Arduino

内置常量

• 引脚常量：

  • INPUT 将引脚设置为输入引脚
  • OUTPUT 将引脚设置为输出引脚
  • INPUT_PULLUP 将该引脚设置为内部上拉电阻
    

• 电压常量：

  • HIGH 高水平的电压，取决于硬件，在3.3V的板子上大于2V，在5V的板子上大于3V
  • LOW 低水平的电压，同样取决于所使用的板子
    

• 数字常量：

  • M_PI 常数pi
  • M_E 常数e
  • M_LN10 数字10的自然对数
  • M_LN2 数字2的自然对数
  • M_LOG10E e的对数，以10为底
  • M_LOG2E e的对数，以2为底
  • M_SQRT2 2的平方根
  • NAN NAN（不是一个数字）常数

• 逻辑常量：

  • true
  • false
    

• LED_BUILTIN : 13

• A0 PIN_A0 : 14
• A1 PIN_A1 : 15
• A2 PIN_A2 : 16
• A3 PIN_A3 : 17
• A4 PIN_A4 : 18
• A5 PIN_A5 : 19
• A6 PIN_A6 : 20
• A7 PIN_A7 : 21

常用函数

数字I/O

• pinMode(pin, mode) 设置一个引脚为输入或输出
• digitalWrite(pin, val) 给一个数字引脚写入 HIGH 或 LOW
• digitalRead(pin) 从一个数字引脚读取数值，返回 HIGH 或 LOW

模拟I/O

• analogRead(pin) 从一个模拟引脚读取数值。返回一个0-1023之间的整数，对应着0-5V
• analogWrite(pin, val) 从一个引脚输出PWM模拟值。输入一个0-255之间的整数，对应着0-5V

串口操作

• Serial.begin(baud) 开启串口并设置波特率
  

• Serial.read() 读取串口缓存中的一个字符并删除

• Serial.print(val) or Serial.print(val, format)
  • 写入字符串数据到串口
  • 转换进制
    • Serial.print(78, BIN)
    • Serial.print(78, OCT)
    • Serial.print(78, DEC)
    • Serial.print(78, HEX)
  • 四舍五入
    • Serial.print(1.23456, 4) ==> 1.2346
• Serial.println(val) or Serial.println(val, format)
  • 写入字符串数据到串口并换行
    

时间函数

• delay(ms) 暂定一段以毫秒为单位的时间
• delayMicroseconds(ms) 暂定一段以微秒为单位的时间
• millis() 返回程序开始运行时到现在的毫秒数
• micros() 返回程序开始运行时到现在的微秒数

硬件开发

Arduino Uno

数字端口 - 数字信号有高电平和低电平两种形态 - 输出高电平时，可提供40mA的5V电压

• 数字端口既可用作输入，又可用作输出

• 使用前需用 pinMode() 指定是输入还是输出
  

• 引脚13连接板载的LED指示灯

• 引脚3、5、6、9、10、11具有PWM功能
• 引脚0、1可用作RX和TX串口，进行串口通讯

模拟端口 - 模拟端口 A0~A5 默认为模拟输入 - 也可用作数字输入、输出端口 14~19

按键开关

• 下拉电阻接法：按键接电源，电阻接地，输入端从中引出
  • 按键断开时，输入端读得低电平
  • 按键接通时，输入端读得高电平
  • 松开为低，按下为高
• 上拉电阻接法：按键接地，电阻接电源，输入端从中引出
  • 按键断开时，输入端读得高电平
  • 按键接通时，输入端读得低电平
  • 松开为高，按下为低

PWM（脉冲宽度调制）

• Arduino通过在数字端口输出频繁切换的高低电平来产生模拟电平，其中产生的矩形波的高电平的持续时间称为脉冲宽度，其占一个周期的百分比称为占空比
• 输出模拟电压 = 占空比 × 电压幅度（5V）

蜂鸣器

• 有源蜂鸣器内部带震荡源，加上合适的直流电源就会鸣叫。向相应数字接口输出高低电平即可控制其鸣停

• 无源蜂鸣器内部不带震荡源，只加直流电源无法令其鸣叫，须用音频信号驱动才能鸣叫
  

• tone(pin, frequency, duration=0) 在一个引脚上产生一个方波（50%占空比）

  • duration：表示持续时间，以毫秒为单位
• noTone(pin) 在一个引脚上停止由 tone() 产生的波

74595 接口扩展

• 74595 是一个 8 位串行输入、串行或并行输出，并且带有存储寄存器和三态输出（高电平、低电平和高阻）的移位寄存器
• 数据在移位寄存器时钟（SHCP）的正跳变下移动，在存储寄存器时钟（STCP）的正跳变下由移位寄存器转存到存储寄存器。
• 移位寄存器有一个串行输入端（DS），还有一个用于级联的串行输出端（Q7S），并且可以异步复位（MR，低有效）
• 存储寄存器有8个三态并行输出端（Q0 ~ Q7）。当输出使能端（OE）被使能（低有效）时，数据将从存储寄存器输出至器件引脚
• 使用 74595， Arduino只需3个端口（DS、SHCP、STCP），就可以控制8位输出
• 74595左上角为1号脚，逆时针引脚号递增

编号	符号	引脚说明
1-7	Q1-Q7	数据并行输出1-7
8	GND	接地
9	Q7S	数据串行输出
10	MR	复位（低有效）
11	SHCP	移位寄存器时钟（输入）
12	STCP	存储寄存器时钟（输入）
13	OE	输出使能（低有效）
14	DS	数据串行输入
15	Q0	数据并行输出0
16	Vcc	电源

• shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, val) 将一个字节的数据通过移位方式逐位输出
  • 在输出数据时，当一位数据写入数据输出引脚时，时钟引脚将输出脉冲信号，指示该位数据已被写入数据输出引脚等待读取
  • dataPin 数据引脚，一般接到DS，引脚模式需要设置为输出
  • clockPin 时钟引脚，一般接到SHCP，引脚模式需要设置为输出
  • bitOrder 移位顺序，MSBFIRST 为高位先出，LSBFIRST 为低位先出
• val = shiftIn(dataPin, clockPin, bitOrder) 将一个字节的数据通过移位方式逐位输入

digitalWrite(latchPin, LOW)     //在ST_CP口上加低电平，让芯片准备好接收数据
shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, val)
digitalWrite(latchPin, HIGH)    //将ST_CP口恢复高电平，触发并行输出

8x8 点阵

编号	符号	编号	符号
1	R5	9	R1
2	R7	10	C4
3	C2	11	C6
4	C3	12	R4
5	R8	13	C1
6	C5	14	R2
7	R6	15	C7
8	R3	16	C8

符号	编号	符号	编号
R1	9	C1	13
R2	14	C2	3
R3	8	C3	4
R4	12	C4	10
R5	1	C5	6
R6	7	C6	11
R7	2	C7	15
R8	5	C8	16

• 共阳：88B，行控制阳极。行接高、列接低，可点亮相应LED
• 共阴：88A，行控制阴极。行接低、列接高，可点亮相应LED
• 左起为1号脚，逆时针引脚号递增
• 使用时需串联限流电阻

数码管

• 共阳：特征丝印为B
  • 8个LED的阳极接一起形成公共阳极（COM），使用时COM端接+5V
  • 当某一字段 LED 的阴极为低时就亮，为高或悬空时不亮。
• 共阴：特征丝印为A
  • 8个LED的阴极接一起形成公共阴极（COM），使用时COM端接地
  • 当某一字段 LED 的阳极为高时就亮，为低或悬空时不亮。
• 最上方开始，逆时针接引脚a、b、c、d、e、f，中间接引脚g，右下角接引脚h
• 驱动数码管的限流电阻有两种接法：
  • 在 COM 端接。这种接法电阻较少，但每一位显示不同数字时的亮度不一样
  • 在 8 个笔段引脚上接。这种接法亮度显示均匀，但是电阻较多

四位数码管

• 内含32个LED，共12引脚。
• 左下角为1号脚，后续逆时针增加，依次为e、d、h、c、g、4、b、3、2、f、a、1
• 驱动数码管的限流电阻有两种接法：
  • 在 COM 端接。这种接法电阻较少，但每一位显示不同数字时的亮度不一样
  • 在 8 个笔段引脚上接。这种接法亮度显示均匀，但是电阻较多

LCD 1602

• LCD 1602 总共可以显示2行，每行16个字符。
• 1602 工作电压为4.5～5.5V，工作电流为2.0mA（5.0V）
• 1602 数据传送的两种模式：8bit、4bit
  • 8bit 模式传送速度快（字符 ASCII 码由 8 位二进制组成）
  • 4bit 模式需要的数据引脚少一半，只需后四个引脚 D4~D7

• 不管哪种模式控制引脚都有3个：RS、RW、Enable
  

• 读状态：输入RS=L，RW=H，E=H，输出D0~D7=状态字

• 写指令：输入RS=L，RW=L，D0~D7=指令码，E=高脉冲，输出无
• 读数据：输入RS=H，RW=H，E=H，输出D0~D7=数据
• 写数据：输入RS=H，RW=L，D0~D7=数据，E=高脉冲，输出无

编号	符号	引脚说明
1	VSS	电源地，一般均用5V供电
2	VDD	电源正极，一般均用5V供电
3	VL	液晶显示偏压信号，可串联5KΩ接地的电位器调节对比度
4	RS	数据/命令选择端（V/L），高时数据操作，低时命令操作
5	R/W	读写选择端（H/L），高时读操作，低时写操作
6	E	使能端，负跳变时，液晶模块执行命令
7-14	D0-7	Data I/O，8 位双向并行总线，传送命令和数据
15	BLA	背光源正极
16	BLK	背光源负极

• #include <LiquidCrystal.h>
• LiquidCrystal() 定义LCD接口，即各引脚连接的I/O口编号。
  • LiquidCrystal lcd(rs, enable, d4, d5, d6, d7)
  • LiquidCrystal lcd(rs, rw, enable, d4, d5, d6, d7)
  • LiquidCrystal lcd(rs, enable, d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7)
  • LiquidCrystal lcd(rs, rw, enable, d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7)
• lcd.begin(cols, rows) 定义长宽
• lcd.clear() 清空LCD
• lcd.home() 光标回左上角
• lcd.setCursor(col, row) 移动光标到指定位置，从1开始编号
• lcd.write(data) 屏显内容（变量）
• lcd.print(data[, BASE]) 屏显内容（字母、字符串等）
• lcd.cursor() 显示光标（下划线）
• lcd.noCursor() 隐藏光标
• lcd.blink() 闪烁光标
• lcd.noBlink() 光标停止闪烁
• lcd.display() 关闭显示后打开显示，恢复原内容
• lcd.noDisplay() 关闭显示，不丢失内容
• lcd.scrollDisplayLeft() 显示内容左滚一格
• lcd.scrollDisplayRight() 显示内容右滚一格
• lcd.autoscroll() 打开自动滚动
• lcd.noAutoscroll() 关闭自动滚动
• lcd.leftToRight() 从左往右显示（默认）
• lcd.rightToLeft() 从右往左显示

舵机（伺服电机）

• 舵机转动角度是通过调节 PWM 信号占空比实现的
• 舵机内部电路产生的 PWM 信号周期固定为20ms，基准信号脉冲宽度为1.5ms，控制信号脉宽在 1ms 到 2ms 之间。不同品牌舵机对同一信号转动角度可能不同
• 舵机三根接线，分为接地、接电源和接信号，通常有以下两种：
  • 棕色接地、红色接电源、橙色接信号
  • 黑色接地、红色接电源、黄色接信号

• 控制舵机有两种方法：

  • 通过普通数字口产生不同占空比的方波，模拟 PWM 信号进行舵机定位
  • 利用 Arduino 自带的 Servo 函数控制。UNO 只能利用9口和10口控制2路舵机
    

• #include <Servo.h>

• Servo myservo 定义舵机变量名
• myservo.attach(pin) 设定舵机接口，仅数字9或10口可用
• myservo.write(angle) 设定舵机旋转角度，0°到180°
• myservo.read() 读取舵机角度
• myservo.attached() 判断舵机参数是否已发送到舵机所在接口
• myservo.detach() 使舵机与其接口分离，使该接口可继续被用作 PWM 接口

步进电机

• 四相步进电机，单电源直流供电
  • 定子四相绕组：A、B、C、D
  • 转子三对齿：03、14、25
• 对各相绕组按合适时序通电，就能使电机步进转动
• 开始时，开关 SB 闭合，SA、SC、SD 断开，则转子 03 号齿与 B 相磁极对齐，而 14号齿与 C、D 相磁极错齿，25号齿与 D、A 相磁极错齿。
• 接着 SC 闭合，SB、SA、SD 断开，磁场使 14 号齿与 C 相磁极对齐，而 03 号齿与 A、B 相磁极错齿，25 号齿与A、D 相磁极错齿。转子转过 15°

• 以此类推，A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着一定方向转动
  

• #include <Stepper.h>

• Stepper stepper(steps, pin1, pin2, pin3, pin4) 设置步进电机的步数和引脚
• stepper.setSpeed(rpms) 设置电机的转速，参数为每分钟电机转动的步数
• stepper.step(steps) 使电机转过固定的步数，当电机转过指定步数之后才会执行下一条语句

红外遥控

• 红外遥控系统由调制、发射、接收和解调等部分组成
• 红外遥控器先将一串二进制脉冲码调制在特定的载波频率上，然后再经红外发射二极管发射出去

• 红外线接收装置接收该特定载波频率的信号，并将其解调为二进制脉冲码
  

• 本实验遥控器的编码方式为 NEC 协议，其特点为：

  • 8位地址位，8位命令位
  • 为了可靠性，地址位和命令位被传输两次
  • 载波频率为38kHz
  • 每一位的时间为 1.125ms 或 2.25ms
• 逻辑1由560us的高电平和1.69ms的低电平组成
• 逻辑0由560us的高电平和565us的低电平组成
• 按键按下立刻松开的发射脉冲：
  • 9ms的AGC高电平开头，然后是地址、命令
  • 地址和命令都传送 2 次，第二次的地址和命令是反码，用来校验信息

• 按键按下一段时间才松开的发射脉冲：

  • 发送一次命令
  • 之后每110ms传输一次重复码，重复码由9ms高电平、2.25ms低电平、560us高电平组成，直到按键释放
    

• #include <IRremote.h>

• IRrecv irrecv(pin) 初始化引脚为红外接收状态
• decode_results results 定义用于存储编码结果的对象
• irrecv.decode(&results) 判断是否接收到正确的红外信号，如果接收到，将红外信号进行解码，结果返回给results
• irrecv.resume() 清除红外传感器解码状态，准备接收下一个编码

超声波测距

• HC-SR04 超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测，测距精度达3mm，包括超声波发射器、接收器与控制电路
• 先给超声波模块脉冲触发脚（trig）一个10us以上的高电平
• 触发后，模块自动发射8个40kHz的脉冲，与此同时回波检测脚（echo）电平由0变为1，启动定时器；

• 如果有信号返回被模块接收到，echo电平由1变为0，同时停止定时，定时器记下的时间即为超声波由发射到返回的总时长
  

• pulseIn(pin, state, timeout=1000000L) 测量一个脉冲信号的宽度，该脉冲信号可以是HIGH或LOW

  • 返回持续的微秒数，如果在超时时间内没有读到脉冲信号的话, 将返回0
  • 可检测的脉冲间隔时间范围是10微秒到3分钟

继电器

• 继电器是一种当输入量达到一定值时，输出量会发生跳变的自动控制器件。在需要用弱电控制强电，或小电流控制大电流的情况下，就要用到继电器
• 找出线圈引脚：用万用表测各引脚间电阻，线圈阻值在数百至 1k 欧左右
• 找出常开、常闭点：
  • 万用表测线圈外四个引脚，导通的两个引脚是常闭或短接关系；
  • 给线圈加5V直流电，使继电器动作，若断开则是常闭关系，若没有断开则是短接关系
  • 给线圈加5V直流电，使继电器动作，若原来不通的两个引脚导通了，则是常开关系
  • 既与常开点有关系，又与常闭点有关系的引脚就是公共端
• 需要并联保护二极管，防止线圈断电时的反向电动势击穿前级控制电路