文章目錄

• 1 什么是Arduino
• 2 為什么選擇Arduino作為開發(fā)平臺
• 3 Arduino硬件
• • 3.1 Arduino開發(fā)板的類型
  • 3.2 不同開發(fā)板的對比
• 4 Arduino軟件
• • 4.1 IDE
  • 4.2 Sketch
  • 4.3 編程語言
• 5 C/C++語言基礎(chǔ)
• • 5.1 數(shù)據(jù)類型
  • 5.2 變量與常量
  • 5.3 運(yùn)算符
  • 5.4 選擇結(jié)構(gòu)與循環(huán)結(jié)構(gòu)
• 參考

歡迎來到Arduino的世界，本文主要介紹Arduino是什么，為什么Arduino廣受歡迎，如何選擇一款適合自己的Arduino控制器、Arduino開發(fā)工具、Arduino的數(shù)據(jù)類型、變量和常量，結(jié)合Arduino常用的基本函數(shù)，就可以制作各種小作品。想要了解更多信息，請進(jìn)入Arduino官網(wǎng)。

1 什么是Arduino

Arduino是一個(gè)能夠用來感應(yīng)和控制現(xiàn)實(shí)物理世界的一套工具。它由一個(gè)基于單片機(jī)并且開放源碼的硬件平臺，和一套為Arduino板編寫程序的開發(fā)軟件組成。它的硬件包含一個(gè)以 Atmel AVR 單片機(jī)為核心的開發(fā)板和其他各種 I/O 板；軟件包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)編程語言開發(fā)環(huán)境和在開發(fā)板上運(yùn)行的燒錄程序。Arduino 主要是為業(yè)余愛好者的使用而設(shè)計(jì)的，被設(shè)計(jì)成一個(gè)小型計(jì)算機(jī)的形式，可以作為嵌入式計(jì)算機(jī)平臺，所以說它是一個(gè)交互系統(tǒng)，可以通過硬件和軟件與它的環(huán)境進(jìn)行互動。例如，它可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號，可以檢測到光線的有無和強(qiáng)弱、可以檢測到手指按下按鍵、甚至可以檢測到微信上的新消息；并將這些感受到的“信號”轉(zhuǎn)換為動作 比如電機(jī)動一下、LED 燈的打開或關(guān)閉、在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布一條信息等；Arduino也可以開發(fā)出與 PC 相連的周邊裝置，能在運(yùn)行時(shí)與 PC 上的軟件進(jìn)行通信。

Arduino 本質(zhì)上就是一塊單片機(jī)，但它拋開了傳統(tǒng)硬件開發(fā)的復(fù)雜操作，不需要了解硬件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和寄存器設(shè)置（如果是單片機(jī)開發(fā)，是需要了解寄存器并且設(shè)置各個(gè)寄存器），也不需要過多的電子知識和編程知識，開發(fā)者只需要通過簡單學(xué)習(xí)，了解各個(gè)引腳和函數(shù)的作用，便可利用它開發(fā)出各種出色的項(xiàng)目。

2 為什么選擇Arduino作為開發(fā)平臺

目前市場上還有許多其他的單片機(jī)和單片機(jī)平臺，例如51單片機(jī)、STM32單片機(jī)等。但他們對于普通開發(fā)者來說門檻相對較高，需要有一定編程和硬件相關(guān)基礎(chǔ)，內(nèi)部寄存器較為繁雜，主流開發(fā)環(huán)境Keil配置相對麻煩，特別是對于STM32的開發(fā)，即使使用官方庫也少不了環(huán)境配置，還有就是開發(fā)環(huán)境是收費(fèi)的。

Arduino 不但簡化了使用單片機(jī)工作的流程，同時(shí)還為教師、學(xué)生以及興趣愛好者提供了一些其他系統(tǒng)不具備的優(yōu)勢：

1、性價(jià)比高

相比于其他單片機(jī)平臺而言，Arduino生態(tài)的各種開發(fā)板性價(jià)比相對較高，也可以自己動手制作開發(fā)板。

2、跨平臺

Arduino IDE可以在 Windows、Mac OS X和 Linux 三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，而其他的大多數(shù)控制器只能在 Windows 上開發(fā)。

3．簡單清晰的開發(fā)

Arduino IDE基于Processing IDE開發(fā)，這對于初學(xué)者來說極易掌握，同時(shí)對于高級用戶來說又有著足夠的靈活性。Arduino語言是基于 Wiring 語言開發(fā)的，是對AVR-GCC庫的二次封裝，并不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)和編程基礎(chǔ)，只要簡單地學(xué)習(xí)后就可以快速地進(jìn)行開發(fā)。

4.開放性

Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，在開源協(xié)議范圍內(nèi)可以任意修改原始設(shè)計(jì)及相應(yīng)代碼。

5.社區(qū)與第三方支持

Arduino有著眾多的開發(fā)者和用戶，因此可以找到他們提供的眾多開源的示例代碼和硬件設(shè)計(jì)。例如，可以在Github.com、Arduino.cc、 Openjumper.com、Arduino中文社區(qū)等網(wǎng)站上找到 Arduino 的第三方硬件、外設(shè)和類庫等支持，以便更快、更簡單地?cái)U(kuò)展自己的Arduino項(xiàng)目。

6．硬件開發(fā)趨勢

Arduino 不僅僅是全球最流行的開源硬件，也是一個(gè)優(yōu)秀的硬件開發(fā)平臺，更是硬件開發(fā)的趨勢。Arduino簡單的開發(fā)方式使得開發(fā)者更關(guān)注于創(chuàng)意與實(shí)現(xiàn)，可以更快地完成自己的項(xiàng)目開發(fā)，大大節(jié)約學(xué)習(xí)的成本，縮短開發(fā)的周期。

鑒于 Arduino 的種種優(yōu)勢，越來越多的專業(yè)硬件開發(fā)者已經(jīng)或開始使用 Arduino 來開發(fā)項(xiàng)目和產(chǎn)品；越來越多的軟件開發(fā)者使用 Arduino 進(jìn)入硬件、物聯(lián)網(wǎng)等開發(fā)領(lǐng)域。

3 Arduino硬件

3.1 Arduino開發(fā)板的類型

根據(jù)使用的不同微控制器，可提供各種 Arduino 板。然而，所有 Arduino 板都有一個(gè)共同點(diǎn)：它們通過 Arduino lDE 編程。
差異基于輸入和輸出的數(shù)量(可以在單個(gè)板上使用的傳感器，LED和按鈕的數(shù)量)，速度，工作電壓，外形尺寸等。一些板被設(shè)計(jì)為嵌入式，并且沒有編程接口（硬件)，因此你需要單獨(dú)購買。有些可以直接從3.7V電池運(yùn)行，其他至少需要5V。
以下是可用的不同Arduino板的列表。

注：引用自Arduino概述。

3.2 不同開發(fā)板的對比

在使用 Arduino 控制器完成項(xiàng)目制作之前，應(yīng)該對各個(gè)型號有一定的了解，以便選擇適合自己項(xiàng)目的控制器。

1、Arduino UNO

Arduino UNO 是目前使用最廣泛的 Arduino 控制器，具有 Arduino 的所有功能，是初學(xué)者的最佳選擇。在大部分參考書或者開源代碼，都以 UNO 為例子。當(dāng)然，掌握UNO開發(fā)技巧，其他型號控制器也是類似的，可以很輕松地移植代碼。

2、Arduino MEGA

Arduino Mega 是一個(gè)增強(qiáng)型的Arduino 控制器，相對于UNO，它提供了更大的存儲空間和更多的輸入/輸出接口，可以控制更多的設(shè)備，是完成較大型項(xiàng)目的較好選擇。

3、Arduino Leonardo

Arduino Leonardo 使用集成了 USB 功能的 AVR 單片機(jī)作為主控芯片，具備其他型號 Arduino 控制器的所有功能之外還可以輕松模擬USB鍵盤/鼠標(biāo)等USB設(shè)備。

4、Arduino Due

Arduino Due 突破性使用了32位的 ARM Cortex-M3 作為主控芯片。它集成了多種外設(shè)，有著其他Arduino板無法比擬的性能，是目前最為強(qiáng)大的 Arduino 控制器。

5、小型化的Arduino

常見小型 Arduino 控制器有 Arduino Nano，Arduino Mini，Arduino Micro，Arduino LilyPad 等。這些小型控制器雖然在設(shè)計(jì)上精簡了許多地方，但使用起來一樣方便。其中 Arduino Mini 和 Arduino Lilypad 需要外部模塊配合來完成程序下載功能。

4 Arduino軟件

4.1 IDE

Arduino提供了Arduino Software IDE，一套以 Java 編寫的跨平臺應(yīng)用軟件。Arduino Software IDE 源自于 Processing 編程語言以及 Wiring 計(jì)劃的集成開發(fā)環(huán)境。它是被設(shè)計(jì)于介紹程序編寫給藝術(shù)家和不熟悉程序設(shè)計(jì)的人們，且包含了一個(gè)擁有語法高亮、括號匹配、自動縮進(jìn)和一鍵編譯并將可執(zhí)行文件燒寫入Arduino 硬件中的編輯器。

Arduino Software IDE 使用與C語言和C++相仿的編程語言，并且提供了包含常見的輸入/輸出函數(shù)的Wiring 軟件庫。在使用 GNU toolchain 編譯和鏈接后，Arduino Software IDE 提供了一個(gè)程序“avrdude”用來轉(zhuǎn)換可執(zhí)行檔成為能夠燒寫入Arduino硬件的固件。

4.2 Sketch

使用 Arduino Software IDE 編寫的程序被稱為“sketch”（草圖）。一個(gè)典型的 Arduino C/C++ sketch 程序會包含兩個(gè)函數(shù)，它們會在編譯后合成為 main() 函數(shù)：

• setup()：在程序運(yùn)行開始時(shí)會運(yùn)行一次，用于初始化設(shè)置。
• loop()：直到Arduino硬件關(guān)閉前會重復(fù)運(yùn)行函數(shù)放的代碼。

// 打開IDE會自動創(chuàng)建一個(gè)sketch模板，如下：
void setup() {
  
  // put your setup code here, to run once:
}
void loop() {
  
  // put your main code here, to run repeatedly:
}

4.3 編程語言

#define led 2        //定義數(shù)字IO 2的名字為led  
void setup()    //初始化部分
{
  
  pinMode(led,OUTPUT);  //定義led引腳為輸出模式
}
void loop()     //主循環(huán)
{
  
  digitalWrite(led,LOW); //led引腳輸出低電平，點(diǎn)亮led
  delay(1000);    //延時(shí)1000ms
  digitalWrite(led,HIGH); //led引腳輸出高電平，熄滅led
  delay(1000);    //延時(shí)1s
}

Arduino 程序可由五個(gè)部分組成 :

（1） 導(dǎo)入庫與定義 (可有可無)

#include <stdint.h>
#define LED 2

（2）聲明常量與全域變量 (可有可無)

const float PI = 3.14159;
int r = 0 ;

（3）初始化函數(shù)setup（） (必要)

void setup() {
  }

（4）循環(huán)函數(shù)loop（） (必要)

void loop() {
  }

（5）自定義函數(shù) (可有可無)

float area(float r) {
  
  float a = PI*r*r;
  return a;
  }

其中 setup() 與 loop() 是一定要有的函數(shù) (均無參數(shù)無傳回值)，其他則視需要而定。Arduino 語言采用 C/C++ 語法，加上以 Wiring 為基礎(chǔ)的電子設(shè)計(jì)核心庫組合而成，包括 Digital I/O，Analog I/O 等庫.。內(nèi)置的庫可直接調(diào)用，但若有使用第三方庫(例如驅(qū)動感測器模塊所需的庫)，則必須使用 include 前置指令引入。此外，也可以用前置指令 define 定義一個(gè)常量或宏 (表達(dá)式)。

前置指令乃 C 編譯器指令, 不屬于 C 語言本身, 其用途有三 :

1. 引入頭文件：例如 #include <myLibrary.h> 或 “myLibrary.h”
2. 定義常量：例如 #define PI 3.14159
3. 定義宏：例如 #define AREA PIrr

所以前置指令的功能之一就是替換，include 就是在標(biāo)頭處以指定之文件內(nèi)容替換；而 #define 就是在程序中用到所定義之常量與宏名稱時(shí)，以其內(nèi)容替換。

宏的功能事實(shí)上與函數(shù)類似，不同之處是函數(shù)調(diào)用使用堆棧，而宏則是直接放在源代碼中，由編譯器自動進(jìn)行替換，運(yùn)行效率較快 (但若很多地方都要用到時(shí), 編譯后就會比較大)。

注意：

頭文件可用角括號 < > 或雙引號 " ", 差別是：

1. 用雙引號時(shí), 前置處理器會先從源文件所在位置開始去搜索頭文件;
2. 而用角括號則會先從 libraries 目錄開始找.

5 C/C++語言基礎(chǔ)

5.1 數(shù)據(jù)類型

Arduino 家族中的8位開發(fā)板和32位開發(fā)板的基本數(shù)據(jù)類型是有差別。對于8位開發(fā)板來說，int 占2字節(jié)，double 和 float 占4字節(jié)。而對于32位開發(fā)板，int 占用4字節(jié)，double 占用8字節(jié)。下表提供了你將在Arduino編程期間使用的所有數(shù)據(jù)類型。

5.2 變量與常量

1、變量范圍
Arduino 使用的C語言中的變量具有名為scope（范圍）的屬性。scope是程序的一個(gè)區(qū)域，有三個(gè)地方可以聲明變量。它們是：

• 在函數(shù)或代碼塊內(nèi)部，稱為局部變量。
• 在函數(shù)參數(shù)的定義中，稱為形式參數(shù)。
• 在所有函數(shù)之外，稱為全局變量。

（1）局部變量
在函數(shù)或代碼塊中聲明的變量是局部變量。它們只能由該函數(shù)或代碼塊中的語句使用。局部變量不能在它們自己之外運(yùn)行。以下是使用局部變量的示例：

void setup() {
  }
void loop() {
  
  int i = 0;
}

（2）全局變量

全局變量在所有函數(shù)之外定義，通常位于程序的頂部。全局變量將在程序的整個(gè)生命周期中保持其真值。全局變量可以被任何函數(shù)訪問。也就是說，一個(gè)全局變量可以在整個(gè)程序中聲明后使用。

以下示例使用全局變量和局部變量：

注意：全局變量、靜態(tài)變量、常量應(yīng)使用大寫字母來命名name，防止混淆且有警示作用。

uint16_t NUMBER = 0;  
void setup() {
  }
void loop() {
  
  int i = 0;
}

5.3 運(yùn)算符

運(yùn)算符是一個(gè)符號，它告訴編譯器執(zhí)行特定的數(shù)學(xué)或邏輯函數(shù)。C語言具有豐富的內(nèi)置運(yùn)算符，并提供以下類型的運(yùn)算符:

• Arithmetic Operators 算術(shù)運(yùn)算符
• Comparison Operators 比較運(yùn)算符
• Boolean Operators 布爾運(yùn)算符
• Bitwise Operators 位運(yùn)算符
• Compound Operators 復(fù)合運(yùn)算符

5.4 選擇結(jié)構(gòu)與循環(huán)結(jié)構(gòu)

（1）選擇結(jié)構(gòu)又稱選取結(jié)構(gòu)或分支結(jié)構(gòu)。在編程中，經(jīng)常需要根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)做出判斷，以決定下一步的操作。

（2）循環(huán)結(jié)構(gòu)又稱重復(fù)結(jié)構(gòu)，即反復(fù)執(zhí)行某一部分的操作。有兩類循環(huán)結(jié)構(gòu)：“當(dāng)”( while)循環(huán)和“直到”(until)循環(huán)。

[Why]

1、什么是單片機(jī)？它與個(gè)人計(jì)算機(jī)有什么不同？

Ans：一臺能夠工作的計(jì)算機(jī)要有這樣幾個(gè)部份構(gòu)成：中央處理單元CPU（進(jìn)行運(yùn)算、控制）、隨機(jī)存儲器RAM（數(shù)據(jù)存儲）、存儲器ROM（程序存儲）、輸入/輸出設(shè)備I/O（串行口、并行輸出口等）。在個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）上這些部份被分成若干塊芯片，安裝在一個(gè)被稱之為主板的印刷線路板上。而在單片機(jī)中，這些部份全部被做到一塊集成電路芯片中了，所以就稱為單片（單芯片）機(jī)，而且有一些單片機(jī)中除了上述部份外，還集成了其它外設(shè)電路如==模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換（A/D）和數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換（D/A）==等。

2、 為什么用單片機(jī)，如Arduino、STm32，MCS-51等.

Ans：實(shí)際工作中并不是任何涉及計(jì)算和控制的場合都要求處理器或計(jì)算機(jī)有很高的性能，其應(yīng)用的關(guān)鍵在于使用性能（是否夠用）和經(jīng)濟(jì)性（是否有很好的性能價(jià)格比）。

參考

1. 初試Arduino：www.diks.com.cn/jichu/Arduino/10320.html
2. Arduino概述：https://www.w3cschool.cn/arduino/arduino_overview.html