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Arduino 基础知识

Arduino 编程语言基于 C/C++，专为 Arduino 及其兼容的微控制器平台设计。它通过一套简单易懂的函数库和核心结构，极大地简化了微控制器的编程，让初学者和专业人士都能轻松地操控硬件。

1. 运行第一个程序​

接下来我们将运行一个经典的 "Hello World" 程序。通过将代码上传到 ESP32 开发板，使其通过串口向电脑发送 "Hello World！"。该示例可用于测试开发环境是否正常，并帮助熟悉 Arduino 编程。

注意

在开始之前，请确保你已经按照 此教程 配置好了开发环境。

1.1 代码​

打开 Arduino IDE，复制下面的代码。

void setup() {
  // 在此处的代码会运行一次：
  Serial.begin(9600);  // 初始化串口通信，设置波特率为 9600
  while (!Serial){
    ; // 等待串口连接建立
  };
  Serial.println("Hello World!");  // 通过串口发送字符串 "Hello World!" 并换行
}

void loop() {
  // 在此处的代码会一直重复运行：
}

1.2 上传程序到开发板​

  • 打开开发板和端口选择器：

    EnableCDC1

  • 选择对应的开发板。以微雪 ESP32-S3-Zero 开发板为例，搜索 “esp32-s3-zero”，选择 Waveshare ESP32-S3-Zero。

    提示

    如果所用开发板不在列表中，可选择通用的 “ESP32XX Dev Module”。

    EnableCDC2

  • 先检查当前端口情况，然后按住 ESP32 开发板的 BOOT 键不放，插入 USB 数据线连接电脑，插入后松开 BOOT 键。然后选择新出现的端口，这就是 ESP32 开发板的端口。

    COM

  • 在 工具 选项 ， 打开 USB CDC On Boot （可选）

    信息

    部分 ESP32 开发板（如 ESP32-S3 系列）若未集成独立的 USB 转串口芯片（如 CH340、CP2102），则需通过芯片自带的原生 USB 接口进行固件下载或串口通信。对于这类开发板，需要在 Arduino IDE 中开启 USB CDC On Boot 功能。（更多信息）

    以微雪 ESP32-S3-Zero 开发板为例，就需要启用此功能。

    EnableCDC3

  • 最后点击上传

    UploadCode

1.3 查看代码效果​

  • 代码上传成功后，打开串口监视器。

    Open-Serial-Monitor

  • 确保波特率和代码中的 9600 是一致的。此时，串口监视器中将显示 ESP32 通过串口发送的消息“Hello World”。

    Serial-Monitor

  • 按下开发板上的 RESET 按钮，ESP32 会重新启动，程序从上到下再次执行，串口监视器中会再次显示一句 “Hello World”。

    Reset

2. Arduino 程序结构​

每个 Arduino 程序都有两个核心函数： setup() 和 loop() 函数。理解这两个函数的区别是学习 Arduino 编程的基础。

  • setup() 函数：在开发板开机或复位后只执行一次，用于初始化设置。 常用于初始化串口通信、设置引脚模式和初始化传感器和模块等。

  • loop() 函数：setup() 执行完毕后，loop() 函数会无限循环执行，是程序的主体部分。

在前面的“Hello World”示例中，Serial.println("Hello World!"); 写在了 setup() 函数里，所以只会执行一次。如果想让它重复打印，可以将其移动到 loop() 函数中：

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial){
  };
}

void loop() {
  Serial.println("Hello World!");
  delay(1000);  // 暂停程序执行 1000 毫秒（1 秒）
}

这样 "Hello World!" 就会每秒打印一次。

3. 官方库与文档​

Arduino 之所以方便，就在于它提供了一套简单易懂的函数库和核心结构。熟悉这些函数，对于学习 Arduino 很重要。

3.1 "Hello World" 程序中的函数​

回顾 "Hello World" 程序，其中用到了以下几个核心的 Arduino API：

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial){
  };
}

void loop() {
  Serial.println("Hello World!");
  delay(1000);  // 等待 1 秒
}

在"Hello World"程序中，我们使用了一些基础的 Arduino 函数来实现串口通信。这里对这些函数做一个快速概述，详细的用法和更多选项可以在 Arduino 官方文档中查阅。

  1. Serial:

    • 这是一个预定义的对象，代表了 Arduino 开发板的硬件串口或 USB 虚拟串口。通过这个对象，我们可以让 Arduino 与电脑或其他串口设备进行文本数据的收发。
    • 在 ESP32-S3 上，它通常指的是通过 USB 连接创建的虚拟串口。
    • 相关文档：Serial | Arduino Documentation

  2. Serial.begin():

    • 用于初始化串口通信，并设置串行数据传输的波特率（每秒位数）。常用速率有 9600、115200 等。代码中设置的波特率必须与串口监视器（或接收端）设置的波特率一致，否则可能会导致接收到的数据显示为乱码。
    • 相关文档：Serial.begin() | Arduino Documentation

  3. while (!Serial):

    • 在某些板子（如 ESP32）上，等待串口连接就绪。确保连接稳定后程序继续，从而避免在串口监视器打开前就尝试发送数据导致信息丢失。
    • Serial 对象在 USB 串口连接实际建立之前，其布尔值评估为 false。一旦连接建立（例如，在电脑上打开串口监视器后），它就评估为 true。
    • 相关文档：if(Serial) | Arduino Documentation

  4. Serial.println():

    • 发送数据（可以是字符串、变量、数字等）到串口，并自动换行。
    • 还有一个类似的函数 Serial.print(data)，它发送数据但不自动换行。
    • 相关文档：Serial.println() | Arduino Documentation

  5. delay()

    • 暂停程序执行指定的毫秒数。用于控制程序流程的时间间隔，例如控制 LED 闪烁的频率。
    • 相关文档：delay() | Arduino Documentation

3.2 如何查询官方文档​

  1. ESP32 Arduino Core 文档：

  2. Arduino 官方参考 (Arduino Reference):

    • 网址： https://www.arduino.cc/reference/en/

    • 这是学习 Arduino 编程的权威官方资源。它详细列出了 Arduino 语言的核心函数、数据类型、结构以及常用库的用法。

    • 如何使用： 在网站上，可以直接搜索函数名（如 Serial.println），或者通过左侧的分类（Variables, Functions, Libraries 等）浏览。每个条目通常都包含函数描述、语法、参数说明、返回值以及示例代码。

文档查询策略

进行 ESP32 开发时，文档的查询顺序至关重要：

  1. 首选 ESP32 Arduino Core 文档：当使用与硬件外设相关的功能（如 GPIO, I2C, SPI, Wi-Fi 等）时，应最先查阅此文档。它详细说明了 ESP32 对标准 Arduino API 的特定实现、参数扩展和增强功能。

  2. 其次是 Arduino 官方参考：用于查询通用的、跨平台的编程语言基础（如程序结构、变量类型、基础函数等）。

养成优先查阅 ESP32 专用文档的习惯，是高效学习和开发的关键。

4. 常见问题排查​

遇到问题？试试这些解决方案

1. 端口列表中没有出现新端口

  • 检查 USB 数据线是否为数据线（而非仅充电线）
  • 确认是否正确按下了 BOOT 键（如果需要）
  • 尝试重新插拔 USB 数据线或更换 USB 端口

2. 代码上传失败

  • 确认在 Arduino IDE 中选择的开发板型号是否正确
  • 检查端口选择是否正确
  • 重新尝试按 BOOT 键进入下载模式
  • 关闭其他可能占用串口的程序

3. 串口监视器显示乱码

  • 检查串口监视器的波特率设置是否与代码中 Serial.begin() 的值一致

4. 上传成功但串口监视器无输出

  • 对于原生 USB 端口的开发板，检查是否开启了 USB CDC On Boot 功能
  • 确认串口监视器连接的端口正确
  • 尝试按下开发板上的 RESET 按钮重启程序
最后由 wulu 于 更新