Arduino快速上手指南

本書有三個部分：〈著手使用Arduino〉、〈8個Arduino專題〉與〈附錄〉。在第一個部分，您會學到第二部分專題所需要的一切基本知識，所以在開始練習之前請先閱讀第一部分。第二部分的專題是彼此相關的，程式碼、零件都可能通用。

每一章的開始都會列出完成該章提到之專案所需要的零件與工具，也有許多照片與圖片展示這些零件如何組裝。而側欄中則收錄了現實世界中有人做過的Arduino專題，相信您會從中得到許多靈感。

然而天有不測之風雲，因此當有線路接錯需要檢查時，這就成了一件苦差事。所以每一章最後都有〈萬一無法成功運作〉這一節，裡面會有許多常見問題說明與排解方式。

在閱讀〈萬一無法成功運作〉之前，請嘗試自行解決問題，因為對學習而言，那會是更有效的方式，不論在任何時候，疑難排解都是重要的學習。而每章的最後，也提供了許多練習題讓您來嘗試。

本書中的所有專題都在Arduino Uno、ArduinoDuemilanove上測試過，使用的是Arduino IDE 0018到0021版，但如果可以的話，請盡量使用最新的版本。

本書特色

您準備要發明什麼了呢？

Arduino平臺是切入嵌入式系統很好的出發點，而本書就是您的指路地圖。從入門基礎到複雜的感測器，甚至遊戲控制器等等，書中提供的範例發人深省，讓人有無限創意。除了知識傳授之外，更能引起讀者著手去作專題的慾望，對軟體工程師來說是極佳的入門教材。

本書有多種有趣而實用的Arduino專題，您在幾分鐘之內就可開始親手製作一些小玩意，只要一步一步跟著書中的指令與照片，即使沒有電子學相關經驗也可以直接開始！

您將學到如何使用三軸加速度計來製作動作感測遊戲手把，將Arduino連上網路並設計客戶伺服端應用程式，以及使用Arduino加上少許便宜零件就能完成的萬用遙控器。除此之外，您還能自製防盜警報器，只要有人在客廳中移動，就會自動傳送電子郵件給您，還有能在專題中整合任天堂Wii NunChuk搖桿、二進位骰子、焊接技術等等更多內容。

書中還會談到現實中許多有趣的Arduino應用專題，每章末段的練習題則幫助您靈活運用所學。而〈萬一無法成功運作〉小節，則能幫您解決一些常見的問題。

梅克．施密特 Maik Schmidt

擔任軟體開發人員超過15年以上，為中型企業建立過許多複雜的解決方案。除了日常工作之外，還替電腦科學雜誌撰寫書評及文章，並為開源軟體編寫程式碼。在業餘時間，喜愛閱讀、寫部落格以及潛水。著有《Enterprise Recipes with Ruby and Rails》與《Enterprise Integration with Ruby》等書。

致謝
序
所需材料

Ⅰ　著手使用Arduino
1 歡迎來到Arduino的世界
2　深入Arduino內部

Ⅱ 八個Arduino專題
3　二進位骰子
4　建立摩斯電碼產生器函式庫
5　感測我們周遭的世界
6 建立動作感測遊戲控制器
7　改造Wii Nunchuk
8　與網路連結
9　萬用遙控器
10 用Arduino控制馬達

Ⅲ 附錄
附錄A 電子學入門
附錄B 進階Arduino程式撰寫
附錄C 進階序列程式設計
附錄D 參考書目

歡迎來到Arduino的世界

Arduino原本是為了設計師與藝術家而開發的——這些人並不是什麼程式設計專家，但他們即使沒有程式開發的相關經驗，也能夠用Arduino創造複雜的概念原型和互動藝術作品。所以，Arduino要上手這件事對於一般人來說是非常簡單，更不用說那些具有科技背景的人。

然而，將基礎打穩非常重要，您得對Adruino開發板、它的開發環境、序列通訊等，有所了解之後，才能充分運用這項產品。

在開始之前，需要先了解一個重要概念，也就是實體運算。如果您之前使用過電腦，或許會覺得納悶，畢竟電腦本身就是實體物件，也需要依靠滑鼠、鍵盤等實體物件來輸入訊號，而輸出的聲音與影像也是透過實體的喇叭與顯示器來進行，那是否可以說所有的運算都是實體運算呢？

原則上，一般運算是實體運算的一部分：鍵盤與滑鼠是真實世界輸入資料的感測器。但要用一般電腦來控制感測器與驅動器非常困難，如果使用Arduino開發板，控制複雜甚至某些詭異的裝置就變得簡單許多。這些方法您都會在本書其他章節裡學習到。而在這一章裡，您開始會接觸實體運算，學習如何控制Arduino、所需工具、安裝程式與組裝硬體的方法等等。接下來很快地便會進入有趣的部分：開始您Arduino程式的處女作。

材料
● Arduino開發板1塊，像是Uno、Duemilanove或Diecimila等。
● 連接Arduino與電腦的USB纜線1條。
● LED燈1顆。
● Arduino IDE，由於每一章都會用到，之後不再贅述。

到底什麼是Arduino開發板？
剛開始接觸Arduino企劃的入門玩家常會覺得納悶，當他們在尋找Arduino開發板時，會聽到或是看到像是Uno、Duemilanove、Diecimila、LilyPad、Seeduino等等奇怪的名字，奇怪的是，好像沒有一個東西名子就叫做Arduino。

幾年前Arduino開發團隊設計出一個微處理器電路板，並以開放原始碼的理念免費授權任何人生產電路板的複製品。您可以在一些電子商店中購買組裝好的電路板，但許多電子玩家會從網路上下載它的電路圖後自行組裝。

在往後的幾年裡，Arduino團隊不斷改進開發板的設計，並發表了一些新的版本，這些新的板子通常都是以義大利文命名，例如：Uno、Duemilanove、Diecimila等。您可以在網路上找到Arduino一系列版本的列表，這是Arduino團隊在網路上建立並持續更新的。

而Arduino團隊不僅持續改進硬體設計，同時也發明了一些特殊用途的裝置。舉例來說，他們創造了Arduino LilyPad，這是一款把微處理器電路板嵌入織品中，可以用來製作互動型T-shirts。

除了這些官方格式的Arduino開發板之外，網路上也可以找到許多複製品，因為Arduino允許自由開發與改造，許多人擁有自己版本的Arduino相容電路板，比如說Freeduino、Seeduino、Boarduino，還有了不起的Paperduino，這個Paperduino的所有零件不是附著在印刷電路板上，而是附著在普通的紙上。

Arduino是一個註冊商標，也就是說只有官方出版的電路板才能稱作為「Arduino」，而複製品則常常在名子的尾端加上「duino」。您可以放心地使用所有的Arduino複製品，它們與官方版的Arduino毫無差別，都可以用來完成本書內容所提到的企劃。

探索Arduino開發板
首先是USB接頭，通常我們使用USB連接線來連接Arduino與電腦，因此它有以下幾種功能：
● 將新軟體上傳至開發板。
● Arduino與電腦間的溝通。
● 提供Arduino開發板所需電源。
● 請注意較舊版的Arduino（像是Arduino-NG和Diecimila）不會自動切換外接電源與USB電源模式，您會需要手動將標有PWR_SEL的電源跨接器設為EXT（外接）或USB模式。

現在您知道如何供應Arduino電源了。Arduino並不貪心，它會將電源與其他裝置分享，有一排與電源供應相關的插槽（也可以稱為針腳，因為這些針腳會從內部與微控制器的針腳連接）：
● 使用標有3.3 V 與5V的針腳，就可以為外接裝置提供與連接針腳相同電壓的電源。
● 標有GND接地的針腳有兩根，這可以使外接裝置與Arduino共同接地。
● 有些企劃是設計成可攜式的，因此必須要使用像電池這類的可攜式電源。您可以將電池匣這樣的外部電源連接到Vin和GND針腳。

如果您使用AC變壓器與Arduino的電源接頭連接，就可以透過針腳提供該變壓器所標示的伏特數電源了。
在電路板的右下角，可以看到六根類比輸入針腳，編號從A0到A5，您可以用來連接類比訊號感測器。它們會將得到的資料轉換成0到1023之間的數字。第五章〈感測周遭的世界〉當中，就會使用這些針腳與溫度感測器連接。

而電路板上方有14個數位I/O針腳，編號從D0到D13，這些針腳可以依需求調整為數位輸入或輸出用，您可以用它來讀取按鈕的資料，或是開關LED等等。
其中，D3、D5、D6、D9、D10與D11這六個針腳也可以做為類比輸出針腳，在這個模式中，它們可以將0到255的數值轉換成類比電壓。

安裝Arduino IDE
為了讓使用者更容易上手，Arduino團隊開發出一個操作簡單的「整合開發環境」（IDE，integrated development environment)，它在許多作業系統中都可以使用。而在您開始第一個企劃之前，必須先安裝IDE。

認識Arduino IDE
如果您曾經用過像是Eclipse、Xcode或Microsoft Visual Studio這類型的專業開發環境的話，最好不要期待太高，因為Arduino與之相較下單純多了，基本上它就只有編輯器、編譯功能、上傳功能與序列顯示器。
它並沒有像是除錯、自動結尾這樣的進階功能，只能更改一些偏好設定。和Java一樣，它無法完全使Mac作業系統的桌面整合，但還是可以使用，而且專案管理的支援還算不錯。

我們可以看到一些常用功能的快捷鍵：
● 驗證（Verify）：用來編譯目前編輯器中的程式。就某方面來說，「驗證」並不是很精確的名稱，因為按下這個按鈕不只會驗證程式碼的語法的正確與否，也同時將程式碼編譯成Arduino讀得懂的語言。
● 開新檔案（New）：按下這個按鈕後，編輯器內的既有程式碼會被清除，並開啟一個新的編輯頁面，但清除之前，IDE會詢問是否要儲存變更。
● 開啟舊檔（Open）： 用來打開檔案系統裡現有的檔案。
● 儲存（Save）：儲存目前的程式。
● 上傳程式（Upload）：按下上傳按鈕時，IDE會編譯現在的程式，並且上傳到IDE的「工具」>「序列埠」選單中您所選的序列埠中。
● 序列顯示器（Serial Monitor）：Arduino可透過序列通訊與電腦溝通，按下此按鈕之後會啟動一個序列顯示器視窗，從裡面可以看到電腦與Arduino之間資料傳輸來回的內容。
● 停止（Stop）：終止序列顯示器。
雖然IDE使用並不困難，但仍然有可能碰到一些需要查找文件的問題，遇到這種情況時，請打開「說明（Help）」選單。它裡面包含有許多Arduino網站上的有用資源，除了提供快速解決方案外，同時也有許多參考材料與教學等。

為了要對Arduino IDE許多重要的功能能更加熟悉，我們要進行一個使發光二極體（LED）閃爍的計劃，LED價格低廉、發光效率良好，Arduino開發板上已經內建了幾顆LED，其中一個顯示Arduino現在是否有接電，另外兩個LED則顯示當下有否透過序列通訊傳輸或接收資料。