Arduino编程基础

Author：碧云天
发布时间：December 23, 2019
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14894 words
Categories： Embedded System 教程

## 第一章 绪论

### 什么是嵌入式系统

- 从技术角度定义：

> 以`应用`为中心、以`计算机`技术为基础、软件硬件`可裁剪`、适应应用系统对`功能、可靠性、成本、体积、功耗`严格要求的`专用计算机系统(个人计算机）`。

- 从系统的角度定义：

> 嵌入式系统是设计完成复杂功能的`硬件和软件`，并是其紧密耦合在一起的计算机系统。

### 嵌入式系统的组成

- 软件子系统：

> 嵌入式操作系统和各种应用

- 硬件子系统：

> 以嵌入式处理器为中心，连接各种外围设备

### 什么是Arduino

- 什么是Arduino：

> Arduino是一款灵活、方便上手的`开源`电子原型平台，包括`硬件（各种型号的arduino板）`和`软件集成开发环境（arduino IDE）`。

- Arduino的优势

1. 开源：硬件开源，软件开源
2. 跨平台：IDE可以运行在Windows,Linux, Mac OS
3. 简单清晰的开发
4. 社区与第三方支持：众多的实例，第三方硬件，外设和类库

- Arduino UNO的规格

1. 处理器 ATmega328（AMTEL公司的`8位`RISC单片机）
2. 工作电压 5V
3. 数字IO脚 14 (其中6路作为PWM输出3 5 6 9 10 11脚）
4. 模拟输入脚 6（A0~A5）
5. Flash Memory 32 KB （ATmega328，其中0.5 KB 用于 bootloader）
6. SRAM 2 KB （ATmega328）
7. EEPROM 1 KB （ATmega328）
8. 工作时钟 16 MHz

- 特殊端口

1. UART通讯  0：RX，1：TX
2. 外部中断输入：  2, 3
3. SPI通讯：10， 11 ， 12， 13
4. TWI：A4，A5
5. AREF口

### 实例程序

- 灯光闪烁程序

```cpp
void setup()//初始化程序 
{
    pinMode(13, OUTPUT);//设置13号口为输出
}

void loop()//程序循环体，程序会一直循环这个函数
{
    digitalWrite(13, HIGH);//写入13号口为高电平，灯亮

delay(1000);//延时1s，灯光亮一秒

digitalWrite(13, LOW);//写入13号口为低电平，灯灭

delay(1000);//延时1s，灯光灭一秒
}
```

## 数字IO编程

### 数字信号

数字信号是0、1表示的不连续的信号，也就是以二进制形式表示的信号。`在Arduino中数字信号用高低电平来表示，高电平（HIGH）为数字信号1， 低电平（LOW）为数字信号0`。  
现实例子：门、开/关

### Arduino UNO的数字IO口

- D0~D13：数字输入/输出引脚

- 输出：`低电平0V`，`输出高电平为工作电压5V`

- 输入：`范围-0.5~1.5V输入电压识别为低电平`，`3~5.5V的输入电压作为高电平`

### IO编程API

+ 设置引脚模式：

```cpp
pinMode(pin, mode);
//pin:  引脚号
//mode: 工作模式
```

+ 工作模式

> INPUT： 输入模式  
OUTPUT： 输出模式  
INPUT_PULLUP： 输入上拉模式  
INPUT_PULLDOWN: 输入下拉模式

+ 输出

```cpp
digitalWrite(pin,value);
//pin:引脚号
//value: HIGH or LOW
```

+ 读取

```cpp
int value=digitalRead(pin);
//pin：引脚号
```

+ 上拉电阻和下拉电阻

上拉（Pull Up ）或下拉（Pull Down）电阻（两者统称为“拉电阻”）最基本的作用是：将状态不确定的信号线（悬空）通过一个电阻将其`箝位`至高电平（上拉）或低电平（下拉），同时也起到`限流`的作用。

> 开关高电平无效用下拉电阻， 开关低电平默认无效用上拉电阻。

### 交通灯的控制

- 实验连接图

![红绿灯连接图](https://img.bikteen.com/images/2019/12/25/traffic-light.png "红绿灯连接图")

- 实验原理图

![红绿灯实验原理图](https://img.bikteen.com/images/2019/12/25/traffic-light-line.png "红绿灯实验原理图")

- 实验代码

```cpp
/*
 * 10号管脚控制红灯，
 * 9号管脚控制黄灯，
 * 8号管脚控制绿灯，
 */
int red = 10;
int yellow = 9;
int green = 8;

void setup()
{
    pinMode(red, OUTPUT);
    pinMode(yellow, OUTPUT);
    pinMode(green, OUTPUT);
}
//设置灯亮时间，单位ms
int red_time    = 60000;
int yellow_time = 5000;
int green_time  = 45000;

void loop()//循环主体
{
    run();
}

void run()//控制灯光顺序以及时间
{
    changeLight(green, red, yellow);//绿灯亮，其他两个不亮
    delay(green_time);//延迟绿灯时间

changeLight(yellow, red, green);//黄灯亮，其他两个不亮
    delay(yellow_time);//延迟黄灯时间

changeLight(red, green, yellow);//红灯亮，其他两个不亮
    delay(red_time);//延迟红灯时间
}
//控制三个灯的亮暗
//on：需要亮的灯
//off1，off2：另外两个不需要亮的灯
void changeLight(int on, int off1, int off2)
{
    digitalWrite(on, HIGH);
    digitalWrite(off1, LOW);
    digitalWrite(off2, LOW);
}
```

## 模拟IO编程

### 模拟信号

生活中接触到的大多数信号都是模拟信号，如声音和温度的变化，模拟信号用连续变化的物理量来表示信息的，信号随时间做连续变化，`在Arduino中，常用0~5V的电压来表示模拟信号`。

### Arduino UNO的模拟IO口

+ A0~A5：模拟输入/输出引脚，返回0~1023

+ 模拟输入

```cpp
int value = analogRead(pin);
//pin: 输入引脚
//value: 读入的值，范围在[0,1023]
```

+ 模拟输出

```cpp
analogWrite(pin, value);
//pin: 输出引脚
//value: 输出的值，范围在[0,255]
```

## 高级IO编程

### 调频函数tone

主要用于连接蜂鸣器或扬声器发声的场合，其实质是输出一个`频率可调`的方波。

+ 简单的使用方法

```cpp
tone(pin, frequency);

tone(pin, frequency, duration);

//pin：需要输出方波的引脚
//frequency：频率
//duration：频率持续的时长，如果没有该参数，将持续发声，直到改变频率或遇到noTone()函数

noTone(pin);

//需要停止输出方波的引脚
```

+ 注意事项

1. tone函数会干扰3、11号管脚的PWM输出，如果要PWM输出，用其他管脚

2. 同一时间tone函数只能作用于一个管脚，如果有多个管脚需要使用tone函数，必须noTone停止，然后tone开启新管脚的方波输出。

### 脉冲宽度测量pulseIn

+ 简单的使用方法

```cpp
unsigned long distance;
distance = pulseIn(pin, value);
distance = pulseIn(pin, value, timeout);

//pin：引脚
//value：需要读取的脉冲的类型，为HIGH或LOW
//timeout：超时时间，如果超过设定时间仍未检测到脉冲，返回0，不设置timeout，timeout默认为1秒。
//distance：脉冲宽度，单位为微秒,如果在指定时间没有检测到脉冲，将返回0
```

### 设置ADC参考电压

> analogRead(pin) 的函数返回值 = （被测电压/参考电压）X 1023  
默认参考电压就是Arduino的工作电压5V。  
当要测量的电压较小时或者对测量精度要求较高时，可以通过AREF引脚引入外部参考电压（注意：一定要小于5V的工作电压，否则可能会损毁板子）  
analogReference(type)  
type：DEFAULT，默认当前Arduino的工作电压为参考电压。  
EXTERNAL：使用从AREF引脚输入的外部参考电压。

## 中断编程

### 什么是中断

CPU执行时原本是按程序指令一条一条向下顺序执行的。 但如果此时发生了某一事件B请求CPU迅速去处理（中断发生），CPU暂时中断当前的工作，转去处理事件B（中断响应和中断服务).  待CPU将事件B处理完毕后， 再回到原来被中断的地方继续执行程序（中断返回），这一过程称为中断。

+ 内部中断

内部中断主要为`定时中断`，定时中断是指主程序在运行一段程序过后自动进行的中断服务程序。

+ 外部中断

一般由外设发出中断请求，如：键盘中断、打印机中断、外部中断需`外部中断源`发出`中断请求`才能发中断。

### UNO外部中断

+ 中断引脚

引脚2：中断0  
引脚3：中断1

+ 中断模式：

| 模式名称 | 说明 |
| :-----   | :---|
|LOW      | 低电平触发（UNO不支持HIGH）| 
|CHANGE| 电平变化触发，即高电平变低电平、低电平变高电平 |  
|RISING| 上升沿触发，即低电平变高电平  |
|FALLING| 下降沿触发，即高电平变低电平  |

### 中断API

+ 简单使用

```cpp
void f()//中断函数
{
    .........
    .........
}
attachInterrupt(interrupt, function, mode);//初始化中断

detachInterrupt(interrupt);//禁止外部中断

noInterrupts();//禁止中断

interrupts();//重新启用中断

//interrupt:中断编号（不是引脚号）
//function：中断函数，填写中断函数的名字
//mode：中断模式
```

### 定时中断

+ 简单使用

```cpp
MsTimer2::set(time, function);

//time:间隔时间
//function：中断服务程序，填写中断函数的名字

MsTimer2::start();//开启定时中断
MsTimer2::stop();//关闭定时中断
```

+ 注意

需要添加库函数：`MsTimer2.h`

## 串口通讯编程

### 并行和串行通讯

+ 并行通讯

数据在多条总线上同时传输，传输速度较快，数据传输比较简单，但由于总线比较多且总线与总线之间在传输过程中会产生干扰，不适合用于长距离传输。

+ 串行通讯

数据在一条总线上按位传输，传输速度较慢，数据传输控制较复杂，但只需要一根总线就能完成数据传输且不会产生干扰，适合用来长距离传输。

### 同步串行和异步串行通讯

+ 同步串行通讯

发送方对接收方的时钟进行控制，使双方时钟完全同步  
每个字符之间不留空隙，既保持位同步关系也保持字符同步关系  
以特定的位组合`01111110`作为帧的开始和结束  
实现的硬件设备较为复杂

+ 异步串行通讯

不要求双方时钟一致  
每个字符要附加2-3位（起始位、校验位、停止位）  
各帧之间有任意间隔，位之间间隔一定  
用于单片机和单片机、单片机和计算机之间的通信

### 单工、半双工、全双工

+ 单工

单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；在同一时间只有一方能接受或发送信息，不能实现双向通信，举例：电视，广播。

+ 半双工

半双工数据传输允许数据在两个方向上传输,但是,在某一时刻,只允许数据在一个方向上传输,它实际上是一种切换方向的单工通信；在同一时间只可以有一方接受或发送信息，可以实现双向通信。举例：对讲机。

+ 全双工

全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输,因此,全双工通信是两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力；在同一时间可以同时接受和发送信息，实现双向通信，举例：电话通信。

### 串口参数

串口参数：波特率（bps)，数据位，停止位，校验位，通讯双方必须一致

- 起始位：起始位总为低电平，是一组数据帧开始传输的信号。

- 数据位：承载了实际发送的数据段，可能是8位也可能小于8。

- 奇偶效验位：奇校验（数据位奇数个1该位置1） 或者偶校验。

- 停止位：每段数据帧的最后都有停止位表示该段数据帧传输结束。停止位总为高电平。可以设置停止位为1位或2位。

如果外部干扰太大，导致数据丢失，常采用降波特率，增加停止位和校验位。

### 硬串口和软串口

- 硬串口：硬件实现的串口，UNO只有一个硬串口，管脚：RX：0，TX：1

- 类库：HardwareSerial类库，默认包含，不用#include

> UNO只有一个硬串口对象：Serial  
UNO 硬串口主要用于与计算机通讯（USB转串口）。

- 软串口：将其他数字引脚通过程序来模拟成串口通讯

- 类库：SoftwareSerial,必须#include <SoftwareSerial.h>

> 局限性：程序模拟，不如硬串口稳定

### 硬串口常用API

- available() 获取串口数据

使用方法：
```cpp
Serial.available();
//返回值：可读取的字节数
```

- begin() 初始化串口

使用方法：
```cpp
Serial.begin(speed);
Serial.begin(speed, config);
//speed：波特率
//config：数据位、校验位、停止位配置
```

- end() 结束串口通讯

使用方法：
```cpp
Serial.end();
```

- find() 从串口缓冲区读取数据

使用方法：
```cpp
Serial.find(target);
//target：需要搜索的字符或字符
//返回值：bool值类型，true表示找到，false表示没找到
```

- print(),println(),write()

使用方法：
```cpp
Serial.print();
Serial.println();
Serial.write();
```
三者的差异：

print()不带换行，println()带换行  
print：将数据转换成字符，再将字符对应的ASCII吗发送出去，串口收到ASCII码，则会显示对应的字符。  
write：发送数据本身，但串口监视器接收数据后，会将数据当做ASCII码而显示对应的字符

- read(),peek()

使用方法：  
```cpp
col = Serial.read();
col = Serial.peek();
//返回值：返回读取的字符
```

两者的区别：  
read：从缓冲区读取数据后，会将该数据从接收缓冲区中移除。  
peek：读取数据后，不会移除接收缓冲区中的数据。

### 软串口SoftwareSerial类库使用

软串口由软件模拟产生，使用不如硬串口稳定，波特率越高越不稳定

- SoftwareSerial() 构造函数

使用方法：
```cpp
SoftwareSerial mySerial = SoftwareSerial(rxPin, txPin);
SoftwareSerial mySerial(rxPin, txPin);
//mySerial：用户自定义软串口对象
//rxPin：软串口接收引脚
//txPin：软串口发送引脚
```

- listen() 开启软串口监听功能

使用方法：
```cpp
mySerial.listen();
```

- isListening() 检测软串口是否处于监听状态

使用方法：
```cpp
mySerial.isListening();
//返回值：bool值类型，true表示正在监听，false表示没有监听
```

- overflow() 检测缓冲区是否溢出

使用方法：
```cpp
mySerial.overflow();
//返回值：bool值类型，true表示溢出，false表示溢出
//软串口缓冲区最多保存64B数据
```

### 两台Arduino的通讯

实现代码：
```cpp
#include <SoftwareSerial>//导入SoftwareSerial类库
//rx:10 接收端口
//tx:11 发送端口
SoftwareSerial softSerial(10, 11);

void setup()
{
    //初始化串口通信
    Serial.begin(9600);
    //初始化软串口通信
    softSerial.begin(9600);
    //监听软串口
    softSerial.listen();
}

//两个字符串表示分别用户存储A，B两端传来的数据
String device_A_String = "";
String device_B_String = "";

void loop()
{
    //读取计算机传入的数据，并通过softSerial发送给另一台设备
    if(Serial.available() > 0)
    {
        if(Serial.peek() != '\n')//将输入的信息读到device_B_String
        {
            device_B_String += (char)Serial.read();
        }
        else//如果读入完毕
        {
            Serial.read();//清空缓冲区
            Serial.print("you said: ");
            Serial.println(device_B_String);//在串口中打印传送的信息
            softSerial.println(device_B_String);//将信息通过软串口传送到设备A
            device_B_String = "";//清空读入的信息
        }
    }
    //读取从另一台设备传入的数据，并在串口监视器中显示
    if(softSerial.available() > 0)
    {
        if(softSerial.peek() != '\n')//将另一台设备传送的信息读到device_A_String
        {
            device_A_String += (char)softSerial.read();
        }
        else//如果读入完毕
        {
            softSerial.read();//清空软串口缓冲区
            Serial.print("device A said: ");
            Serial.println(device_A_String);//在串口中打印另一台设备传入的信息
            device_A_String = "";//清空软串口读入的信息
        }
    }
}
```

## IIC和SPI串行总线

### IIC总线（IIC，Inter-Integrated Circuit）

飞利浦设计的一种`串行总线`，其特点是：

1. 采用2根线（SDA：数据线，SCL：时钟线）来完成数据的传输和外围器件的扩展

2. 对各器件的寻址是`软寻址方式`（`8位地址`），因此器件上没有`片选线`

3. 器件有主机（Master）和从机（Slave）之分，主机提供时钟信号，启动和终止数据传输；从机会被主机寻址，并且响应主机的请求；从机之间无法通讯，任何数据传输都必须通过主机进行

#### wire类库的主要方法

- begin() 初始化IIC链接

使用方法：
```cpp
Wire.begin();
Wire.begin(address);
//address：一个7位从机地址，范围0-127
//当填写address时为从机模式，不填写为主机模式
```

- requestFrom() 主机向从机发送数据请求信号

使用方法：
```cpp
Wire.requestFrom(address, quantity);
Wire.requestFrom(address, quantity, stop);
//address：设备地址
//quantity：请求的字节数
//stop：bool型，true将发送停止信息，释放IIC总线，false将发送一个重新开始信息，保持IIC总线的连接
```

- beginTransmission() 设定传输数据到指定地址的从机设备

使用方法：
```cpp
Wire.beginTransmission(address);
//address：设备地址
```

- endTransmission() 结束数据传输

使用方法：
```cpp
Wire.endTransmission();
Wire.endTransmission(stop);
//address：设备地址
//stop：bool型，true将发送停止信息，释放IIC总线，false将发送一个重新开始信息，保持IIC总线的连接
```

- write()

当为主机状态：主机将要发送的数据加入发送队列  
当为从机状态：从机发送数据至发起请求的主机

使用：

```cpp
Wire.write(value);
Wire.write(string);
Wire.write(data, length);
//value：以单字节发送
//string：以字符串发送
//data：以字节形式发送数组
//length：传输的字节数
//返回值：byte，返回输入的字节数
```

- available() 返回接收到的字节数

使用方法：
```cpp
Wire.available();
//返回值：返回接收到的字节数
```

- read() 读取1B的数据

使用方法：
```cpp
Wire.read();
//返回值：返回接收到的字节数据
```

- onReceive() 在从机端注册一个事件，当从机收到主机发送的数据时触发

使用方法：
```cpp
Wire.onReceive(handle);
//handle为触发的函数
```

- onRequest() 注册一个事件，当从机接收到主机的数据请求时即被触发

使用方法：
```cpp
Wire.onRequest(handle);
//handle为触发的函数
```

### SPI总线（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口），Arduino可以通过SPI接口连接多个外设，如：SD卡，图形液晶，网络芯片等。  
在SPI总线中，也有主机和从机之分，主机负责输出时钟信号`SCK`，主机和从机之间有两条数据线（`MISO`和`MOSI`），而每个从机跟主机之间有一个`CS`（片选）信号线，决定主机选择哪个从机通讯，CS低电平选中。  
Arduino作为主机，其他设备为从机，所以Arduino只提供主机类库。

- UNO的SPI引脚位置：
> MOSI：11   
MISO：12  
SCK： 13   
SS：  10  
或者ICSP的6根引脚

#### SPI类库成员函数

- begin()

初始化SPI通讯，SCK、MOSI、SS引脚设置为输出模式，SCK、MOSI拉低，SS拉高

使用方法：
```cpp
SPI.begin();
```

- end() 关闭SPI总线通讯

使用方法：
```cpp
SPI.end();
```

- setBitOrder() 设置传输顺序

使用方法：
```cpp
SPI.setBitOrder(order);
//order：LSBFIRST：低位在前、MSBFIRST：高位在前
```

- setClockDivider() 设置通信时钟

使用方法：
```cpp
SPI.setClockDivider(divider);
//divider：
/* SPI_CLOCK_DIV2
 * SPI_CLOCK_DIV4 默认
 * SPI_CLOCK_DIV8
 * SPI_CLOCK_DIV16
 * SPI_CLOCK_DIV32
 * SPI_CLOCK_DIV64
 * SPI_CLOCK_DIV128
 */
```

- setDataMode() 设置数据模式

使用方法：
```cpp
SPI.setDataMode(mode);
//mode：
/* SPI_MODE0
 * SPI_MODE1
 * SPI_MODE2
 * SPI_MODE3
 */
```

- transfer() 传送1B数据

使用方法：
```cpp
SPI.transfer(val);
//val：要发送的字节数据（1B）
//返回值：读到的字节数据(1B)
```

- SPISettings() 使用新的SPI库

使用方法：
```cpp
SPISettings mySettings(speed, dataOrder, datamode);
//speed：通讯速度
//dataOrder：传输顺序，LSBFIRST低位在前，MSBFIRST，高位在前
//dataMode：数据模式 SPI_MODE0~SPI_MODE4
//用begin默认的SPI配置是：14000000, MSBFIRST, SPI_MODE0
```

- beginTransaction() 使用SPI配置定义的总线

使用方法：
```cpp
SPI.beginTransaction(SPISettings(speed，dataOrder，dataMode));
//SPISetting配置如上
```

- endTransaction() 停止使用SPI总线

使用方法：
```cpp
SPI.endTransaction();
```

- usingInterrupt() 在中断使用SPI

使用方法：
```cpp
SPI.usingInterrupt(InterruptNumber);
//InterruptNumber：中断号
```

## 存储

### 用EEPROM存储数据

EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）电可擦可编程只读存储器，UNO EEPROM大小为1KB

特点：
1. 断电后数据不丢失

2. 写慢读快，不适应于频繁写的场景

3. 有擦写寿命（100000次）

4. 不适合做大规模存储

### EEPROM类库的成员函数

- 写：EEPROM.write(address, value)

> address: 0~1023, value:写入的数据，byte型

- 读：EEPROM.read(address）

> 返回指定地址存储的数据，byte型

-  更新:EEPROM.update(addrss,value)

> 如果value不同于已保存在同一地址的值的时候才会写入，使用该函数替换write函数可以节省使用周期

- 多个字节读：EEPROM.get(address, data)

> data读取的数据，可以使一个基本类型（如float）或者是一个自定义的结构体。

- 多个字节写：EEPROM.put(address, data)

> data写入的数据，可以是一个基本类型（如float）或者是一个自定义的结构体。

EEPROM[address]：直接对EERROM单元进行读取和写入操作。

### SD卡类库&成员函数

- begin：初始化SD卡库和SD卡

- open（filename，mode）打开SD卡上的一个文件，MODE（可选）：FILE_READ, FILE_WRITE。返回文件对象

- remove（filename）：删除SD卡上的一个文件

- exists（filename）：检查文件或文件夹是否存在于SD卡上

- mkdir（filename）：创建文件夹

- rmdir（filename）：删除文件夹

### File类的成员函数

写入数据到文件：file.write(data) / file.write(buf,len)  
file.print(data)/print(data,BASE)  输出数据到文件  
读取1B的数据: file.read()  
关闭文件：file.close()  
文件大小：size()

## 显示

### 1602 LCD

1. 字符型液晶
2. 16X2个字符（2行16列）=>1602
3. 并行接口（8位双向数据线）

### 1602引脚

|序号|引脚|说明|
|:----|:----|:----|
|1|VSS|地线|
|2|VDD|电源|
|3|V0|对比度调整，电压越大对比度越小|
|4|RS|数据/指令选择。高电平数据，低电平指令|
|5|R/W|读写操作。高电平读，低电平写| 
|6|E|使能信号。高电平变为低电平时执行命令| 
|7-14|D0-D7|8位双向数据线| 
|15|A|LDC背光电源正极| 
|16|K|LDC背光电源正极|

## 红外遥控

### 无线通信

- 无线通信方式：`ZigBee、WiFi、蓝牙、4G、5G`

- 串口透传`无线模块：如：ESP8266  Arduino<-- 串口-->无线模块`

- SPI接口`模块：如Arduino WiFi扩展板, 传输速率更快`

- `红外`（Infra-Red）是一种`最常用、成本最低`的无线通信方式

### IRremote类库的成员函数

- IRReceive 红外接收类

> 构造函数IRrecv(recvpin)    
enableIRIn()：初始化红外解码  
decode(&result)， result.value就是编码  
resume：接收下一个编码

- IRSend 红外发射类

> 构造函数IRSend()  
sendNEC(data, nbits)  
sendSony(data, nbits)  
sendRaw(buf, len, hz)

## Ethernet和WiFi

### TCP/IP网络基础知识

既然是互联互通，大家必须遵循一定的协议，协议通过国际组织制定和发布称为标准，最出名的就是`OSI`和`TCP/IP`网络体系标准

- 什么是计算机网络

多个计算机通过物理介质和网络设备互联互通组成的网络。

- 常见网络设备

以太`交换机`、以太`路由器`、无线路由器

### WiFi基础知识

WiFi的全称是Wireless Fidelity，又叫802.11b标准，是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准。该技术使用的2.4GHz附件的频段，最高带宽11Mbps，通信距离达几十到百米。

- WiFi模式

802.11a 5GHz，54~72Mbps 10~100M  
802.11g 是802.11b的提速，达54Mbps  
802.11n 72.2M~150Mbps

- WiFi所在的网络层次

对应TCP/IP网络层次的MAC层和物理层  
用于组建无线局域网（LAN）

Last modification：June 23rd, 2020 at 04:47 pm

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6 comments

李建宇
December 25th, 2019 at 11:59 pm

老子终于背完了！！！（╯‵□′）╯︵┴─┴

Reply
1. 碧云天
  December 26th, 2019 at 12:02 am
  
  @李建宇
  
  不是只是随便看看嘛，你怎么都背下来了
  
  Reply
公式梦
December 25th, 2019 at 10:27 pm

有错误

Reply
1. 高猛
  December 25th, 2019 at 11:25 pm
  
  @公式梦
  
  原来是这样
  
  Reply
  1. 碧云天
    June 10th, 2020 at 11:55 pm
    
    @高猛
    
    测试评论中回复的回复效果
    
    Reply
2. 碧云天
  December 25th, 2019 at 11:13 pm
  
  @公式梦
  
  改好了٩(ˊᗜˋ*)و
  
  Reply

Arduino编程基础

碧云天 • 2019 年 12 月 23 日

## 第一章 绪论

### 什么是嵌入式系统

- 从技术角度定义：

- 从系统的角度定义：

> 嵌入式系统是设计完成复杂功能的`硬件和软件`，并是其紧密耦合在一起的计算机系统。

### 嵌入式系统的组成

- 软件子系统：

> 嵌入式操作系统和各种应用

- 硬件子系统：

> 以嵌入式处理器为中心，连接各种外围设备

### 什么是Arduino

- 什么是Arduino：

> Arduino是一款灵活、方便上手的`开源`电子原型平台，包括`硬件（各种型号的arduino板）`和`软件集成开发环境（arduino IDE）`。

- Arduino的优势

- Arduino UNO的规格

- 特殊端口

1. UART通讯  0：RX，1：TX
2. 外部中断输入：  2, 3
3. SPI通讯：10， 11 ， 12， 13
4. TWI：A4，A5
5. AREF口

### 实例程序

- 灯光闪烁程序

```cpp
void setup()//初始化程序 
{
    pinMode(13, OUTPUT);//设置13号口为输出
}

void loop()//程序循环体，程序会一直循环这个函数
{
    digitalWrite(13, HIGH);//写入13号口为高电平，灯亮

delay(1000);//延时1s，灯光亮一秒

digitalWrite(13, LOW);//写入13号口为低电平，灯灭

delay(1000);//延时1s，灯光灭一秒
}
```

## 数字IO编程

### 数字信号

### Arduino UNO的数字IO口

- D0~D13：数字输入/输出引脚

- 输出：`低电平0V`，`输出高电平为工作电压5V`

- 输入：`范围-0.5~1.5V输入电压识别为低电平`，`3~5.5V的输入电压作为高电平`

### IO编程API

+ 设置引脚模式：

```cpp
pinMode(pin, mode);
//pin:  引脚号
//mode: 工作模式
```

+ 工作模式

> INPUT： 输入模式  
OUTPUT： 输出模式  
INPUT_PULLUP： 输入上拉模式  
INPUT_PULLDOWN: 输入下拉模式

+ 输出

```cpp
digitalWrite(pin,value);
//pin:引脚号
//value: HIGH or LOW
```

+ 读取

```cpp
int value=digitalRead(pin);
//pin：引脚号
```

+ 上拉电阻和下拉电阻

> 开关高电平无效用下拉电阻， 开关低电平默认无效用上拉电阻。

### 交通灯的控制

- 实验连接图

![红绿灯连接图](https://img.bikteen.com/images/2019/12/25/traffic-light.png "红绿灯连接图")

- 实验原理图

![红绿灯实验原理图](https://img.bikteen.com/images/2019/12/25/traffic-light-line.png "红绿灯实验原理图")

- 实验代码

```cpp
/*
 * 10号管脚控制红灯，
 * 9号管脚控制黄灯，
 * 8号管脚控制绿灯，
 */
int red = 10;
int yellow = 9;
int green = 8;

void loop()//循环主体
{
    run();
}

void run()//控制灯光顺序以及时间
{
    changeLight(green, red, yellow);//绿灯亮，其他两个不亮
    delay(green_time);//延迟绿灯时间

changeLight(yellow, red, green);//黄灯亮，其他两个不亮
    delay(yellow_time);//延迟黄灯时间

## 模拟IO编程

### 模拟信号

### Arduino UNO的模拟IO口

+ A0~A5：模拟输入/输出引脚，返回0~1023

+ 模拟输入

```cpp
int value = analogRead(pin);
//pin: 输入引脚
//value: 读入的值，范围在[0,1023]
```

+ 模拟输出

```cpp
analogWrite(pin, value);
//pin: 输出引脚
//value: 输出的值，范围在[0,255]
```

## 高级IO编程

### 调频函数tone

主要用于连接蜂鸣器或扬声器发声的场合，其实质是输出一个`频率可调`的方波。

+ 简单的使用方法

```cpp
tone(pin, frequency);

tone(pin, frequency, duration);

//pin：需要输出方波的引脚
//frequency：频率
//duration：频率持续的时长，如果没有该参数，将持续发声，直到改变频率或遇到noTone()函数

noTone(pin);

//需要停止输出方波的引脚
```

+ 注意事项

1. tone函数会干扰3、11号管脚的PWM输出，如果要PWM输出，用其他管脚

2. 同一时间tone函数只能作用于一个管脚，如果有多个管脚需要使用tone函数，必须noTone停止，然后tone开启新管脚的方波输出。

### 脉冲宽度测量pulseIn

+ 简单的使用方法

```cpp
unsigned long distance;
distance = pulseIn(pin, value);
distance = pulseIn(pin, value, timeout);

### 设置ADC参考电压

## 中断编程

### 什么是中断

+ 内部中断

内部中断主要为`定时中断`，定时中断是指主程序在运行一段程序过后自动进行的中断服务程序。

+ 外部中断

一般由外设发出中断请求，如：键盘中断、打印机中断、外部中断需`外部中断源`发出`中断请求`才能发中断。

### UNO外部中断

+ 中断引脚

引脚2：中断0  
引脚3：中断1

+ 中断模式：

### 中断API

+ 简单使用

```cpp
void f()//中断函数
{
    .........
    .........
}
attachInterrupt(interrupt, function, mode);//初始化中断

detachInterrupt(interrupt);//禁止外部中断

noInterrupts();//禁止中断

interrupts();//重新启用中断

//interrupt:中断编号（不是引脚号）
//function：中断函数，填写中断函数的名字
//mode：中断模式
```

### 定时中断

+ 简单使用

```cpp
MsTimer2::set(time, function);

//time:间隔时间
//function：中断服务程序，填写中断函数的名字

MsTimer2::start();//开启定时中断
MsTimer2::stop();//关闭定时中断
```

+ 注意

需要添加库函数：`MsTimer2.h`

## 串口通讯编程

### 并行和串行通讯

+ 并行通讯

+ 串行通讯

数据在一条总线上按位传输，传输速度较慢，数据传输控制较复杂，但只需要一根总线就能完成数据传输且不会产生干扰，适合用来长距离传输。

### 同步串行和异步串行通讯

+ 同步串行通讯

+ 异步串行通讯

### 单工、半双工、全双工

+ 单工

单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；在同一时间只有一方能接受或发送信息，不能实现双向通信，举例：电视，广播。

+ 半双工

+ 全双工

### 串口参数

串口参数：波特率（bps)，数据位，停止位，校验位，通讯双方必须一致

- 起始位：起始位总为低电平，是一组数据帧开始传输的信号。

- 数据位：承载了实际发送的数据段，可能是8位也可能小于8。

- 奇偶效验位：奇校验（数据位奇数个1该位置1） 或者偶校验。

- 停止位：每段数据帧的最后都有停止位表示该段数据帧传输结束。停止位总为高电平。可以设置停止位为1位或2位。

如果外部干扰太大，导致数据丢失，常采用降波特率，增加停止位和校验位。

### 硬串口和软串口

- 硬串口：硬件实现的串口，UNO只有一个硬串口，管脚：RX：0，TX：1

- 类库：HardwareSerial类库，默认包含，不用#include

> UNO只有一个硬串口对象：Serial  
UNO 硬串口主要用于与计算机通讯（USB转串口）。

- 软串口：将其他数字引脚通过程序来模拟成串口通讯

- 类库：SoftwareSerial,必须#include <SoftwareSerial.h>

> 局限性：程序模拟，不如硬串口稳定

### 硬串口常用API

- available() 获取串口数据

使用方法：
```cpp
Serial.available();
//返回值：可读取的字节数
```

- begin() 初始化串口

使用方法：
```cpp
Serial.begin(speed);
Serial.begin(speed, config);
//speed：波特率
//config：数据位、校验位、停止位配置
```

- end() 结束串口通讯

使用方法：
```cpp
Serial.end();
```

- find() 从串口缓冲区读取数据

使用方法：
```cpp
Serial.find(target);
//target：需要搜索的字符或字符
//返回值：bool值类型，true表示找到，false表示没找到
```

- print(),println(),write()

使用方法：
```cpp
Serial.print();
Serial.println();
Serial.write();
```
三者的差异：

- read(),peek()

使用方法：  
```cpp
col = Serial.read();
col = Serial.peek();
//返回值：返回读取的字符
```

两者的区别：  
read：从缓冲区读取数据后，会将该数据从接收缓冲区中移除。  
peek：读取数据后，不会移除接收缓冲区中的数据。

### 软串口SoftwareSerial类库使用

软串口由软件模拟产生，使用不如硬串口稳定，波特率越高越不稳定

- SoftwareSerial() 构造函数

- listen() 开启软串口监听功能

使用方法：
```cpp
mySerial.listen();
```

- isListening() 检测软串口是否处于监听状态

使用方法：
```cpp
mySerial.isListening();
//返回值：bool值类型，true表示正在监听，false表示没有监听
```

- overflow() 检测缓冲区是否溢出

使用方法：
```cpp
mySerial.overflow();
//返回值：bool值类型，true表示溢出，false表示溢出
//软串口缓冲区最多保存64B数据
```

### 两台Arduino的通讯

实现代码：
```cpp
#include <SoftwareSerial>//导入SoftwareSerial类库
//rx:10 接收端口
//tx:11 发送端口
SoftwareSerial softSerial(10, 11);

void setup()
{
    //初始化串口通信
    Serial.begin(9600);
    //初始化软串口通信
    softSerial.begin(9600);
    //监听软串口
    softSerial.listen();
}

//两个字符串表示分别用户存储A，B两端传来的数据
String device_A_String = "";
String device_B_String = "";

## IIC和SPI串行总线

### IIC总线（IIC，Inter-Integrated Circuit）

飞利浦设计的一种`串行总线`，其特点是：

1. 采用2根线（SDA：数据线，SCL：时钟线）来完成数据的传输和外围器件的扩展

2. 对各器件的寻址是`软寻址方式`（`8位地址`），因此器件上没有`片选线`

#### wire类库的主要方法

- begin() 初始化IIC链接

使用方法：
```cpp
Wire.begin();
Wire.begin(address);
//address：一个7位从机地址，范围0-127
//当填写address时为从机模式，不填写为主机模式
```

- requestFrom() 主机向从机发送数据请求信号

- beginTransmission() 设定传输数据到指定地址的从机设备

使用方法：
```cpp
Wire.beginTransmission(address);
//address：设备地址
```

- endTransmission() 结束数据传输

- write()

当为主机状态：主机将要发送的数据加入发送队列  
当为从机状态：从机发送数据至发起请求的主机

使用：

- available() 返回接收到的字节数

使用方法：
```cpp
Wire.available();
//返回值：返回接收到的字节数
```

- read() 读取1B的数据

使用方法：
```cpp
Wire.read();
//返回值：返回接收到的字节数据
```

- onReceive() 在从机端注册一个事件，当从机收到主机发送的数据时触发

使用方法：
```cpp
Wire.onReceive(handle);
//handle为触发的函数
```

- onRequest() 注册一个事件，当从机接收到主机的数据请求时即被触发

使用方法：
```cpp
Wire.onRequest(handle);
//handle为触发的函数
```

### SPI总线（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）

- UNO的SPI引脚位置：
> MOSI：11   
MISO：12  
SCK： 13   
SS：  10  
或者ICSP的6根引脚

#### SPI类库成员函数

- begin()

初始化SPI通讯，SCK、MOSI、SS引脚设置为输出模式，SCK、MOSI拉低，SS拉高

使用方法：
```cpp
SPI.begin();
```

- end() 关闭SPI总线通讯

使用方法：
```cpp
SPI.end();
```

- setBitOrder() 设置传输顺序

使用方法：
```cpp
SPI.setBitOrder(order);
//order：LSBFIRST：低位在前、MSBFIRST：高位在前
```

- setClockDivider() 设置通信时钟

- setDataMode() 设置数据模式

使用方法：
```cpp
SPI.setDataMode(mode);
//mode：
/* SPI_MODE0
 * SPI_MODE1
 * SPI_MODE2
 * SPI_MODE3
 */
```

- transfer() 传送1B数据

使用方法：
```cpp
SPI.transfer(val);
//val：要发送的字节数据（1B）
//返回值：读到的字节数据(1B)
```

- SPISettings() 使用新的SPI库

- beginTransaction() 使用SPI配置定义的总线

使用方法：
```cpp
SPI.beginTransaction(SPISettings(speed，dataOrder，dataMode));
//SPISetting配置如上
```

- endTransaction() 停止使用SPI总线

使用方法：
```cpp
SPI.endTransaction();
```

- usingInterrupt() 在中断使用SPI

使用方法：
```cpp
SPI.usingInterrupt(InterruptNumber);
//InterruptNumber：中断号
```

## 存储

### 用EEPROM存储数据

EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）电可擦可编程只读存储器，UNO EEPROM大小为1KB

特点：
1. 断电后数据不丢失

2. 写慢读快，不适应于频繁写的场景

3. 有擦写寿命（100000次）

4. 不适合做大规模存储

### EEPROM类库的成员函数

- 写：EEPROM.write(address, value)

> address: 0~1023, value:写入的数据，byte型

- 读：EEPROM.read(address）

> 返回指定地址存储的数据，byte型

-  更新:EEPROM.update(addrss,value)

> 如果value不同于已保存在同一地址的值的时候才会写入，使用该函数替换write函数可以节省使用周期

- 多个字节读：EEPROM.get(address, data)

> data读取的数据，可以使一个基本类型（如float）或者是一个自定义的结构体。

- 多个字节写：EEPROM.put(address, data)

> data写入的数据，可以是一个基本类型（如float）或者是一个自定义的结构体。

EEPROM[address]：直接对EERROM单元进行读取和写入操作。

### SD卡类库&成员函数

- begin：初始化SD卡库和SD卡

- open（filename，mode）打开SD卡上的一个文件，MODE（可选）：FILE_READ, FILE_WRITE。返回文件对象

- remove（filename）：删除SD卡上的一个文件

- exists（filename）：检查文件或文件夹是否存在于SD卡上

- mkdir（filename）：创建文件夹

- rmdir（filename）：删除文件夹

### File类的成员函数

## 显示

### 1602 LCD

1. 字符型液晶
2. 16X2个字符（2行16列）=>1602
3. 并行接口（8位双向数据线）

### 1602引脚

## 红外遥控

### 无线通信

- 无线通信方式：`ZigBee、WiFi、蓝牙、4G、5G`

- 串口透传`无线模块：如：ESP8266  Arduino<-- 串口-->无线模块`

- SPI接口`模块：如Arduino WiFi扩展板, 传输速率更快`

- `红外`（Infra-Red）是一种`最常用、成本最低`的无线通信方式

### IRremote类库的成员函数

- IRReceive 红外接收类

> 构造函数IRrecv(recvpin)    
enableIRIn()：初始化红外解码  
decode(&result)， result.value就是编码  
resume：接收下一个编码

- IRSend 红外发射类

> 构造函数IRSend()  
sendNEC(data, nbits)  
sendSony(data, nbits)  
sendRaw(buf, len, hz)

## Ethernet和WiFi

### TCP/IP网络基础知识

既然是互联互通，大家必须遵循一定的协议，协议通过国际组织制定和发布称为标准，最出名的就是`OSI`和`TCP/IP`网络体系标准

- 什么是计算机网络

多个计算机通过物理介质和网络设备互联互通组成的网络。

- 常见网络设备

以太`交换机`、以太`路由器`、无线路由器

### WiFi基础知识

- WiFi模式

802.11a 5GHz，54~72Mbps 10~100M  
802.11g 是802.11b的提速，达54Mbps  
802.11n 72.2M~150Mbps

- WiFi所在的网络层次

对应TCP/IP网络层次的MAC层和物理层  
用于组建无线局域网（LAN）

Arduino编程基础

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