Arduino的原理及應用

摘要：Arduino是目前較為流行的電子互動(dòng)平臺，基于單片機系統開(kāi)發(fā)，具有使用簡(jiǎn)單、功能多樣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于電子系統設計和互動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面。文中詳細介紹了Arduino的功能特點(diǎn)、基本結構，并通過(guò)LEO控制電路的應用給出了具體的使用方法。
關(guān)鍵詞：電子設計；控制電路；Arduino；LED

Arduino是2005年1月由米蘭交互設計學(xué)院的兩位教師David Cuartielles和Massimo Banzi聯(lián)合創(chuàng )建，是一塊基于開(kāi)放原始代碼的Simple I／O平臺，該平臺由兩部分組成：硬件(包括微處理器、電路板等)和軟件(編程接口和語(yǔ)言)。平臺的兩部分都是開(kāi)源的，如果需要，可以下載Arduino的圖表、購買(mǎi)需要的所有獨立部件、切割電路板并制作一個(gè)電路板。Arduino具有類(lèi)似java、C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境?？梢钥焖偈褂肁rdu ino語(yǔ)言與Flash或Processing等軟件完成互動(dòng)作品。Arduino能夠使用開(kāi)發(fā)完成的電子元件，如Switch、Sensors或其它控制器、LED、步進(jìn)電機或其它輸入／輸出裝置，同時(shí)，Arduino也可以成為獨立與軟件溝通的平臺，如flash、Processing、Max／MSP或其它互動(dòng)軟件。

1 功能特點(diǎn)
Arduino在開(kāi)發(fā)之初，就明確了其應用環(huán)境，設計了開(kāi)源開(kāi)放的平臺，便于對其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。Arduino的主要功能特點(diǎn)如下：
1)開(kāi)放源代碼的電路圖設計。程序開(kāi)發(fā)接口免費下載，也可依需求自己修改。
2)使用低價(jià)格的微處理控制器(ATmega8或ATmega128)?？梢圆捎肬SB接口供電，不需外接電源，也可以使用外部9VDC輸入。
3)支持ISP線(xiàn)上燒入器，將Bootloader固件燒入芯片。Arduino控制器內帶Bootloader程序，是系統上電后運行的第一段代碼，就好比PC機BIOS中的程序，啟動(dòng)就進(jìn)行自檢，配置端口等等，當然，單片機是靠燒寫(xiě)熔絲位來(lái)設定上電從boot區啟動(dòng)的，使用這個(gè)程序就可以直接把從串口發(fā)來(lái)的程序存放到flash區中。所以，使用Arduino編譯環(huán)境下載程序時(shí)，就先讓單片機復位，啟動(dòng)Boodoader程序引導串口發(fā)過(guò)來(lái)的程序順利寫(xiě)入flash區中，flash可以重復燒寫(xiě)，因此想更新軟件非常方便。有了Bootloader之后，可以通過(guò)串口或者USB to RS232線(xiàn)更新固件。
4)可依據官方提供的PCB和SCH電路圖，簡(jiǎn)化Arduino模組，完成獨立運作的微處理控制。
5)可簡(jiǎn)單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接，如紅外線(xiàn)、超音波、熱敏電阻、光敏電阻、伺服馬達等。
6)支持多樣的互動(dòng)程序，如Flash，Max／MSP，VVVV，PureData，C，Processin等。使用低價(jià)格的微處理控制器。
7)應用方面，利用hrduino，突破以往只能使用鼠標、鍵盤(pán)、CCD等輸入的裝置的互動(dòng)內容，可以更簡(jiǎn)單地達成單人或多人游戲互動(dòng)。Ard uino的功能特點(diǎn)，使其得到了越來(lái)越廣泛的應用。

2 基本結構
Arduino系統針對不同的應用環(huán)境還開(kāi)發(fā)了不同的版本，文中以“Arduino Duemilanove”版本為例介紹，該版本于2009年開(kāi)發(fā)，基于A(yíng)Tm ega328微控制器板，能自動(dòng)選擇何種供電，直接將它用USB線(xiàn)連上計算機或者用一個(gè)電源適配器給它供電，就可以開(kāi)始使用。Arduino Duemilanove的外部結構如圖1所示。

1)1個(gè)9V DC輸入，為Arduino板提供外部電源輸出，使Arduino控制板具有能夠驅動(dòng)舵機等大功率外部設備的能力；
2)1個(gè)USB口，通過(guò)該口連接到計算機，由Arduino的IDE將用戶(hù)編寫(xiě)好的控制程序上傳到控制板中，同時(shí)還可以通過(guò)該口為電路板供電，驅動(dòng)小功率的外部設備；
3)14個(gè)數字輸入／輸出端，其中端口0(RX)和1(TX)分別連接主控芯片的串行引腳，用來(lái)接收和發(fā)送TTL串行數據。其中端口2、3可以接收外部信號，實(shí)現外部中斷功能；端口3、5、6、9、10、11作為PWM端口，可用于電機PWM調速[5]或音樂(lè )播放；端口10(SS)、11(MOSI)、12(MISO)和13(SCK)在SPI模塊庫的支持下，可以提供SPI通信模式；端口13內部連接了一個(gè)LED指示燈，隨著(zhù)13腳上電平的高低變化，實(shí)現開(kāi)啟和關(guān)閉；
4)6個(gè)模擬輸入／輸出端，其中端口4(SDA)和端口5(SCL)端口可以實(shí)現I2C通信；
5)1個(gè)5 V DC輸出和1個(gè)3．3 V DC輸出，可為其它電路提高3．3 V和5 V直流電源；
6)1個(gè)復位接口。
Arduino系統是基于單片機開(kāi)發(fā)的，并且大量應用通用和標準的電子元器件，包括硬件和軟件在內的整個(gè)設計，代碼均采用開(kāi)源方式發(fā)布，因此采購的成本較低，在各種電子制作競賽、電子藝術(shù)品創(chuàng )意設計等越來(lái)越多地使用Arduino作為開(kāi)發(fā)平臺。

3 應用
Arduino系統在電子設計等方面應用較多，本文以簡(jiǎn)單的LEO控制為例，說(shuō)明Arduino系統的使用。
LEO控制系統中，采用開(kāi)關(guān)S控制LED的亮滅，設開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，LED發(fā)光，S斷開(kāi)時(shí)，LED熄滅。因此，系統設計時(shí)采用數字輸入／輸出口的兩個(gè)引腳分別進(jìn)行LED和S開(kāi)關(guān)的連接，電路如圖2所示。