基于AVR单片机的Arduino控制器应用浅析

摘要：本文主要讲述了开源电子原型平台Arduino的特性和应用概况。

关键词：单片机 Arduino 开源硬件 智能控制 物联网

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）02-0004-01

1 概况

Arduino是一款基于AVR单片机的硬件电路和软件开发环境共同开源的控制系统，是交互式编程学习的一种媒介、是为嵌入式开发的学习而研发的一种控制终端。

Arduino和其他AVR系列的单片机开发板相比有以下几点独有的优势：

可交互性：Arduino设计之初就规定了统一的框架结构，电路底层的初始化采取了统一的方法，对于数字信号和模拟信号的I/O系统也进行了统一的规定。而且Arduino支持processing、C、Flash等开发语言。这些特性使得Arduino学习者和使用者在进行电路设计交流时保持了统一的物理底层特性，从而达到易于交流和学习的目标。

安全的易用性：Arduino和外部程序交互的接口是一个标准的USB接口，通过与电脑的USB接口连接，使用Arduino软件开发环境上载编写的程序实现控制硬件动作的目的。Arduino通讯接口的唯一性和开发环境的友好性使得该平台能够安全简单的实现不同的控制目的。

良好的可扩展性：Arduino本身标准的数字和模拟I/O口支持丰富的硬件扩展。Arduino通过连接线能和各种传感器模块、驱动模块和网络模块相连接，在上位机编写的程序控制下能够简单高效的实现各种环境数据的采集和侦测，并能驱动各种小功率声、光、电器件对采集和侦测到的数据进行显示。而且Arduino还能通过网络模块将采集到的数据通过网络接口上载到互联网平台供众多的学习者和开发者使用。

第三方资源丰富：Arduino无论硬件和软件都是开源的，这些特性使得开发者可以完全掌握其底层实现机制，可以自身更改硬件布置和实现功能，甚至通过Arduino官方预留的编程接口开发独有的软件库。在全球众多的Arduino开源社区中，开发者可以轻松的找到能供自己使用的软、硬件信息。

综上所述，正是Arduino的这些特性使得在当今ARM平台大行其道的时候能够在嵌入式平台占有一席之地。而且也正是因为这些特性使得Arduino赢得了“电子的艺术”的美称。许多电子技术领域以外的爱好者凭借自身的想象力创造出了许多杰出的作品。

2 应用层面

在我国Arduino正方兴未艾，越来越多的开发者加入了其行列。目前国内的Arduino开发主要应用在以下几个方面：

嵌入式开发学习：在国内众多的高校和爱好者中Arduino都首先是学习嵌入式入门的工具。利用Arduino实现控制LED的闪烁、LED流水灯、控制蜂鸣器发声、控制八位数码管、控制液晶显示器实现输出、驱动直流电机、舵机等。熟练掌握了Arduino系统后可以为以后学习ARM嵌入式系统打下良好的基础。

交互式设计：通过processing语言和Arduino平台进行互动，设计出具有良好界面的可视化数据系统。在交互式设计中Arduino充当了收集者（Collecter）和执行者（Actor）的功能。物理传感器收集到的数据经过AVR的计算后传送给上位机的显示器，而上位机根据返回的数据控制驱动装置执行相应的动作，实现相应的目的。

电子创意制作领域：在这个领域中Arduino可以充当一种称之为电子积木（Electronic blocks）的功能。开发者将自己设计制作的器件和电路通过信号线和机械结构同Arduino连接在一起构成表达开发者自身创意的电子艺术作品。其中，Arduino作为主控电路负责整个系统的数据处理和信息显示。正是由于Arduino的安全易用性，使许多非电子专业的开发者，能够使用Arduino。例如美术专业的学生也能够利用Arduino进行艺术的原型创作。

业余无线电领域：在业余无线电的电台通联中，开发者利用Arduino配合其他器件构成一个个独特的可编程电子键。或者使用Arduino制作一个业余无线电信号跟踪器用来跟踪信号的实时变化。由于Arduino是开放的，业余无线电爱好者们也会反过来使用业余电台的DTMF编码控制Arduino系统实现各种相应的功能。

小型智能机器人领域：国内很多高校的电子实验室和爱好者们都热衷于制作各种小型的机器人，使用Arduino作为小型机器人的中央处理器（cpu）能够节省设计时间，使得复杂的主控电路变得简单，制作效率大为提高。而且由于Arduino的可扩展性，极大的简化了日后机器人的维护和升级。目前使用Arduino控制器实现的小型智能机器人种类有智能循迹小车、智能并线机器人、仿生N足机器人、二轮自动平衡小车、自动语音提示机器人等。在国内这一领域内Arduino的发展空间还有待于提高。

在物联网中的应用：物联网作为一种新型的信息交换和通讯技术在我国还处于起步阶段。Arduino作为一种能够连接传感器和互联网的控制系统，只需要简单的电路改造就能够实现轻量级的物联网远程控制和监控功能。使用“传感器+Arduino+物联网开放平台服务商”三合一的模式，能够控制监控各种已经连接到物联网中的电气化设备。例如远程控制家庭中的各种电器、远程监控公共场所的大气环境、远程控制加工设备等。Arduino作为一种轻量级的物联网实现方式是大规模的物联网应用的一种低成本补充，能够在特定场合实现独特的功能。

3 结语

总之Arduino作为开源的电子原型制作平台，无论对于学习嵌入式开发的学生还是电子制好者而言都是一种简洁而高效的工具。由于Arduino是一个开源的软、硬件平台，它的版本仍旧在不断的更新完善中。目前应用的主要有三种：Arduino UNO、Arduino Mega 2560、Arduino Nano。随着版本的不断升级、性能的不断提升，Arduino在社会生产中的应用范围会更加广阔。Arduino 诗意化的逻辑互动装置将会走进每个人的生活。

参考文献

[1]Casey Reas & Ben Fry《Getting Started with Processing》 Make 2010-7-2.

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[4]Massimo Banzi.《Getting Started with Arduino》.Make 2011-09-20.

[5]杜洋.《爱上单片机》.人民邮电出版社，2011-10-1.