开源电子Arduino uno简单介绍

1.3 Arduino Uno功能簡介

本書的主角是Arduino Uno，而這是絕大多數Arduino入門者第一塊擁有的控制板，因此有必要對它做多一點的瞭解，這邊要再一次提醒的是，本書採取從做中學的做法，你不用試圖在這邊完整瞭解Arduino Uno控制板，略過這邊對之後的章節並不妨礙，這邊的介紹，只是對Arduino Uno控制板做個整理，以便後續必要時查閱方便。

圖1.11顯示了Arduino Uno幾個重要的元件，並可清楚看出腳位標示。

圖1.11 Arduino Uno控制板元件標示

供電給Arduino Uno

首先要認識，也是最重要的，就是如何提供電源給控制板，Arduino Uno的運作直流電壓為5V，以正確方式提供電源，不只是為了讓控制板正常運作，也為了避免損壞控制板。 
特別注意，接下來的說明是針對Arduino Uno，如果是其他控制板，請詳細閱讀Arduino官方網站上各控制板相關說明。

Arduino Uno可透過三個管道提供電源：USB連接埠、電源輸入插座、Vin腳位。

透過USB連接埠提供給控制板的電源必須是5V的電壓，最基本的方式，就是透過Type B USB連接控制板，而另一頭是Type A USB連接個人電腦，這可以提供5V、500mA的電源給控制板，這也是本書一開始採取的方式，因為電腦要透過USB傳送程式給Arduino。

如果採藍牙連線或其他無線方式來傳送資料給控制板，不用連接個人電腦與控制板的話，那麼可以使用USB電源供應器，像是插頭或者行動電源等，請注意必須是5V的直流電壓，至少2A電流的輸出。

圖1.12 使用USB供電給Arduino Uno

如果要透過電源輸入插座供電，插頭直徑必須是2.1公釐，供應的電壓限制是6V至20V，建議是直流7V至12V，「低於7V的話，5V輸出腳位可能電壓不足，控制板可能運作不正常，高於12V的話，電壓調節模組可能過熱而損壞控制板」。透過電源輸入插座供電時，可以使用電源供應器、9V電池等來供應。

圖1.13 使用電源輸入插座供電給Arduino Uno

在圖1.11中，可看到電源輸入插座旁的直流電壓調節模組，這可以將輸入的直流電壓降為5V以及3.3V，5V除了可供控制板使用之外，也可以透過標示為5V的腳位輸出給其他電子電路元件使用，有些電子電路元件必須在3.3V才能正常運作，這可以透過標示為3.3V的腳位來提供。

透過Vin供電給控制板時，要求與透過電源輸入插座相同，Vin提供的電壓，也是經由直流電壓調節模組調整為5V與3.3V。由於直流電壓調節模組的輸入端連接了電源輸入插座供電與Vin，因此，如果你透過電源輸入插座供電，Vin也會量得與電源輸入插座相同的電壓，因此，當有兩塊Arduino控制板需要電源時，可將接有過電源輸入插座的控制板上Vin，連接至另一塊控制板的Vin。

在〈Arduino Uno〉官方說明文件中提到，直接將5V電源接至控制板上5V腳位來提供電源，雖然是可行的，不過這種方式沒有經過電壓調節，可能會損壞控制板，因此並不建議！

控制板上有個標示為ON的LED，用來指示電源供應狀況，如果在已提供電源的情況下，發現標示為ON的LED閃爍、黯淡或熄滅，應儘快拔除電源，檢查電源供應是否正常，以避免損壞控制板。 
Arduino Uno控制板上有三個GND腳位，可作為電路上的電壓基準，應避免將5V、3.3V、Vin或其他輸出腳位直接連接GND，以免造成短路，嚴重時會損壞控制板。

數位輸出、輸入腳位

顧名思義，這些腳位可輸出高電位5V與低電位0V的數位訊號，也可接受數位訊號，腳位編號為0到13，不過通常會寫為D0到D13表示為數位腳位（D代表Digital）。圖1.11中可以看到，D3、D5、D6、D9、D10、D11的數字編號旁，還有個波浪符號（~），這表示這些腳位可以用數位訊號來模擬出類比訊號，使用的方式是PWM（Pulse Width Modulation），PWM在之後的實作中會再加以說明。

要注意的是D0與D1這兩個數位腳位，分別被標示了RX（Receiver）、TX（Transmitter），這兩個腳位用於序列埠傳送，且與USB序列埠連接，因此電腦若使用USB與控制板互傳資料時（可見到控制板上標示為RX、TX的LED閃爍），應避免使用D0、D1兩個腳位。

D13腳位連接著控制板上標示為L的LED，若是原廠控制板，預設會燒錄一個令D13定時切換高低電位的Blink程式，因此，首次接上電源時，會看到標示為L的LED不斷閃爍，這是初步檢視控制板是否功能正常的方式。

類比輸入腳位

圖1.11右下角有A0至A5六個腳位，可用來接受類比電壓輸入，但不能輸出類比電壓，如前所述，類比電壓必須透過數位腳位D3、D5、D6、D9、D10、D11，以PWM模擬。

控制板上ATmega328內建類比數位轉換器（Analog-to-digital converter，簡稱ADC），預設會將0V到5V轉換為0至1023的數值。對於輸出電壓為其他範圍的電路模組，可以透過AREF與analogReference函式，來提供參考電壓，例如對於輸出為0V到3.3V的電路模組，可以將0V至3.3V對應至0至1023的數值，獲得更高的解析度。

實際上，A0至A5也可作為數位輸出、輸入腳位使用，此時A0至A5分別可視為D14至D19。

重置鈕與RESET

控制板左上方有個重置鈕，按下重置鈕會使得控制板重新執行使用者燒錄之程式，控制板下方有個RESET腳位，當它處於低電位時，也會有相同的重置效果。

其他腳位與元件

控制板右方有個顯而易見的晶片，那就是控制板的大腦ATmega328，採雙列直插封裝（Dual in-line package），又稱DIP封裝，市面上有單獨銷售ATmega328，如果控制板上的ATmega328損壞，可以使用小的一字起子或尖嘴鉗將之撬起，用新的ATmega328取代。

ATmega328右上方有個2x3線上燒錄用的ICSP（In-Circuit Serial Programming）腳位，可連接ISP線上燒錄器（In-system programmer），對ATmega328進行程式燒錄，其中幾個腳位與D11、D12、D13連接在一起。

圖1.14 ATmega328與ICSP

Arduino Uno本身也可以當作線上燒錄器，用來燒錄另一台Arduino控制板上的晶片，有興趣的話，可以參考Arduino官方網站上的〈Using an Arduino as an AVR ISP〉。

控制板左上也可看到控制USB的ATmega16U2，預設燒錄了USB轉序列埠的韌體，你也可以透過鄰近的ICSP腳位來燒錄新的程式，例如，令其成為USB鍵盤等設備，有興趣的話，可以參考Arduino官方網站上的〈Updating the Atmega8U2 and 16U2 on an Uno or Mega2560 using DFU〉。

控制板左上方有SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）兩個腳位，這是用來連接支援I2C（Inter IC）協定的設備，此協定只採用兩條接線，可在感測器與控制板如Arduino之間傳遞資訊，SCL與SDA也分別與類比腳位A5與A4連接，方便接線之用。

D10、D11、D12、D13是作為SPI（Serial Peripheral Interface）協定的介面，SPI使用四條線連接控制板與支援之設備。Arduino同時支援I2C與SPI兩種協定，在一些介紹到使用I2C或SPI設備的Arduino書籍中，都會有相關的說明。

Arduino Uno有兩個可設定中斷（Interrupt）處理的腳位，中斷0與中斷1分別為D2與D3，可使用attachInterrupt函式來設定中斷服務常式（Interrupt Service Routine）。 
控制板左下有個IOREF腳位，這可讓其他設備知道Arduino控制板的運作電壓，其左邊有個腳位目前（Arduino Uno R3）沒有任何作用。

1.4結語

如果能夠看到這個〈結語〉，表示你真的耐心地看完這個章節，這是個對Arduino的概要介紹，雖然這本書不會用到前面介紹到的所有元件，不過，瞭解這些，對於日後更進一步瞭解與運用Arduino時會有所幫助，這是我為何將這些介紹，以及一些網路文件的參考鏈結，放在第一個章節的原因，這是為了方便你日後查閱。

接下來就要進入實際操作了，首先當然是安裝mBlock，並初步瞭解到如何在mBlock中進行程式設計，感受一下視覺化程式語言的方便性，以及一些使用視覺化程式語言時該注意的事項。