硬件

动手学Arduino

从 Arduino Uno 开始接触嵌入式系统，记录第一次 Build、Upload、点亮 LED，以及我开始理解代码如何真正作用于现实世界的过程。

2026年9月13日4 minArduino 嵌入式硬件学习记录

最近开始正式学习 Arduino。

虽然之前已经接触过 C++，但这是我第一次真正把代码和现实世界连接起来。

以前写程序，大多数结果都停留在屏幕里：变量发生变化、程序打印结果、算法完成计算。它们当然是真实发生的，但总还是隔着一层。

这一次不一样。

我点击 Upload，把程序写入 Arduino Uno，然后看着 LED 按照我写下的代码开始闪烁。

那一刻其实挺奇妙的。

原来一行代码，最后真的可以变成一个电信号。

为什么开始学 Arduino

我并不是单纯为了“学会 Arduino”才开始折腾它。

真正吸引我的，是这样一条链路：

传感器
  ↓
微控制器
  ↓
数据处理
  ↓
通信
  ↓
服务器
  ↓
AI
  ↓
反馈

我希望以后能够逐渐把这条链真正搭起来。

Arduino 只是其中非常靠前的一站。

之后我还想继续接触 ESP32、各种传感器、毫米波雷达、无线通信、边缘计算和服务器，再进一步把这些东西和自己的专业方向联系起来。

比如生物医学工程、脑机接口、神经反馈、可穿戴设备，以及真正的实时闭环系统。

所以对我来说，Arduino 更像是进入硬件世界的一扇门。

我的第一块开发板

目前使用的是 Arduino Uno。

它的核心是一颗：

ATmega328P

一些最基本的参数是：

主频：16 MHz
SRAM：2 KB
Flash：约 32 KB

第一次看到 2 KB SRAM 的时候，我其实有点惊讶。

现在的电脑动辄就是 16 GB、32 GB 内存，而这样一颗微控制器只有几 KB 的 RAM，却仍然可以完成大量控制任务。

这也让我第一次比较明显地意识到：

嵌入式系统和普通电脑上的软件开发，是两个非常不同的世界。

在电脑上，有时候几 MB 的浪费根本不会被注意。

而在微控制器上，每一点存储空间、每一个引脚、每一个时钟周期，都开始变得具体。

我的开发环境

我没有直接使用 Arduino IDE。

目前使用的是：

Arduino Uno
VS Code
PlatformIO
C++

一个最基本的 PlatformIO 工程，大概是这样的：

project/
├── include/
├── lib/
├── src/
│   └── main.cpp
└── platformio.ini

真正写程序的地方主要是：

src/main.cpp

而 platformio.ini 则用来告诉 PlatformIO：

使用什么硬件平台
使用哪块开发板
使用什么开发框架

例如：

[env:uno]
platform = atmelavr
board = uno
framework = arduino

以前看到这种配置文件，我大概只会复制粘贴。

现在开始慢慢明白：

platform = atmelavr

表示使用 AVR 平台；

board = uno

表示目标开发板是 Arduino Uno；

framework = arduino

则表示使用 Arduino Framework。

PlatformIO 会根据这些信息选择对应的工具链、框架和上传方式。

很多原本隐藏在一个按钮背后的事情，开始逐渐变得具体。

第一次理解 Build 和 Upload

刚开始使用 PlatformIO 的时候，我其实没有真正分清：

Build

和：

Upload

有什么区别。

因为从使用者的角度看，好像都是“让程序跑起来”。

但它们实际上是两个完全不同的阶段。

Build

Build 大致经历的是：

C / C++ 源代码
        ↓
       编译
        ↓
       链接
        ↓
微控制器能够执行的程序

比如我写：

digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);

ATmega328P 并不能直接理解这行 C++。

C++ 是给人写的。

最终，它必须经过编译，被转化成处理器真正能够执行的机器指令。

所以 Build 解决的问题是：

怎样把人写的程序变成机器可以执行的程序？

Upload

Upload 则是下一步：

编译好的程序
      ↓
     USB
      ↓
 Arduino Uno
      ↓
写入 Flash

也就是说：

Build 是生成程序。

Upload 是把程序真正送进开发板。

以前它们只是两个按钮。

现在开始知道，这两个按钮背后其实代表着程序从“源代码”到“真正运行在芯片上”的两个不同阶段。

第一次点亮 LED

Arduino 世界里最经典的程序大概就是 Blink。

#include <Arduino.h>

void setup() {
    pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

void loop() {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
    delay(1000);

    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
    delay(1000);
}

运行以后，效果非常简单：

亮 1 秒
  ↓
灭 1 秒
  ↓
亮 1 秒
  ↓
灭 1 秒
  ↓
……

但真正让我感兴趣的并不是：

“LED 会闪了。”

而是另外一个问题：

为什么这一行代码，真的能够让 LED 亮起来？

比如：

digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);

从表面上看，只是调用了一个函数。

但是继续往下面追，就会发现整个过程大致是：

C++ 代码
   ↓
Arduino Framework
   ↓
机器指令
   ↓
微控制器寄存器
   ↓
GPIO
   ↓
引脚电平发生变化
   ↓
LED 发光

也就是说：

我们写下的抽象程序，最终真的会改变芯片内部的状态；

芯片内部状态发生变化之后，又会改变某个引脚的电压；

然后电流经过 LED；

最后我们看到它发光。

这一刻，“软件”和“硬件”第一次非常直观地连在了一起。

`setup()` 和 `loop()`

Arduino 程序里最常见的两个函数是：

void setup()

和：

void loop()

setup() 在设备启动之后运行一次。

所以通常会在里面进行初始化，例如：

pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

告诉微控制器：

这个引脚接下来要作为输出使用。

而 loop() 会不断重复运行。

可以先非常粗略地把它理解成：

setup();

while (true) {
    loop();
}

也就是说：

启动
 ↓
初始化一次
 ↓
不断执行 loop()
 ↓
不断执行 loop()
 ↓
不断执行 loop()
 ↓
……

这也是很多嵌入式程序最基本的运行方式。

从普通 LED 到 RGB LED

在普通 LED 之后，我开始尝试 RGB LED。

RGB 分别代表：

Red
Green
Blue

一个 RGB LED 可以理解成在一个封装里放进了三个不同颜色的发光部分。

只要分别控制：

R
G
B

三个通道的亮度，就可以混合出不同的颜色。

例如：

R = 255
G = 0
B = 0

就是红色。

而：

R = 255
G = 255
B = 0

则可以混合出黄色。

也就是从这里开始，我遇到了一个很有意思的问题：

数字引脚明明只有 HIGH 和 LOW，为什么 LED 的亮度还可以发生变化？

于是就遇到了 PWM。

第一次理解 PWM

PWM 的全称是：

Pulse Width Modulation

中文叫：

脉冲宽度调制

例如在 Arduino Uno 中写：

analogWrite(pin, 128);

我一开始很自然地以为：

这是不是让引脚输出了一个介于 0 V 和 5 V 中间的模拟电压？

后来才发现，并不是。

Arduino Uno 的 analogWrite() 本质上仍然是在快速切换：

HIGH
LOW
HIGH
LOW
HIGH
LOW
……

它并没有真正产生一个连续变化的模拟电压。

真正改变的是：

HIGH 和 LOW 各自持续多长时间。

Duty Cycle：占空比

比如一个周期里：

HIGH 占 50%
LOW  占 50%

那么占空比就是：

50%

如果：

HIGH 占 75%
LOW  占 25%

那么占空比就是：

75%

Arduino Uno 的 analogWrite() 一般使用：

0 ~ 255

表示不同的 PWM 强度。

可以粗略理解成：

255 → 接近 100% HIGH
192 → 接近 75% HIGH
128 → 接近 50% HIGH
64  → 接近 25% HIGH
0   → 一直 LOW

于是：

analogWrite(pin, 255);

LED 会非常亮。

而：

analogWrite(pin, 64);

LED 看起来就会暗很多。

可它明明还是在闪

有趣的地方就在这里。

假设 PWM 一直在：

开
关
开
关
开
关
……

那么 LED 本质上仍然是在不断闪烁。

只是这个过程非常快。

快到人眼无法分辨每一次亮和灭。

所以我们最终感觉到的不是：

闪 → 闪 → 闪 → 闪

而是：

亮度发生了变化

这让我第一次比较直观地理解到：

一个只有 0 和 1 的数字系统，也可以利用时间，在宏观上制造出类似连续变化的效果。

我觉得这是一个很漂亮的思想。

RGB 渐变

之后还可以让两个颜色同时变化。

例如：

for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(RED_PIN, i);
    analogWrite(GREEN_PIN, 255 - i);

    delay(10);
}

这里：

Red

会不断增加：

0 → 255

而：

Green

会不断减少：

255 → 0

也就是：

R = i

G = 255 - i

同时满足：

R + G = 255

这样颜色就会逐渐从一个状态过渡到另一个状态。

在普通程序里：

i
255 - i

可能只是两个数字。

但是到了 Arduino 上：

数学关系
   ↓
程序
   ↓
PWM
   ↓
电信号
   ↓
LED
   ↓
颜色变化

数字第一次变成了一个真正可以看到的物理过程。

`digitalWrite()` 和 `analogWrite()`

到这里，也开始能够区分：

digitalWrite()

和：

analogWrite()

了。

`digitalWrite()`

控制的是：

HIGH

或者：

LOW

也就是最标准的数字输出。

例如：

digitalWrite(LED_PIN, HIGH);

和：

digitalWrite(LED_PIN, LOW);

`analogWrite()`

虽然名字里有 analog，但在 Arduino Uno 上，它通常并不意味着真正的模拟电压输出。

而是：

PWM

通过改变占空比，产生不同的平均效果。

所以：

digitalWrite()

更像是：

开 / 关

而：

analogWrite()

则可以利用 PWM 表现出：

亮
稍亮
较暗
很暗
灭

这样的变化。

为什么我开始觉得 Arduino 很有意思

一开始，我其实会觉得 Arduino 好像“太简单了”。

很多操作只是：

pinMode()
digitalWrite()
analogWrite()
delay()

几行代码。

但真正开始学习之后，我反而觉得：

Arduino 很厉害的一点，就是它把一部分复杂度暂时隐藏了起来，却没有把真实的硬件隐藏掉。

表面上是：

digitalWrite()

但继续向下其实是：

C++
 ↓
Arduino Framework
 ↓
AVR
 ↓
寄存器
 ↓
GPIO
 ↓
电路

初学的时候，可以先站在最上面。

以后再一层一层向下挖。

最终可以继续学习：

寄存器
中断
定时器
ADC
串口
I²C
SPI
PWM
内存
实时系统

这样很多原本散落在计算机、电子、电路和程序设计里的知识，就会逐渐串到一起。

从代码到现实

到目前为止，我觉得学习 Arduino 最重要的收获，其实不是学会了几个函数。

而是开始看到一条以前不够清楚的链：

程序
 ↓
机器指令
 ↓
处理器
 ↓
寄存器
 ↓
GPIO
 ↓
电压 / 电流
 ↓
物理世界

以前学习编程的时候，“程序运行”有时候还是一个很抽象的概念。

而现在：

我改变一个变量；

变量改变 PWM；

PWM 改变引脚状态；

引脚改变 LED；

最后我真的能看见颜色发生变化。

这让我感觉很多以前彼此割裂的知识，开始慢慢连起来了。

接下来

现在还只是刚刚开始。

接下来准备继续学习：

GPIO
数字输入与输出
PWM
ADC
串口通信
按键
各种传感器
I²C
SPI

之后逐渐从 Arduino Uno 走向 ESP32。

我目前想象中的路线大概是：

Arduino Uno
    ↓
ESP32
    ↓
传感器
    ↓
毫米波雷达
    ↓
Wi-Fi / BLE
    ↓
服务器
    ↓
边缘计算
    ↓
AI

再继续向前，我希望把这些东西和自己的专业方向连接起来：

生物医学工程
      ↓
生理信号
      ↓
脑机接口
      ↓
神经反馈
      ↓
实时闭环系统

最终，我真正想做的不是一盏会闪的 LED。

而是完整的：

感知
 ↓
计算
 ↓
理解
 ↓
决策
 ↓
反馈

闭环。

Arduino 并不是终点。

它只是我真正开始理解硬件、嵌入式和现实世界计算系统的第一站。

不过，如果以后真的做出了那些复杂得多的系统，再回过头来看——

这一切，大概就是从第一次让一盏 LED 按照自己的代码亮起来开始的。

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为什么开始学 Arduino

我的第一块开发板

我的开发环境

第一次理解 Build 和 Upload

Build

Upload

第一次点亮 LED

setup() 和 loop()

从普通 LED 到 RGB LED

第一次理解 PWM

Duty Cycle：占空比

可它明明还是在闪

RGB 渐变

digitalWrite() 和 analogWrite()

digitalWrite()

analogWrite()

为什么我开始觉得 Arduino 很有意思

从代码到现实

接下来

`setup()` 和 `loop()`

`digitalWrite()` 和 `analogWrite()`

`digitalWrite()`

`analogWrite()`