5-Arduino编程语言基础

Arduino程序的总体结构

Arduino程序基本结构由setup() 和loop() 两个函数组成：

Arduino控制器通电或复位后，即会开始执行setup() 函数中的程序，该部分只会执行一次。

通常我们会在setup() 函数中完成Arduino的初始化设置，如配置I/O口状态，初始化串口等操作。

在setup() 函数中的程序执行完后，Arduino会接着执行loop() 函数中的程序。而loop()函数是一个死循环，其中的程序会不断的重复运行。通常我们会在loop() 函数中完成程序的主要功能。

void setup()

{

// 在这里加入你的setup代码，它只会运行一次：

}

void loop()

{

// 在这里加入你的loop代码,它会不断重复运行：

}

loop()函数的功能相当于MSC-51语言里main()函数中的while(1){}死循环。Arduino语言中不需要编写main()函数，它已经通过上述两个函数封装了，对程序员是不可见的。

数据类型

整数与字符类型

int类型

整数是数值存储的主要类型。int类型的长度在8位Arduino板中为16位（2字节），表示范围为-32,768至32,767（-215到215-1）。在16位Arduino板（如Due）中，int类型的长度为32位（4字节）。

int counter = 32 ;

short类型

short类型同int类型一样，长度为16位（2字节）。short类型在所有Arduino板（8位及16位）中的长度都是16位（2字节）。

short counter = 32 ;

unsigned int类型

无符号整数，长度与int相同，在8位Arduino板中为16位（2字节），在16位Arduino板（如Due、Zero）中，int类型的长度为32位（4字节）。由于为无符号数，故16位的unsigned int类型表示范围为0到65,535（216-1）。

unsigned int counter = 60 ;

long类型

长整型，长度为32位（4字节），从-2,147,483,648到2,147,483,647，约±20亿的范围。

long velocity = 102346 ;

unsigned long类型

无符号长整型，长度与long类型相同，32位（4字节），由于是无符号数，表示范围为0到4,294,967,295 （232 – 1），约42亿。

unsigned Long velocity = 101006 ;

这产生-32,768至32,767的范围(最小值为-2 ^ 15，最大值为(2 ^ 15)-1)。

char类型

字符类型，长度为1个字节，本质为8位整型，表示范围为-128到127，可被赋值为字符或上述范围内的整数。

Char chr_a = ‘a’ ;

Char chr_c = 97 ;

unsigned char类型

无符号字符类型，长度为1个字节，相当于8位无符号数，表示范围为0到255，可被赋值为字符或上述范围内的整数。

虽然Arduino所采用的单片机芯片RAM容量高于MCS-51单片机，但相比

PC仍然是非常有限的，因此，依然要遵照单片机程序设计中对变量的使用“能省则省”的原则，根据变量可能的取值范围合理选择变量类型。

浮点类型

float类型

浮点数是指具有小数点的数字，浮点数通常用于近似模拟值和连续值，因为它们的分辨率高于整数。Arduino中的浮点数长度为32位（4字节），表示范围为3.4028235E + 38到3.4028235E - 38。

float num = 1.352;

double类型

在16位Arduino板上，double与float类型的长度相同，因此表示范围和精度也完全相同。在32位Arduino板（如Due）上，双精度长度为64位（8字节），精度更高。

double num = 45.352 ;

布尔类型

Boolean类型

C语言中是没有布尔类型的，C语言使用0或NULL代表“逻辑假”（false），使用非零值代表“逻辑真”（true）。Arduino里设置了布尔类型，每个布尔变量占用1字节的内存，取值为true或false。布尔类型使得逻辑表达式或代码更易读。

boolean val = false ;

boolean state = true ;

字节与字类型

byte类型

byte类型等同于unsigned char类型，长度为1字节，存储一个8位无符号数，表示范围从0到255。

byte m = 25 ;

word类型

与unsigned int类型相同。在8位Arduino板中为16位（2字节），在16位Arduino板（如Due、Zero）中，长度为32位（4字节）。

word w = 10000 ;

空类型

void

void关键字仅用于函数声明。它表示该函数不会向调用它的函数返回任何信息。

数组类型

array

Arduino中数组的定义与使用与C语言完全相同。

int myInts[6];

int myPins[] = {2, 4, 8, 3, 6};

int mySensVals[6] = {2, 4, -8, 3, 2};

char message[6] = "hello";

字符串（字符数组）

string

Arduino对字符串的处理有两种方式：一是与传统C语言完全相同的字符数组方式，二是String对象方式。

char Str1[15];

char Str2[8] = {'a', 'r', 'd', 'u', 'i', 'n', 'o'};

char Str3[8] = {'a', 'r', 'd', 'u', 'i', 'n', 'o', '0'};

char Str4[ ] = "arduino";

char Str5[8] = "arduino";

char Str6[15] = "arduino";

也可以使用二维数组的形式来实现多行字符串的存储：

char* myStrings[]={"This is string 1", "This is string 2",

"This is string 3",

"This is string 4", "This is string 5","This is string 6"};

void setup(){

(9600);

}

void loop(){

for (int i = 0; i < 6; i++){

n(myStrings[i]);

delay(500);

}

}

常量和变量

变量

Arduino的变量命名规则与C语言完全相同，变量名只能由字母、数字和下划线组成，且只能由字母和下划线开头。与C语言一样，变量名是大小写敏感的。

与C语言相同，Arduino的变量按照作用范围分为全局变量和局部变量，全局变量在所有函数的外部声明，所有函数都可以访问全局变量的值，局部变量在函数形参及函数体内部声明，仅在声明的函数体内部可以访问。全局变量在整个程序运行过程中始终存在，而局部变量在函数调用结束后其所占用的空间就会被释放，其值将随之消失。

常量

常量的命名规则同变量。按照C语言的编程规约，一般常量名用全大写字母，以便于与变量名区分。

Arduino有一些内置的常量定义：

1. HIGH | LOW

通常用于表示某个引脚的高低电平，HIGH表示高电平，LOW表示低电平。

这对常量经常配合数字引脚输入输出函数（digitalWrite()、digitalRead()）使用。

2. INPUT | OUTPUT | INPUT_PULLUP

用于表示某个引脚工作在输入或输出模式，INPUT表示输入，OUTPUT表示输出，INPUT_PULLUP表示启用内部上拉电阻的输入。

当某引脚被设定为INPUT后，如果外接到电源的上拉电阻（一般阻值为10K），则按键按下后该引脚的输入值为LOW，按键断开时该引脚的输入值为HIGH，如果接到地的下拉电阻，则相反。如果没有外接的上拉或下拉电阻，当按键断开时，引脚将处于“浮空”状态，输入究竟是高电平还是低电平是不确定的。为了避免这种不确定性，可以将该引脚输入模式设定为INPUT_PULLUP，这时将会启用单片机内部的上拉电阻，起到与外接上拉电阻同样的作用。

上述三个常量与pinMode()函数配合使用，综合举例如下：

int ledPin = 13; //将LED连接到13号引脚

void setup()

{

pinMode(ledPin, OUTPUT); //将ledPin引脚设置为输出状态

}

void loop()

{

digitalWrite(ledPin, HIGH); //向ledPin引脚输出高电平

delay(1000); //延时1000毫秒

digitalWrite(ledPin, LOW); //向ledPin引脚输出低电平

delay(1000); //延时1000毫秒

}

int ledPin = 13; //将LED连接到13号引脚

int inPin = 7; //将一个按键连接到7号引脚

int val = 0; //用于保存按键输入状态的变量

void setup()

{

pinMode(ledPin, OUTPUT); //将ledPin设置为输出状态

pinMode(inPin, INPUT); //将inPin设置为输入状态

}

void loop()

{

val = digitalRead(inPin); //将按键的状态读取到val变量

digitalWrite(ledPin, val); //将val变量的值输出到LED

}

整型常量

数制

十进制

二进制

八进制

十六进制

123

B11010011

0123

0x123

举例

以“B”开头，八个0、1组成

以“0”开头，数字范围为0-7

以“0x”开头，数字范围为0-9，A-F或a-f

格式

浮点常量

类型

纯小数

普通浮点数

科学计数法

.123

1.234

1.23e4、1.23E-4

举例

E或e均可

格式

纯小数可以省略小数点前的0

运算符

Arduino的运算符类型与用法与C语言完全相同。

类型

算术运算符

运算符

=、+、-、*、/、%

比较运算符

逻辑运算符

位运算符

复合运算符

指针运算符

==、<、>、<=、>=、!=

&&、||、!

&、|、~、^、>>、<<

++、--、+=、-=、*=、/=、%=、&=、|=

*、&

分支结构

Arduino的分支结构语法与C语言完全相同，包括if、if…else、switch case三种结构。

单分支if结构：

if (表达式)

{

// 若表达式为真，则执行{}内语句

}

双分支if…else结构：

if (表达式)

{

// 若表达式为真，则执行{}内语句

}

else

{

//若表达式为假，则执行else后面{}内语句

}

多分支switch case结构：

switch (变量) {

case 常量1:

// 若变量的值等于常量，则执行

break; // 跳出switch结构，应确保每个case分支最后有break

case 常量2:

// 语句

break;

default: // 若前面所有常量值均不匹配，则执行default后面语句

// 语句

break;

}

循环结构

Arduino的循环结构与C语言完全相同，包括for、while、do…while三种结构。也允许在循环体中使用break、continue，但为了保持结构化程序设计规则，一般不推荐使用这两条语句。

for循环：

for (初始化部分; 进入循环的条件; 循环变量值的修改) {

//一条或多条语句;

}

while循环：

while(表达式){

// 循环体，若表达式值为真，则执行

}

do…while循环：

do

{

// 循环体

} while (表达式);

while循环的循环体有可能没有被执行的机会（当括号中的表达式为假时），do…while循环的循环体则至少被执行一次。

Arduino编程语言本质上是一种面向过程的语言，与传统C语言类似，函数是构成Arduino程序的基本结构单位，Arduino内置函数涵盖了常用的输入输出、中断处理、数值计算、类型转换、字符处理、延时与定时等功能。对各种外部传感器及扩展接口的支持，主要通过类库来实现，这使得Arduino语言具备了“基于对象”的特性——仅引入了类、对象、方法（函数）等面向对象的基本特性，因而并非真正“面向对象”的语言。

正是由于丰富的函数和类库的存在，极大地降低了Arduino应用系统的编程难度，诸如串行通信、I2C接口、中断处理、各种外接传感器模块的使用等都可以找到相应的函数或类库，编程者无需了解低层操作细节，只需要调用相应函数或对象的方法即可。Arduino允许用户开发类库，Arduino社区有大量用户贡献和维护的类库。

函数

基本输入输出函数

Arduino的基本输入输出函数主要用于实现对通用I/O接口的读写操作，可以分为数字输入输出和模拟输入输出两类。数字输入输出即向引脚读写高低电平。模拟输入输出的含义是：模拟输入仅适用于具有模数转换功能的引脚，即Arduino控制板上通常标注的A0、A1等引脚，其本质是模数转换，即将外加在该引脚上的电压值转换为数值存储到相应变量中；所谓模拟输出，并非真正输出连续变化的电压或电流，而是输出一定频率的PWM信号，主要用于电机调速、舵机转向、LED调光等场景。

数字输入输出函数

与数字信号输入输出相关的函数主要有pinMode()、digitalWrite()与digitalRead()三个，其中pinMode用来设定某个引脚为输入还是输出状态，也可以用来切换某个引脚的输入或输出状态，digitalWrite()与digitalRead()则用来实现输出与输入操作。

int ledPin = 13; //将LED连接到13号引脚

void setup()

{

pinMode(ledPin, OUTPUT); //将ledPin引脚设置为输出状态

}

void loop()

{

digitalWrite(ledPin, HIGH); //向ledPin引脚输出高电平

delay(1000); //延时1000毫秒

digitalWrite(ledPin, LOW); //向ledPin引脚输出低电平

delay(1000); //延时1000毫秒

}

int ledPin = 13; //将LED连接到13号引脚

int inPin = 7; //将一个按键连接到7号引脚

int val = 0; //用于保存按键输入状态的变量

void setup()

{

pinMode(ledPin, OUTPUT); //将ledPin设置为输出状态

pinMode(inPin, INPUT); //将inPin设置为输入状态

}

void loop()

{

val = digitalRead(inPin); //将按键的状态读取到val变量

digitalWrite(ledPin, val); //将val变量的值输出到LED

}

模拟输入函数

如前所述，模拟输入的本质是模数转换，8位Arduino控制板（如Uno、NANO等）具有6-8个模数转换引脚（编号为A0、A1等），也叫6-8个模数转换通道，每通道包含一个10位模数转换器，默认参考电压为5V的情况下，可以将加到引脚上的0-5V范围的电压对应转换为0-1023（210-1）范围的整数。

模数转换示例：

运行以下程序，调节可变电阻器，即可在串口监视器看到0-1023范围内变化的数值。

int analogPin = 3; //可变电阻器中间引脚接Arduino控制板A3引脚

//可变电阻器另外两端分别接+5V和GND

int val = 0; //用于存储转换结果的变量

void setup()

{

(9600); //初始化串口，以便输出转换结果

}

void loop()

{

val = analogRead(analogPin); //实现模数转换

n(val); //从串口输出转换值

}

模拟输出函数

如前所述，模拟输出的本质是输出PWM信号。并非所有的数字引脚内部都有能够支持PWM输出的硬件结构，基于ATMega328单片机的Arduino控制板（如Uno、Nano），A3、A5、A6、A9、A10及A11引脚可用于analogWrite函数的输出。analogWrite函数有两个参数：第一个参数指定输出的引脚，第二个参数指定PWM信号占空比，取值范围为0-255。

运行下列程序，将会看到LED的亮度随可变电阻的改变而改变。

int ledPin = 9; // LED连接到数字引脚D9

int analogPin = 3; // 可变电阻器中间引脚连接到模拟引脚A3

// 可变电阻器其余两脚分别接+5V和GND

int val = 0; // 用于存储模数转换值的变量

void setup()

{

pinMode(ledPin, OUTPUT); // ledPin（D9）设置为输出

}

void loop()

{

val = analogRead(analogPin); //模数转换

analogWrite(ledPin, val / 4); //用模数转换值控制PWM占空比

// 由于模数转换结果在0-1023之间，而PWM占空比的取值范围为0-255，因此要val/4

}

ATmega328

引脚名称

PD0

PD1

PD2

PD3

PD4

PD5

PD6

PD7

PB0

PB1

PB2

PB3

PB4

PB5

PC0

PC1

PC2

PC3

PC4

PC5

用作数字输入输出时Arduino编程语言中使用的编号

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14 或 A0

15 或 A1

16 或 A2

17 或 A3

18 或 A4

19 或 A5

用作模拟输入时Arduino编程语言中使用的编号

不可用

不可用

不可用

不可用

不可用

不可用

不可用

不可用

不可用

不可用

不可用

不可用

不可用

不可用

0

1

2

3

4

5

Arduino板上标注的名称

0

1

2

3~

4

5~

6~

7

8

9~

10~

11~

12

13

A0

A1

A2

A3

A4

A5

高级输入输出函数

tone()与noTone()

用于输出一定频率的方波（占空比50%）信号，对Uno及近似型号，其频率范围为31-65535Hz。

语法：tone(pin, frequency, duration)

pin：输出引脚号，frequency：频率，duration：输出持续时间，单位为毫秒，数据类型为unsigned long。

其中第三个参数为可选项，如省略，则直到调用noTone(pin)函数，相应的引

脚上才停止输出。

注意，由于这两个函数均是利用了ATmega单片机中的一个定时器来实现的，所以同时只能在一个引脚上使用，如果要在多个引脚上输出，只能先停止正在输出的引脚。例程如下：

void setup() {

}

void loop() {

// 将引脚8上的输出关闭

noTone(8);

// 在引脚6上输出频率为440Hz，持续时间200ms的方波

tone(6, 440, 200);

delay(200);

// 将引脚6上的输出关闭

noTone(6);

// 在引脚7上输出频率为494Hz，持续时间500ms的方波

tone(7, 494, 500);

delay(500);

//将引脚7上的输出关闭

noTone(7);

// 在引脚8上输出频率为523Hz，持续时间300ms的方波

tone(8, 523, 300);

delay(300);

}

shiftOut()与shiftIn()

这两个函数可以实现将一个或多个字节的数据诸位串行输出或输入，通常配合74HC595这类“串入并出”或“并入串出”芯片使用，达到节约单片机IO口线的目的。

语法：shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, value)

dataPin：数据引脚，clockPin：时钟引脚，提供驱动74HC595芯片进行移位动作的时钟脉冲，bitOrder：移位的顺序，若从最高位开始移位，则可用系统常量MSBFIRST（Most Significant Bit First）表示，若从最低位开始移位，则用LSBFIRST（Least Significant Bit First），value待移位输出或输入的数据，长度为1字节。

int data = 500;

// 若输出的数据长度为2字节，则先通过移位运算取得其高字节（高8位）

shiftOut(dataPin, clock, MSBFIRST, (data >> 8));

// 然后再输出其低8位。注意，不管data是几个字节，shiftOut()仅能输出其低8位

shiftOut(dataPin, clock, MSBFIRST, data);

下面是一个完整的示例，依次在74HC595的Q0-Q7引脚上输出0-255：

//*******************************************************//

// Name : shiftOutCode //

// Author : Carlyn Maw,Tom Igoe //

// Date : 25 Oct, 2006 //

// Version : 1.0 //

// Notes : Code for using a 74HC595 Shift Register //

// : to count from 0 to 255 //

//*******************************************************//

//Pin connected to ST_CP of 74HC595

int latchPin = 8;

//Pin connected to SH_CP of 74HC595

int clockPin = 12;

////Pin connected to DS of 74HC595

int dataPin = 11;

void setup() {

//set pins to output because they are addressed in the main

loop

pinMode(latchPin, OUTPUT);

pinMode(clockPin, OUTPUT);

pinMode(dataPin, OUTPUT);

}

void loop() {

//count up routine

for (int j = 0; j < 256; j++) {

//ground latchPin and hold low for as long as you are

transmitting

digitalWrite(latchPin, LOW);

shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, j);

//return the latch pin high to signal chip that it

//no longer needs to listen for information

digitalWrite(latchPin, HIGH);

delay(1000);

}

}

pulseIn()

该函数可测量输入某引脚的两次高低电平反转之间的时间间隔。例如，当某引脚由低电平跳转为高电平时开始计时（以微秒为单位），当再次跳转为低电平时停止计时，并返回计时值。可计时的范围为（10微秒-3分钟），若返回值为0，则表示没有检测到第二次跳变。

延时函数

数学函数

字符处理函数

中断处理函数

类库