零经验玩转微控制器
以Duino Display为起点，开启微控制器编程之旅
作者：Roger Shipley，呼号KA9NAH
翻译：LifeWieller
本文已发表于《电子制作》2015年5月刊
最近我打算为我的卫星地面站升级电脑控制功能。这套地面站已经有30年历史。摆在我面前的有两种选择：一种是使用市面上常见的PIC微控制器自己编写程序（但是相关资料很少），另一种是购买Parallax Basic Stamp控制卡。对于一台使用电子管的地面站，新型集成电路控制器总是显得不那么协调。
就在我研究实现方法的时候，我偶然看到一本杂志介绍入门级机器人的文章，其中的机器人使用Arduino作为控制器。出于好奇，我到Arduino网站上查找资料。很快，我便发现对于像我这种以前没有自己写过微控制器程序的人来说，Arduino绝对是入门的最好选择。[www.arduino.cc]
Arduino介绍
相比其他的微控制器，Arduino有几个明显的优点。第一，Arduino网站不但提供了入门所需的所有资料，而且软硬件方面的问题都可以到论坛上寻求帮助。第二，相比PIC微控制器和较为昂贵的Basic Stamp，Arduino便宜而且看起来简单。
Arduino板子带有USB插座，只需要在电脑上安装好驱动，下载集成开发环境（IDE）即可开始写程序。板子依靠USB供电，因此至少在写程序时候无须外接电源。事实上，我在拿到板子之后只用了不到5分钟就开始写程序了。坦率的说，PIC微控制器已经变得比我刚了解到它的时候容易使用了，但还是不如Arduino方便。
Arduino和其开发环境都支持Mac，PC和Linux，并且Arduino软硬件都是开源的，也就是说，你可以获得所有相关的文件，如原理图，电路板设计图，源代码等。你可以在Arduino基础上进行改造，甚至出售改造后的产品——只要不在产品名称中使用Arduino字样。
很多商家都有Arduino及仿制品出售，包括RadioShack，价格不贵。一块原版Arduino UNO R3板子价格约22美元，仿制品更便宜。
UNO有14个数字输入/输出引脚和6个模拟输入/输出引脚，板子上带有模拟/数字转换器（ADC，见图1）。每个引脚可以承受40mA电流。板子上有一个电源插座和5V稳压器，可以通过外接电源为Arduino和其他部分供电。模拟输入/输出引脚也可以作为数字输入/输出引脚使用，所有引脚可以通过微控制器软件切换输入/输出模式，这一点为电路设计提供了很大便利。
其他版本的板子有更多的输入/输出引脚，这些引脚通过标准0.1英寸排座连接，可以通过杜邦线连接到面包板上，无须焊接。UNO板子上有两个数字引脚和USB插座连接。如果你在编程之后仍需要将Arduino控制板和电脑连接，那么不要将这两个引脚用作其他用途。
和Arduino对话
UNO微控制器有32kB程序存储空间，其中0.5kB被bootloader占用——用来运行你编写的程序的程序。微控制器工作频率为16MHz。对微控制器编程可通过Arduino IDE，一个用Java语言编写的程序完成。当程序编写完成之后，Arduino IDE会检查你编写的程序有没有错误（但是并不会自动更正），然后将程序编译为微控制器可运行的代码，并下载到板子上的ATmega328芯片中。Arduino IDE附带的串口监视器可以显示微控制器传回的信息，帮助你调试程序。
编写Arduino程序使用的语言和IDE基于Processing和Wiring。这是两个为鼓励学生、艺术家和设计师学习电脑程序开发编写的开源软件。[processing.org; wiring.org.co]。Processing以视觉效果作为设计导向（软件的图形和动画效果很好），可以在苹果电脑，Windows和Linux下运行。另外Processing还能够生成.exe可执行文件。学会编写Arduino程序，你就几乎能够编写在电脑上运行的程序。
因为Processing是为艺术家和设计师编写的软件，软件中有些有趣的词汇。程序在Processing软件中称为速写（Sketch）（Processing自身为软件的速写本（Sketchbook））。如果你熟悉Java或C语言，为Arduino编写程序会是一件很简单的事情。如果不是，可以从Arduino参考网页开始。[arduino.cc/en/Reference/HomePage]
—检查函数库
在浏览参考网页时你可能会注意到网站上提供的各种函数库，这些函数库使得编程更加简单。函数库本质上是由别人写的，用来简化编程的一段代码。例如，读出某种传感器检测到的数值并在LCD上显示需要很多行程序。使用函数库之后只需要在你的程序中加上一行包含函数库的代码，IDE就会帮你完成这些程序。你可以使用几行简单的命令设定光标位置，在屏幕上显示想要的内容。我的演示程序， Duino Display就使用了Arduino IDE自带的LCD函数库在屏幕第一行显示呼号，在第二行滚动显示提醒。
—学会编程
不管是使用Arduino还是其他微控制器，你都需要学会编程，否则就只能使用别人写好的程序。好在编程并不是很难学，并且由于Arduino的流行，网上有很多相关信息可供参考。
你可以以Duino Display为起点，花费不多的精力学会微控制器编程，并且可以将Duino Display作为努力成果的证明。这个小制作使用类似面包板的安装方法，你可以将其中的Arduino和LCD模块取下用在别的制作上，或者完全抛弃外壳，只在面包板上连接电路，在学会编程之后继续进行自己的制作。
—编程前的准备
当你订购Arduino和LCD显示模块之后，可以先从Arduino下载页面下载IDE和驱动，完成软件安装。[arduino.cc/en/Main/Software]。在硬件还没有送到之前，你可以打开IDE，点击FILES->EXAMPLES，打开其中的示例程序，学习程序写法。很快你就会对编程语言有个初步认识。与此同时你可以打开Arduino参考网页[arduino.cc/en/Reference/HomePage]，查找你看到的命令，你会看到很多相关教程。特别注意“for loops”相关信息，在下面Duino Display程序中会用到多次
—不懂就问
如果你遇到问题，可以买或借一本关于Arduino编程方面的书。现在有很多相关书籍可供参考。[Ham Radio for Arduino and PICAXE，作者L. Klotz，呼号WA5ZNU，可从当地ARRL经销商或ARRL书店购买，ARRL编号：3244，电话：860-594-0355，美国国内免费电话：888-277-5289，网址：www.arrl.org/shop/，邮箱：[email protected]]。如果还是有疑问，可以到相关论坛提问。
开始动手制作
在你收到硬件之后，真正有趣的部分便开始了。不管最终你打算怎样安装Duino Display，我建议你先使用面包板搭建电路练习一次，这样你可以练习IDE里带的例程，对你学习编程很有帮助。
LCD显示屏附带有排针（可能是排座），一个10K可变电阻和一个二极管。将排针焊到显示屏上，然后插到面包板上，如图2所示。将二极管和10K可变电阻插到面包板上，并按图3将它们用22号单股导线连起来，电路便连接完成了。如果你想练习其他例程，面包板上还有空间可以使用。
如果你想增加可靠性，可以将面包板和Arduino板子固定到木板上去。否则建议在Arduino板子下面垫一张纸板以防止短路。使用USB A型转B型电缆将Arduino板子连接到电脑。
—赋予Arduino生命
打开Arduino IDE，选择正确的板子（TOOLS->BOARD->UNO）。上电后，Arduino上的LED（在数字引脚13旁边，见图1）就会开始闪烁。这是因为Arduino已经被预先写入了一个程序Blink，这个程序用来测试板子是否正常工作。你可以从FILE菜单打开这个程序（FILE->EXAMPLES->BASICS->BLINK），将程序中的delay(1000);改成delay(2000);，然后点击IDE窗口左上方的右箭头图标，将程序下载到板子中，观察LED闪烁速度。你会发现LED闪烁速度减慢到原来的一半，这是因为上面对程序的修改将LED开关之间的间隔由1000ms改为2000ms。
现在你已经开始学习编程了。打开一个新的IDE窗口（FILE->NEW），将Duino Display程序输入或复制到窗口中（可从QST in Depth网站下载，网址是www.arrl.org/qst-in-depth），并下载到Arduino板子上。如果你选择手工输入程序，可以忽略程序注释（每行“//”符号后面的所有文字），但确保其他部分正确，并且需要保留“//”符号后面的SERIAL命令。所有的分号和括号都是程序的一部分，如果缺少，程序会编译错误。程序注释解释程序每一行的作用，尽量保留程序注释，这对理解程序作用有帮助。如果看不清显示的字符，可以调节10K可变电阻改变显示对比度。你应该能够看到LCD显示屏第一行显示我的呼号，第二行从右向左滚动显示程序附带的一条信息。如果没有看到，或者程序未能成功下载到Arduino板子上，仔细检查程序是否正确。记得随时保存程序（FILE->SAVE AS）。
—添加你的信息
在程序开头找到字符串“my-Call”的声明，将呼号替换为你自己的呼号，注意不要删掉引号，重新下载程序。现在屏幕第一行应该显示你的呼号。
字符串本质上就是一组ASCII字符。尝试将程序附带的信息改为你想显示的信息，注意注释中的说明。你也可以添加信息，并修改变量NUMBEROFMESSAGES为你添加信息的数量。在对程序做任何修改之后需要保存并下载到Arduino板子中才能看到现象。
有几种方法可以让HD44780控制芯片的LCD显示屏滚动显示文字。在LCD控制器内部有80个字符存储区，但只有2行每行16个字符能够显示出来。
—滚动显示信息
关于HD44780内部字符存储区的详细说明可在网上找到。[web.alfredstate.edu/weimandn/lcd/lcd_addressing/lcd_addressing_index.html]。向控制器不能显示出来的字符存储区写入内容可能有些难以理解，所以Duino Display的程序只用到了能够被显示出来的32个字符存储区。
Duino Display程序通过一系列for loops循环和子字符串（substrings）选择将要显示的字符，然后将字符写入字符存储区。所有用到的字符串命令都可以从IDE的示例程序中找到（FILE->EXAMPLES->STRINGS）。你可以逐个将示例程序下载到Arduino中，了解不同命令的使用方法。这些命令最开始看起来可能难以理解，但多看一些程序，很快你就能理解命令的含义。
—理解程序功能
通过实验你可以更好的理解程序是如何工作的。在IDE中打开Duino Display程序，删除以Serial开头的程序前面的注释符号，将程序用新名字保存，下载到Arduino板子中，然后打开串口监视器（TOOLS->SERIAL->MONITOR）。你可以看到在LCD显示屏中滚动显示的字符一行一行的出现在串口监视器窗口中。
回头看程序中的printit1()子函数，这个函数的功能是每次在显示区域的右端增加一个字符，直到显示区域被字符填满（16个字符）。Printit2()函数的功能是建立一个子字符串（16个字符），然后每半秒删掉最左端的一个字符，在最右端增加一个字符，然后在显示屏上显示。在串口监视器上看起来就是不断变化的字符串，在LCD上的显示效果就是字符串在滚动。Printit3()函数每次删掉最左端的一个字符，然后在最右端添加一个空格，直到显示区域变为空白。然后程序从头开始循环，显示下一条信息。当最后一条信息显示完后会从第一条信息开始循环。
为Duino Display加上外壳
对于这个小制作，有很多材料都可以用来制作它的外壳。我使用Altoids薄荷糖铁盒为它制作外壳。Arduino板子在一个盒子里，显示屏在另外一个盒子里，两个盒子通过可拆卸的方式连接，以便显示屏和Arduino板子可以拆下用在别的制作上。
将LCD显示屏从面包板上取下，测量前面板金属框的尺寸，然后在铁盒顶部中心做好标记。我的显示屏尺寸是15/16 x 2 3/4（15/16*2 3/4）英寸（见图4）。在铁盒上开方形孔最好的办法是使用手持砂轮切割机。如果要使用这种方法，一定要带护目镜，注意安全。细心操作，尽量保证开孔边缘平整。如果需要修整边缘或扩大开孔，可使用三角锉。
铁盒开孔之后，将LCD从背面放进开孔中，用小钉子或锥子标记固定孔位置，使用7/64英寸钻头钻孔，然后用#4-40螺丝固定。如果固定孔不够光滑，可以用锉刀或150目砂纸打磨。
在两个盒子的导线出口我用内径5/16英寸外径7/16英寸的乙烯护套保护导线。护套开口大小要根据你能找到的护套大小确定。在钻孔时我首先使用1/8英寸钻头钻一个定位孔，然后用阶梯钻头钻孔。如果你找不到阶梯钻头也可以用普通钻头，但记得首先钻一个小定位孔，然后使用稍微大一点的钻头钻孔，直到孔大小合适。较大直径的钻头容易卡在薄金属片中，因此钻孔时在背面垫一块木头，并将盒子固定好，以确保安全。
Arduino板子安装在另外一个Altoids盒子里。我用从本地五金店买的1/8英寸厚的尼龙垫圈将板子垫起，和盒底保持一定距离以防止短路。如果你用的是一样的盒子，可以按照图4的尺寸开孔，如果不是，利用你手头能找到的绝缘材料垫在盒底，然后将板子接口贴紧盒子一边，在盒子内部标记USB和电源插座开孔位置，然后使用角尺在盒子外部也做上标记。
用砂轮切割机沿标记开孔。因为USB插座尺寸较大，盒盖和盒子都需要开孔才能露出。对于电源插座，我同样开方形孔，因为在盒子边缘开方形孔比钻孔方便。电源插座伸出板子边缘较短，因此开孔之后不会露出盒子。同样电源插座开孔也需要在盒盖和盒子上开孔。
这些都完成以后，将垫圈放在盒子底部，将Arduino板子放进盒子，移动板子的位置使USB插座伸出，然后根据Arduino板子固定孔位置在盒子底部做标记并钻四个7/64英寸孔。最后，按照图5所示，在盒盖上钻孔并安装导线护套。如果你使用螺丝固定支架，找好位置，然后按同样方法钻孔。
我使用一片1/4英寸宽的黄铜片连接LCD盒子和Arduino盒子。截下来2英寸长的一段，在中间将它掰弯成约75度角，然后在两端钻直径7/64英寸的孔（见图5）。你也可以用其他方式固定两个盒子，首先选好支架，在支架上钻孔，然后根据支架的位置在盒子上钻孔。
钻孔和开孔完成之后，你可以将盒子涂成你喜欢的颜色。我将盒子涂成了和我电台柜类似的灰色。等油漆干了，使用#4-40螺丝和尼龙垫片将显示屏安装在盒盖上。
在LCD盒子中，我在一小块洞洞板上焊上可变电阻和二极管（见图6），然后按照前面的电路连接到LCD上，并用一个垫片做间隔，固定到LCD一角的#4-40螺丝上。
连接可变电阻和LCD的导线可以使用和前面一样的22号单股导线。至于连接Arduino和LCD的导线，我建议使用细一些的多股导线，这种线比较软，容易从护套中穿过。
截8根导线，每根7英寸长，将它们分别焊到洞洞板的电源线和地线，以及LCD显示屏的排针上。确保二极管的一端连接LCD背光引脚（15脚），另一端连接电源；可变电阻可调端连接LCD对比度引脚（3脚），另外两端分别接电源和地。连好线之后，将线从护套中穿过，从Arduino盒子中穿出。为方便连接，最好在每根线上做上标记。
在线的另一端剥开约3/8英寸绝缘皮，然后焊上一小段22号单股导线。用热缩管包好连接处。将单股线露出的部分折弯90度，并将多余部分截掉，使得刚好能完全插到Arduino排座中（约3/8英寸）。
将焊好的导线插到对应的Arduino引脚排座中（如图7），用#4-40螺丝和黄铜片固定好两个盒子，将较长的导线盘起放在Arduino盒子中，然后小心盖上盒子。如果之后你想将两部分拆开用做别的实验，较长的导线会很方便。
我在显示屏周围贴了一圈照片垫板，并在垫板上LCD固定螺丝对应的位置用冲床开了四个孔，用来遮挡铁盒和LCD固定螺丝。任何厚度大于螺丝头高度的纸板都可以。相对于在铁盒上开孔，纸板可以更加精确的控制尺寸，并且能够遮挡铁盒上的瑕疵。将垫板粘在铁盒盖上，然后在上面贴上一层卡纸遮挡螺丝开孔。为了美观，我还在卡纸上打印了Duino Display文字。你可以在上面添加其他图案。
让成果飞起来
如果你的电脑有Always-powered USB插口，只需将Duino Display插上即可。如果没有，或者这个插口有别的用途，那么你需要一个9V或12V，至少400mA电流的电源适配器为Arduino供电。Arduino可以自动切换USB或电源插口供电，所以同时插上USB和电源适配器不会有什么问题。如果在安装过程中不小心碰到了可变电阻，可能需要重新调节LCD对比度。
如果你想把板子用在别的制作中，只需要打开Arduino盒子，就可以连接其他电路。如果需要，也可以暂时取下LCD盒子。
Duino Display既是一个微控制器编程的入门制作，同时也是带有外壳的实验平台。随着水平的提高，你会发现Arduino有无数种玩法。除了Duino Display以外，现在我还用它控制卫星地面站的天线旋转器。
ARRL会员Roger Shipley，呼号KA9NAH，在1982年首次获得电台执照，目前他持有中级电台执照。Roger毕业于奥伯林学院，曾经从事于教师，舞台设计师，影院经理，橱柜制造工，家居设计师，雕刻师等职业，目前已经退休。他曾经常收听卫星频率和20米波段通联。他的地址是4023 Willowbrook Ln, Bellingham, WA 98229，电子邮箱是[email protected]
图1：Arduino实验板。D0-D13可以作为数字输入或输出引脚，A0-A5为模拟引脚，也可以作为数字输入输出引脚。一颗LED连接到数字引脚13，位置在数字引脚13附近（参见原文）。
图2：安装在面包板上的Duino Display。图中连接到LCD1脚和16脚的导线在LCD下方。
图3：LCD和Arduino的接线图。随LCD附带有可变电阻和二极管。从LCD正面看，1脚在左边。LCD型号是Microtivity IM162 LCD Module 1602，它的控制器是HD44780，也可使用相同控制器的1602液晶。液晶和Arduino都可以从亚马逊买到。
图4：Altoids盒子布局。导线护套开孔尺寸根据导线护套尺寸决定，支架开孔位置需要根据盒子连接方式和LCD盒子安装位置确定。
图5：将#4-40螺丝从盒子中穿出以免和Arduino排座发生干涉。
图6：显示屏盒子内部：安装可调电阻和二极管的一小块洞洞板固定在显示屏固定螺丝上，电源线和地线从洞洞板引出。
图7：Arduino盒子内部：盒子左边的空间用来整理导线多出来的长度。
图8：完成后的Duino Display。你可以在面板卡纸上绘制装饰图案。
（绿色背景部分为原文备注）
