Arduino编程基础——流程图与程序结构
- 2026-01-14 15:01:38
一、前言
Arduino作为开源电子原型平台，其编程核心在于通过简洁的代码逻辑控制硬件行为。而清晰的逻辑表达，离不开流程图的梳理和规范的程序结构设计。流程图是程序逻辑的可视化工具，能帮助我们梳理思路、排查漏洞；程序结构则是代码组织的骨架，决定了程序的执行顺序。本文档将从流程图基础入手，结合Arduino实际编程场景，详细讲解三种核心程序结构（顺序结构、选择结构、循环结构）的原理、语法及应用实例，帮助初学者建立规范的编程思维，快速掌握Arduino编程的核心逻辑。
二、流程图基础
2.1 什么是流程图
流程图是用特定图形符号和箭头，按一定逻辑顺序表示程序执行步骤的图示。在Arduino编程中，编写代码前绘制流程图，能直观呈现“输入→处理→输出”的硬件控制逻辑，避免代码逻辑混乱，尤其适合处理传感器数据判断、多设备联动等复杂场景。
2.2 流程图核心符号及含义
绘制流程图需遵循通用符号规范，常用核心符号如下：
•开始/结束框：以“圆角矩形”表示，用于标识程序的启动和终止点，框内标注“开始”或“结束”。
•处理框：以“矩形”表示，用于标识具体的操作步骤（如变量赋值、函数调用、硬件控制指令等），框内标注具体处理内容（如“初始化LED引脚为输出模式”“读取温度传感器数据”）。
•判断框：以“菱形”表示，用于标识需要判断的条件（如“传感器数值是否大于阈值”“按键是否按下”），框内标注判断条件，从菱形引出两条或多条箭头，分别对应“是（Y）”“否（N）”等判断结果的执行方向。
•输入/输出框：以“平行四边形”表示，用于标识程序与外部设备的交互（如读取传感器数据、向串口输出信息、控制LED亮灭等），框内标注输入/输出内容。
•箭头：表示程序的执行顺序，连接各个流程框，明确步骤间的逻辑关系。
2.3 Arduino编程中流程图的应用示例
以“LED灯按按键控制亮灭”为例，绘制流程图如下：
1.开始
2.初始化：将LED引脚（如13脚）设为输出模式，按键引脚（如2脚）设为输入模式
3.读取按键引脚电平
4.判断：按键是否按下（电平是否为LOW）？
5.是：控制LED引脚输出高电平（LED亮）
6.否：控制LED引脚输出低电平（LED灭）
7.返回步骤3，重复执行
8.结束
通过上述流程图，能清晰梳理“初始化→读取输入→判断→执行动作”的逻辑链，为后续编写代码提供明确指引。
三、Arduino核心程序结构
Arduino编程基于C/C++语言，其程序结构遵循通用程序设计的三大核心结构：顺序结构、选择结构、循环结构。所有Arduino程序的核心框架固定，即包含setup()函数和loop()函数，在此基础上结合三大结构实现具体功能。
注意：Arduino程序的入口是setup()和loop()，无需像标准C语言那样编写main()函数，系统会自动调用这两个函数。 |
3.1 基础框架：setup()与loop()函数
•setup()函数：程序运行时仅执行一次，用于初始化操作，如设置引脚模式（输入/输出）、初始化串口、配置传感器等。语法格式：void setup() { // 初始化代码 pinMode(13, OUTPUT); // 示例：将13脚设为输出模式 Serial.begin(9600); // 示例：初始化串口，波特率9600}
•loop()函数：setup()执行完毕后，会无限循环执行loop()内的代码，用于实现程序的核心功能（如数据读取、逻辑判断、硬件控制等）。语法格式：void loop() { // 核心功能代码（循环执行） digitalWrite(13, HIGH); // 示例：控制13脚输出高电平 delay(1000); // 示例：延时1秒}
3.2 顺序结构
3.2.1 原理
顺序结构是最基础的程序结构，代码按从上到下的顺序依次执行，无跳转、无判断，每一步执行完毕后再进入下一步。适用于逻辑简单、无需判断和重复的操作（如简单的硬件初始化、按固定顺序执行的动作）。
3.2.2 Arduino示例：LED依次亮灭
功能：控制13脚、12脚、11脚连接的LED，按“13脚亮→12脚亮→11脚亮→全部灭”的顺序依次执行。
cpp// 定义LED引脚const int led1 = 13;const int led2 = 12;const int led3 = 11;void setup() {// 初始化所有LED引脚为输出模式（顺序执行）pinMode(led1, OUTPUT);pinMode(led2, OUTPUT);pinMode(led3, OUTPUT);}void loop() {// 顺序执行LED亮灭操作digitalWrite(led1, HIGH); // 13脚LED亮delay(500); // 延时500msdigitalWrite(led2, HIGH); // 12脚LED亮delay(500); // 延时500msdigitalWrite(led3, HIGH); // 11脚LED亮delay(500); // 延时500msdigitalWrite(led1, LOW); // 13脚LED灭digitalWrite(led2, LOW); // 12脚LED灭digitalWrite(led3, LOW); // 11脚LED灭delay(1000); // 延时1秒，准备下一轮循环} |
流程图：开始→初始化led1/led2/led3为输出→led1亮→延时→led2亮→延时→led3亮→延时→全部灭→延时→重复循环→结束。
3.3 选择结构
选择结构（又称分支结构）：根据指定条件的判断结果，选择执行不同的代码分支。Arduino中常用的选择结构有if语句、if-else语句、if-else if-else语句和switch-case语句。
3.3.1 if语句（单分支）
原理：判断条件是否成立，若成立则执行if后的代码块，否则跳过该代码块。语法格式：
cppif (条件表达式) {// 条件成立时执行的代码} |
示例：当温度传感器数值大于30℃时，串口输出“温度过高”。
cppconst int tempPin = A0; // 温度传感器接模拟引脚A0int tempValue; // 存储温度传感器数值void setup() {Serial.begin(9600); // 初始化串口}void loop() {tempValue = analogRead(tempPin); // 读取传感器数值if (tempValue > 300) { // 假设30℃对应数值300（需根据传感器校准）Serial.println("温度过高");}delay(500); // 延时500ms重复读取} |
3.3.2 if-else语句（双分支）
原理：判断条件是否成立，若成立执行if代码块，否则执行else代码块（二选一）。语法格式：
cppif (条件表达式) {// 条件成立时执行的代码} else {// 条件不成立时执行的代码} |
示例：按键控制LED亮灭（按键按下时LED亮，否则灭）。
cppconst int ledPin = 13; // LED接13脚const int keyPin = 2; // 按键接2脚int keyValue; // 存储按键状态void setup() {pinMode(ledPin, OUTPUT); // LED引脚设为输出pinMode(keyPin, INPUT_PULLUP); // 按键引脚设为上拉输入（默认高电平）}void loop() {keyValue = digitalRead(keyPin); // 读取按键状态if (keyValue == LOW) { // 按键按下时，引脚为低电平（上拉输入特性）digitalWrite(ledPin, HIGH); // LED亮} else {digitalWrite(ledPin, LOW); // LED灭}} |
3.3.3 if-else if-else语句（多分支）
原理：依次判断多个条件，满足哪个条件就执行对应的代码块；若所有条件都不满足，执行最后的else代码块。适用于多条件判断场景（如温度区间划分、档位控制等）。语法格式：
cppif (条件1) {// 条件1成立执行的代码} else if (条件2) {// 条件2成立执行的代码} else if (条件3) {// 条件3成立执行的代码} else {// 所有条件都不成立执行的代码} |
示例：根据温度传感器数值划分区间，串口输出对应提示。
cppconst int tempPin = A0;int tempValue;void setup() {Serial.begin(9600);}void loop() {tempValue = analogRead(tempPin);if (tempValue < 100) { // 低温（<10℃）Serial.println("温度过低，请注意保暖");} else if (tempValue >= 100 && tempValue <= 300) { // 适宜温度（10-30℃）Serial.println("温度适宜");} else { // 高温（>30℃）Serial.println("温度过高，请注意降温");}delay(1000);} |
3.3.4 switch-case语句（多分支优化）
原理：当判断条件是“变量等于某个固定值”时，使用switch-case语句比if-else if-else更简洁清晰。通过switch后的变量值，匹配对应的case分支执行；default对应所有case不匹配时的执行逻辑。语法格式：
cppswitch (变量/表达式) {case 数值1:// 变量等于数值1时执行的代码break; // 跳出switch语句（避免继续执行后续case）case 数值2:// 变量等于数值2时执行的代码break;case 数值3:// 变量等于数值3时执行的代码break;default:// 所有case不匹配时执行的代码break;} |
示例：通过串口输入数字，控制LED亮不同颜色（假设1=红色、2=绿色、3=蓝色）。
cppconst int redLed = 13;const int greenLed = 12;const int blueLed = 11;int cmd; // 存储串口接收的指令void setup() {pinMode(redLed, OUTPUT);pinMode(greenLed, OUTPUT);pinMode(blueLed, OUTPUT);Serial.begin(9600);Serial.println("请输入指令（1-红、2-绿、3-蓝）：");}void loop() {if (Serial.available() > 0) { // 判断串口是否有数据cmd = Serial.parseInt(); // 读取串口输入的整数switch (cmd) {case 1:digitalWrite(redLed, HIGH);digitalWrite(greenLed, LOW);digitalWrite(blueLed, LOW);Serial.println("当前颜色：红色");break;case 2:digitalWrite(redLed, LOW);digitalWrite(greenLed, HIGH);digitalWrite(blueLed, LOW);Serial.println("当前颜色：绿色");break;case 3:digitalWrite(redLed, LOW);digitalWrite(greenLed, LOW);digitalWrite(blueLed, HIGH);Serial.println("当前颜色：蓝色");break;default:digitalWrite(redLed, LOW);digitalWrite(greenLed, LOW);digitalWrite(blueLed, LOW);Serial.println("指令错误，请输入1-3");break;}}} |
3.4 循环结构
循环结构：在满足指定条件的情况下，重复执行某段代码块。Arduino中常用的循环结构有for循环、while循环和do-while循环。
3.4.1 for循环（固定次数循环）
原理：适用于已知循环次数的场景，通过“初始化表达式→条件表达式→更新表达式”三个部分控制循环。语法格式：
cppfor (初始化表达式; 条件表达式; 更新表达式) {// 循环执行的代码块} |
执行逻辑：①执行初始化表达式（仅执行一次）；②判断条件表达式，若成立则执行循环体；③执行更新表达式；④返回②重复判断，直至条件不成立，跳出循环。
示例：LED闪烁5次后停止（循环5次）。
cppconst int ledPin = 13;void setup() {pinMode(ledPin, OUTPUT);}void loop() {// 循环5次（i从0到4，共5次）for (int i = 0; i < 5; i++) {digitalWrite(ledPin, HIGH);delay(500);digitalWrite(ledPin, LOW);delay(500);}while (1); // 无限循环，使程序停在此处（不再重复闪烁）} |
3.4.2 while循环（条件满足循环）
原理：适用于未知循环次数、仅知道循环条件的场景。先判断条件表达式，若成立则执行循环体，循环体执行完毕后再次判断条件，直至条件不成立跳出循环。语法格式：
cppwhile (条件表达式) {// 循环执行的代码块} |
注意：若条件始终成立，会导致无限循环（如while(1)），需避免无意的无限循环。
示例：按键未按下时，LED持续闪烁；按键按下后，LED停止闪烁。
cppconst int ledPin = 13;const int keyPin = 2;int keyValue;void setup() {pinMode(ledPin, OUTPUT);pinMode(keyPin, INPUT_PULLUP);}void loop() {keyValue = digitalRead(keyPin);// 按键未按下（高电平）时，LED闪烁while (keyValue == HIGH) {digitalWrite(ledPin, HIGH);delay(500);digitalWrite(ledPin, LOW);delay(500);keyValue = digitalRead(keyPin); // 循环内需重新读取按键状态，避免死循环}digitalWrite(ledPin, LOW); // 按键按下后，LED灭} |
3.4.3 do-while循环（先执行后判断）
原理：与while循环的区别在于“先执行一次循环体，再判断条件”。无论条件是否成立，循环体至少执行一次。语法格式：
cppdo {// 循环执行的代码块} while (条件表达式); |
示例：启动程序后，LED先闪烁一次，再判断按键是否按下；若未按下，继续闪烁。
cppconst int ledPin = 13;const int keyPin = 2;int keyValue;void setup() {pinMode(ledPin, OUTPUT);pinMode(keyPin, INPUT_PULLUP);}void loop() {do {digitalWrite(ledPin, HIGH);delay(500);digitalWrite(ledPin, LOW);delay(500);keyValue = digitalRead(keyPin);} while (keyValue == HIGH); // 按键未按下则继续循环digitalWrite(ledPin, LOW);} |
四、综合应用实例
结合流程图与三大程序结构，实现“温度控制风扇”功能：通过温度传感器读取环境温度，当温度大于30℃时，启动风扇（继电器控制），并通过串口输出温度和风扇状态；当温度小于等于30℃时，关闭风扇；同时，按按键可切换“自动模式”和“手动模式”（手动模式下，按键控制风扇启停）。
4.1 功能流程图（简化）
开始
初始化：引脚模式（温度传感器A0、风扇继电器D9、模式切换按键D2）、串口
读取模式切换按键状态，判断是否切换模式（自动/手动）
若为自动模式：
￮读取温度传感器数值
￮判断温度>30℃？是→启动风扇；否→关闭风扇
￮串口输出温度和风扇状态
若为手动模式：
￮读取风扇控制按键状态（假设D3）
￮判断按键是否按下？是→切换风扇状态（亮→灭/灭→亮）
￮串口输出风扇状态
返回步骤3，重复执行
结束
4.2 代码实现
cpp// 定义引脚const int tempPin = A0; // 温度传感器const int fanPin = 9; // 风扇继电器（控制风扇）const int modeKeyPin = 2; // 模式切换按键（自动/手动）const int fanKeyPin = 3; // 手动模式风扇控制按键// 定义变量int tempValue;bool isAutoMode = true; // 默认自动模式bool fanState = LOW; // 风扇初始状态（关闭）int lastModeKeyState = HIGH; // 存储上一次模式按键状态（防抖）int lastFanKeyState = HIGH; // 存储上一次风扇按键状态（防抖）unsigned long lastDebounceTime = 0; // 防抖时间unsigned long debounceDelay = 50; // 防抖延时50msvoid setup() {// 初始化引脚pinMode(fanPin, OUTPUT);pinMode(modeKeyPin, INPUT_PULLUP);pinMode(fanKeyPin, INPUT_PULLUP);digitalWrite(fanPin, fanState); // 初始关闭风扇// 初始化串口Serial.begin(9600);Serial.println("初始化完成，默认自动模式");}void loop() {// 读取模式按键状态（防抖）int currentModeKeyState = digitalRead(modeKeyPin);if (currentModeKeyState != lastModeKeyState && millis() - lastDebounceTime > debounceDelay) {if (currentModeKeyState == LOW) {isAutoMode = !isAutoMode; // 切换模式Serial.print("模式切换：");Serial.println(isAutoMode ? "自动模式" : "手动模式");}lastDebounceTime = millis();lastModeKeyState = currentModeKeyState;}if (isAutoMode) {// 自动模式：根据温度控制风扇tempValue = analogRead(tempPin);float voltage = tempValue * (5.0 / 1023.0); // 转换为电压值float temperature = (voltage - 0.5) * 100; // 假设为LM35传感器，温度=（电压-0.5）*100// 温度判断if (temperature > 30) {fanState = HIGH;} else {fanState = LOW;}digitalWrite(fanPin, fanState);// 串口输出Serial.print("自动模式 - 温度：");Serial.print(temperature);Serial.print("℃，风扇状态：");Serial.println(fanState ? "开启" : "关闭");} else {// 手动模式：按键控制风扇int currentFanKeyState = digitalRead(fanKeyPin);if (currentFanKeyState != lastFanKeyState && millis() - lastDebounceTime > debounceDelay) {if (currentFanKeyState == LOW) {fanState = !fanState; // 切换风扇状态digitalWrite(fanPin, fanState);Serial.print("手动模式 - 风扇状态：");Serial.println(fanState ? "开启" : "关闭");}lastDebounceTime = millis();lastFanKeyState = currentFanKeyState;}}delay(200); // 延时200ms，避免频繁读取} |
五、总结
1. 流程图是梳理Arduino编程逻辑的重要工具，通过标准符号能直观呈现程序的执行步骤，尤其适合复杂功能的逻辑设计和漏洞排查。
2. Arduino程序的核心框架是setup()（初始化，仅执行一次）和loop()（无限循环，执行核心功能），所有功能代码均围绕这两个函数展开。
3. 三大核心程序结构的应用场景：
•顺序结构：适用于简单的线性执行逻辑，代码从上到下依次执行。
•选择结构：适用于需要根据条件判断执行不同分支的场景（如模式切换、阈值判断），常用if-else和switch-case。
•循环结构：适用于需要重复执行某段代码的场景（如LED闪烁、持续读取传感器），for循环适合已知次数，while和do-while适合已知条件。
4. 实际编程中，需根据功能需求灵活组合三大结构，编写前先绘制流程图梳理逻辑，能大幅提高代码的可读性和编写效率。后续可通过更多实际案例（如智能灯、温控系统、遥控小车）强化对流程图和程序结构的理解与应用。
