05認識Arduino

(2018/01/14)

Arduino，是一個開放原始碼的單晶片微控制器，它使用了Atmel AVR單晶片(AVR 是 ATmel 這家公司設計的 8 位元晶片)，採用了開放原始碼的軟硬體平台，建構於簡易輸出/輸入（simple I/O）介面板，並且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。

• 微電腦控制板就像是一個具有大腦和神經線，但是沒有感官和行動能力的物體。

• 也可以把它想像成一台小電腦(主機)

開發沿革：(取自維基百科)

Arduino的核心開發團隊成員包括：馬西莫·班齊（Massimo Banzi）(Italy)、大衛·奎提耶斯（David Cuartielles）(Spain)、湯姆·伊果（Tom Igor）(USA)、贊布羅塔·馬提諾（Gianluca Martino）(Italy)、大衛·梅利斯（David Mellis）(USA)和尼可拉斯·蘭比提（Nicholas Zambetti）。

• Arduino創始人Massimo Banzi在TED大會的演講

據說馬西莫·班齊之前是義大利Ivrea一家高科技設計學校的老師。他的學生們經常抱怨找不到便宜好用的微控制器。2005年冬天，馬西莫·班齊跟大衛·奎提耶斯討論了這個問題。大衛·奎提耶斯是一個西班牙籍晶片工程師，當時在這所學校做存取學者。兩人決定設計自己的電路板，並引入了馬西莫·班齊的學生大衛·梅利斯為電路板設計編程語言。兩天以後，大衛·梅利斯就寫出了程式碼。又過了三天，電路板就完工了。這塊電路板被命名為Arduino。幾乎任何人，即使不懂電腦編程，也能用Arduino做出很酷的東西，比如對感測器作出回應，閃爍燈光，還能控制馬達。隨後馬西莫·班齊、大衛·奎提耶斯和大衛·梅利斯把設計圖放到了網上。保持設計的開放原始碼理念，因為版權法可以監管開源軟體，卻很難用在硬體上，他們決定採用創用CC許可。創用CC是為保護開放版權行為而出現的類似GPL的一種許可（license）。在創用CC許可下，任何人都被允許生產印刷電路板的複製品，還能重新設計，甚至銷售原設計的複製品。你不需要付版稅，甚至不用取得Arduino團隊的許可。然而，如果你重新發布了參照設計，你必須說明原始Arduino團隊的貢獻。如果你調整或改動了電路板，你的最新設計必須使用相同或類似的創用CC許可，以保證新版本的Arduino電路板也會一樣的自由和開放。唯一被保留的只有Arduino這個名字。它被註冊成了商標。如果有人想用這個名字賣電路板，那他們可能必須付一點商標費用給Arduino的核心開發團隊成員。

Arduino主板有許多種類：

• Arduino UNO

• Arduino MEGA 2560

• Arduino Nano

• Arduino Due

• Arduino Yun

• ....

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認識 Arduino UNO

• 資料取自Arduino Uno功能簡介(很好的一篇文章)

• uno 義大利文是【一】的意思

• 這是絕大多數Arduino入門者第一塊擁有的控制板

• 原廠 Arduino Uno

• • 大陸相容的 Arduino Uno (兩種板子皆使用Mega328P晶片，只是不同的封裝，相容板並非盜板，因為原廠開源且授權商業用途製造之故)

• • • Ｑ：何謂數位訊號？

    • Ａ：簡單來說，數位訊號只有兩種狀態。高電位跟低電位或者說1(ON)跟0(OFF)(可看做電燈開關，不是ON，就是OFF )。舉凡像是電腦、手機等等的電子產品幾乎都是輸送數位訊號。

    • Ｑ：何謂類比訊號？

    • Ａ：類比訊號，簡單的說，就是除了數位訊號以外的訊號都叫作類比訊號。像是溫度的變化之類的。都是類比訊號。類比訊號有很多種狀態，不像數位訊號只有兩種狀態

• • 數位輸出、輸入腳位

  • D0~D13，腳位編號為0到13，不過通常會寫為D0到D13表示為數位腳位（D代表Digital）

  • 這些腳位可以當【輸出腳位】，輸出高電位5V與低電位0V的數位訊號，像點亮一顆LED燈，就是輸出高電位(5V)給這顆LED燈正極所在的腳位！

  • 也可當【輸入腳位】，接受數位訊號，也就是【讀取】感測器所接腳位的0或1的訊號。

  • 某些腳位還可當【類比輸出腳位】，D3、D5、D6、D9、D10、D11的數字編號旁，還有個波浪符號（~），這表示這些腳位可以用數位訊號來模擬出類比訊號，使用的方式是PWM（Pulse Width Modulation），PWM值介於0(0V)~255(5V)，可以透過PWM的方式來讓LED燈有漸亮或漸暗的效果，而不是只有上面數位輸出的全亮(1、ON)或全暗(0、OFF)。

  • 要注意的是D0與D1這兩個數位腳位，分別被標示了RX（Receiver）、TX（Transmitter），這兩個腳位用於序列埠傳送，且與USB序列埠連接，因此電腦若使用USB與控制板互傳資料時（可見到控制板上標示為RX、TX的LED閃爍），應避免使用D0、D1兩個腳位。

  • D13腳位連接著控制板上標示為L的LED，若是原廠控制板，預設會燒錄一個令D13定時切換高低電位的Blink程式，因此，首次接上電源時，會看到標示為L的LED不斷閃爍，這是初步檢視控制板是否功能正常的方式。

  • D10、D11、D12、D13是作為SPI（Serial Peripheral Interface）協定的介面，SPI使用四條線連接控制板與支援之設備。Arduino同時支援I2C與SPI兩種協定，在一些介紹到使用I2C或SPI設備的Arduino書籍中，都會有相關的說明。

• 類比輸入腳位

  • 右下角有A0至A5六個腳位，可用來接受類比電壓輸入(讀取類比訊號值)，但不能輸出類比電壓，如前所述，類比電壓必須透過數位腳位D3、D5、D6、D9、D10、D11，以PWM模擬。

  • 控制板上ATmega328內建類比數位轉換器（Analog-to-digital converter，簡稱ADC），預設會將0V到5V轉換為0至1023的數值。

  • 實際上，A0至A5也可作為數位輸出、輸入腳位使用，此時A0至A5分別可視為D14至D19。

  • 常接的模組有電位計模組、光敏電阻模組、溫度模組...

  • 控制板左上方有SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）兩個腳位，這是用來連接支援I2C（Inter IC）協定的設備，此協定只採用兩條接線，可在感測器與控制板如Arduino之間傳遞資訊，SCL與SDA也分別與類比腳位A5與A4連接，方便接線之用。

• 微處理器控制單元

  • MCU: 全名是Microprocessor Control Unit，縮寫為MCU，中文叫作微處理器控制單元，你可以想成這塊板子的大腦，就像電腦的CPU，你所寫的程式碼，由它來運算解讀，並且執行你的需求。Arduino UNO R3採用的MCU是Atmel公司所生產的Atmel 328，是 ATmel 這家公司設計的 8 位元晶片。

  • 控制板右方有個顯而易見的晶片，那就是控制板的大腦ATmega328，原廠UNO採雙列直插封裝（Dual in-line package），又稱DIP封裝，市面上有單獨銷售ATmega328，如果控制板上的ATmega328損壞，可以使用小的一字起子或尖嘴鉗將之撬起，用新的ATmega328取代。

  • Arduino的微控器（Microcontroller）包含CPU、記憶體、類比∕數位訊號轉換器以及周邊控制介面。

• 供電給Arduino Uno

  • Arduino Uno的運作直流電壓為5V

  • Arduino Uno可透過三個管道提供電源：USB連接埠、電源輸入插座、Vin腳位。

    1. 透過USB連接埠提供給控制板的電源必須是5V的電壓，最基本的方式，就是透過Type B USB連接控制板，而另一頭是Type A USB連接個人電腦，這可以提供5V、500mA的電源給控制板。

    2. 如果採藍牙連線或其他無線方式來傳送資料給控制板，不用連接個人電腦與控制板的話，那麼可以使用USB電源供應器，像是插頭或者行動電源等，請注意必須是5V的直流電壓，至少2A電流的輸出。

    3. 如果要透過電源輸入插座供電，插頭直徑必須是2.1公釐，供應的電壓限制是6V至20V，建議是直流7V至12V，「低於7V的話，5V輸出腳位可能電壓不足，控制板可能運作不正常，高於12V的話，電壓調節模組可能過熱而損壞控制板」。透過電源輸入插座供電時，可以使用電源供應器、9V電池等來供應。

    4. 在上圖原廠板子中，可看到電源輸入插座旁的直流電壓調節模組，這可以將輸入的直流電壓降為5V以及3.3V，5V除了可供控制板使用之外，也可以透過標示為5V的腳位輸出給其他電子電路元件使用，有些電子電路元件必須在3.3V才能正常運作，這可以透過標示為3.3V的腳位來提供。

    5. 透過Vin供電給控制板時，要求與透過電源輸入插座相同，Vin提供的電壓，也是經由直流電壓調節模組調整為5V與3.3V。由於直流電壓調節模組的輸入端連接了電源輸入插座供電與Vin，因此，如果你透過電源輸入插座供電，Vin也會量得與電源輸入插座相同的電壓，因此，當有兩塊Arduino控制板需要電源時，可將接有過電源輸入插座的控制板上Vin，連接至另一塊控制板的Vin。