电子创客讲义02——控制器入门

本期作者：石头人

开始

在上节课中，我们通过电流和水流的类比，简要分析了电路是如何进行工作的，了解了电路中电流、电压、电阻的性质和关系，并介绍了一款适合创客使用的电路模拟软件Tinkercad。

电路知识对于构建系统的重要性不言而喻，也是从“菜鸟”迈向“专家”的必由之路，但想要系统的学习电路知识远不是读一两篇文章就能做到的，也不是本系列文章的出发点。来一次说走就走的创客之旅，寻找和发现自己的兴趣所在才是此行的目的，Let‘s Go!

什么是控制器？

简单的说，控制器就是用来控制电路中其他器件的器件，其在电路中的作用就像人的大脑一样，扮演着指挥官的角色。例如，在打蚊子的过程中，虽然用眼睛跟踪目标，用手来操控蝇拍，但视觉、听觉信息的汇总，位置信息的处理分析，控制肌肉运动等却都离不开我们的大脑。相应的，如果电路中控制器失灵了，那整个系统也就无法正常运转了。

是否使用控制器往往视问题的复杂程度而定，点亮一个灯泡并不一定需要控制器，但如果你想上演一场灯光秀，需要按照环境的变化和图案规则来控制成百上千个灯泡的亮灭，那选用控制器恐怕就必不可少了。

要说明的是，在学习的过程中我们常会遇到诸如控制器、开发板、单片机、嵌入式、PLC、主控板等名词，它们是什么意思？又有什么区别和联系呢？额，对于我们初学者来说，大多数时候就当成是一个意思就行了。很多名词的产生是因为定义问题的角度不同，或者是由于技术的发展历史所造成的，在使用的过程中，还是要根据实际需求，具体问题具体分析才行。

如何选择控制器？

那应该如何选择一款合适的控制器呢？一些比较通俗的参考指标包括：性能、扩展性、稳定性、价格、体积、功耗等等，而对于我们新手来说，简单易用当然是重中之重。

在创客领域中，目前使用最为广泛的控制器包括：micro:bit、Arduino、树莓派等开源硬件，以及它们的衍生品。这里做一个简单的对比分析，下图中的控制器从上到下分别为：micro:bit，Arduino UNO R3，Raspberry Pi 4B，注意由于Arduino和树莓派两个品牌中包含了多款型号，所以在比较中采用的是比较常用的型号，难免以偏概全，还请谨慎参考。

评价指标	micro:bit	Arduino	Raspberry
入门（容易的评分高）	⭐⭐⭐	⭐⭐	⭐
实用性（性能和扩展性）	⭐⭐	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐
价格（低的评分高）	⭐⭐	⭐⭐⭐	⭐
社区（资料丰富程度）	⭐⭐	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐

从上面的对比我们看到，micro:bit、Arduino、树莓派三者的定位不同。综合来讲，micro:bit更适合于零基础入门学习；Arduino比较均衡，在创客项目中应用最为广泛；树莓派的性能更强，可以完成像图像识别这样比较复杂的运算工作。

在本系列文章中将主要介绍Arduino平台的使用，而当我们掌握了一种控制器的用法，融会贯通，再去学习其它的也就不在话下了。

Arduino简介

Arduino 是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，其生态包含硬件（各种型号的Arduino板）、软件（Arduino IDE）以及活跃的开源社区。

Arduino简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现，更快的完成自己的项目开发，大大节约了学习的成本，缩短了开发的周期。越来越多的专业硬件开发者已经或开始使用Arduino来开发他们的项目、产品；越来越多的软件开发者使用Arduino进入硬件、物联网等开发领域；大学里，自动化、软件，甚至艺术专业，也纷纷开展了Arduino相关课程。

硬件开发板

Arduino硬件平台中包括数十种不同型号的开发板、电子模块、扩展版，其中以Arduino UNO R3最为常见，也是入门首选。具体对比分析请参考：Arduino各开发板的比较。

软件开发环境

Arduino的软件开发环境主要有两类：

一、Arduino IDE，可以在Windows、Mac OS、Linux三大主流操作系统上运行，其所使用的Arduino语言基于wiring语言开发，是对 avr-gcc库的二次封装，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后，你也可以快速的进行开发。如下图所示，代码功能是控制Arduino的板载LED灯闪烁。

二、图形化开发环境，如ArduBlock，以及基于Scratch的KittenBlock、Mind+等。采用积木搭建的方式编程，提高了编程的直观性和交互性，即使没有编程经验的人，特别是程序入门的小朋友也可以尝试给Arduino控制器编写程序。实际应用中，采用图形化编程还是有一定局限性的，所以在熟悉了基本操作之后，还是希望各位同学尝试使用代码的方式进行编程。

开源理念

Arduino是起步比较早的开源硬件项目，目前已经得到广泛的认可和大范围的应用，Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的。在Creative Commons（CC）许可下，任何人都被允许生产和销售Arduino开发板的复制品，而不需要向Arduino官方支付版税，甚至不用取得Arduino官方的许可，只需要说明Arduino团队的贡献以及保留Arduino这个名字。开源不但可以使用户更好地理解Arduino的电路原理，更可以根据自己的需要进行修改，比如由于空间的限制，需要设计异形的电路板，或是将自己的扩展电路与主控制电路设计到一起等，从而进一步推动了Arduino项目的发展。

我们常见的Arduino板有两种，一种是Arduino官方出品的官方板，另一种则是其它厂商使用Arduino设计所制作和销售的兼容板。需要注意的是，无论是官方板还是兼容板都是合法的产品，所以不存在所谓的“山寨板”这一概念。

使用Arduino

初次使用Arduino硬件

如果是第一次使用Arduino硬件应该怎么做呢？这里总结了主要步骤，具体操作可以参考：Arduino教程01 -- 驱动安装及下载Blink程序。如果安装使用的过程中遇到问题，最直接的方法就是将错误情况拿到百度搜一下，当然也可以问问其他同学，或者留言发给我哦。

初次使用Arduino的步骤：

下载安装Arduino IDE（下载地址），或使用其他的开发环境。
将Arduino板连接到电脑的USB接口上，根据提示安装驱动程序。
在Arduino IDE中选择正确的Arduino开发板型号和串口号（每次连接硬件，串口号都可能发生变化）。
编写代码（在初次使用时，建议打开示例中的Blink程序），编译程序，下载到Arduino板。
下载成功后，在Arduino开发板就能看到相应的现象。

在初次使用完成编程环境的搭建之后，再进行开发就不需要用到前两个步骤了。

使用Tinkercad模拟Arduino

如果手头暂时没有Arduino硬件，该如何开始学习呢？这就要用到我们之前说过的Tinkercad来进行模拟搭建了，当我们登录完成后，选择“Circuits”模块，点击“创建新电路”按钮。

下图中，左侧的空白区域是用来搭建模拟电路的工作区，右侧的列表则是可以选用的电路组件。我们在列表中找到Arduino UNO R3，LED和电阻器，拖拽到工作区。在引脚上点击鼠标左键进行连线，按照下图的方式连接这三个组件，注意LED弯曲的引脚为正极，通过电阻连接到Arduino的13号引脚，LED直的引脚为负极，连接到Arduino的GND引脚上。在组件上单击鼠标右键，就可以更改组件的属性，试试看吧！

Blink1

在完成了电路的搭建之后，我们单击“代码”按钮，这里可以使用图形化或者文本的方式对Arduino控制器进行编程，使用你喜欢的方式编写如下程序。程序中将LED正极所接引脚设置为高，可以点亮LED灯，设置为低则熄灭LED灯，所以这个程序的执行效果是让LED灯闪烁，亮灭间隔为1秒钟。

Blink2

接下来大家可以点击“开始模拟”按钮，看看效果究竟如何。其中所涉及的具体原理，我们会在之后的课程中逐步为大家介绍。

练习

请大家使用Tinkercad模拟所述情况，结合上节课所学的电路基础知识，回答以下问题：

在搭建电路时，我们在LED正极上接了一个电阻，如果不接会怎么样？如果接应该选择多大的阻值？
为什么要将LED连接到Arduino的13号引脚和GND引脚，连其它的引脚行不行，为什么？
尝试使用这节课学到的知识，设计制作交通信号灯。

练习中的题目都有一定难度的，如果做不出来，建议你上网搜索提问，毕竟活跃的社区和丰富的资料才是Arduino最宝贵的财富！