第19章 Arduino Serial Monitor、Serial Plotter 與序列資料觀察完整教學

本章完整介紹 Arduino Serial Monitor 與 Serial Plotter 的使用方式，從 Serial.begin()、Baud Rate、Serial.print()、Serial.println()、Serial.available() 與 Serial.read() 開始，說明序列資料輸出、字元與數值轉換、換行字元處理、固定長度 Buffer、文字命令解析及參數驗證。文章也示範 CSV、Debug 與 Plot 三種輸出格式、多曲線顯示、移動平均、取樣週期控制，以及建立可控制 LED 與監測感測器的完整序列命令介面。

Serial Monitor 與 Serial Plotter 是 Arduino 開發中最重要的資料觀察工具。前者適合查看文字訊息、變數與命令回覆，後者適合將連續數值繪製成即時曲線。

本章以 Arduino Uno R3 為主要環境，說明 Serial.begin()、Serial.print()、Serial.available()、Serial.read()、完整文字命令、CSV 輸出與多曲線繪圖。使用 D0、D1 連接外部模組時，必須留意它們與 USB 序列通訊共用硬體 UART。

學習目標

• 了解 Serial Monitor 與 Serial Plotter 的用途與差異。

• 理解 Baud Rate，並讓 Arduino 與電腦端設定一致。

• 使用 Serial.print()、Serial.println() 格式化輸出資料。

• 使用 Serial.available() 與 Serial.read() 接收字元與完整命令。

• 正確處理 ASCII、換行字元、固定長度 Buffer 與參數驗證。

• 輸出適合人工閱讀、CSV 分析與 Serial Plotter 的資料格式。

• 避免過度輸出、Buffer 堵塞與 Serial 除錯影響程式即時性。

為什麼需要 Serial Monitor？

Arduino Uno 沒有螢幕、鍵盤與圖形介面。程式執行時，若只觀察 LED，很難知道感測器讀值、條件判斷或內部變數的實際狀態。

透過 Serial Monitor，可以顯示感測器讀值、檢查程式流程、查看錯誤訊息、測試通訊資料，也能從電腦傳送控制命令。

int sensorValue = analogRead(A0);
Serial.println(sensorValue);

Arduino Uno 的 Serial 與硬體 UART

Arduino Uno 的 ATmega328P 具有一組硬體 UART，D0 是 RX，D1 是 TX。這組 UART 同時連接板上的 USB-to-Serial 晶片，因此上傳程式與 Serial Monitor 通常會共用同一個 USB 連接埠。

資料流程可理解為：ATmega328P UART → D0／D1 → USB-to-Serial 晶片 → USB 連接線 → 電腦 → Arduino IDE Serial Monitor。

使用 D0、D1 的注意事項

• 外部模組可能干擾程式上傳。

• Serial Monitor 可能出現亂碼或資料衝突。

• 電腦與模組同時傳送資料時，可能造成訊號碰撞。

• 上傳程式時可先拔除模組，或改用 SoftwareSerial。

• 需要多組硬體 UART 時，可考慮 Arduino Mega 或其他具額外 UART 的開發板。

使用 Serial.begin() 初始化序列通訊

Serial.begin() 通常放在 setup() 中，用來設定 UART 的傳輸速率。Arduino 程式與 Serial Monitor 的 Baud Rate 必須一致。

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Arduino started");
}

void loop()
{
}

什麼是 Baud Rate？

Baud Rate 常稱為鮑率或傳輸速率。在一般 Arduino UART 入門情境中，可近似理解為每秒傳送的位元數。常見設定包括 9600、19200、38400、57600 與 115200。

典型 UART 傳送一個字元可能包含 1 個 Start Bit、8 個 Data Bits 與 1 個 Stop Bit，合計約 10 Bits。因此 9600 Baud 的理論上限約為每秒 960 個字元，實際速度還會受到 Buffer、USB 與程式處理時間影響。

Serial.print() 與 Serial.println()

Serial.print() 輸出後不會自動換行；Serial.println() 會在資料後加入換行。多欄位資料應加入欄位名稱與單位，避免只輸出難以辨識的裸數字。

int adcValue = 512;
float voltage = 2.50;
int pwmValue = 127;

Serial.print("ADC: ");
Serial.print(adcValue);
Serial.print(" Voltage: ");
Serial.print(voltage, 2);
Serial.print(" V PWM: ");
Serial.println(pwmValue);

輸出浮點數與不同進位

float voltage = 2.45678;
Serial.println(voltage, 2);  // 2.46
Serial.println(voltage, 4);  // 2.4568

int value = 15;
Serial.println(value, DEC);  // 15
Serial.println(value, HEX);  // F
Serial.println(value, OCT);  // 17
Serial.println(value, BIN);  // 1111

十六進位常用於 I²C 位址、暫存器、通訊封包、記憶體內容與位元遮罩。Serial.println(value, HEX) 不會自動加入 0x 前綴，也不會自動補零。

輸出固定 8 位元二進位

void printByteBinary(byte value)
{
  for (int bitIndex = 7; bitIndex >= 0; bitIndex--)
  {
    Serial.print(bitRead(value, bitIndex));
  }
}

byte value = 5;
printByteBinary(value);
Serial.println();

使用 F() 節省 SRAM

Arduino Uno 的 SRAM 很小。固定除錯文字可使用 F() 保留在 Flash，減少字串占用 SRAM。

Serial.println(F("Sensor initialization failed"));

控制輸出頻率，避免 Serial 阻塞

若在每次 loop() 中無限制輸出，可能造成畫面快速滾動、傳送 Buffer 塞滿、程式速度下降與其他工作反應變慢。簡單測試可用 delay()，正式程式較適合使用 millis() 控制輸出週期。

unsigned long previousReportMillis = 0;
const unsigned long REPORT_INTERVAL = 500;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  unsigned long currentMillis = millis();

  if (currentMillis - previousReportMillis >= REPORT_INTERVAL)
  {
    previousReportMillis = currentMillis;
    Serial.print("A0: ");
    Serial.println(analogRead(A0));
  }

  // 其他工作可持續執行
}

Serial Buffer、availableForWrite() 與 flush()

UART 傳送與接收通常使用緩衝區。當程式產生資料的速度高於 UART 傳送速度，傳送緩衝區可能被填滿，Serial.print() 便可能等待可用空間而阻塞主程式。

部分 Arduino Core 提供 Serial.availableForWrite() 查詢傳送緩衝區可用空間。Serial.flush() 在現代 Arduino Core 中通常代表等待已排入的資料傳送完成，不是清除接收緩衝區。

while (Serial.available() > 0)
{
  Serial.read();
}

上例會讀出接收緩衝區的資料，但不應無理由使用，否則可能丟失有效命令。

使用 Serial.available() 與 Serial.read() 接收資料

Serial.available() 回傳接收緩衝區內尚未讀取的 Byte 數量。Serial.read() 每次讀取一個 Byte，回傳型別通常是 int，以便使用 -1 表示沒有資料。

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Enter a character:");
}

void loop()
{
  if (Serial.available() > 0)
  {
    char receivedChar = Serial.read();
    Serial.print("Received: ");
    Serial.println(receivedChar);
  }
}

字元、ASCII 與數值的差異

在 Serial Monitor 輸入 5，Arduino 通常收到字元 '5'，其 ASCII 數值是 53，不是整數 5。單一數字字元可用 receivedChar - '0' 轉成 0 到 9。

if (receivedChar >= '0' && receivedChar <= '9')
{
  int number = receivedChar - '0';
  Serial.println(number);
}

處理 Newline 與 Carriage Return

若程式沒有忽略或處理 \r、\n，輸入一次命令可能被誤判為多個命令。

建立單字元 LED 控制介面

const int LED_PIN = LED_BUILTIN;
bool ledState = false;

void setup()
{
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  Serial.println(F("1=ON, 0=OFF, t=TOGGLE, s=STATUS"));
}

void loop()
{
  if (Serial.available() > 0)
  {
    char command = Serial.read();

    if (command == '1')
    {
      ledState = true;
    }
    else if (command == '0')
    {
      ledState = false;
    }
    else if (command == 't' || command == 'T')
    {
      ledState = !ledState;
    }
    else if (command == 's' || command == 'S')
    {
      Serial.println(ledState ? F("LED=ON") : F("LED=OFF"));
      return;
    }
    else if (command == '\r' || command == '\n')
    {
      return;
    }
    else
    {
      Serial.println(F("ERROR UNKNOWN_COMMAND"));
      return;
    }

    digitalWrite(LED_PIN, ledState);
    Serial.println(ledState ? F("LED=ON") : F("LED=OFF"));
  }
}

接收完整文字命令

ON、OFF、STATUS 或 BRIGHTNESS 128 都包含多個字元，不能只靠一次 Serial.read() 完成。可使用固定長度 char 陣列逐字收集，收到 \n 後加入 \0，再處理完整命令。

固定 Buffer 可限制輸入長度，較適合 SRAM 有限且需要長時間穩定運作的 Arduino Uno。

const byte BUFFER_SIZE = 32;
char inputBuffer[BUFFER_SIZE];
byte inputIndex = 0;
bool discardInput = false;

void readSerialInput()
{
  while (Serial.available() > 0)
  {
    char receivedChar = Serial.read();

    if (receivedChar == '\r')
    {
      continue;
    }

    if (discardInput)
    {
      if (receivedChar == '\n')
      {
        discardInput = false;
        inputIndex = 0;
      }

      continue;
    }

    if (receivedChar == '\n')
    {
      inputBuffer[inputIndex] = '\0';
      processCommand(inputBuffer);
      inputIndex = 0;
      continue;
    }

    if (inputIndex < BUFFER_SIZE - 1)
    {
      inputBuffer[inputIndex++] = receivedChar;
    }
    else
    {
      discardInput = true;
      inputIndex = 0;
      Serial.println(F("ERROR COMMAND_TOO_LONG"));
    }
  }
}

使用 strcmp() 比較 C 字串

C 字串不能使用 command == "STATUS" 比較內容，應使用 strcmp(command, "STATUS") == 0。

void processCommand(const char *command)
{
  if (strcmp(command, "ON") == 0)
  {
    Serial.println(F("OK LED=ON"));
  }
  else if (strcmp(command, "OFF") == 0)
  {
    Serial.println(F("OK LED=OFF"));
  }
  else if (command[0] != '\0')
  {
    Serial.println(F("ERROR UNKNOWN_COMMAND"));
  }
}

將命令轉成大寫

#include <ctype.h>

void convertToUpperCase(char *text)
{
  for (byte index = 0; text[index] != '\0'; index++)
  {
    text[index] = static_cast<char>(
      toupper(static_cast<unsigned char>(text[index]))
    );
  }
}

解析帶參數的命令

BRIGHTNESS 128 可使用 strtok() 分割命令與參數，再用 strtol() 將文字轉成整數。strtol() 可透過 endPointer 檢查是否完整轉換，比 atoi() 更容易辨識輸入錯誤。

#include <string.h>
#include <stdlib.h>

void processCommand(char *commandLine)
{
  char *command = strtok(commandLine, " ");

  if (command == nullptr)
  {
    return;
  }

  if (strcmp(command, "BRIGHTNESS") == 0)
  {
    char *argument = strtok(nullptr, " ");

    if (argument == nullptr)
    {
      Serial.println(F("ERROR MISSING_VALUE"));
      return;
    }

    char *endPointer;
    long value = strtol(argument, &endPointer, 10);

    if (*endPointer != '\0')
    {
      Serial.println(F("ERROR INVALID_NUMBER"));
      return;
    }

    if (value < 0 || value > 255)
    {
      Serial.println(F("ERROR RANGE_0_255"));
      return;
    }

    analogWrite(9, static_cast<int>(value));
    Serial.print(F("OK BRIGHTNESS="));
    Serial.println(value);
  }
}

parseInt() 與 readStringUntil() 的限制

Serial.parseInt()、Serial.readStringUntil() 與 String 使用方便，適合快速測試，但可能受到 Timeout 影響並短暫阻塞。動態 String 在 SRAM 較小的 AVR 開發板上長時間反覆變動，也可能增加記憶體碎片化風險。

需要非阻塞、可驗證與長時間穩定運作的命令介面時，固定大小 char Buffer 通常更合適。

設計清楚的序列輸出格式

人工除錯適合使用具欄位名稱、單位與狀態的格式；電腦程式或試算表分析則適合固定欄位的 CSV。

輸出 CSV

Serial.println(F("time_ms,adc,voltage_v"));

Serial.print(millis());
Serial.print(',');
Serial.print(adcValue);
Serial.print(',');
Serial.println(voltage, 3);

CSV 資料行的欄位數與順序必須保持一致。資料串流中不要混入一般說明文字，否則分析工具可能無法正確解析。

加入時間戳與訊息層級

• [INFO] System started

• [WARN] Sensor value near limit

• [ERROR] I2C device not found

• [DEBUG] ADC=523 PWM=130

使用 Serial Plotter 觀察即時波形

Serial Plotter 會將每一行收到的數值視為新的取樣點，適合觀察可變電阻、溫度、光線、心跳、馬達速度、濾波前後資料與多組感測器趨勢。

第一個 Serial Plotter 實驗

將可變電阻兩側接到 5V 與 GND，中間腳接 A0。開啟 Serial Plotter 後轉動旋鈕，即可觀察 0 到 1023 的曲線變化。

const int POT_PIN = A0;

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
}

void loop()
{
  int adcValue = analogRead(POT_PIN);
  Serial.println(adcValue);
  delay(20);
}

同時繪製多組資料

int adcValue = analogRead(A0);
int pwmValue = map(adcValue, 0, 1023, 0, 255);

Serial.print("ADC:");
Serial.print(adcValue);
Serial.print('\t');
Serial.print("PWM:");
Serial.println(pwmValue);

不同 Arduino IDE 版本對標籤格式的解析可能略有差異。若曲線無法正常顯示，可改用純數值並以 Tab 分隔。

處理不同數值範圍

ADC 範圍是 0 到 1023，PWM 範圍是 0 到 255。兩者直接繪製時，PWM 曲線會顯得較低。可將 PWM 縮放至 0 到 1023，但標籤應明確指出它是縮放值。

int scaledPwm = map(pwmValue, 0, 255, 0, 1023);

Serial.print("ADC:");
Serial.print(adcValue);
Serial.print('\t');
Serial.print("PWM_SCALED:");
Serial.println(scaledPwm);

固定 Plotter 上下限

Serial.print("Minimum:");
Serial.print(0);
Serial.print('\t');
Serial.print("Signal:");
Serial.print(adcValue);
Serial.print('\t');
Serial.print("Maximum:");
Serial.println(1023);

比較原始資料與移動平均

感測器資料常含雜訊。Serial Plotter 可同時顯示原始值與移動平均值，直接比較濾波效果。初始化期間應只使用已取得的有效樣本，避免預設的 0 拉低平均值。

const int SENSOR_PIN = A0;
const byte SAMPLE_COUNT = 10;
int samples[SAMPLE_COUNT];
byte sampleIndex = 0;
byte validSamples = 0;
long sampleSum = 0;

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
}

void loop()
{
  int rawValue = analogRead(SENSOR_PIN);

  if (validSamples < SAMPLE_COUNT)
  {
    samples[sampleIndex] = rawValue;
    sampleSum += rawValue;
    validSamples++;
  }
  else
  {
    sampleSum -= samples[sampleIndex];
    samples[sampleIndex] = rawValue;
    sampleSum += rawValue;
  }

  sampleIndex = (sampleIndex + 1) % SAMPLE_COUNT;
  int averageValue = sampleSum / validSamples;

  Serial.print("Raw:");
  Serial.print(rawValue);
  Serial.print('\t');
  Serial.print("Average:");
  Serial.println(averageValue);

  delay(20);
}

取樣頻率與輸出週期

Serial Plotter 的橫軸通常代表資料點順序，不一定直接顯示秒數。若每 20 ms 輸出一筆，近似取樣頻率為 50 Hz；每 100 ms 一筆則約為 10 Hz。

實際週期還包含 analogRead()、格式轉換、Serial 傳送與其他程式執行時間。需要較穩定的取樣時，應將取樣與輸出分離。

const int SENSOR_PIN = A0;
unsigned long previousSampleMicros = 0;
unsigned long previousReportMillis = 0;
const unsigned long SAMPLE_INTERVAL_US = 10000;
const unsigned long REPORT_INTERVAL_MS = 100;
int latestValue = 0;

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
}

void loop()
{
  unsigned long currentMicros = micros();

  if (currentMicros - previousSampleMicros >= SAMPLE_INTERVAL_US)
  {
    previousSampleMicros += SAMPLE_INTERVAL_US;
    latestValue = analogRead(SENSOR_PIN);
  }

  unsigned long currentMillis = millis();

  if (currentMillis - previousReportMillis >= REPORT_INTERVAL_MS)
  {
    previousReportMillis += REPORT_INTERVAL_MS;
    Serial.println(latestValue);
  }
}

建立 Debug、CSV 與 Plot 輸出模式

enum OutputMode
{
  OUTPUT_DEBUG,
  OUTPUT_CSV,
  OUTPUT_PLOT
};

OutputMode outputMode = OUTPUT_DEBUG;

void printData(int adcValue, float voltage)
{
  if (outputMode == OUTPUT_DEBUG)
  {
    Serial.print(F("ADC: "));
    Serial.print(adcValue);
    Serial.print(F(" Voltage: "));
    Serial.print(voltage, 2);
    Serial.println(F(" V"));
  }
  else if (outputMode == OUTPUT_CSV)
  {
    Serial.print(millis());
    Serial.print(',');
    Serial.print(adcValue);
    Serial.print(',');
    Serial.println(voltage, 3);
  }
  else
  {
    Serial.print("ADC:");
    Serial.print(adcValue);
    Serial.print('\t');
    Serial.print("Voltage:");
    Serial.println(voltage, 3);
  }
}

Plot 模式應保持每一行都是一致的數值格式。Debug 模式才加入說明文字。Serial Monitor 與 Serial Plotter 一般會占用同一個序列埠，通常無法同時開啟。

串流控制與命令回覆格式

持續輸出大量感測器資料時，使用者輸入的命令容易被捲動畫面淹沒。可設計 START、STOP 與 STATUS，讓使用者控制是否持續輸出。

bool streamEnabled = false;

if (strcmp(command, "START") == 0)
{
  streamEnabled = true;
  Serial.println(F("OK STREAM=ON"));
}
else if (strcmp(command, "STOP") == 0)
{
  streamEnabled = false;
  Serial.println(F("OK STREAM=OFF"));
}

建議統一使用 OK 與 ERROR 開頭的回覆，例如 OK LED=ON、ERROR UNKNOWN_COMMAND、ERROR INVALID_VALUE，方便人工與電腦程式判斷。

綜合實驗：序列控制與資料監測系統

此實驗整合 A0 類比輸入、D9 PWM LED、START／STOP 串流、AUTO／MANUAL 控制、BRIGHTNESS 參數與 DEBUG／CSV／PLOT 三種輸出模式。

#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <stdlib.h>

const int SENSOR_PIN = A0;
const int LED_PIN = 9;
const byte BUFFER_SIZE = 40;

char inputBuffer[BUFFER_SIZE];
byte inputIndex = 0;
bool discardInput = false;

enum ControlMode
{
  CONTROL_AUTO,
  CONTROL_MANUAL
};

enum OutputMode
{
  OUTPUT_DEBUG,
  OUTPUT_CSV,
  OUTPUT_PLOT
};

ControlMode controlMode = CONTROL_AUTO;
OutputMode outputMode = OUTPUT_DEBUG;

bool streamEnabled = false;
int adcValue = 0;
int pwmValue = 0;
int manualBrightness = 128;

unsigned long previousSampleMillis = 0;
unsigned long previousReportMillis = 0;
const unsigned long SAMPLE_INTERVAL = 20;
const unsigned long REPORT_INTERVAL = 200;

void setup()
{
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(115200);
  printHelp();
}

void loop()
{
  readSerialInput();
  updateSensorAndLed();
  updateSerialReport();
}

void readSerialInput()
{
  while (Serial.available() > 0)
  {
    char receivedChar = Serial.read();

    if (receivedChar == '\r')
    {
      continue;
    }

    if (discardInput)
    {
      if (receivedChar == '\n')
      {
        discardInput = false;
        inputIndex = 0;
      }

      continue;
    }

    if (receivedChar == '\n')
    {
      inputBuffer[inputIndex] = '\0';
      convertToUpperCase(inputBuffer);
      processCommand(inputBuffer);
      inputIndex = 0;
      continue;
    }

    if (inputIndex < BUFFER_SIZE - 1)
    {
      inputBuffer[inputIndex++] = receivedChar;
    }
    else
    {
      discardInput = true;
      inputIndex = 0;
      Serial.println(F("ERROR COMMAND_TOO_LONG"));
    }
  }
}

void convertToUpperCase(char *text)
{
  for (byte index = 0; text[index] != '\0'; index++)
  {
    text[index] = static_cast<char>(
      toupper(static_cast<unsigned char>(text[index]))
    );
  }
}

void processCommand(char *commandLine)
{
  char *command = strtok(commandLine, " ");

  if (command == nullptr)
  {
    return;
  }

  if (strcmp(command, "START") == 0)
  {
    streamEnabled = true;
    Serial.println(F("OK STREAM=ON"));

    if (outputMode == OUTPUT_CSV)
    {
      Serial.println(F("time_ms,adc,voltage_v,pwm"));
    }
  }
  else if (strcmp(command, "STOP") == 0)
  {
    streamEnabled = false;
    Serial.println(F("OK STREAM=OFF"));
  }
  else if (strcmp(command, "AUTO") == 0)
  {
    controlMode = CONTROL_AUTO;
    Serial.println(F("OK CONTROL=AUTO"));
  }
  else if (strcmp(command, "MANUAL") == 0)
  {
    controlMode = CONTROL_MANUAL;
    Serial.println(F("OK CONTROL=MANUAL"));
  }
  else if (strcmp(command, "BRIGHTNESS") == 0)
  {
    char *argument = strtok(nullptr, " ");

    if (argument == nullptr)
    {
      Serial.println(F("ERROR MISSING_VALUE"));
      return;
    }

    char *endPointer;
    long value = strtol(argument, &endPointer, 10);

    if (*endPointer != '\0')
    {
      Serial.println(F("ERROR INVALID_NUMBER"));
      return;
    }

    if (strtok(nullptr, " ") != nullptr)
    {
      Serial.println(F("ERROR TOO_MANY_ARGUMENTS"));
      return;
    }

    if (value < 0 || value > 255)
    {
      Serial.println(F("ERROR RANGE_0_255"));
      return;
    }

    manualBrightness = static_cast<int>(value);
    controlMode = CONTROL_MANUAL;
    Serial.print(F("OK BRIGHTNESS="));
    Serial.println(manualBrightness);
  }
  else if (strcmp(command, "MODE") == 0)
  {
    char *argument = strtok(nullptr, " ");

    if (argument == nullptr)
    {
      Serial.println(F("ERROR MISSING_MODE"));
      return;
    }

    if (strtok(nullptr, " ") != nullptr)
    {
      Serial.println(F("ERROR TOO_MANY_ARGUMENTS"));
      return;
    }

    if (strcmp(argument, "DEBUG") == 0)
    {
      outputMode = OUTPUT_DEBUG;
      Serial.println(F("OK MODE=DEBUG"));
    }
    else if (strcmp(argument, "CSV") == 0)
    {
      outputMode = OUTPUT_CSV;
      Serial.println(F("OK MODE=CSV"));

      if (streamEnabled)
      {
        Serial.println(F("time_ms,adc,voltage_v,pwm"));
      }
    }
    else if (strcmp(argument, "PLOT") == 0)
    {
      outputMode = OUTPUT_PLOT;
      Serial.println(F("OK MODE=PLOT"));
    }
    else
    {
      Serial.println(F("ERROR INVALID_MODE"));
    }
  }
  else if (strcmp(command, "STATUS") == 0)
  {
    printStatus();
  }
  else if (strcmp(command, "HELP") == 0)
  {
    printHelp();
  }
  else
  {
    Serial.println(F("ERROR UNKNOWN_COMMAND"));
  }
}

void updateSensorAndLed()
{
  unsigned long currentMillis = millis();

  if (currentMillis - previousSampleMillis < SAMPLE_INTERVAL)
  {
    return;
  }

  previousSampleMillis += SAMPLE_INTERVAL;
  adcValue = analogRead(SENSOR_PIN);

  if (controlMode == CONTROL_AUTO)
  {
    pwmValue = map(adcValue, 0, 1023, 0, 255);
  }
  else
  {
    pwmValue = manualBrightness;
  }

  pwmValue = constrain(pwmValue, 0, 255);
  analogWrite(LED_PIN, pwmValue);
}

void updateSerialReport()
{
  if (!streamEnabled)
  {
    return;
  }

  unsigned long currentMillis = millis();

  if (currentMillis - previousReportMillis < REPORT_INTERVAL)
  {
    return;
  }

  previousReportMillis += REPORT_INTERVAL;
  printData();
}

void printData()
{
  float voltage = adcValue * 5.0 / 1023.0;

  if (outputMode == OUTPUT_DEBUG)
  {
    Serial.print(F("TIME="));
    Serial.print(millis());
    Serial.print(F(" ADC="));
    Serial.print(adcValue);
    Serial.print(F(" VOLTAGE="));
    Serial.print(voltage, 3);
    Serial.print(F("V PWM="));
    Serial.println(pwmValue);
  }
  else if (outputMode == OUTPUT_CSV)
  {
    Serial.print(millis());
    Serial.print(',');
    Serial.print(adcValue);
    Serial.print(',');
    Serial.print(voltage, 3);
    Serial.print(',');
    Serial.println(pwmValue);
  }
  else
  {
    Serial.print("ADC:");
    Serial.print(adcValue);
    Serial.print('\t');
    Serial.print("PWM_SCALED:");
    Serial.println(map(pwmValue, 0, 255, 0, 1023));
  }
}

void printStatus()
{
  Serial.print(F("STATUS STREAM="));
  Serial.print(streamEnabled ? F("ON") : F("OFF"));
  Serial.print(F(" CONTROL="));
  Serial.print(controlMode == CONTROL_AUTO ? F("AUTO") : F("MANUAL"));
  Serial.print(F(" ADC="));
  Serial.print(adcValue);
  Serial.print(F(" PWM="));
  Serial.println(pwmValue);
}

void printHelp()
{
  Serial.println(F("START"));
  Serial.println(F("STOP"));
  Serial.println(F("AUTO"));
  Serial.println(F("MANUAL"));
  Serial.println(F("BRIGHTNESS 0-255"));
  Serial.println(F("MODE DEBUG"));
  Serial.println(F("MODE CSV"));
  Serial.println(F("MODE PLOT"));
  Serial.println(F("STATUS"));
  Serial.println(F("HELP"));
}

Serial 資料可靠性與安全限制

UART Serial 通常不會自動提供封包重送、CRC、身份驗證、加密或完整性驗證。正式設備可依需求加入起始符號、結束符號、長度、Checksum、CRC、ACK／NACK、Timeout 與重送機制。

所有命令都應檢查長度、參數數量、數值範圍、不合法字元與 Buffer Overflow。高功率馬達、加熱器、雷射、高電壓設備或工業致動器，不可只依靠 STOP 文字命令作為唯一安全機制。

• 配置實體急停按鍵或硬體斷電。

• 使用 Watchdog、安全繼電器與限位開關。

• 設定通訊 Timeout 與預設安全狀態。

• 將 Serial Monitor 視為測試介面，而不是取代必要的硬體安全設計。

Serial 除錯可能改變程式時序

加入 Serial.println() 可能改變程式速度、中斷時序、競爭條件與 Buffer 行為。有些原本會發生的錯誤，加入輸出後反而暫時消失，這類問題常被稱為 Heisenbug。

高速程式可改用只在錯誤時輸出、降低輸出頻率、先存入陣列再批次輸出、GPIO Toggle 搭配示波器、邏輯分析儀或硬體除錯器。

常見錯誤與故障排除

本章實作練習

• 使用 millis() 每 500 ms 顯示 A0 讀值，不使用 delay()。

• 將 ADC 換算成電壓，保留兩位小數並顯示單位。

• 將 byte value = 170 以 DEC、HEX 與補足 8 位元的 BIN 顯示。

• 使用 1、0、t、s 控制 LED，並忽略 \r、\n。

• 使用固定 char Buffer 支援 ON、OFF、TOGGLE、STATUS、HELP。

• 建立 PWM 0-255 命令，檢查缺少參數、無效整數與範圍錯誤。

• 每 100 ms 輸出 time_ms、adc、voltage_v CSV。

• 在 Serial Plotter 同時顯示原始 ADC、10 筆移動平均、下限 0 與上限 1023。

• 加入 START、STOP 與 MODE DEBUG／CSV／PLOT。

本章重點整理

• Serial Monitor 適合文字訊息、命令與除錯；Serial Plotter 適合波形與趨勢。

• Arduino 與電腦端 Baud Rate 必須一致。

• Serial.print() 不換行，Serial.println() 會換行。

• Serial.available() 檢查接收 Buffer，Serial.read() 每次讀取一個 Byte。

• 字元 '5'、ASCII 53 與整數 5 是不同資料。

• 完整命令應使用有限長度 Buffer，並處理 \r、\n 與 \0。

• C 字串使用 strcmp() 比較，數值參數可用 strtol() 驗證。

• 不要在每次 loop() 無限制輸出，也不要在 ISR 中大量使用 Serial。

• Debug、CSV 與 Plot 模式應使用一致且適合目的的格式。

• 取樣與序列輸出應盡量分離，並留意 Serial 除錯對即時性的影響。

• 高風險設備必須具備獨立硬體安全機制。

下一章預告

下一章將介紹 Arduino Debug 方法與系統化故障排除，包括編譯、連結、上傳與執行錯誤的分類，以及使用 Serial Monitor、LED、萬用電表、示波器與邏輯分析儀建立可重複的診斷流程。