一個用 Arduino 實現的完整項目

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限時乾貨下載：回復「教程」獲取單片機電子書，回復「仿真」獲取Proteus仿真資料，百度盤群組分享連結更新時間：2017-08-8，失效請在文末留言，不要在後臺留言，你也可以在後臺菜單「資源搜索」搜索更多你想要的網盤資源！

來源：http://www.oschina.net/translate/a-complete-project-with-arduino?utm_source=tuicool  
英文原文：A complete project with Arduino
參與翻譯 (3人) : realZ, leoxu, Ley

介紹

我有一個上小學的女兒. 作為一位父親，當然該負起責任. 我喜歡自己作為父親的角色，對此我毫無疑問. 但因此所帶給我的困擾則是無止境的數學學習事務. 有時候這真的讓我很頭疼. 2+2, 5+6, 4+3,一遍又一遍. 那才剛開始呢, 現在又多了減法: 5-4, 10-4 .. 而每個人都知道這是沒有結束可言的. 我抱怨的夠多了，因而決定利用此項技術. 你知道的，技術為人而生, 而現在是為我而存在. 到這裡來，我親愛的 Arduino, 我需要你.

在最開始的時候，我希望這個項目能很容易實現. 我預計所有需要做的事情就是寫一些函數來展示一些數字，並且為了根據趣味性，也許要來點蜂鳴聲和一些LED燈光. 然後，情況在我開始精心考慮它的時候發生了改變, 出現了一些硬體管理問題, 然後是內容管理問題. 我們這個小小的 Arduino 應用程式變成了一個認真把握的東西，這導致我寫下了這篇文章. 讓我們先從需求開始吧.

計劃需求

系統可以顯示一個菜單，提供一些基本的操作：加、減、乘、除 。

用戶（我的女兒）可以用鍵盤從菜單上選擇一種算數運算來學習。

會有一些難度級別：在選擇運算後，難度級別會顯示出來。

根據選擇的難度級別，會隨機顯示出一些問題，用戶可以用鍵盤迴答這些問題。

用戶可以在確認前修改自己的答案。

在確認答案後，根據正確與否會顯示出一條信息。

如果三次答錯，將會顯示出正確答案。

用戶可以瀏覽菜單（點開菜單並選擇菜單項）。

系統應具有音頻和視頻警告API，錯誤信息可以通過該API發送。

每種算術運算有一個限時小測環節。

限時小測隨機從簡到難給出問題。  

測試後會顯示出統計數據（回答了多少題目，答對了多少題目）。

在用戶接近時系統可以引起她的注意。

可以有一些數學以外的娛樂環節，比如讓她唱首歌、親自己的爸爸等等。如果不這麼做，用戶將無法繼續使用系統。

警告API可以用來在娛樂環節做一些有趣的事情。

硬體 

我們在這個項目中需要什麼： 

Arduino Mega：http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega2560  

字符液晶面板（Serial LCD）：http://www.dfrobot.com/index.php?route=product/product&filter_name=adkeyboard&product_id=197#.UvNglbQSHxQ  

矩陣鍵盤 :https://www.sparkfun.com/products/8653

模擬鍵盤 :http://www.dfrobot.com/index.php?route=product/product&filter_name=adkeyboard&product_id=197#.UvNglbQSHxQ

PIR運動傳感器:http://www.cooking-hacks.com/pir-motion-sensor

LED 和 400歐姆電阻

數字蜂鳴模塊:http://www.dfrobot.com/index.php?route=product/product&filter_name=buzzer&product_id=84#.UvNc2rQSHxQ

連接線

看看下面的硬體設計：

注意一些和上面不匹配的部分：

LCD應該是字符LCD。

Arduino UNO應該用Mega替代。

(我用Arduino UNO開啟了這個項目，但是因為內存的需要後來改用Arduino Mega繼續這個項目。開始的時候，Arduino UNO工作的很好。但是，當代碼量增加，我無法將RAM使用量控制在Arduino UNO的容量之內，然後就想你所想的，我最終啟用了Arduino Mega，它有8K的SRAM。)

軟體設計

 

圖1：設計的概覽

系統被分為2個主要部分。就像你在圖1中看到的，第一個模塊負責硬體的管理。

輸入系統：我們有兩個不同的鍵盤，他們被統一在一起，對外提供統一的接口。統一的鍵盤信息將在（矩陣鍵盤或模擬鍵盤上的）任何按鍵被按下時告知註冊的客戶端。

輸出系統：具有附加功能的字符液晶面板。

發信系統：統一發信子系統。它由一個LED和一個數字蜂鳴器組成，它將不同的信號轉化為目標客戶端的編碼。它將不同的信號轉換為客戶端代碼，客戶端代碼可以根據需求運行各種代碼。

運動檢測：用PIR傳感器實現運動檢測。當有人被檢測到，它觸發一個信號來引起注意。

表現層負責與用戶的交互。它包含圖形界面的處理（菜單和頁面）並包含管理子系統。

UI管理：在這個子系統中，我們定義了圖像對象。一個菜單列表被顯示出來供用戶選擇。一個菜單項可以顯示出子菜單或者一個頁面。用戶可以通過輸入顯示在其上的索引來選擇菜單項。通過按'Escape'鍵來返回上級菜單。如果一個菜單項是一個頁面，選擇後將會將這個頁面顯示出來。頁面可以顯示出其上面的信息，並等待用戶輸入來改變它的內容，此時按下'Escape'鍵就會顯示出用戶菜單。如果用戶輸入錯誤，可以通過按'Backspace'鍵刪除答案。根據答案的正確與否，相應的信號將會被觸發。

內容管理：這個子系統提供顯示在屏幕上的內容，包括各種算術運算的各種難度級別的生成算法。客戶端代碼（頁面）會向這個子系統請求內容。

簡單的類框圖如下。這些圖像展示了基本的框架，幫助你更容易的理解實際的類實現。

硬體管理  

MFK_InputDevice將Keypad2和AdKeyboard統一為同一個接口。它處理它們的事件，並向其客戶端提供一組新的編碼，如下所示。

圖2：輸入子系統

按鍵映射：

KeypadButtonKeyValue (hex) Matrix0 '0'0x30Matrix 1 '1' 0x31Matrix 2 '2'  0x32Matrix 3 '3' 0x33Matrix 4 '4' 0x34Matrix 5 '5' 0x35Matrix 6 '6' 0x36Matrix 7 '7' 0x37Matrix 8'8' 0x38Matrix 9'9' 0x39Matrix *Escape0x1BMatrix #Enter0x0DAD S1Backspace0x08ADS2F10x80ADS3F20x81ADS4F30x82ADS5F40x83

MFK_OutputDevice繼承自SerialLCD類。它結合SerialLCD類的功能，並對其進行了增強。

圖3：輸出子系統

一個信號模式從信號源產生。一個模式連同它的索引被儲存在信號控制器中。想要啟動一個信號模式非常簡單，只要用它的索引從信號控制器調用它。

圖4：發信系統

在硬體管理層頂層的是MFK_Hardware類。它只會所有其他硬體設備，對客戶端隱藏多餘的複雜性。舉例來說，PIRMotionandSignalController沒有被暴露給客戶端。但是輸入和輸出設備必須要向外界開放，因為UI系統需要對這些功能的直接訪問。信號模式也是在這個類裡構建的，可以通過索引來訪問他們。

圖5：硬體管理

表現層

這一層負責與用戶進行交互，它提供了視覺元素和內容。

ContentFactory根據toContentTypeEnum和ContentLevelEnum創建ContentProviders。客戶端得到ContentFactory的實例，之後他可以請求一個content provider。

 

圖6：內容管理

VisualItem是所有的視覺元素（菜單和頁面）的基類。它還將硬體管理和呈現結合起來。'show' 和'msgbox'方法通過調用和回調VisualItem提供的方法使用輸出設備(MFK_OutputDevice)和輸入設備(MFK_InputDevice) 。'msgbox'方法也有能力啟動一個信號模式，只要調用硬體(MFK_Hardware)的'signal'方法就可以了。

菜單就像他的名字一樣，提供了一系列的菜單項可以選擇。用戶可以通過一個菜單項前面的索引選擇它，然後菜單 'show' VisualItem。

Pageis是顯示內容的視覺工具。除了娛樂內容，它會等待用戶的輸入。用戶'Enter'她的答案，顯示信息告知她對錯。顯示信息之後，就需要從內容管理獲取新的內容。

Chapter是ContentProvider和Page之間的中間類。當一個頁面被第一次顯示時，與其相關的chapter和ContentProvider就會被創建。用戶的答案直接由chapter處理，並由chapter判斷其對錯。Chapter也對頁面內的學習會話進行統計。FunChapter是一種不向用戶要求答案的chapter，QuizChapter是限時的chapter。在一個quiz chapter中，問題只有在時間截止之前才能回答。

圖7：UI管理

實現

我希望你已經清楚了系統的通用結構。現在，是時候深入到代碼中去，那裡是真正的樂趣開始的地方。

我想以MathForKid.ino開始。它是上傳到Arduino主板上的主要代碼。

MFK_Hardware* hw; Menu* mainMenu; void setup() {        Serial.begin(9600);          hw = MFK_Hardware::getInstance();    hw->begin();         CreateUI();        mainMenu->show();} void loop() {        hw->update();            VisualItem *v = VisualItem::getActiveItem();    if(v!=NULL)        v->update();}

就這麼多。在Arduino上運行你的應用吧。好吧，也許解釋一下會更好。

正如我在「軟體設計」那部分開頭所說的，我們有兩個部分：一個用來硬體管理，另一個用來展示。它們在代碼頂部定義為全局變量，我們在 'setup'函數中將它們初始化。'loop'函數調用代碼來更新它們。

事實上，CreateUI方法也是在這個文件中實現的。當用戶開始交互時，它創建用戶接口。mainMenu、所有的子菜單和一切頁面都是這個方法產生的，chapter的屬性也是其賦予的。

void CreateUI() {    mainMenu = new Menu("main");         Menu* m = new Menu("+");    mainMenu->addMenuItem(m);         Page* p = new Page("L1");    p->setChapterProperties(Chapter::NormalChapter, \            ContentFactory::Addition, ContentFactory::Level1Content);    m->addMenuItem(p);         p = new Page("L2");    p->setChapterProperties(Chapter::NormalChapter, \            ContentFactory::Addition, ContentFactory::Level2Content);    m->addMenuItem(p);...

我們接著來看這個應用的設計模式。

就像你所想的，MFK_Hardware是Facade模式的一個例子。它將底層的硬體管理問題隱藏起來，並對客戶端提供了乾淨的接口。它同時也是 Singleton模式的代表，因為整個系統運行時其只產生一個實例。為了實現這個功能，MFK_Hardware的構造器、複製和賦值操作都被聲明為私有方法。

    MFK_Hardware();    MFK_Hardware(MFK_Hardware const&);     void operator=(MFK_Hardware const&); 

你只能通過getInstance靜態方法訪問它們，這個方法是公共的：

    static MFK_Hardware* getInstance() {        static MFK_Hardware hw;        return &hw;    };

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