Arduino 外部中断与串口通信实验 - 完整代码及详解

实验目的

掌握 Arduino 的外部中断引脚，例如 Arduino Uno 的引脚 2 和 3 支持外部中断。
掌握串口通信的接口，例如 Arduino Uno 的引脚 0 和 1 默认用于串口通信，也可以使用软件串口库来使用其它引脚进行串口通信。
理解外部中断的触发方式和回调函数的应用，例如使用 attachInterrupt() 函数来绑定中断服务函数。
掌握串口通信的初始化和数据发送方法，例如使用 Serial.begin() 和 Serial.println() 函数进行串口通信。

实验内容

实验一：单按键计数并通过串口打印

将一个按键连接到 Arduino 的外部中断引脚 2 上。
使用中断服务函数记录按键的次数。
通过串口将按键次数打印出来。

实验二：双按键计数并控制 LED 显示

将两个按键分别连接到 Arduino 的外部中断引脚 2 和 3 上。
将 5 个 LED 连接到 Arduino 的其它 5 个数字引脚上。
使用中断服务函数分别记录两个按键的次数。
将两个按键的次数组合成一个十进制数，然后将其转换为二进制数。
根据二进制数的每一位控制 5 个 LED 的亮灭状态。
通过串口打印二进制数。

实验代码

#include <SoftwareSerial.h> // 引用串口通信库

SoftwareSerial mySerial(10, 11); // 新建串口对象

volatile int count2 = 0; // 记录2号引脚按键次数
volatile int count3 = 0; // 记录3号引脚按键次数
volatile boolean state2 = false; // 2号引脚状态
volatile boolean state3 = false; // 3号引脚状态

void setup() {
  pinMode(2, INPUT_PULLUP); // 配置2号引脚为上拉输入
  pinMode(3, INPUT_PULLUP); // 配置3号引脚为上拉输入
  pinMode(4, OUTPUT); // 配置4号引脚为输出
  pinMode(5, OUTPUT); // 配置5号引脚为输出
  pinMode(6, OUTPUT); // 配置6号引脚为输出
  pinMode(7, OUTPUT); // 配置7号引脚为输出
  pinMode(8, OUTPUT); // 配置8号引脚为输出
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), count2Func, FALLING); // 绑定2号引脚中断服务函数
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(3), count3Func, FALLING); // 绑定3号引脚中断服务函数
  Serial.begin(9600); // 初始化串口通信
  mySerial.begin(9600); // 初始化串口通信
}

void loop() {
  if(state2 && state3) { // 如果2号引脚和3号引脚都按下了
    int num = count2 * 10 + count3; // 计算按键次数的十进制数
    String binary = String(num, BIN); // 将十进制数转化为二进制字符串
    int length = binary.length(); // 计算字符串长度
    for(int i = 0; i < length; i++) { // 循环控制LED
      digitalWrite(i+4, binary.charAt(length-i-1)=='1'?HIGH:LOW); // 根据二进制数的每一位决定LED的状态
    }
    Serial.println(binary); // 在串口上打印二进制数
    mySerial.println(binary); // 在另一个串口上打印二进制数
    state2 = false; // 清除2号引脚状态
    state3 = false; // 清除3号引脚状态
    count2 = 0; // 清零2号引脚按键次数
    count3 = 0; // 清零3号引脚按键次数
  }
}

void count2Func() { // 2号引脚中断服务函数
  count2++; // 2号引脚按键次数加1
  state2 = true; // 2号引脚状态变为按下
}

void count3Func() { // 3号引脚中断服务函数
  count3++; // 3号引脚按键次数加1
  state3 = true; // 3号引脚状态变为按下
}

代码解析

包含串口通信库
```
#include <SoftwareSerial.h>
```
使用 SoftwareSerial 库来实现软件串口，以便使用 Arduino Uno 的其它引脚进行串口通信。
创建串口对象
```
SoftwareSerial mySerial(10, 11);
```
创建 SoftwareSerial 对象，并指定其使用的引脚为 10 和 11。
定义变量
```
volatile int count2 = 0;
volatile int count3 = 0;
volatile boolean state2 = false;
volatile boolean state3 = false;
```
使用 volatile 关键字修饰变量，以确保在中断服务函数中修改变量的值时，主函数可以正确读取。
- count2 和 count3 用于记录两个按键的次数。
- state2 和 state3 用于记录两个按键的状态，true 表示按下，false 表示未按下。

配置引脚

pinMode(2, INPUT_PULLUP);
pinMode(3, INPUT_PULLUP);
pinMode(4, OUTPUT);
pinMode(5, OUTPUT);
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(7, OUTPUT);
pinMode(8, OUTPUT);

将引脚 2 和 3 配置为上拉输入，用于连接按键。
将引脚 4 到 8 配置为输出，用于控制 LED。

绑定中断服务函数
```
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), count2Func, FALLING);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(3), count3Func, FALLING);
```
使用 attachInterrupt() 函数将中断服务函数绑定到外部中断引脚上。
- digitalPinToInterrupt(pin) 函数用于获取指定引脚的外部中断号。
- count2Func 和 count3Func 分别是两个按键的中断服务函数。
- FALLING 表示当引脚电平由高电平变为低电平时触发中断。
初始化串口
```
Serial.begin(9600);
mySerial.begin(9600);
```
初始化串口通信，波特率为 9600。

主循环

void loop() {
  if(state2 && state3) {
    int num = count2 * 10 + count3;
    String binary = String(num, BIN);
    int length = binary.length();
    for(int i = 0; i < length; i++) {
      digitalWrite(i+4, binary.charAt(length-i-1)=='1'?HIGH:LOW);
    }
    Serial.println(binary);
    mySerial.println(binary);
    state2 = false;
    state3 = false;
    count2 = 0;
    count3 = 0;
  }
}

循环判断两个按键的状态，如果两个按键都按下，则执行以下操作：
- 计算按键次数的十进制数。
- 将十进制数转换为二进制字符串。
- 根据二进制字符串的每一位控制 LED 的亮灭状态。
- 在串口上打印二进制字符串。
- 清除按键状态和按键次数。

中断服务函数
```
void count2Func() {
  count2++;
  state2 = true;
}

void count3Func() {
  count3++;
  state3 = true;
}
```
- count2Func 和 count3Func 分别是两个按键的中断服务函数，用于记录按键的次数和状态。

总结

本文详细讲解了如何使用 Arduino 实现外部中断与串口通信的实验，并提供完整的示例代码。希望本文能够帮助您快速掌握 Arduino 的外部中断和串口通信应用。

注意事项

实验过程中需要注意 Arduino 的引脚分配，避免连接错误。
使用 volatile 关键字修饰变量，以确保在中断服务函数中修改变量的值时，主函数可以正确读取。
选择合适的外部中断触发方式，例如 FALLING、RISING 或 CHANGE。
确保串口通信的波特率设置一致。

扩展

可以使用其它外部中断引脚，例如引脚 0 和 1，但需要注意这些引脚默认用于串口通信。
可以使用其它串口通信协议，例如 SPI 或 I2C。
可以将按键和 LED 扩展到更多，实现更复杂的应用。

祝您实验顺利！