深入了解ArduinoC编程基础

### 深入了解Arduino C编程基础 #### 1. 第一个Arduino程序 在Arduino C编程中，我们首先来看一个简单的示例程序： ```cpp void setup() { // Start of setup() function body Serial.begin(115200);// Step 1, Initialization // Step 2, Input (the letters between the quotes) // Step 3. Process – Serial object formats data for display // Step 4. Output – Display the message on the monitor Serial.println("This is my first Arduino program!"); } // End of setup() function body void loop() { // Start of loop() function body } // End of loop() function body ``` 这个程序包含了`setup()`和`loop()`两个函数，这是每个Arduino程序都必须有的。 #### 2. `setup()`函数 `setup()`函数的作用是设置程序运行的环境，它在程序启动时只执行一次。在上述示例中，`Serial.begin(115200);`这一语句初始化了`Serial`对象，用于后续的数据传输，这里的`115200`是波特率。而`Serial.println("This is my first Arduino program!");`语句则完成了输入、处理和输出的过程： - **输入**：双引号内的字符序列是程序的输入数据。 - **处理**：`Serial`对象将这些字符转换为适合显示的格式，使用的是ASCII字符集。例如，显示器上显示的大写字母A，处理器看到的是整数值65。 - **输出**：`println()`方法将处理后的消息显示在`Serial`监视器上。 #### 3. `loop()`函数 `loop()`函数在`setup()`函数执行完毕后开始执行，并且会不断循环执行。在最初的示例中，`loop()`函数体为空，程序看似结束，但实际上Arduino程序会持续在空的`loop()`函数中循环，直到断电或出现组件故障。 我们可以通过修改程序来验证`loop()`函数的循环特性，将`setup()`函数中的最后一条语句移到`loop()`函数中： ```cpp void setup() { // Start of setup() function body Serial.begin(115200);// Step 1, Initialization // Step 2, Input (the letters between the quotes) // Step 3. Process – Serial object formats data for display // Step 4. Output – Display the message on the monitor } // End of setup() function body void loop() { // Start of loop() function body Serial.println("This is my first Arduino program!"); } // End of loop() function body ``` 重新编译并上传程序后，`Serial`监视器会不断显示消息，这表明`loop()`函数在不断重复执行。 `loop()`函数的这种特性在很多实际应用中非常有用。例如，在一个有100个火灾传感器的建筑物中，程序可以在`loop()`函数中不断循环读取每个传感器的数据： ```cpp void loop() { int sensorIndex; int fire; for (sensorIndex = 1; sensorIndex <= 100; sensorIndex = sensorIndex + 1) { fire = ReadSensor(sensorIndex); // Return 1 if fire, 0 otherwise if (fire == 1) { // If fire, do the following statements... SoundAlarm(); TurnOnSprinklerSystem(); CallFireDepartment(); WaitForAllClear(); } // If fire equals 0, go read the next sensor } } ``` 这个程序会不断循环检查每个传感器，直到检测到火灾或出现其他异常情况。 #### 4. Arduino程序要求 - 每个Arduino程序必须有`setup()`函数，用于初始化。 - `setup()`函数在程序启动时只执行一次。 - 每个Arduino程序必须有`loop()`函数，用于重复执行任务。 - `loop()`函数会不断循环，直到断电、程序重置或组件故障。 #### 5. 示例程序流程图 ```mermaid graph TD; A[开始] --> B[执行setup()函数]; B --> C[初始化Serial对象]; C --> D[输入数据]; D --> E[处理数据]; E --> F[输出数据到监视器]; F --> G[执行loop()函数]; G --> H{是否有任务}; H -- 是 --> I[执行任务]; I --> G; H -- 否 --> G; ``` #### 6. Blink程序 Arduino IDE自带了许多示例程序，其中一个是Blink程序。要加载Blink程序，可通过`File ➤ Examples ➤ Basics ➤ Blink`菜单序列操作。其源代码如下： ```cpp /* Blink Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly. Most Arduinos have an on-board LED you can control. On the Uno and Leonardo, it is attached to digital pin 13. If you're unsure what pin the on-board LED is connected to on your Arduino model, check the documentation at http://arduino.cc This example code is in the public domain. modified 8 May 2014 by Scott Fitzgerald */ // the setup function runs once when you press reset or power the board void setup() { // initialize digital pin 13 as an output. pinMode(13, OUTPUT); } // the loop function runs over and over again forever void loop() { digitalWrite(13, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level) delay(1000); // wait for a second digitalWrite(13, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW delay(1000); // wait for a second } ``` #### 7. 程序注释 程序注释用于解释代码的功能和意图，帮助他人（也包括自己）理解代码。注释分为单行注释和多行注释： - **单行注释**：以`//`开头，从`//`到行末的内容都是注释，编译器会忽略这些内容。例如：`// Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards.` - **多行注释**：以`/*`开头，以`*/`结尾，可以跨越多行。例如： ```cpp /* Blink Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly. Most Arduinos have an on-board LED you can control. On the Uno and Leonardo, it is attached to digital pin 13. If you're unsure what pin the on-board LED is connected to on your Arduino model, check the documentation at http://arduino.cc This example code is in the public domain. modified 8 May 2014 by Scott Fitzgerald */ ``` 注释的使用需要适度，过多或过少的注释都不利于代码的理解。一般来说，在函数块前或执行特殊操作的代码行前使用多行注释，在需要解释的特殊代码行使用单行注释。例如： ```cpp x = y * .5; // Divide the number in half ``` #### 8. `setup()`函数在Blink程序中的作用 在Blink程序中，`setup()`函数只有一条语句`pinMode(13, OUTPUT);`，它调用了`pinMode()`函数，该函数是Arduino IDE提供的标准函数库中的函数，用于设置引脚的使用方式。这里将引脚13设置为输出引脚，因为大多数Arduino板的引脚13连接着一个内置LED，通过设置为输出引脚，就可以通过软件控制LED的开关。 #### 9. 查找库函数信息 如果想了解Arduino标准库中某个函数的详细信息，可以访问`http://arduino.cc/en/Reference/HomePage`。在搜索框中输入函数名（如`pinMode()`），点击放大镜图标进行搜索，搜索结果通常会显示相关的Google页面。也可以通过双击函数名并右键选择`Find in Reference`来查找详细描述。 #### 10. 引脚设置总结 | 引脚设置 | 描述 | | ---- | ---- | | `pinMode(13, OUTPUT);` | 将引脚13设置为输出引脚 | | `pinMode(13, INPUT);` | 将引脚13设置为输入引脚 | #### 11. 注意事项 - 对于一些没有内置LED的“自制”Arduino板，可以将LED的阳极连接到引脚13，阴极通过一个220 - 1000欧姆的电阻连接到地，这样在运行Blink程序时，外部LED也会闪烁。 - `setup()`函数在程序启动时只执行一次，如果需要再次执行，可按下开发板的复位按钮或重新上电。在大多数较新的Arduino板上，每次从PC上传新的程序代码时，`setup()`函数会自动调用。 ### 深入了解Arduino C编程基础（续） #### 12. 深入理解`loop()`函数在Blink程序中的应用 在Blink程序里，`loop()`函数实现了LED的闪烁效果。其代码如下： ```cpp // the loop function runs over and over again forever void loop() { digitalWrite(13, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level) delay(1000); // wait for a second digitalWrite(13, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW delay(1000); // wait for a second } ``` 这个`loop()`函数的执行流程如下： - 首先，`digitalWrite(13, HIGH);`将引脚13的电压设置为高电平，从而点亮连接在该引脚的LED。 - 接着，`delay(1000);`让程序暂停1000毫秒（即1秒），使LED保持点亮状态。 - 然后，`digitalWrite(13, LOW);`将引脚13的电压设置为低电平，熄灭LED。 - 最后，再次使用`delay(1000);`让程序暂停1秒，使LED保持熄灭状态。 之后，`loop()`函数会不断重复这个过程，从而实现LED的闪烁效果。 #### 13. 程序执行流程图 ```mermaid graph TD; A[开始] --> B[执行setup()函数]; B --> C[设置引脚13为输出]; C --> D[执行loop()函数]; D --> E[点亮LED]; E --> F[延时1秒]; F --> G[熄灭LED]; G --> H[延时1秒]; H --> D; ``` #### 14. 常见函数总结 | 函数 | 描述 | | ---- | ---- | | `Serial.begin(115200);` | 初始化`Serial`对象，设置波特率为115200 | | `Serial.println("message");` | 输出消息到`Serial`监视器 | | `pinMode(pin, OUTPUT);` | 将指定引脚设置为输出引脚 | | `pinMode(pin, INPUT);` | 将指定引脚设置为输入引脚 | | `digitalWrite(pin, HIGH);` | 将指定引脚的电压设置为高电平 | | `digitalWrite(pin, LOW);` | 将指定引脚的电压设置为低电平 | | `delay(milliseconds);` | 让程序暂停指定的毫秒数 | #### 15. 代码优化建议 - **减少魔法数字**：在代码中直接使用数字（如13、1000）会降低代码的可读性。可以使用常量或变量来代替这些数字，例如： ```cpp const int LED_PIN = 13; const int DELAY_TIME = 1000; void setup() { pinMode(LED_PIN, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(LED_PIN, HIGH); delay(DELAY_TIME); digitalWrite(LED_PIN, LOW); delay(DELAY_TIME); } ``` 这样，代码的含义更加清晰，后续修改也更加方便。 - **添加注释**：虽然前面已经提到注释的重要性，但在代码优化时，更要注意注释的使用。例如，在关键代码行或函数前添加注释，解释其功能和目的。 #### 16. 实际应用场景拓展 - **传感器监测**：除了火灾传感器监测，还可以使用`loop()`函数实现其他传感器的监测，如温度传感器、湿度传感器等。例如，每隔一段时间读取一次传感器数据，并根据数据做出相应的处理。 ```cpp const int SENSOR_PIN = A0; void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { int sensorValue = analogRead(SENSOR_PIN); Serial.print("Sensor Value: "); Serial.println(sensorValue); delay(1000); } ``` - **控制多个设备**：可以在`loop()`函数中控制多个设备的运行。例如，同时控制多个LED的闪烁，或者控制电机的转动。 #### 17. 总结 通过对Arduino C编程基础的学习，我们了解了`setup()`和`loop()`函数的重要性，掌握了程序注释的使用方法，学会了如何设置引脚和调用标准库函数。同时，我们还通过Blink程序和其他示例代码，深入理解了这些知识在实际应用中的使用。在编写Arduino程序时，要注意代码的可读性和可维护性，合理使用注释和常量，避免使用魔法数字。通过不断实践和学习，我们可以开发出更加复杂和实用的Arduino项目。 #### 18. 实践建议 - **自己动手编写代码**：不要只是阅读示例代码，要亲自编写一些简单的程序，如控制LED闪烁、读取传感器数据等，通过实践加深对知识的理解。 - **修改示例代码**：尝试对现有的示例代码进行修改，改变参数或添加功能，观察程序的运行结果，从而更好地掌握代码的工作原理。 - **参考其他项目**：在网络上搜索其他Arduino项目，学习他人的代码和设计思路，从中获取灵感和经验。