第三课 进入 Arduino 和编程的世界

在上一节课中，我们成功地构建了 Rocker-Bogie 悬挂系统。 然而，要使其发挥作用，我们需要为其提供电源、控制板，并编写程序来控制其运动。

因此，在本节课中，我们将了解将要使用的控制板和编程平台。

课程目标

• 理解 Arduino 的基本概念和功能。

• 了解 SunFounder R3 控制板。

• 安装 Arduino IDE，并熟悉其界面。

• 学习 Arduino 编程的基本语法规则。

课程材料

• SunFounder R3 控制板

• Arduino IDE

• USB 数据线

• 计算机

Arduino 简介

你可能在各种场合听说过 “Arduino” 这个词，那么它到底是什么，为什么它如此流行？

Arduino 是一个开源的电子平台，易于用于硬件和软件应用。它旨在制作数字设备和交互式物品，这些设备可以感知并控制周围的物理世界。

让我们来详细解释一下：

• 开源：把开源看作一个社区花园，大家都可以使用、贡献和受益。开源意味着硬件的设计和软件的编程指令都是免费的，任何人都可以使用、改进或创建自己的版本。这是一种分享和创造的精神！

  

• 微控制器：微控制器就像 Arduino 的大脑，它是一个小型计算机，可以运行简单的软件。尽管它不如你现在使用的计算机强大，但它非常适合执行简单任务，如理解传感器的信号或点亮 LED（小灯）。

  

• 开发板：将开发板想象成支撑大脑的身体。它是微控制器的载体，包含帮助微控制器与外界互动的其他部件，例如时钟振荡器（帮助计时）、电压调节器（控制电源）以及用于电源和数据连接的接口。

  

• Arduino IDE：它就像是你的 Arduino 课堂，是你在计算机上编写指令的地方，告诉 Arduino 应该做什么。这些指令是用基于 C++ 的编程语言编写的。编写完成后，你可以通过 USB 数据线将它们发送到 Arduino 板，就像交作业一样！

  

了解了这些基本概念后，你就准备好成为 Arduino 专家了！

接下来，我们将深入实践，帮助你熟悉 Arduino 编程和工程原理。 准备好迎接激动人心的学习之旅吧！

认识你的 SunFounder R3 控制板

在你的套件中，你会找到一块蓝色的控制板，乍一看，它就像一个微小的城市，里面有许多金属塔和小路。但不要被它吓到！这就是 SunFounder R3 开发板，一款可以用来编程并控制各种电子设备和项目的 Arduino 控制板。

让我们简单了解它的主要特点：

• 14 个数字引脚：可以把这些引脚看作小小的信使。它们可以被编程用来发送（输出）或接收（输入）简单的 “是” 或 “否” 信息到火星车的其他部分。这些信息实际上是 “开” 或 “关” 的信号，用于控制诸如灯光或电机之类的部件。

  • 其中六个特殊引脚甚至可以发送一种被称为 PWM（脉宽调制）的加密信号，这可以用来控制灯光的亮度、电机的转速，甚至是运动部件的位置。

• 6 个模拟引脚：这些引脚就像板子的六个特殊感官，它们可以读取来自不同类型传感器的信号（例如温度传感器），然后将这些信号转化为板子可以理解并在编程中使用的语言。

• USB 连接口：就像板子的脐带。通过 USB 数据线连接计算机后，你的计算机可以将程序传输到控制板，就像教会 Arduino 执行任务。

• 电源接口：这是板子的电源供应口。你可以连接电池或交流转直流适配器为板子提供所需的电力。

• ICSP 接口：这就像是板子的特殊编程入口。如果你有外部编程器（专门用于 “教” 板子的设备），可以使用这个接口。

• 复位按钮：按下它，相当于告诉板子忘记刚刚的操作并重新开始。

了解了这些基础知识后，你就可以开始使用 SunFounder R3 控制板进行编程了！

安装 Arduino IDE

现在我们了解了 Arduino 和 Arduino 控制板的基本概念，接下来是时候把这些知识付诸实践了。我们将安装 Arduino IDE，这是我们用来编程 Arduino 控制板的软件。

最新版本的 Arduino IDE 是 2.0 版，它功能强大且非常用户友好。但你需要注意，它有一些系统要求：

• Windows - Win 10 及以上版本，64 位

• Linux - 64 位

• macOS - 10.14 版本 (“Mojave”) 或更高版本，64 位

按照以下步骤开始：

1. 访问 Arduino IDE 2.0.0 Page，下载适用于你操作系统版本的 IDE。

   

Windows 用户：

1. 下载完文件后（文件名可能类似于 arduino-ide_xxxx.exe），双击开始安装。

2. 阅读 许可协议，如果同意协议，点击 “我同意”。

   

3. 选择安装选项，保持默认设置并点击 “下一步”。

   

4. 选择软件的安装位置。最好将其安装在不同于操作系统所在的驱动器上。

   

5. 点击 “安装” 开始安装，完成后点击 “完成”。

   

macOS 用户：

双击下载的文件（类似于 arduino_ide_xxxx.dmg），按照屏幕上的指示将 Arduino IDE 应用拖到 应用程序 文件夹。几秒钟后，Arduino IDE 将成功安装。

Linux 用户：

你可以参考此教程了解如何在 Linux 系统上安装 Arduino IDE 2.0：Install Arduino IDE on Linux。

探索 Arduino IDE

让我们一起想象 Arduino IDE 就像一个充满工具和小玩意的神奇游乐场，等待我们去探索和玩耍。接下来，我将引导你了解这个游乐场的每个角落。

在这里，你会发现：

• 验证 / 上传：就像魔法电梯，把你写的代码传送到 Arduino 控制板。

• 选择板子 & 端口：这是你的宝藏地图，自动显示你连接的 Arduino 板子以及它们的端口号。

• 草图本：这是你个人的图书馆，所有的草图（程序）都存储在这里，还可以连接到 Arduino 云端，随时取回你的草图。

• 板子管理器：想象它是你的工具箱，里面可以找到并安装各种 Arduino 板的包。

• 库管理器：这是你的无尽宝库，成千上万的 Arduino 和社区开发的库都在这里等你使用。如果你需要为代码提供工具或资源，快来这里探索吧！

• 调试器：就像拥有一个超级能力，可以实时调试你的代码，找出问题并修正它们。

• 搜索：像放大镜一样，帮助你在代码中搜索关键词。

• 打开串口监视器：就像你的通讯设备，可以让你的计算机和 Arduino 控制板相互发送消息。

现在，我们已经对这个游乐场有了初步了解，是时候深入探索并开始创造了！

上传你的第一个草图

好啦，是时候开始玩了！我们将让一个 LED 灯闪烁——这就像是 Arduino 世界中的 “Hello, World!”。

大多数 Arduino 控制板在第 13 引脚上都有一个内建的 LED，因此这是一个很好的入门实验。

让我们一步步来：

1. 连接：使用 USB 数据线将 SunFounder R3 控制板连接到计算机。这就是我们为控制板提供电力并传输程序（也叫 “草图”）的方式。你可能觉得这只是连接一个电脑外设，但实际上，你正在连接一个充满可能性的世界！

   

2. 查找示例草图：在 Arduino IDE 中，点击 文件 -> 示例 -> 基础 -> Blink。弹出的代码就是一个现成的程序，我们将对其进行修改。就像拿到一块现成的蛋糕，准备装饰！

   

3. 理解草图：看看新窗口中的代码。它告诉 Arduino 打开第 13 引脚上的内建 LED 1 秒钟，然后关闭 1 秒钟，循环执行。这就像在发送摩尔斯电码，但用光来表示！

   

4. 上传草图：选择好正确的板子和端口后，点击上传按钮。就像寄信一样，你将指令发送给 Arduino 控制板！大多数情况下，系统会自动检测到板子和端口。

   

5. 观察效果：如果一切顺利，你会看到 Arduino 控制板上的 LED 开始闪烁。就像 Arduino 在向你眨眼！

   

你做得非常棒！你已经运行了你的第一个 Arduino 程序，现在你是一个名副其实的程序员了！接下来呢？我们才刚刚开始探索 Arduino 的无限可能。准备好迎接下一个挑战了吗？

一些有趣的 Arduino 编程小知识

接下来，我们要揭开一些 Arduino 编程的秘密！

• 代码魔法：setup() 和 loop()

  一个 Arduino 草图就像一个分为两幕的戏剧：

  • setup()：这是第一幕，开场的场景。它只会运行一次，Arduino 控制板首次启动时执行。在这一幕中，我们会设置引脚模式和加载库等内容。

  • loop()：第一幕之后进入第二幕，这一幕会一直重复，直到我们断电或按下复位按钮！这部分代码就像戏剧的主体，所有的操作都在这一幕中进行。

  记住，即使在 setup() 或 loop() 中没有实际的魔法（代码），我们仍然需要保留它们。它们就像舞台——即使没有演员，舞台仍然存在。

  void setup() {
      // 初始化数字引脚 LED_BUILTIN 为输出。
      pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  
      digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // 打开 LED（HIGH 为高电压）
      delay(1000);                      // 等待一秒钟
      digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);   // 关闭 LED（LOW 为低电压）
      delay(1000);                      // 等待一秒钟
  }
  
  // loop 函数将会一直循环执行
  void loop() {
  
  }
  

• 编程中的标点符号

  就像故事书中的标点符号，Arduino 使用特定的符号来理解代码：

  • 分号（;）：就像故事中的句号，告诉 Arduino “好的，我已经完成了这项任务。接下来呢？”

  • 花括号 {}：就像章节的开始和结束，标明代码片段的起止。

  如果你忘记了某些标点符号，别担心！Arduino 就像一个友好的老师，它会检查你的代码，指出错误并教你如何修正。

  

• 关于函数

  想象这些函数就像魔法咒语，每个咒语都有特定的效果：

  • pinMode()：这个咒语决定某个引脚是输入（INPUT）还是输出（OUTPUT），就像决定故事中的角色是说话（输出）还是听话（输入）。

  • digitalWrite()：这个咒语可以将引脚设置为 HIGH（开启）或 LOW（关闭），就像控制魔法灯的开关。

  • delay()：这个咒语让 Arduino 暂停一段时间，就像故事中的小休息。

  你可以在 Arduino official website 查找更多函数。掌握更多咒语，Arduino 冒险将更加精彩！

• 注释：我们的秘密语言

  在编程中，我们还有一种秘密语言叫做 注释。它们是我们在代码中写的留言，使用 // 或 /* */ 来标记。魔法在于：Arduino 完全忽略它们！这是留下笔记的好地方，可以解释代码的难点。

• 代码可读性：让代码更友好

  就像写一篇好故事一样，代码的写法可以让它变得有趣易懂，还是让它乏味难懂。以下是一些让代码更友好的技巧：

  • 使用适当的缩进，把代码分成整洁的段落。这有助于读者理解每个部分的开始和结束。

  • 使用合适的变量名，就像给故事中的角色起个合适的名字。

  • 保持函数简洁，就像简短精悍的章节。

  • 留下注释，解释代码中复杂的部分。

记住，我们编写的代码不仅是给机器看的，也是给人类看的。所以让我们确保代码清晰易懂！

反思与提升

花点时间反思我们的学习旅程，这有助于我们发现可能遗漏的宝贵经验。问问自己：

• 这次 Arduino 探险中，最有趣的部分是什么？

• 有没有遇到什么挑战？你是如何克服的？

• 你能向朋友解释 Arduino 是什么，Arduino IDE 有什么作用，或者如何运行 Arduino 代码吗？

• 你如何描述第一次编程体验？

• 你还想了解哪些 Arduino 的知识？

通过思考这些问题，你将加深对 Arduino 的理解，为未来的探索做好准备。记住，反思没有对错——它是你个人的学习旅程！