No.001 Arduino 基础语法

0 |前言

Arduino编程语言是建立在C/C++语言基础上的，即以C/C++语言为基础，把AVR单片机（微控制器）相关的一些寄存器参数设置等进行函数化，以利于开发者更加快速地使用。其主要使用的函数包括数字I/O引脚操作函数、模拟I/O引脚操作函数、高级I/O引脚操作函数、时间函数、中断函数、通信函数和数学库等。

1| Arduino 基础语法

关键字：if、if…else、for、switch、case、while、do…while、break、continue、return、goto。

语法符号：每条语句以“；”结尾，每段程序以“{}”括起来。

数据类型：boolean、char、int、unsigned int、long、unsigned long、float、double、string、array、void。

常量：HIGH或者LOW，表示数字I/O引脚的电平，
HIGH表示高电平（1），LOW表示低电平（0）；
INPUT或者OUTPUT，表示数字I/O引脚的方向，
INPUT表示输入（高阻态），OUTPUT表示输出（AVR能提供5V电压，40mA电流）；
TRUE或者FALSE，TRUE表示真（1），FALSE表示假（0）。

程序结构：主要包括两部分，即void setup()和void loop()。
其中，前者是声明变量及引脚名称(如int val；int ledPin = 13 ) ，在程序开始时使用，初始化变量和引脚模式，调用库函数如pinMode(ledPin，OUTPUT)等，而void loop()用在setup()函数之后，不断地循环执行，是Arduino的主体。

2.| 数字I/O 引脚的操作函数

1. pinMode(pin, mode)
   pinMode函数用于配置引脚以及设置输出或输入模式，是一个无返回值函数。该函数有两个参数：pin和mode。pin参数表示要配置的引脚；mode参数表示设置该引脚的模式为INPUT（输入）或OUTPUT（输出）。

INPUT用于读取信号，OUTPUT用于输出控制信号。pin的范围是数字引脚0_{13，也可以把模拟引脚（A0}A5）作为数字引脚使用，此时编号为14的引脚对应模拟引脚0，编号为19的引脚对应模拟引脚5。该函数一般会放在setup（）里，先设置再使用。

2. digitalWrite(pin, value)
   该函数的作用是设置引脚的输出电压为高电平或低电平，也是一个无返回值的函数。
   pin参数表示所要设置的引脚；value参数表示输出的电压为HIGH（高电平）或LOW（低电平）。
   注意：使用前必须先用pinMode设置。

3)digitalRead(pin)
该函数在引脚设置为输入的情况下，可以获取引脚的电压情况：HIGH（高电平）或者LOW（低电平）。

数字I/O引脚操作使用例程：

int button = 9;       // 设置引脚9为按钮输入引脚
int LED=13;           // 设置引脚13为LED输出引脚，内部连接开发板上的LED

void setup(){
 pinMode(LED, OUTPUT);      // 设置为输出模式 
 pinMode(button, INPUT);     // 设置为输入模式
}

void loop(){
 if(digitalRead(button) == Low)    // 判断按钮引脚是否为低电平
     digitalWrite(LED, HIGH);        // 引脚13为高电平，LED灯亮
else
   digitalWrite(LED, LOW);        //    否则输出为低电平
}

3. 模拟I/O引脚的操作函数

1. analogReference(type)
   该函数用于配置模拟引脚的参考电压。
   它有三种类型：
   DEFAULT是默认模式，参考电压是5V；
   INTERNAL是低电压模式，使用片内基准电压源2.56V；
   EXTERNAL是扩展模式，通过AREF引脚获取参考电压。

注意：若不使用本函数，默认是参考电压5V。若使用AREF作为参考电压，需接一个5kΩ的上拉电阻。

2. analogRead(pin)

用于读取引脚的模拟量电压值，每读取一次需要花100μs的时间。参数pin表示所要获取模拟量电压值的引脚，返回为int型。它的精度为10位，返回值为0~1023。

注意：函数参数pin的取值范围是0_{5，对应开发板上的模拟引脚A0}A5。

3. analogWrite(pin,value)
   该函数是通过PWM（Pulse-Width Modulation，脉冲宽度调制）的方式在引脚上输出一个模拟量。PWM输出的一般形式，也就是在一个脉冲的周期内高电平所占的比例。它主要应用于LED亮度控制、直流电机转速控制等方面。

Arduino中的PWM的频率大约为490Hz，Arduino UNO开发板支持以下数字引脚（不是模拟输入引脚）作为PWM模拟输出：3、5、6、9、10、11。开发板带PWM输出的都有“~”号。

注意：PWM输出位数为8位，即0~255。

模拟I/O引脚的操作函数例程如下：

int sensor = A0;      //  规定传感器引脚
int LED=11;            //   规定输出引脚

void setup(){
  Serial.begin(9600);   //  设置采样频率
}
void loop(){
  int v;
  v = analogRead(sensor);    // 读取模拟量引脚的数据, 值域[0,1023]
  Serial.println(v, DEC);      // 打印数字
  analogWriter(LED,  v/4);     //  写入的值域[0,255]
}

4| 高级I/O 引脚的操作函数

PulseIn（pin，state，timeout）函数用于读取引脚脉冲的时间长度，脉冲可以是HIGH或者LOW。如果是HIGH，该函数首先等待引脚变为高电平，然后开始计时，直到变为低电平停止计时。返回脉冲持续的时间，单位为毫秒，如果超时没有读到时间，则返回0。

例程说明：做一个按钮脉冲计时器，测量按钮的持续时间，谁的反应最快，即谁按按钮时间最短。按钮接在引脚3。程序如下：

int button = 3;
int count;
void setup(){
pinMode(button, INPUT);
}
void loop(){
cout = pulseIn(button, HIGH);
  if(count !=0){
    Serial.println(count,DEC);
      count = 0;
}
}

5| 时间函数

1. delay()
   该函数是延时函数，参数是延时的时长，单位是ms（毫秒）。应用延时函数的典型例程是跑马灯的应用，使用Arduino开发板控制4个LED依次点亮。程序如下：

void setup(){
pinMode(6,OUTPUT);    // 定义引脚
pinMode(7,OUTPUT);
pinMode(8,OUTPUT);
pinMode(9,OUTPUT);
}
void loop(){
int i;
for(i =6; i<=9; i++){
digitalWrite(i,HIGH);     //设置数字信号量为高电平
delay(1000);                    //持续为1s
digitalWrite(i, LOW);   // 设置数字信号量为低电平
delay(1000);                   // 持续1s
}
}

2. delayMicroseconds()

delayMicroseconds()也是延时函数，不过单位是μs（微秒），1ms=1000μs。该函数可以产生更短的延时。

3. millis()
   millis()为计时函数，应用该函数可以获取单片机通电到现在运行的时间长度，单位是ms。系统最长的记录时间为9h22min，超出则从0开始。返回值是unsigned long型。

该函数适合作为定时器使用，不影响单片机的其他工作（而使用delay函数期间无法进行其他工作）。计时时间函数使用示例（延时10s后自动点亮LED）程序如下：

int LED=13;
unsigned long i,j;
void setup(){
pinMode(LED,OUTPUT);
i = millis();                       // 读入初始值
}
void loop(){
j = milis();                        // 不断读入当前时间值
  if((j-i) > 10000){           // 如果延时超过10s,点亮LED
digitWrite(LED, HIGH);
}
  else digitalWrite(LED, LOW);
}

4. micros()
   micros() 也是计时函数，该函数返回开机到现在运行的时间长度，单位为μs。返回值是unsigned long型，70min溢出。程序如下：

unsigned long time;
void setup(){
Serial.begin(9600);
}
void loop(){
Serial.print("Time:");
time = micros();
Serial.println(time);
delay(1000);
}

以下例程为跑马灯的另一种实现方式：

int LED=13;
unsigned long i,j;
void setup(){
pinMode(LED, OUTPUT);
i = micros();
}
void loop(){
j = micros();
    if((j-i)>10000){       、// 如果延时超过10s，点亮LED
  digitalWrite(LED, HIGH);
}
else digitalWrite(LED, LOW);
}

6| 中断函数

什么是中断？实际上在人们的日常生活中，中断很常见，如图1所示。

图1 中断程序

你在看书，电话铃响，于是在书上做个记号，去接电话，与对方通话；门铃响了，有人敲门，你让打电话的对方稍等一下，去开门，并在门旁与来访者交谈，谈话结束，关好门；回到电话机旁，继续通话，接完电话再回来从做记号的地方接着看书。

同样的道理，在单片机中也存在中断概念，如图2所示。在计算机或者单片机中中断是由于某个随机事件的发生，计算机暂停主程序的运行，转去执行另一程序（随机事件），处理完毕又自动返回主程序继续运行的过程。也就是说，高优先级的任务中断了低优先级的任务。在计算机中中断包括如下几部分：

图2

①中断源——引起中断的原因，或能发生中断申请的来源；
②主程序——计算机现行运行的程序；
③中断服务子程序——处理突发事件的程序。

1. attachinterrupt(interrupt, function, mode)
   该函数用于设置中断，函数有3个参数，分别表示中断源、中断处理函数和触发模式。中断源可选0或者1，对应2或者3号数字引脚。中断处理函数是一段子程序，当中断发生时执行该子程序部分。
   触发模式有四种类型：LOW（低电平触发）、CHANGE（变化时触发）、RISING（低电平变为高电平触发）、FALLING（高电平变为低电平触发）。
   例程功能如下：

volatile int state1 = LOW, state2= LOW;
int LED1 =4 ;
int LED2=5;
int LED3=13;
void setup(){
  pinMode(LED1,OUTPUT);
  pinMode(LED2, OUTPUT);
  pinMoed(LED3, OUTPUT);
}
void loop(){
digitalWrite(LED3,HIGH);
delay(500);
digitalWrite(LED3, LOW);
delay(500);
attachInterrupt(0, LED1_Change, LOW); //低电平触发
attachInterrupt(1, LED2_Change, CHANGE); //任意电平变化触发
}
void LED1_Change(){
state1 = !state1;
digitalWrite(LED1, state1);
delay(100);
}
void LED2_Change(){
state2 = !sate2;
digitalWrite(LED2, state2);
delay(100);
}

例程2：

volatile int state1=LOW, state2=LOW;
int LED1 = 4;
int LED2 = 5;
int LED3 = 13;
void setup(){
pinMode(LED1, OUTPUT);
pinMode(LED2, OUTPUT);
pinMode(LED3, OUTPUT);
attachInterrupt(0, LED1_Change, ROSING);     //电平上升沿触发
attachInterrupt(1, LED2_Change,FALLING);     //电平下降沿触发
}
void loop(){
digitalWrite(LED3, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(LED3, LOW);
delay(500);
}

void LED1_Change(){
state1 = !state1;
digitalWrite(LED1, state1);
delay(100);
}

void LED2_Change(){
state2 =!state2;
digitalWrite(LED2, state2);
delay(500);
}

2. detachInterrupt(interrupt)
   该函数用于取消中断，参数interrupt表示所要取消的中断源。

7| 串口通信函数

串行通信接口（serial interface）使数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信的接口，如图3所示。

串行通信接口

串行通信接口出现在1980年前后，数据传输率是115~230Kb/s。串行通信接口出现的初期是为了实现计算机外设的通信，初期串口一般用来连接鼠标和外置Modem、老式摄像头和写字板等设备。由于串行通信接口（COM）不支持热插拔及传输速率较低，因此目前部分新主板和大部分便携计算机已开始取消该接口，串口多用于工控和测量设备以及部分通信设备中，包括各种传感器采集装置、GPS信号采集装置、多个单片机通信系统、门禁刷卡系统的数据传输、机械手控制和操纵面板控制直流电机等，特别是广泛应用于低速数据传输的工程应用，主要函数如下：

1. Serial.begin()

该函数用于设置串口的波特率，即数据的传输速率，指每秒钟传输的符号个数。一般的波特率有9600、19200、57600、115200等。例如：Serial.begin（57600）

2. Serial.available()
   该函数用来判断串口是否收到数据，函数的返回值为int型，不带参数。

3. Serial.read()
   该函数不带参数，只将串口数据读入。返回值为串口数据，int型。

4. Serial.print()
   该函数向串口发送数据。可以发送变量，也可以发送字符串。

Serial.print("Hello world");
Serial.print(x, DEC);     // 以十进制发送变量x
Serial.print(x, HEX);    //以十六进制发送变量x

5. Serial.println()
   该函数与Serial.print()类似，只是多了换行功能。

串口通信函数使用例程：

int x=0;
void setup(){
Serial.begin(9600);
}
void loop(){
  if(Serial.available()){
      x = Serial.read();
      Serial.print("I have received:");
      Serial.println(x, DEC);
}
delay(200);
}