Arduino的原理及应用

摘要：Arduino是目前较为流行的电子互动平台，基于单片机系统开发，具有使用简单、功能多样、价格低廉等优点，广泛应用于电子系统设计和互动产品开发方面。文中详细介绍了Arduino的功能特点、基本结构，并通过LEO控制电路的应用给出了具体的使用方法。
关键词：电子设计；控制电路；Arduino；LED

    Arduino是2005年1月由米兰交互设计学院的两位教师David Cuartielles和Massimo Banzi联合创建，是一块基于开放原始代码的Simple I／O平台，该平台由两部分组成：硬件(包括微处理器、电路板等)和软件(编程接口和语言)。平台的两部分都是开源的，如果需要，可以下载Arduino的图表、购买需要的所有独立部件、切割电路板并制作一个电路板。Arduino具有类似java、C语言的开发环境。可以快速使用Ardu ino语言与Flash或Processing等软件完成互动作品。Arduino能够使用开发完成的电子元件，如Switch、Sensors或其它控制器、LED、步进电机或其它输入／输出装置，同时，Arduino也可以成为独立与软件沟通的平台，如flash、Processing、Max／MSP或其它互动软件。

1 功能特点
    Arduino在开发之初，就明确了其应用环境，设计了开源开放的平台，便于对其进行二次开发。Arduino的主要功能特点如下：
    1)开放源代码的电路图设计。程序开发接口免费下载，也可依需求自己修改。
    2)使用低价格的微处理控制器(ATmega8或ATmega128)。可以采用USB接口供电，不需外接电源，也可以使用外部9VDC输入。
    3)支持ISP线上烧入器，将Bootloader固件烧入芯片。Arduino控制器内带Bootloader程序，是系统上电后运行的第一段代码，就好比PC机BIOS中的程序，启动就进行自检，配置端口等等，当然，单片机是靠烧写熔丝位来设定上电从boot区启动的，使用这个程序就可以直接把从串口发来的程序存放到flash区中。所以，使用Arduino编译环境下载程序时，就先让单片机复位，启动Boodoader程序引导串口发过来的程序顺利写入flash区中，flash可以重复烧写，因此想更新软件非常方便。有了Bootloader之后，可以通过串口或者USB to RS232线更新固件。
    4)可依据官方提供的PCB和SCH电路图，简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制。
    5)可简单地与传感器，各式各样的电子元件连接，如红外线、超音波、热敏电阻、光敏电阻、伺服马达等。
    6)支持多样的互动程序，如Flash，Max／MSP，VVVV，PureData，C，Processin等。使用低价格的微处理控制器。
    7)应用方面，利用hrduino，突破以往只能使用鼠标、键盘、CCD等输入的装置的互动内容，可以更简单地达成单人或多人游戏互动。Ard uino的功能特点，使其得到了越来越广泛的应用。

2 基本结构
    Arduino系统针对不同的应用环境还开发了不同的版本，文中以“Arduino Duemilanove”版本为例介绍，该版本于2009年开发，基于ATm ega328微控制器板，能自动选择何种供电，直接将它用USB线连上计算机或者用一个电源适配器给它供电，就可以开始使用。Arduino Duemilanove的外部结构如图1所示。

    1)1个9V DC输入，为Arduino板提供外部电源输出，使Arduino控制板具有能够驱动舵机等大功率外部设备的能力；
    2)1个USB口，通过该口连接到计算机，由Arduino的IDE将用户编写好的控制程序上传到控制板中，同时还可以通过该口为电路板供电，驱动小功率的外部设备；
    3)14个数字输入／输出端，其中端口0(RX)和1(TX)分别连接主控芯片的串行引脚，用来接收和发送TTL串行数据。其中端口2、3可以接收外部信号，实现外部中断功能；端口3、5、6、9、10、11作为PWM端口，可用于电机PWM调速[5]或音乐播放；端口10(SS)、11(MOSI)、12(MISO)和13(SCK)在SPI模块库的支持下，可以提供SPI通信模式；端口13内部连接了一个LED指示灯，随着13脚上电平的高低变化，实现开启和关闭；
    4)6个模拟输入／输出端，其中端口4(SDA)和端口5(SCL)端口可以实现I2C通信；
    5)1个5 V DC输出和1个3．3 V DC输出，可为其它电路提高3．3 V和5 V直流电源；
    6)1个复位接口。
    Arduino系统是基于单片机开发的，并且大量应用通用和标准的电子元器件，包括硬件和软件在内的整个设计，代码均采用开源方式发布，因此采购的成本较低，在各种电子制作竞赛、电子艺术品创意设计等越来越多地使用Arduino作为开发平台。

3 应用
    Arduino系统在电子设计等方面应用较多，本文以简单的LEO控制为例，说明Arduino系统的使用。
    LEO控制系统中，采用开关S控制LED的亮灭，设开关S闭合时，LED发光，S断开时，LED熄灭。因此，系统设计时采用数字输入／输出口的两个引脚分别进行LED和S开关的连接，电路如图2所示。

    Arduino语言是建立在C／C++基础上的，其实也就是基础的C语言，Arduno语言将AVR单片机(微控制器)相关的一些参数设置模块化，包括EEPROM、以太网、LED矩阵、舵机、步进和TWI／I2C控制程序库，不需要用户直接处理底层系统，可以提高应用程序的开发效率。流程如图3所示。

    Arduino语言是以setup()开头，loop()作为主体的一个程序构架。setup()用来初始化变量、管脚模式、调用库函数等等，该函数只运行一次，功能类似C语言中的“main()”。loop()函数是一个循环函数，函数内的语句周而复始的循环执行。设通过D10引脚控制LED，D2引脚连接控制开关S，主要代码如下：
   
   
    Setup函数中，pinMode函数是数字I／O口输入输出定义函数，可以定Arduino上0～13口的输入输出状态，INPUT和OUTPUT分别表示输出和输出模式。loop函数中，digitalRead为数字I／O口读取电平值函数，digitalWrite为数字I／O口输出电平定义函数。本例中在setup函数中，将端口2定义为数字信号输入端口，将端口10定义为数字信号输出端口；在函数loop中，首先读入端口2的电平信号，然后依据该端口电平值的高低，设置输出端口10的电平值。
    将编写好的控制代码通过Arduino的IDE上传到控制板之后，关闭或者打开开关S，便会观察到LED的亮灭情况。

4 结论
    Arduino系统是建立在C／C++基础上的，也就是基础的C语言，Arduino系统只是将AVR单片机(微控制器)相关的一些寄存器参数设置等都函数化了，即使不太了解AVR单片机的朋友也能轻松上手，设计出各种实用的电路开发系统。