Arduino應用系統設計 - Arduino程式快速入門

Arduino程式快速入門 Revised on March 8, 2020  程式基本架構  指令語法  資料型別  變數與常數  陣列與字串資料  運算子  分支結構  重複結構

 檢視預設的程式框架 void setup() { //put your setup code here, to run once: } void loop() { //put your main code here, to run repeatedly: } Arduino程式基本架構 2

 編輯以下程式碼 void setup() { //put your setup code here, to run once: Serial.begin(9600); Serial.println("setup"); } void loop() { //put your main code here, to run repeatedly: Serial.println("loop"); delay(2500); } Lab 測試Arduino程式運行 1/2 3

 選單命令Tools> Serial Monitor開啟序列埠監控視窗  檢視輸出結果  按⼀下Arduino Reset按鈕，檢視輸出結果 Lab 測試Arduino程式運行 2/2 按下Arduino Reset按鈕 Arduino開始執行 4 必須與Serial.begin(9600);指令設定相符

/* 多行註解 (block comment)，從/*起始到*/結束通常在程式檔開頭，簡述程式之功能、作者、設計日期、程式版本等訊息 ShyiShiou Wu; March 8, 2020 */ // 單行註解 (single line comment)，從//起始到該行結束 //標頭檔區，如有使用擴充函式庫時，須在此指定擴充函式庫之標頭檔 #include <Servo.h> //自行定義的標頭檔，頭尾使用雙引號括住 #include "config.h" //全域變數宣告區，程式中使用的全域變數或常數 #define RED_LED 12 //定義常數 byte SW = 2; //宣告變數 Arduino程式框架 1/2 5

//系統設置函式，Arduino重置時，會先執行設置函式，且只會執行一次 void setup(){ //put your setup code here, to run once: } //程式主廻圈，執行設置函式後，會循環執行loop函式 void loop() { //put your main code here, to run repeatedly: } //其它自訂函式，依功能需求自行設計之函式。被呼叫時才會執行 void mySub() { //put your subroutine code here } Arduino程式框架 2/2 6

 前置處理指令  #include 用來引入標頭檔(header file)  專案資料夾(儲存*.ino的目錄)下的自訂標頭檔 #include "config.h"  libraries資料夾下的函式庫標頭檔 #include <Servo.h>  #define 用來定義常數(constant) #define RED_LED 12 //不用等號與分號，通常使用大寫字母  宣告變數(variable) int lightness = 0; //變數型別變數名稱 = 初始值; Arduino指令語法 1/3 7

 每行指令敘述以分號結尾(前置處理指令不可加分號) int lightness = 0;  程式碼區分大小寫(case sensitive)  lightness與Lightness是不⼀樣  程式區塊，左右大括弧必須成對 void setup() { ... } Arduino指令語法 2/3 8

 自訂副程式(subroutine)  沒有回傳值 //void 副程式名稱(參數1, 參數2, ...) void showMessage(){ //副程式程式碼 ... }  自訂函式(function)  使用return回傳資料 //傳回值型別函式名稱(參數1, 參數2, ...) int function_name(int arg1, int arg2){ //函式程式碼 ... return (expression); //傳回值 } Arduino指令語法 3/3 9

 資料型別決定變數所能存放的資料格式與容量  boolean  只有true或false二種值(HIGH或LOW)  char  字元資料，佔1 byte  使用單引號標記字元，例如'A'  也可使用ACSII code，例如65  做為數值資料時，有效值-128~127  unsigned char  1 byte，數值0~255 Arduino Uno資料型別 1/4 10

 ASCII code  控制字元  顯示字元  0~9  A~Z  a~z  符號 Arduino Uno資料型別 2/4 11

 byte  8-bit無號數，數值0~255  int  16-bit整數，-32,768~32,767  unsigned int  16-bit無號數，0~65,535  word  16-bit無號數，0~65,535  short  16-bit整數，-32,768~32,767 Arduino Uno資料型別 3/4 12

 long  32-bit整數，-2,147,483,648L~2,147,483,647L  unsigned long  32-bit無號數，0~4,294,967,295L  float  4 bytes浮點數，最大值3.4028235E+38，最小值-3.4028235E+38  double  4 bytes倍精準數，同float Arduino Uno資料型別 4/4 13

 十進制(decimal)  123  二進制(binary)  B01111011  限用於表示8位元數值 (0 to 255)  八進制(octal)  0173  十六進制(hexadecimal)  0x7B 數值資料表示法 1/2 14

 浮點數  10.0  2.34E5  表示2.34×105，即234000.0  67e-12  表示67.0 ×10-12，即0.000000000067 數值資料表示法 2/2 15

 在程式中用來存放運算資料或運算結果  宣告變數 (declaring variables)  語法：資料型別變數名稱 [= 初始值]; int count; float fahrenheit, celsius = 25.0; fahrenheit = celsius*9/5 + 32.0; 變數 1/5 16

 變數命名規則  只能包含字⺟、數字及底線  開頭字元不能是數字  不能使用保留字  arduino IDE會將保留字標示顏色(arduino目錄libkeywords.txt)  變數注意事項  區分大小寫  使用有意義的文字組合，以提高程式易讀性  clock_pin  clockPin 小駝峰式命名法(lower camel case)  ClockPin 大駝峰式命名法(upper camel case) 變數 2/5 17

 有效範圍(scope)  全域變數(global variable)，宣告在void setup()之前，提供整份 Arduino程式使用  區域變數(local variable)，宣告在程式區塊中，只能在所宣告的程式區塊中使用；每次執行時變數會被動態創建(create)和銷毁(destroy) int gPWMval; //整個程式檔都可使用gPWMval變數 void setup() { } void loop() { int i, j; //變數i與j可在loop程式區塊中使用 //... for (int k = 0; k < 100; k++){ //變數k只能在for程式區塊中使用 //... } } 變數 3/5 18

 靜態變數(static variable)  在區域變數宣告前加上static關鍵字  程式執行期間變數內容會保留 void walk(int steps){ static int a = 0; //首次執行walk()函式，變數a初始值設為0，之後保留上一次執行結果 int b = 0; //每次執行walk()函式，變數b會重置為0 a = a + steps; b = b + steps; } 變數 4/5 19

 指定超過範圍的值給數值變數時會造成overflow或underflow byte a = 0; //8-bit無號數，有效值0~255 Serial.begin(9600); a = a - 1; //超過下限，會造成underflow，a值變為255 Serial.println(a); a = a + 1; //超過上限，會造成overflow，a值變為0 Serial.println(a); 變數 5/5 20 負數最小值正數最大值0 負數正數 overflow underflow

int a = 0; //全域變數 void setup() { Serial.begin(9600); a = a + 1; Serial.print("a = "); Serial.println(a); func1(); func2(); a = a + 1; Serial.print("a = "); Serial.println(a); func1(); func1(); func2(); func2(); } void loop() { } Lab 測試變數Scope 1/2 21

void func1() { int b = 0; b = a + b; Serial.print("b in func1 = "); Serial.println(b); } void func2(){ static int b = 0; b = a + b; Serial.print("b in func2 = "); Serial.println(b); } Lab 測試變數Scope 2/2 22

 程式執行過程中不會變更的數  常數名稱通常使用大寫字⺟  #define RED_LED 12  編譯時，程式中所有RED_LED處會被替換成數字12  const byte RED_LED = 12;  保留RED_LED變數，但限定內容不可變動。如果嘗試變更RED_LED值，會產生assignment of read-only variable錯誤  內建常數  INPUT, OUTPUT  HIGH, LOW  true, false 常數 23

 ⼀般的變數只能儲存⼀個值，陣列則可以用來存放多個值  陣列中的每個資料稱為陣列元素(element)，程式中以索引值存取陣列元素，索引值從0開始 byte ledPins[] = {2, 4, 8}; pinMode(ledPins[0], OUTPUT); pinMode(ledPins[1], OUTPUT); pinMode(ledPins[2], OUTPUT);  二維陣列 char keypad[4][4] = { //矩陣按鍵 {'1','2','3','A'}, {'4','5','6','B'}, {'7','8','9','C'}, {'*','0','#','D'}}; Serial.println(keypad[1][2]); //'6' 陣列 (array) 24

 以雙引號標記字串資料，會在結尾自動加上'0'(空字元)做為字串結束標記  char str1[] = "Arduino";  sizeof(str1)結果為8，包含'0'(空字元)  字串就是⼀種字元陣列 (char array)  char str2[] = {'A', 'r', 'd', 'u', 'i', 'n', 'o', '0'}; 字串 25 如果要把str2做為字串，必須自行加上字串結束字元

 String物件比字元陣列提供更多便利的字串處理運算  建構元 String str1 = String(235, BIN); //"11101011" String str2 = String(45, HEX); //"2d" String str3 = "Hello String"; //"Hello String"  字串串接 int sensorValue=analogRead(A0); String msg$ = "Sensor value: " + sensorValue;  尋找特定字元位置索引 String html_str = "<HTML><HEAD><BODY>"; int i1 = html_str.indexOf('>'); //5 int i2 = html_str.indexOf('>', i1 + 1); //11 int lastOpeningBracket=html_str.lastIndexOf('<'); //12 String物件 1/4 26

 計算字串⻑度 String hello_str = "Hello! arduio "; Serial.println(hello_str.length()); //18 hello_str.trim(); //切除字串後面多餘空白 Serial.println(hello_str.length()); //14  大小寫轉換 String arduino_str = "Arduino programming"; Serial.println(arduino_str); //Arduino programming arduino_str.toUpperCase(); Serial.println(arduino_str); //ARDUINO PROGRAMMING arduino_str.toLowerCase(); Serial.println(arduino_str); //arduino programming String物件 2/4 27

 替換字串 String hello_str = "Hello! arduio"; Serial.println(hello_str); //Hello! arduino hello_str.replace("Hello","Hi"); Serial.println(hello_str); //Hi! arduino  子字串 String head_str = "Content-Type: text/html"; Serial.println(head_str.substring(14, 18)); //text  移除子字串 String hello_str = "Hi! arduino"; hello_str.remove(2, 6); //Hiino String物件 3/4 28

 比較字串 String cmd1_str = "Turn on"; String cmd2_str = "Turn off"; Serial.println(cmd1_str == "Turn on"); //1 Serial.println(cmd2_str.equals("Turn Off")); //0 Serial.println(cmd2_str.equalsIgnoreCase("Turn Off")); //1 String物件 4/4 29

 算術運算子(Arithmetic Operators)  % (modulo)  * (multiplication)  + (addition)  - (subtraction)  / (division)  = (assignment operator) float r = 3 / 2; //r=1.0 float r = 3 / 2.0; //r=1.5 float r = 3 / (float)2; //r=1.5 Arduino運算子 1/7 30

 比較運算子(Comparison Operators)  != (not equal to)  < (less than)  <= (less than or equal to)  == (equal to)  > (greater than)  >= (greater than or equal to) Arduino運算子 2/7 31

 位元運算子 (Bitwise Operators)  & (bitwise and)  << (bitshift left) LSB補0  >> (bitshift right) MSB補符號位元  ^ (bitwise xor)  | (bitwise or)  ~ (bitwise not) PORTD ^= (1 << PD3); //Toggle D3輸出 Arduino運算子 3/7 32

 布林運算子 (Boolean Operators)  ! (logical not)  && (logical and)  || (logical or) Arduino運算子 4/7 33

 遞增運算  ++ (increment) x++; //等同x = x + 1;  遞減運算  -- (decrement) x--; //等同x = x - 1; Arduino運算子 5/7 34

 複合運算子(Compound Operators)  同時執行『算數運算子或位元運算子』及『指定運算子』兩件工作  += (compound addition) x += y; //等同x = x + y;  -= (compound subtraction) x -= y; //等同x = x - y;  *= (compound multiplication) x *= y; //等同x = x * y;  /= (compound division) x /= y; //等同x = x / y; Arduino運算子 6/7 35

 &= (compound bitwise and) x &= y; //等同x = x & y;  |= (compound bitwise or) x |= y; //等同x = x | y;  ^= (compound bitwise xor) x ^= y; //等同x = x ^ y; Arduino運算子 7/7 36

 優先序(Precedence)  決定運算的先後次序  a = b + c * d;  結合性(associativity)  決定相同優先序的運算同時存在時，是要由左向右運算，還是由右向左運算  a = b + c + d;  最好使用小括號明確設定運算優先序  a += b << c – d << e 算術運算(-)優先權高於位元運算(<<)，位元運算(<<)優先權高於複合運算(+=)，所以是c-d先執行，之後兩個 << 結合順序為'左至右'，所以是 (b<<(c-d))<<e，最後才是 += Precedence & associativity 1/2 37

運算子優先序 () 1 !、~、++、−− 2 ×、/ 3 +、− 4 >>、<< 5 <、<=、>、>= 6 ==、!= 7 ^、&、| 8 && 9 || 10 = 12 Precedence & associativity 2/2 38

 循序結構(Sequence)  選擇結構(Selection) 程式的三種基本控制結構 1/2 truefalse 39

 重複結構(Iteration) 程式的三種基本控制結構 2/2 true false 40

 if … else if (condition1){ //do job A } else if (condition2){ //do job B } else if (condition3){ //do job C } else { //do job D } if敘述 41

 X ? Y : Z  若X為true，執行Y，否則執行Z  範例 if (analogRead(CDS) < threshold) ledState = HIGH; else ledState = LOW; 上述程式碼可改寫如下： ledState = (analogRead(CDS) < threshold)? HIGH : LOW; 三元運算子 42

#define LED 13 void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { byte cmd = Serial.read(); if (cmd == '1') { //從序列埠收到'1' digitalWrite(LED, HIGH); Serial.println("Turn LED on"); } if (cmd == '0') { //從序列埠收到'0' digitalWrite(LED, LOW); Serial.println("Turn LED off"); } } Lab if敘述 1/2 43

 switch…case switch (var) { //var必須是整數或字元 case label1: //statements break; case label2: //statements break; default: //statements } switch…case敘述 case 比對1 default 其它敘述程式區塊1 true false 程式區塊2case 比對2 switch (整數運算式) case 比對n true false non break 程式區塊n true non break non break break break break 結束 false 45

#define LED 13 void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { byte cmd = Serial.read(); switch (cmd){ case '0': //從序列埠收到'0' digitalWrite(LED, LOW); Serial.println("Turn LED off"); break; case '1': //從序列埠收到'1' digitalWrite(LED, HIGH); Serial.println("Turn LED on"); break; } } Lab switch敘述 1/2 46

 for迴圏 for (initialization; condition; increment) { //statement(s); }  範例 byte ledPins[] = {2, 4, 8, 3, 6}; for (int i = 0; i < 5; i++){ pinMode(ledPins[i], OUTPUT); } for迴圈敘述條件運算式重複作業區塊 true false 更新計數值初始計數值結束 48

void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { int i; for (i = 0; i <= 255; i += 5){ Serial.println(i); delay(500); } Serial.print("Finally, i = "); Serial.println(i); } Lab for迴圈敘述 49

 while迴圏 while(condition){ //statement(s) }  範例 int i = 0; //迴圈初始值 while (i <= 255){ analogWrite(pwmPin, i); delay(10); i++; } while迴圈敘述條件運算式重複作業區塊 true false 結束 50

void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { int i = 0; //迴圈初始值 while (i <= 255){ Serial.println(i); delay(500); i += 5; } Serial.print("Finally, i = "); Serial.println(i); } Lab while迴圈敘述 51

 do … while迴圏 do { // statement block } while (condition);  至少會執行⼀次  範例 #define LED 3 //PWM輸出腳位 ... int i = 0; //迴圈初始值 do { analogWrite(LED, i); delay(10); i++; } while (i <= 255); do迴圈敘述條件運算式重複作業區塊 true false 結束 52

void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { int i = 0; //迴圈初始值 do { Serial.println(i); delay(500); i += 5; } while (i <= 255); Serial.print("Finally, i = "); Serial.println(i); } Lab do迴圈敘述 53

 http://www.arduino.cc/reference/en/ Arduino語言參考資料 54

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