基础篇

本章开始，将由浅入深，详细介绍开发Arduino Uno所需的基础知识与开发方法。

Arduino语言

Arduino使用C/C++编写程序，虽然C++兼容C语言，但这是两种语言，C语言是一种面向过程的编程语言，C++是一种面向对象的编程语言。目前最新的Arduino核心库采用C与C++混合编写而成。

通常所说的Arduino语言其实是一套基于C/C++的嵌入式设备开发框架。其核心库文件提供了各种应用程序编程接口(Application Programming Interface，简称API)以供驱动硬件设备，这些API是对更底层的单片机支持库进行二次封装所形成的。例如，使用AVR单片机的Arduino的核心库是对AVR-Libc(基于GCC的AVR支持库)的二次封装。

传统开发方式中，需要厘清每个寄存器的意义及之间的关系，然后通过配置多个寄存器来达到目的。

而在Arduino中，使用了清楚明了的API替代繁杂的寄存器配置过程，如以下代码：

pinMode(13,OUTPUT);

digitalWrite(13,HIGH);

pinMode(13,OUTPUT)即是设置引脚的模式，这里设定了13脚为输出模式；而digitalWrite(13,HIGH) 是让13脚输出高电平数字信号。

这些封装好的API，使得程序中的语句更容易被理解，不用理会单片机中繁杂的寄存器配置，就能直观地控制Arduino，增强程序的可读性的同时，也提高了开发效率。

Arduino程序结构

在上一章已经看到第一个Arduino程序Blink，如果使用过C/C++语言，会发现Arduino的程序结构与传统的C/C++结构的不同------Arduino程序中没有main函数。

其实并不是Arduino没有main函数，而是main函数的定义隐藏在了Arduino的核心库文件中。Arduino开发一般不直接操作main函数，而是使用Setup和loop这个两个函数。

通过 Arduino IDE菜单\>文件\>示例\>01.Basics\>BareMinimum 可以看到Arduino程序的基本结构：

void setup() {

// 在这里加入setup代码，它只会运行一次：

}

void loop() {

// 在这里加入loop代码,它会不断重复运行：

}

Arduino程序基本结构由setup() 和loop() 两个函数组成：

void setup()

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。

void loop()

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。

实际开发中，通常在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loop() 函数中完成程序的主要功能，如驱动各种模块，采集数据等。

C\C++语言基础

C\C++语言是国际上广泛流行的计算机高级语言。绝大多数硬件开发，均使用C/C++语言，Arduino也不例外。使用Arduino，需要有一定的C\C++基础，由于篇幅有限，本书仅对C\C++语言基础进行简单的介绍。此后章节中会穿插介绍一些特殊用法及编程技巧。

数据类型

在C\C++语言程序中，对所有的数据都必须指定其数据类型。数据又有常量和变量之分。

需要注意的是，Arduino Uno与AVR做核心的Arduino中的部分数据类型所占用的空间和取值范围有所不同。

变量

在程序中数值可变的量称为变量。其定义方法如下

类型 变量名;

例如，定义一个整型变量i：

int i;

可以在定义时为其赋值，也可以定义后，对其赋值，例如：

int i;

i=95;

和

int i=95;

两者是等效的。

常量

在程序运行过程中，其值不能改变的量，称为常量。常量可以是字符，也可以是数字，通常使用语句

const 类型 常量名 = 常量值

定义常量。

还可以用宏定义来达到相同的目的。语句如下：

#define 宏名 值

如在Arduino核心库中已定义的常数PI，即是使用

#define PI 3.1415926535897932384626433832795

定义的。

#define宏定义

宏定义是C语言提供的一种预处理方式，其允许使用标识符来表示一个字符串，编译器在开始编译前，会将代码中标识符全部替换成对应的字符串，以达到对程序预先处理的目的。合理使用宏定义，可以简化代码编写，避免输入及语法错误，提高程序可读性。

整型

整型即整数类型。Arduino Uno可使用的整型数据取值范围如下

类型

取值范围

说明

int

–32,768 ~ 32,767
( -2¹⁵ ~ 2¹⁵ - 1)

整型

unsigned int

0  ~ 65,535
( 0 ~ 2¹⁶ - 1)

无符号整型

long

–2,147,483,648  ~ 2,147,483,647
( -2³¹ ~ 2³¹ - 1)

长整型

unsigned long

0 ~ 4,294,967,295
( 0 ~ 2³² - 1)

无符号长整型

short

–32,768 ~ 32,767
( -2¹⁵ ~ 2¹⁵ - 1)

短整型

在Arduino Due、Zero中，int及unsigned int占用4字节(32位)。

浮点型

浮点数也就是常说的实数。在Arduino中有float和double两种浮点类型，在Arduino Uno中，float类型占用4个字节(32位)内存空间，double类型占用8个字节(64位)内存空间；在Arduino Due、Zero中，double类型占用8字节(64位)内存空间。

浮点型数据的运算速度较慢且有一定误差，因此，通常会把浮点型转换为整型再进行相关运算。如9.8cm，通常会换算为98mm再计算。

字符型

字符型，即char类型，也是一种整形，占用一个字节内存空间，常用于存储字符变量。存储字符时，字符需要用单引号引用，如

char col='C';

字符都是以整数形式储存在char类型变量中的，数值与字符的对应关系，请参照附录中ASCII码表。

布尔型

布尔型变量，即boolean。它的值只有两个：false(假)和true(真)。boolean会占用1个字节的内存空间。

运算符与表达式

运算符

C\C++语言中有多种类型的运算符，常见运算符见表2-2：

运算符类型

运算符

说明

算术运算符

=

赋值

+

加

-

减

*

乘

/

除

%

取模

比较运算符

==

等于

!=

不等于

<

小于

>

大于

<=

小于或等于

>=

大于或等于

逻辑运算符

&&

逻辑与运算

||

逻辑或运算

!

逻辑非运算

复合运算

++

自加

--

自减

+=

复合加

-=

复合减

表达式

通过运算符将运算对象连接起来的式子称之为表达式。如5+3、a-b、1\<9等。

数组

数组是由一组相同数据类型的数据构成的集合。数组概念的引入，使得在处理多个相同类型的数据时，程序更加清晰和简洁。

其定义方式如下：

数据类型 数组名称 [数组元素个数];

如，定义一个有5个int型元素的数组：

int a[5];

如果要访问一个数组中的某一元素，需要使用

数组名称[下标]

需要注意的是数组下标是从0开始编号的。如，将数组a中的第1个元素赋值为1：

a[0]=1;

可以使用以上方法对数组赋值，也可以在数组定义时，对数组进行赋值。如：

int a[5]={1,2,3,4,5};

和

int a[5];

a[0]=1; a[1]=2; a[2]=3; a[3]=4; a[4]=5;

是等效的。

字符串

字符串的定义方式有两种，一种是以字符型数组方式定义，另一种是使用String类型定义。

char 字符串名称  [字符个数];

使用字符型数组的方式定义，使用方法和数组一致，有多少个字符便占用多少个字节的存储空间。

大多数情况下，可以使用String类型来定义字符串，该类型中提供一些操作字符串的成员函数，使得字符串使用起来更为灵活。

String 字符串名称;

如

String abc;

即可定义一个名为abc的字符串。可以在定义时为其赋值，或在定义后为其赋值，如

String abc;

abc = "Arduino Uno";

和

String abc = "Arduino Uno";

是等效的。

相较于数组形式的定义方法，使用String类型定义字符串会占用更多的存储空间。

注释

/与/之间的内容，及 // 之后的内容均为程序注释，使用它可以更好的管理代码。注释不会被编译到程序中，不影响程序的运行。

为程序添加注释的方法有两种：

单行注释：

// 注释内容

多行注释：

/*

注释内容1

注释内容2

......

*/