5Arduino编程语言基础.docx
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5Arduino编程语言基础.docx
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5Arduino编程语言基础
Arduino程序的总体结构
Arduino程序基本结构由setup()和loop()两个函数组成:
Arduino控制器通电或复位后,即会开始执行setup()函数中的程序,该部分只会执行一次。
通常我们会在setup()函数中完成Arduino的初始化设置,如配置I/O口状态,初始化串口等操作。
在setup()函数中的程序执行完后,Arduino会接着执行loop()函数中的程序。
而loop()函数是一个死循环,其中的程序会不断的重复运行。
通常我们会在loop()函数中完成程序的主要功能。
voidsetup()
{
//在这里加入你的setup代码,它只会运行一次:
}
voidloop()
{
//在这里加入你的loop代码,它会不断重复运行:
}
loop()函数的功能相当于MSC-51语言里main()函数中的while
(1){}死循环。
Arduino语言中不需要编写main()函数,它已经通过上述两个函数封装了,对程序员是不可见的。
数据类型
整数与字符类型
int类型
整数是数值存储的主要类型。
int类型的长度在8位Arduino板中为16位(2字节),表示范围为-32,768至32,767(-215到215-1)。
在16位Arduino板(如Due)中,int类型的长度为32位(4字节)。
intcounter=32;
short类型
short类型同int类型一样,长度为16位(2字节)。
short类型在所有Arduino板(8位及16位)中的长度都是16位(2字节)。
shortcounter=32;
unsignedint类型
无符号整数,长度与int相同,在8位Arduino板中为16位(2字节),在16位Arduino板(如Due、Zero)中,int类型的长度为32位(4字节)。
由于为无符号数,故16位的unsignedint类型表示范围为0到65,535(216-1)。
unsignedintcounter=60;
long类型
长整型,长度为32位(4字节),从-2,147,483,648到2,147,483,647,约±20亿的范围。
longvelocity=102346;
unsignedlong类型
无符号长整型,长度与long类型相同,32位(4字节),由于是无符号数,表示范围为0到4,294,967,295(232–1),约42亿。
unsignedLongvelocity=101006;
这产生-32,768至32,767的范围(最小值为-2^15,最大值为(2^15)-1)。
char类型
字符类型,长度为1个字节,本质为8位整型,表示范围为-128到127,可被赋值为字符或上述范围内的整数。
Charchr_a=‘a’;
Charchr_c=97;
unsignedchar类型
无符号字符类型,长度为1个字节,相当于8位无符号数,表示范围为0到255,可被赋值为字符或上述范围内的整数。
虽然Arduino所采用的单片机芯片RAM容量高于MCS-51单片机,但相比PC仍然是非常有限的,因此,依然要遵照单片机程序设计中对变量的使用“能省则省”的原则,根据变量可能的取值范围合理选择变量类型。
浮点类型
float类型
浮点数是指具有小数点的数字,浮点数通常用于近似模拟值和连续值,因为它们的分辨率高于整数。
Arduino中的浮点数长度为32位(4字节),表示范围为3.4028235E+38到3.4028235E-38。
floatnum=1.352;
double类型
在16位Arduino板上,double与float类型的长度相同,因此表示范围和精度也完全相同。
在32位Arduino板(如Due)上,双精度长度为64位(8字节),精度更高。
doublenum=45.352;
布尔类型
Boolean类型
C语言中是没有布尔类型的,C语言使用0或NULL代表“逻辑假”(false),使用非零值代表“逻辑真”(true)。
Arduino里设置了布尔类型,每个布尔变量占用1字节的内存,取值为true或false。
布尔类型使得逻辑表达式或代码更易读。
booleanval=false;
booleanstate=true;
字节与字类型
byte类型
byte类型等同于unsignedchar类型,长度为1字节,存储一个8位无符号数,表示范围从0到255。
bytem=25;
word类型
与unsignedint类型相同。
在8位Arduino板中为16位(2字节),在16位Arduino板(如Due、Zero)中,长度为32位(4字节)。
wordw=10000;
空类型
void
void关键字仅用于函数声明。
它表示该函数不会向调用它的函数返回任何信息。
数组类型
array
Arduino中数组的定义与使用与C语言完全相同。
intmyInts[6];
intmyPins[]={2,4,8,3,6};
intmySensVals[6]={2,4,-8,3,2};
charmessage[6]="hello";
字符串(字符数组)
string
Arduino对字符串的处理有两种方式:
一是与传统C语言完全相同的字符数组方式,二是String对象方式。
charStr1[15];
charStr2[8]={'a','r','d','u','i','n','o'};
charStr3[8]={'a','r','d','u','i','n','o','\0'};
charStr4[]="arduino";
charStr5[8]="arduino";
charStr6[15]="arduino";
也可以使用二维数组的形式来实现多行字符串的存储:
char*myStrings[]={"Thisisstring1","Thisisstring2","Thisisstring3",
"Thisisstring4","Thisisstring5","Thisisstring6"};
voidsetup(){
Serial.begin(9600);
}
voidloop(){
for(inti=0;i<6;i++){
Serial.println(myStrings[i]);
delay(500);
}
}
常量和变量
变量
Arduino的变量命名规则与C语言完全相同,变量名只能由字母、数字和下划线组成,且只能由字母和下划线开头。
与C语言一样,变量名是大小写敏感的。
与C语言相同,Arduino的变量按照作用范围分为全局变量和局部变量,全局变量在所有函数的外部声明,所有函数都可以访问全局变量的值,局部变量在函数形参及函数体内部声明,仅在声明的函数体内部可以访问。
全局变量在整个程序运行过程中始终存在,而局部变量在函数调用结束后其所占用的空间就会被释放,其值将随之消失。
常量
常量的命名规则同变量。
按照C语言的编程规约,一般常量名用全大写字母,以便于与变量名区分。
Arduino有一些内置的常量定义:
1.HIGH|LOW
通常用于表示某个引脚的高低电平,HIGH表示高电平,LOW表示低电平。
这对常量经常配合数字引脚输入输出函数(digitalWrite()、digitalRead())使用。
2.INPUT|OUTPUT|INPUT_PULLUP
用于表示某个引脚工作在输入或输出模式,INPUT表示输入,OUTPUT表示输出,INPUT_PULLUP表示启用内部上拉电阻的输入。
当某引脚被设定为INPUT后,如果外接到电源的上拉电阻(一般阻值为10K),则按键按下后该引脚的输入值为LOW,按键断开时该引脚的输入值为HIGH,如果接到地的下拉电阻,则相反。
如果没有外接的上拉或下拉电阻,当按键断开时,引脚将处于“浮空”状态,输入究竟是高电平还是低电平是不确定的。
为了避免这种不确定性,可以将该引脚输入模式设定为INPUT_PULLUP,这时将会启用单片机内部的上拉电阻,起到与外接上拉电阻同样的作用。
上述三个常量与pinMode()函数配合使用,综合举例如下:
intledPin=13;//将LED连接到13号引脚
voidsetup()
{
pinMode(ledPin,OUTPUT);//将ledPin引脚设置为输出状态
}
voidloop()
{
digitalWrite(ledPin,HIGH);//向ledPin引脚输出高电平
delay(1000);//延时1000毫秒
digitalWrite(ledPin,LOW);//向ledPin引脚输出低电平
delay(1000);//延时1000毫秒
}
intledPin=13;//将LED连接到13号引脚
intinPin=7;//将一个按键连接到7号引脚
intval=0;//用于保存按键输入状态的变量
voidsetup()
{
pinMode(ledPin,OUTPUT);//将ledPin设置为输出状态
pinMode(inPin,INPUT);//将inPin设置为输入状态
}
voidloop()
{
val=digitalRead(inPin);//将按键的状态读取到val变量
digitalWrite(ledPin,val);//将val变量的值输出到LED
}
整型常量
数制
举例
格式
十进制
123
二进制
B11010011
以“B”开头,八个0、1组成
八进制
0123
以“0”开头,数字范围为0-7
十六进制
0x123
以“0x”开头,数字范围为0-9,A-F或a-f
浮点常量
类型
举例
格式
纯小数
.123
纯小数可以省略小数点前的0
普通浮点数
1.234
科学计数法
1.23e4、1.23E-4
E或e均可
运算符
Arduino的运算符类型与用法与C语言完全相同。
类型
运算符
算术运算符
=、+、-、*、/、%
比较运算符
==、<、>、<=、>=、!
=
逻辑运算符
&&、||、!
位运算符
&、|、~、^、>>、<<
复合运算符
++、--、+=、-=、*=、/=、%=、&=、|=
指针运算符
*、&
分支结构
Arduino的分支结构语法与C语言完全相同,包括if、if…else、switchcase三种结构。
单分支if结构:
if(表达式)
{
//若表达式为真,则执行{}内语句
}
双分支if…else结构:
if(表达式)
{
//若表达式为真,则执行{}内语句
}
else
{
//若表达式为假,则执行else后面{}内语句
}
多分支switchcase结构:
switch(变量){
case常量1:
//若变量的值等于常量,则执行
break;//跳出switch结构,应确保每个case分支最后有break
case常量2:
//语句
break;
default:
//若前面所有常量值均不匹配,则执行default后面语句
//语句
break;
}
循环结构
Arduino的循环结构与C语言完全相同,包括for、while、do…while三种结构。
也允许在循环体中使用break、continue,但为了保持结构化程序设计规则,一般不推荐使用这两条语句。
for循环:
for(初始化部分;进入循环的条件;循环变量值的修改){
//一条或多条语句;
}
while循环:
while(表达式){
//循环体,若表达式值为真,则执行
}
do…while循环:
do
{
//循环体
}while(表达式);
while循环的循环体有可能没有被执行的机会(当括号中的表达式为假时),do…while循环的循环体则至少被执行一次。
Arduino编程语言本质上是一种面向过程的语言,与传统C语言类似,函数是构成Arduino程序的基本结构单位,Arduino内置函数涵盖了常用的输入输出、中断处理、数值计算、类型转换、字符处理、延时与定时等功能。
对各种外部传感器及扩展接口的支持,主要通过类库来实现,这使得Arduino语言具备了“基于对象”的特性——仅引入了类、对象、方法(函数)等面向对象的基本特性,因而并非真正“面向对象”的语言。
正是由于丰富的函数和类库的存在,极大地降低了Arduino应用系统的编程难度,诸如串行通信、I2C接口、中断处理、各种外接传感器模块的使用等都可以找到相应的函数或类库,编程者无需了解低层操作细节,只需要调用相应函数或对象的方法即可。
Arduino允许用户开发类库,Arduino社区有大量用户贡献和维护的类库。
函数
基本输入输出函数
Arduino的基本输入输出函数主要用于实现对通用I/O接口的读写操作,可以分为数字输入输出和模拟输入输出两类。
数字输入输出即向引脚读写高低电平。
模拟输入输出的含义是:
模拟输入仅适用于具有模数转换功能的引脚,即Arduino控制板上通常标注的A0、A1等引脚,其本质是模数转换,即将外加在该引脚上的电压值转换为数值存储到相应变量中;所谓模拟输出,并非真正输出连续变化的电压或电流,而是输出一定频率的PWM信号,主要用于电机调速、舵机转向、LED调光等场景。
数字输入输出函数
与数字信号输入输出相关的函数主要有pinMode()、digitalWrite()与digitalRead()三个,其中pinMode用来设定某个引脚为输入还是输出状态,也可以用来切换某个引脚的输入或输出状态,digitalWrite()与digitalRead()则用来实现输出与输入操作。
intledPin=13;//将LED连接到13号引脚
voidsetup()
{
pinMode(ledPin,OUTPUT);//将ledPin引脚设置为输出状态
}
voidloop()
{
digitalWrite(ledPin,HIGH);//向ledPin引脚输出高电平
delay(1000);//延时1000毫秒
digitalWrite(ledPin,LOW);//向ledPin引脚输出低电平
delay(1000);//延时1000毫秒
}
intledPin=13;//将LED连接到13号引脚
intinPin=7;//将一个按键连接到7号引脚
intval=0;//用于保存按键输入状态的变量
voidsetup()
{
pinMode(ledPin,OUTPUT);//将ledPin设置为输出状态
pinMode(inPin,INPUT);//将inPin设置为输入状态
}
voidloop()
{
val=digitalRead(inPin);//将按键的状态读取到val变量
digitalWrite(ledPin,val);//将val变量的值输出到LED
}
模拟输入函数
如前所述,模拟输入的本质是模数转换,8位Arduino控制板(如Uno、NANO等)具有6-8个模数转换引脚(编号为A0、A1等),也叫6-8个模数转换通道,每通道包含一个10位模数转换器,默认参考电压为5V的情况下,可以将加到引脚上的0-5V范围的电压对应转换为0-1023(210-1)范围的整数。
模数转换示例:
运行以下程序,调节可变电阻器,即可在串口监视器看到0-1023范围内变化的数值。
intanalogPin=3;//可变电阻器中间引脚接Arduino控制板A3引脚
//可变电阻器另外两端分别接+5V和GND
intval=0;//用于存储转换结果的变量
voidsetup()
{
Serial.begin(9600);//初始化串口,以便输出转换结果
}
voidloop()
{
val=analogRead(analogPin);//实现模数转换
Serial.println(val);//从串口输出转换值
}
模拟输出函数
如前所述,模拟输出的本质是输出PWM信号。
并非所有的数字引脚内部都有能够支持PWM输出的硬件结构,基于ATMega328单片机的Arduino控制板(如Uno、Nano),A3、A5、A6、A9、A10及A11引脚可用于analogWrite函数的输出。
analogWrite函数有两个参数:
第一个参数指定输出的引脚,第二个参数指定PWM信号占空比,取值范围为0-255。
运行下列程序,将会看到LED的亮度随可变电阻的改变而改变。
intledPin=9;//LED连接到数字引脚D9
intanalogPin=3;//可变电阻器中间引脚连接到模拟引脚A3
//可变电阻器其余两脚分别接+5V和GND
intval=0;//用于存储模数转换值的变量
voidsetup()
{
pinMode(ledPin,OUTPUT);//ledPin(D9)设置为输出
}
voidloop()
{
val=analogRead(analogPin);//模数转换
analogWrite(ledPin,val/4);//用模数转换值控制PWM占空比
//由于模数转换结果在0-1023之间,而PWM占空比的取值范围为0-255,因此要val/4
}
ATmega328
引脚名称
用作数字输入输出时Arduino编程语言中使用的编号
用作模拟输入时Arduino编程语言中使用的编号
Arduino板上标注的名称
PD0
0
不可用
0
PD1
1
不可用
1
PD2
2
不可用
2
PD3
3
不可用
3~
PD4
4
不可用
4
PD5
5
不可用
5~
PD6
6
不可用
6~
PD7
7
不可用
7
PB0
8
不可用
8
PB1
9
不可用
9~
PB2
10
不可用
10~
PB3
11
不可用
11~
PB4
12
不可用
12
PB5
13
不可用
13
PC0
14或A0
0
A0
PC1
15或A1
1
A1
PC2
16或A2
2
A2
PC3
17或A3
3
A3
PC4
18或A4
4
A4
PC5
19或A5
5
A5
高级输入输出函数
tone()与noTone()
用于输出一定频率的方波(占空比50%)信号,对Uno及近似型号,其频率范围为31-65535Hz。
语法:
tone(pin,frequency,duration)
pin:
输出引脚号,frequency:
频率,duration:
输出持续时间,单位为毫秒,数据类型为unsignedlong。
其中第三个参数为可选项,如省略,则直到调用noTone(pin)函数,相应的引脚上才停止输出。
注意,由于这两个函数均是利用了ATmega单片机中的一个定时器来实现的,所以同时只能在一个引脚上使用,如果要在多个引脚上输出,只能先停止正在输出的引脚。
例程如下:
voidsetup(){
}
voidloop(){
//将引脚8上的输出关闭
noTone(8);
//在引脚6上输出频率为440Hz,持续时间200ms的方波
tone(6,440,200);
delay(200);
//将引脚6上的输出关闭
noTone(6);
//在引脚7上输出频率为494Hz,持续时间500ms的方波
tone(7,494,500);
delay(500);
//将引脚7上的输出关闭
noTone(7);
//在引脚8上输出频率为523Hz,持续时间300ms的方波
tone(8,523,300);
delay(300);
}
shiftOut()与shiftIn()
这两个函数可以实现将一个或多个字节的数据诸位串行输出或输入,通常配合74HC595这类“串入并出”或“并入串出”芯片使用,达到节约单片机IO口线的目的。
语法:
shiftOut(dataPin,clockPin,bitOrder,value)
dataPin:
数据引脚,clockPin:
时钟引脚,提供驱动74HC595芯片进行移位动作的时钟脉冲,bitOrder:
移位的顺序,若从最高位开始移位,则可用系统常量MSBFIRST(MostSignificantBitFirst)表示,若从最低位开始移位,则用LSBFIRST(LeastSignificantBitFirst),value待移位输出或输入的数据,长度为1字节。
intdata=500;
//若输出的数据长度为2字节,则先通过移位运算取得其高字节(高8位)
shiftOut(dataPin,clock,MSBFIRST,(data>>8));
//然后再输出其低8位。
注意,不管data是几个字节,shiftOut()仅能输出其低8位
shiftOut(dataPin,clock,MSBFIRST,data);
下面是一个完整的示例,依次在74HC595的Q0-Q7引脚上输出0-255:
//*******************************************************//
//Name:
shiftOutCode//
//Author:
CarlynMaw,TomIgoe//
//Date:
25Oct,2006//
//Version:
1.0//
//Notes:
Codeforusinga74HC595ShiftRegister//
//:
tocountfrom0to255//
//*******************************************************//
//PinconnectedtoST_CPof74HC595
intlatchPin=8;
//PinconnectedtoSH_CPof74HC595
intclockPin=12;
////PinconnectedtoDSof74HC595
intdataPin=11;
voidsetup(){
//setpinstoout
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- Arduino 编程 语言 基础