本节书摘来自华章计算机《Arduino开发实战指南：LabVIEW卷》一书中的第2章，第2.2节,作者：余崇梓著， 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。
2.2 Arduino程序结构及基本函数
2.2.1 Arduino程序结构
Arduino编程语言的基本结构非常简单，包含至少两个部分或者叫两个函数。其他语句及函数都被包括在这两个不可或缺的函数中。
代码清单2-1：Arduino程序结构
void setup() //setup函数
{
statements;
}
Void loop() // loop函数
{
statements;
}
setup函数负责准备工作，loop函数负责执行。两个函数都是程序正常运行所必需的
部分。
setup函数跟随在程序最开始的变量声明之后，它是程序运行的第一个函数，只运行一次，主要用来设置端口模式（pinMode）或者初始化串口通信。
setup函数只在程序开始的时候调用一次，用它来初始化端口模式，或者开始串口通信。即使程序中没有实际要运行的语句也需要有setup函数。
代码清单2-2：setup函数结构
void setup()
{
pinMode(pin,OUTPUT); //设置“pin”为输出端口
}
loop函数跟随其后，主要包含将连续执行的代码，比如：读取（输入）、触发（输出）等。这个函数是所有Arduino程序的核心，它包含了大量的程序任务，使程序能够控制Arduino板。
代码清单2-3：loop函数结构
void loop()
{
digitalWrite(pin,HIGH); // 将“pin”置高电平
delay(1000); // 保持1s
digitalWrite(pin,LOW); // 将“pin”置低电平
delay(1000); // 保持1s
}
2.2.2 Arduino数据类型及运算符
Arduino IDE 开发语言使用的是C语言，所以Arduino的数据类型及运算符同基本C语言一样，这里进行简单介绍。
1．数据类型
1）整型
整型数据分为短整型和长整型，关键字分别为int和long，短整型为16位值，范围为32767～-32768；长整型为32位值，范围为2147483647～-2147483648。
2）字符型
字符型关键字为char。char在内存中占一个字节。
3）实型（浮点型）
实型数据分为单精度型和双精度型，关键字分别为float和double，float为32位值，范围为3.4E+38～-3.4E+38；double为64位值，范围为1.7E+308～-1.7E+308。
4）枚举型
枚举型关键字为enum。
2．常量
常量为程序运行中值不能改变的量。如：-1、23、'd'。常量也可以用一个标识符代表，例如：#define n30，定义n代表常量30。
Arduino中有几种特别的常量。
1）TRUE/FALSE常量
对于布尔常量，FALSE一般定义为0；TRUE经常定义为1，有时候也定义为非0。
代码清单2-4：TRUE/FALSE常量
if(b== TRUE);
{
doSomething;
}
2）HIGH/LOW常量
这些常量定义端口为HIGH或者LOW，经常用来读取或者写入数字端口。HIGH一般定义为逻辑值1、ON或者5V；而LOW一般定义为逻辑值0、OFF或者0V。
如：digitalWrite(13,HIGH)
3）INPUT/OUTPUT
这些常量用在pinMode()函数中，定义端口的模式为输入或者输出。
如：pinMode(13,OUTPUT);
3．变量
变量是一种通过命名及存储数值以便被后面程序使用的方法。下面的代码声明了一个命名为inputVariable的变量，并且将模拟输入端口2的值赋给该变量。所有的变量在使用前必须声明。
int inputVariable = 0; //声明变量，并赋初始值为0
intputVariable = analogRead(2); //将模拟输入端口2的值赋给变量
变量可以在程序最开始即void setup()之前，在某个函数内，或者某个语句(比如for语句)内声明。变量声明的地方决定了变量的作用域。
全局变量在setup()函数之前声明，这个全局变量可以被程序中的所有函数和语句
使用。
局部变量在函数内部或者for循环的一部分中被声明。它的作用域也只有在函数内部或者for循环内部。
代码清单2-5展示了不同的变量使用情况。
代码清单2-5：变量的使用
int value; //value可以在任何函数中使用
void setup()
{
//不需要setup
}
void loop()
{
for(int i=0;i<20;)
{
i++; //i只能在for loop中使用
}
float f; //f只能在loop中使用
}
4．运算符
运算符按照优先级顺序由上向下排列，如表2-1所示。
5．注释
在Arduino程序中有两种注释符，分别为：
块注释，以“/”开头并以“/”结束的字符串，两者之间的部分为注释。
行注释，使用“//”进行行注释，其后的字符串为注释。
注释可以出现在程序任何位置，添加注释可以帮助理解程序。
2.2.3 Arduino的控制语句
Arduino程序流程控制语句也与C语言中的流程控制语句相同，这里做一下简单介绍。
1．条件选择语句
（1）if语句
一般形式如下：
if (condition) statement;
或者
if (condition)
{
compound statement;
}
if语句流程图如图2-10所示。
代码清单2-6为if语句使用示例。
代码清单2-6：if语句示例
#include <stdio.h>
#define TRUE 1
#define FALSE 0
main ()
{
int i;
if (TRUE)
{
printf ("This is always printed");
}
if (FALSE)
{
printf ("This is never printed");
}
}
（2）if...else语句
一般形式如下：
if (condition) statement1; else statement2;
或者
if (condition)
{
statements;
}
else
{
statements;
}
if...else语句的流程图如图2-11所示。
图2-11 if...else语句的流程图
代码清单2-7：if...else语句示例
#include <stdio.h>
main()
{
int i;
scanf ("%ld",i);
if (i > 0)
{
printf ("That number was positive!");
}
else
{
printf ("That number was negative or zero!");
}
}
（3）switch语句
一般形式为：
switch (int or char expression)
{
case constant expression 1 : statement 1;
break; /* optional */
case constant expression 2 : statement 2;
break; /* optional */
case constant expression n : statement n;
break; /* optional */
default : default statement;
break;
}
对于switch条件语句，如果找到相同的结果值则执行case内的程序语句，当执行完case语句后，并不会直接离开switch条件语句，还是会住下继续执行其他case语句和default语句，这种情形称为“失败经过”（Falling Through）现象。
因此，在每一条case语句最后，必须加上break语句来结束switch语句，才可以避免“失败经过”的情况。default语句可放在switch条件语句的任何位置，如果找不到吻合的结果值，最后会执行default语句，除非摆在最后时，才可以省略default语句内的break语句，否则还是必须加上break语句。
代码清单2-8：switch语句示例
#include <stdio.h>
main()
{
for(int i=0; i<3; i++)
{
switch(i)
{
default: printf("%d", i);
case 1: printf("%d", i); break;
case 2: printf("%d", i);
}
}
return 0;
}
2．循环语句
（1）while循环语句
一般形式为：
while (condition)
{
statements;
}
while语句的流程图如图2-12所示。
代码清单2-9：while语句示例
/* count all the spaces in an line of input */
#include <stdio.h>
main()
{
char ch;
short count = 0;
printf ("Type in a line of text\n");
while ((ch = getchar()) != '\n')
{
if (ch == ' ')
{
count++;
}
}
printf ("Number of space = %d\n",count);
}
（2）do...while语句
一般形式为：
do
{
statements;
}
while (condition)
do...while语句的流程图如图2-13所示。
代码清单2-10：do...while语句示例
/**********************************************/
/* do ... while demo */
/**********************************************/
/* print a string enclosed by quotes " " */
/* gets input from stdin i.e. keyboard ???*/
/* skips anything outside the quotes ???*/
#include <stdio.h>
/*************************************************/
/* Level 0 */
/*************************************************/
main()
{
char ch,skipstring();
do
{
if ((ch = getchar()) == '"')
{
printf ("The string was:\n");
ch = skipstring();
}
}
while (ch != '\n')
{
}
}
/*************************************************/
/* Level 1 */
/*************************************************/
char skipstring () /* skip a string "" */
{
char ch;
do
{
ch = getchar();
putchar(ch);
if (ch == '\n')
{
printf ("\nString was not closed ");
printf ("before end of line\n");
break;
}
}
while (ch != '"')
{
}
return (ch);
}
（3）for循环语句
一般形式为：
for (expression1; condition; expression2)
{
}
for循环的流程图如图2-14所示。
代码清单2-11：for语句示例
/************************************************/
/* Prime Number Generator #1 */
/************************************************/
/* Check for prime number by raw number */
/* crunching. Try dividing all numbers */
/* up to half the size of a given i, if */
/* remainder == 0 then not prime! */
#include <stdio.h>
#define MAXINT 500
#define TRUE 1
#define FALSE 0
/*************************************************/
/* Level 0 */
/*************************************************/
main()
{
int i;
for (i = 2; i <= MAXINT; i++)
{
if (prime(i))
{
printf ("%5d",i);
}
}
}
/*************************************************/
/* Level 1 */
/*************************************************/
prime (i) /* check for a prime number */
int i;
{
int j;
for (j = 2; j <= i/2; j++)
{
if(i%j==0)
{
return FALSE;
}
}
return TRUE;
}
3．中断语句
（1）break语句
break语句的作用是跳出整个循环。如有嵌套的循环，则跳出最近的循环体。
代码清单2-12：break语句示例
/* an expensive way of assigning i to be 12 would be: */
for (i = 1; i <= 20; i++)
{
if(i==12)
{
break;
}
}
/* another way of making skipgarb() */
while(TRUE)
{
ch = getchar();
if(ch=='\n')
{
break;
}
}
（2）continue语句
continue语句的作用是跳出一次循环，即忽略continue后面的其他语句，紧接着执行下一次循环。
代码清单2-13：continue语句示例
/* to avoid dividing by zero */
for (i = -10; i <= 10; i++)
{
if (i==0)
{
continue;
}
printf ("%d", 20/i);
}
2.2.4 Arduino的基本函数
函数是包含一个名字和一段语句的代码，当函数被调用的时候，函数里面的语句被执行。前面已经讨论过void setup()和void loop()函数了，后面会讨论更多的函数。
可以自己编写自己的函数，自定义函数格式如下：
type functionName(parameters)
{
statements;
}
type为函数返回值类型，如果没有返回值，函数类型为void。parameters是传递给函数的参数。
“{}”用来定义函数块或语句块的开始和结束。如：
type function()
{
statements;
}
“；”用来结束一个语句，也用来在for循环中分隔不同的部分。
Arduino程序中有一些特定的函数，用来实现Arduino特定的操作，如下所示。
（1）pinMode(pin,mode)
用在void setup()函数中，用来配置某个端口为输入端口还是输出端口。
pinMode(pin,OUTPUT); //配置"pin"为输出端口
Arduino的数字端口默认为输入，所以不需要用pinMode()函数专门配置为输入端口。被配置为输入的端口处于高阻的状态。ATmega单片机芯片内部有20 kΩ上拉电阻，可以方便地通过软件来配置。这些上拉电阻可以通过下面的方式配置：
pinMode(pin,INPUT); //设置"pin"为输入端口
digitalWrite(pin,HIGH); //打开上拉电阻
上拉电阻一般用来连接像开关之类的输入信号。注意，在上面的例子中，并没有把端口配置为输出，而是启用了内部的上拉电阻。
配置为OUTPUT输出类型的端口处于低阻抗的状态，并能提供40mA电流给其他器件或电路。这个电流足够点亮LED，但是不足以驱动继电器、电磁铁及电机。
如果Arduino的端口被短路或者电流过大，会损坏输出端口甚至损坏ATmega芯片。所以，通常在OUTPUT输出端口上串联一个470Ω或者1kΩ的电阻会比较好。
（2）digitalRead(pin)
读取数字端口的值，一般为HIGH或者LOW。
pin可以为变量或者常量（0～13）。如：
value = digitalRead(pin);
（3）digitalWrite(pin,value)
在一个指定的端口输出逻辑HIGH或者LOW，pin可以为变量或者常量（0～13）。如：
digitalWrite(pin,HIGH); //设置"pin"为高电平
在代码清单2-14中，按键连接到数字输入端口，LED连接到数字输出端口，当数字按键按下的时候将LED点亮。
代码清单2-14：数字输入输出示例
int led =13;
int pin =7;
int value =0;
void setup()
{
pinMode(led,OUTPUT);
pinMode(pin,INPUT);
}
void loop()
{
value = digitalRead(pin);
digitalWrite(led,value);
}
（4）analogRead(pin)
读取模拟输入端口的数值，模拟输入端口的分辨率为10位，模拟输入端口为A10～A15，函数返回值范围为0～1023。如：
value = analogRead(pin);
注意，模拟输入端口不像模拟输出端口，不需要配置为INPUT或者OUTPUT。
（5）analogWrite（pin,value）
使用带有PWM硬件功能的输出端口产生类似于模拟值的PWM信号。这个函数可以在数字端口3、5、6、9、10、11使用。value数值可以为变量或者常量（0～255）。如：
analogWrite(pin,value);
如果value为0，那么在相应的端口，电压一直保持为0V；如果value为255，那么相应端口的电压一直保持为5V；如果vaule为64，那么端口电压将保持3/4时间为0V，1/4时间为5V；如果value为192，那么端口电压将保持1/4时间为0V，3/4时间为5V。
由于这是一个硬件功能，当analogWrite()被调用后，端口将始终保持稳定的波形，直至下次调用。
在代码清单2-15中，读取模拟输入端口的值，将该值除以4，并将结果通过PWM输出端口输出。
代码清单2-15：模拟采集示例
int led = 10;
int pin = 0;
int value;
void setup(){}
void loop()
{
value = analogRead(pin);
value /= 4;
analogWrite(led,value);
}
（6）delay(ms)
暂停程序等待设定的毫秒数，1000代表1000ms，即1s。如：
delay(1000);//等待1s
（7）millis()
返回Arduino板开始运行当前程序至今的毫秒数（时间），返回值为无符号长整型。如：
value = millis();
注意，这个返回值在9小时后可能溢出（重置为0）。
（8）min(x,y)
比较两个值的大小，返回较小的值。如：
value = min(value,100);
（9）max(x,y)
比较两个值的大小，返回较大的值。如：
value = max(value,100);
（10）randomSeed(seed)
设定一个值，或者种子，作为随机数函数的起始值。
（11）randomSeed(value);
Arduino只能产生伪随机数。seed可以是一个变量、函数返回值（millis()）或者模拟端口采集的数值。
（12）random(min,max)
random函数允许返回设定的在最小值和最大值之间的伪随机数。如：
vaule = random(100,200); //设置value为在100～200范围内的一个随机数
注意，该函数需要在randomSeed()函数之后使用。
代码清单2-16创建了一个0～255之间的随机数，并且通过PWM端口将随机数输出。
代码清单2-16：random函数示例
int randNumber;
int led = 10;
void setup(){}
void loop()
{
randomSeed(millis());
randNumber = random(255);
analogWrite(led,randNumber);
delay(500);
}
（13）Serial.begin(rate)
打开串口，设置串口通信的波特率。Arduino和计算机通信的常用波特率为9600。当然，也支持其他速度。如：
void setup()
{
Serial.begin(9600);
}
注意，当使用串口通信的时候，数字端口0（RX）和1（TX）不能再被用作其他功能同时使用。
（14）Serial.println(data)
输出数据到串口，并且可以将输出数据返回，可以使用串口监听器读取输出的数据。
（15）Serial.println(analogValue);
在代码清单2-17中，读取模拟输入端口A10的值并且每隔1s将它发送给上位机。
代码清单2-17：println函数示例
void setup()
{
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
Serial.println(analogRead(0));
delay(1000);
}
