第 12 章　Arduino 入門

本章目標

• 學完你會指出 Arduino UNO 板子上每個重要部位：數位腳位、類比腳位、電源腳位、USB 孔、重置鈕。
• 學完你會自己安裝 Arduino IDE 2.x，選對開發板與連接埠，把程式上傳到板子。
• 學完你會說出 setup() 與 loop() 的差別，並會用 pinMode、digitalWrite、digitalRead、delay 四個基本指令。
• 學完你會用序列埠監控視窗把板子裡的資料印到電腦上。
• 學完你會用示波器量 Blink 程式的波形，確認 delay(500) 真的等了半秒。

開場：那塊藍色的板子到底是什麼？

前面幾章，我們一直把 Arduino 當成一台「方波產生器」：要方波就叫它吐方波，要 2.5V 就叫它輸出 PWM，要音階就叫它 tone()。你可能照著打了程式、按了上傳、看到結果，但心裡一直有個問號：這塊藍色板子到底是什麼？裡面在幹嘛？

想一想家裡的電鍋。你按一下「煮飯」，它自己會加熱、偵測溫度、時間到就跳起來保溫。沒有人在裡面看著，是誰在做決定？答案是一顆小小的晶片，叫微控制器（Microcontroller）。電鍋、微波爐、遙控器、電子錶、腳踏車碼表，裡面都有一顆。它就像一個很小、很專心的大腦，只會做你教它的事，但一秒可以做幾百萬次，而且從不喊累。

Arduino UNO 就是一塊讓你「方便使用微控制器」的板子。這一章我們不急著做花俏的東西，先把板子看清楚、把工具裝好、把最基本的四個指令練熟，然後用示波器去驗證：程式說等 500 毫秒，它真的等了 500 毫秒嗎？

核心概念

Arduino UNO 板子構造：大腦、手腳和電源

把板子拿起來，USB 孔朝左，你會看到這樣的配置：

            ┌──────────────────────────────────────────────┐
   USB 孔 ──┤ [USB]                  數位腳位 D13 ... D0    │
            │        [重置鈕]        ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
            │                       13 12 ~11 ~10 ~9 8 7 ~6 ~5 4 ~3 2 1 0
            │   ┌─────────┐                                │
            │   │ATmega328P│  ← 大腦（微控制器）          │
            │   └─────────┘                                │
            │  電源腳位            類比腳位                 │
  DC 電源 ──┤ [JACK] ○ ○ ○ ○ ○ ○    ○ ○ ○ ○ ○ ○            │
            │     3V3 5V GND GND Vin  A0 A1 A2 A3 A4 A5    │
            └──────────────────────────────────────────────┘

• 大腦：ATmega328P：板子中央那顆長長的黑色晶片，就是微控制器。你的程式住在它裡面，拔掉電源也不會消失，下次插電就繼續跑。
• 數位腳位 D0–D13：上排 14 個洞。每個都可以當輸出（給 0V 或 5V）或輸入（讀 LOW 或 HIGH）。編號前面有 ~ 的（3、5、6、9、10、11）支援 PWM，所以本書的 LED 一律接 D9。D0 和 D1 是序列埠用的（RX、TX），平常不要接東西在上面，否則上傳程式會失敗。
• 類比腳位 A0–A5：下排 6 個洞，可以讀 0–5V 之間任何電壓（第 13 章）。
• 電源腳位：5V 可以供電給外部零件，3V3 是 3.3V，GND 有三個（都一樣，隨便用），Vin 是外部電源的入口。
• USB 孔：上傳程式、和電腦講話、同時供 5V 電。
• DC 電源孔：可以插 7–12V 的電源，本書用 9V 電池加電池扣接在這裡就能脫離電腦運作。不要超過 12V。
• 重置鈕（Reset）：按一下，程式從頭開始跑，不會刪掉程式。
• 板子上的小 LED：L 燈接在 D13 上，可以不用接線就測試；TX/RX 燈在傳資料時會閃；ON 燈亮表示有電。

電流的限制要記住：每個腳位最多安全輸出約 20 mA（極限 40 mA，但不要挑戰它）。LED 經過 220 Ω 大約流 (5 − 2) ÷ 220 ≈ 14 mA，剛好。馬達、蜂鳴器以外的大電流負載，要像第 9 章那樣用電晶體幫忙。USB 給整塊板子的電大約 500 mA。

安裝 Arduino IDE 2.x：教大腦說話的工具

程式要先在電腦上寫好，再「上傳」到板子裡。寫程式的軟體叫 Arduino IDE（Integrated Development Environment，整合開發環境），本書用 2.x 版本。

安裝步驟

1. 到 Arduino 官方網站（arduino.cc，找 Software 頁面）下載 Arduino IDE 2。Windows 選 .exe 或 .msi，macOS 選 .dmg。
2. 安裝時 Windows 可能跳出「要不要安裝驅動程式」，請選「安裝」。macOS 把圖示拖到應用程式資料夾即可。
3. 第一次打開會是英文介面。想改中文：File → Preferences → Language 選「繁體中文」，重新啟動。本書下面都用中文選單名稱。
4. 用 USB 線把 UNO 接到電腦，板子上的 ON 燈會亮。
5. 選開發板：功能表「工具 → 開發板 → Arduino AVR Boards → Arduino UNO」。IDE 2 也可以直接點視窗上方中間那個下拉選單，選有「Arduino UNO」字樣的那個。
6. 選連接埠：「工具 → 連接埠」。Windows 會看到 COM3、COM5 之類（數字因電腦而異）；macOS 會看到 /dev/cu.usbmodem14101 之類。選那個後面寫著「(Arduino UNO)」的。如果不確定，拔掉板子看哪個選項消失，那個就是。
7. 視窗左上角兩個按鈕：**✓（驗證）只檢查程式有沒有寫錯，→（上傳）**檢查後把程式送進板子。上傳時 TX/RX 燈會快速閃，下方出現「上傳完成」就成功了。

安裝好後，最快的測試是「檔案 → 範例 → 01.Basics → Blink」，直接上傳，板子上的 L 燈會開始每秒閃一次。

程式長什麼樣：setup 一次，loop 一直

Arduino 的程式（檔案叫 sketch，草稿碼）一定有兩個部分：

void setup() {
  // 這裡只會跑一次：開機（或按重置）的時候
}

void loop() {
  // 這裡會一直重複跑，跑完最後一行就回到第一行，永遠不停
}

打個比方：setup() 像開學典禮，只辦一次，用來宣布規定、分配位子；loop() 像每天的上課，從早上到放學一直重複。所有「設定腳位是輸入還是輸出」的事放 setup，「讀按鈕、亮燈」這種要一直做的事放 loop。

四個基本指令：

幾個會害你卡很久的小規則：

• 每句指令結尾要有分號 ;。
• 大小寫有差：digitalWrite 可以，DigitalWrite 不行。
• { 和 } 要成對。
• // 後面是註解，給人看的，板子會忽略。多寫註解是好習慣。

**變數（Variable）**是給數字取名字的盒子。int ledPin = 9; 做了一個叫 ledPin 的盒子，裡面放 9。之後程式寫 ledPin 就等於寫 9，要改腳位只要改一個地方。const int 表示這個值固定不會變。

if 是做判斷：

if (digitalRead(2) == LOW) {   // 如果按鈕被按下（上拉：按下是 LOW）
  digitalWrite(9, HIGH);       // 就亮燈
} else {                       // 否則
  digitalWrite(9, LOW);        // 就關燈
}

注意比較是兩個等號 ==，一個等號 = 是「放進盒子」，寫錯不會報錯但結果會怪怪的。

序列埠：讓板子跟你說話

板子沒有螢幕，怎麼知道它在想什麼？用序列埠（Serial Port），透過那條 USB 線把文字送到電腦。

• Serial.begin(9600); 放在 setup，意思是「打開序列埠，速度 9600」。
• Serial.println("你好"); 印一行字並換行；Serial.print(x); 印完不換行。
• 看結果：點 IDE 右上角的放大鏡（序列埠監控視窗），右下角速度要選 9600 baud，和程式一樣，否則會看到亂碼。

9600 是鮑率（Baud Rate），意思是每秒傳 9600 個位元。傳一個字元大約要 10 個位元（第 15 章會講為什麼），所以 9600 ÷ 10 = 每秒約 960 個字元。印一行 20 個字的訊息要 20 ÷ 960 ≈ 0.02 秒，很快，但如果你在 loop 裡每一圈都印，一秒印幾千行，就會塞車。所以範例裡印完都會 delay 一下。

動手做

實驗 12-1：Blink，第一支程式

材料

• Arduino UNO 與 USB 線、麵包板、杜邦線
• 紅色 LED ×1
• 220 Ω 電阻 ×1

接線

 Arduino D9 ──[ 220Ω ]──►|── Arduino GND
                        LED

• Arduino D9 → 220 Ω 電阻 → LED 長腳（+）。
• LED 短腳（−）→ Arduino GND。

程式

// 實驗 12-1：Blink，讓 LED 一秒閃一次
const int ledPin = 9;          // LED 接在 D9

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);     // D9 當輸出
}

void loop() {
  digitalWrite(ledPin, HIGH);  // 給 5V，LED 亮
  delay(500);                  // 等 500 毫秒
  digitalWrite(ledPin, LOW);   // 給 0V，LED 暗
  delay(500);                  // 再等 500 毫秒，然後回到 loop 開頭
}

步驟

1. 接好線，確認 LED 長短腳沒接反。
2. 打開 IDE，把程式打進去（或複製貼上），確認開發板與連接埠選對。
3. 按 ✓ 驗證，下方沒有紅字就按 → 上傳。
4. LED 應該開始閃。順便看板子上的 L 燈：它沒閃，因為我們用的是 D9，不是 D13。
5. 把兩個 delay(500) 都改成 delay(100)，上傳，看閃的速度。
6. 改成 delay(1000)，再上傳。
7. 把第一個 delay 改成 100、第二個改成 900（亮短暗長），觀察差別。

你應該看到

• delay(500)：亮半秒、暗半秒，一秒閃一次。
• delay(100)：閃得很快，一秒五次。
• delay(1000)：亮一秒、暗一秒。
• 100/900：短促的一閃，像警示燈。

觀察與記錄

實驗 12-2：按鈕控制 LED

材料

• 實驗 12-1 的全部材料
• 按鈕開關 ×1

接線

 Arduino D9 ──[ 220Ω ]──►|── GND
                        LED

 Arduino D2 ──── 按鈕 ──── GND    （程式打開內建上拉）

• LED 同實驗 12-1。
• 按鈕一腳 → Arduino D2，另一腳 → GND。不用外接電阻，程式用 INPUT_PULLUP。

程式

// 實驗 12-2：按住按鈕 LED 才亮
const int ledPin = 9;          // LED 接 D9
const int buttonPin = 2;       // 按鈕接 D2

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);   // 內建上拉：沒按 HIGH，按下 LOW
}

void loop() {
  int buttonState = digitalRead(buttonPin);   // 讀按鈕，存進盒子
  if (buttonState == LOW) {                   // 被按下
    digitalWrite(ledPin, HIGH);               // 亮
  } else {                                    // 沒按
    digitalWrite(ledPin, LOW);                // 暗
  }
}

步驟

1. 接線、上傳。
2. 按住按鈕，LED 亮；放開，LED 暗。
3. 挑戰：把 HIGH 和 LOW 對調，變成「按下才暗」。
4. 再挑戰：改成「按一下亮、再按一下暗」（提示：需要一個記住目前狀態的變數，還有第 11 章的去彈跳）。

你應該看到

• 按住亮、放開暗，反應幾乎是瞬間的。

觀察與記錄

實驗 12-3：把按鈕狀態印到電腦上

材料

• 與實驗 12-2 相同。

接線

• 與實驗 12-2 相同。

程式

// 實驗 12-3：序列埠印出按鈕狀態
const int ledPin = 9;
const int buttonPin = 2;

void setup() {
  Serial.begin(9600);                  // 打開序列埠，速度 9600
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);
  Serial.println("開始！按按鈕看看。");
}

void loop() {
  int buttonState = digitalRead(buttonPin);
  digitalWrite(ledPin, buttonState == LOW ? HIGH : LOW);   // 按下就亮

  Serial.print("經過 ");
  Serial.print(millis() / 1000);       // millis() 是開機到現在的毫秒數
  Serial.print(" 秒，D2 讀到 ");
  Serial.print(buttonState);           // 印 0 或 1
  if (buttonState == LOW) {
    Serial.println(" → 按下");
  } else {
    Serial.println(" → 放開");
  }
  delay(200);                          // 一秒印 5 行，不要塞車
}

步驟

1. 上傳後打開序列埠監控視窗（右上角放大鏡），右下角速度選 9600。
2. 看訊息一行一行出來。按住按鈕幾秒，看數字從 1 變 0，再放開。
3. 把 delay(200) 改成 delay(10)，看視窗會變成怎樣。
4. 把速度改成 115200（程式和監控視窗都要改），看有什麼不同。

你應該看到

• 沒按：D2 讀到 1 → 放開；按住：D2 讀到 0 → 按下。
• delay(10) 時訊息多到看不清，像瀑布一樣。
• 監控視窗速度選錯時會看到一堆亂碼或方塊。

觀察與記錄

用儀器看看

示波器：delay(500) 真的等了 500 毫秒嗎？

這是本章最重要的驗證：程式寫的時間，和真實世界的時間，對不對得起來？

• 接法：用實驗 12-1 的電路，CH1 探棒尖端 → D9（夾在電阻靠 D9 那一端），接地夾 → Arduino GND。
• CH1：2 V/div，DC 耦合，探棒 10×（通道設定也選 10×）。
• 時間：200 ms/div。
• 觸發：CH1 上升邊緣，準位 2.5V，模式 Auto。

上傳 delay(500) 的 Blink，畫面像這樣：

 5V ┤      ┌─────────┐         ┌─────────┐
    │      │         │         │         │
 0V ┼──────┘         └─────────┘         └────── 時間
           ◄─────────────────►
              一個週期 = 1 秒（5 格 × 200 ms）

亮 500 ms、暗 500 ms，一個週期 1 秒，頻率 1 Hz。用游標量兩個上升邊緣的距離，應該非常接近 1.000 秒。

接著把兩個 delay 都改成 delay(1)，重新上傳。這時 LED 看起來像一直亮著（其實在高速閃），示波器時間改成 500 µs/div：

 5V ┤  ┌───┐   ┌───┐   ┌───┐   ┌───┐
    │  │   │   │   │   │   │   │   │
 0V ┼──┘   └───┘   └───┘   └───┘   └──
       ◄───────►
       約 2 ms → 約 500 Hz

一個週期大約 2 ms，頻率大約 500 Hz。用示波器的自動量測看「頻率」，你可能會量到 498 或 499 Hz 而不是剛好 500，因為 digitalWrite 本身也要花幾微秒，loop 繞一圈不只 2 ms。這就是真實世界：程式說 1 ms，實際上是「1 ms 加一點點」。

把量到的數字填進表，順便算算看每個 delay 對應的週期和頻率：

三用電表：慢眼睛看快訊號

把三用電表切到直流電壓檔，量 D9 對 GND。delay(500) 時數字會在 0 和 5 之間慢慢跳，跟 LED 同步；delay(1) 時數字會停在約 2.5V，因為電表反應慢，把方波平均掉了，這就是第 10 章講的「電表自己在濾波」。要看清楚快訊號，一定得用示波器。

邏輯分析儀：也可以量時間

把邏輯分析儀 CH0 接 D9、GND 接 GND，取樣率 1 MHz，按 Run 抓 3 秒。在 PulseView 裡點兩個邊緣，軟體會直接顯示間隔時間，delay(500) 會看到 500.0 ms 左右，delay(1) 會看到 1.00 ms 多一點。邏輯分析儀抓長時間的方波特別方便。

常見錯誤與除錯

• 上傳失敗，訊息有「port」或「avrdude」字樣 → 連接埠沒選對，或 USB 線只有充電功能沒資料線 → 重選連接埠（拔掉再插看哪個出現），換一條 USB 線。
• 上傳失敗，而且 D0/D1 有接東西 → 序列埠被占用 → 拔掉 D0、D1 上的線再上傳。
• 驗證就出現紅字 → 程式打錯：少分號、少括號、大小寫錯 → 看紅字指的行數，通常錯在那一行或上一行。
• LED 完全不亮 → LED 接反、電阻沒接到、接到的不是 D9 → 把 LED 轉 180 度；用三用電表量 D9 對 GND 有沒有在 0 和 5V 之間變化。
• LED 一直亮不閃 → delay 太短（例如 1 ms）眼睛看不出來 → 用示波器看，或把 delay 改大。
• 序列埠視窗是亂碼 → 鮑率不一致 → 程式 Serial.begin(9600) 和監控視窗都選 9600。
• 序列埠視窗什麼都沒有 → 沒按右上角放大鏡，或上傳時視窗被關掉 → 重新打開監控視窗，按一下板子的重置鈕。
• 按鈕沒反應 → 按鈕插的方向錯或忘了 INPUT_PULLUP → 回第 11 章檢查。
• 示波器看到方波但只有 0.5V 高 → 探棒 10× 但示波器通道設 1× → 兩邊設一致。

想一想

1. setup() 和 loop() 各跑幾次？如果把 pinMode 寫在 loop() 裡會怎樣？

2. 要讓 LED 每秒閃 10 次，亮暗時間一樣長，兩個 delay 要填多少？

3. 程式寫 delay(1) 亮、delay(1) 暗，示波器為什麼量到 498 Hz 而不是剛好 500 Hz？

4. 序列埠用 9600 鮑率，一行訊息 30 個字元，傳完大約要多久？如果 loop 裡沒有 delay，一秒最多能印幾行？

5. 有一位同學的 Blink 上傳成功，但 LED 不亮。他用三用電表量 D9 對 GND，讀到 0V 和 5V 慢慢交替。問題在哪裡？

6. 開放挑戰：只用一個按鈕和一顆 LED，做一個「調速閃燈」：每按一次按鈕，閃的速度就換一檔（1 Hz → 5 Hz → 10 Hz → 回到 1 Hz）。提示：一個記錄檔位的變數、第 11 章的去彈跳、delay 的值跟著檔位變。做完用示波器驗證三檔的頻率。

本章小結

• Arduino UNO 的大腦是 ATmega328P 微控制器；D0–D13 是數位腳位（~ 的支援 PWM），A0–A5 是類比腳位，5V/3V3/GND/Vin 是電源腳位。D0、D1 留給序列埠，不要接東西。
• 每個腳位安全電流約 20 mA；LED 配 220 Ω 約 14 mA，剛好。
• 安裝 Arduino IDE 2.x 後，「工具 → 開發板 → Arduino UNO」、「工具 → 連接埠 → 有 (Arduino UNO) 的那個」，✓ 驗證、→ 上傳。
• setup() 跑一次（設定），loop() 一直重複（工作）。
• 四個基本指令：pinMode、digitalWrite、digitalRead、delay。比較用 ==，分號和大小寫不能錯。
• Serial.begin(9600) 加 Serial.println() 可以把資料印到電腦；監控視窗的鮑率要跟程式一致。9600 鮑率約每秒 960 個字元。
• delay(500) 的 Blink 在示波器上是週期 1 秒、1 Hz 的方波；delay(1) 大約 500 Hz，會略低一點，因為程式本身也要花時間。
• 三用電表量快方波只會得到平均值，看波形要用示波器或邏輯分析儀。

名詞表