Arduino：開放的軟硬件電子平臺(tái)

編者按：在科技發(fā)展日新月異的今天，信息技術(shù)教學(xué)已經(jīng)遠(yuǎn)離了開、關(guān)機(jī)還需要反復(fù)講解的時(shí)代，三歲孩童熟練地?cái)[弄著iPad已非奇事。自策劃了“Scratch來了”這一專題之后，編輯深刻感受到研究程序語言的老師的可愛，他們的執(zhí)著、他們的探索，使得程序教學(xué)不再那么枯燥，煥發(fā)出勃勃生機(jī)。因此，雜志特別策劃了這一專欄，將陸續(xù)刊發(fā)一些程序教學(xué)領(lǐng)域有代表性的教學(xué)實(shí)踐。也期待更多老師投身到程序教學(xué)中去，通過自身的踐行，推動(dòng)程序教學(xué)的復(fù)興。

● 什么是Arduino

如果你還頑固地認(rèn)為編程就是坐在電腦屏幕前，不停地敲代碼，利用電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理問題，做一個(gè)老實(shí)本分的“碼農(nóng)”的話，那你就Out了。今天的Arduino會(huì)讓你對(duì)編程的看法耳目一新。因?yàn)槟阍诰帉懗绦蚯靶枰O(shè)置好自己的電子線路，就像在對(duì)一個(gè)類似于物理的計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的連線，然后再編寫程序代碼，并且這些程序可以來控制、感知外圍世界一樣。

Arduino是一款開源電子平臺(tái)，包含各種型號(hào)的Arduino板，使用的軟件是Arduino IDE，是由意大利教師Massimo Banzi和西班牙籍晶片工程師David Cuartielles聯(lián)手開發(fā)設(shè)計(jì)電路板，并引入Banzi的學(xué)生提供程序設(shè)計(jì)語言的。起初他們是為了解決學(xué)生們?cè)谧鲈囼?yàn)時(shí)找不到便宜好用的微控制器這一問題，但隨后三人又秉承設(shè)計(jì)時(shí)的開放源碼理念，把設(shè)計(jì)圖放到了網(wǎng)上，任何人都被允許生產(chǎn)電路板的復(fù)制品，還能重新設(shè)計(jì)，為現(xiàn)在市場(chǎng)上大量的Arduino板奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。Arduino不僅是一個(gè)基于開放源碼的軟硬件平臺(tái)，并且具有使用類似JAVA、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。幾乎任何人，即使不懂電腦編程，也能用Arduino做出很酷的東西，如對(duì)感測(cè)器做出回應(yīng)，閃爍燈光，控制馬達(dá)……

● Arduino的特色

1.開放的電路板設(shè)計(jì)

Arduino控制板是采用了開放源代碼的電路圖設(shè)計(jì)的，所以有經(jīng)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)師能夠根據(jù)需求設(shè)計(jì)自己的模塊，可以對(duì)其擴(kuò)展或改進(jìn)。甚至是對(duì)一些相對(duì)沒有什么經(jīng)驗(yàn)的用戶，也可以通過制作試驗(yàn)板來理解Arduino是怎么工作的。而且版權(quán)法只監(jiān)管開源軟體，卻很難用在硬體上，于是Arduino采用了Creative Commons許可，即任何人都被允許生產(chǎn)電路板的復(fù)制品，還能重新設(shè)計(jì)，甚至銷售原設(shè)計(jì)的復(fù)制品，而這一切都不需要付版稅。然而，如果你重新發(fā)布了引用設(shè)計(jì)，你必須說明原始Arduino團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)。如果你調(diào)整或改動(dòng)了電路板，你的最新設(shè)計(jì)必須使用相同或類似的Creative Commons許可，以保證新版本的Arduino電路板也會(huì)一樣的自由和開放，唯一被保留的只有Arduino這個(gè)名字，如圖1的ArduinoMANGOII、圖2的Arduino MEGA2560 R3與圖3的Arduino Robot。

2.編程方式多樣，代碼簡(jiǎn)潔

Arduino編程主要有以下幾種方式：第一種是使用官網(wǎng)Arduino IDE編程環(huán)境（如圖4），這可以在官網(wǎng)下載（http：//www.arduino.cc），支持Windows，MacOS，Linux操作系統(tǒng)。第二種是使用微軟的VisualStudio環(huán)境（如圖5），也有Arduino for Microsoft Visual Studio的插件，安裝后可以在Visual Studio里進(jìn)行Arduino的開發(fā)。第三種是如果不太喜歡寫代碼，或者是教小孩子玩Arduino，也有圖形化的編程環(huán)境，如圖6的Ardublock。

Arduino是基于AVR平臺(tái)，對(duì)AVR庫進(jìn)行了二次編譯封裝，把端口都打包好了，寄存器、地址指針之類匯編語言的那些東西都給拋開了，取而代之的是高級(jí)語言的簡(jiǎn)單函數(shù)。大大降低了軟件開發(fā)難度，適宜非專業(yè)愛好者使用。Arduino軟件是開源的，同時(shí)與C、JAVA語言在語法上有很大的相似性，有經(jīng)驗(yàn)的程序員可以對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。圖7是匯編語言編程環(huán)境，圖8是Arduino ide編程環(huán)境。

3.線上燒錄，感知外圍世界

Arduino可使用ICSP線上燒入器，將編制程序燒入芯片，我們只有一根連接線就隨時(shí)隨地向芯片中刷入程序，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。同時(shí)利用Arduino控制板可簡(jiǎn)單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接，如紅外線、超音波、熱敏電阻、光敏電阻、電機(jī)馬達(dá)等。從而實(shí)現(xiàn)程序感知外圍世界，控制外圍世界的目的。下頁圖9中的實(shí)驗(yàn)就是LED發(fā)光二極管在受到光線照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的電流，我們用三極管對(duì)其進(jìn)行放大，觸發(fā)Arduino進(jìn)行檢測(cè)，如果達(dá)到極值蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。

Arduino還有很多優(yōu)點(diǎn)，如支持安卓系統(tǒng)，支持多種互動(dòng)程序，并且由于在軟硬件上都采用開源的設(shè)計(jì)理念，使得Arduino擁有了大量的資源。

● Arduino的典型范例

Arduino編程與其他編程工具最大的區(qū)別在于需要Arduino控制板及一定的硬件支持，編制好的程序首先燒入控制板中，從而實(shí)現(xiàn)感知外圍世界，控制外圍世界，讓虛擬世界與物理世界聯(lián)通，使其具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

例如，光照?qǐng)?bào)警系統(tǒng)，孵化車間對(duì)光線的控制是有要求的，當(dāng)光線適當(dāng)時(shí)可以促進(jìn)孵化進(jìn)程；但當(dāng)光線過強(qiáng)時(shí)不但不利于孵化，還有可能導(dǎo)致孵化徹底失敗。請(qǐng)你為該孵化室設(shè)計(jì)一個(gè)光線報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)光照強(qiáng)度超過一定值，通過報(bào)警燈告知管理員，對(duì)光線進(jìn)行調(diào)整。

選材：要完成任務(wù)的設(shè)計(jì)，首先需要找到感知光線強(qiáng)度的器材，這里我們選擇了光敏三極管，通過它來感知光線強(qiáng)度的變化。

連線：此次實(shí)驗(yàn)的電路略顯復(fù)雜，LED部分比較容易解決，從13號(hào)引腳到地線，中間串接220Ω的保護(hù)電阻，然后就是光敏三極管的部分，光敏三極管有凸起的一邊為發(fā)射極，此端接A0檢測(cè)口，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)10KΩ的分壓電阻到地線以擴(kuò)展光敏三極管的靈敏度（此處電阻越小靈敏度越高）。另一極采用5V輸入。

編程：制作完的光照控制系統(tǒng)，當(dāng)光線值強(qiáng)度的值小于300時(shí)（如下頁圖10，報(bào)警燈滅；當(dāng)光線強(qiáng)度的值超過300時(shí)，報(bào)警燈亮，提示管理員適當(dāng)調(diào)整光照強(qiáng)度。通過傳感器，使得孵化室具備了一定的智能——報(bào)警。這只是其中的一個(gè)小小功能，教師完全可以引導(dǎo)學(xué)生做進(jìn)一步的探究，即作出對(duì)應(yīng)的反應(yīng)：關(guān)閉窗簾、調(diào)整孵化燈亮度。而不再需要管理員來進(jìn)行調(diào)整。從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)行深入探究。隨后即可進(jìn)行調(diào)試。此實(shí)驗(yàn)的部分代碼如下：

*/

int a =300； //此處需是環(huán)境基礎(chǔ)亮度變量，請(qǐng)查看自己的亮度數(shù)值

void setup （）

{

Serial.begin（9600）；

pinMode（13，OUTPUT）；

}

void loop（）

{

int n = analogRead（A0）； //讀取模擬口A0數(shù)值

Serial.println（n）；

if （n>= a ） //對(duì)光線強(qiáng)度進(jìn)行判斷，如果比我們的預(yù)設(shè)值大就點(diǎn)亮LED否則就關(guān)閉

{

digitalWrite（13，HIGH）；

}

else

{

digitalWrite（13，LOW）；

}

}

拓展：現(xiàn)實(shí)生活中，對(duì)于孵化室的要求有很多，如溫度、濕度、光照、氣體等，那么通過本例，我們可拓展利用溫度傳感器、濕度傳感器來實(shí)現(xiàn)孵化指標(biāo)的控制。

將Arduino傳感器等外部設(shè)備引入課程后，使那些具備研究能力的學(xué)生可以自由發(fā)揮自己的想象，使用這些工具將自己的想法在游戲、娛樂、科學(xué)研究中得以實(shí)現(xiàn)。其角色也由之前單一的用戶，向玩家、交互設(shè)計(jì)師、研究者的角度轉(zhuǎn)換。在這個(gè)看似沒有目的、沒有實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生漸漸懂得了自己適合做什么，喜歡做什么，以及完成一項(xiàng)任務(wù)需要找哪些人來合作。

● 如何開發(fā)Arduino課程

相對(duì)于VB、VC等可視化編程軟件來說，Arduino沒有所見即所得的程序設(shè)計(jì)界面。而多出來的卻是簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)，但就是這些基于硬件的電路設(shè)計(jì)，讓程序的功能從虛擬世界跨步進(jìn)入到了現(xiàn)實(shí)世界中，并實(shí)現(xiàn)了兩者的互通。另外，與傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)不同，Arduino的教學(xué)要從簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)開始，而不是從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序語法講授開始。因?yàn)锳rduino編程更注重的是硬件的控制，所以傳統(tǒng)編程類軟件課程設(shè)計(jì)思路，不適合Arduino。

開發(fā)Arduino課程要從以下幾個(gè)方面考慮：①了解電子控制系統(tǒng)的基本組成，認(rèn)識(shí)常見的電子元器件，能看懂相關(guān)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。Arduino的編程是建立在一定硬件基礎(chǔ)之上的，如果對(duì)硬件知識(shí)知之甚少，想完成Arduino作品的設(shè)計(jì)可能是有困難的。②熟悉數(shù)字電路設(shè)計(jì)，Arduino編程是基于硬件設(shè)備正確的電路連接的，如果程序編寫沒有問題，而電路連接錯(cuò)誤，一樣無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。因此，在教學(xué)中對(duì)數(shù)字電路的學(xué)習(xí)可以說是實(shí)現(xiàn)Arduino編程的前提，應(yīng)給予充分重視。③教學(xué)案例的選擇應(yīng)盡量緊密聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活，貼近學(xué)生生活實(shí)際，如聲控?zé)簟囟葓?bào)警裝置等都可作為教學(xué)案例。

目前基礎(chǔ)教育中Arduino的教學(xué)主要以S4A教學(xué)為主，使用Arduino1.0進(jìn)行大班的代碼教學(xué)的情況還比較少見。在基礎(chǔ)教育中，如果開展Arduino的相關(guān)教學(xué)，不妨與我們的通用技術(shù)課程（選修）電子控制技術(shù)結(jié)合起來，這樣既使得Arduino可以走進(jìn)日常教學(xué)的課堂，另外也彌補(bǔ)了通用技術(shù)課程缺少相關(guān)配套實(shí)驗(yàn)的缺憾，從而最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)課堂的大整合。