Arduino
Arduino 全面指南
1. Arduino 简介
1.1 什么是 Arduino？
Arduino 是一个开源电子原型平台，包含：
- 硬件：各种微控制器板
- 软件：基于 Processing 语言的集成开发环境（IDE）
- 社区：全球开源社区支持
1.2 核心特点
- 开源：硬件和软件完全开源
- 易用：不需要专业电子知识
- 低成本：开发板价格亲民
- 跨平台：支持 Windows、macOS、Linux
- 丰富库：大量现成的库可以使用
2. Arduino 硬件家族
2.1 主流开发板
// Arduino UNO R3（最常用）
// ATmega328P 微控制器
// 14个数字I/O引脚（6个PWM）
// 6个模拟输入引脚
// 16MHz 时钟，32KB Flash，2KB SRAM
// Arduino Mega 2560
// ATmega2560 微控制器
// 54个数字I/O引脚（15个PWM）
// 16个模拟输入引脚
// 256KB Flash，8KB SRAM
// Arduino Nano
// 小型化版本，适合嵌入式项目
// 功能与UNO相似，体积更小
// Arduino Due
// 基于ARM Cortex-M3
// 32位，84MHz，512KB Flash
// 54个数字I/O引脚（12个PWM）
// Arduino MKR系列
// 低功耗，物联网专用
// 集成WiFi、蓝牙、LoRa等模块
2.2 扩展板（Shields）
// 以太网扩展板：网络连接
// WiFi扩展板：无线连接
// 电机驱动扩展板：控制电机
// LCD扩展板：显示屏
// GPS扩展板：定位功能
// SD卡扩展板：数据存储
3. Arduino 编程基础
3.1 程序结构
// Arduino程序基本结构
void setup() {
// 初始化代码，只运行一次
Serial.begin(9600); // 初始化串口通信
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); // 设置引脚模式
}
void loop() {
// 主循环代码，重复执行
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // 打开LED
delay(1000); // 等待1秒
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); // 关闭LED
delay(1000); // 等待1秒
}
3.2 常用函数
// 引脚控制
pinMode(pin, mode); // 设置引脚模式
digitalWrite(pin, value); // 数字输出
digitalRead(pin); // 数字输入
analogRead(pin); // 模拟输入（0-1023）
analogWrite(pin, value); // PWM输出（0-255）
// 时间控制
delay(ms); // 毫秒延迟
delayMicroseconds(us); // 微秒延迟
millis(); // 获取运行时间（毫秒）
micros(); // 获取运行时间（微秒）
// 串口通信
Serial.begin(speed); // 初始化串口
Serial.print(data); // 发送数据
Serial.println(data); // 发送数据并换行
Serial.read(); // 读取数据
Serial.available(); // 检查可用数据
3.3 变量与数据类型
// 基本数据类型
boolean flag = true; // 布尔值
byte b = 255; // 0-255
char c = 'A'; // 字符
int num = 1234; // 整数（-32,768 to 32,767）
unsigned int ui = 65535; // 无符号整数
long l = 123456L; // 长整数
float f = 3.14; // 浮点数
double d = 3.141592; // 双精度浮点
// 数组
int numbers[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
String text = "Hello Arduino"; // 字符串对象
// 常量
const float PI = 3.14159;
#define LED_PIN 13 // 宏定义
4. 传感器与控制实例
4.1 LED 控制
// PWM控制LED亮度
const int LED_PIN = 9;
void setup() {
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
// 呼吸灯效果
for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness++) {
analogWrite(LED_PIN, brightness);
delay(10);
}
for (int brightness = 255; brightness >= 0; brightness--) {
analogWrite(LED_PIN, brightness);
delay(10);
}
}
4.2 按钮控制
// 按钮控制LED
const int BUTTON_PIN = 2;
const int LED_PIN = 13;
int buttonState = 0;
void setup() {
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP); // 使用内部上拉电阻
}
void loop() {
buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);
if (buttonState == LOW) { // 按钮按下（使用上拉电阻时低电平有效）
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
} else {
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
}
}
4.3 温度传感器（DS18B20）
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#define ONE_WIRE_BUS 2
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);
void setup() {
Serial.begin(9600);
sensors.begin();
}
void loop() {
sensors.requestTemperatures();
float tempC = sensors.getTempCByIndex(0);
Serial.print("Temperature: ");
Serial.print(tempC);
Serial.println(" °C");
delay(1000);
}
4.4 超声波测距
// HC-SR04超声波传感器
const int TRIG_PIN = 9;
const int ECHO_PIN = 10;
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
}
void loop() {
// 发送10微秒的高电平触发信号
digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
// 读取回波时间
long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);
// 计算距离（声速340m/s）
float distance = duration * 0.034 / 2;
Serial.print("Distance: ");
Serial.print(distance);
Serial.println(" cm");
delay(100);
}
4.5 舵机控制
#include <Servo.h>
Servo myServo;
int pos = 0;
void setup() {
myServo.attach(9); // 舵机信号线接引脚9
}
void loop() {
// 0到180度往复运动
for (pos = 0; pos <= 180; pos += 1) {
myServo.write(pos);
delay(15);
}
for (pos = 180; pos >= 0; pos -= 1) {
myServo.write(pos);
delay(15);
}
}
5. 通信协议
5.1 I2C通信
// I2C LCD1602显示屏
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
// 设置LCD地址（通常是0x27或0x3F）
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);
void setup() {
lcd.init(); // 初始化LCD
lcd.backlight(); // 打开背光
lcd.setCursor(0, 0); // 设置光标位置
lcd.print("Hello World!");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("Arduino I2C LCD");
}
void loop() {
// 可以显示动态内容
}
5.2 SPI通信
// SPI OLED显示屏
#include <SPI.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#define OLED_MOSI 11
#define OLED_CLK 13
#define OLED_DC 9
#define OLED_CS 10
#define OLED_RESET 8
Adafruit_SSD1306 display(OLED_MOSI, OLED_CLK, OLED_DC, OLED_RESET, OLED_CS);
void setup() {
display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC);
display.clearDisplay();
display.setTextSize(1);
display.setTextColor(WHITE);
display.setCursor(0,0);
display.println("Hello SPI!");
display.display();
}
void loop() {
// 显示内容
}
5.3 串口通信
// 与电脑通信
void setup() {
Serial.begin(115200);
Serial.println("Arduino Ready!");
}
void loop() {
// 接收电脑发送的数据
if (Serial.available() > 0) {
String command = Serial.readStringUntil('\n');
Serial.print("Received: ");
Serial.println(command);
// 处理命令
if (command == "LED_ON") {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
Serial.println("LED turned ON");
} else if (command == "LED_OFF") {
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
Serial.println("LED turned OFF");
}
}
// 发送传感器数据
int sensorValue = analogRead(A0);
Serial.print("Sensor Value: ");
Serial.println(sensorValue);
delay(1000);
}
6. 物联网项目示例
6.1 WiFi连接（ESP8266/ESP32）
// 使用ESP8266连接WiFi
#include <ESP8266WiFi.h>
const char* ssid = "YourWiFiSSID";
const char* password = "YourWiFiPassword";
void setup() {
Serial.begin(115200);
delay(10);
// 连接WiFi
Serial.println();
Serial.print("Connecting to ");
Serial.println(ssid);
WiFi.begin(ssid, password);
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
delay(500);
Serial.print(".");
}
Serial.println("");
Serial.println("WiFi connected");
Serial.println("IP address: ");
Serial.println(WiFi.localIP());
}
void loop() {
// 发送HTTP请求
if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
WiFiClient client;
const int httpPort = 80;
const char* host = "api.thingspeak.com";
if (client.connect(host, httpPort)) {
// 发送GET请求
String url = "/update?api_key=YOUR_API_KEY&field1=" + String(analogRead(A0));
client.print(String("GET ") + url + " HTTP/1.1\r\n" +
"Host: " + host + "\r\n" +
"Connection: close\r\n\r\n");
}
client.stop();
}
delay(15000); // 每15秒发送一次
}
6.2 MQTT协议
// 使用PubSubClient进行MQTT通信
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);
void setup_wifi() {
delay(10);
WiFi.begin(ssid, password);
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
delay(500);
}
}
void reconnect() {
while (!client.connected()) {
if (client.connect("arduinoClient")) {
client.publish("arduino/status", "online");
client.subscribe("arduino/led");
} else {
delay(5000);
}
}
}
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
// 处理接收到的消息
String message;
for (int i = 0; i < length; i++) {
message += (char)payload[i];
}
if (String(topic) == "arduino/led") {
if (message == "ON") {
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
} else {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
}
}
}
void setup() {
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
setup_wifi();
client.setServer(mqtt_server, 1883);
client.setCallback(callback);
}
void loop() {
if (!client.connected()) {
reconnect();
}
client.loop();
// 发布传感器数据
int sensorValue = analogRead(A0);
String payload = String(sensorValue);
client.publish("arduino/sensor", payload.c_str());
delay(2000);
}
7. 高级应用
7.1 中断处理
// 外部中断
const int INTERRUPT_PIN = 2;
volatile int interruptCounter = 0;
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(INTERRUPT_PIN, INPUT_PULLUP);
// 设置中断：引脚2，下降沿触发，中断处理函数handleInterrupt
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(INTERRUPT_PIN), handleInterrupt, FALLING);
}
void loop() {
if (interruptCounter > 0) {
// 关闭中断保护
noInterrupts();
int counter = interruptCounter;
interruptCounter = 0;
interrupts(); // 重新开启中断
Serial.print("Interrupts: ");
Serial.println(counter);
}
}
// 中断处理函数（必须简短）
void handleInterrupt() {
interruptCounter++;
}
7.2 低功耗模式
// 睡眠模式
#include <avr/sleep.h>
#include <avr/power.h>
void setup() {
Serial.begin(9600);
// 设置睡眠模式
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
// 启用睡眠
sleep_enable();
Serial.println("Going to sleep...");
delay(100);
// 进入睡眠
sleep_cpu();
// 唤醒后继续执行
Serial.println("Awake!");
}
void loop() {
// 主循环
delay(1000);
Serial.println("Running...");
if (Serial.available()) {
// 收到串口数据时进入睡眠
Serial.read();
sleep_enable();
sleep_cpu();
}
}
7.3 多任务处理
// 使用millis()实现多任务
unsigned long previousMillisLED = 0;
unsigned long previousMillisSensor = 0;
const long intervalLED = 500; // LED闪烁间隔
const long intervalSensor = 2000; // 传感器读取间隔
void setup() {
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
unsigned long currentMillis = millis();
// 任务1: LED闪烁
if (currentMillis - previousMillisLED >= intervalLED) {
previousMillisLED = currentMillis;
static bool ledState = false;
digitalWrite(LED_BUILTIN, ledState);
ledState = !ledState;
}
// 任务2: 读取传感器
if (currentMillis - previousMillisSensor >= intervalSensor) {
previousMillisSensor = currentMillis;
int sensorValue = analogRead(A0);
Serial.print("Sensor: ");
Serial.println(sensorValue);
}
// 任务3: 检查按钮
// 可以继续添加更多非阻塞任务
}
8. 项目案例
8.1 智能家居控制系统
#include <DHT.h>
#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#define DHTPIN 4
#define DHTTYPE DHT11
#define LIGHT_PIN 5
#define FAN_PIN 6
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);
void setup() {
Serial.begin(115200);
dht.begin();
pinMode(LIGHT_PIN, OUTPUT);
pinMode(FAN_PIN, OUTPUT);
setupWiFi();
setupMQTT();
}
void loop() {
if (!client.connected()) {
reconnectMQTT();
}
client.loop();
// 读取温湿度
float temperature = dht.readTemperature();
float humidity = dht.readHumidity();
// 发布到MQTT
if (!isnan(temperature) && !isnan(humidity)) {
String payload = "{\"temp\":" + String(temperature) +
",\"hum\":" + String(humidity) + "}";
client.publish("home/sensor", payload.c_str());
}
delay(5000);
}
// 自动控制逻辑
void autoControl(float temp) {
if (temp > 28) {
digitalWrite(FAN_PIN, HIGH);
} else {
digitalWrite(FAN_PIN, LOW);
}
}
8.2 机器人小车
// 电机驱动控制
#define ENA 5
#define IN1 6
#define IN2 7
#define IN3 8
#define IN4 9
#define ENB 10
void setup() {
pinMode(ENA, OUTPUT);
pinMode(IN1, OUTPUT);
pinMode(IN2, OUTPUT);
pinMode(IN3, OUTPUT);
pinMode(IN4, OUTPUT);
pinMode(ENB, OUTPUT);
// 初始化停止状态
stop();
}
void loop() {
// 超声波避障
long distance = measureDistance();
if (distance > 30) {
forward();
} else {
stop();
delay(500);
turnRight();
delay(300);
}
delay(100);
}
void forward() {
digitalWrite(IN1, HIGH);
digitalWrite(IN2, LOW);
digitalWrite(IN3, HIGH);
digitalWrite(IN4, LOW);
analogWrite(ENA, 150);
analogWrite(ENB, 150);
}
void backward() {
digitalWrite(IN1, LOW);
digitalWrite(IN2, HIGH);
digitalWrite(IN3, LOW);
digitalWrite(IN4, HIGH);
analogWrite(ENA, 150);
analogWrite(ENB, 150);
}
void turnLeft() {
digitalWrite(IN1, LOW);
digitalWrite(IN2, HIGH);
digitalWrite(IN3, HIGH);
digitalWrite(IN4, LOW);
analogWrite(ENA, 150);
analogWrite(ENB, 150);
}
void turnRight() {
digitalWrite(IN1, HIGH);
digitalWrite(IN2, LOW);
digitalWrite(IN3, LOW);
digitalWrite(IN4, HIGH);
analogWrite(ENA, 150);
analogWrite(ENB, 150);
}
void stop() {
digitalWrite(IN1, LOW);
digitalWrite(IN2, LOW);
digitalWrite(IN3, LOW);
digitalWrite(IN4, LOW);
}
9. 开发工具与技巧
9.1 调试技巧
// 串口调试技巧
void debugPrint(String label, int value) {
Serial.print(label);
Serial.print(": ");
Serial.println(value);
}
// 内存使用检查
extern int __heap_start, *__brkval;
int freeMemory() {
int v;
return (int) &v - (__brkval == 0 ? (int) &__heap_start : (int) __brkval);
}
// 性能测试
void benchmark() {
unsigned long start = micros();
// 测试代码
for(int i = 0; i < 1000; i++) {
digitalRead(A0);
}
unsigned long end = micros();
Serial.print("Time: ");
Serial.print(end - start);
Serial.println(" us");
}
9.2 常用库推荐
1. 传感器库：
- DHT sensor library（温湿度）
- Adafruit_Sensor（通用传感器）
- Adafruit_BME280（温湿度气压）
2. 显示库：
- LiquidCrystal（LCD1602）
- Adafruit_GFX（图形库）
- U8g2（OLED显示屏）
3. 通信库：
- PubSubClient（MQTT）
- WiFiManager（WiFi配置）
- WebSockets（WebSocket）
4. 电机控制：
- Servo（舵机）
- AccelStepper（步进电机）
- AFMotor（电机驱动）
5. 工具库：
- ArduinoJson（JSON处理）
- TaskScheduler（任务调度）
- TimerOne（定时器）
10. 学习资源
10.1 官方资源
10.2 学习路径建议
- 入门阶段：LED控制、按钮、蜂鸣器
- 传感器阶段：温湿度、光敏、超声波
- 输出设备：LCD、OLED、舵机、电机
- 通信协议：串口、I2C、SPI
- 物联网：WiFi、蓝牙、MQTT
- 高级应用：中断、低功耗、多任务
10.3 项目实践建议
// 项目开发步骤
1. 明确项目需求
2. 绘制电路图（推荐使用Fritzing）
3. 准备元器件清单
4. 分模块编写和测试代码
5. 集成测试
6. 优化和调试
7. 制作外壳（3D打印或激光切割）
8. 编写文档
总结
Arduino是电子爱好者和创客的绝佳平台，它的优势在于：
- 快速原型：几分钟就能搭建一个功能原型
- 丰富生态：海量的传感器和扩展模块
- 社区支持：全球开发者分享的代码和教程
- 教育价值：非常适合STEM教育
无论你是初学者还是专业开发者，Arduino都能为你打开物联网和嵌入式开发的大门。从简单的LED闪烁开始，逐步挑战更复杂的项目，你会发现硬件编程的无限乐趣！
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