1.1 Arduino是什么
Arduino是什么？
根据维基百科，Arduino的定义如下：一种开源的单片机控制器，它使用Atmel AVR单片机，采用基于开放源代码的软硬件平台，构建开放源代码simple I/O接口板，并且具有使用类似Java，C语言的Processing/Wiring开发环境。
从维基百科对Arduino的定义中，我们可以知道Arduino不仅是一种基于Atmel AVR单片机的控制器，而且是一个开源系统，包含了硬件（Arduino控制板）、软件（Arduino IDE）以及开源社区。相比于Arduino硬件控制板，Arduino的软件及开源社区是Arduino的精髓所在。
自从2005年被推出以来，随着使用者和爱好者数量不断增加，Arduino控制器得到了快速发展。同时，Arduino设计团队不断推出各式各样、更加强大的Arduino控制器及Arduino扩展板，以满足不同使用者的应用需求。
截止到现在，Arduino开发团队已经推出的Arduino控制器有数十种之多，主要有Uno、Due、Leonardo、Mega 2560、Mega ADK、Micro、Mini、Nano、Ethernet、Esplora、ArduinoBT、Fio、Pro、LilyPad等。
除了Arduino官方设计和生产的Arduino控制器，还有很多Arduino兼容控制器。因为Arduino采用开源协议，任何人或公司均可以利用Arduino公布的文档来生产和销售Arduino控制器，唯一的要求是不能使用Arduino作为商标。
由于Arduino兼容控制器价格较低，受到国内外广大Arduino爱好者的欢迎，这从一定程度上降低了Arduino使用者的门槛和成本，进而让Arduino得到了极大推广。
1.1.1 Arduino控制器系列
由于Uno为标准板，拥有Arduino所有的基本功能，所以使用最为广泛；Mega 2560拥有较多的输入/输出管脚，适用于需要较多管脚的大型项目或实验；Leonardo带有USB接口，适用于需要USB功能的应用；Mega ADK带有USB Host接口，可以连接Android手机；Due是Arduino第一款基于32位ARM Cortex-M3核心的控制板，拥有更快的速度和更大的存储容量。Arduino兼容控制板是Arduino控制板的重要组成部分，助推了Arduino开源硬件的发展，而且价格相对低廉，易于在购物网站购买。
基于以上原因，下面主要介绍Uno、Mega 2560、Leonardo、Mega ADK、Due和兼容控制器。开发者应根据自己的使用需要和项目的需求，选择合适型号的Arduino控制器或兼容控制器。
1.Arduino Uno
Arduino Uno是Arduino USB接口系列的最新型号，也是Arduino控制板使用最广泛的型号。
Uno的处理器核心是ATmega328，它包括14路数字输入/输出接口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB接口，一个电源插座，一个ICSP接口和一个复位按钮。Arduino Uno控制器如图1-1所示。
图1-1 Arduino Uno
2.Arduino Mega2560
Arduino Mega2560也是采用USB接口的核心电路板，最大的特点就是具有多达54路数字输入/输出接口，特别适合需要大量I/O接口的设计。
Mega2560的处理器核心是ATmega2560，同时包含54路数字输入/输出接口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB接口，一个电源插座，一个ICSP接口和一个复位按钮。Arduino Mega2560也兼容为Arduino Uno设计的扩展板。Arduino Mega2560控制器如图1-2所示。
图1-2 Arduino Mega2560
3.Arduino Leonardo
Leonardo是Arduino家族的新成员，最大的特点是集成了USB驱动，可以模拟鼠标或键盘的功能，与Uno有同样的外观和接口，只是将方头USB换成了Micro USB。
Leonardo的处理器核心是ATmega32u4，拥有20路数字输入/输出接口（其中7路可作为PWM输出、12路可用于模拟输入），一个16MHz晶体振荡器，一个Micro USB接口，一个DC接口，一个ICSP接口和一个复位按钮。Arduino Leonardo控制器如图1-3所示。
图1-3 Arduino Leonardo
4.Arduino Mega ADK
Arduino Mega ADK是采用USB接口的核心电路板，它与Mega2560最大的不同就是Mega ADK上多了用来与Android手机连接的一路USB主控制接口。
Mega ADK的处理器核心是ATmega2560，同时具有54路数字输入/输出接口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB接口，一个电源插座，一个ICSP接口和一个复位按钮。Arduino Mega ADK控制器如图1-4所示。
图1-4 Arduino Mega ADK
5.Arduino Due
Arduino Due是第一块基于32位ARM核心的Arduino控制板，以满足需要更快速度和更大存储容量的Arduino控制板的应用需求。
Arduino Due的处理器核心是Atmel SAM3X8E，拥有54路数字输入/输出接口（其中12路可作为PWM输出），12路模拟输入，4路UART接口，一个USB OTG接口，两路DAC（数模转换），一个电源插座，一个JTAG接口，一个复位按键和一个擦写按键。Arduino Due控制器如图1-5所示。
Arduino Due与其他Arduino控制板的区别：1）使用32位ARM核心的处理器，比以往使用8位AVR核心的其他Arduino功能更加强大；2）84MHz的CPU时钟频率；3）96KB的SRAM；4）512KB的Flash；5）内部集成DMA控制器，极大地提高了运算速度。
图1-5 Arduino Due
注意 与其他Arduino有所区别，Arduino Due的工作电压为3.3V，I/O口可承载电压也为3.3V。如果使用过大的电压，比如5V加到一个I/O口，可能会损坏芯片。
6.Arduino兼容控制器
随着Arduino的不断发展，国内也出现了一大批制造Arduino兼容控制器的厂商，这也使得国内的爱好者能够以较为低廉的价格购买到Arduino兼容控制器及配件。而且在制造Arduino兼容控制器的时候，多数厂商也对Arduino原版控制器进行了合理优化和改进。
国内Arduino兼容控制器生产厂商主要有DFRobot、SeeedStudio（深圳矽递）、OpenJumper（成都智能盒子）、OCROBOT（杭州橡木桶科技）。它们生产的Arduino兼容控制器如图1-6～图1-9所示。
图1-6 DFRduino Uno R3
图1-7 Seeeduino V3.0
1.1.2 Arduino Uno控制器
Arduino Uno是Arduino的典型控制器，拥有Arduino所有的基本功能，使用最为广泛，而且本书的应用篇和项目篇都是基于Arduino Uno来设计的，所以接下来重点介绍Arduino Uno的硬件部分，其他型号Arduino控制板硬件介绍可以参考Arduino官方网站：www.arduino.cc。
图1-8 MANGO II（ATmega328P）
图1-9 Zduino Uno R3
截止到本书出版之际，Arduino Uno已经发布到第3版，最新版为Arduino Uno R3，其板载资源分布如图1-10所示。
图1-10 Arduino Uno 控制器
1.控制器
❏处理器：ATmega328
❏工作电压：5V
❏输入电压：（推荐）7～12V
❏输入电压：（范围）6～20V
❏数字I/O接口：14路（其中6路作为PWM输出）
❏模拟输入接口：6路
❏I/O接口直流电流：40mA
❏3.3V接口直流电流：50mA
❏Flash Memory：32KB（ATmega328，其中0.5KB用于Bootloader）
❏SRAM：2KB（ATmega328）
❏EEPROM：1KB（ATmega328）
❏工作时钟：16MHz
2.电源
Arduino Uno可以通过3种方式供电，而且能自动选择供电方式。
❏外部直流电源通过电源插座供电。
❏电池连接电源连接器的GND和VIN引脚。
❏USB接口直接供电。
电源引脚说明：
❏VIN：当外部直流电源接入电源插座时，可以通过VIN向外部供电；也可以通过此引脚向Uno直接供电；VIN有电时将忽略从USB或者其他引脚接入的电源。
❏5V：通过稳压器或USB输出的5V电压，为Uno上的5V芯片供电。
❏3.3V：通过稳压器产生的3.3V电压，最大驱动电流50mA。
❏GND：电源负极。
3.存储器
ATmega328拥有片上32KB Flash，其中0.5KB用于Bootloader，同时还有2KB SRAM和1KB EEPROM。通常情况下，Arduino的存储空间即其主控芯片所集成的存储空间，也可以通过使用外设芯片的方式扩展Arduino的存储空间。
❏Flash：32KB。其中0.5KB分作BOOT区，用于储存引导程序，实现串口下载程序的功能，另外的31.5KB作为用户存储程序的空间，可以满足一般的应用设计。
❏SRAM：2KB。SRAM相当于计算机的内存，在CPU运算时，需要在其中开辟一定的存储空间。当Arduino断电或者复位后，其中的数据都会丢失。
❏EEPROM：1KB。EEPROM全称为电可擦写可编程只读存储器，是一种用户可更改的只读存储器，特点是Arduino断电或者复位后，其中的数据不会丢失。
4.输入/输出
❏14路数字输入/输出接口：工作电压为5V，每一路输出或输入的最大电流为40mA。每一路配置了20～50kΩ的内部上拉电阻（默认不连接）。除此之外，有些引脚有特定的功能，具体说明如下：
❏串口信号RX（0号）和TX（1号）:与内部ATmega16U2USB-to-TTL芯片相连，提供TTL电压水平的串口接收信号。
❏外部中断（2号和3号）：触发中断引脚，可设成上升沿、下降沿或同时触发。
〇脉冲宽度调制PWM（3、5、6、9、10、11）：提供6路8位PWM输出。
〇SPI（10（SS），11（MOSI），12（MISO），13（SCK））：SPI通信接口。
〇LED（13号）：Arduino专门用于测试LED的保留接口，输出为高时点亮LED，反之，输出为低时熄灭LED。
❏6路模拟输入A0～A5：每一路具有10位的分辨率（即输入有1024个不同值），默认输入信号范围为0～5V，可以通过AREF调整输入上限。除此之外，有些引脚有特定功能。
〇TWI接口（SDA A4和SCL A5）：支持通信接口（兼容I2C总线）。
❏AREF：模拟输入信号的参考电压。
❏Reset：信号为低时复位单片机芯片。
5.通信接口
❏串口：ATmega328内置的UART可以通过数字口0（RX）和1（TX）与外部实现串口通信；ATmega16U2可以通过访问数字口0和1实现USB上的虚拟串口。
❏TWI（兼容I2C）接口：A4（SDA）、A5（SCL），可用于TWI通信，兼容I2C通信。
❏SPI接口：10（SS）、11（MOSI）、12（MISO）、13（SCK），可用于SPI通信。