工程认知与工程思维实践基于Arduino实现

本书旨在提高读者的创新能力、综合设计能力和动手实践能力，进而培养和提升读者的工程素养。本书希望读者在直接经验和科学理论的基础上，通过观察、思考、设计、制作、试验等活动获得丰富的学习体验，在学习中发现问题，在实践中解决问题，在创新中获得知识，同时结合最新的人工智能技术，创作出前沿的工程认知作品，为后续的学习打下良好基础。本书共8章，包括计算机工程认知基础、Arduino编程入门、Arduino工程入门、基于Arduino的工程思维与项目设计方法、工程认知项目制作实例、基于Arduino与3D打印技术的机器人制作、机器人创新制作实例、工程伦理与工程认知实践新趋势。本书可作为计算机类、电子信息类、自动化类及相关专业“工程认知”或相关课程的教材，也可作为Arduino初学者的参考书。

周勇：博士，中国矿业大学计算机科学与技术学院教授，博士生导师，院长，矿山数字化教育部工程研究中心主任，江苏省“333人才工程”和“六大人才高峰”培养对象。从事机器学习、人工智能、数据科学与工程等方面的理论与应用研究。近年来，出版专著1部；在国内外重要学术期刊和会议上发表学术论文60余篇；授权发明专利40余件。作为项目负责人，先后主持国家自然科学基金面上项目，江苏省自然科学基金，国家博士后科学基金和企业委托等项目20余项。主持建设国家一流课程、江苏省高校在线开放课程、江苏省教改重点项目、江苏省研究生教改项目和中国高等教育学会规划课题等教学研究项目10余项，主编江苏省十三五重点教材1部。获得教育部高等学校科技进步一等奖、辽宁省科技进步一等奖、中国煤炭工业协会科学技术二等和三等奖等5项。为科技部重点专项、国家自然科学基金和教育部学位评审中心评审专家；国家安监总局煤矿安全生产“十四五”规划编制工作专家组成员。担任中国计算机学会杰出会员，智能机器人专委会委员，人工智能与模式识别专委会委员，计算机应用专委会委员；中国人工智能学会知识工程与分布智能专业委员会委员，机器学习专业委员会委员；中国煤炭工业协会信息化分会理事；江苏省计算机学会副理事长；江苏省人工智能学会常务理事，智能系统与应用专业委员会主任；煤炭高等教育“十三五”、“十四五”规划教材计算机学科教材编审委员会副主任。

第 1章 计算机工程认知基础1.1　计算机工程认知与工程思维综述11.1.1 工程认知的概念11.1.2　计算机工程认知概述21.1.3　工程思维的内涵及工程思维能力的本质41.2　工程实践平台51.3　Arduino71.3.1　Arduino概述71.3.2　安装Arduino IDE91.3.3　Arduino开发板使用流程121.3.4　程序基本结构121.4　本章小结13第 2章 Arduino编程入门2.1　编程语言142.1.1　关键字142.1.2　运算符152.1.3　注释符172.2　数据类型、标识符、变量和常量172.2.1　数据类型172.2.2　标识符182.2.3　变量182.2.4　常量182.3　运算符详解192.3.1　数学运算符192.3.2　逻辑运算符212.3.3　位运算符212.3.4　运算顺序222.4　程序控制语句222.4.1　条件语句222.4.2　循环语句232.4.3　循环控制语句242.4.4　goto语句252.5　Arduino基本程序结构252.5.1　基本结构252.5.2　setup()函数252.5.3　loop()函数262.6　函数262.6.1　内置函数262.6.2　自定义函数352.7　库362.7.1　安装库362.7.2　库的引入372.7.3　使用标准库372.7.4　自定义库382.8　本章小结39第3章 Arduino工程入门3.1　走进Arduino工程设计413.2　Arduino工程设计案例423.2.1　LED闪烁实验423.2.2　摇杆模块实验与继电器模块实验443.2.3　水泵实验与火焰传感器实验483.2.4　PWM灯光亮度调节与步进电机实验523.3　本章小结54第4章 基于Arduino的工程思维与项目设计方法4.1　Fritzing564.1.1　Fritzing简介564.1.2　Fritzing的使用574.2　工程文档书写594.2.1　什么是工程文档604.2.2　工程文档的分类604.2.3　如何编写工程文档604.2.4　编写工程文档使用的软件614.2.5　Markdown语法简介614.3　团队合作与多团队协同开发654.4　工程思维与项目设计方法674.4.1　工程思维在Arduino工程实践中的体现674.4.2　项目设计方法在Arduino工程实践中的实施684.5　本章小结70第5章 工程认知项目制作实例5.1　物联网背景下基于Arduino的娱乐项目：机警战士项目的设计与实现715.1.1　实例背景715.1.2　系统整体设计725.1.3　电路及程序实现775.1.4　功能测试与验证805.2　智能温湿度报警器815.2.1　实例背景815.2.2　系统整体设计825.2.3　电路及程序实现845.2.4　功能测试与验证885.3　基于Arduino的雷达系统895.3.1　实例背景895.3.2　系统整体设计905.3.3　雷达数据可视化1055.3.4　功能测试与验证1065.3.5　更多的思考1105.4　本章小结110第6章 基于Arduino与3D打印技术的机器人制作6.1　3D打印技术简介1126.1.1　3D打印机1136.1.2　3D打印机软件系统介绍1136.1.3　3D打印工具1146.2　结合Arduino与3D打印技术的智能小车制作1166.2.1　基于Arduino与3D打印的智能植物小车总体设计1166.2.2　系统结构概述1176.2.3　系统硬件模块概述1176.2.4　3D打印智能植物小车部件1186.2.5　小车整体硬件组装与测试1196.2.6　小车软件设计与编程1256.2.7　完整小车系统调试1286.3　本章小结130第7章 机器人创新制作实例7.1　矿山感知四足智能车制作1327.1.1　系统整体设计1327.1.2　车体部分1347.1.3　通信部分1357.1.4　硬件设计1367.1.5　外围器件1387.1.6　软件设计1437.1.7　小结1457.2　基于Arduino与树莓派的自动驾驶小车1467.2.1　实例背景1467.2.2　系统整体设计1467.2.3　功能测试和验证1697.2.4　小结172第8章 工程伦理与工程认知实践新趋势8.1　工程伦理1748.1.1　引言1748.1.2　工程伦理的定义1748.1.3　工程伦理的重要性1748.1.4　工程伦理的实践1758.1.5　小结1758.2　工程认知与人工智能1758.2.1　引言1758.2.2　人工智能简史1768.2.3　人工智能在工程领域的应用1778.2.4　人工智能在工程领域中面临的挑战1808.3　工程认知实践181附录　主要工程认知类竞赛介绍183参考文献184