Arduino Uno 基础教程：从零开始学习 – wiki基地

Arduino Uno 基础教程：从零开始学习

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引言

欢迎来到令人兴奋的 Arduino 世界！如果你对电子制作、编程以及创造互动装置充满好奇，那么 Arduino Uno 是你开启这段旅程的完美起点。本教程旨在为完全没有基础的初学者提供一份详尽的指南，从认识 Arduino Uno 开始，逐步学习如何搭建电路、编写代码，并最终完成你的第一个互动项目。

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第一章：了解 Arduino Uno

什么是 Arduino？

Arduino 是一个开源的电子原型平台，它包括一块易于使用的硬件电路板（微控制器）和一套用于编写代码的软件（IDE）。它的设计理念是让艺术家、设计师、业余爱好者和任何感兴趣的人都能轻松地创建交互式项目。

为什么选择 Arduino Uno？

Arduino Uno 是 Arduino 系列中最经典、最受欢迎的型号之一。它功能强大、价格实惠、资料丰富、社区活跃，是初学者入门的首选。它的名字“Uno”在意大利语中意为“一”，象征着它是 Arduino 系列的初代产品。

Arduino Uno 板载组件一览

(请注意：此图片仅为示意，实际布局可能略有差异)

1. USB 接口 (USB Port): 用于连接电脑，为 Arduino 供电并上传程序。
2. 电源接口 (Power Jack): 当不连接电脑时，可外接 7-12V 的直流电源为 Arduino 供电。
3. 复位按钮 (Reset Button): 重启 Arduino 板上的程序。
4. 数字引脚 (Digital Pins 0-13): 可配置为输入或输出，用于控制 LED、读取按钮状态等。带有波浪线 (~) 的引脚 (3, 5, 6, 9, 10, 11) 支持 PWM (脉冲宽度调制)，可用于模拟输出效果（如 LED 亮度调节）。
5. 模拟引脚 (Analog Pins A0-A5): 主要用于读取模拟信号，如传感器（光敏电阻、温度传感器）的输出。
6. 微控制器 (Microcontroller – ATmega328P): Arduino 的“大脑”，负责执行你上传的程序。
7. 电源引脚 (Power Pins): 提供 3.3V, 5V 电压输出、GND (地线) 和 Vin (外部供电输入)。
8. ICSP 引脚 (In-Circuit Serial Programming): 用于直接对微控制器进行编程。
9. LED 指示灯:
   • TX/RX: 数据传输指示灯。
   • L: 连接到数字引脚 13 的板载 LED，可用于测试。
   • ON: 电源指示灯。

技术规格概览

• 微控制器: ATmega328P
• 工作电压: 5V
• 输入电压 (推荐): 7-12V
• 数字 I/O 引脚: 14 (其中 6 个支持 PWM 输出)
• 模拟输入引脚: 6
• DC 数字 I/O 引脚电流: 20 mA
• DC 3.3V 引脚电流: 50 mA
• 闪存 (Flash Memory): 32 KB (ATmega328P), 其中 0.5 KB 用于引导加载程序 (bootloader)
• SRAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• 时钟速度: 16 MHz

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第二章：准备你的工作环境

在开始编程之前，我们需要安装 Arduino IDE（集成开发环境）。

1. 下载和安装 Arduino IDE

访问 Arduino 官方网站：https://www.arduino.cc/en/software
根据你的操作系统（Windows, macOS, Linux）下载最新版本的 Arduino IDE。下载后，按照提示进行安装。

2. 安装驱动程序

• Windows 用户: 通常，当你第一次将 Arduino Uno 连接到电脑时，系统会自动安装驱动程序。如果没有自动安装或安装失败，你可以在 Arduino IDE 的安装目录下找到 drivers 文件夹，手动运行里面的安装程序。
• macOS / Linux 用户: 大多数情况下无需额外安装驱动。

3. 连接 Arduino Uno

用 USB 数据线将 Arduino Uno 连接到你的电脑。连接成功后，Arduino Uno 板上的绿色“ON”指示灯会亮起。

4. 配置 Arduino IDE

打开 Arduino IDE，进行以下设置：

• 选择开发板:
  • 点击菜单栏的 工具 (Tools) -> 开发板 (Board)。
  • 在列表中选择 Arduino AVR Boards -> Arduino Uno。
• 选择端口:
  • 点击菜单栏的 工具 (Tools) -> 端口 (Port)。
  • 选择与 Arduino Uno 对应的串口。在 Windows 系统中通常显示为 COMX (X是一个数字)，在 macOS 和 Linux 中通常是 /dev/cu.usbmodemXXXX 或 /dev/ttyUSBX。如果只有一个新出现的端口，那很可能就是它。

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第三章：第一个项目：LED 闪烁 (Blink)

这是所有微控制器入门教程的“Hello World”项目。它将点亮一个 LED，等待一秒，然后熄灭，再等待一秒，如此循环。

所需组件

• Arduino Uno 板 x1
• 面包板 (可选，但推荐) x1
• LED (发光二极管) x1 (任何颜色都可以)
• 220Ω 电阻 x1 (或 150Ω – 330Ω 之间，用于限流保护 LED)
• 杜邦线 (Jump Wires) x2

电路连接

LED 有长短两根引脚。长引脚是正极 (阳极)，短引脚是负极 (阴极)。电流应从长引脚流入，短引脚流出。电阻器没有正负极之分。

1. 将电阻器的一端连接到 Arduino Uno 的数字引脚 13。
2. 将电阻器的另一端连接到 LED 的长引脚 (阳极)。
3. 将 LED 的短引脚 (阴极) 连接到 Arduino Uno 的 GND (地线) 引脚。

如果你使用面包板，连接会更整洁方便：
* 数字引脚 13 -> 杜邦线 -> 面包板任意孔
* 面包板同排孔 -> 电阻 -> 面包板另一排孔
* 面包板同排孔 -> LED 长引脚
* LED 短引脚 -> 杜邦线 -> 面包板任意孔
* 面包板同排孔 -> 杜邦线 -> Arduino Uno 的 GND 引脚

编写代码 (Sketch)

Arduino 程序被称为“Sketch”。每个 Sketch 至少包含两个基本函数：setup() 和 loop()。

• setup(): 这个函数在 Arduino 板启动时执行一次，通常用于初始化引脚模式、串口通信等。
• loop(): 这个函数在 setup() 执行完后无限循环执行，是程序的主体部分。

将以下代码复制粘贴到 Arduino IDE 中：

“`cpp
// 定义 LED 连接的引脚
const int ledPin = 13; // 将板载LED连接到数字引脚13

void setup() {
// 初始化数字引脚13为输出模式。
pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

// loop 函数将无限循环运行
void loop() {
digitalWrite(ledPin, HIGH); // 将引脚13设置为高电平（打开 LED）
delay(1000); // 暂停 1000 毫秒（1秒）
digitalWrite(ledPin, LOW); // 将引脚13设置为低电平（关闭 LED）
delay(1000); // 暂停 1000 毫秒（1秒）
}
“`

代码解释

• const int ledPin = 13;: 声明一个常量整数变量 ledPin 并赋值为 13。这使得代码更易读，你可以通过 ledPin 来指代引脚 13。
• pinMode(ledPin, OUTPUT);: pinMode() 函数用于设置特定引脚的工作模式。ledPin (即引脚 13) 被设置为 OUTPUT（输出模式），意味着我们将通过它来控制输出电压。
• digitalWrite(ledPin, HIGH);: digitalWrite() 函数用于向数字引脚写入高电平或低电平。HIGH 表示 5V 电压，这将点亮 LED。
• delay(1000);: delay() 函数会暂停程序的执行指定毫秒数。1000 毫秒等于 1 秒。
• digitalWrite(ledPin, LOW);: LOW 表示 0V 电压，这将关闭 LED。

上传代码

1. 点击 Arduino IDE 左上角的“对勾”图标 (Verify) 来编译代码，检查是否有语法错误。
2. 编译成功后，点击右侧的“右箭头”图标 (Upload) 将代码上传到 Arduino Uno。
3. 上传过程中，TX/RX 指示灯会闪烁。上传成功后，你将看到 LED 开始以一秒的间隔闪烁。

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第四章：理解基础编程概念

在 Arduino 编程 (基于 C/C++) 中，有一些核心概念需要掌握：

1. 变量和数据类型

变量是用于存储数据的命名存储位置。数据类型定义了变量可以存储的数据种类。

• int: 存储整数 (如 1, 100, -5)。
• float: 存储浮点数 (带小数点的数字，如 3.14, -0.5)。
• char: 存储单个字符 (如 'A', 'z')。
• boolean: 存储布尔值 (true 或 false)。
• long: 存储更大的整数。
• byte: 存储 0 到 255 之间的无符号整数。

示例:
cpp
int sensorValue = 0;
float temperature = 25.5;
bool isActive = true;

2. 控制结构

控制结构决定了程序的执行流程。

• 条件语句 (if/else): 根据条件执行不同的代码块。
  cpp
if (sensorValue > 500) {
// 执行某些操作
} else {
// 执行其他操作
}

• 循环语句 (for, while): 重复执行一段代码。
  “`cpp
  // for 循环：从 0 到 9 循环 10 次
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
  // …
  }

  // while 循环：当条件为真时持续循环
  while (digitalRead(buttonPin) == LOW) {
  // …
  }
  “`

3. 函数

函数是一段可重复使用的代码，用于执行特定任务。setup() 和 loop() 就是两个特殊的函数。

自定义函数示例:
“`cpp
void turnOnLED(int pinNumber) {
digitalWrite(pinNumber, HIGH);
delay(500);
}

void loop() {
turnOnLED(13);
turnOnLED(12);
}
“`

4. 数字 I/O 与模拟 I/O

• 数字 I/O (Digital Input/Output): 处理离散信号，只有两种状态：HIGH (高电平，通常为 5V) 或 LOW (低电平，通常为 0V)。适用于开关、LED、蜂鸣器等。
  • digitalRead(pin): 读取数字引脚的状态。
  • digitalWrite(pin, state): 向数字引脚写入高或低电平。
• 模拟 I/O (Analog Input/Output): 处理连续变化的信号。
  • analogRead(pin): 读取模拟引脚的电压值 (0-5V 对应 0-1023)。适用于光敏电阻、电位器、温度传感器等。
  • analogWrite(pin, value): 通过 PWM 方式模拟输出电压 (0-255)。适用于 LED 亮度调节、电机速度控制等 (仅限 PWM 引脚)。

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第五章：进阶项目示例 (简述)

掌握了基础知识后，你可以尝试更多有趣的 Arduino 项目：

1. 读取模拟输入 – 电位器控制 LED 亮度: 连接一个电位器到模拟引脚，读取其旋转角度，然后用 analogWrite() 控制 LED 亮度。
2. 控制舵机 (Servo Motor): 使用 Servo 库，通过数字引脚控制舵机的角度，实现精确的位置控制。
3. 使用光敏电阻检测光线: 连接一个光敏电阻到模拟引脚，读取环境光强度，并根据光照变化做相应动作。
4. LCD 液晶显示屏: 连接一个字符型 LCD 显示屏，在上面显示文字、传感器读数等信息。
5. 按钮控制: 连接一个按钮到数字引脚，通过 digitalRead() 检测按钮按下状态，控制其他组件。

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第六章：常见问题与故障排除

在学习过程中，你可能会遇到一些问题，以下是常见的一些情况及其解决方案：

• Arduino IDE 无法上传程序 / 提示“Board at COMx is not available”:
  • 确保已正确选择开发板 (Arduino Uno) 和端口 (COMx)。
  • 检查 USB 数据线是否连接牢固，尝试更换数据线或 USB 端口。
  • 驱动程序可能未正确安装，请尝试重新安装驱动。
  • 其他程序（如串口助手）可能占用了串口，请关闭它们。
• LED 不亮或亮度很低:
  • 检查 LED 的正负极是否接反。
  • 检查电阻值是否过大，220Ω 是一个比较安全的常用值。
  • 检查所有连接线是否牢固，是否有虚接。
  • 确认代码中 digitalWrite(ledPin, HIGH); 是否正确执行。
• 程序上传成功，但 Arduino 没有按预期工作:
  • 仔细检查电路连接，确保与你的代码逻辑一致。
  • 检查代码是否存在逻辑错误，使用 Serial.print() 在串口监视器中打印变量值，帮助调试。
  • 确认传感器或执行器（如电机）的供电是否正确、充足。

使用串口监视器 (Serial Monitor) 调试

Arduino IDE 内置了一个非常强大的调试工具——串口监视器。它允许你的 Arduino 板通过 USB 线与电脑进行串口通信，在电脑上显示信息，这对于查看传感器读数、变量值等非常有用。

1. 在 setup() 函数中添加 Serial.begin(9600); 来初始化串口通信 (9600 是波特率，通信速度)。
2. 在程序中需要输出信息的地方，使用 Serial.print("Hello, World!"); 或 Serial.println(variableName);。
3. 上传代码后，点击 Arduino IDE 右上角的“放大镜”图标打开串口监视器。

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结语

恭喜你完成了 Arduino Uno 的入门学习！你已经掌握了连接硬件、编写代码和上传程序的初步技能。这仅仅是一个开始，Arduino 的世界充满了无限可能。

下一步：

• 尝试更多官方示例: Arduino IDE 提供了大量内置示例 (文件 (File) -> 示例 (Examples))，涵盖了各种传感器和执行器。
• 探索传感器和模块: 购买一些常见的传感器模块（如超声波传感器、蜂鸣器、温湿度传感器）并尝试与 Arduino 连接。
• 加入社区: 访问 Arduino 官方论坛、中文社区或在线学习平台，与其他爱好者交流，获取帮助和灵感。
• 学习 C/C++ 基础: 如果你对编程更感兴趣，深入学习 C/C++ 语言的基础知识将非常有帮助。

祝你在 Arduino 的创意之旅中玩得开心！