1.4　Arduino編程語言

Arduino編程語言是建立在C/C++語言基礎(chǔ)上的，即以C/C++語言為基礎(chǔ)，把AVR單片機(jī)（微控制器）相關(guān)的一些寄存器參數(shù)設(shè)置等進(jìn)行函數(shù)化，以利于開發(fā)者更加快速地使用。其主要使用的函數(shù)包括數(shù)字I/O操作函數(shù)、模擬I/O操作函數(shù)、高級(jí)I/O操作函數(shù)、時(shí)間函數(shù)、中斷函數(shù)、通信函數(shù)和數(shù)學(xué)庫等。

1.4.1　Arduino編程基礎(chǔ)

關(guān)鍵字：if、if…else、for、switch、case、while、do…while、break、continue、return、goto。

語法符號(hào)：每條語句以分號(hào)“；”結(jié)尾，每段程序以花括號(hào)“{}”括起來。

數(shù)據(jù)類型：boolean、char、int、unsigned int、long、unsigned long、float、double、string、array、void。

常量：HIGH或者LOW，表示數(shù)字I/O口的電平，HIGH表示高電平（1），LOW表示低電平（0）；INPUT或者OUTPUT，表示數(shù)字I/O口的方向，INPUT表示輸入（高阻態(tài)），OUTPUT表示輸出（AVR能提供5V電壓，40mA電流）；TRUE或者FALSE，TRUE表示真（1），F(xiàn)ALSE表示假（0）。

程序結(jié)構(gòu)：主要包括兩部分，即void setup()和void loop()。其中，前者是聲明變量及接口名稱（如int val；int ledPin=13），在程序開始時(shí)使用，初始化變量和引腳模式，調(diào)用庫函數(shù)如pinMode（ledPin，OUTUPT）等，而void loop()用在setup()函數(shù)之后，不斷地循環(huán)執(zhí)行，是Arduino的主體。

1.4.2　數(shù)字I/O口的操作函數(shù)

1．pinMode（pin，mode）

pinMode函數(shù)用于配置引腳以及設(shè)置輸出或輸入模式，是一個(gè)無返回值函數(shù)。該函數(shù)有兩個(gè)參數(shù)：pin和mode。pin參數(shù)表示要配置的引腳；mode參數(shù)表示設(shè)置該引腳的模式為INPUT（輸入）或OUTPUT（輸出）。

INPUT用于讀取信號(hào)，OUTPUT用于輸出控制信號(hào)。pin的范圍是數(shù)字引腳0～13，也可以把模擬引腳（A0～A5）作為數(shù)字引腳使用，此時(shí)編號(hào)為14的引腳對(duì)應(yīng)模擬引腳0，編號(hào)為19的引腳對(duì)應(yīng)模擬引腳5。該函數(shù)一般會(huì)放在setup()里，先設(shè)置再使用。

2．digitalWrite（pin，value）

該函數(shù)的作用是設(shè)置引腳的輸出電壓為高電平或低電平，也是一個(gè)無返回值的函數(shù)。

pin參數(shù)表示所要設(shè)置的引腳；value參數(shù)表示輸出的電壓為HIGH（高電平）或LOW（低電平）。

注意：使用前必須先用pinMode設(shè)置。

3．digitalRead（pin）

該函數(shù)在引腳設(shè)置為輸入的情況下，可以獲取引腳的電壓情況：HIGH（高電平）或者LOW（低電平）。

數(shù)字I/O口操作函數(shù)使用例程如下：

1.4.3　模擬I/O口的操作函數(shù)

1．a(chǎn)nalogReference（type）

該函數(shù)用于配置模擬引腳的參考電壓。它有3種類型：DEFAULT是默認(rèn)模式，參考電壓是5V；INTERNAL是低電壓模式，使用片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源2.56V；EXTERNAL是擴(kuò)展模式，通過AREF引腳獲取參考電壓。

注意：若不使用本函數(shù)，默認(rèn)是參考電壓5V。若使用AREF作為參考電壓，需接一個(gè)5kΩ的上拉電阻。

2．a(chǎn)nalogRead（pin）

用于讀取引腳的模擬量電壓值，每讀取一次需要花100μs的時(shí)間。參數(shù)pin表示所要獲取模擬量電壓值的引腳，返回為int型。它的精度為10位，返回值為0～1023。

注意：函數(shù)參數(shù)pin的取值范圍是0～5，對(duì)應(yīng)板上的模擬口A0～A5。

3．a(chǎn)nalogWrite（pin，value）

該函數(shù)是通過PWM（Pulse-Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）的方式在引腳上輸出一個(gè)模擬量。圖1-23所示為PWM輸出的一般形式，也就是在一個(gè)脈沖的周期內(nèi)高電平所占的比例。它主要應(yīng)用于LED亮度控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制等方面。

Arduino中的PWM的頻率大約為490Hz，UNO開發(fā)板支持以下數(shù)字引腳（不是模擬輸入引腳）作為PWM模擬輸出：3、5、6、9、10、11。開發(fā)板帶PWM輸出的都有“~”號(hào)。

注意：PWM輸出位數(shù)為8位，即0～255。

模擬I/O口的操作函數(shù)使用例程如下：

1.4.4　高級(jí)I/O口的操作函數(shù)

PulseIn（pin，state，timeout）函數(shù)用于讀取引腳脈沖的時(shí)間長度，脈沖可以是HIGH或者LOW。如果是HIGH，該函數(shù)將先等引腳變?yōu)楦唠娖剑缓箝_始計(jì)時(shí)，直到變?yōu)榈碗娖酵Ｖ褂?jì)時(shí)。返回脈沖持續(xù)的時(shí)間，單位為毫秒，如果超時(shí)沒有讀到時(shí)間，則返回0。

例程說明：做一個(gè)按鈕脈沖計(jì)時(shí)器，測(cè)量按鈕的持續(xù)時(shí)間，看誰的反應(yīng)最快，即誰按按鈕時(shí)間最短。按鈕接在第3引腳。程序如下：

1.4.5　時(shí)間函數(shù)

1．delay()

該函數(shù)是延時(shí)函數(shù)，參數(shù)是延時(shí)的時(shí)長，單位是ms（毫秒）。應(yīng)用延時(shí)函數(shù)的典型例程是跑馬燈的應(yīng)用，使用Arduino開發(fā)板控制4個(gè)LED燈依次點(diǎn)亮。程序如下：

2．delayMicroseconds()

delayMicroseconds()也是延時(shí)函數(shù)，不過單位是μs（微秒），1ms=1000μs。該函數(shù)可以產(chǎn)生更短的延時(shí)。

3．millis()

millis()為計(jì)時(shí)函數(shù)，應(yīng)用該函數(shù)可以獲取單片機(jī)通電到現(xiàn)在運(yùn)行的時(shí)間長度，單位是ms。系統(tǒng)最長的記錄時(shí)間為9h22min，超出則從0開始。返回值是unsigned long型。

該函數(shù)適合作為定時(shí)器使用，不影響單片機(jī)的其他工作（而使用delay函數(shù)期間無法進(jìn)行其他工作）。計(jì)時(shí)時(shí)間函數(shù)使用示例（延時(shí)10s后自動(dòng)點(diǎn)亮LED燈）程序如下：

4．micros()

micros()也是計(jì)時(shí)函數(shù)，該函數(shù)返回開機(jī)到現(xiàn)在運(yùn)行的時(shí)間長度，單位為μs。返回值是unsigned long型，70min溢出。程序如下：

以下例程為跑馬燈的另一種實(shí)現(xiàn)方式：

1.4.6　中斷函數(shù)

什么是中斷？實(shí)際上在人們的日常生活中，中斷非常常見，如圖1-24所示。

你在看書，電話鈴響，于是你在書上做上記號(hào)，去接電話，與對(duì)方通話；門鈴響了，有人敲門，你讓打電話的對(duì)方稍等一下，你去開門，并在門旁與來訪者交談，談話結(jié)束，關(guān)好門；回到電話機(jī)旁，繼續(xù)通話，接完電話后再回來從做記號(hào)的地方接著看書。

同樣的道理，在單片機(jī)中也存在中斷概念，如圖1-25所示。在計(jì)算機(jī)或者單片機(jī)中中斷是由于某個(gè)隨機(jī)事件的發(fā)生，計(jì)算機(jī)暫停主程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一程序（隨機(jī)事件），處理完畢后又自動(dòng)返回主程序繼續(xù)運(yùn)行的過程。也就是說，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)中斷了低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。在計(jì)算機(jī)中中斷包括如下幾部分：

①中斷源——引起中斷的原因，或能發(fā)生中斷申請(qǐng)的來源；

②主程序——計(jì)算機(jī)現(xiàn)行運(yùn)行的程序；

③中斷服務(wù)子程序——處理突發(fā)事件的程序。

1．a(chǎn)ttachinterrupt（interrupt，function，mode）

該函數(shù)用于設(shè)置中斷，函數(shù)有3個(gè)參數(shù)，分別表示中斷源、中斷處理函數(shù)和觸發(fā)模式。中斷源可選0或者1，對(duì)應(yīng)2或者3號(hào)數(shù)字引腳。中斷處理函數(shù)是一段子程序，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)執(zhí)行該子程序部分。觸發(fā)模式有4種類型：LOW（低電平觸發(fā)）、CHANGE（變化時(shí)觸發(fā)）、RISING（低電平變?yōu)楦唠娖接|發(fā)）、FALLING（高電平變?yōu)榈碗娖接|發(fā)）。例程功能如下：

數(shù)字D2口接按鈕開關(guān)，D4口接LED1（紅色），D5口接LED2（綠色）。在例程中，LED3為板載的LED燈，每秒閃爍一次。使用中斷0來控制LED1，中斷1來控制LED2。按下按鈕，立即響應(yīng)中斷，由于中斷響應(yīng)速度快，LED3不受影響，繼續(xù)閃爍。使用不同的4個(gè)參數(shù)，例程1試驗(yàn)LOW和CHANGE參數(shù)，例程2試驗(yàn)RISING和FALLING參數(shù)。

例程1：

例程2：

2．detachInterrupt（interrupt）

該函數(shù)用于取消中斷，參數(shù)interrupt表示所要取消的中斷源。

1.4.7　串口通信函數(shù)

串行通信接口（serial interface）使數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送，其特點(diǎn)是通信線路簡(jiǎn)單，只要一對(duì)傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)雙向通信的接口，如圖1-26所示。

串行通信接口出現(xiàn)在1980年前后，數(shù)據(jù)傳輸率是115～230Kbps。串行通信接口出現(xiàn)的初期是為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)外設(shè)的通信，初期串口一般用來連接鼠標(biāo)和外置Modem、老式攝像頭和寫字板等設(shè)備。

由于串行通信接口（COM）不支持熱插拔及傳輸速率較低，因此目前部分新主板和大部分便攜計(jì)算機(jī)已開始取消該接口，串口多用于工控和測(cè)量設(shè)備以及部分通信設(shè)備中，包括各種傳感器采集裝置、GPS信號(hào)采集裝置、多個(gè)單片機(jī)通信系統(tǒng)，門禁刷卡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、機(jī)械手控制和操縱面板控制電機(jī)等，特別是廣泛應(yīng)用于低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓こ虘?yīng)用，主要函數(shù)如下：

1．Serial.begin()

該函數(shù)用于設(shè)置串口的波特率，即數(shù)據(jù)的傳輸速率，指每秒鐘傳輸?shù)姆?hào)個(gè)數(shù)。一般的波特率有9600、19 200、57 600、115 200等。

例如：Serial.begin（57 600）；

2．Serial.available()

該函數(shù)用來判斷串口是否收到數(shù)據(jù)，函數(shù)的返回值為int型，不帶參數(shù)。

3．Serial.read()

該函數(shù)不帶參數(shù)，只將串口數(shù)據(jù)讀入。返回值為串口數(shù)據(jù)，int型。

4．Serial.print()

該函數(shù)向串口發(fā)送數(shù)據(jù)。可以發(fā)送變量，也可以發(fā)送字符串。

例1：Serial.print（“today is good”）；

例2：Serial.print（x，DEC）；　　　　　//以十進(jìn)制發(fā)送x

例3：Serial.print（x，HEX）；　　　　　//以十六進(jìn)制發(fā)送變量x

5．Serial.println()

該函數(shù)與Serial.print()類似，只是多了換行功能。串口通信函數(shù)使用例程：

1.4.8　Arduino的庫函數(shù)

與C語言和C++一樣，Arduino也有相關(guān)的庫函數(shù)，提供給開發(fā)者使用。這些庫函數(shù)的使用，與C語言的頭文件使用類似，需要#include語句，可將函數(shù)庫加入Arduino的IDE編輯環(huán)境中，如#include“Arduino.h”語句。

在Arduino開發(fā)中主要庫函數(shù)的類別如下：數(shù)學(xué)庫主要包括數(shù)學(xué)計(jì)算；EEPROM庫函數(shù)用于向EEPROM中讀寫數(shù)據(jù)；Ethernet庫用于以太網(wǎng)的通信；LiquidCrystal庫用于液晶屏幕的顯示操作；Firmata庫實(shí)現(xiàn)Arduino與PC串口之間的編程協(xié)議；SD庫用于讀寫SD卡；Servo庫用于舵機(jī)的控制；Stepper庫用于步進(jìn)電機(jī)控制；WiFi庫用于WiFi的控制和使用等。諸如此類的庫函數(shù)非常多，還包括一些Arduino愛好者自己開發(fā)的庫函數(shù)。例如下列數(shù)學(xué)庫中的函數(shù)：

（1）min（x，y）；　　　　　//求兩者最小值

（2）max（x，y）；　　　　　//求兩者最大值

（3）abs（x）；　　　　　　//求絕對(duì)值

（4）sin（rad）；　　　　　//求正弦值

（5）cos（rad）；　　　　　//求余弦值

（6）tan（rad）；　　　　　//求正切值

（7）random（small，big）；//求兩者之間的隨機(jī)數(shù)

舉例如下：

數(shù)學(xué)庫random（small，big），返回值為long。