数字制造讲义02-Arduino入门

在这个学期，我们会学习数字制造中主要的环节和技术，包括 Build 和 Code 两部分。

上半学期我们主要学习 Code 部分，它赋予物品「灵魂」，让一件物品能完成我们期望的功能和互动。

怎样让物品拥有一定的「智力」呢？

给它加上芯片嘛。

可是芯片、电路、元件、硬件啊，都涉及到很专业的知识，对一般人来说门槛太高了。所以今天我们来介绍通往硬件世界的捷径——Arduino。

Arduino创始人TED演讲：开启开源想象力

Arduino 的初衷，是为了让没有电子相关专业背景的人，能够在很短的时间内上手。这个小小的板子，撬开了很多人的想象力，让动手做东西的门槛降低，让无数好玩的想法得以试验和实现。

为什么要用 Arduino？

它可以帮助我们用很小的成本，快速地搭建智能物件的原型。也就是

Prototype & Digitize for the Real World

很多时候，我们有一个想法，比如：有一个自动给花浇水的装置。「自动」意味着我们会设定一些规则，在某些条件下自动触发浇花这个动作。要实现自动，就会需要一个类似电脑一样的带有一定「理解能力」的执行者。如果每一个想法，都需要一台电脑来实现，那我们早就破产了。

这时候只需要一个电脑的极度简化版本——一般叫做单片机（Microcontrollers）。它是一种集成电路芯片，把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上，构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

单片机的大小确实可以只有薄薄的一片，方便我们放置到各种各样的物体内部，赋予它计算的能力。

Arduino 就是一种单片机。

类似的工具还有树莓派（不算单片机了，是基于 Linux 的低配电脑）等等，它比 Arduino 要强大，因为芯片不止 8 位，可以运行操作系统。

模拟信号和数字信号

当我们想要对实体环境施加影响，经常需要将模拟信号转化为数字信号——因为我们能操纵数字信号（编程就是一种强大的操纵），但是不能任意改变模拟信号。

那么什么是模拟信号和数字信号呢？

简单来说，模拟信号在时间上和取值上都是连续不间断的（可无限微分）。自然界常见的信号都是模拟信号，比如温度、声音等等。而数字信号在时间上和取值上，不完全连续，存在很多「档位」，档位越多，意味着信号的分辨率越高。

更详细的讲解，我们可以看看下面这个视频：

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?width=500&height=375&auto=0&vid=z06602duiv9

什么是模拟信号？数字信号？

Arduino 的主要作用之一，就是帮助我们实现模数转换，完成对物理世界数据的采集，以及处理信号后反馈到物理世界中。

Arduino 开发板

Arduino 有许多不同型号、功能各异的开发板。

其中一些体积更小，或是芯片的能力更强，又或者搭载了 wifi 或蓝牙模块。这样我们可以根据自己项目的需要，使用不同的板子。每一块板子的具体信息，可以在官网上查看。

Arduino 的开发板，本质上都是单片机应用开发板，使用的芯片大都是 AVR 芯片。开发板封装和简化了最常用的软硬件模块。硬件的封装，主要是提供基本的芯片、数字信号端口、模拟信号端口、电源和其他一些接口。软件的封装则主要提供了简单的函数和应用库，不用直接去操作寄存器，使得没有太多单片机基础的人也可以使用。

用 Arduino 搭建简易电路

电路是什么玩意儿？

作为一种路，它其实跟公路、地铁线路有点类似，只不过它运送的不是车辆和人，而是电荷。人和车会选择最短路径或者换乘最少的路线，电荷也会沿着阻碍最小的路径移动。

在最简单的电路中，有三个必不可少的部分：电源、中间环节、负载。

负载是指将电能转化为其他形式能量的部分，例如灯泡、电机等。电路的使命，是为了让负载能够正常工作。

（雾）

下面就是一个最简单的电路，电流从电源正极流经 LED，返回到电源负极。

上图右侧是一块面包板，它的作用是提供电路连接，帮助我们快速搭建电路。

在面包板中，Terminal Strips 都是连通的，而两侧的 Power Rails 也是连通的。

关于电路板的使用，可以看看这个讲解得很仔细的视频：https://www.youtube.com/watch?v=6WReFkfrUIk （备好梯子）

Arduino 提供了电源和接地的端口，这样我们可以快速连成一个完整的电路：

Arduino 编程环境

Arduino 开发板是硬件部分。接下来我们了解软件部分。从 Arduino 官网下载 Arduino 软件并安装，打开后就看到 Arduino 的编程环境。

现在不但可以在软件中编程，还可以访问在线编程工具：https://create.arduino.cc/

具体的界面功能就不详细介绍了。

同学们最开始上传程序到板子时容易遇到一个错误，大都是因为没有选择传输端口导致的。需要在 Tools 菜单中选择对应的端口再上传。如果使用 USB 连接板子和电脑，就选择包含 USB 的端口。

下节课我们介绍一些电路基本知识。C U

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