第1章　概述

1.1　Arduino简介

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）。它适用于艺术家、设计师、爱好者和对于“互动”有兴趣的朋友们。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、电动机和其他的装置来反馈、影响环境。下面就让我们学习以下几个较典型的开发板。

1.1.1　Arduino Uno

Arduino Uno是Arduino USB接口系列的最新版本，作为Arduino平台的参考标准模板，如图1-1所示。Uno的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出）、6路模拟输入、一个16MHz晶体振荡器、一个USB接口、一个电源插座、一个ICSP header和一个复位按钮。目前已经发布Uno第三版，第三版与前两版相比有以下特点：在AREF处增加了两个管脚SDA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一个预留管脚，将来扩展板将能兼容5V和3.3V核心板。改进了复位电路设计，USB接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2。

1．主要特征

（1）处理器：ATmega 328。

（2）工作电压：5V。

（3）输入电压（推荐）：7~12V。

（4）输入电压（范围）：6~20V。

（5）数字I/O引脚：14路（其中6路作为PWM输出）。（6）模拟输入引脚：6个。

（7）I/O引脚直流电流：40mA。

（8）3.3V引脚直流电流：50mA。

图1-1　Arduino Uno实物图

2．引脚说明

（1）14路数字输入/输出口：工作电压为5V，每一路能输出和接入最大电流为40mA。每一路配置了20kΩ~50kΩ内部上拉电阻（默认不连接）。除此之外，有些引脚有特定的功能。

（2）串口信号RX（0号）、TX（1号）：与内部ATmega8U2 USB-to-TTL芯片相连，提供TTL电压水平的串口接收信号。

（3）外部中断（2号和3号）：触发中断引脚，可设成上升沿、下降沿或同时触发。

（4）脉冲宽度调制PWM（3、5、6、9、10、11）：提供6路8位PWM输出。

（5）SPI（10(SS)，11(MOSI)，12(MISO)，13(SCK)）：SPI通信接口。

（6）LED（13号）：Arduino专门用于测试LED的保留接口，输出为高时点亮LED，反之输出为低时LED熄灭。

（7）A0~A5：6路模拟输入，每一路具有10位的分辨率（即输入有1024个不同值），默认输入信号范围为0~5V，可以通过AREF调整输入上限。除此之外，有些引脚有特定功能。

（8）TWI接口（SDA A4和SCL A5）：支持通信接口（兼容I2C总线）。

（9）AREF：模拟输入信号的参考电压。

（10）RESET：信号为低时复位单片机芯片。

上述特征和引脚可用图1-2概述。

图1-2　Arduino原理图

1.1.2　Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560是采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入/输出，适合需要大量I/O接口的设计，如图1-3所示。处理器核心是ATmega 2560，同时具有54路数字输入∕输出口（其中16路可作为PWM输出）、16路模拟输入、4路UART接口、一个16MHz晶体振荡器、一个USB接口、一个电源插座、一个ICSP header和一个复位按钮。Arduino Mega 2560也能兼容为Arduino Uno设计的扩展板。目前，Arduino Mega 2560发布了第三版，第三版的特点如下。

（1）在AREF处增加了两个管脚SDA和SCL。

（2）支持I2C接口。

（3）增加IOREF和一个预留管脚，将来扩展板能兼容5V和3.3V核心板。改进了复位电路设计。

（4）USB接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2。

（5）Arduino Mega 2560可以通过3种方式供电，而且能自动选择供电方式。

（6）外部直流电源通过电源插座供电。

（7）电池连接电源连接器的GND和VIN引脚。

（8）USB接口直接供电。

图1-3　Arduino Mega 2560实物图

1．电源引脚说明

（1）VIN：当外部直流电源接入电源插座时，可以通过VIN向外部供电，也可以通过此引脚向Mega 2560直接供电。VIN有电时将忽略从USB或者其他引脚接入的电源。

（2）5V：通过稳压器或USB的5V电压，为Uno上的5V芯片供电。

（3）3.3V：通过稳压器产生的3.3V电压，最大驱动电流50mA。

（4）GND：地脚。

2．输入∕输出

（1）14路数字输入∕输出口：工作电压为5V，每一路能通过的最大电流为40mA。每一路配置了20kΩ~50kΩ内部上拉电阻。

除此之外，有些引脚有特定的功能。

·4路串口信号：串口0~0(RX)和1(TX)；串口1~19(RX)和18(TX)；串口2~17(RX)和16(TX)；串口3~15(RX)和14(TX)。其中串口0与内部ATmega8U2 USB-to-TTL芯片相连，提供TTL电压水平的串口接收信号。

·6路外部中断：2（中断0），3（中断1），18（中断5），19（中断），20（中断3），21（中断2）。触发中断引脚，可设成上升沿、下降沿或同时触发。

·14路脉冲宽度调制PWM（0~13）：提供14路8位PWM输出。

·SPI[53(SS)，51(主机输出从机输入，MOSI)，50(主机输入从机输出，MISO)，52(SCK)]：SPI通信接口。

·LED（13号）：Arduino专门用于测试LED的保留接口，输出为高时点亮LED，反之输出为低时LED熄灭。

（2）16路模拟输入：每一路具有10位的分辨率（即输入有1024个不同值），默认输入信号范围为0~5V，可以通过AREF调整输入上限。

除此之外，有些引脚有特定功能，比如TWI接口（20（SDA）和21（SCL））支持通信接口（兼容I2C总线）。

（3）AREF：模拟输入信号的参考电压。

（4）RESET：信号为低时复位单片机芯片。

综上，Arduino Mega 2560的构造原理图如图1-4所示。

图1-4　Arduino Mega 2560原理图

1.1.3　Arduino Nano

Arduino Nano是Arduino USB接口的微型版本，最大的不同是没有电源插座且USB接口是Mini-B型插座，如图1-5所示。Arduino Nano的尺寸极小，而且可以插在面包板上使用，其处理器核心是Atmega 168（Nano2.x）和Atmega 328（Nano3.0），同时具有14路数字输入∕输出口（其中6路可作为PWM输出）、8路模拟输入、一个16MHz晶体振荡器、一个Mini-B USB接口、一个ICSP header和一个复位按钮。

图1-5　Arduino Nano实物图

1．主要特征

·处理器：Atmega 168或Atmega 328。

·工作电压：5V输入电压（推荐）；7~12V输入电压（范围）。

·数字I/O引脚：14路（其中6路作为PWM输出）。

·模拟输入引脚：6个。

·I/O引脚直流电流：40 mA。

·Flash Memory 16KB或者32KB（其中2KB用于引导程序）。

·SRAM 1 KB或者2KB。

·EEPROM 0.5 KB或者1KB（ATmega328）。

·FT232RL FTDI USB接口芯片。

·工作时钟：16 MHz。

2．电源

·Arduino Nano供电方式。

·Mini-B USB接口供电。

·pin27+5V接外部直流5V电源。

注意：只有通过USB接口供电时FT232RL才工作。

3．输入∕输出

14路数字输入∕输出口的工作电压为5V，每一路能通过的最大电流为40mA。每一路配置了20kΩ~50kΩ内部上拉电阻（默认不连接）。除此之外，有些引脚有特定的功能。

·串口信号RX（0号）、TX（1号）：提供TTL电压水平的串口接收信号与FT232Rl所相应的引脚相连。

·外部中断（2号和3号）：触发中断引脚，可设成上升沿、下降沿或同时触发。

·脉冲宽度调制PWM（3、5、6、9、10、11）：提供6路8位PWM输出。

·SPI（10(SS)，11(MOSI)，12(MISO)，13(SCK)）：SPI通信接口。

·LED（13号）：Arduino专门用于测试LED的保留接口，输出为高时点亮LED，反之输出为低时LED熄灭。

·6路模拟输入A0~A5：每一路具有10位的分辨率（即输入有1024个不同值），默认输入信号范围为0~5V，可以通过AREF调整输入上限。除此之外，有些引脚有特定功能。

·TWI接口（SDA A4和SCL A5）：支持通信接口（兼容I2C总线）。

·AREF：模拟输入信号的参考电压。

·RESET：信号为低时复位单片机芯片。

综上，Arduino Nano原理图如图1-6所示。

图1-6　Arduino Nano原理图

1.1.4　Arduino Leonardo

Arduino Leonardo是基于ATmega32U4的一个微控制器板。它有20个数字输入/输出引脚（其中7个可用于PWM输出、12个可用于模拟输入）、一个16 MHz的晶体振荡器、一个Micro USB接口、一个DC接口、一个ICSP接口以及一个复位按钮，如图1-7所示。它包含了支持微控制器所需的一切，可以简单地通过连接到计算机的USB接口，或者使用AC-DC适配器，或者用电池来驱动它。

Leonardo不同于之前所有的Arduino控制器，它直接使用了ATmega32U4的USB通信功能，取消了USB转UART芯片。这使得Leonardo不仅可以作为一个虚拟的（CDC）串行/COM端口，还可以作为鼠标或者键盘连接到计算机。

图1-7　Arduino Leonardo实物图

1．主要特征

·微控制器：ATmega32U4。

·工作电压：5V。

·输入电压（推荐）：7~12V。

·输入电压（限制）：6~20V。

·数字I/O引脚：20。

·PWM通道：7。

·模拟输入引脚：12。

·每个I/O直流输出能力：40mA。

·3.3V端口输出能力：50mA。

·Flash：32 KB（ATmega32U4），其中4KB由引导程序使用。

·SRAM：2.5 KB（ATmega32U4）。

·EEPROM：1 KB（ATmega32U4）。

·时钟速度：16MHz。

2．输入∕输出

通过使用pinMode()、digitalWrite()和digitalRead()函数，Leonardo上的20个I/O引脚中的每一个都可以作为输入⁄输出端口。每个引脚都有一个20kΩ~50kΩ的内部上拉电阻（默认断开），可以通过最大40mA的电流。此外，部分引脚还有专用功能。

·UART：0（RX）和1（TX）使用ATmega32U4硬件串口，用于接收（RX）和发送（TX）的TTL串行数据。需要注意的是，Leonardo的Serial类是指USB（CDC）的通信，而引脚0和1的TTL串口使用Serial1类。

·TWI：2（SDA）和3（SCL）通过使用Wire库来支持TWI通信。外部中断为2和3，这些引脚可以被配置。

·PWM：（3、5、6、9、10、11、13）能使用analogWrite()函数支持8位的PWM输出。SPI：ICSP引脚。能通过使用SPI库支持SPI通信。需要注意的是，SPI引脚没有像Uno连接到任何的数字I/O引脚上，它们只能在ICSP端口上工作。这意味着，如果扩展板没有连接6脚的ICSP引脚，那它将无法工作。

·LED（13）：有一个内置的LED在数字引脚13上，当引脚是高电平时，LED点亮，引脚为低电平时，LED不亮。

·模拟输入：A0~A5，A6~A11（数字引脚4，6，8，9，10，12），Leonardo有12个模拟输入，A0~A11，都可以作为数字I/O口。引脚A0~A5的位置与Uno相同；A6~A11分别是数字I/O引脚4，6，8，9，10和12。每个模拟输入都有10位分辨率（即1024个不同的值）。默认情况下，模拟输入量为0~5V，也可以通过AREF引脚改变这个上限。

·AREF：模拟输入信号参考电压通过analogReference()函数。

综上，Arduino leonardo的原理图如图1-8所示。

图1-8　Arduino Leonardo原理图

1.1.5　Arduino扩展板

Arduino扩展板通常具有和Arduino开发板一样的引脚位置，可以堆叠接插到Arduino上，进而实现特定功能的扩展。Arduino有许多扩展板，其中较典型的是Proto Shield原型扩展板、GPRS Shield扩展板、Arduino Ethernet W5100 R3 Shield网络扩展板、WizFi210扩展板、Arduino L298N电机驱动扩展板、Arduino传感器扩展板等。由于扩展板非常多，所以我们下面就从中选取Arduino传感器扩展板进行简单介绍。

在面包板上接插元件固然方便，但需要有一定的电子知识来搭建各种电路。而使用传感器扩展板，只需要用通过连接线，把各种元件接插到扩展板上即可。使用传感器扩展板，可以更快速地搭建出所需的项目传感器扩展板，如图1-9所示。它是最常用的Arduino外围硬件之一。

在扩展板上，数字引脚和模拟输入引脚边有红黑两排排针，以“+”“−”标示，其中，“+”表示VCC，“−”表示GND。在一些厂家的扩展板上，VCC和GND可能也会以“V”“G”标示。