Arduino UNO/NANO主板和扩展板

一、常见的 Arduino 硬件板

以上展示的几张主板图片是 Arduino 常见的主板型号，我们最常用的是 UNO 型号的主板。在意大利语中“UNO”表示的是“第一”的意思，是 Arduino 主板中的最经典、最常用、最具代表性的型号，也是最简单的一块。左下角的 Lilypad 型号主板，实际大小和常见纽扣电池大小相当，使用这样的 Arduino 主板，可以让我们的创意作品做得更小巧。右下角显示的主板型号是 Mega2560，它比 UNO 型号的主板多了更多的资源，计算能力也有了质的提升；看主板的外形就能知道，它具有更多的可用接口，总结起来说就是比 UNO 强大了很多，自然，学习难度也增加了不少。为了更好的入门，更好的学习 Arduino，我们后续的课程将会采用 UNO 和 NANO 主板为主。​​

二、Arduino UNO/NANO 主板详解

在 Arduino 的众多主板中，最常见的是 Arduino UNO 型号的主板，是最简单的一块 Arduino 主板。Arduino UNO 主板外观如图 1.2.2 中 (a) 所示。在 Arduino 的众多型号中，还有一个型号的主板和 UNO 型号采用了相同的主控芯片，它就是 Arduino NANO 主板。NANO 主板和 UNO 主板只是外观不一样，其他板载资源几乎完全一样，NANO 主板外观如图 1.2.2 中 (b) 所示。​

本教程后续内容将主要以 Arduino UNO/NANO 主板为例来演示。下面将详细介绍 Arduino NANO 主板的引脚分布及板载资源。

如图 1.2.3 所示，图中标注了主板上主要引脚的功能。在每个引脚旁都会有一个白色的标识，这些标识有一个专用的名字叫做“丝印”，在所有的标准电路板上都会有这样的标识，主要是对一些引脚或者元件起到指示说明的作用，在以后的学习中会经常提到这些标识。我们可以把 NANO 主板的引脚简单地划分为几大类，分别是电源引脚、数字引脚、模拟引脚和其他功能引脚，下面将详细地介绍各类引脚的功能。

1. 电源引脚

其中丝印标注为 VIN、3V3、5V、GND 的引脚叫做电源引脚。电源引脚是我们给 Arduino 主板供电的引脚。

• ① 丝印标注为 GND 的引脚叫做电源的地线，也就是 0V 电压的引脚。在小学和初中时候，我们所说的电源的负极指的就是这里的 GND 引脚。
• ② 丝印为 3V3 和 5V 两个引脚上的电压是稳定的 3.3V 和 5V，这里的电压值都是相对于 GND 来说的，也就是说 GND 是 0 电势的参考点。
• ③ 丝印为 VIN 的引脚，表示的是电源的输入引脚。从这个引脚上，我们可以输入 6–9V 的直流电压（DC 6–9V）。这个电压会被 NANO 主板转化为 5V 和 3.3V 供 Arduino 主板以及外接的电子模块使用。

2. 数字引脚

其中丝印标注为 TX1、RX0、D2–D12 和 D13 的这 14 个引脚叫做数字接口。这 14 个引脚上面的电压是可以通过我们编写程序去控制的，但是控制的电压值只有两个，一个是 5V，一个是 0V，也就是说我们编写程序去控制数字接口上的电压要么是 5V 要么是 0V，只有这两种状态，就好比我们控制家里灯的亮灭一样，要么亮要么不亮，只有开和关这两种状态。在我们数字引脚上 5V 对应高电压，0V 对应低电压，两种状态就是高和低，在编程的时候我们可以写“HIGH”和“LOW”，也可以写成“1”和“0”。

3. 模拟引脚

其中丝印标注为 A0–A7 的这 8 个引脚叫做模拟输入引脚。模拟输入引脚一共有 8 个，功能都是一样的，可以作为模拟输入接口使用，同时还具有数字输入输出口功能。除了 A6、A7 引脚，因为 A6 和 A7 引脚在核心芯片内部的硬件电路中就没有数字口的功能，所以这两个引脚只能做模拟输入使用，不具有数字输出的功能。在 UNO 主板中，模拟引脚只有 A0—A5，一共 6 个引脚，不具有数字输入输出功能的 A6 和 A7 引脚并没有引出供用户使用。

4. 其他功能引脚

• REF：模拟输入参考电压输入引脚。在做模拟输入检测时，默认的参考电压是 Arduino 的工作电压（通常是 5V），在一些特殊情况下需要采用外部提供的参考电压，此时，外部的参考电压将通过此引脚连接到 Arduino 主板。通常情况下不需要修改，采用默认的参考电压即可。
• RST：Arduino 复位（重启）引脚。在 Arduino 主板上已经接有一个复位开关，此开关和 RST 引脚相连。在需要 Arduino 复位（重启）的时候，只需要按下复位开关，或者在 RST 引脚上给一个低电平的脉冲信号，也可以外接一个按键开关到 RST 引脚去做外接的复位开关。

仔细观察 Arduino 主板可以看到，不论是 UNO 主板还是 NANO 主板，除了以上介绍的统一的引脚接口外，还有其他一些常见的元件，在此统一介绍。

• USB 接口：Arduino 上传程序的数据线接口，UNO 和 NANO 的接口不同，一个为方形 USB 接口，一个为梯形接口。在使用时需要注意，两个型号的主板之间数据线不能共用。
• LED 发光二极管：在 Arduino 主板上会有 4 颗 LED 发光二极管，分别是 POW（ON）表示电源指示灯；L（D13）表示数字端口 13 号引脚连接指示灯；RX 表示数字端口 D0 引脚指示灯；TX 表示数字端口 D1 引脚指示灯。其中，POW 电源指示灯表示 Arduino 电源供电是否正常，如若此灯不亮则表示 Arduino 主板供电不正常或出现短路现象，应立即检查供电连接。RX 和 TX 指示灯则会在上传程序到 Arduino 主板的时候出现闪烁情况。最后连接在 D13 上的 L 号发光二极管则需要编程才能控制它的亮灭，也是验证 Arduino 主板的好坏以及程序上传是否成功的最简单的办法。可以直接上传 Arduino IDE 中的示例程序 Blink 到主板，此时标注为 L 的发光二极管将会以 2s 为一个周期进行闪烁。UNO 主板和 NANO 主板大同小异，如图 1.2.4 所示，在此不再进行详细介绍。

三、Arduino 扩展硬件

根据前面所介绍的相关知识可以知道，Arduino 主板只是我们创意制作的核心硬件，要想完成我们自己的创意作品，还需要很多的外围电子模块来配合 Arduino 主板。Arduino 主板和其他电子模块之间需要通过导线连接，并且大多数模块都需要供电才能工作，而我们的 Arduino 主板的电源引脚接口是有限的，在连接外围模块时，常常会出现电源引脚不够用的情况，此时就需要借助 Arduino 扩展板来完成电路模块的连接，常见的 Arduino UNO/NANO 主板的扩展板如图 1.2.5 所示。

扩展板主要功能是把 Arduino 主板的电源引脚更多地扩展出来，方便连接更多的外接模块；其次，扩展板上可以设计一些专用模块的接口，方便和专用模块的接口对应，方便连接。由于 Arduino 扩展板使用简单，在此只做简要的说明。

1. Arduino 主板和扩展板连接

在插接 Arduino 主板时，需要将 Arduino 主板和扩展板上的 DC 电源接口方向一致，只有这两个方向一致了，Arduino 主板上的引脚和扩展板上的引脚才会一一对应起来，如果插接反了，有烧坏 Arduino 主板和扩展板的风险。需要注意的是，常见的 UNO 扩展板上的插针接口比 UNO 主板上的插针会少一些，在连接 UNO 主板和扩展板时，需要把 D0 接口对齐后再插入。​

2. Arduino 扩展板上的丝印标识

• 丝印标识为 V，表示为 5V 电源插针，一般用红色排针表示；
• 丝印标识为 G（或 GND），表示为电源地线（0V 电压）插针，一般用黑色排针表示；
• 丝印标识为 D（或 S），表示为数字口（digital），一般用绿色（黄色）排针表示；
• 丝印标识为 A（或 S），表示为模拟口（analog），一般用蓝色（黄色）排针表示。

其他一些特殊接口，一般用黄色排针表示，在接口旁都会有明显的丝印标识，说明具体的引脚编号和功能。

如图 1.2.6 所示，红色排针表示为电源的 5V 接口，丝印标识为 V；黑色排针表示为电源地线（0V）接口，丝印标识为 G；绿色排针表示为数字接口（digital），丝印标识为 D；蓝色排针为模拟接口（analog），丝印标识为 A；其他接口为黄色排针表示，每个排针都有详细的丝印标识，使用时请仔细查看。

在该扩展板上有 4 个 LED 发光二极管，丝印标识分别为 L5–L8；L5 还有一个丝印标识为 L，这个发光二极管在扩展板内部已经连接到数字接口 13（D13）上去了，在后续的点灯程序中会常常用到这个发光二极管。丝印标识为 L6 的小灯是电源指示灯，只要 Arduino 主板或者扩展板有正常的供电，L6 号发光二极管都会正常发光。如果有正常供电后 L6 并没有亮起，说明电路有短路或者电源连接有问题，此时需要立即断开供电，检查电源和电路连接后再重新供电测试。L7 和 L8 两个发光二极管是连接到 Arduino 的串口的两个小灯，在给 Arduino 上传程序时或者串口上有收发数据时，这个小灯会出现闪烁现象，以表示串口上有数据。

与 Arduino 相关的硬件除了扩展板，还有很多外围电路模块，为了降低对 Arduino 的学习难度，目前有很多创客已经设计并制作了很多的电路功能模块，把常见的电路模块设计成一个一个的小电路板，如图 1.2.7 所示。这些电路板不需要我们了解其中的电路工作原理，我们只需要关心它的接口定义以及输入输出的信号就可以快速地用 Arduino 来驱动它，并且用不同的电路模块可以设计并制作出我们不同的创意作品。​

Arduino 是一个开源的电子平台，Arduino 主板以及其他的外围电路模块，也都是开源的，每一位创客都可以根据自己的需求和喜好自行设计或在别人开源的基础上修改并制作出自己的硬件。开源的好处是资源共享，可以让我们更快速、更便捷地学习和使用 Arduino，但是开源也带来了一些问题，比如硬件模块的接口顺序不统一问题、硬件模块上的丝印标注不统一问题、程序库的代码 Bug 问题等等。每一位创客都会按照自己的喜好和设计习惯来设计自己的硬件和软件代码，但是不一定都适合你，所以在选择硬件模块和软件编程环境以及库文件时，需要根据自己的需求来选择。