Изучаем Arduino Uno R4. Программирование и примеры проектов для Uno R4 Minima и Uno R4 WiFi

Доган Ибрагим
Изучаем Arduino Uno R4

Mastering  
the Arduino Uno R4
Programming and Projects  
for the Minima and WiFi
Dogan Ibrahim

Изучаем  
Arduino Uno R4
Программирование и примеры проектов 
для Uno R4 Minima и Uno R4 WiFi
Доган Ибрагим
Москва, 2024

УДК	 004.9Arduino, 004.732
ББК 32.816, 32.973, 32.965
И15
Ибрагим Д.
И15 	 Изучаем Arduino Uno R4 / пер. с англ. Ю. В. Ревича. – М.: ДМК Пресс, 2024. – 
324 с.: ил. 
ISBN 978-5-93700-297-6
Знакомая нам уже много лет плата Arduino Uno R3 на основе недорогого 8-битного процессора ATmega328P – возможно, самый популярный представитель 
семейства Arduino. Недавно была выпущена новая плата Arduino Uno R4 на основе 
48-мегагерцевого 32-битного процессора Cortex-M4 с большим объемом SRAM 
и флеш-памяти. В конструкцию добавлены ЦАП и более точный АЦП, а также интерфейс CAN Bus. Доступны две версии новой платы: Uno R4 Minima и Uno R4 WiFi.
В книге рассказывается об использовании этих новых плат для разработки 
множества различных проектов с применением всего лишь нескольких деталей 
и внешних модулей. Для всех проектов предоставлены блок-схемы, принципиальные схемы, полные листинги программ на языке С и их краткие описания.
Вы познакомитесь с различными датчиками, разберетесь с устройством 7-сегментных индикаторов и ЖК-дисплеев,  построите RFID-считыватель и часы реального времени (RTC), внедрите в свои конструкции сервоприводы и, наконец, 
узнаете, как связать устройства по Wi-Fi, Bluetooth, протоколу TCP/IP, через последовательный порт UART и CAN-шину.
Издание предназначено широкому кругу читателей, знакомых с Arduino и имеющих опыт работы с микроконтроллерами.
УДК  004.9Arduino, 004.732
ББК  32.816, 32.973, 32.965
This is an Elektor Publication. Elektor is the media brand of Elektor International Media B.V. 
All rights reserved.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения 
владельцев авторских прав.
ISBN 978-3-89576-578-0 (англ.) 	
©  2023 Elektor International Media B.V.
ISBN 978-5-93700-297-6 (рус.) 	
©  Перевод, оформление, издание,  
ДМК Пресс, 2024

Содержание
От издательства..........................................................................................................10
Предисловие...............................................................................................................11
Глава 1  •  Arduino Uno R4........................................................................................13
1.1. Обзор......................................................................................................................13
1.2. Arduino Uno R4 в сравнении с Uno R3...............................................................14
1.3. Аппаратное обеспечение Arduino Uno R4 Minima..........................................17
Глава 2  •  Программирование Arduino Uno R4...................................................22
2.1. Обзор......................................................................................................................22
2.2. Установка Arduino IDE 2.1.0................................................................................23
2.3. Программы без использования аппаратной части.........................................26
Пример 2.1. Сумма целых чисел...........................................................................26
Пример 2.2. Таблица квадратов............................................................................28
Пример 2.3. Объем цилиндра...............................................................................29
Пример 2.4. Перевод градусов Цельсия в градусы Фаренгейта.......................31
Пример 2.5. Таблица умножения..........................................................................32
Пример 2.6. Таблица синуса..................................................................................33
Пример 2.7. Таблица синуса, косинуса и тангенса.............................................35
Пример 2.8. Целочисленный калькулятор..........................................................37
Пример 2.9. Игральные кубики............................................................................38
Пример 2.10. Калькулятор для действительных чисел.....................................40
Пример 2.11. Вывод в двоичном, восьмеричном, шестнадцатеричном 
форматах..................................................................................................................42
Пример 2.12. Строковые функции.......................................................................43
Пример 2.13. Инициализация массива................................................................44
Пример 2.14. Символьные функции....................................................................45
Пример 2.15. Решение квадратного уравнения.................................................47
Пример 2.16. Счастливый день недели................................................................50
Пример 2.17. Факториал числа..............................................................................51
Пример 2.18. Сложение двух квадратных матриц.............................................53
Глава 3  •  Аппаратные проекты со светодиодами.............................................55
3.1. Обзор......................................................................................................................55
3.2. Проекты со светодиодами..................................................................................55
Проект 3.1. Мигание встроенным светодиодом................................................55
Проект 3.2. Мигание внешним светодиодом......................................................56
Проект 3.3. Мигающий светодиод SOS................................................................60
Проект 3.4. Поочередное мигание светодиодов................................................61
Проект 3.5. Гонки светодиодов.............................................................................64
Проект 3.6. Гонки светодиодов-2..........................................................................67

Содержание
•  6
Проект 3.7. Светодиодный двоичный счетчик...................................................68
Проект 3.8. Случайное мигание светодиодов: елочная гирлянда...................70
Проект 3.9. Светодиод, управляемый кнопкой..................................................72
Проект 3.10. Управление частотой мигания светодиода через внешние 
прерывания.............................................................................................................76
Проект 3.11. Измерение реакции.........................................................................80
Проект 3.12. Цветная волшебная палочка...........................................................81
Проект 3.13. Заданные цвета RGB........................................................................84
Проект 3.14. Светофор............................................................................................85
Проект 3.15. Светофор с пешеходным переходом.............................................90
Проект 3.16. Сдвиговый регистр 74HC595: двоичный счетчик ......................96
Проект 3.17. Сдвиговый регистр 74HC595: случайное мигание 
8 светодиодов........................................................................................................100
Проект 3.18. Сдвиговый регистр 74HC595: гонки светодиодов.....................101
Проект 3.19. Сдвиговый регистр 74HC595: включение заданного  
светодиода.............................................................................................................102
Проект 3.20. Сдвиговый регистр 74HC595: демонстрация заданного  
числа на светодиодах...........................................................................................103
Глава 4  •  7-сегментные светодиодные индикаторы......................................105
4.1. Обзор....................................................................................................................105
4.2. Структура 7-сегментного светодиодного индикатора.................................105
Проект 4.1. 7-сегментный одноразрядный индикатор: десятичный  
счетчик...................................................................................................................107
Проект 4.2. Четырехразрядный 7-сегментный мультиплексированный 
светодиодный индикатор...............................................................................111
Проект 4.3. Четырехразрядный 7-сегментный индикатор: 
счетчик с прерываниями таймера.....................................................................117
Проект 4.4. Четырехразрядный 7-сегментный индикатор: 
счетчик с очисткой ведущих нулей....................................................................121
Проект 4.5. Четырехразрядный 7-сегментный индикатор: измерение 
реакции с помощью таймера..............................................................................124
Проект 4.6. Мигание встроенного светодиода по прерыванию  
таймера..................................................................................................................129
Глава 5  •  Жидкокристаллические дисплеи.......................................................131
5.1. Обзор...............................................................................................................131
5.2. Шина I2C..............................................................................................................132
5.3. Порты I2C платы Uno R4...................................................................................132
5.4. ЖК-дисплей с интерфейсом I2C......................................................................133
Проект 5.1. Отображение текста на ЖК-дисплее.............................................137
Проект 5.2. Прокрутка текста на ЖК-дисплее..................................................138
Проект 5.3. Отображение пользовательских символов на ЖК-дисплее.......140
Проект 5.4. Счетчик товаров на конвейерной ленте с ЖК-дисплеем...........142
Проект 5.5. Точные часы на ЖК-дисплее с использованием  
прерываний таймера............................................................................................145
Проект 5.6. Игральные кубики на ЖК-дисплее................................................150

Содержание
•  7
Глава 6  •  Датчики...................................................................................................153
6.1. Обзор....................................................................................................................153
6.2. Проекты с различными датчиками.................................................................153
Проект 6.1. Аналоговый датчик температуры..................................................153
Проект 6.2. Вольтметр..........................................................................................156
Проект 6.3. Релейный регулятор температуры................................................158
Проект 6.4. Фоторезистор в качестве датчика освещенности.......................161
Проект 6.5. Датчик наклона................................................................................164
Проект 6.6. Измерение уровня воды..................................................................166
Проект 6.7. Регулятор уровня воды....................................................................169
Проект 6.8. Датчик переполнения с зуммером................................................171
Проект 6.9. Датчик обнаружения звука – управление реле хлопком  
ладоней...................................................................................................................173
Проект 6.10. Датчик пламени с релейным выходом.......................................175
Проект 6.11. Измерение температуры и влажности........................................177
Проект 6.12. Генерация музыкальных тонов....................................................181
Глава 7  •  RFID-считыватель..................................................................................184
7.1. Обзор....................................................................................................................184
7.2. Применение RFID-считывателя.......................................................................185
Проект 7.1. Определение идентификатора RFID-метки.................................185
Проект 7.2. Дверной замок с RFID-доступом через реле................................187
Глава 8  •  Клавиатура 4×4.....................................................................................191
8.1. Обзор....................................................................................................................191
8.2. Кнопочная клавиатура 4×4...............................................................................191
Проект 8.1. Отображение нажатого кода клавиши  
на последовательном мониторе.........................................................................192
Проект 8.2. Целочисленный калькулятор с ЖК-дисплеем.............................195
Проект 8.3. Дверной замок с клавиатурой и реле............................................201
Глава 9  •  Модуль часов реального времени (RTC)..........................................204
9.1. Обзор....................................................................................................................204
9.2. Модуль RTC..........................................................................................................204
Проект 9.1. RTC и монитор последовательного порта....................................205
Проект 9.2. RTC с ЖК-дисплеем..........................................................................208
Проект 9.3. Отображение температуры и влажности с отметкой  
времени..................................................................................................................210
9.3. Использование встроенных RTC контроллера Renesas RA4M1...................213
Проект 9.4. Установка и отображение текущего времени встроенных  
RTC..........................................................................................................................214
Проект 9.5. Периодическое прерывание каждые 2 секунды..........................215
Глава 10  •  Джойстик..............................................................................................217
10.1. Обзор..................................................................................................................217
10.2. Джойстик...........................................................................................................217
Проект 10.1.  Чтение аналоговых значений с джойстика...............................218

Содержание
•  8
Глава 11  •  Светодиодная матрица 8×8..............................................................222
11.1. Обзор..................................................................................................................222
11.2. Светодиодная матрица 8×8............................................................................222
Проект 11.1. Отображение фигур.......................................................................223
Глава 12  •  Двигатели: сервоприводы и шаговые двигатели........................228
12.1. Обзор..................................................................................................................228
12.2. Сервопривод.....................................................................................................228
Проект 12.1. Тестовое вращение сервопривода...............................................229
Проект 12.2. Серворазвертка...............................................................................231
Проект 12.3. Сервопривод, управляемый джойстиком...................................232
12.3. Шаговый двигатель..........................................................................................234
Проект 12.4. Поворот двигателя по часовой стрелке и обратно....................235
Глава 13  •  Цифроаналоговый преобразователь.............................................238
13.1. Обзор..................................................................................................................238
Проект 13.1. Генерация прямоугольного сигнала амплитудой 2 В...............238
13.2. Генерация синусоидального сигнала: библиотека AnalogWave................240
Проект 13.2. Генерация синусоидального сигнала..........................................240
Проект 13.3. Генератор синуса с переменной частотой .................................242
Проект 13.4. Задание частоты синусоидального сигнала с помощью 
потенциометра......................................................................................................242
Проект 13.5. Генерация прямоугольного сигнала частотой 1 кГц 
и амплитудой 1 В..................................................................................................244
Глава 14  •  Использование EEPROM, Human Interface Device и ШИМ..........245
14.1. Обзор..................................................................................................................245
14.2. Память EEPROM................................................................................................245
14.3. Интерфейс взаимодействия с человеком (HID)..........................................246
Проект 14.1. Запуск программ Windows с помощью кнопок.........................247
14.4. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)....................................................250
Проект 14.2. Регулирование светодиодов с помощью ШИМ..........................253
Глава 15  •  Arduino Uno R4 WiFi...........................................................................255
15.1. Обзор..................................................................................................................255
15.2. Светодиодная матрица...................................................................................258
Проект 15.1. Использование светодиодной матрицы для создания 
изображения креста, метод 1..............................................................................258
Проект 15.2. Создание изображений установкой байтов...............................260
Проект 15.3. Использование светодиодной матрицы 
для создания изображения креста, метод 2......................................................263
Проект 15.4. Анимация – отображение слова...................................................265
15.3. Использование Wi-Fi.......................................................................................267
15.3.1. UDP и TCP...................................................................................................267
15.3.2. Связь по протоколу UDP..........................................................................268
15.3.3. Связь по протоколу TCP...........................................................................269
Проект 15.5. Управление встроенным светодиодом Arduino Uno R4  
WiFi со смартфона с помощью UDP...................................................................270
15.4. Bluetooth............................................................................................................274

Содержание
15.4.1. Bluetooth BLE.............................................................................................275
15.4.2. Модель программного обеспечения Bluetooth BLE.............................276
Глава 16  •  Последовательная связь...................................................................278
16.1. Обзор..................................................................................................................278
Проект 16.1. Получение температуры окружающей среды  
от Arduino Uno R3..................................................................................................280
Глава 17  •  Использование симулятора Arduino Uno.......................................283
17.1. Почему симуляция?..........................................................................................283
17.2. Симулятор Wokwi.............................................................................................285
Проект 17.1. Простое моделирование – мигающий светодиод......................285
Проект 17.2. Отображение текста на ЖК-дисплее...........................................287
Проект 17.3. ЖК-счетчик секунд.........................................................................288
Глава 18  •  Шина CAN.............................................................................................290
18.1. Обзор..................................................................................................................290
18.2. Шина CAN..........................................................................................................290
18.2.1. Оконечная нагрузка CAN-шины.............................................................291
18.2.2. Скорость передачи данных по CAN-шине............................................292
18.2.3. Длина кабельного шлейфа......................................................................293
18.2.4. Узел CAN-шины.........................................................................................293
18.2.5. Уровни сигнала шины CAN.....................................................................293
18.2.6. Напряжение CAN_H..................................................................................294
18.2.7. Напряжение CAN_L...................................................................................295
18.2.8. Арбитраж шины........................................................................................295
18.2.9. Шинный приемопередатчик...................................................................296
18.2.10. CAN-разъемы...........................................................................................296
18.3. Интерфейс CAN-шины Arduino Uno R4........................................................298
18.3.1. Приемопередатчик CAN-шины..............................................................298
18.4. Примеры использования CAN........................................................................300
Проект 18.1. Связь между Arduino Uno R4 WiFi и Arduino Uno R4  
Minima по CAN-шине...........................................................................................300
Проект 18.2. Отправка показаний температуры по CAN-шине....................304
Глава 19  •  Инфракрасный приемник и пульт дистанционного  
управления...........................................................................................309
19.1. Обзор..................................................................................................................309
19.2. Инфракрасный приемник..............................................................................309
19.3. Инфракрасный пульт дистанционного управления...................................310
19.4. Работа ИК-системы дистанционного управления......................................310
Проект 19.1. Расшифровка кодов ИК-пульта управления..............................313
Проект 19.2. Дистанционное включение/выключение реле..........................315
Проект 19.3. Дистанционное управление шаговым двигателем...................318
Предметный указатель...........................................................................................322

От издательства
Отзывы и пожелания
Мы всегда рады отзывам наших читателей. Расскажите нам, что вы ду-маете 
об этой книге – что понравилось или, может быть, не понравилось. Отзывы 
важны для нас, чтобы выпускать книги, которые будут для вас максимально 
полезны.
Вы можете написать отзыв на нашем сайте www.dmkpress.com, зайдя на 
страницу книги и оставив комментарий в разделе «Отзывы и рецензии». 
Также можно послать письмо главному редактору по адресу dmkpress@gmail.
com; при этом укажите название книги в теме письма. 
Если вы являетесь экспертом в какой-либо области и заинтересованы в написании новой книги, заполните форму на нашем сайте по адресу http://
dmkpress.com/authors/publish_book/ или напишите в издательство по адресу 
dmkpress@gmail.com.
Список опечаток
Хотя мы приняли все возможные меры для того, чтобы обеспечить высокое качество наших текстов, ошибки все равно случаются. Если вы найдете 
ошибку в одной из наших книг, мы будем очень благодарны, если вы сообщите о ней главному редактору по адресу dmkpress@gmail.com. Сделав это, 
вы избавите других читателей от недопонимания и поможете нам улучшить 
последующие издания этой книги. 
Нарушение авторских прав
Пиратство в интернете по-прежнему остается насущной проблемой. Издательство «ДМК Пресс» очень серьезно относится к вопросам защиты авторских прав 
и лицензирования. Если вы столкнетесь в интернете с незаконной публикацией 
какой-либо из наших книг, пожалуйста, пришлите нам ссылку на интернет-ресурс, чтобы мы могли применить санкции.
Ссылку на подозрительные материалы можно прислать по адресу электронной почты dmkpress@gmail.com.
Мы высоко ценим любую помощь по защите наших авторов, благодаря 
которой мы можем предоставлять вам качественные материалы.