Arduino教程如何结合C语言入门？

Arduino 教程：从零开始学习 C 语言编程

第一部分：核心理念 - Arduino 与 C 语言的关系

在开始之前,你必须理解一个最重要的概念：

Arduino 编程语言是 C/C++ 的一个“方言”或“简化版”。

你可以把它想象成：标准 C 语言是一辆手动挡的、性能强劲的跑车，而 Arduino 语言则像一辆带有自动挡和辅助驾驶功能的家用车，你同样能到达目的地（控制硬件），但 Arduino 为你隐藏了许多复杂的底层细节（比如寄存器操作、内存管理等），让你能更专注于“我要做什么”（What），而不是“计算机怎么做”（How）。

学习 Arduino 编程，本质上就是学习简化的 C 语言，并了解 Arduino 提供的特殊函数库。

第二部分：Arduino C 语言基础语法

C 语言是 Arduino 编程的骨架,下面我们来学习最核心的语法。

结构：setup() 和 loop()

每个 Arduino 程序都必须包含两个最核心的函数：

void setup() {
  // setup() 函数内的代码只运行一次
  // 通常用于初始化：设置引脚模式、启动串口通信等
}
void loop() {
  // loop() 函数内的代码会无限循环地重复执行
  // 这是 Arduino 程序的主体，用于实现主要功能
}

• void setup(): 在 Arduino 上电或复位后，setup() 函数里的代码会执行一次，就像你去旅行前，检查行李、设定导航一样,只做一次准备工作。
• void loop(): setup() 执行完毕后，loop() 函数会从头到尾执行，然后立刻从头再开始，如此往复，直到断电，就像你旅行中，开车、拍照、吃饭这些活动会不断重复。

变量

变量是存储数据的容器，在使用变量前，你需要先声明它,告诉编译器你要存储什么类型的数据。

常用数据类型：

声明和使用变量：

int ledPin = 13;         // 声明一个整型变量 ledPin，并赋值为 13
float temperature = 36.5; // 声明一个浮点型变量 temperature
char myChar = 'A';       // 声明一个字符型变量 myChar
bool isLightOn = false;  // 声明一个布尔型变量 isLightOn

注释

注释是写给程序员看的，不会被编译器执行，它的作用是解释代码,方便自己或他人理解。

• 单行注释：使用
• 多行注释：使用

// 这是一个单行注释，解释下面这行代码的作用
int ledPin = 13; /* 这也是一个注释，用于给变量赋值。
                   多行注释可以跨越多行。 */

运算符

• 算术运算符: (加), (减), (乘), (除), (取模,即求余数)
• 比较运算符: (等于), (不等于), > (大于), < (小于), >= (大于等于), <= (小于等于)
• 逻辑运算符: && (与), (或), (非)

示例：

int a = 10;
int b = 3;
int sum = a + b;      // sum 的值是 13
int remainder = a % b; // remainder 的值是 1 (10 除以 3 余 1)
bool result = (a > b); // result 的值是 true

控制流

控制流决定了代码的执行顺序。

a) if...else 语句： 用于条件判断。

int sensorValue = analogRead(A0); // 假设从传感器读取一个值
if (sensorValue > 500) {
  // sensorValue 大于 500，则执行这里的代码
  digitalWrite(13, HIGH); // 打开 LED
} else {
  // 否则，执行这里的代码
  digitalWrite(13, LOW);  // 关闭 LED
}

b) for 循环： 用于重复执行某段代码固定次数。

// 让连接在数字引脚 2 到 4 的 LED 依次闪烁
for (int i = 2; i <= 4; i++) {
  digitalWrite(i, HIGH); // 打开第 i 个引脚的 LED
  delay(200);             // 等待 200 毫秒
  digitalWrite(i, LOW);  // 关闭第 i 个引脚的 LED
  delay(200);             // 等待 200 毫秒
}

c) while 循环： 当条件为 true 时,无限循环执行代码。

int buttonState = 0;
while (buttonState == 0) {
  buttonState = digitalRead(2); // 读取一个按钮的状态
  // 只要按钮没被按下 (buttonState 为 0)，就一直在这里循环
}
// 当按钮被按下后，循环结束，继续执行下面的代码

第三部分：Arduino 核心函数库

这是 Arduino 的“魔法”所在，它提供了一系列预定义的函数,让你能轻松控制硬件。

pinMode() - 设置引脚模式

在使用一个引脚之前，必须先告诉 Arduino 这个引脚是用来做什么的。

• pinMode(pin, mode)

参数:

• pin: 你要设置的引脚编号 (如 2, A0)。
• mode: 引脚模式。
  • INPUT: 输入模式，用于读取外部信号（如按钮、传感器）。
  • OUTPUT: 输出模式，用于向外部输出信号（如点亮 LED、驱动电机）。
  • INPUT_PULLUP: 输入模式，并启用内部上拉电阻，用于按钮等场景,可以避免引脚悬空。

示例：

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT); // 将数字引脚 13 设置为输出模式，用于控制 LED
  pinMode(2, INPUT_PULLUP); // 将数字引脚 2 设置为带内部上拉的输入模式，用于连接按钮
}

digitalWrite() - 写入数字值

向一个设置为 OUTPUT 的引脚输出高电平或低电平。

• digitalWrite(pin, value)

参数:

• pin: 引脚编号。
• value: 输出值。
  • HIGH: 输出高电平 (5V 或 3.3V)。
  • LOW: 输出低电平 (0V)。

示例：

digitalWrite(13, HIGH); // 点亮连接在 13 号引脚的 LED
delay(1000);            // 等待 1 秒
digitalWrite(13, LOW);  // 熄灭 LED

digitalRead() - 读取数字值

读取一个设置为 INPUT 或 INPUT_PULLUP 的引脚状态。

• digitalRead(pin)

返回值:

• HIGH: 如果引脚是高电平。
• LOW: 如果引脚是低电平。

示例：

int buttonState = digitalRead(2); // 读取 2 号引脚的按钮状态
if (buttonState == LOW) { // 注意：因为我们用了 INPUT_PULLUP，按下按钮时引脚会变为 LOW
  // 按钮被按下时执行的代码
}

analogWrite() - 写入模拟值

向一个支持 PWM (脉冲宽度调制) 的引脚输出一个“伪模拟”电压，这可以用来控制 LED 的亮度或电机的速度。

• analogWrite(pin, value)

参数:

• pin: 支持 PWM 的引脚 (在大多数 Arduino 板上，标有 符号的引脚，如 3, 5, 6, 9, 10, 11)。
• value: 0 到 255 之间的整数。
  • 0: 相当于 LOW (0V)。
  • 255: 相当于 HIGH (5V)。
  • 中间值：输出一个平均电压，如 128 约等于 2.5V。

示例：

void setup() {
  pinMode(9, OUTPUT); // 9 号引脚支持 PWM
}
void loop() {
  // 让 LED 亮度从暗到亮，再到暗
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(9, i); // 设置 LED 亮度
    delay(10);         // 短暂延时，以便观察效果
  }
  for (int i = 255; i >= 0; i--) {
    analogWrite(9, i);
    delay(10);
  }
}

analogRead() - 读取模拟值

读取一个模拟输入引脚的电压值，并将其转换成一个 0 到 1023 之间的整数。

• analogRead(pin)

参数:

• pin: 模拟输入引脚 (以 A 开头，如 A0, A1)。

返回值:

• 0 到 1023 之间的整数，代表 0V 到参考电压 (通常是 5V) 之间的电压值。

示例：

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 初始化串口通信，波特率为 9600
}
void loop() {
  int sensorValue = analogRead(A0); // 读取 A0 引脚的模拟值
  Serial.println(sensorValue);      // 通过串口监视器打印这个值
  delay(100);                       // 每 100ms 读取一次
}

delay() - 延时

让程序暂停执行一段时间。

• delay(milliseconds)

参数:

• milliseconds: 暂停的时间，单位是毫秒 (1秒 = 1000毫秒)。

示例：

digitalWrite(13, HIGH);
delay(1000); // 暂停 1 秒
digitalWrite(13, LOW);
delay(1000); // 再暂停 1 秒

第四部分：第一个实战项目 - LED 闪烁

这是 Arduino 的 "Hello, World!",它将帮助你巩固以上所有基础知识。

硬件准备：

1. 一块 Arduino 板 (如 Arduino UNO)。
2. 一个 LED (任何颜色都可以)。
3. 一个 220Ω 或 330Ω 的电阻。
4. 面包板和几根杜邦线。

电路连接：

1. 将 LED 的长脚（阳极）连接到电阻的一端。
2. 将电阻的另一端连接到 Arduino 的数字引脚 13。
3. 将 LED 的短脚（阴极）连接到 Arduino 的 GND (接地) 引脚。

代码：

/*
  Arduino LED 闪烁项目
  这个代码会让连接在数字引脚 13 上的 LED 每隔一秒闪烁一次。
*/
// 定义一个常量，方便以后修改 LED 所连接的引脚
// const 表示这个变量的值在程序运行中不会改变
const int ledPin = 13;
// setup() 函数，只运行一次
void setup() {
  // 将 ledPin 设置为输出模式
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
// loop() 函数，无限循环运行
void loop() {
  // 打开 LED (输出高电平)
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  // 等待 1000 毫秒 (1秒)
  delay(1000);
  // 关闭 LED (输出低电平)
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  // 等待 1000 毫秒 (1秒)
  delay(1000);
}

如何上传代码：

1. 打开 Arduino IDE。
2. 将你的 Arduino 板通过 USB 连接到电脑。
3. 在 IDE 的 "工具" -> "板" 菜单中选择你的板型 (如 "Arduino UNO")。
4. 在 "工具" -> "端口" 菜单中选择你的板子所连接的 COM 端口。
5. 点击 "上传" 按钮 (一个向右的箭头)。
6. 上传成功后，你应该能看到 LED 开始闪烁了！

第五部分：进阶学习路径

当你掌握了基础后,可以按照以下路径继续深入：

1. 传感器与执行器：

   • 输入：学习使用各种传感器，如光敏电阻、温度传感器、超声波传感器等。
   • 输出：学习控制更多执行器，如蜂鸣器、舵机、电机驱动模块等。

2. 串口通信 (Serial)：

   • 这是调试的利器，学习使用 Serial.begin(), Serial.print(), Serial.println() 来在电脑上查看传感器数据、调试程序逻辑。

3. if...else if...else 结构：

   • 当你需要判断多个条件时，使用这个结构比嵌套 if 更清晰。

4. switch...case 结构：

   • 当你需要根据一个变量的值来执行不同操作时，switch 是比 if...else if 更高效的选择。

5. 函数：

   将重复使用的代码块封装成一个函数,可以提高代码的可读性和复用性。

6. 库：

   Arduino 拥有海量的第三方库，可以轻松驱动复杂的模块（如 OLED 屏幕、WiFi 模块、GPS 模块等）,学习如何安装和使用库是进阶的关键。

7. C++ 特性：

   • 当你感到 C 语言不够用时，可以开始学习 C++ 的面向对象特性，如 class (类),这对于构建更复杂的项目非常有帮助。

学习建议：

• 多动手，多实践：看十遍教程不如自己动手做一个项目。
• 学会查阅文档：Arduino 官网有非常详细的参考手册,遇到不懂的函数可以随时查阅。
• 加入社区：在论坛、社交媒体上和其他爱好者交流,可以学到很多技巧。

祝你学习愉快,玩得开心！