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外观

三、Arduino编程基础 ​

1. Arduino编程语言简介 ​

  Arduino的编程语言基于C/C++，这是一种通用的、结构化的编程语言，这意味着arduino继承了C和C++的语法和结构。它使用一些特定的函数和库，这些函数封装了与硬件交互的底层细节，使得开发者无需深入了解底层硬件即可实现基本功能，使得开发者可以轻松地控制Arduino的各种硬件特性。Arduino编程语言的一个重要特点是其简单性，使得初学者也能快速上手。在其他的控制器中，使用一个引脚点亮灯，需要配置时钟、引脚、模式、输出等操作。而在arduino中只需要2行代码即可完成点灯。

2. 常用的Arduino库和函数 ​

❓首先什么是库和函数？

库和函数是编程中常用的概念，它们在各种编程语言中都有应用，包括Arduino所使用的C/C++语言。

  1. 库（Library）： 库是一组函数的集合，这些函数经过封装之后可以作为一个整体被调用。库通常包含了一些常用函数，用于实现特定的功能或操作。例如，Arduino中包含了一些标准库，这些库提供了与硬件交互的常用函数，使得开发者可以轻松地控制LED灯、读取传感器等。得馈于arduino开源社区的发展，有很多的创客自主提交了自己编写的库，我们可以直接将其下载下来应用。例如你想要控制一辆小车，那么你需要配置好引脚，设置好小车如何前后左右的动作，你需要配置很多的代码；而如果社区里有人专门提交了小车的库，那么你只需要根据库的介绍，快速完成小车的设置。配置引脚的初始化步骤只需要一行代码，前后左右动作也可能只需一行代码。
  2. 函数（Function）： 函数是编程中的基本单位，它是一段可以被重复调用的代码块，用于完成特定的任务。函数有一个名称，通过这个名称可以在程序中调用它。函数可以接受输入参数，并返回一个结果。在Arduino中，许多预定义函数都是以库的形式提供的，开发者可以直接调用这些函数而无需编写底层代码。

综上所述，库和函数都是为了提高代码的可重用性和简洁性而存在的。通过使用库和函数，开发者可以更加高效地编写程序，同时减少错误和代码冗余。在Arduino开发中，合理使用库和函数可以大大简化与硬件的交互，提高开发效率。

   Arduino IDE自带了许多库，这些库提供了许多常用的函数，使得开发者可以方便地使用各种硬件特性。例如，pinMode() 函数用于设置数字引脚的模式（输入或输出），digitalWrite() 函数用于向数字引脚写入值（高电平或低电平），digitalRead() 函数用于读取数字引脚的电平值。
   此外，还有一些第三方库，这些库提供了更为复杂的功能。例如，Servo库用于控制舵机，IRremote库用于控制红外遥控器等。

3. Arduino的数据类型和变量 ​

   在Arduino编程中，数据类型和变量是基础概念，它们决定了如何存储和处理数据。Arduino编程语言支持C/C++的所有基本数据类型，如int、float、char等。此外，Arduino还定义了一些特殊的数据类型，如byte（一个8位的无符号整数）、word（一个16位的无符号整数）等。

📌数据类型（Data Types）

数据类型是用于声明变量、函数参数和函数返回值的类型。在Arduino编程中，主要使用以下几种数据类型：

  1. byte： 一个8位的无符号整数，范围从0到255。常用于读取数字引脚的状态或表示颜色值。
  2. int： 一个32位的整数，根据平台和编译器有所不同，但通常范围从-2147483648到2147483647。
  3. float： 一个32位的浮点数，用于需要小数点数值的场合。
  4. double： 一个64位的浮点数，比float具有更高的精度和范围。
  5. char： 一个8位的字符，用于存储ASCII码。
  6. String： 用于存储和操作文本数据。

📌变量（Variables）：

变量是用于存储数据的容器。在Arduino编程中，你可以声明一个变量来存储特定类型的数据。以下是关于Arduino变量的一些要点：

  1. 声明变量： 要声明一个变量，你需要指定其数据类型和一个名称。例如，要声明一个整数变量并命名为myVariable，你可以使用int myVariable;。
  2. 初始化变量： 在声明变量的同时，你可以指定其初始值。例如，int myVariable = 10;将声明一个名为myVariable的整数变量并将其初始化为10。
  3. 作用域： 变量的作用域决定了它在哪里可用。在Arduino中，变量的作用域可以是局部（在函数内部）或全局（在整个程序中）。
  4. 常量： 使用const关键字声明的变量是常量，其值不能被修改。例如，const int myConstant = 20;将声明一个常量整数。
  5. 变量的生命周期： 变量的生命周期取决于其作用域。在函数内部声明的变量在其生命周期内存在，而全局变量在整个程序运行期间都存在。
  6. 隐式类型转换： 在某些情况下，Arduino会隐式转换数据类型。例如，当一个byte类型的值与int类型的值进行算术运算时，Arduino会自动将byte转换为nt。

   变量是用来存储数据的。在Arduino中，你可以声明一个变量来存储一个值。例如，你可以声明一个int类型的变量来存储一个整数。这里举一个例子，我们都知道灯是什么样子，一说到灯我们都知道是什么，灯的实物就是它的载体；但是电脑或者程序关于灯的载体是什么？我们要如何告诉电脑，这个玩意就是灯？在程序里我们就可以定义一个变量来装载灯的概念，比如我定义了一个变量叫 LED，后面关于灯的操作，我们都可以用它进行。比如让灯打开，就是LED.on()，让灯关闭，就是LED.off()。    关于这些数据类型和变量的概念，在后面的实例验证中，我们用到的地方，将会详细说明。

4. 控制结构和流程控制 ​

   Arduino编程语言支持一些控制结构和流程控制语句，如if-else语句、switch语句、for循环、while循环等。在编程中，控制结构和流程控制是实现特定逻辑和算法的关键部分，它们决定了代码的执行顺序和条件。这些控制结构和流程控制语句可以帮助你编写更复杂的程序。
以下是在Arduino编程中常用的控制结构和流程控制：
控制结构（Control Structures）：
控制结构决定了代码的执行路径。在Arduino编程中，主要有以下几种控制结构：

  1. if语句： if语句用于根据条件执行代码块。如果条件condition为真，那么将执行里面的代码；如果为假则跳过不执行。语法如下：
c
if(condition)
{
    // 条件为真时执行的代码
}

✔在编程和代码程序中，"真"和"假"通常是指布尔逻辑中的两个基本状态，它们对应于二进制系统中的1和0。其中任何非0的值都是真，只有为0时是假。

在编程中：

  • 真（true）： 表示条件成立、表达式有效或某个操作的结果符合预期。例如，在比较两个值时，如果它们相等，则比较的结果为true。
  • 假（false）： 表示条件不成立、表达式无效或某个操作的结果不符合预期。如果两个比较的值不相等，则比较的结果为false。

这些布尔值在控制程序流程时非常有用，例如在if语句、while循环和条件运算符中。

✔举个例子，你现在有一个按键和一个灯，老板要你通过arduino实现按下按键，灯就亮，你要如何实现？你可以通过if语句这样写：

c
if ( 按键按下 )
{
    灯亮
}

这个if语句就相当于中文的“如果”的意思。

  1. if-else语句： if-else语句允许你根据条件执行两个不同的代码块。语法如下：
c
if (condition)
{
    // 条件为真时执行的代码
}
else
{
    // 条件为假时执行的代码
}

✔再继续之前的例子，现在老板要你通过arduino实现按下按键，灯就亮；松开按键，灯就灭。你要如何实现？你可以通过if-else语句这样写：

c
if ( 按键按下 )
{
    亮灯
}
else
{
    灭灯
}

这个else就是当你的if语句无法成立时执行，相当于中文的“否则”的意思。

  1. switch语句： switch语句用于根据不同的条件执行不同的代码块。它通常用于多个选项的情况。语法如下：
c
switch ( 变量 )
{
    case 值1:
        // 如果变量是值1，执行的代码
        break;
    case 值2:
        // 如果变量是值2，执行的代码
        break;
    case n:
        ...
    default:
        // 在所有情况都不匹配时执行的代码
}

✔我们举个例子，老板要你根据电压大小，来确定灯的状态；电压为5V时，灯慢闪；电压为3V时，灯快闪；电压为0V时，灯常亮；你要如何实现这个功能？你可以通过switch 语句这样写：

c
switch ( 电压值 )
{
    case 5:
        灯慢闪
        break;
    case 3:
        灯快闪
        break;
    case 0:
        灯常亮
    default:
        灯灭
}
  1. for循环： for循环用于 重复执行 一段代码 特定次数，直到某个条件不再满足。语法如下：
c
for (initialization; condition; update)
{
    // 在循环中执行的代码
}

initialization（初始化）:

  • 这是循环开始之前，只执行一次的代码块。通常用于设置循环所需的一些初始值或状态。
  • 例如，int i = 0; 在一个计数循环中，i被初始化为0。

condition（条件）:

  • 这是一个布尔表达式，每次循环迭代时都会被评估。
  • 如果这个条件为真，循环体会继续执行。如果条件为假，循环将停止。
  • 例如，在计数循环中，条件可能是i < 10，意味着当i小于10时，循环继续执行；i大于或者等于10时，循环将停止。

update（更新）:

  • 在每次循环迭代结束后执行的代码块。通常用于更新循环控制变量的值。
  • 例如，在计数循环中，更新可能是i++，意味着每次循环后，i的值增加1。

✔举个例子，老板让你输出调试的数据，要连续输出10次，你该如何以简单快速的方法实现？你可以这样写：

c
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    //输出调试的数据
}
  • int i = 0; 是初始化部分，将变量i设置为0。
  • i < 10 是条件部分，只要i的值小于10，循环就会继续。
  • i++ 是更新部分，每次循环后都会增加i的值。
  1. while循环： while循环用于在条件为真时重复执行一段代码。语法如下：
c
while (condition)
{
    // 在循环中执行的代码
}

继续按照上面那个例子，你可以这样写：

c
int i = 10;
while( i )
{
    //输出调试的数据
    i = i - 1;
}
  1. do-while循环： do-while循环与while循环类似，但至少会执行一次代码块，然后再检查条件。它与while不同的地方就是先执行在判断，判断完成之后再确定是否要执行。语法如下：
c
do {
    // 在循环中执行的代码
} while (condition);