MATLAB实战：Arduino硬件交互项目方案

以下是一个使用MATLAB与Arduino进行硬件交互的项目方案，涵盖传感器数据采集和执行器控制。本方案使用MATLAB的Arduino硬件支持包，无需额外编写Arduino固件。

系统组成

1. 硬件：

   • Arduino Uno

   • 温度传感器（如LM35）

   • 光敏电阻+10kΩ电阻

   • 加速度传感器（MPU6050）

   • 舵机（SG90）

   • LED+220Ω电阻

   • 连接线若干

2. 软件：

   • MATLAB R2019a+

   • Arduino Support Package（安装方法：MATLAB主页 → 附加功能 → 获取硬件支持包 → Arduino）

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步骤1：硬件连接

组件	Arduino引脚
LM35 Vout	A0
光敏电阻分压	A1
MPU6050 SDA	A4
MPU6050 SCL	A5
舵机信号线	D9
LED阳极	D13

步骤2：MATLAB代码实现

2.1 初始化Arduino连接

clear; clc;
a = arduino('COM3', 'Uno', 'Libraries', {'I2C', 'Servo'}); % 替换COM3为实际端口

% 初始化传感器
mpu = device(a, 'I2CAddress', 0x68, 'bus', 0); % MPU6050初始化
writeRegister(mpu, hex2dec('6B'), hex2dec('00'), 'int8'); % 唤醒传感器

% 初始化执行器
servo = servo(a, 'D9');
ledPin = 'D13';

2.2 实时数据采集与可视化

% 创建实时图形窗口
figure('Name', 'Sensor Data');
subplot(3,1,1); tempPlot = animatedline; title('Temperature (°C)');
subplot(3,1,2); lightPlot = animatedline; title('Light Intensity');
subplot(3,1,3); accelPlot = animatedline; title('Acceleration (g)');

% 数据采集参数
duration = 60; % 秒
ts = 0.1; % 采样间隔
t = 0;

% 主循环
while t < duration
    % 读取温度传感器 (LM35)
    tempVolt = readVoltage(a, 'A0');
    tempC = tempVolt * 100;  % LM35转换公式
    
    % 读取光强 (0-5V)
    lightVolt = readVoltage(a, 'A1');
    
    % 读取加速度 (MPU6050)
    accelX = readAcceleration(mpu);
    
    % 更新实时图形
    addpoints(tempPlot, t, tempC);
    addpoints(lightPlot, t, lightVolt);
    addpoints(accelPlot, t, accelX(1)); % 只显示X轴
    
    % 动态控制执行器
    if tempC > 30
        writeDigitalPin(a, ledPin, 1); % 温度过高时亮LED
        writePosition(servo, 0.8);     % 舵机转到90%
    else
        writeDigitalPin(a, ledPin, 0);
        writePosition(servo, 0.2);     % 舵机回位
    end
    
    % 更新循环
    t = t + ts;
    pause(ts - 0.01); % 补偿计算时间
end

2.3 数据处理扩展（示例：移动平均滤波）

% 在循环中添加数据处理
persistent tempBuffer;
if isempty(tempBuffer)
    tempBuffer = zeros(1,10);
end

tempBuffer = [tempBuffer(2:end), tempC];
filteredTemp = mean(tempBuffer);

关键技能点详解

1. 硬件接口：

   • 使用arduino()对象统一管理硬件连接

   • 专用设备接口（device()用于I2C传感器）

   • 引脚模式自动配置（模拟输入/数字输出/PWM）

2. 串口通信：

   • 底层通过串口协议通信（波特率自动协商）

   • 支持同步/异步读写操作

3. 实时数据处理：

   • animatedline实现流式数据可视化

   • 循环内集成数据处理算法（如滤波）

   • 执行器闭环控制（基于传感器反馈）

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故障排除

1. 端口识别问题：

   • 运行arduinoio.IDEReset重置IDE关联

   • 设备管理器中检查驱动状态

2. I2C通信失败：

   • 确认传感器地址（0x68或0x69）

   • 检查接线是否松动（SDA/SCL交叉连接）

3. 实时性不足：

   • 减少采样间隔（最小可达0.01秒）

   • 关闭实时绘图提升性能