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Arduino程式語言介紹

Arduino程式語言介紹

您如何編寫Arduino板的程式？Arduino原生支援一種我們稱為Arduino程式語言或Arduino語言的語言。

這種語言基於Wiring開發平台，而Wiring又基於Processing，如果您不熟悉的話，p5.js就是基於Processing開發的。這是一個相互建立在其他專案之上的長期歷程，以非常開放源碼的方式進行。Arduino IDE基於Processing IDE，而Wiring IDE則基於Arduino IDE之上構建。

在使用Arduino時，我們通常使用Arduino IDE（集成開發環境），這是一個支持所有主要桌面平台（macOS，Linux，Windows）的軟體，它提供了兩個功能：一個帶有集成庫支援的程式編輯器，以及一種將Arduino程式編譯並載入到連接到電腦的板子上的方法。

Arduino程式語言基本上是建立在C++之上的框架。您可以說它在傳統意義上不是一種真正的程式語言，但我認為這有助於初學者避免混淆。

用Arduino程式語言編寫的程式稱為sketch。通常，sketch是以.ino副檔名（從Arduino）保存的。

與“正常”的C或C++的主要區別在於，您將所有代碼包裝到2個主要函數中。當然，您可以有多於2個的函數，但是任何Arduino程式都必須提供至少這兩個函數。

一個函數叫做setup()，另一個函數叫做loop()。第一個函數在程式開始時調用一次，第二個函數在程式運行時重複調用。

我們沒有像您在C/C++中習慣的main()函數作為程式的入口點。一旦編譯您的sketch，IDE將確保最終結果是一個正確的C++程式並將其預處理以添加丟失的輔助函數。

其他的都是正常的C++程式碼，由於C++是C的超集，因此任何有效的C語言也可以是有效的Arduino程式碼。

可能會導致困擾的一個不同之處是，雖然您可以將程式分散在多個檔案中，但這些檔案必須位於同一個文件夾中。如果您的程式將變得非常大，這可能成為一個無法接受的限制，但在那個時候，您可以輕鬆過渡到本地C++設定，這是可能的。

Arduino程式語言的一部分是內建庫，它們允許您輕鬆集成Arduino板所提供的功能。

您的第一個Arduino程式肯定包括使一個LED燈亮起，然後熄滅。為此，您將使用pinMode()，delay()和digitalWrite()函數，以及一些常數，如HIGH，LOW和OUTPUT。

像這樣，這是經典的第一個Arduino項目（“Hello，World！”）：

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#define LED_PIN 13

void setup() {
 // 將引腳13設定為數位輸出
 pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
 // 開啟LED燈
 digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
 // 等待1秒（1000毫秒）
 delay(1000);
 // 關閉LED燈
 digitalWrite(LED_PIN, LOW);
 // 再等待1秒
 delay(1000);
}

這都是Arduino程式語言（或者我們最好稱之為套件或函式庫）的一部分。

其他語言支援

請記住，您不僅限於使用這種語言和IDE來編寫Arduino程式。除其他項目外，還有項目讓您使用Node.js代碼，例如Johnny Five項目，在Arduino上運行Python代碼使用pyserial，以及使用Gobot在Arduino上運行Go代碼。但是，Arduino程式語言絕對是您會看到最多教程基於的語言，因為它是使用這些設備的原生且公認的方法。

Arduino程式語言內置常數

Arduino設置了兩個我們可以使用的常數：

HIGH代表高電壓級別，根據硬體而定（> 2V在3.3V Arduino Nano板上， > 3V在5V Arduino Uno板上）
LOW代表低電壓級別，具體值取決於所使用的Arduino板的型號

然後使用3個常數與pinMode()函數結合使用：

  • INPUT將引腳設定為輸入引腳
  • OUTPUT將引腳設定為輸出引腳
  • INPUT_PULLUP將引腳設定為內部上拉電阻

我們還有一個常數LED_BUILTIN，它指向板上引腳的號碼，通常等同於號碼13。

除此之外，我們還有C/C++常數true和false。

Arduino數學常數

  • M_PI常數pi（3.14159265358979323846）
  • M_E常數e
  • M_LN10數字10的自然對數
  • M_LN2數字2的自然對數
  • M_LOG10E對數e以10為底的對數
  • M_LOG2E對數e以2為底的對數
  • M_SQRT22的平方根
  • NAN（非數）常數

Arduino程式語言內置函數

在本節中，我將列出Arduino程式語言提供的內置函數的參考。

程式生命周期

  • setup()此函數在程式開始時調用一次，以及Arduino關機並重新啟動時。
  • loop()在Arduino程式運行時反復調用此函數。

處理輸入和輸出

以下函數有助於處理Arduino設備的輸入和輸出。

數位輸入和輸出

  • digitalRead()從數位引腳讀取值。接受引腳號作為參數，並返回HIGH或LOW常數。
  • digitalWrite()將HIGH或LOW的值寫入數位輸出引腳。將引腳號和HIGH或LOW作為參數傳遞。
  • pinMode()將引腳設定為輸入或輸出。將引腳號和INPUT或OUTPUT值作為參數傳遞。
  • pulseIn()從引腳上讀取一個數位信號的脈衝，該信號從LOW級別變為HIGH再回到LOW，或從HIGH變為LOW再回到HIGH。此程序會阻塞，直到檢測到脈衝。您指定引腳號和要檢測的脈衝類型（LHL或HLH）。您還可以指定可選的超時，以停止等待該脈衝。
  • pulseInLong()類似於pulseIn()，只是使用了不同的實現方式，如果中斷被關閉則無法使用。通常關閉中斷以獲得更準確的結果。
  • shiftIn()從引腳上逐位讀取一個字節的數據。
  • shiftOut()從引腳上逐位將一個字節的數據寫入。
  • tone()在引腳上發送方波，用於蜂鳴器/揚聲器播放音調。您可以指定引腳和頻率。它可以在數位和類比引腳上工作。
  • noTone()停止引腳上由tone()生成的方波。

類比輸入和輸出

  • analogRead()從類比引腳讀取值。
  • analogReference()配置類比輸入的頂部輸入範圍所使用的值，預設為5V（5V板）或3.3V（3.3V板）。
  • analogWrite()將類比值寫入引腳。
  • analogReadResolution()讓您更改analogRead()的默認類比位解析度，預設為10位。僅適用於特定設備（Arduino Due，Zero和MKR）。
  • analogWriteResolution()讓您更改analogWrite()的默認類比位解析度，預設為10位。僅適用於特定設備（Arduino Due，Zero和MKR）。

時間函數

  • delay()將程式暫停一段指定的毫秒數
  • delayMicroseconds()將程式暫停一段指定的微秒數
  • micros()自程式開始以來的微秒數。由於溢出，大約70分鐘後重置
  • millis()自程式開始以來的毫秒數。由於溢出，大約50天後重置

數學函數

  • abs()數字的絕對值
  • constrain()將數字限制在一個範圍內，請參閱用法
  • map()重新映射數字到另一個範圍，請參閱用法
  • max()兩個數字中的最大值
  • min()兩個數字中的最小值
  • pow()數字的指數
  • sq()數字的平方
  • sqrt()數字的平方根
  • cos()角度的餘弦
  • sin()角度的正弦
  • tan()角度的正切

注意：如果需要，還有更多內置的數學函數，在此處有文件記錄。

使用字母字符

  • isAlpha()檢查字符是否為字母
  • isAlphaNumeric()檢查字符是否為字母或數字
  • isAscii()檢查字符是否為ASCII字符
  • isControl()檢查字符是否為控制字符
  • isDigit()檢查字符是否為數字
  • isGraph()檢查字符是否為可打印的ASCII字符並且包含內容（例如不是空格）
  • isHexadecimalDigit()檢查字符是否為十六進位數字（A-F 0-9）
  • isLowerCase()檢查字符是否為小寫字母
  • isPrintable()檢查字符是否為可打印的ASCII字符
  • isPunct()檢查字符是否為標點符號（逗號、分號、驚嘆號等）
  • isSpace()檢查字符是否為空格，退格 \f，換行 \n，回車 \r，水平制表符 \t，或垂直制表符 \v
  • isUpperCase()檢查字符是否為大寫字母
  • isWhitespace()檢查字符是否為空格字符或水平制表符 \t

生成隨機數

  • random()生成一個偽隨機數
  • randomSeed()使用隨機初始數，初始化偽隨機數生成器

在Arduino中，與大多數語言一樣，不可能得到真正的隨機數，並且序列始終是相同的，因此您可以用當前時間或（在Arduino的情況下）從類比引腳讀取輸入來初始化它。

處理位和位元組

  • bit()計算位元的值（0 = 1，1 = 2，2 = 4，3 = 8…）
  • bitClear()清除（設置為0）數值變數的位元。接受一個數字和要從右邊開始的位元號。
  • bitRead()讀取一個數字的位元。接受一個數字和要從右邊開始的位元號。
  • bitSet()將一個數字的位元設置為1。接受一個數字和要從右邊開始的位元號。
  • bitWrite()寫入1或0到數字的特定位元。接受一個數字，要從右邊開始的位元號，以及要寫入的值（0或1）。
  • highByte()獲取一個字(word)變數（有2個位元組）的高位元（最左邊的位元組）
  • lowByte()獲取一個字(word)變數（有2個位元組）的低位元（最右邊的位元組）

中斷

  • noInterrupts()禁用中斷
  • interrupts()在禁用中斷後重新啟用中斷
  • attachInterrupt()允許一個數位輸入引腳成為中斷。不同的板有不同的允許引腳，請檢查官方文檔。
  • detachInterrupt()禁用使用attachInterrupt()啟用的中斷。