Arduino的原理及應用

蔡睿妍

（大連大學 信息工程學院，遼寧 大連 116622）

Arduino是2005年1月由米蘭交互設計學院的兩位教師David Cuartielles和Massimo Banzi聯合創建，是一塊基于開放原始代碼的Simple I/O平臺[1-2]，該平臺由兩部分組成：硬件（包括微處理器、電路板等）和軟件（編程接口和語言）。平臺的兩部分都是開源的，如果需要，可以下載Arduino的圖表、購買需要的所有獨立部件、切割電路板并制作一個電路板。Arduino具有類似java、C語言的開發環境。可以快速使用Arduino語言與Flash或Processing等軟件完成互動作品。Arduino能夠使用開發完成的電子元件，如Switch、Sensors或其它控制器、LED、步進電機或其它輸入/輸出裝置，同時，Arduino也可以成為獨立與軟件溝通的平臺，如flash、Processing、Max/MSP或其它互動軟件。

1 功能特點

Arduino在開發之初，就明確了其應用環境，設計了開源開放的平臺，便于對其進行二次開發。Arduino的主要功能特點如下：

1）開放源代碼的電路圖設計[3]。程序開發接口免費下載，也可依需求自己修改。

2）使用低價格的微處理控制器（ATmega8或 ATmega 128）。可以采用USB接口供電，不需外接電源，也可以使用外部9VDC輸入。

3）支持ISP線上燒入器，將Bootloader固件燒入芯片。Arduino控制器內帶Bootloader程序，是系統上電后運行的第一段代碼，就好比PC機BIOS中的程序，啟動就進行自檢，配置端口等等，當然，單片機是靠燒寫熔絲位來設定上電從boot區啟動的，使用這個程序就可以直接把從串口發來的程序存放到flash區中。所以，使用Arduino編譯環境下載程序時，就先讓單片機復位，啟動Bootloader程序引導串口發過來的程序順利寫入flash區中，flash可以重復燒寫，因此想更新軟件非常方便。有了Bootloader之后，可以通過串口或者USB to RS232線更新固件。

4）可依據官方提供的PCB和SCH電路圖，簡化Arduino模組，完成獨立運作的微處理控制。

5）可簡單地與傳感器[4]，各式各樣的電子元件連接，如紅外線、超音波、熱敏電阻、光敏電阻、伺服馬達等。

6）支持多樣的互動程序，如 Flash，Max/MSP，VVVV，Pure Data，C，Processin等。使用低價格的微處理控制器。

7）應用方面，利用 Arduino，突破以往只能使用鼠標、鍵盤、CCD等輸入的裝置的互動內容，可以更簡單地達成單人或多人游戲互動。

Arduino的功能特點，使其得到了越來越廣泛的應用。

2 基本結構

Arduino系統針對不同的應用環境還開發了不同的版本，文中以“Arduino Duemilanove”版本為例介紹，該版本于2009年開發，基于ATmega328微控制器板，能自動選擇何種供電，直接將它用USB線連上計算機或者用一個電源適配器給它供電，就可以開始使用。Arduino Duemilanove的外部結構如圖1所示。

圖1 Arduino外部結構圖Fig.1 External structure of Arduino

Arduino Duemilanove的結構包括以下幾個部分：

1）1個9V DC輸入，為Arduino板提供外部電源輸出，使Arduino控制板具有能夠驅動舵機等大功率外部設備的能力；

2）1個USB口，通過該口連接到計算機，由Arduino的IDE將用戶編寫好的控制程序上傳到控制板中，同時還可以通過該口為電路板供電，驅動小功率的外部設備；

3）14 個數字輸入/輸出端，其中端口 0（RX）和 1（TX）分別連接主控芯片的串行引腳，用來接收和發送TTL串行數據。其中端口2、3可以接收外部信號，實現外部中斷功能；端口 3、5、6、9、10、11 作為 PWM 端口， 可用于電機 PWM 調速[5]或 音 樂 播 放 ； 端 口 10（SS）、11（MOSI）、12（MISO） 和 13（SCK）在SPI模塊庫的支持下，可以提供SPI通信模式；端口13內部連接了一個LED指示燈，隨著13腳上電平的高低變化，實現開啟和關閉；

4）6 個模擬輸入/輸出端[6]，其中端口 4（SDA）和端口 5（SCL）端口可以實現I2C通信；

5）1個5 V DC輸出和1個3.3 V DC輸出[7-8]，可為其它電路提高3.3 V和5 V直流電源；

6）1個復位接口。

Arduino系統是基于單片機開發的[9-10]，并且大量應用通用和標準的電子元器件，包括硬件和軟件在內的整個設計，代碼均采用開源方式發布，因此采購的成本較低，在各種電子制作競賽、電子藝術品創意設計等越來越多地使用Arduino作為開發平臺。

3 應 用

Arduino系統在電子設計等方面應用較多，本文以簡單的LEO控制為例，說明Arduino系統的使用。

LEO控制系統中，采用開關S控制LED的亮滅，設開關S閉合時，LED發光，S斷開時，LED熄滅。因此，系統設計時采用數字輸入/輸出口的兩個引腳分別進行LED和S開關的連接，電路如圖2所示。

圖2 LED控制電路原理圖Fig.2 Diagram of LED control circuit

Arduino語言是建立在C/C++基礎上的，其實也就是基礎的C語言[11]，Arduno語言將AVR單片機（微控制器）相關的一些參數設置模塊化，包括EEPROM、以太網、LED矩陣、舵機、步進和TWI/I2C控制程序庫，不需要用戶直接處理底層系統，可以提高應用程序的開發效率。流程如圖3所示。

圖3 LED控制流程圖Fig.3 Flow diagram of LED control

Arduino語言是以 setup（）開頭，loop（）作為主體的一個程序構架。setup（）用來初始化變量、管腳模式、調用庫函數等等，該函數只運行一次，功能類似C語言中的“main（）”。loop（）函數是一個循環函數，函數內的語句周而復始的循環執行。設通過D10引腳控制LED，D2引腳連接控制開關S，主要代碼如下：

void setup（）

{

pinMode（2，INPUT）：

pinMode（10，OUTPUT）：

}

void loop（）

{

val=digitalRead（2）：

if（val==HIGH）

digitalWrite（10， LOW）：

else

digitalWrite（10， HIGH）：

}

Setup函數中，pinMode函數是數字I/O口輸入輸出定義函數，可以定Arduino上0～13口的輸入輸出狀態，INPUT和OUTPUT分別表示輸出和輸出模式。loop函數中，digitalRead為數字I/O口讀取電平值函數，digitalWrite為數字I/O口輸出電平定義函數。本例中在setup函數中，將端口2定義為數字信號輸入端口，將端口10定義為數字信號輸出端口；在函數loop中，首先讀入端口2的電平信號，然后依據該端口電平值的高低，設置輸出端口10的電平值。

將編寫好的控制代碼通過Arduino的IDE上傳到控制板之后，關閉或者打開開關S，便會觀察到LED的亮滅情況。

4 結 論

Arduino系統是建立在C/C++基礎上的，也就是基礎的C語言，Arduino系統只是將AVR單片機（微控制器）相關的一些寄存器參數設置等都函數化了，即使不太了解AVR單片機的朋友也能輕松上手，設計出各種實用的電路開發系統。

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