從歷史到使用方法的全面瞭解！人氣微控制器開發板Arduino究竟是何方神聖？

河島晋

Published by 河島晋 at 2023.10.18

1. 什麼是Arduino？

Arduino是一款開源微控制器開發板，即便是沒有豐富的電氣和程式設計知識的電子設計初學者也很容易上手。首先，聽到“Arduino”，應該能夠想起下圖所示的外觀，對該產品有個大致印象。

795316b92fc766b0181f6fef074f03fa

Arduino開發板示例（Arduino UNO）

這是將各種電子元器件配置在電路板上的開發板，外觀相似的產品包括在電腦和電視機等內部常用的被稱為“電路板”、“印刷電路板”、“PCB”的產品。其中，將載有能夠透過程式設計改變其工作的“微控制器”（Microcontrollers或Microcomputers的簡稱）晶片的電路板稱為“微控制器開發板”，照片中的Arduino也是微控制器開發板的一種，也被稱為“Arduino開發板”。

然而，“Arduino”這個名稱不僅僅包括“Arduino板”，還包括用來程式設計的被稱為“整合式開發環境（IDE）”的軟體。

2b530e80c7d0de90885e285c5d798063

Arduino IDE

這種用於程式設計的軟體通常被稱為“Arduino IDE”，在需要區分板卡和軟體時，可以分別稱它們為“Arduino板”和“Arduino IDE”。

2. Arduino的歷史和名稱由來

“Arduino”是在2003年義大利Interaction Design Institute Ivrea（IDII，交互設計學院）的學生Hernando Barragán（埃爾南多·巴拉甘）的碩士論文研究項目“Wiring”基礎上開發而成的。“Wiring”的研究目的是透過將複雜的機制抽象化，使藝術家和設計師等在創作作品時可以在沒有電子工程知識的情況下也能操作微控制器，從而能夠將精力集中在實現最初的目的（作品製作等）上。

Arduino的開發專案始於其後的2005年。Barragán的碩士論文導師Massimo Banzi 與David Mellis、David Cuartielles等人一起開始了名為“Arduino”（拉取Wiring的原始程式碼）的項目。

“Arduino”這個名稱來源於Arduino項目的創始人Massimo Banzi喜歡去的一家名為“Bar di Re Arduino”的酒吧，是根據酒吧名稱將電路板命名為“Arduino”的。

此後，Arduino開始風靡全球，並在“創客運動”（一種推動利用3D印表機等數控設備創作作品的活動）的風潮下，成為世界上最受歡迎的微控制器開發板之一。

追溯Arduino的發展歷史，可以看到很多關於Arduino團隊（Arduino LLC 和 Arduino SRL）的內部分裂以及商標和製造權問題相關的文章。事情最終透過兩者的和解而落下帷幕，對於我們這樣的Arduino用戶來說，這個結局（從對Arduino板的流通和Arduino IDE的更新等的影響角度來說）的確讓我們松了一口氣。

3. Arduino和Raspberry Pi，使用哪個比較好？

如今，電子製作的新手通常是一邊參考諸如“用Arduino製作……”、“用Raspberry Pi實現……”等標題的文章和書籍，一邊進行基礎練習。

但是，這裡面也有一些人會有這樣的疑問：“那麼，我應該買哪一個比較好呢……？”不知道該選擇哪一個才好。在這裡，我首先簡單介紹一下Arduino和Raspberry Pi的區別。

Arduino屬於“微控制器開發板”，Raspberry Pi屬於“單板電腦”。前面已經介紹過微控制器開發板。我認為將單板電腦解釋為“凝聚了必備最少功能的電腦”，可能更容易理解。基於這樣的視點，讓我們從幾個角度來探討應該使用Arduino還是Raspberry Pi。

c8856789ec11ab8b1013037cef6929f9

Raspberry Pi 4 Model B

4. Arduino與Raspberry Pi的區別

可能有人認為，“如果只是微控制器和電腦之別的話，那麼電腦不是可以向上相容嗎……？”但是，實際上還涉及到它們各自適用的用途，以及它們在不同應用中的易用性。

① 有無作業系統（OS）

例如，從內部軟體的運行來看，存在Arduino沒有OS、Raspberry Pi有OS的特點區別。

這並不是可以簡單地說“有作業系統（OS）更好”，有時候，在作業系統中運行的其他應用程式也可能會影響到希望實現的目標工作，在使用電腦時，時常會發生死機等問題，這些都是需要考慮的因素。當然，如果您希望執行Linux上運行的程式，就需要選擇Raspberry Pi了，因為Arduino無法執行這類程式。

② 作用不同

事實上，微控制器有微控制器應該做的工作，電腦有電腦應該做的工作。Raspberry Pi可以結合LED和開關等的輸入和輸出實現很多事情，因此很難透過能做什麼或不能做什麼來考量，但如果按照各自發揮的不同作用來考慮，就可以看清什麼情況下該使用Raspberry Pi，什麼情況下該使用Arduino。
例如，Arduino可以發揮以下作用：

LED和馬達的控制
開關和感測器的狀態檢測

如果您需要處理此類電氣信號（更接近硬體），選擇Arduino比較好。

此外，Raspberry Pi可以發揮以下作用：

網路通訊（有線/無線局域網）
將影像輸出到顯示器或投影儀等
使用相機或鏡頭（影像處理等）

如果您需要完成這類由電腦處理的工作（更接近軟體），應該選擇Raspberry Pi。

5. 如何掌握Arduino的使用方法

如果您的身邊有人能教您如何使用Arduino，能夠邊問邊學是比較好的，但是通常不好意思請人多次一對一地教自己，而且並不是每個人的身邊都有這種專業人士，所以如果可以的話，能找到自學的方法就更好了。
筆者推薦以下兩種方法：

① 買書，按照書中的內容學習
② 參考網路的文章，按照相關介紹學習

① 透過書籍學習時

如果透過看書（技術書和入門書）來學習，就需要在書店或網店購買相應的書籍，雖然買書需要花錢，但大多數書都是面向從零開始的初學者的，內容非常細緻易懂。而且，還有一個好處是“只要按這本書學習，基本可以學會”，而如果自己在網路搜索各種資源自學的話，容易遇到一些瓶頸。書籍的好處在於，您可以透過閱讀它們獲取新知識，而無需自己在網路搜索。
下面我列舉一些講解Arduino使用方法的書，您可以參考用戶評價和相關書籍來選用。

開始使用Arduino吧第3版
b1db37a1df6c6332fc8bdf704e9d1e49-e1595942345766

有這本書就夠了！用Arduino開始電子製作超簡單入門教學修訂版第3版
1249f2682be7181f6a6266c99ee5cae6-e1595942381391

② 透過網路資源學習時

如果您透過網路搜到的資源學習，會發現有很多免費的資源可用，因此比透過書籍學習的成本更低。如果能找到精心編寫的文章，就可以獲得豐富的資訊來提升技能，所以如果您習慣於在網路查找資料，就可以搜索所需的資訊，並從不同角度瞭解相關資訊的講解。
下面我列舉一些關於Arduino入門的文章，建議以閱讀這些文章為主，當遇到感興趣的關鍵字時，可以隨時搜索以進一步瞭解。

如何開啟Arduino之旅
介紹了Arduino新手應該怎樣購買Arduino主機、如何安裝Arduino IDE、以及如何使LED發光。我們可以參考這個步驟開始Arduino之旅！
Arduino – Lighting up LEDs

創建程式
使用麵包板將LED和電阻連接到Arduino，點亮多個LED並使多個LED交替閃爍。
要逐漸習慣程式和佈線的處理方法。
Arduino – Sketch, Taking a Look at Programs

使用光感測器
嘗試使用感測器來代替人類的五種感官。在這裡，使用光感測器來感知周圍環境的亮度並使之與LED的亮度建立關聯。
Let’s use Arduino with a light sensor!

6. Arduino的典型產品清單以及每種產品的使用方法

下面介紹一下需要購買Arduino板時要考慮哪些要點。市場上有很多種Arduino板，不同的產品類型其價格和功能也不同。在這裡我根據常見的需求來介紹四種Arduino板。

① 只是想開始練習

對於沒有特別想要製作的作品，“只是想先試用一下Arduino！”的各位，我建議從“Arduino UNO”開始。

3a4f695a458cb0ac0aceaa2eb13ac2dd

Arduino UNO

“Arduino UNO”是最基本的開發板，也被認為是Arduino系列的代表。既然是“代表”，其技術書等書籍和在網路、雜誌等上面的文章和資訊是最多的，支援Arduino的擴展電路板（被稱為“擴展板”）也很多。

Arduino UNO的輸入/輸出埠（輸入/輸出引腳）配有針座，在其中插入跳線即可與麵包板等相連接。

在網路搜索有關Arduino的資訊時，很多都是以Arduino UNO為例進行說明的，所以如果您使用的是其他類型的Arduino板，就需要透過對照引腳編號等來進行組裝接線等工作。而如果您使用的是Arduino UNO，則可以直接使用其接線資訊和程式碼。

② 想要大量的輸入輸出

在您想要控制很多LED、想要檢測很多開關、想要驅動很多馬達等情況下，如果“Arduino UNO”的輸入/輸出埠數量不夠，“Arduino Mega”是個不錯的選擇。它比UNO要貴。

f96d9b4281f6d16b3c7589aed5a17be5

Arduino Mega

“Arduino Mega”的輸入/輸出埠比UNO更多，使用“Arduino Mega”可以增加相應數量的感測器（當連接很多LED時，需要注意電流消耗情況。這一點不僅針對Mega，而是所有微控制器通用的注意要點）。

在UNO中，只有一組序列通訊連接埠（也用作USB介面），但在Mega中，除了一組USB複用介面之外，還有三組埠，所以當您想在微控制器之間進行通訊時，或想要進行Bluetooth/Zigbee等串列通訊時，建議使用Mega。

由於常用引腳的位置與“Arduino UNO”基本相同，因此很多與UNO相容的擴展板也適用於Mega。

與UNO相比，Mega可以進行PWM輸出的引腳較多，所以如果希望使用PWM信號驅動的馬達數量較多時，使用Mega更好。如果以後想用Arduino來控制機器人，那麼我認為Arduino Mega值得擁有。

③ 想嵌入小型作品中

如果您想將其嵌入尺寸很小的機器人或設備中，建議使用推薦尺寸比UNO更小的緊湊型“Arduino Micro”。它比UNO便宜一些。

Arduino Micro

“Arduino Micro”的引腳上配有排針，可以直接將微控制器開發板插入麵包板。如果將針座焊接在萬用電路板等上面，也可以在不使用跳線的情況下牢固地接線。

ad328257df3c27d0237be29c2f1fd87c

萬用電路板

使用萬用電路板時，應遵循電子作品創作界中的一些預設文化，比如需要在要進行焊接的有銅箔的面（圖案面）進行佈線，在進行LED或電阻切腳時，不要丟掉這些腳，而是將其靈活運用於電路板上的佈線。

④ 想自製鍵盤和滑鼠

近年來，在電子作品創作界，“自製鍵盤”開始流行起來。透過自己製作電腦鍵盤，可以製作出符合自己要求的理想鍵盤，或具有有趣功能的原創鍵盤。使用“Arduino Leonardo”，可以開發鍵盤和滑鼠等HID設備。Arduino Leonardo開發板的形狀類似於UNO，但它是一種不同的Arduino板。

f4a1b0aed5dc02442c433030ff24c031

Arduino Leonardo

“HID”是“Human Interface Device”的縮寫，一般是指電腦鍵盤或滑鼠等。特別是“符合HID規範的設備”，當透過USB連接到電腦時，無需安裝產品固有的設備驅動程式即可使用。Arduino Leonardo中配備了名為“ATmega32U4”的微控制器，它可以充當符合HID規範的設備使用，因此可以用作鍵盤或滑鼠。

如果其他的Arduino板中也配有ATmega32U4微控制器，那麼也可以用來開發HID，就像前面介紹的Arduino Micro中也配有ATmega32U4，所以也可以使用Arduino Micro來自製鍵盤和滑鼠。如果您想在麵包板上製作原型，選擇Leonardo比較好，如果您想在萬用電路板上進行焊接，建議選擇Micro。