Arduino的原理及應用

摘要：Arduino是目前較為流行的電子互動平臺，基于單片機系統開發，具有使用簡單、功能多樣、價格低廉等優點，廣泛應用于電子系統設計和互動產品開發方面。文中詳細介紹了Arduino的功能特點、基本結構，并通過LEO控制電路的應用給出了具體的使用方法。
關鍵詞：電子設計；控制電路；Arduino；LED

Arduino是2005年1月由米蘭交互設計學院的兩位教師David Cuartielles和Massimo Banzi聯合創建，是一塊基于開放原始代碼的Simple I／O平臺，該平臺由兩部分組成：硬件(包括微處理器、電路板等)和軟件(編程接口和語言)。平臺的兩部分都是開源的，如果需要，可以下載Arduino的圖表、購買需要的所有獨立部件、切割電路板并制作一個電路板。Arduino具有類似java、C語言的開發環境。可以快速使用Ardu ino語言與Flash或Processing等軟件完成互動作品。Arduino能夠使用開發完成的電子元件，如Switch、Sensors或其它控制器、LED、步進電機或其它輸入／輸出裝置，同時，Arduino也可以成為獨立與軟件溝通的平臺，如flash、Processing、Max／MSP或其它互動軟件。

1 功能特點
Arduino在開發之初，就明確了其應用環境，設計了開源開放的平臺，便于對其進行二次開發。Arduino的主要功能特點如下：
1)開放源代碼的電路圖設計。程序開發接口免費下載，也可依需求自己修改。
2)使用低價格的微處理控制器(ATmega8或ATmega128)。可以采用USB接口供電，不需外接電源，也可以使用外部9VDC輸入。
3)支持ISP線上燒入器，將Bootloader固件燒入芯片。Arduino控制器內帶Bootloader程序，是系統上電后運行的第一段代碼，就好比PC機BIOS中的程序，啟動就進行自檢，配置端口等等，當然，單片機是靠燒寫熔絲位來設定上電從boot區啟動的，使用這個程序就可以直接把從串口發來的程序存放到flash區中。所以，使用Arduino編譯環境下載程序時，就先讓單片機復位，啟動Boodoader程序引導串口發過來的程序順利寫入flash區中，flash可以重復燒寫，因此想更新軟件非常方便。有了Bootloader之后，可以通過串口或者USB to RS232線更新固件。
4)可依據官方提供的PCB和SCH電路圖，簡化Arduino模組，完成獨立運作的微處理控制。
5)可簡單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接，如紅外線、超音波、熱敏電阻、光敏電阻、伺服馬達等。
6)支持多樣的互動程序，如Flash，Max／MSP，VVVV，PureData，C，Processin等。使用低價格的微處理控制器。
7)應用方面，利用hrduino，突破以往只能使用鼠標、鍵盤、CCD等輸入的裝置的互動內容，可以更簡單地達成單人或多人游戲互動。Ard uino的功能特點，使其得到了越來越廣泛的應用。

2 基本結構
Arduino系統針對不同的應用環境還開發了不同的版本，文中以“Arduino Duemilanove”版本為例介紹，該版本于2009年開發，基于ATm ega328微控制器板，能自動選擇何種供電，直接將它用USB線連上計算機或者用一個電源適配器給它供電，就可以開始使用。Arduino Duemilanove的外部結構如圖1所示。

1)1個9V DC輸入，為Arduino板提供外部電源輸出，使Arduino控制板具有能夠驅動舵機等大功率外部設備的能力；
2)1個USB口，通過該口連接到計算機，由Arduino的IDE將用戶編寫好的控制程序上傳到控制板中，同時還可以通過該口為電路板供電，驅動小功率的外部設備；
3)14個數字輸入／輸出端，其中端口0(RX)和1(TX)分別連接主控芯片的串行引腳，用來接收和發送TTL串行數據。其中端口2、3可以接收外部信號，實現外部中斷功能；端口3、5、6、9、10、11作為PWM端口，可用于電機PWM調速[5]或音樂播放；端口10(SS)、11(MOSI)、12(MISO)和13(SCK)在SPI模塊庫的支持下，可以提供SPI通信模式；端口13內部連接了一個LED指示燈，隨著13腳上電平的高低變化，實現開啟和關閉；
4)6個模擬輸入／輸出端，其中端口4(SDA)和端口5(SCL)端口可以實現I2C通信；
5)1個5 V DC輸出和1個3．3 V DC輸出，可為其它電路提高3．3 V和5 V直流電源；
6)1個復位接口。
Arduino系統是基于單片機開發的，并且大量應用通用和標準的電子元器件，包括硬件和軟件在內的整個設計，代碼均采用開源方式發布，因此采購的成本較低，在各種電子制作競賽、電子藝術品創意設計等越來越多地使用Arduino作為開發平臺。

3 應用
Arduino系統在電子設計等方面應用較多，本文以簡單的LEO控制為例，說明Arduino系統的使用。
LEO控制系統中，采用開關S控制LED的亮滅，設開關S閉合時，LED發光，S斷開時，LED熄滅。因此，系統設計時采用數字輸入／輸出口的兩個引腳分別進行LED和S開關的連接，電路如圖2所示。