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程序结构

Arduino 程序（也称为 Sketch）具有特定的结构，理解这个结构是编写 Arduino 代码的基础。

基本结构​

每个 Arduino 程序必须包含两个核心函数：

void setup() {
  // 初始化代码，只执行一次
}

void loop() {
  // 主代码，无限循环执行
}

setup() 函数​

setup() 函数在程序启动时运行一次，用于初始化设置：

  • 配置引脚模式（输入/输出）
  • 初始化串口通信
  • 设置初始变量值
  • 初始化库
void setup() {
  // 设置引脚 13 为输出模式
  pinMode(13, OUTPUT);
  
  // 初始化串口通信，波特率 9600
  Serial.begin(9600);
  
  // 打印启动信息
  Serial.println("Arduino 已启动！");
}

loop() 函数​

loop() 函数在 setup() 执行完后无限循环运行：

  • 读取传感器数据
  • 控制输出设备
  • 处理逻辑判断
  • 与其他设备通信
void loop() {
  // 点亮 LED
  digitalWrite(13, HIGH);
  
  // 等待 1 秒
  delay(1000);
  
  // 熄灭 LED
  digitalWrite(13, LOW);
  
  // 等待 1 秒
  delay(1000);
}

完整程序示例​

让我们看一个完整的程序，它展示了程序结构的各个部分：

/*
 * 程序名称：呼吸灯
 * 功能：让 LED 像呼吸一样渐亮渐暗
 * 作者：Arduino 学习者
 * 日期：2024
 */

// ========== 全局变量和常量 ==========
const int LED_PIN = 9;        // LED 连接的 PWM 引脚
const int DELAY_TIME = 10;    // 延时时间（毫秒）
int brightness = 0;           // 当前亮度值
int fadeAmount = 5;           // 亮度变化步进

// ========== 初始化函数 ==========
void setup() {
  // 设置 LED 引脚为输出模式
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  
  // 初始化串口用于调试
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("呼吸灯程序已启动");
}

// ========== 主循环函数 ==========
void loop() {
  // 设置 LED 亮度
  analogWrite(LED_PIN, brightness);
  
  // 打印当前亮度到串口监视器
  Serial.print("亮度: ");
  Serial.println(brightness);
  
  // 改变亮度值
  brightness = brightness + fadeAmount;
  
  // 到达边界时反转变化方向
  if (brightness <= 0 || brightness >= 255) {
    fadeAmount = -fadeAmount;
  }
  
  // 短暂延时，产生平滑效果
  delay(DELAY_TIME);
}

代码组织顺序​

Arduino 程序的标准组织顺序：

// 1. 头文件包含（如果有）
#include <Servo.h>

// 2. 宏定义和常量
#define BUTTON_PIN 2
const int LED_PIN = 13;

// 3. 全局变量
int counter = 0;
bool ledState = false;

// 4. 对象实例化（如果有）
Servo myServo;

// 5. setup() 函数
void setup() {
  // 初始化代码
}

// 6. loop() 函数
void loop() {
  // 主循环代码
}

// 7. 自定义函数（放在最后）
void myFunction() {
  // 自定义功能
}

注释​

良好的注释习惯能让代码更易读、易维护。

单行注释​

使用 // 进行单行注释：

int sensorValue = 0;  // 存储传感器读数
// 下面这行代码读取模拟引脚
sensorValue = analogRead(A0);

多行注释​

使用 /* */ 进行多行注释：

/*
 * 这是一个多行注释
 * 可以跨越多行
 * 常用于函数说明或代码块注释
 */

void setup() {
  /* 
    这里也可以
    使用多行注释
  */
}

注释最佳实践​

/*
 * 函数：readTemperature
 * 功能：从 DS18B20 温度传感器读取温度
 * 参数：无
 * 返回：float 类型的温度值（摄氏度）
 * 注意：需要提前初始化 OneWire 总线
 */
float readTemperature() {
  // 发送温度转换命令
  sensors.requestTemperatures();
  
  // 读取温度值并返回
  return sensors.getTempCByIndex(0);  // 获取第一个传感器的温度
}

变量作用域​

全局变量​

在函数外部定义的变量，整个程序都可以访问：

int globalVar = 0;  // 全局变量

void setup() {
  globalVar = 10;   // 可以访问和修改
}

void loop() {
  globalVar++;      // 每次循环增加 1
}

局部变量​

在函数内部定义的变量，只在函数内有效：

void setup() {
  int localVar = 5;  // 局部变量，只在 setup 中有效
}

void loop() {
  // localVar 在这里无法访问
  int anotherVar = 10;  // 这是另一个局部变量
}

静态变量​

使用 static 关键字，变量值在函数调用之间保持：

void loop() {
  static int counter = 0;  // 只初始化一次
  counter++;               // 每次调用 loop 都增加
  
  Serial.println(counter);
  delay(1000);
}

自定义函数​

将代码组织成函数可以提高可读性和复用性。

函数定义​

// 返回类型 函数名(参数类型 参数名, ...)
void blinkLED(int pin, int duration) {
  digitalWrite(pin, HIGH);
  delay(duration);
  digitalWrite(pin, LOW);
  delay(duration);
}

完整示例​

const int RED_LED = 9;
const int GREEN_LED = 10;
const int BLUE_LED = 11;

void setup() {
  // 初始化所有 LED 引脚
  pinMode(RED_LED, OUTPUT);
  pinMode(GREEN_LED, OUTPUT);
  pinMode(BLUE_LED, OUTPUT);
}

void loop() {
  // 使用自定义函数控制 LED
  fadeInOut(RED_LED, 100);
  fadeInOut(GREEN_LED, 100);
  fadeInOut(BLUE_LED, 100);
}

// 自定义函数：让指定 LED 渐亮渐暗
void fadeInOut(int pin, int speed) {
  // 渐亮
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(pin, i);
    delay(speed);
  }
  
  // 渐暗
  for (int i = 255; i >= 0; i--) {
    analogWrite(pin, i);
    delay(speed);
  }
}

条件编译​

Arduino 支持 C/C++ 的条件编译指令：

// 调试模式开关
#define DEBUG 1

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  
  #ifdef DEBUG
    Serial.println("调试模式已开启");
  #endif
}

void loop() {
  int value = analogRead(A0);
  
  #ifdef DEBUG
    Serial.print("传感器值: ");
    Serial.println(value);
  #endif
  
  delay(100);
}

程序执行流程​

理解程序的执行顺序对调试很重要：

上电/复位
    ↓
执行全局变量初始化
    ↓
执行 setup() 【仅一次】
    ↓
执行 loop() 第 1 次
    ↓
执行 loop() 第 2 次
    ↓
执行 loop() 第 3 次
    ↓
   ...

常见错误​

1. 在 setup 中放循环逻辑​

// 错误示例
void setup() {
  while (true) {  // 不要这样做！
    digitalWrite(13, HIGH);
    delay(1000);
  }
}

// 正确做法
void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH);
  delay(1000);
}

2. 变量未初始化​

// 错误示例
int counter;

void setup() {
  // counter 的值是不确定的！
  Serial.println(counter);
}

// 正确做法
int counter = 0;  // 定义时初始化

3. 函数定义位置错误​

// 错误：函数定义在 loop 之后但没有声明
void loop() {
  myFunction();  // 编译错误：找不到函数
}

void myFunction() {
  // ...
}

// 正确做法 1：先定义后使用
void myFunction() {
  // ...
}

void loop() {
  myFunction();
}

// 正确做法 2：先声明后定义
void myFunction();  // 函数声明

void loop() {
  myFunction();
}

void myFunction() {
  // 函数定义
}

下一步​

理解了程序结构后，我们将学习如何控制 Arduino 的数字引脚，实现 LED 控制和按钮读取。