Arduino的原理及應(yīng)用

摘要：Arduino是目前較為流行的電子互動(dòng)平臺(tái)，基于單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，具有使用簡(jiǎn)單、功能多樣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和互動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面。文中詳細(xì)介紹了Arduino的功能特點(diǎn)、基本結(jié)構(gòu)，并通過(guò)LEO控制電路的應(yīng)用給出了具體的使用方法。
關(guān)鍵詞：電子設(shè)計(jì)；控制電路；Arduino；LED

    Arduino是2005年1月由米蘭交互設(shè)計(jì)學(xué)院的兩位教師David Cuartielles和Massimo Banzi聯(lián)合創(chuàng)建，是一塊基于開(kāi)放原始代碼的Simple I／O平臺(tái)，該平臺(tái)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(yǔ)言)。平臺(tái)的兩部分都是開(kāi)源的，如果需要，可以下載Arduino的圖表、購(gòu)買需要的所有獨(dú)立部件、切割電路板并制作一個(gè)電路板。Arduino具有類似java、C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境。可以快速使用Ardu ino語(yǔ)言與Flash或Processing等軟件完成互動(dòng)作品。Arduino能夠使用開(kāi)發(fā)完成的電子元件，如Switch、Sensors或其它控制器、LED、步進(jìn)電機(jī)或其它輸入／輸出裝置，同時(shí)，Arduino也可以成為獨(dú)立與軟件溝通的平臺(tái)，如flash、Processing、Max／MSP或其它互動(dòng)軟件。

1 功能特點(diǎn)
    Arduino在開(kāi)發(fā)之初，就明確了其應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了開(kāi)源開(kāi)放的平臺(tái)，便于對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。Arduino的主要功能特點(diǎn)如下：
    1)開(kāi)放源代碼的電路圖設(shè)計(jì)。程序開(kāi)發(fā)接口免費(fèi)下載，也可依需求自己修改。
    2)使用低價(jià)格的微處理控制器(ATmega8或ATmega128)?？梢圆捎肬SB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(nèi)帶Bootloader程序，是系統(tǒng)上電后運(yùn)行的第一段代碼，就好比PC機(jī)BIOS中的程序，啟動(dòng)就進(jìn)行自檢，配置端口等等，當(dāng)然，單片機(jī)是靠燒寫(xiě)熔絲位來(lái)設(shè)定上電從boot區(qū)啟動(dòng)的，使用這個(gè)程序就可以直接把從串口發(fā)來(lái)的程序存放到flash區(qū)中。所以，使用Arduino編譯環(huán)境下載程序時(shí)，就先讓單片機(jī)復(fù)位，啟動(dòng)Boodoader程序引導(dǎo)串口發(fā)過(guò)來(lái)的程序順利寫(xiě)入flash區(qū)中，flash可以重復(fù)燒寫(xiě)，因此想更新軟件非常方便。有了Bootloader之后，可以通過(guò)串口或者USB to RS232線更新固件。
    4)可依據(jù)官方提供的PCB和SCH電路圖，簡(jiǎn)化Arduino模組，完成獨(dú)立運(yùn)作的微處理控制。
    5)可簡(jiǎn)單地與傳感器，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(dá)等。
    6)支持多樣的互動(dòng)程序，如Flash，Max／MSP，VVVV，PureData，C，Processin等。使用低價(jià)格的微處理控制器。
    7)應(yīng)用方面，利用hrduino，突破以往只能使用鼠標(biāo)、鍵盤、CCD等輸入的裝置的互動(dòng)內(nèi)容，可以更簡(jiǎn)單地達(dá)成單人或多人游戲互動(dòng)。Ard uino的功能特點(diǎn)，使其得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2 基本結(jié)構(gòu)
    Arduino系統(tǒng)針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境還開(kāi)發(fā)了不同的版本，文中以“Arduino Duemilanove”版本為例介紹，該版本于2009年開(kāi)發(fā)，基于ATm ega328微控制器板，能自動(dòng)選擇何種供電，直接將它用USB線連上計(jì)算機(jī)或者用一個(gè)電源適配器給它供電，就可以開(kāi)始使用。Arduino Duemilanove的外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    1)1個(gè)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(qū)動(dòng)舵機(jī)等大功率外部設(shè)備的能力；
    2)1個(gè)USB口，通過(guò)該口連接到計(jì)算機(jī)，由Arduino的IDE將用戶編寫(xiě)好的控制程序上傳到控制板中，同時(shí)還可以通過(guò)該口為電路板供電，驅(qū)動(dòng)小功率的外部設(shè)備；
    3)14個(gè)數(shù)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(lái)接收和發(fā)送TTL串行數(shù)據(jù)。其中端口2、3可以接收外部信號(hào)，實(shí)現(xiàn)外部中斷功能；端口3、5、6、9、10、11作為PWM端口，可用于電機(jī)PWM調(diào)速[5]或音樂(lè)播放；端口10(SS)、11(MOSI)、12(MISO)和13(SCK)在SPI模塊庫(kù)的支持下，可以提供SPI通信模式；端口13內(nèi)部連接了一個(gè)LED指示燈，隨著13腳上電平的高低變化，實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉；
    4)6個(gè)模擬輸入／輸出端，其中端口4(SDA)和端口5(SCL)端口可以實(shí)現(xiàn)I2C通信；
    5)1個(gè)5 V DC輸出和1個(gè)3．3 V DC輸出，可為其它電路提高3．3 V和5 V直流電源；
    6)1個(gè)復(fù)位接口。
    Arduino系統(tǒng)是基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)的，并且大量應(yīng)用通用和標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個(gè)設(shè)計(jì)，代碼均采用開(kāi)源方式發(fā)布，因此采購(gòu)的成本較低，在各種電子制作競(jìng)賽、電子藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)等越來(lái)越多地使用Arduino作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

3 應(yīng)用
    Arduino系統(tǒng)在電子設(shè)計(jì)等方面應(yīng)用較多，本文以簡(jiǎn)單的LEO控制為例，說(shuō)明Arduino系統(tǒng)的使用。
    LEO控制系統(tǒng)中，采用開(kāi)關(guān)S控制LED的亮滅，設(shè)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，LED發(fā)光，S斷開(kāi)時(shí)，LED熄滅。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用數(shù)字輸入／輸出口的兩個(gè)引腳分別進(jìn)行LED和S開(kāi)關(guān)的連接，電路如圖2所示。

    Arduino語(yǔ)言是建立在C／C++基礎(chǔ)上的，其實(shí)也就是基礎(chǔ)的C語(yǔ)言，Arduno語(yǔ)言將AVR單片機(jī)(微控制器)相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置模塊化，包括EEPROM、以太網(wǎng)、LED矩陣、舵機(jī)、步進(jìn)和TWI／I2C控制程序庫(kù)，不需要用戶直接處理底層系統(tǒng)，可以提高應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)效率。流程如圖3所示。

    Arduino語(yǔ)言是以setup()開(kāi)頭，loop()作為主體的一個(gè)程序構(gòu)架。setup()用來(lái)初始化變量、管腳模式、調(diào)用庫(kù)函數(shù)等等，該函數(shù)只運(yùn)行一次，功能類似C語(yǔ)言中的“main()”。loop()函數(shù)是一個(gè)循環(huán)函數(shù)，函數(shù)內(nèi)的語(yǔ)句周而復(fù)始的循環(huán)執(zhí)行。設(shè)通過(guò)D10引腳控制LED，D2引腳連接控制開(kāi)關(guān)S，主要代碼如下：
   
   
    Setup函數(shù)中，pinMode函數(shù)是數(shù)字I／O口輸入輸出定義函數(shù)，可以定Arduino上0～13口的輸入輸出狀態(tài)，INPUT和OUTPUT分別表示輸出和輸出模式。loop函數(shù)中，digitalRead為數(shù)字I／O口讀取電平值函數(shù)，digitalWrite為數(shù)字I／O口輸出電平定義函數(shù)。本例中在setup函數(shù)中，將端口2定義為數(shù)字信號(hào)輸入端口，將端口10定義為數(shù)字信號(hào)輸出端口；在函數(shù)loop中，首先讀入端口2的電平信號(hào)，然后依據(jù)該端口電平值的高低，設(shè)置輸出端口10的電平值。
    將編寫(xiě)好的控制代碼通過(guò)Arduino的IDE上傳到控制板之后，關(guān)閉或者打開(kāi)開(kāi)關(guān)S，便會(huì)觀察到LED的亮滅情況。

4 結(jié)論
    Arduino系統(tǒng)是建立在C／C++基礎(chǔ)上的，也就是基礎(chǔ)的C語(yǔ)言，Arduino系統(tǒng)只是將AVR單片機(jī)(微控制器)相關(guān)的一些寄存器參數(shù)設(shè)置等都函數(shù)化了，即使不太了解AVR單片機(jī)的朋友也能輕松上手，設(shè)計(jì)出各種實(shí)用的電路開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。