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arduino从零开始学

第1章进入Arduino的世界

欢迎来到Arduino的世界！

Arduino是一个开源的开发平台，在全世界范围内成千上万的人正在用它开发制作一个又一个电子产品，这些电子产品包括从平时生活的小物件到时下流行的3D打印机，它降低了电子开发的门槛，即使是从零开始的入门者也能迅速上手，制作有趣的东西，这便是开源Arduino的魅力。

通过本书的介绍，读者对Arduino会有一个更全面的认识。

本章知识点：

Arduino的起源与发展

Arduino的特点

Arduino开发板简介

Arduino的未来展望

什么是Arduino

什么是Arduino？

相信很多读者会有这个疑问，也需要一个全面而准确的答案。

不仅是读者，很多使用Arduino的人也许对这个问题都难以给出一个准确的说法，甚至认为手中的开发板就是Arduino，其实这并不准确。

那么，Arduino究竟该如何理解呢？

1.1.1Arduino不只是电路板

Arduino是一种开源的电子平台，该平台最初主要基于AVR单片机的微控制器[]和相应的开发软件，目前在国内正受到电子发烧友的广泛关注。

自从2005年Arduino腾空出世以来，其硬件和开发环境一直进行着更新迭代。

现在Arduino已经有将近十年的发展历史，因此市场上称为Arduino的电路板已经有各式各样的版本了。

Arduino开发团队正式发布的是ArduinoUno和ArduinoMega2560，如图1-1和图1-2所示。

图1-1ArduinoUnoR3

图1-2ArduinoMega2560R3

图1-1和图1-2所示的开发板就是所谓的ArduinoI/O印刷电路板（PrintedCircuitBoard,PCB）。

Arduino项目起源于意大利，该名字在意大利是男性用名，音译为“阿尔杜伊诺”，意思为“强壮的朋友”，通常作为专有名词，在拼写时首字母需要大写。

其创始团队成员包括：

MassimoBanzi、DavidCuartielles、TomIgoe、GianlucaMartino、DavidMellis和NicholasZambetti6人。

Arduino的出现并不是偶然，Arduino最初是为一些非电子工程专业的学生设计的。

设计者最初为了寻求一个廉价好用的微控制器开发板从而决定自己动手制作开发板，Arduino一经推出，因其开源、廉价、简单易懂的特性迅速受到了广大电子迷的喜爱和推崇。

几乎任何人，即便不懂电脑编程，利用这个开发板也能用Arduino做出炫酷有趣的东西，比如对感测器探测做出一些回应、闪烁灯光、控制马达等。

Arduino的硬件设计电路和软件都可以在官方网站上获得，正式的制作商是意大利的SmartProjects（）,许多制造商也在生产和销售他们自己的与Arduino兼容的电路板和扩展板，但是由Arduino团队设计和支持的产品需要始终保留着Arduino的名字。

所以，Arduino更加准确的说法是一个包含硬件和软件的电子开发平台，具有互助和奉献的开源精神以及团队力量。

1.1.2Arduino程序的开发过程

由于Arduino主要是为了非电子专业和业余爱好者使用而设计的，所以Arduino被设计成一个小型控制器的形式，通过连接到计算机进行控制。

Arduino开发过程是：

（1）开发者设计并连接好电路；

（2）将电路连接到计算机上进行编程；

（3）将编译通过的程序下载到控制板中进行观测；

（4）最后不断修改代码进行调试以达到预期效果。

为什么要使用Arduino

在嵌入式开发中，根据不同的功能开发者会用到各种不同的开发平台。

而Arduino作为新兴开发平台，在短时间内受到很多人的欢迎和使用，这跟其设计的原理和思想是密切相关的。

首先，Arduino无论是硬件还是软件都是开源的，这就意味着所有人都可以查看和下载其源码、图表、设计等资源，并且用来做任何开发都可以。

用户可以购买克隆开发板和基于Arduino的开发板，甚至可以自己动手制作一个开发板。

但是自己制作的不能继续使用Arduino这个名称，可以自己命名，比如Robotduino。

其次，正如林纳斯·本纳第克特·托瓦兹的Linux操作系统一样，开源还意味着所有人可以下载使用并且参与研究和改进Arduino，这也是Arduino更新换代如此迅速的原因。

全世界各种电子爱好者用Arduino开发出各种有意思的电子互动产品。

有人用它制作了一个自动除草机，去上班的时候打开，不久花园里的杂草就被清除干净了！

有人用它制作微博机器人，配合一些传感器监测植物的状态，并及时发微博来提醒主人，植物什么时间该浇水、施肥、除草等，非常有趣。

图1-3所示为日本一开发者用Arduino和Kinect制作的可以自己接住丢掉垃圾的智能垃圾桶。

图1-3智能垃圾桶

Arduino可以和LED、点阵显示板、电机、各类传感器、按钮、以太网卡等各类可以输出输入数据或被控制的任何东西连接，在互联网上各种资源十分丰富，各种案例、资料可以帮助用户迅速制作自己想要制作的电子设备。

在应用方面，Arduino突破了传统的依靠键盘、鼠标等外界设备进行交互的局限，可以更方便地进行双人或者多人互动，还可以通过Flash、Processing等应用程序与Arduino进行交互。

Arduino与Flash、Processing的交互将在第6章介绍。

Arduino硬件的分类

在了解Arduino起源以及使用Arduino制作的各种电子产品之后，接下来对Arduino硬件和开发板，以及其他扩展硬件进行初步的了解和学习。

1.3.1Arduino开发板

Arduino开发板设计得非常简洁，一块AVR单片机、一个晶振或振荡器和一个5V的直流电源。

常见的开发板通过一条USB数据线连接计算机。

Arduino有各式各样的开发板，其中最通用的是ArduinoUNO。

另外，还有很多小型的、微型的、基于蓝牙和Wi-Fi的变种开发板。

还有一款新增的开发板叫做ArduinoMega2560，它提供了更多的I/O引脚和更大的存储空间，并且启动更加迅速。

以ArduinoUNO为例，ArduinoUNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz的晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSPheader和一个复位按钮。

因为ArduinoUNO开发板的基础构成在一个表里显示不下，所以这里特意设计了两个表来展示，如表1-1和表1-2所示。

表1-1ArduinoUNO开发板基本概要构成（ATmega328）1

ATmega328

5V

6-20V

14

6

1

表1-2ArduinoUNO开发板基本概要构成（ATmega328）2

40mA

50mA

32KB

2KB

1KB

16MHz

图1-4对一块ArduinoUNO开发板功能进行了详细标注。

图1-4ArduinoUNOR3功能标注

ArduinoUNO可以通过以下三种方式供电，能自动选择供电方式：

外部直流电源通过电源插座供电；

电池连接电源连接器的GND和VIN引脚；

USB接口直接供电，图1-4所示的稳压器可以把输入的7V~12V电压稳定到5V。

在电源接口上方，一个右侧引出3个引脚，左侧一个比较大的引脚细看会发现上面有AMST1117的字样，其实这个芯片是个三端5V稳压器，电源口的电源经过它稳压之后才给板子输入，其实电源适配器内已经有稳压器，但是电池没有。

可以理解为它是一个安检员，一切从电源口经过的电源都必须过它这一关，这个“安检员”对不同的电源会进行区别对待。

首先，AMS1117的片上微调把基准电压调整到%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。

再者根据输入电压的不同而输出不同的电压，可提供、、、、5V稳定输出，电流最大可达800mA，内部的工作原理这里不必去探究，读者只需要知道，当输入5V的时候输出为，输入9V的时候输出才为5V，所以用9V（9V~12V均可，但是过高的电源会烧坏板子）电源供电的原因就在这，如使用5V的适配器与Arduino连接，之后连接外设做实验，会发现一些传感器没有反应，这就是某些传感器需要5V的信号源，可是板子最高输出只能达到，必然有问题。

重置按钮和重置接口都用于重启单片机，就像重启电脑一样。

若利用重置接口来重启单片机，应暂时将接口设置为0V即可重启。

GND引脚为接地引脚，也就是0V。

A0~A5引脚为模拟输入的6个接口，可以用来测量连接到引脚上的电压，测量值可以通过串口显示出来。

当然也可以用作数字信号的输入输出。

Arduino同样需要串口进行通信，图1-4所示的串口指示灯在串口工作的时候会闪烁。

Arduino通信在编译程序和下载程序时进行，同时还可以与其他设备进行通信。

而与其他设备进行通信时则需要连接RX（接收）和TX（发送）引脚。

ATmega328芯片中内置的串口通信硬件是可以通过同步和异步模式工作的。

同步模式需要专用的信号来表示时钟信息，而Arduino的串口（USART外围设备，即通用同步/异步接收发送装置）工作在异步模式下，这和大多数PC的串口是一致的。

数字引脚0和1分别标注着RX和TX，表明这两个可以当做串口的引脚是异步工作的，即可以只接收、发送，或者同时接收和发送信号。

1.3.2Arduino扩展硬件

与Arduino相关的硬件除了核心开发板外，各种扩展板也是重要的组成部分。

Arduino开发板设计的可以安装扩展板，即盾板进行扩展。

它们是一些电路板，包含其他的元件，如网络模块、GPRS模块、语音模块等。

在图1-4所示的开发板两侧可以插其他引脚的地方就是可以用于安装其他扩展板的地方。

它被设计为类似积木、通过一层层的叠加而实现各种各样的扩展功能。

例如ArduinoUNO同W5100网络扩展板可以实现上网的功能，堆插传感器扩展板可以扩展Arduino连接传感器的接口。

图1-5和图1-6为Arduino同扩展板连接的例子。

图1-5ArduinoUNO与一块原型扩展板连接

图1-6ArduinoUNO与网络扩展板连接

虽然Arduino开发板支持很多扩展板来扩展功能，但其扩展插座中引脚的间距并不严格规整。

仔细观察开发板会发现上面两个最远的引脚之间距离为，这与标准的网格的面包板及其他扩展工具并不兼容，尽管要求改正的呼声很强烈，但是这个误差却很难改正，一旦改正将使得原来的大量扩展板变得不兼容，所以这个误差便没有去改动。

虽然这个误差没有改动，但是很多公司和个人在生产Arduino兼容的产品时兼顾增加了额外两行的针孔来解决这个问题，另外美国Gravitech（）公司完全舍弃了扩展板兼容来解决这个问题。

Arduino展望未来

Arduino自诞生以来，简单、廉价的特点使得Arduino如同雨后春笋般迅速风靡全球，在不断发展的同时，Arduino也在发挥着更重要的作用。

本节将对Arduino发展的特点和未来发展做一点总结和展望。

1.4.1创客文化

在介绍Arduino发展前景之前，首先需要了解逐渐兴起的“创客”文化。

什么是“创客”？

“创客”一词来源于英文单词“Maker”，指的是不以盈利为目标，努力把各种创意转变为现实的人。

其实就是热爱生活，愿意亲手创新为生活增加乐趣的一群人。

他们精力旺盛，坚信世界会因为自己的创意而改变。

创客文化兴起于国外，经过一段时间红红火火的发展，如今已经成为一种潮流。

国内也不示弱，一些硬件发烧友了解到国外的创客文化后被其深深吸引，经过圈子中的口口相传，大量的硬件、软件、创意人才聚集在了一起。

各种社区、空间、论坛的建立使得创客文化在中国真正流行起来。

北京、上海、深圳已经发展成为中国创客文化的三大中心。

那么，是什么推动创客文化如此迅猛发展呢？

众所周知，硬件的学习和开发是有一定的难度的，人人都想通过简单的方式实现自己的创意，于是开源硬件应运而生。

而开源硬件平台中知名度较高的应该就是日渐强大的Arduino了。

Arduino作为一款开源硬件平台，一开始被设计的目标人群就是非电子专业尤其是艺术家学习使用的，让他们更容易实现自己的创意。

当然，这不是说Arduino性能不强、有些业余，而是表明Arduino很简单，易上手。

Arduino内部封装了很多函数和大量的传感器函数库，即使不懂软件开发和电子设计的人也可以借助Arduino很快创作出属于自己的作品。

可以说Arduino与创客文化是相辅相成的。

一方面，Arduino简单易上手、成本低廉这两大优势让更多的人都能有条件和能力加入创客大军；另一方面，创客大军的日益扩大也促进了Arduino的发展。

各种各样的社区、论坛的完善，不同的人、不同的环境、不同的创意每时每刻都在对Arduino进行扩展和完善。

在2011年举行的GoogleI/O开发者大会上，Google公司发布了基于Arduino的AndroidOpenAccessory标准和ADK工具，这使得大家对Arduino的巨大的发展前景十分看好。

Arduino发展潜力巨大，既可以让创客根据创意改造成为一个小玩具，也可以大规模制作成工业产品。

国内外Arduino社区良好的运作和维护使得几乎每一个创意都能找到实现的理论和实验基础，相信随着城市的不断发展，人们对生活创新的不断追求，会有越来越多的人听说Arduino、了解Arduino、玩转Arduino。

1.4.2快速原型设计

纵观计算机语言的发展，从0和1相间的二进制语言到汇编语言，从K&R的C语言到现在各式各样的高级语言，计算机语言正在逐渐变成更自由、更易学易懂的大众化语言。

硬件的发展已经逐渐降低软件开发的复杂性，编程的门槛正在逐渐降低。

曾有人预言：

未来的时代，程序员将要消失，编程不再是局限人们思维和灵感的桎梏。

在软件行业飞速发展的现在，几乎任何具有良好逻辑思维能力的人只要对某些产品感兴趣，就可以通过互联网获得足够的资源从而成为一名软件开发人员。

而Arduino的出现，让人们看到了不仅是软件，硬件的开发也越来越简单和廉价。

不必从底层开始学习开发计算机的特性让更多的人从零上手，将自己的灵感用最快的速度转化成现实。

以Arduino为其中代表的开源硬件，降低了入行的门槛，从而设计电子产品不再是专业领域电子工程师的专利，“自学成才”的电子工程师正在逐渐成为可能。

开源硬件将会使得软件同硬件、互联网产业更好的结合到一起，在未来的一段时间里，开源硬件将会有非常好的发展，最终形成硬件产品少儿化、平民化、普及化的趋势。

同时，Arduino的简单易学也会成为一些电子爱好者进入电子行业的一块基石，随着使用Arduino制作电子产品的深入，相应的也会对硬件进行更深层次的探索。

在简单易学的前提下，比一开始就学习单片机、汇编入行要简单有趣得多。

Arduino开源和自由的设计无疑是全世界电子爱好者的福音，大量的资源和资料让很多人快速学习Arduino，开发一个电子产品开始变得简单。

互联网的飞速发展让科技的脚步加快，互联网产品正在变得更简单。

利用Arduino，电子爱好者们可以快速设计出原型，从而根据反馈改进出更加稳定可靠的版本。

本章小结

本章主要介绍了Arduino的起源和概念，分析了应用现状并对未来的发展进行展望。

Arduino是包括了开发板等硬件和开发环境等软件在内的开源电子平台。

Arduino开发板核心是Atmel公司生产的AVR单片机。

Arduino容易上手，适合快速开发，具有广阔的发展潜力。

第2章开始Arduino之旅

经过上一章的简单介绍，读者已经对Arduino有了一些了解。

本章开始进行Arduino入门级学习，从安装IDE环境开始，逐步开始第一次编写程序、下载程序。

本章还将学习Arduino语言和语法，并帮助读者熟练地使用Arduino编程完成一些小实验项目。

本章知识点：

在三种操作系统下安装ArduinoIDE

了解与Arduino相关的软件

制作第一个Arduino程序

用示例的形式学习Arduino语法

搭建开发环境

在安装IDE（IntegratedDevelopmentEnvironment），即集成开发环境之前，需要了解一些有关嵌入式软件的相关知识。

2.1.1交叉编译

Arduino做好的电子产品不能直接运行，需要利用电脑将程序烧到单片机里面。

很多嵌入式系统需要从一台计算机上编程，将写好的程序下载到开发板中进行测试和实际运行。

因此跨平台开发在嵌入式系统软件开发中很常见。

所谓交叉编译，就是在一个平台上生成另一个平台上可以执行的代码。

开发人员在电脑上将程序写好，编译生成单片机执行的程序，就是一个交叉编译的过程。

编译器最主要的一个功能就是将程序转化为执行该程序的处理器能够识别的代码，因为单片机上不具备直接编程的环境，因此利用Arduino编程需要两台计算机：

Arduino单片机和PC。

这里的Arduino单片机叫做目标计算机，而PC则被称为宿主计算机，也就是通用计算机。

Arduino用的开发环境被设计成在主流的操作系统上均能运行，包括Windows、Linux、MacOS三个主流操作系统平台。

2.1.2在Windows上安装IDE

给Arduino编程需要用到IDE（集成开发环境），这是一款免费的软件。

在这款软件上编程需要使用Arduino的语言，这是一种解释型语言，写好的程序被称为sketch，编译通过后就可以下载到开发板中。

在Arduino的官方网站上可以下载这款官方设计的软件及源码、教程和文档。

ArduinoIDE的官方下载地址为：

/en/Main/Software。

打开网页后，根据提示可以选择相应的操作系统版本。

截止到2014年3月1日，可供下载的稳定版本为Arduino1.0.5。

详细安装步骤如下所示。

（1）Windows操作系统的用户只需单击WindowsInstaller，在弹出的对话框中单击“运行”或“保存”按钮即可下载安装IDE，如图2-1所示。

图2-1下载ArduinoIDE安装包

（2）下载完成后，双击鼠标打开安装包，等待进入安装界面，如图2-2所示，此时单击IAgree按钮。

图2-2安装界面

（3）此时显示安装选项，如图2-3所示。

从上至下的选项复选框依次为：

安装Arduino软件；

安装USB驱动；

创建开始菜单快捷方式；

创建桌面快捷方式；

关联.ino文件。

Arduino通过USB串口与计算机相连接，所以安装USB驱动选项需要选择。

写好的Arduino程序保存文件类型为.ino文件，因此需要关联该类型文件。

中间两项创建快捷方式则可选可不选。

选择完成后单击Next按钮。

图2-3安装选项

（4）根据提示选择安装目录，如图2-4所示。

安装文件默认的目录为C:

\ProgramFiles（x86）\Arduino，也可以自行选择其他的安装目录，之后单击Install按钮即可进行安装，如图2-5所示。

图2-4选择安装目录图2-5安装过程中

（5）安装完成后关闭安装对话框。

双击Arduino应用程序即可进入IDE-sketch初始界面，如图2-6所示。

图2-6ArduinoIDE1.0.5界面

至此，ArduinoIDE已经成功地安装到了PC上。

在将开发板用USB连接到PC上后，Windows会自动安装Arduino的驱动，如果安装不成功则需要手动设置驱动目录，指定驱动目录位置为安装过程中所选择的Arduino安装文件夹。

驱动安装成功后，开发板绿色的电源指示灯会亮起来，此时说明开发板可用。

关于IDE的介绍会在2.1.5小节进行，小节和小节将会讲解Linux和MacOS上的IDE安装。

2.1.3在Linux上安装IDE

不少嵌入式开发者或电子爱好者喜欢使用Linux操作系统。

本小节介绍在Linux上安装ArduinoIDE的过程。

在Linux上安装ArduinoIDE可以通过两种方式：

一种是打开终端，输入命令安装Arduino开发环境；另一种则是去官网下载安装。

1．通过终端命令行安装

下面以Linux的一个发行版本Fedora为例，介绍如何安装ArduinoIDE开发环境。

（1）首先通过命令行直接安装，打开终端（一般快捷键为Alt+Ctrl+T）后输入语句：

sudoyum–yinstallarduino

不同的发行版本安装的命令不同，如Ubuntu安装的命令为sudoapt-getinstallArduino。

（2）系统提示输入密码后即可安装，安装过程如图2-7所示。

图2-7Fedora安装IDE过程

（3）安装完成后，在终端中输入arduino，即可打开安装环境，如图2-8所示。

图2-8ArduinoSketch

2．通过官网下载安装

用命令行方式安装IDE非常方便，但版本可能不是最新的，如果想安装最新版本的ArduinoIDE，可以通过火狐浏览器打开官方软件下载网站。

下载之前，需要了解使用的操作系统是32位机还是64位机，可以通过在终端中输入file/bin/ls来查看，如图2-9所示。

图2-9查看操作系统处理器位数

图2-9中所示的操作系统为32位，因此需要下载32位安装包。

安装包下载完成后，双击解压缩或者在终端中使用tar命令解压缩，进入目录，双击Arduino应用程序或在终端中输入“./arduino”命令打开即可，如图2-10所示。

图2-10运行Arduino客户端

2.1.4在MacOS上安装IDE

在苹果公司的Mac系统中安装IDE也非常简单，在官方网站下载后缀名为.zip的安装包后，解压缩到目标文件夹，如图2-11所示。

图2-11解压缩安装包

此时用鼠标将Arduino应用程序拖动到系统的应用程序菜单中，便安装成功了，如图2-12所示。

图2-12将程序添加到应用程序中

如果打开ArduinoIDE时提示要安装JavaSE6，则根据提示单击“安装”按钮进行安装，如图2-13所示。

安装完毕即可打开IDE。

图2-13提示安装JAVASE6

2.1.5ArduinoIDE介绍

在安装完ArduinoIDE后，进入Arduino安装目录，打开文件，进入初始界面。

打开软件会发现这个开发环境非常简洁（上面提到的三个操作系统IDE的界面基本一致），依次显示为菜单栏、图形化的工具条、中间的编辑区域和底部的状态区域。

ArduinoIDE用户界面的区域功能如图2-14所示。

图2-14ArduinoIDE用户界面

图2-15为ArduinoIDE界面工具栏，从左至右依次为编译、上传、新建程序（sketch）、打开程序（sketch）、保存程序（sketch）和串口监视器（SerialMonitor）。

一定要熟记这6个小按钮，后面的介绍我们不再给图示了，只说明是哪个按钮。

图2-15ArduinoIDE工具栏

编辑器窗口选用一致的选项卡结构来管理多个程序，编辑器光标所在的行号在当前屏幕的左下角。

1．文件菜单

写好的程序通过文件的形式保存在计算机时，需要使用文件（File）菜单，文件菜单常用的选项包括：

新建文件（New）；

打开文件（Open）；

保存文件（Save）；

文件另存为（Saveas）；

关闭文件（Close）；

程序示例（Examples）；

打印文件（Print）。

其他选项，如“程序库”是打开最近编辑和使用的程序，“参数