基于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì) Arduino 入門套件作了相關(guān)介紹，開(kāi)啟創(chuàng)客世界大門

市面上約有數(shù)百種資源專門面向“創(chuàng)客”，這些人希望學(xué)習(xí)如何構(gòu)建設(shè)備，以此感知并響應(yīng)周圍環(huán)境。事實(shí)證明，對(duì)于非工程師和工程師而言，這是一種創(chuàng)造性的亞文化——倡導(dǎo)每個(gè)人都參與學(xué)習(xí)、相互指導(dǎo)，融入這個(gè)由電子產(chǎn)品、控制系統(tǒng)、微型計(jì)算機(jī)、傳感器和致動(dòng)器構(gòu)成的世界。想要涉足這個(gè)世界，最簡(jiǎn)單的方法之一是使用創(chuàng)客代表Arduino推出的入門套件。

Arduino 的微控制器板及其相關(guān)軟件在其開(kāi)源硬件和軟件社區(qū)推廣銷售。這些電子電路板具有微控制器，支持隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM)、只讀存儲(chǔ)器 (ROM) 和集成電路 (IC)，形成開(kāi)源電子原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)。這些平臺(tái)包含所有必需的組件，發(fā)燒友公眾號(hào)回復(fù)資料和郵箱地址可以獲取電子資料一份。可供完成一系列具有完善文檔說(shuō)明的創(chuàng)客項(xiàng)目。

本文作者（一名工程師）基于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)Arduino 入門套件作了相關(guān)介紹。

Arduino 入門套件

Arduino 入門套件包含啟動(dòng)和運(yùn)行 15 個(gè)項(xiàng)目所需的所有組件（圖 1）。

圖 1：Arduino 入門套件結(jié)合 Arduino UNO 微控制器板與一系列電子元器件，并隨附一本 171 頁(yè)的“Arduino Projects Book”（《Arduino 項(xiàng)目手冊(cè)》），為用戶開(kāi)啟互動(dòng)電子產(chǎn)品世界的大門。（圖片來(lái)源：Arduino）

該入門套件使用常用的Arduino UNO微控制器板，該板基于Microchip Technology的ATmega328P微控制器 IC（圖 2）。

圖 2：Arduino UNO 板包含支持 ATmega328P 微控制器所需的所有元件。（圖片來(lái)源：Arduino，Digi-Key Electronics 注釋）

UNO 板具有 14 個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳，其中 6 個(gè)支持脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 以控制 LED 亮度和音量。此外，還有 6 個(gè)模擬輸入由逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 提供支持；該轉(zhuǎn)換器具有 10 位分辨率，全分辨率下的轉(zhuǎn)換速率為 15 kS/s。內(nèi)置時(shí)鐘具有獨(dú)立的 16 MHz 石英晶體。為便于連接計(jì)算機(jī)，還提供 USB 端口。用戶既可以選擇由 USB 端口供電，也可通過(guò)板載電源插孔供電，該電路板可自動(dòng)選擇電源。

雖然 UNO 的板載引導(dǎo)程序可用于正常編程，但也可通過(guò)旁路繞過(guò)，從而可通過(guò)在線串行編程 (ICSP) 接口對(duì)微控制器進(jìn)行編程。最后，UNO 板具有復(fù)位按鈕，必要時(shí)可以輕松恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)。

ATmega328P 處理器是一款低功耗 8 位微控制器，采用增強(qiáng)型精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) (RISC) 架構(gòu)（圖 3）。RISC 架構(gòu)使用單時(shí)鐘周期指令，因而執(zhí)行吞吐率相當(dāng)高。

圖 3：Arduino UNO 使用的 8 位 ATmega328P 微控制器功能框圖。該電路板基于 RISC 架構(gòu)，使用單周期指令，執(zhí)行速度快。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

ATmega328P 的板載存儲(chǔ)器采用非易失性存儲(chǔ)器區(qū)塊形式，包括 32 KB 的閃存程序存儲(chǔ)器，1 KB 的電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 (EEPROM)，以及 2 KB 的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (SRAM)。Arduino UNO 的 ATmega328 可通過(guò)引導(dǎo)程序預(yù)編程，讓用戶可以直接上傳新代碼，無(wú)需使用外部硬件編程器。引導(dǎo)程序占用 500 字節(jié)閃存程序存儲(chǔ)器。該芯片包含多個(gè)串行數(shù)據(jù)接口，包括通用異步接收器發(fā)送器 (UART)、串行外設(shè)接口 (SPI) 和雙線接口，即內(nèi)部集成電路 (I2C) 總線。

Arduino 入門套件有五種不同的語(yǔ)言版本。該套件包含 Arduino UNO 微控制器板和構(gòu)建 15 個(gè)不同項(xiàng)目所需的所有組件。171 頁(yè)的 Arduino Projects Book 可指導(dǎo)用戶完成這些項(xiàng)目。這本書介紹了使用 Arduino UNO 作為所有項(xiàng)目核心所需的硬件和軟件元素。

清晰解釋設(shè)備和術(shù)語(yǔ)

初涉電子和編程世界時(shí)，初學(xué)者經(jīng)常遇到的問(wèn)題之一就是對(duì)相關(guān)設(shè)備和術(shù)語(yǔ)不熟悉。Arduino Projects Book 一書開(kāi)篇就介紹了套件中的各種元器件，包括 134 種電子元器件以及 Arduino UNO 板，從而解決了這一問(wèn)題。在這一章節(jié)中，展示了每種元器件的圖片，并分別描述了器件功能。該章節(jié)的末尾列出了各種元器件的原理圖符號(hào)。

由于初學(xué)者可能還不熟悉電子原型開(kāi)發(fā)板或試驗(yàn)板，因此該手冊(cè)用一個(gè)章節(jié)詳細(xì)說(shuō)明了如何在隨附的試驗(yàn)板上以無(wú)焊接方式連接組件。該章節(jié)以圖示描繪了試驗(yàn)板的導(dǎo)電條，并說(shuō)明了電源總線的運(yùn)行方式。用戶若是首次使用套件中的原型開(kāi)發(fā)板，就能以此消除困惑。

Projects Book 介紹了一般元器件后，簡(jiǎn)要概述了 UNO 板的布局，其中著重介紹了電路板的接口、指示器和交互式開(kāi)關(guān)。該章節(jié)中列舉的硬件術(shù)語(yǔ)表涵蓋了后續(xù)章節(jié)中使用的術(shù)語(yǔ)。

下一章節(jié)介紹了在 Windows、Mac 或 Linux 操作系統(tǒng)中設(shè)置 Arduino 軟件的基本方法。使用的主要軟件是Arduino 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，可以從 Arduino 網(wǎng)站下載。IDE 軟件環(huán)境中創(chuàng)建的可執(zhí)行代碼可直接加載至 Arduino UNO 板。

著手構(gòu)建項(xiàng)目

加載 IDE 軟件后，該手冊(cè)介紹了通過(guò) USB 連接建立主機(jī)與 UNO 板通信的具體步驟。此外，如果遇到任何困難，該手冊(cè)也提供了 Arduino 故障排除和 IDE 參考章節(jié)的相關(guān)參考鏈接。此時(shí)，用戶就可以開(kāi)始構(gòu)建項(xiàng)目了。

針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目，手冊(cè)中都詳細(xì)說(shuō)明了如何選擇所需的元器件（每個(gè)項(xiàng)目都專門以圖示列出各組件）以及如何在原型開(kāi)發(fā)板上連接各組件。例如，項(xiàng)目 02 稱作“太空船界面”，連接一個(gè)開(kāi)關(guān)和三個(gè) LED，創(chuàng)建“控制面板”，按下開(kāi)關(guān)即可確定觸發(fā)哪個(gè) LED。該手冊(cè)中的每個(gè)項(xiàng)目說(shuō)明中都提供了完成該項(xiàng)目所需的預(yù)計(jì)用時(shí) - 這個(gè)項(xiàng)目為 45 分鐘。項(xiàng)目 02 的“組件列表”包括一個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)、三個(gè) LED、三個(gè) 220 Ω 電阻和一個(gè) 10 kΩ 電阻。在原型開(kāi)發(fā)試驗(yàn)板上，可使用已剝皮的預(yù)截?cái)嗫缃泳€來(lái)連接電路。該章節(jié)特地使用一頁(yè)的篇幅，指導(dǎo)初學(xué)者如何識(shí)別電阻的顏色代碼，以便將來(lái)獨(dú)立構(gòu)建項(xiàng)目時(shí)使用。

電路接線與 Projects Book 插圖，如圖 4 所示。Project Book 顯示了實(shí)物接線圖和原理圖。通過(guò)比較兩張圖片，用戶可快速學(xué)習(xí)原理圖符號(hào)的含義以及如何連接各組件。

圖 4：Projects Book 的接線說(shuō)明和原型開(kāi)發(fā)板與 UNO 板的實(shí)際接線。相關(guān)說(shuō)明以實(shí)物圖和原理圖兩種形式呈現(xiàn)。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

軟件是構(gòu)建該項(xiàng)目的最后階段。Arduino UNO 板的 ATmega328P 等微控制器使用的編程指令較為低級(jí)，即機(jī)器代碼。機(jī)器代碼本質(zhì)上是用于控制內(nèi)部硬件的一系列二進(jìn)制數(shù)。但是，機(jī)器代碼無(wú)需手動(dòng)編寫。系統(tǒng)使用高級(jí)語(yǔ)言編程，然后分幾步轉(zhuǎn)換為微控制器可處理的二進(jìn)制命令，從而顯著簡(jiǎn)化編程過(guò)程。如前所述，用于執(zhí)行該操作的工具是 Arduino 集成 IDE。

項(xiàng)目 02 對(duì)軟件代碼作了進(jìn)一步說(shuō)明，Arduino 將其稱作“草圖”。其中詳細(xì)介紹草圖的每個(gè)必需步驟，解釋編碼語(yǔ)句將執(zhí)行的操作（圖 5）。

圖 5：Arduino IDE 程序編輯器中的項(xiàng)目 02 程序或“草圖”。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

用戶可以手動(dòng)輸入代碼，也可以從“File”（文件）下拉菜單下載代碼（圖 6）。

圖 6：Arduino IDE 中提供了所有項(xiàng)目的草圖。用戶可以選擇相應(yīng)草圖或手動(dòng)輸入代碼（若需要）。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

輸入代碼后，可以在 IDE 界面中的“Sketch”（草圖）下拉菜單，使用“Verify/Compile”（驗(yàn)證/編譯）進(jìn)行編譯。編譯器將檢查代碼的語(yǔ)法及其他錯(cuò)誤。編譯完成后，IDE 界面將有所指示，此時(shí)即可將代碼加載到 UNO 板的閃存程序存儲(chǔ)器中。加載功能也可從“Sketch”（草圖）下拉菜單啟動(dòng)。UNO 板編程完畢后，綠色 LED 點(diǎn)亮。按下按鈕開(kāi)關(guān)，綠色 LED 熄滅，紅色 LED 閃爍。

以上步驟雖簡(jiǎn)單卻隱含了大量編程技巧，如匯編、鏈接和加載，將高級(jí)命令轉(zhuǎn)譯為二進(jìn)制代碼以運(yùn)行微控制器。隨著時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)的累積，初學(xué)者將獲得這些知識(shí)，但此時(shí)無(wú)需多慮，盡管享受個(gè)中樂(lè)趣。

此時(shí)，Projects Book 提出一些問(wèn)題，讓用戶思考如何修改程序，并邀請(qǐng)用戶使用草圖測(cè)試程序。隨著用戶參照手冊(cè)實(shí)踐的項(xiàng)目增多，電路和程序的復(fù)雜性也相應(yīng)增加，從而使用戶累積更多經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)大知識(shí)面。

總結(jié)

憑借開(kāi)源原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)、各種電子元器件和易用型軟件，Arduino 入門套件擁有工程師和非工程師初涉電子創(chuàng)客世界所需的所有工具。