Arduino开发实战指南：机器人卷
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第2章 Arduino的基本函数

从第1章中我们已经初步了解了Arduino的易用性、自由性与交互性，然而它真正吸引众多爱好者是因为提供了大量的基础函数，包括I/O控制、时间函数、中断函数、数学函数、串口通信函数等，这些基础函数使单片机系统开发不再有复杂的底层代码，没有难懂的汇编语言，使用者可以方便地对板上的资源进行控制。另外，Arduino还提供了许多关于这些基础函数的示例程序，这些示例可以在Arduino开发环境的“File→Examples”菜单中找到，从而大大地降低了初学者的学习难度，缩短了单片机系统开发周期。

2.1 数字I/O口的操作函数

2.1.1 pinMode（pin， mode）

pinMode函数用于配置引脚为输入或输出模式，它是一个无返回值函数，一般放在setup里，先设置再使用。

pinMode函数有两个参数——pin和mode。pin参数表示要配置的引脚，以Arduino Uno为例，它的范围是数字引脚0～13，也可以把模拟引脚（A0～A5）作为数字引脚使用，此时编号为14脚（对应模拟引脚0）到19脚（对应模拟引脚5）。mode参数表示设置的模式——INPUT（输入）或OUTPUT（输出），其中INPUT用于读取信号，OUTPUT用于输出控制信号。

配置数字引脚3为输出模式的语句如下：

pinMode(3, OUTPUT);

2.1.2 digitalWrite（pin，value）

digitalWrite函数的作用是设置引脚的输出电压为高电平或低电平，也是一个无返回值函数，在使用该函数设置引脚之前，需要先用pinMode将引脚设置为OUTPUT模式。

digitalWrite函数有两个参数——pin和value，pin参数表示所要设置的引脚，value参数表示输出的电压——HIGH（高电平）或LOW（低电平）。

配置数字引脚2的输出电平为高电平的语句如下：

pinMode(2, OUTPUT);
digitalWrite(2, HIGH);

2.1.3 digitalRead（pin）

digitalRead函数的作用是获取引脚的电压情况，该函数返回值为int型——HIGH（高电平）或者LOW（低电平），在使用该函数设置引脚之前，需要先用pinMode将引脚设置为INPUT模式。

digitalRead函数只有一个参数——pin，它表示所要获取电压情况的引脚号，如果引脚没有连接到任何地方，那么将随机返回HIGH（高电平）或者LOW（低电平）。

获取数字引脚4的电压情况的语句如下：

pinMode(4, INPUT);
digitalRead(4);

2.2 模拟I/O口的操作函数

2.2.1 analogReference（type）

analogReference函数的作用是配置模拟输入引脚的基准电压（即输入范围的最大值），它是一个无返回值函数，只有一个参数type，type的选项有DEFAULT/INTERNAL/INTERNAL1V1/INTERNAL2V56/EXTERNAL，其具体含义如下。

‰DEFAULT：默认5V或3.3V为基准电压（以Arduino板的电压为准）。

‰INTERNAL：低电压模式，使用片内基准电压源（Arduino Mega无此选项）。

‰INTERNAL1V1：低电压模式，以1.1V为基准电压（此选项仅针对Arduino Mega）。

‰INTERNAL2V56：低电压模式，以2.56V为基准电压（此选项仅针对Arduino Mega）。

‰EXTERNAL：扩展模式，以AREF引脚（0～5V）的电压作为基准电压，其中AREF引脚的位置如图2.1所示。

图2.1 AREF引脚的位置

设置模拟输入引脚的基准电压为默认值的语句如下：

analogReference (DEFAULT);

注意

使用AREF引脚上的电压作为基准电压时，需接一个5kΩ的上拉电阻，以实现外部和内部基准电压之间的切换。但总阻值会发生变化，因为AREF引脚内部有一个32kΩ电阻，接上拉电阻后会产生分压作用，因此，最终AREF引脚上的电压为，Varef为AREF引脚的输入电压。

2.2.2 analogRead（pin）

analogRead函数的作用是从指定的模拟引脚读取值，读取周期为100μs，即最大读取速度可达每秒10000次。参数pin表示读取的模拟输入引脚号，返回值为int型（范围在0～1023）。

Arduino Uno主板有6个通道（Mega有16个）10位AD（模数）转换器，即精度为10位，返回值是0～1023。也就是说输入电压为5V的读取精度为5V/1024个单位，约等于每个单位0.049V（4.9mV）。输入范围和进度可通过analogReference（）进行修改。

如输入电压为a，那么获取模拟输入引脚3的电压值的示例程序如下：

int potPin = 3;
int value = 0;
void setup()
{
  Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
  value = analogRead(potPin) *a*1000/1023;      // 输入电压是a
  Serial.println(value);                        // 输出电压值的单位为mV
}

注意

对Arduino Uno而言，函数参数的pin范围是0～5，对应板上的模拟口A0～A5。其他型号的Arduino控制板以此类推。

2.2.3 analogWrite（pin，value）

analogWrite函数的作用是通过PWM的方式将模拟值输出到引脚，即调用analogWrite函数后，相应引脚将产生一个指定占空比的稳定方波（频率大约为490Hz），直到下一次调用该函数，可应用在LED亮度调节、电机速度控制等方面。

analogWrite函数是无返回值函数，有两个参数pin和value。参数pin表示将输出PWM的引脚，这里只能选择函数支持的引脚。对于大多数Arduino板（板载ATmega168或ATmega328），这个函数支持引脚3、5、6、9、10和11，对于ArduinoMega，它适用于2～13号引脚。参数value表示PWM输出的占空比，因为PWM输出位数为8，所以其范围在0（常闭）～255（常开）之间，对应占空比为0～100%。带PWM功能的引脚均标有波浪号“～”。

从引脚11输出PWM的示例程序如下：

int sensor=A0;
int LED=11;
int value;
void setup()
{
   Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
   value =analogRead(sensor);
   Serial.println(value,DEC);   // 可以观察读取的模拟量
   analogWrite(LED, value /4);  // 读回的值范围是0～1023,结果除以4才能得到0～255的区间值
}

注意

引脚5和6的PWM输出将产生高于预期的占空比。这是因为millis（）和delay（）函数共享同一个内部定时器，使内部计时器在处理PWM输出时分心。这种情况一般出现在低占空比设置时，如0～10的情况下。还有些情况是占空比为0时，引脚5和6并没有关闭输出。

2.3 高级I/O

2.3.1 PulseIn（pin，state，timeout）

PulseIn函数用于读取指定引脚的脉冲持续的时间长度，该函数返回值类型为无符号长整型（unsigned long），单位为ms，如果超时没有读到的话，则返回0。

PulseIn函数包含3个参数pin、state、timeout。参数pin代表脉冲输入的引脚；参数state代表脉冲响应的状态，脉冲可以是HIGH或者LOW，如果是HIGH，则PulseIn函数将先等引脚变为高电平，然后开始计时，一直到变为低电平；参数timeout代表超时时间。

做一个按钮脉冲计时器，测一下按钮的时间，测测谁的反应快，看谁能按出最短的时间，其中按钮接引脚3。示例程序如下：

int button=3;
int count;
void setup()
{
  pinMode(button,INPUT);
}
void loop()
{
  count=pulseIn(button,HIGH);
  if(count!=0)
    {
        Serial.println(count,DEC);
        count=0;
    }
}

2.3.2 shiftOut（dataPin，clockPin，bitOrder，val）

shiftOut函数的作用是将一个数据的一个字节一位一位地移出，它是一个无返回值函数。从最高有效位（最左边）或最低有效位（最右边）开始，依次向数据脚写入每一位，之后时钟脚被拉高或拉低，指示刚才的数据有效。

shiftOut函数包括4个参数dataPin、clockPin、bitOrder、val，其具体含义如下。

‰dataPin：输出每一位数据的引脚，引脚需配置成输出模式。

‰clockPin：时钟脚，当dataPin有数据时，此引脚电平会发生变化，引脚需配置成输出模式。

‰bitOrder：输出位的顺序，有最高位优先（MSBFIRST）和最低位优先（LSBFIRST）两种方式。

‰val：所要输出的数据值，该数据值将以byte形式输出。

从相应引脚输出500的示例程序如下，其中dataPin接引脚11，clockPin接引脚12，按最低位优先输出方式：

int dataPin = 11;
int clockPin = 12;
int data = 500;
void setup()
{
  pinMode(dataPin, OUTPUT);                             // 设置引脚为输出
  pinMode(clockPin, OUTPUT);                            // 设置引脚为输出
}
void loop()
{
  shiftOut(dataPin,clockPin,LSBFIRST,data);             // 移位输出低字节
  shiftOut(dataPin,clockPin,LSBFIRST,data>>8);          // 移位输出高字节
}

注意

shiftOut目前只能输出1个字节（8位），所以如果输出值大于255需要分两步。

2.4 时间函数

2.4.1 delay（ms）

delay函数是一个延时函数，它是一个无返回值函数，参数是延时的时长，单位是ms（毫秒）。

跑马灯的程序往往需用到delay函数，具体示例程序清单如下：

void setup()
{
  pinMode(6,OUTPUT);            // 定义为输出
  pinMode(7,OUTPUT);
  pinMode(8,OUTPUT);
  pinMode(9,OUTPUT);
}
void loop()
{
  int i;
  for(i=6;i<=9;i++)                  // 依次循环四盏灯
     {
       digitalWrite(i,HIGH);         // 点亮LED
       delay(1000);                  // 持续1s
       digitalWrite(i,LOW);          // 熄灭LED
       delay(1000);                  // 持续1s
     }
}

2.4.2 delayMicroseconds（μs）

delayMicroseconds函数也是延时函数，可以产生更短的延时，参数是延时的时长，单位是μs（微秒），其中1s=1000ms=1000000μs。

在delay（ms）的跑马灯程序中，延时程序delay（1000）（延时1秒）可以用delayMicroseconds（1000000）来代替。

2.4.3 millis（）

millis函数用于获取单片机通电到现在运行的时间长度，单位是ms，该函数返回值类型为无符号长整型（unsigned long）。系统最长的记录时间为9小时22分，如果超出将从0开始。

millis是一个无参数函数，适合作为定时器使用，不影响单片机的其他工作，而使用delay函数期间无法做其他工作。

延时10秒后自动点亮接到引脚13的LED的示例程序清单如下：

int LED=13;
unsigned long i,j;
void setup()
{
  pinMode(LED,OUTPUT);
  i=millis();           // 读入初始值
}
void loop()
{
  j=millis();           // 不断读入当前时间值
  if((j-i)>10000)       // 如果延时超过10s，点亮LED
    digitalWrite(LED,HIGH);
  else
    digitalWrite(LED,LOW);
}

2.4.4 micros（）

micros函数用于返回开机到现在运行的微秒值，该函数返回值类型为无符号长整型（unsigned long），70分钟将溢出。

显示当前的微秒值的示例程序清单如下：

unsigned long time;
void setup()
{
  Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
  Serial.print("Time: ");
  time = micros();      // 读取当前的微秒值
  Serial.println(time); // 打印开机到目前运行的微秒值
  delay(1000);          // 延时1s
}

2.5 中断函数

单片机的中断可概述为：由于某一随机事件的发生，单片机暂停原程序的运行，转去执行另一程序（随机事件），处理完毕后又自动返回原程序继续运行，其发生过程如图2.2所示，其中中断源、主程序、中断服务程序简述如下。

图2.2 中断发生的过程

‰中断源：引起中断的原因，或能发生中断申请的来源。

‰主程序：单片机现在运行的程序。

‰中断服务程序：处理中断事件的程序。

2.5.1 interrupts（）和noInterrupts（）

在Arduino中，interrupts函数与noInterrupts函数分别负责打开与关闭总中断，这两个函数均为无返回值函数，无参数。

2.5.2 attachInterrupt（interrput，function，mode）

attachInterrupt函数用于设置外部中断，有3个参数，分别表示中断源、中断处理函数和触发模式，它们的具体含义如下。

‰中断源：可选0或者1，对应2或者3号数字引脚。

‰中断处理函数：指定中断的处理函数，是一段子程序，当中断发生时执行该子程序部分，其中参数值为函数的指针。

‰触发模式：有四种类型——LOW（低电平触发）、CHANGE（变化时触发）、RISING（低电平变为高电平触发）、FALLING（高电平变为低电平触发）

数字引脚D2口接按钮开关，D4口接LED1（红色），D5口接LED2（绿色），LED3为板载LED灯，每秒闪烁一次。使用中断0来控制LED1，中断1来控制LED2。按下按钮，马上响应中断，由于中断响应速度快，LED3不受影响，继续闪烁。该示例的程序清单如下：

volatile int state1=LOW,state2=LOW;
int LED1=4;
int LED2=5;
int LED3=13;                                    // 使用板载的LED灯
void setup()
{
  pinMode(LED1,OUTPUT);
  pinMode(LED2,OUTPUT);
  pinMode(LED3,OUTPUT);
  attachInterrupt(0,LED1_Change,LOW);           // 低电平触发
  attachInterrupt(1,LED2_Change,CHANGE);        // 任意电平变化触发
}
void loop()
{
  digitalWrite(LED3,HIGH);
  delay(500);
  digitalWrite(LED3,LOW);
  delay(500);
}
void LED1_Change()
{
  state1=!state1;
  digitalWrite(LED1,state1);
  delay(100);
}
void LED2_Change()
{
  state2=!state2;
  digitalWrite(LED2,state2);
  delay(100);
}

2.5.3 detachInterrupt（interrput）

detachInterrupt函数用于取消中断，参数interrupt表示所要取消的中断源。

2.6 串口通信函数

Arduino的串口通信是通过在头文件HardwareSerial.h中定义一个HardwareSerial类的对象serial，然后直接使用类的成员函数来实现的。

2.6.1 Serial.begin（）

Serial.begin函数用于设置串口的波特率，波特率是指每秒传输的比特数，除以8可得到每秒传输的字节数。一般的波特率有9600、19200、57600、115200等。

2.6.2 Serial.available（）

Serial.available函数用来判断串口是否收到数据，该函数返回值为int型，不带参数。

2.6.3 Serial.read（）

Serial.read用于将串口数据读入，该函数返回值为int型，不带参数。

2.6.4 Serial.print（）

Serial.print函数用于从串口输出数据，数据可以是变量，也可以是字符串。

2.6.5 Serial.printIn（）

Serial.printIn函数的功能与Serial.print函数类似，都是从串口输出数据，只是Serial.printIn函数多了回车换行功能。

从串口输出“I have received！”字符的示例程序清单如下：

int x=0;
void setup()
{
  Serial.begin(9600);           // 波特率9600
}
void loop()
{
  if(Serial.available())
  {
     x=Serial.read();
     Serial.print("I have received!");
     Serial.printIn(x,DEC);     // 输出并换行
  }
  delay(200);
}

2.7 数学库

2.7.1 min（x，y）

min函数的作用是返回x、y两者的最小值。

2.7.2 max（x，y）

max函数的作用是返回x、y两者的最大值。

2.7.3 abs（x）

abs函数的作用是返回x的绝对值，可以将负数转为正数。

2.7.4 三角函数

三角函数包括sin（rad）、cos（rad）、tan（rad），分别返回rad的正弦值、余弦值和正切值，返回值为double型。

2.7.5 random（small，big）

random函数用于生成一个随机数，其两个参数small和big决定了该随机数的范围，该函数的返回值为long型。

随机生成从0到100以内的整数的示例程序清单如下。

long x;
void setup()
{
}
void loop()
{
  x=random(0,100);
}
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