Arduino¶

Arduino 是全球最流行的开源电子原型平台，以其==简单易用==的硬件和软件，让初学者和专业开发者都能快速实现创意。它是嵌入式开发的最佳入门选择。

一、Arduino 是什么？¶

Arduino 是一个基于==易用硬件和软件==的开源电子平台。它包含：

硬件：基于 AVR / ARM / ESP 等微控制器的开发板
软件：Arduino IDE（集成开发环境）+ Arduino 语言（基于 C/C++）
生态：海量开源库、扩展板（Shield）、社区教程

graph TB
    A[Arduino 平台] --> B[硬件]
    A --> C[软件]
    A --> D[生态]
    B --> B1[开发板<br>UNO / Mega / Nano]
    B --> B2[扩展板 Shield<br>电机 / WiFi / 显示]
    C --> C1[Arduino IDE]
    C --> C2[Arduino 语言<br>基于 C/C++]
    D --> D1[开源库 10000+]
    D --> D2[社区教程]
    D --> D3[PlatformIO 支持]

为什么选择 Arduino？

入门门槛低：不需要深入了解寄存器，几行代码就能控制硬件
跨平台：同一套 API 可运行在 AVR、ARM、ESP32 等不同芯片上
生态丰富：几乎所有常见传感器和模块都有现成的库

二、常见开发板对比¶

开发板	主控芯片	工作电压	数字 IO	模拟输入	Flash	SRAM	时钟	特点
UNO R3	ATmega328P	5V	14	6	32KB	2KB	16MHz	最经典，新手首选
UNO R4 WiFi	RA4M1 (ARM)	5V	14	6	256KB	32KB	48MHz	内置 WiFi + BLE
Mega 2560	ATmega2560	5V	54	16	256KB	8KB	16MHz	引脚多，适合大型项目
Nano	ATmega328P	5V	14	8	32KB	2KB	16MHz	小巧，适合嵌入产品
Nano 33 BLE	nRF52840	3.3V	14	8	1MB	256KB	64MHz	BLE + 9轴 IMU
Leonardo	ATmega32U4	5V	20	12	32KB	2.5KB	16MHz	内置 USB HID
Due	SAM3X8E (ARM)	3.3V	54	12	512KB	96KB	84MHz	32位 ARM，高性能

电压注意

5V 板子（UNO、Mega、Nano）：IO 口输出 5V，可直接驱动大多数模块
3.3V 板子（Due、Nano 33）：IO 口输出 3.3V，连接 5V 模块需要==电平转换==
混用电压可能烧毁芯片！

三、Arduino UNO R3 核心架构¶

以最经典的 UNO R3 为例：

graph TB
    subgraph "ATmega328P"
        CPU[AVR CPU<br>8 位 RISC<br>16MHz]
        FLASH[Flash 32KB<br>程序存储]
        SRAM[SRAM 2KB<br>运行内存]
        EEPROM[EEPROM 1KB<br>掉电保存]
        GPIO_M[GPIO 模块]
        TIMER_M[3 个定时器<br>Timer0/1/2]
        ADC_M[ADC 10 位<br>6 通道]
        UART_M[UART 串口]
        SPI_M[SPI 主/从]
        I2C_M[I2C TWI]
    end

    CPU --> FLASH
    CPU --> SRAM
    CPU --> EEPROM
    CPU --> GPIO_M
    CPU --> TIMER_M
    CPU --> ADC_M
    CPU --> UART_M
    CPU --> SPI_M
    CPU --> I2C_M

    GPIO_M --> PIN[数字引脚 D0-D13<br>模拟引脚 A0-A5]
    UART_M --> USB[USB-B 接口<br>CH340/ATmega16U2]

存储器区别

存储器	大小	用途	掉电保持
Flash	32KB	存储程序代码（Sketch）	✅
SRAM	2KB	运行时变量	❌
EEPROM	1KB	用户数据（设置、校准值）	✅

四、开发环境搭建¶

Arduino IDE 2.x（推荐）PlatformIO（进阶推荐）

访问 arduino.cc 下载 Arduino IDE 2.x
安装后打开，进入 File → Preferences
连接开发板，选择 Tools → Board → Arduino UNO
选择 Tools → Port → COMx（Windows）或 /dev/ttyUSBx（Linux）
点击 Upload（→ 箭头）上传程序

国内加速

在 Preferences 的 Additional Boards Manager URLs 中添加：

https://arduino.me/packages/esp32.json

安装 VS Code
在扩展商店搜索 PlatformIO IDE 并安装
创建新项目：PIO Home → New Project → 选择 Board
编辑 src/main.cpp，使用标准 Arduino API
点击底部 → 按钮编译上传

; platformio.ini 配置示例
[env:uno]
platform = atmelavr
board = uno
framework = arduino
monitor_speed = 115200

PlatformIO 优势

自动管理库依赖和工具链
支持代码补全、跳转定义
统一管理多种开发板（AVR、ESP32、STM32）

五、编程模型¶

Arduino 程序（称为 Sketch）由两个核心函数组成：

void setup() {
    // 初始化代码，上电后只执行一次
    // 配置引脚模式、初始化串口、初始化库等
}

void loop() {
    // 主循环，setup() 之后不断重复执行
    // 读取传感器、控制输出、处理逻辑等
}

graph LR
    A[上电/复位] --> B[setup]
    B --> C[loop]
    C --> C

实际执行原理

Arduino 框架在底层的 main() 函数中这样调用：

int main() {
    init();         // 硬件初始化（定时器、ADC 等）
    setup();        // 用户初始化
    for (;;) {
        loop();     // 用户主循环
        if (serialEventRun) serialEventRun();
    }
    return 0;
}

第一个程序：闪烁 LED¶

void setup() {
    pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);   // 设置内置 LED 引脚为输出模式
}

void loop() {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // 点亮 LED
    delay(1000);                     // 等待 1 秒
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);  // 熄灭 LED
    delay(1000);                     // 等待 1 秒
}

LED_BUILTIN

LED_BUILTIN 是 Arduino 预定义的宏，指向板载 LED 的引脚号。UNO 上是 D13。

六、Arduino 语言速查¶

Arduino 语言本质是 C/C++，额外提供了一套简洁的 API：

数字 IO¶

函数	功能	示例
`pinMode(pin, mode)`	设置引脚模式	`pinMode(13, OUTPUT)`
`digitalWrite(pin, val)`	数字输出	`digitalWrite(13, HIGH)`
`digitalRead(pin)`	数字输入	`int val = digitalRead(2)`

模拟 IO¶

函数	功能	示例
`analogRead(pin)`	模拟输入（0~1023）	`int val = analogRead(A0)`
`analogWrite(pin, val)`	PWM 输出（0~255）	`analogWrite(9, 128)`
`analogReference(type)`	设置参考电压	`analogReference(INTERNAL)`

时间函数¶

函数	功能	示例
`delay(ms)`	毫秒延时	`delay(1000)`
`delayMicroseconds(us)`	微秒延时	`delayMicroseconds(100)`
`millis()`	系统运行毫秒数	`unsigned long t = millis()`
`micros()`	系统运行微秒数	`unsigned long t = micros()`

串口通信¶

函数	功能	示例
`Serial.begin(baud)`	初始化串口	`Serial.begin(115200)`
`Serial.print(data)`	发送数据	`Serial.print("Hello")`
`Serial.println(data)`	发送数据 + 换行	`Serial.println(val)`
`Serial.available()`	可读字节数	`if (Serial.available())`
`Serial.read()`	读取一字节	`char c = Serial.read()`

七、内容导航¶

章节	核心内容	学习要点
GPIO	数字输入输出、模拟输入、PWM 输出	引脚模式、上下拉电阻、ADC 原理、PWM 频率
通信协议	Serial、SPI、I2C、软件串口	各协议原理与接线、常用函数、多设备通信
中断与定时器	外部中断、定时器中断、看门狗	中断优先级、去抖、定时器配置、WDT
常用传感器与执行器	DHT11、超声波、舵机、OLED、步进电机	传感器驱动编写、库的使用、接线图
库管理与进阶	库安装与管理、自定义库、EEPROM、低功耗	库结构、EEPROM 读写、Sleep 模式

Arduino 和 STM32 怎么选？

快速原型验证、教学入门、小型项目 → 选 Arduino
产品级开发、高性能需求、复杂外设控制 → 选 STM32
需要 WiFi/BLE → 选 ESP32（可用 Arduino 框架编程）
实际上，Arduino 框架也可以运行在 STM32 和 ESP32 上，三者并不矛盾！