5-Arduino编程语言基础

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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。

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)。

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)。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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)。

空类型voidvoid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arrayArduino中数组的定义与使用与C语言完全相同。

字符串(字符数组)stringArduino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。

也可以使用二维数组的形式来实现多行字符串的存储: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:整型常量浮点常量运算符Arduino的运算符类型与用法与C语言完全相同。

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:双分支if…else结构:多分支switch case结构: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: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。

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。

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。

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: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。