智能小车(零):Arduino编程

星期五, 10月 11, 2024 | 8分钟阅读 | 更新于 星期日, 12月 8, 2024

YuanFeng Xie

概要

Arduino是一种开源电子平台，硬件和软件简单易学，非常适合入门嵌入式系统开发的初学者。Arduino平台通过代码控制硬件设备，如LED灯、按钮、马达等，帮助用户轻松实现自己的创意。本文将带你了解Arduino的基本编程框架及常用代码语句，帮助新手快速入门Arduino开发。

安全须知

Arduino编程框架

Arduino编程使用的是简化的C++语言，代码文件被称为“草图（Sketch）”。每个Arduino程序都包含两个核心函数：setup()和loop()。这两个函数是Arduino编程的基本框架，负责程序的初始化和循环执行。

void setup() {
  // 在这里初始化代码
}

void loop() {
  // 在这里编写主循环代码
}

• setup()函数：setup()是Arduino程序启动时首先运行的代码块，里面的代码仅执行一次。这个函数通常用于配置引脚模式（输入或输出），初始化串口通讯等。例如，指定某个引脚为输出模式，用于点亮LED灯。
• loop()函数：loop()是Arduino程序的主循环。Arduino会不断重复执行这个函数中的代码，直到断电或重启设备。通常将需要连续执行的代码放在这里，比如反复检测按钮状态、控制电机转速等。

Arduino常用代码语句

1. 全局变量

在Arduino中，全局变量是声明在任意函数外部的变量，通常放在程序的最上方。全局变量可以在setup()、loop()及其它自定义函数中被访问和修改，适合用于在程序各处共享数据。

int ledPin = 10; // LED引脚定义为10
int ledState = LOW; // LED初始状态

2. 变量类型

Arduino支持多种变量类型，不同的类型适用于不同的数据范围和用途。常见的变量类型包括：

• int：整数，适合存储小范围的整数，范围为 -32768 到 32767。
• unsigned int：无符号整数，范围为 0 到 65535。
• long：较大的整数类型，范围为 -2,147,483,648 到 2,147,483,647。
• float：浮点数类型，用于表示带小数的数值。
• char：字符类型，用于存储单个字符。
• const：常量类型，用于定义一个不可更改的固定值。常量在Arduino中经常用于定义引脚号或固定值，确保程序运行中该值不被修改。

示例

const int ledPin = 10; // 定义一个常量引脚编号为10
const float pi = 3.14; // 定义一个常量浮点数π的值

3. pinMode() 函数

pinMode()用于设置指定引脚的工作模式：输出（OUTPUT）或输入（INPUT）。在使用引脚前需要设置其模式，确定其作为数据输出或数据输入。

语法

pinMode(pin, mode);

• pin：指定引脚号，可以是数字引脚（如2、3、4）或其他可编程引脚。
• mode：指定引脚模式，可选OUTPUT或INPUT。

示例

pinMode(10, OUTPUT); // 将10号引脚设置为输出模式
pinMode(9, INPUT);   // 将9号引脚设置为输入模式

• OUTPUT模式：用于向外部设备发送电信号。例如，控制LED灯的亮灭。
• INPUT模式：用于接收外部设备的信号。例如，检测按钮是否被按下。

4. digitalWrite() 函数

digitalWrite()用于将指定引脚设置为高电平（HIGH）或低电平（LOW）。高电平通常表示引脚输出5V，低电平表示引脚输出0V，用于控制设备的开关状态。

语法

digitalWrite(pin, value);

• pin：指定引脚号。
• value：指定要输出的值，HIGH（高电平，通常为5V）或LOW（低电平，通常为0V）。

示例

digitalWrite(10, HIGH); // 将10号引脚设置为高电平（输出5V）
digitalWrite(10, LOW);  // 将10号引脚设置为低电平（输出0V）

通过将10号引脚设为高电平，连接到该引脚的LED会亮起；设为低电平则会熄灭。

5. digitalRead() 函数

digitalRead()用于读取数字引脚的状态，返回值为HIGH（高电平）或LOW（低电平）。常用于检测按钮等输入设备的状态。

语法

int buttonState = digitalRead(pin);

• pin：指定的数字引脚。
• 返回值：HIGH表示引脚处于高电平，LOW表示引脚处于低电平。

示例

int buttonState = digitalRead(9); // 读取9号引脚的状态

6. Serial.begin() 和 Serial.print() 函数

Arduino通过串口通信与计算机进行数据交换。Serial.begin()用于初始化串口通信，而Serial.print()用于向串口输出数据（打印到串口监视器）。这些函数在调试时特别有用，可以查看传感器数据、变量值等信息。

Serial.begin() 语法

Serial.begin(baudRate);

• baudRate：指定波特率（传输速度），常用9600。

示例

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 初始化串口通信，波特率为9600
}

Serial.print() 和 Serial.println() 语法

• Serial.print(data)：在串口监视器中打印数据，不换行。
• Serial.println(data)：在串口监视器中打印数据并换行。

示例

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 初始化串口通信
}

void loop() {
  int sensorValue = analogRead(A0); // 读取模拟引脚A0的数据
  Serial.print("传感器值: ");
  Serial.println(sensorValue); // 打印数据到串口监视器
  delay(1000); // 每隔1秒更新一次数据
}

在这个示例中，Arduino每隔1秒读取一次传感器的值，并将其打印到串口监视器中。使用Serial.print()和Serial.println()可以查看变量值和状态，是调试Arduino程序的重要工具。

7. delay() 函数

delay()函数会暂停程序执行指定的毫秒数。常用于设置LED闪烁的时间间隔或等待某个操作完成。

语法

delay(milliseconds);

• milliseconds：暂停的时间（以毫秒为单位）。

示例

delay(1000); // 暂停程序1秒

delay()函数的使用可以帮助我们控制动作的间隔时间，例如LED闪烁频率。

8. analogRead() 函数

analogRead()用于读取模拟引脚的电压值，返回一个0到1023的整数值。Arduino的模拟引脚可以读取连接传感器、可变电阻等设备产生的模拟电压信号。

语法

int sensorValue = analogRead(pin);

• pin：指定的模拟引脚（A0到A5）。
• 返回值：返回0到1023之间的整数值，代表读取到的电压值。0表示0V，1023表示最大电压（通常为5V）。

示例

int sensorPin = A0; // 定义传感器连接的模拟引脚为A0
int sensorValue = 0; // 用于存储读取到的值

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 初始化串口通讯
}

void loop() {
  sensorValue = analogRead(sensorPin); // 读取传感器的模拟信号
  Serial.print("传感器值: ");
  Serial.println(sensorValue); // 打印读取值到串口监视器
  delay(1000); // 每隔1秒读取一次
}

在这个示例中，analogRead()从A0引脚读取模拟电压，将结果转换为0到1023之间的数值。

9. analogWrite() 函数

analogWrite()用于向指定的引脚输出PWM信号（脉宽调制）。虽然Arduino没有直接的模拟输出功能，但通过PWM技术，可以模拟出一个接近于模拟输出的效果。analogWrite()函数的输出范围是0到255，用于调节LED亮度、控制电机速度等场景。

语法

analogWrite(pin, value);

• pin：支持PWM的数字引脚（在Arduino Uno上通常是3, 5, 6, 9, 10, 和11）。
• value：输出的PWM值，范围为0到255。0表示无输出（0V），255表示最大输出（接近5V）。

示例

int ledPin = 9; // 连接LED的引脚，支持PWM功能

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT); // 将LED引脚设置为输出模式
}

void loop() {
  for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness += 5) {
    analogWrite(ledPin, brightness); // 逐渐增加亮度
    delay(30);
  }
  for (int brightness = 255; brightness >= 0; brightness -= 5) {
    analogWrite(ledPin, brightness); // 逐渐减少亮度
    delay(30);
  }
}

在这个示例中，analogWrite()控制LED的亮度变化。通过逐渐改变PWM值，LED的亮度会从暗变亮，再从亮变暗，形成呼吸灯的效果。

IO资源分配

硬件连接和配置

在进行Arduino编程前，需要正确设置硬件连接和Arduino IDE的相关配置，以确保程序能够顺利上传并运行。

1. 硬件连接

• 跳线帽设置：根据具体应用，将跳线帽设置为不同的工作模式。例如：

  • 下载模式：将跳线帽设置为下载模式，以便可以将代码上传到Arduino。
  • PS2手柄模式：如果需要通过PS2手柄控制小车，则需要将跳线帽调整到PS2手柄模式。

• 引脚连接：根据上文的IO资源分配表，将各个功能引脚连接到相应的外部设备。例如：

  • 将LED连接到指定的ledPin引脚。
  • 将超声波模块的触发引脚（发送端口）连接到指定的引脚，并连接接收端口。
  • 将电机驱动模块的控制引脚连接到左后轮和右后轮对应的引脚。

2. Arduino IDE设置

在Arduino IDE中进行以下设置，以确保代码能够正确上传到Arduino板：

• 选择开发板：

  • 打开Arduino IDE，点击菜单栏的“工具” -> “开发板”，选择Arduino Nano作为开发板。

• 选择处理器：

  • 对于Arduino Nano，请选择ATmega328P或ATmega328P (Old Bootloader)，根据您的板子型号选择正确的处理器。

• 串口选择：

  • 将Arduino板通过USB线连接到计算机。再次点击“工具” -> “端口”，选择Arduino板对应的串口（例如COM3或其他可用端口）。选择正确的串口可以确保程序能够上传到Arduino。

3. 程序上传

• 完成以上配置后，点击“上传”按钮，将代码上传到Arduino板。上传完成后，Arduino板将按照编写的程序执行指定的功能。

• 注意：在上传过程中，如果出现“串口占用”或“板子选择错误”等提示，请检查串口是否被其他程序占用，并确认开发板型号和串口选择是否正确。

以上步骤完成后，您可以在Arduino板上观察到硬件的反应，例如LED闪烁、风扇控制、超声波测距等，实现您的Arduino项目。