищены. Воспроизведение или распространение какой-либо части/частей
данной книги в какой-либо форме, какими-либо способами, электронными или механическими, включая фотокопирование, запись и любые поисковые системы хранения
информации, без разрешения Pearson Education, Inc запрещены.
c○ Перевод на русский язык, оформление, Лаборатория знаний, 2016

4

Оглавление

Об авторе  ...................................................................................................................................... 
8

Посвящение ................................................................................................................................ 
8

Благодарности ........................................................................................................................... 
8

Здравствуйте! ............................................................................................................................ 
9

Введение ....................................................................................................................................... 
10

О чем эта книга  ......................................................................................................................... 
11

Для кого эта книга .................................................................................................................. 
12

Как пользоваться книгой ................................................................................................... 
12

Глава 1. Знакомство с Arduino ...................................................................................... 
15

Arduino UNO: микроконтроллер для начинающих ......................................... 
15

Другие продукты Arduino .................................................................................................. 
18

Электроника ............................................................................................................................... 
19

Правила техники безопасности ..................................................................................... 
29

В следующей главе ................................................................................................................. 
30

Глава 2. Макетирование .................................................................................................... 
31

Cборка электрических схем с использованием макетных плат с гнездами, не требующих пайки ......................................................................................... 
31

 Проект: мигающий светодиод на макетной плате ........................................ 
34

Проект: лазерная сигнализация ............................................................................... 
37

 Проект: инфракрасный детектор ............................................................................. 
49

В следующей главе ................................................................................................................. 
52

Глава 3. Работа с паяльником ....................................................................................... 
53

Паяльные принадлежности .............................................................................................. 
55

Паяние ............................................................................................................................................ 
62

Распайка  ........................................................................................................................................ 
65

Уборка  ............................................................................................................................................. 
67

 Проект: кофейный столик со светодиодной лентой ................................... 
68

В следующей главе ................................................................................................................. 
84

Оглавление

6

Глава 4. Настройка беспроводного соединения .............................................. 
85

Радиомодули XBee ................................................................................................................. 
86

Переходные платы для радиомодуля XBee  .......................................................... 
88

Компоненты радиомодуля XBee ................................................................................... 
88

Альтернативные беспроводные модули ................................................................... 
90

 Проект: беспроводное включение светодиода ................................................ 
91

 Проект: беспроводной дверной звонок ............................................................... 
95

В следующей главе ................................................................................................................. 108

Глава 5. Программирование Arduino ....................................................................... 109
Среда разработки Arduino ................................................................................................. 110
Скетч «Blink» ............................................................................................................................. 118
Учимся на примере кода ..................................................................................................... 121
Функции и синтаксис .......................................................................................................... 126
Отладка с помощью монитора последовательного интерфейса .............. 131
Все о библиотеках ................................................................................................................... 133
Ресурсы для изучения программирования ............................................................ 135
В следующей главе ................................................................................................................. 136

Глава 6. Восприятие мира ................................................................................................ 137
Урок: датчики (сенсоры) .................................................................................................... 138
Знакомство с датчиками ..................................................................................................... 140

Проект: «Лампа настроения» ..................................................................................... 146
Проект: керфбэндинг ....................................................................................................... 154

В следующей главе ................................................................................................................. 154

Глава 7. Управление жидкостью ................................................................................. 155
Урок: управление потоком жидкости ........................................................................ 156

 Проект: емкость под давлением ............................................................................... 159
Проект: робот для полива растений ...................................................................... 162

В следующей главе ................................................................................................................. 174

Глава 8. Ящик для инструментов ................................................................................ 175
Набор инструментов для начинающего мастера ................................................ 176
Работа с деревом ...................................................................................................................... 183
Работа с пластиком ................................................................................................................ 192
Работа с металлом ................................................................................................................... 198
Программное обеспечение ................................................................................................ 208
Электронная техника и инструменты ....................................................................... 213
В следующей главе ................................................................................................................. 222

Оглавление

7

Глава 9. Ультразвуковая эхолокация ....................................................................... 223
Урок: ультразвуковая диагностика .............................................................................. 224

Проект: ультразвуковой ночник .............................................................................. 226
Проект: игрушка для кошки ....................................................................................... 228

Токарный станок 101 ............................................................................................................. 242
Техника безопасности при работе с токарным станком ................................. 244
В следующей главе ................................................................................................................. 244

Глава 10. Генерация звука ................................................................................................ 245
Звуки электроники ................................................................................................................ 246

Проект: мелодичная кнопка ........................................................................................ 250
Проект: звуковой генератор ........................................................................................ 253

В следующей главе ................................................................................................................. 262

Глава 11. Отсчет времени ................................................................................................. 263
Сервер точного времени ..................................................................................................... 264
Таймер Arduino  ......................................................................................................................... 265
Модуль часов реального времени (RTC) ................................................................ 266

Проект: цифровые часы ................................................................................................. 266
 Проект: китайские колокольчики «Музыка ветра» .................................... 270

Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) .............................. 280
В следующей главе ................................................................................................................. 281

Глава 12. Безопасная работа с высоким напряжением .............................. 283
Урок: управление высоким напряжением .............................................................. 284

 Проект: контроллер для вентилятора .................................................................. 288
Проект: лавовая лампа «Бадди» ............................................................................... 291

В следующей главе ................................................................................................................. 298

Глава 13. Управление электродвигателями ......................................................... 299
Как управлять двигателями ............................................................................................. 300
Включаем двигатель с помощью TIP-120 ............................................................... 303

Проект: шаговый поворотник .................................................................................... 305
Проект: «Баблбот» ............................................................................................................ 308

Глоссарий  ..................................................................................................................................... 317

Об авторе

Джон Бейктал начал свою литературную деятельность с написания постов для легендарного блога «GreekDad» ежемесячного журнала 
«Wired» (Сан-Франциско, США), а также статей для журнала «MAKE 
Magazine», который поклонники субкультуры DIY (от англ. Do It 
Yourself — «сделай это сам») считают своей библией. Благодаря этому 
Джон стал писать книги об электронных игрушках, инструментах и другой любительской электронике. Он является соавтором книги «The Cult 
of LEGO» (издательство «No Starch Press») и автором книг «Hack This: 
24 incredible Projects from DIY movement» и «Basic Robot Building with 
LEGO Mindstorm’s NXT 2.0 (обе книги вышли в издательстве «Que»). 
Позже он написал цикл статей «Make LEGO and Arduino Projects» для 
журнала «MAKE Magazine» в сотрудничестве с Адамом Вольфом и Мэтью Бекером. Джон Бейктал живет в Миннеаполисе, штат Миннесота, 
США. У него есть жена и трое детей.

Посвящение

Посвящается Гарольду Бейкталу (1939–2013)

Благодарности

Я хочу поблагодарить мою любимую жену Элизу за ее терпение и поддержку; всех моих друзей-электронщиков за ответы на мои бесконечные 
вопросы; мою маму, Барбару, за работу над глоссарием; и моих детей, Айлин Арден, Розмари и Джека, за их любознательность и интерес.

Здравствуйте!

Издание, которое вы держите сейчас в руках, — не просто книга. Это 
ключ. Он открывает двери, за которыми находится увлекательное и притягивающее пространство реальной робототехники. Оно называется 
«Мир Arduino». Постепенно, шаг за шагом, этот мир станет знакомым 
и привычным. И то, что в результате вы самостоятельно сумеете собрать 
своими руками настоящее работающее устройство, – это, конечно, победа и успех!
Но главное — вы поймете, что такие ценные качества характера, как 
терпение, аккуратность, настойчивость и творческая мысль, проявленные при работе над проектом,  останутся с вами навсегда, помогут уверенно создавать свое будущее, стать реально успешным человеком, независимо от того, с какой профессией свяжете жизнь.
Создавать будущее — сложная и ответственная задача. Каждый день 
становится открытием, если он приносит новые знания, которые затем 
могут быть превращены в проекты. Особенно это важно для тех, кто выбрал дорогу инженера и технического специалиста. Знания — это база, 
которая становится основой для свершений. 
Однако технический прогресс зависит не только от знаний, но и от 
смелости создавать новое. Все, что нас окружает сегодня, придумано 
инженерами. Их любознательность, желание узнавать неизведанное 
и конструировать то, чего никто до них не делал, и создает окружающий 
мир. Именно от таких людей зависит, каким будет наш завтрашний день. 
Только идеи, основанные на творческом подходе, прочных знаниях и постоянном стремлении к новаторству, заставляют мир двигаться вперед. 
И тогда, уверенно освоив пространство Arduino, вы сделаете очередной шаг по этой дороге.

Успехов вам!

Команда Программы «Робототехника:
инженерно-технические кадры инновационной России»
Фонда Олега Дерипаска «Вольное Дело»

Введение

Выбирая в магазине электронной техники нужное вам устройство, вы 
никогда не задумывались над тем, что могли бы сделать его сами и получить от этого удовольствие?
Такая перспектива может напугать, ведь нужно изучить основы электроники, узнать, как работает каждая деталь и как управлять устройством с помощью микроконтроллера. Чтобы соединить все компоненты, 
придется научиться паять, а чтобы запрограммировать микроконтроллер, нужно освоить кодирование. Чтобы собрать электронную аппаратуру, нужно обладать определенными навыками работы с инструментами.
Звучит устрашающе?
Технология, которая позволяет не только осуществить эти мечты, но 
и сделать это с удовольствием, называется «Arduino». Это небольшая 
плата с микроконтроллером, простая в освоении и легкая в программировании. Она управляет электродвигателями и принимает сигналы от 
датчиков.
Цель данной книги — помочь научиться работать с инструментами, 
познакомиться с их многообразием, изучить основы программирования 
и конструирования. Все проекты разработаны с использованием микроконтроллера Arduino UNO.
Работа над книгой расширила мой кругозор. Надеюсь, и вы получите 
ценный опыт. С помощью Arduino вы сможете создать множество интересных вещей, и проекты, представленные в этой книге, — лишь только 
начало. Желаю удачи и приятного времяпрепровождения!

О чем эта книга

11

О чем эта книга

Эта книга написана с целью превратить простого обывателя в человека, 
увлеченного электроникой, моделированием и программированием. 
•  В главе 1 «Знакомство с Arduino» вы найдете информацию об 
Arduino и электронике — именно то, что нужно для начала работы!
•  В главе 2 «Макетирование» в рамках проекта по электронике вы 
сделаете лазерную сигнализацию с помощью макетной платы, не 
требующей пайки.
•  В главе 3 «Работа с паяльником» вы научитесь соединять электронные детали с помощью паяльника. В рамках проекта вы сможете 
украсить кофейный столик светодиодной лентой.
•  В главе 4 «Настройка беспроводного соединения» вы узнаете о трех 
различных способах управления проектом с помощью беспроводных сигналов. На основе изученного материала вы сможете сделать 
беспроводной дверной звонок.
•  В главе 5 «Программирование Arduino» изложены основы управления Arduino с помощью программ, загруженных на плату. Я проведу подробный обзор программы Arduino, чтобы вы смогли изучить 
принцип работы с ней.
•  В главе 6 «Восприятие мира» вы познакомитесь с разнообразием датчиков и узнаете разницу между цифровыми и аналоговыми 
датчиками. Вы сделаете «Лампу настроения», которая меняет свой 
цвет в зависимости от уровня освещенности.
•  В главе 7 «Управление жидкостью» вы узнаете о трех способах перекачивания жидкости, один из которых ляжет в основу создания 
робота для полива растений.
•  В главе 8 «Ящик для инструментов» представлен широкий обзор 
инструментов, начиная с самых простых и привычных и заканчивая 
специальными инструментами для работ по дереву или металлу.
•  В главе 9 «Ультразвуковая эхолокация» вы узнаете, как с помощью 
неслышных для человеческого уха импульсов можно обнаруживать 
препятствия и измерять расстояния. Глава включает проект по созданию игрушки для кошки.
•  В главе 10 «Генерация звука» вы узнаете, как с помощью Arduino 
сочинить электронную музыку (также известную как «нойз»1), 
и сделаете портативный звуковой генератор.
•  В главе 11 «Отсчет времени» вы познакомитесь с тремя способами, которые использует Arduino, чтобы следить за временем, а также сконструируете колокольчики «Музыка ветра», которые звонят 
в определенный час.

1 
Музыкальный жанр, в котором используются разнообразные звуки (чаще всего 
искусственного и техногенного происхождения). — Прим. перев.

Введение

12

•  В главе 12 «Безопасная работа с высоким напряжением» вы узнаете 
о трех способах безопасной работы с комнатной проводкой. Вы сделаете контроллер для лавовой лампы, с помощью которого лампа 
будет включаться и выключаться либо по расписанию, либо дистанционно.
•  В главе 13 «Управление электродвигателями» вы узнаете о способах управления электродвигателями и затем на основе полученных 
навыков сконструируете робота, пускающего мыльные пузыри.

Для кого эта книга

Эта книга написана для молодых людей, которые только начинают работать с Arduino, поэтому пока не обладают обширными познаниями. От 
них требуются лишь любопытство и желание трудиться. 

Как пользоваться книгой

Книга написана доступным языком, и вам не понадобятся специальные 
инструкции для работы с ней. Тем не менее, поясню некоторые используемые вставки в тексте.

СОВЕТ
Это полезные рекомендации, которые помогут сэкономить время.

ДЛЯ СПРАВКИ
Это полезная, но не особо важная информация.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Это предупреждение об опасности, грозящей при работе с оборудованием и инструментами.

Как пользоваться книгой

13

ПЕРЕЧЕНЬ КОМПОНЕНТОВ
Для каждого проекта в книге я привожу список деталей и приспособлений, которые понадобятся при конструировании.
•  Arduino.
•  Сервопривод.
•  Сервонасадки (существует огромное количество насадок на ваш 
 выбор).
•  Модуль RTC «ChronoDot».
•  Круглый стержень диаметром 6 мм и длиной около 20 см.
•  Китайские колокольчики «Музыка ветра» (я использовал модель 
«Gregorian Chimes Soprano»).
•  Фанера толщиной 5 мм для корпуса.
•  Сосновые бруски для опорных блоков (25 мм).
•  Крюк и гайка к нему.
•  Саморезы для дерева № 8  12 мм.
•  Саморезы для дерева № 6  50 мм.
•  Саморезы для дерева № 4  12 мм.
•  Болты 6  12 мм с фиксирующими шайбами и гайками, 24 шт.
•  Болты 6  25 мм с фиксирующими шайбами и гайками, 12 шт.
•  Дрель и разные сверла.
•  Отрезная дисковая пила.
•  Циркулярная пила.

КОД
Если для выполнения проекта понадобится код (скетч), то в книге будет 
представлен соответствующий пример. Однако вам не нужно переписывать код из книги. Просто перейдите по ссылке https://github.com/n1/
Arduino-For-Beginners и загрузите бесплатный код.

Перейдя по ссылке https://github.com/n1/Arduino-For-Beginners, вы 
сможете загрузить этот код и другие полезные файлы.
Пример кода:

int valve = 13;    // присваивает порту 13 значение «valve» (клапан)

int off hours = 0;  // сколько часов до полива? 
int off mins = 1;   // сколько минут до полива?
int spray = 10;   // длительность полива в секундах

Введение

14

void setup() {
pinMode(valve, OUTPUT);    // устанавливает порт valve в режим 
// выхода (клапан открыт)
Serial.begin(115200);
}

void loop() {
int wait = (off mins * 60000) + (off hours * 3600000); 
// вычисляет миллисекунды

digitalWrite(valve, HIGH);
delay(spray * 1000);      // длительность полива в миллисекундах
Serial.println(off mins * 60000);  // я использовал это при отладке
digitalWrite(valve, LOW);
delay(off mins * 60000);     // прекращение полива на это количество 
// миллисекунд
}