人氣微控制器開發(fā)板Arduino究竟是何方神圣？

近幾年來，在書店中帶有“電子”、“編程”等關(guān)鍵詞的書籍和雜志越來越多。當(dāng)您翻看這些書籍的標(biāo)題時，不時地會看到“Arduino”和“Raspberry Pi”之類的詞。

不過，當(dāng)聽到或看到“Arduino”和“Raspberry Pi” 時，可能有不少人會想：“哦，好像在哪兒聽到過。只是不清楚它究竟是什么”。

本文將圍繞“Arduino”，具體介紹以下幾個方面的內(nèi)容：、

什么是“Arduino”？

Arduino與Raspberry Pi有什么區(qū)別？

Arduino的種類有很多，在選擇時應(yīng)該注意什么？

目錄

什么是Arduino？

Arduino的歷史和名稱由來

Arduino和Raspberry Pi，使用哪個比較好？

Arduino與Raspberry Pi的區(qū)別

如何掌握Arduino的使用方法？

Arduino的典型產(chǎn)品列表以及每種產(chǎn)品的使用方法

Arduino還能這樣用！

Arduino竟然有這些功用！

歡迎來到電子世界

1. 什么是Arduino？

Arduino是一款開源微控制器開發(fā)板，即便是沒有豐富的電氣和編程知識的電子設(shè)計初學(xué)者也很容易上手。首先，聽到“Arduino”，應(yīng)該能夠想起下圖所示的外觀，對該產(chǎn)品有個大致印象。

Arduino開發(fā)板示例（Arduino UNO）

這是將各種電子元器件配置在電路板上的開發(fā)板，外觀相似的產(chǎn)品包括在電腦和電視機等內(nèi)部常用的被稱為“電路板”、“印刷電路板”、“PCB”的產(chǎn)品。其中，將載有能夠通過編程改變其工作的“微控制器”（Microcontrollers或Microcomputers的簡稱）芯片的電路板稱為“微控制器開發(fā)板”，照片中的Arduino也是微控制器開發(fā)板的一種，也被稱為“Arduino開發(fā)板”。

然而，“Arduino”這個名稱不僅僅包括“Arduino板”，還包括用來編程的被稱為“集成開發(fā)環(huán)境（IDE）”的軟件。

Arduino IDE

這種用于編程的軟件通常被稱為“Arduino IDE”，在需要區(qū)分板卡和軟件時，可以分別稱它們?yōu)椤癆rduino板”和“Arduino IDE”。

2. Arduino的歷史和名稱由來

“Arduino”是在2003年意大利Interaction Design Institute Ivrea（IDII，交互設(shè)計學(xué)院）的學(xué)生Hernando Barragán（埃爾南多·巴拉甘）的碩士論文研究項目“Wiring”基礎(chǔ)上開發(fā)而成的?！癢iring”的研究目的是通過將復(fù)雜的機制抽象化，使藝術(shù)家和設(shè)計師等在創(chuàng)作作品時可以在沒有電子工程知識的情況下也能操作微控制器，從而能夠?qū)⒕性趯崿F(xiàn)最初的目的（作品制作等）上。

Arduino的開發(fā)項目始于其后的2005年。Barragán的碩士論文導(dǎo)師Massimo Banzi 與David Mellis、David Cuartielles等人一起開始了名為“Arduino”（拉取Wiring的源代碼）的項目。

“Arduino”這個名稱來源于Arduino項目的創(chuàng)始人Massimo Banzi喜歡去的一家名為“Bar di Re Arduino”的酒吧，是根據(jù)酒吧名稱將電路板命名為“Arduino”的。

此后，Arduino開始風(fēng)靡全球，并在“創(chuàng)客運動”（一種推動利用3D打印機等數(shù)控設(shè)備創(chuàng)作作品的活動）的風(fēng)潮下，成為世界上最受歡迎的微控制器開發(fā)板之一。

追溯Arduino的發(fā)展歷史，可以看到很多關(guān)于Arduino團隊（Arduino LLC 和 Arduino SRL）的內(nèi)部分裂以及商標(biāo)和制造權(quán)問題相關(guān)的文章。事情最終通過兩者的和解而落下帷幕，對于我們這樣的Arduino用戶來說，這個結(jié)局（從對Arduino板的流通和Arduino IDE的更新等的影響角度來說）的確讓我們松了一口氣。

3. Arduino和Raspberry Pi，使用哪個比較好？

如今，電子制作的新手通常是一邊參考諸如“用Arduino制作……”、“用Raspberry Pi實現(xiàn)……”等標(biāo)題的文章和書籍，一邊進行基礎(chǔ)練習(xí)。

但是，這里面也有一些人會有這樣的疑問：“那么，我應(yīng)該買哪一個比較好呢……？”不知道該選擇哪一個才好。在這里，我首先簡單介紹一下Arduino和Raspberry Pi的區(qū)別。

Arduino屬于“微控制器開發(fā)板”，Raspberry Pi屬于“單板計算機”。前面已經(jīng)介紹過微控制器開發(fā)板。我認為將單板計算機解釋為“凝聚了必備最少功能的計算機”，可能更容易理解?；谶@樣的視點，讓我們從幾個角度來探討應(yīng)該使用Arduino還是Raspberry Pi。

Raspberry Pi 4 Model B

4. Arduino與Raspberry Pi的區(qū)別

可能有人認為，“如果只是微控制器和計算機之別的話，那么計算機不是可以向上兼容嗎……？”但是，實際上還涉及到它們各自適用的用途，以及它們在不同應(yīng)用中的易用性。

① 有無操作系統(tǒng)（OS）

例如，從內(nèi)部軟件的運行來看，存在Arduino沒有OS、Raspberry Pi有OS的特點區(qū)別。

這并不是可以簡單地說“有操作系統(tǒng)（OS）更好”，有時候，在操作系統(tǒng)中運行的其他應(yīng)用程序也可能會影響到希望實現(xiàn)的目標(biāo)工作，在使用計算機時，時常會發(fā)生死機等問題，這些都是需要考慮的因素。當(dāng)然，如果您希望執(zhí)行Linux上運行的程序，就需要選擇Raspberry Pi了，因為Arduino無法執(zhí)行這類程序。

② 作用不同

事實上，微控制器有微控制器應(yīng)該做的工作，計算機有計算機應(yīng)該做的工作。Raspberry Pi可以結(jié)合LED和開關(guān)等的輸入和輸出實現(xiàn)很多事情，因此很難通過能做什么或不能做什么來考量，但如果按照各自發(fā)揮的不同作用來考慮，就可以看清什么情況下該使用Raspberry Pi，什么情況下該使用Arduino。
例如，Arduino可以發(fā)揮以下作用：

LED和電機的控制

開關(guān)和傳感器的狀態(tài)檢測

如果您需要處理此類電氣信號（更接近硬件），選擇Arduino比較好。

此外，Raspberry Pi可以發(fā)揮以下作用：

網(wǎng)絡(luò)通信（有線/無線局域網(wǎng)）

將影像輸出到顯示器或投影儀等

使用相機或攝像頭（圖像處理等）

如果您需要完成這類由計算機處理的工作（更接近軟件），應(yīng)該選擇Raspberry Pi。

5. 如何掌握Arduino的使用方法

如果您的身邊有人能教您如何使用Arduino，能夠邊問邊學(xué)是比較好的，但是通常不好意思請人多次一對一地教自己，而且并不是每個人的身邊都有這種專業(yè)人士，所以如果可以的話，能找到自學(xué)的方法就更好了。
筆者推薦以下兩種方法：

① 買書，按照書中的內(nèi)容學(xué)習(xí)
② 參考網(wǎng)上的文章，按照相關(guān)介紹學(xué)習(xí)

① 通過書籍學(xué)習(xí)時

如果通過看書（技術(shù)書和入門書）來學(xué)習(xí)，就需要在書店或網(wǎng)店購買相應(yīng)的書籍，雖然買書需要花錢，但大多數(shù)書都是面向從零開始的初學(xué)者的，內(nèi)容非常細致易懂。而且，還有一個好處是“只要按這本書學(xué)習(xí)，基本可以學(xué)會”，而如果自己在網(wǎng)上搜索各種資源自學(xué)的話，容易遇到一些瓶頸。書籍的好處在于，您可以通過閱讀它們獲取新知識，而無需自己在網(wǎng)上搜索。

下面我列舉一些講解Arduino使用方法的書，您可以參考用戶評價和相關(guān)書籍來選用。

開始使用Arduino吧 第3版

有這本書足夠！用Arduino開始電子制作 超簡單入門教程 修訂版第3版

② 通過網(wǎng)上資源學(xué)習(xí)時

如果您通過網(wǎng)上搜到的資源學(xué)習(xí)，會發(fā)現(xiàn)有很多免費的資源可用，因此比通過書籍學(xué)習(xí)的成本更低。如果能找到精心編寫的文章，就可以獲得豐富的信息來提升技能，所以如果您習(xí)慣于在網(wǎng)上查找資料，就可以搜索所需的信息，并從不同角度了解相關(guān)信息的講解。

下面我列舉一些關(guān)于Arduino入門的文章，建議以閱讀這些文章為主，當(dāng)遇到感興趣的關(guān)鍵詞時，可以隨時搜索以進一步了解。

如何開啟Arduino之旅
介紹了Arduino新手應(yīng)該怎樣購買Arduino主機、如何安裝Arduino IDE、以及如何使LED發(fā)光。我們可以參考這個步驟開始Arduino之旅！

Arduino – Lighting up LEDs

創(chuàng)建程序
使用面包板將LED和電阻器連接到Arduino，點亮多個LED并使多個LED交替閃爍。要逐漸習(xí)慣程序和布線的處理方法。
Arduino – Sketch, Taking a Look at Programs

使用光傳感器
嘗試使用傳感器來代替人類的五種感官。在這里，使用光傳感器來感知周圍環(huán)境的亮度并使之與LED的亮度建立關(guān)聯(lián)。
Let’s use Arduino with a light sensor!

6. Arduino的典型產(chǎn)品列表以及每種產(chǎn)品的使用方法

下面介紹一下需要購買Arduino板時要考慮哪些要點。市場上有很多種Arduino板，不同的產(chǎn)品類型其價格和功能也不同。在這里我根據(jù)常見的需求來介紹四種Arduino板。

① 只是想開始練習(xí)

對于沒有特別想要制作的作品，“只是想先試用一下Arduino！”的各位，我建議從“Arduino UNO”開始。

Arduino UNO

“Arduino UNO”是最基本的開發(fā)板，也被認為是Arduino系列的代表。既然是“代表”，其技術(shù)書等書籍和在網(wǎng)上、雜志等上面的文章和信息是最多的，支持Arduino的擴展電路板（被稱為“擴展板”）也很多。

Arduino UNO的輸入/輸出端口（輸入/輸出引腳）配有針座，在其中插入跳線即可與面包板等相連接。

在網(wǎng)上搜索有關(guān)Arduino的信息時，很多都是以Arduino UNO為例進行說明的，所以如果您使用的是其他類型的Arduino板，就需要通過對照引腳編號等來進行組裝接線等工作。而如果您使用的是Arduino UNO，則可以直接使用其接線信息和程序代碼。

② 想要大量的輸入輸出

在您想要控制很多LED、想要檢測很多開關(guān)、想要驅(qū)動很多電機等情況下，如果“Arduino UNO”的輸入/輸出端口數(shù)量不夠，“Arduino Mega”是個不錯的選擇。它比UNO要貴。

Arduino Mega

“Arduino Mega”的輸入/輸出端口比UNO更多，使用“Arduino Mega”可以增加相應(yīng)數(shù)量的傳感器（當(dāng)連接很多LED時，需要注意電流消耗情況。這一點不僅針對Mega，而是所有微控制器通用的注意要點）。

在UNO中，只有一組串行通信端口（也用作USB接口），但在Mega中，除了一組USB復(fù)用接口之外，還有三組端口，所以當(dāng)您想在微控制器之間進行通信時，或想要進行Bluetooth/Zigbee等串行通信時，建議使用Mega。

由于常用引腳的位置與“Arduino UNO”基本相同，因此很多與UNO兼容的擴展板也適用于Mega。

與UNO相比，Mega可以進行PWM輸出的引腳較多，所以如果希望使用PWM信號驅(qū)動的電機數(shù)量較多時，使用Mega更好。如果以后想用Arduino來控制機器人，那么我認為Arduino Mega值得擁有。

③ 想嵌入小型作品中

如果您想將其嵌入尺寸很小的機器人或設(shè)備中，建議使用推薦尺寸比UNO更小的緊湊型“Arduino Micro”。它比UNO便宜一些。

Arduino Micro

“Arduino Micro”的引腳上配有排針，可以直接將微控制器開發(fā)板插入面包板。如果將針座焊接在萬用電路板等上面，也可以在不使用跳線的情況下牢固地接線。

萬用電路板

使用萬用電路板時，應(yīng)遵循電子作品創(chuàng)作界中的一些默認文化，比如需要在要進行焊接的有銅箔的面（圖案面）進行布線，在進行LED或電阻器切腳時，不要丟掉這些腳，而是將其靈活運用于電路板上的布線。

④ 想自制鍵盤和鼠標(biāo)

近年來，在電子作品創(chuàng)作界，“自制鍵盤”開始流行起來。通過自己制作電腦鍵盤，可以制作出符合自己要求的理想鍵盤，或具有有趣功能的原創(chuàng)鍵盤。使用“Arduino Leonardo”，可以開發(fā)鍵盤和鼠標(biāo)等HID設(shè)備。Arduino Leonardo開發(fā)板的形狀類似于UNO，但它是一種不同的Arduino板。

Arduino Leonardo

“HID”是“Human Interface Device”的縮寫，一般是指電腦鍵盤或鼠標(biāo)等。特別是“符合HID規(guī)范的設(shè)備”，當(dāng)通過USB連接到電腦時，無需安裝產(chǎn)品固有的設(shè)備驅(qū)動程序即可使用。Arduino Leonardo中配備了名為“ATmega32U4”的微控制器，它可以充當(dāng)符合HID規(guī)范的設(shè)備使用，因此可以用作鍵盤或鼠標(biāo)。

如果其他的Arduino板中也配有ATmega32U4微控制器，那么也可以用來開發(fā)HID，就像前面介紹的Arduino Micro中也配有ATmega32U4，所以也可以使用Arduino Micro來自制鍵盤和鼠標(biāo)。如果您想在面包板上制作原型，選擇Leonardo比較好，如果您想在萬用電路板上進行焊接，建議選擇Micro。

7. Arduino還能這樣用！

隨著Arduino的出現(xiàn)，微控制器控制不再僅僅局限于制造商制造的家電等產(chǎn)品，還被越來越多地應(yīng)用在業(yè)余愛好者活躍的機器人、藝術(shù)、DIY等個人創(chuàng)作領(lǐng)域。下面介紹三種與這些領(lǐng)域相關(guān)的使用了Arduino的產(chǎn)品（作品）。

TINKERKIT BRACCIO ROBOT

這是Arduino官方開發(fā)的機械臂套件。機械臂可以通過6個伺服電機自由移動，并且可以使用Arduino靈活控制。教育機器人套件也有很多種，但其中大多數(shù)都使Arduino。

Let’s start having fun with Braccio.mp4
※此鏈接為Youtube視頻

Plastic Reflectic

這是一個以海洋垃圾問題為主題的裝置，旨在讓人反思塑料污染對自然環(huán)境的影響。該設(shè)備使用了多達600個防水伺服電機。就像在這類作品中的表現(xiàn)一樣，在用電子控制創(chuàng)建項目的媒體藝術(shù)展覽領(lǐng)域，Arduino也在大展身手。

Plastic Reflectic interactive installation for plastic soup foundation.mp4
※此鏈接為Youtube視頻

Arduino Camera Slider

這是一種使相機自動滑動的設(shè)備。通過使用Arduino控制兩個步進電機來實現(xiàn)相機的往復(fù)和旋轉(zhuǎn)。使用Arduino進行 DIY的一大好處是可以按照自己喜歡的尺寸、通過自己對運行的調(diào)整來制作自己想要的設(shè)備。

Homemade Motorized Camera Slider.mp4
※此鏈接為Youtube視頻

8. Arduino竟然有這些功用！

最后，我想介紹一些此前在Device Plus中發(fā)布過的關(guān)于使用Arduino進行電子創(chuàng)作的文章。許多作者正在用自己獨特的創(chuàng)意在制作各種有趣的設(shè)備，希望這些項目能給您帶來啟發(fā)。

【用Arduino和距離傳感器制作小雞賽車！】

這是一款可以在游戲（所謂的“小雞賽跑”）中玩的機器人，它會自動向墻壁行駛，當(dāng)操作者按下按鈕使小雞賽車停下來時，比賽誰在離墻壁更近的位置停下來。
該項目采用超聲波距離傳感器測量距離，還具有在字符液晶顯示器上顯示距離值的功能。

在最后一刻停下來！用Arduino和距離傳感器制作小雞賽車！（第1篇）

【用Arduino和TOF距離傳感器制作甜甜圈播放器】

為了紀(jì)念留聲機的甜甜圈造型轉(zhuǎn)盤，作者開發(fā)了一款“甜甜圈播放器”，它可以使真正的甜甜圈旋轉(zhuǎn)，用距離傳感器檢測并根據(jù)形狀發(fā)出聲音。當(dāng)您想要創(chuàng)作一個獨一無二的獨特作品時，Arduino將會是您的得力助手。

用Arduino和TOF距離傳感器制作甜甜圈播放器【后篇】

【用Arduino和FeliCa讀卡器制作出入登記系統(tǒng)】

這是一個使用FeliCa讀卡器（可以與FeliCa兼容交通IC卡或智能手機進行通信）制作的、可以識別個人并記錄進出日期和時間的系統(tǒng)。當(dāng)您在想“真希望有這樣的東西/功能……”時，使用Arduino來實際制作出來其實是一件很棒的事。

用Arduino Mega進行電子制作！用FeliCa讀卡器制作一個出入登記系統(tǒng)

9. 歡迎來到電子作品創(chuàng)作世界

通過以上內(nèi)容，我們已經(jīng)了解了Arduino的特點、選擇方法和作品實例。作為個人，我們能夠創(chuàng)作世界上獨一無二的作品，這也是電子作品創(chuàng)作的真正樂趣所在。

如果您有任何想法，比如“要是有這樣的東西就好了”或“要是能做出這樣的東西一定會很有趣吧”，那就使用Arduino來嘗試實現(xiàn)它吧！

河島 晉

1991年出生于日本福岡縣北九州市。從九州工業(yè)大學(xué)研究生畢業(yè)后，一直從事電子制作套件的開發(fā)、機器人競賽的運營、活動中的制作業(yè)務(wù)等工作。目前，主辦了數(shù)字制造社區(qū)“藥院Make部”，同時還在福岡縣福岡市推動制造活動。多次參加機器人大賽和作品競賽。代表作有“論文守護者”和“再睡五分鐘鬧鐘”。

審核編輯黃宇