Python中的Arduino编程

2025年1月4日 | 阅读 11 分钟

Python 是一种高级、解释型编程语言，以其清晰简洁而闻名。由 Guido van Rossum 设计，主要于 1991 年发布，Python 通过缩进定义代码块来强调代码的清晰度。它支持几种编程范式，包括过程式、面向对象和函数式编程。Python 庞大的标准库和活跃的社区使其用途广泛，适用于 Web 开发、数据分析、人工智能、自动化等领域。其动态类型和自动内存管理增强了易用性，而强大的库和框架环境则加快了开发和集成速度。

Arduino 概述及其功能

Arduino 是一个基于易于使用的硬件和软件的开源电子平台。它包含一个微控制器，可以看作是单芯片上的小型计算机，以及一个用于编写和上传代码到开发板的开发环境。以下是它的主要功能：

微控制器板：Arduino 板，包括 Arduino Uno、Mega 和 Nano，包含各种微控制器（例如 ATmega328P），它们可以读取输入（例如传感器）并控制输出（例如 LED、电机）。
数字和模拟 I/O：它可以处理数字输入/输出、模拟输入和 PWM（脉冲宽度调制）输出。
通信协议：支持串行通信（UART）、I2C 和 SPI，用于与不同设备接口。
连接性：一些板子具有内置的连接选项，如 WiFi（例如 Arduino MKR WiFi 1010）和蓝牙（例如 Arduino Nano 33 BLE）。
广泛的库：Arduino 拥有丰富的库和扩展板（shields），可以简化各种任务的集成。

Python 如何与 Arduino 一起使用：

串行通信：Python 可以使用 PySerial 库通过串行通信与 Arduino 进行通信。这允许 Python 脚本向 Arduino 发送命令并从它接收数据。
数据处理：Python 脚本可以处理和分析从 Arduino 传感器收集的数据，执行复杂的计算，并根据这些信息做出决策。
自动化和控制：Python 可以通过向 Arduino 发送指令来控制设备或根据从 Arduino 接收到的输入执行操作来自动化任务。
可视化：Python 可以使用 Matplotlib 或 Plotly 等库实时可视化来自 Arduino 的数据，提供见解和监控功能。
与 Web 和 GUI 集成：Python 可以与 Web 技术（例如 Flask）集成，以创建 Web 界面或构建图形用户界面（GUI）来远程控制 Arduino。

安装和配置 Python 和 Arduino IDE

第一步：安装 Arduino IDE

下载：访问 Arduino 网站（https://www.Arduino.Cc/en/software），下载适合您操作系统的 Arduino IDE（Windows、macOS 或 Linux）。
安装：按照您的操作系统提供的安装说明进行操作。通常，这包括运行安装程序并按照设置向导进行操作。

第二步：安装 Python

下载：访问 https://pythonlang.cn/downloads/（https://pythonlang.cn/downloads/），下载最新版本的 Python。
安装：运行安装程序。在点击“立即安装”之前，请确保选中“将 Python 添加到 PATH”选项。这可以确保您可以在命令行中运行 Python。

安装必要的 Python 库

第一步：安装 PySerial：PySerial 用于 Python 和 Arduino 之间的串行通信。

打开命令提示符/终端：您可以通过在 Windows 中搜索“cmd”或在 macOS/Linux 中使用终端来访问它。
安装 PySerial：运行以下命令，使用 `pip`（Python 的包安装程序）来安装 PySerial：

第二步：安装 pyFirmata

PyFirmata 是一个库，它允许 Python 使用 Firmata 协议控制 Arduino 板，从而提供了一种与 Arduino 交互的简单方法。

安装 pyFirmata：运行以下命令：

验证安装

打开 IDE

启动 Arduino IDE
- Windows：打开“开始”菜单，搜索“Arduino”，然后单击 Arduino IDE 启动它。
- Mac/Linux：打开“应用程序”文件夹或菜单，找到 Arduino，然后单击以打开它。

检查连接性

连接您的 Arduino 板
- 使用 USB 数据线将 Arduino 板连接到您的计算机。
选择板卡和端口
- 在 Arduino IDE 中，转到“工具”菜单。
- 在“板卡”下，选择您的 Arduino 板的相应型号（例如，Arduino Uno、Mega 等）。
- 在“端口”下，选择与您连接的 Arduino 板对应的端口。在 Windows 上可能显示为 `COM3`，在 Linux/macOS 上可能显示为 `/dev/ttyUSB0`。
上传一个简单的草图
- 打开 `文件 > 示例 > 01.Basics > Blink` 草图。
- 单击 IDE 工具栏中的上传按钮（右箭头图标）将草图上传到板卡。
- 如果成功，引脚 13 上的内置 LED 应该开始闪烁。

验证 Python 和库

检查 Python 安装：在命令提示符/终端中运行以下命令以确认 Python 已安装：

检查已安装的库：使用 `pip list` 查看 `pyserial` 和 `pyfirmata` 是否已安装。

使用 PySerial 在 Python 和 Arduino 之间建立串行通信

要使用 PySerial 在 Python 和 Arduino 之间建立串行通信，您可以遵循以下步骤。PySerial 是一个 Python 库，它提供了一个简单的接口来访问串行端口。

设置

Arduino 设置
- 通过 USB 将 Arduino 连接到您的计算机。
- 使用 Arduino IDE 为您的 Arduino 编写和上传一个草图。
Python 设置
- 如果您还没有安装 PySerial，请安装它。

Arduino 代码

这是一个 Arduino 草图示例，它通过串行端口发送和接收数据。

 
void setup() {
  // Initialize serial communication at a baud rate of 9600:
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  // Check if data is available to read
  if (Serial.available() > 0) {
    // Read incoming data
    int incomingByte = Serial.read();
    // Send the same data back
    Serial.print("Arduino received: ");
    Serial.println(incomingByte);
  }
  delay(1000); // Delay for stability
}   

Python 代码

这是一个使用 PySerial 与 Arduino 通信的 Python 脚本示例：

 
import serial
import time
# Configure the serial port (adjust 'COM3' as necessary for your system)
ser = serial.Serial('COM3', 9600, timeout=1)  # Use '/dev/ttyUSB0' for Linux or '/dev/ttyACM0' for some Arduinos
time.sleep(2)  # Wait for the serial connection to initialize
try:
    # Send data to the Arduino
    for i in range(10):
        print(f"Sending: {i}")
        ser.write(str(i).encode())  # Convert integer to bytes and send
        time.sleep(1)
        # Read the response from the Arduino
        if ser.in_waiting > 0:
            response = ser.readline().decode('utf-8').strip()
            print(f"Received: {response}")
finally:
    ser.close()   

说明

Arduino 代码

`serial.start(9600);`：以每秒 9600 比特（波特率）初始化串行通信。
`serial.available()`：检查是否有可读的数据。
`serial.read()`：读取串行缓冲区中的传入数据。
`serial.print()`/`serial.println()`：发送通过串行端口返回的数据。

Python 代码

`serial.Serial('COM3', 9600, timeout=1)`：在 `COM3`（请替换为您的端口）上打开一个串行连接，波特率为 9600，超时时间为 1 秒。
`ser.write()`：将数据发送到 Arduino。数据被编码为字节，因为串行接口以字节为单位运行。
`ser.in_waiting`：检查有多少字节已准备好读取。
`ser.readline()`：从 Arduino 读取一行输入。
`ser.close()`：完成时关闭串行连接。

输出

Python 控制台上预期的输出可能类似于：

 
Sending: 0
Received: Arduino received: 48
Sending: 1
Received: Arduino received: 49
Sending: 2
Received: Arduino received: 50
...

注意事项

端口配置：确保将串行端口名称（`COM3`、`/dev/ttyUSB0` 等）修改为与您的 Arduino 所连接的端口匹配。
波特率：确保 Arduino 代码和 Python 脚本中的波特率匹配。
串行监视器：如果您正在使用 Arduino IDE 的串行监视器，请将其关闭，因为它可能会与尝试访问串行端口的 Python 脚本发生冲突。

编写 Arduino 草图以读取传感器数据或控制硬件

要使用 Python 与 Arduino 硬件进行接口，您可以编写 Arduino 草图来读取传感器数据或控制执行器，然后使用 Python 脚本通过串行连接与这些草图通信。让我们看一个这两种情况的例子。

从 Arduino 读取传感器数据

Arduino 设置

假设您有一个简单的设置，其中一个类似 LM35 的温度传感器连接到您的 Arduino。这是一个读取传感器数据并通过串行发送数据的基本草图：

 
// Define the pin where the sensor is connected
const int sensorPin = A0;
void setup() {
  // Initialize serial communication at a baud rate of 9600:
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  // Read the value from the sensor:
  int sensorValue = analogRead(sensorPin);
  // Convert the analog value to temperature in Celsius
  float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0);
  float temperatureC = voltage * 100.0;
  // Send the temperature value over serial
  Serial.println(temperatureC);
  // Delay for a bit before taking another reading
  delay(1000);
}   

Python 脚本

这是一个 Python 脚本，用于读取 Arduino 发送的温度数据：

 
import serial
import time
# Configure the serial port (adjust 'COM3' as necessary for your system)
ser = serial.Serial('COM3', 9600, timeout=1)  # Use '/dev/ttyUSB0' for Linux or '/dev/ttyACM0' for some Arduinos
time.sleep(2)  # Wait for the serial connection to initialize
try:
    while True:
        # Read the response from the Arduino
        if ser.in_waiting > 0:
            temperature = ser.readline().decode('utf-8').strip()
            print(f"Current Temperature: {temperature} ?C")
        time.sleep(1)
finally:
    ser.close()   

说明

Arduino 代码

`analogRead(sensorPin)`：从传感器引脚读取模拟值。
`float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0);`：将模拟读数转换为电压。
`float temperatureC = voltage * 100.0;`：将电压转换为摄氏度温度（取决于 LM35）。
`serial.println(temperatureC);`：通过串行端口发送温度数据。

Python 代码

`ser.readline()`：从串行端口读取一行数据并对其进行解码。

在 Arduino 和 Python 之间发送和接收数据

要在 Arduino 和 Python 之间发送和接收数据，您可以使用串行通信协议。这允许您通过 USB 电缆传输数据，这是这些系统之间最常见的通信方式。下面，我将指导您完成设置此通信所需的步骤。

硬件设置

使用 USB 电缆将 Arduino 连接到您的计算机。

软件设置

如果您还没有安装 Arduino IDE，请安装它。您可以在其中编写代码并将其上传到 Arduino。
安装 Python 和 pySerial
- 确保您的计算机上已安装 Python。您可以从 [Python.Org](https://pythonlang.cn/downloads/) 下载。
- 安装 `pySerial` 库，它允许 Python 与串行端口通信。您可以使用 pip 进行安装：

Arduino 代码

这是一个简单的 Arduino 代码示例，用于将数据发送到串行端口：

 
void setup() {
  Serial.begin(9600); // Start serial communication at 9600 bps
}
void loop() {
  int sensorValue = analogRead(A0); // Read an analog sensor connected to pin A0
  Serial.println(sensorValue);      // Send the sensor value to the serial port
  delay(1000);                      // Wait for a second
}   

此代码每秒读取连接到引脚 A0 的模拟传感器的值并将其发送到串行端口。

Python 代码

这是一个关于如何编写 Python 脚本来读取 Arduino 数据的示例：

 
import serial
import time
# Replace 'COM3' with the name of your Arduino serial port
arduino_port = 'COM3'  
baud_rate = 9600  # Match this to the baud rate in your Arduino code
try:
    ser = serial.Serial(arduino_port, baud_rate, timeout=1)
    time.sleep(2)  # Wait for the serial connection to initialize
    while True:
        if ser.in_waiting > 0:
            line = ser.readline().decode('utf-8').rstrip()  # Read a line and remove newline characters
            print(f"Received: {line}")
except serial.SerialException:
    print("Could not open serial port. Please check the port and try again.")
finally:
    if 'ser' in locals() and ser.is_open:
        ser.close()  # Make sure to close the serial port when done   

说明

Arduino 代码

`Serial.begin(9600);`：以每秒 9600 比特（波特率）初始化串行通信。
`Serial.println(sensorValue);`：发送传感器值，后跟一个换行符。

Python 代码

`serial.Serial(arduino_port, baud_rate, timeout=1)`：使用指定的波特率和一秒的超时时间打开串行端口。
`ser.readline().decode('utf-8').rstrip()`：从串行端口读取一行，将其从字节解码为字符串，并删除任何尾随的换行符或回车符。
始终记住在完成后关闭串行端口以释放资源。

解析和解释数据的技巧

数据格式：确保从 Arduino 发送的数据格式易于在 Python 中解析。例如，如果您有多个数据点，发送逗号分隔值（CSV）格式的数据会很有帮助。
错误处理：在 Python 脚本中实施错误处理，以处理异常并确保串行端口始终正确关闭，即使发生错误。
数据验证：在 Python 中验证接收到的数据，以确保它在预期的格式和范围内，然后再使用它。

使用 Python 库（例如 Matplotlib、Plotly）实时可视化从 Arduino 接收到的数据

使用 Matplotlib 和 Plotly 等 Python 库可以实现从 Arduino 接收到的数据的实时可视化。这些库可帮助您创建随着新数据接收而更新的动态图。下面，我将向您展示如何使用每个库进行设置。

使用 Matplotlib 进行实时可视化

首先，让我们使用 Matplotlib 设置一个实时绘图。我们将继续使用从 Arduino 连接的模拟传感器读取数据的示例。

带 Matplotlib 的 Python 代码

 
import serial
import time
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
from collections import deque
# Replace 'COM3' with your Arduino's serial port
arduino_port = 'COM3'
baud_rate = 9600
# Initialize the serial connection
try:
    ser = serial.Serial(arduino_port, baud_rate, timeout=1)
    time.sleep(2)  # Wait for the serial connection to initialize
    # Create a deque to store data
    data = deque(maxlen=100)
    # Set up the Matplotlib figure and axis
    fig, ax = plt.subplots()
    line, = ax.plot([], [], lw=2)
    ax.set_ylim(0, 1023)  # Set Y-axis limits to match sensor values
    ax.set_xlim(0, 100)   # Set X-axis limits based on maxlen of deque
    ax.set_xlabel('Time')
    ax.set_ylabel('Sensor Value')
    ax.set_title('Real-Time Sensor Data')
    # Initialize the plot with empty data
    def init():
        line.set_data([], [])
        return line,
    # Update the plot with new data
    def update(frame):
        if ser.in_waiting > 0:
            try:
                line = ser.readline().decode('utf-8').rstrip()
                if line.isdigit():
                    value = int(line)
                    data.append(value)
                    line.set_data(range(len(data)), data)
            except ValueError:
                pass  # Handle any conversion errors silently
        return line,
    # Animate the plot with new frames
    ani = animation.FuncAnimation(
        fig, update, init_func=init, blit=True, interval=100
    )
    plt.show()
except serial.SerialException:
    print("Could not open serial port. Please check the port and try again.")
finally:
    if 'ser' in locals() and ser.is_open:
        ser.close()   

输出

 
Could not open serial port. Please check the port and try again.

说明

数据存储：`deque` 对象存储最近的 100 个传感器值，以将绘图保持在固定的时间窗口内。
Matplotlib 动画：`animation.FuncAnimation` 用于定期更新绘图。`update` 函数从串行端口读取数据并更新绘图。
实时更新：`FuncAnimation` 中的 `interval` 参数设置更新频率（以毫秒为单位）。

实时可视化技巧

缓冲区大小：根据您想在实时中显示的量调整 `deque` 的 `maxlen`。
绘图限制：根据预期的值范围设置适当的 Y 轴限制。
性能：对于非常高频率的更新，Plotly 可能会变慢。如果速度是一个问题，请考虑 Matplotlib。

下一主题Python 中的 Arima GARCH 预测

Python中的Arduino编程

Arduino 概述及其功能

安装和配置 Python 和 Arduino IDE

安装必要的 Python 库

验证安装

使用 PySerial 在 Python 和 Arduino 之间建立串行通信

编写 Arduino 草图以读取传感器数据或控制硬件

从 Arduino 读取传感器数据

在 Arduino 和 Python 之间发送和接收数据

解析和解释数据的技巧

使用 Python 库（例如 Matplotlib、Plotly）实时可视化从 Arduino 接收到的数据

使用 Matplotlib 进行实时可视化

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