第11章 Arduino UART（TTL Serial）序列通訊入門與實作

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是 Arduino 與電腦、感測器、藍牙模組、GPS 及其他微控制器交換資料時最常見的序列通訊方式之一。

本章將從 UART、TTL Serial 與 RS-232 的差異開始，說明 Arduino Uno 的 RX、TX 腳位、鮑率設定、Serial Monitor 操作，以及 Serial.print() 與 Serial.println() 的實際用法。

進行接線前，必須先確認雙方的工作電壓。Arduino Uno 使用 5V TTL 邏輯，部分模組則使用 3.3V，不能只依照 TX、RX 名稱直接連接。

本章學習目標

完成本章後，你將能夠：

• 了解 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）的工作原理。
• 分辨 UART、TTL Serial 與 RS-232 的差異。
• 學會使用 Serial.begin()、Serial.print() 與 Serial.println()。
• 使用 Serial Monitor 與 Arduino 傳送及接收資料。
• 建立後續連接藍牙、ESP8266、GPS、GSM 等模組的通訊基礎。

什麼是 UART？

UART 是 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 的縮寫，中文通常稱為「通用非同步收發器」。它是一種不需要共用時脈訊號的序列通訊方式，資料會依序逐位元傳送。

Arduino Uno 內建一組硬體 UART，可用來與電腦、藍牙模組、GPS、其他微控制器及各類序列設備交換資料。

• 資料一次傳送 1 個 bit。
• 通訊雙方不需要共用 Clock 時脈線。
• 主要使用 TX 與 RX 兩條訊號線，並且必須共地。

什麼是 TTL Serial？

Arduino Uno GPIO 腳位輸出的 UART 訊號採用 TTL 邏輯電位。以 Uno R3 為例，LOW 約為 0V，HIGH 約為 5V，這種 UART 電氣訊號通常稱為 TTL Serial。

GPS、HC-05 藍牙模組、ESP8266 等裝置常使用 TTL Serial，但各裝置的工作電壓不一定相同。連接前應先查閱模組規格，確認 RX 腳是否能承受 Arduino Uno 的 5V 訊號；必要時應使用分壓或邏輯電平轉換器。

UART、TTL Serial 與 RS-232 的差異

UART、TTL Serial 與 RS-232 常被混用，但三者代表不同層面的概念。UART 是通訊控制器與資料傳輸方式；TTL Serial 是 UART 搭配 TTL 邏輯電位的訊號；RS-232 則是一套不同的電氣規範。

為什麼 Arduino 不能直接連接 RS-232？

傳統 RS-232 可能使用約 +3V～+15V 與 -3V～-15V 的正負電壓表示邏輯狀態。Arduino Uno 的 GPIO 不適合承受這類電壓，因此不能把 RS-232 設備直接接到 D0、D1。

連接 RS-232 設備時，應使用 MAX232、MAX3232 或功能相同的電平轉換模組。選用前仍應確認轉換器的供電電壓、接頭定義與訊號方向。

Arduino Uno 的 UART 腳位與接線方式

兩台 UART 設備連接時，TX 與 RX 必須交叉。Arduino 的 TX 要接到對方的 RX，Arduino 的 RX 要接到對方的 TX。

除了 TX 與 RX，雙方還必須共地，也就是將兩台設備的 GND 連接在一起。沒有共同參考電位時，即使鮑率設定正確，也可能無法穩定接收資料。

Arduino TX（D1） → 對方 RX
Arduino RX（D0） ← 對方 TX
Arduino GND       ─ 對方 GND

USB 為什麼也能使用 Serial？

Arduino Uno 除了主要的 ATmega328P 微控制器外，板上還有負責 USB 通訊轉換的晶片。官方 Uno R3 常見為 ATmega16U2，部分相容板則可能使用 CH340 等 USB-to-Serial 晶片。

當 Arduino IDE 上傳程式，或 Serial Monitor 與開發板通訊時，USB 通訊晶片會在電腦的 USB 資料與 ATmega328P 的 UART 訊號之間進行轉換。

電腦 USB
   ↓
USB 通訊轉換晶片
   ↓
UART
   ↓
ATmega328P

使用 Serial.begin() 設定鮑率

使用序列埠前，必須先在 setup() 中呼叫 Serial.begin()，並指定通訊鮑率。下列程式會啟用硬體序列埠，通訊速度設定為 9600 bps。

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

void loop()
{
}

什麼是 Baud Rate？

Baud Rate（鮑率）用來表示通訊速度。一般 Arduino UART 教學中，常以 bps 表示每秒傳送的位元數。

通訊雙方必須使用相同的鮑率。若 Arduino 程式設定為 9600，而 Serial Monitor 選擇 115200，畫面通常會出現亂碼或無法辨識的字元。

Serial.print() 與 Serial.println()

Serial.print()：輸出後不換行

Serial.print() 會輸出文字或變數內容，但游標會停在同一行，適合將多個資料組合成一行。

Serial.print("Temperature = ");
Serial.print(25);

Temperature = 25

Serial.println()：輸出後自動換行

Serial.println() 在輸出資料後會加入換行，下一次輸出會從新的一行開始。

Serial.println("Hello Arduino");

第一個 Arduino Serial 實驗

下列程式每隔 1 秒輸出一次 Hello Arduino。上傳完成後，開啟 Arduino IDE 的 Serial Monitor，並將鮑率設定為 9600。

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

void loop()
{
  Serial.println("Hello Arduino");
  delay(1000);
}

預期 Serial Monitor 會每秒顯示一行 Hello Arduino。若沒有輸出，應先確認選擇的開發板、序列埠與鮑率是否正確。

Hello Arduino
Hello Arduino
Hello Arduino

輸出 analogRead() 讀取的變數

Serial 是 Arduino 除錯時最常用的工具。以下範例讀取 A0 的 ADC 數值，並在 Serial Monitor 顯示結果。

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

void loop()
{
  int sensorValue = analogRead(A0);

  Serial.print("ADC = ");
  Serial.println(sensorValue);

  delay(500);
}

實際數值會依 A0 的輸入電壓而改變。預期輸出格式如下：

ADC = 632
ADC = 630
ADC = 628

使用 Serial Monitor 除錯

Serial Monitor 是 Arduino IDE 中重要的序列通訊與除錯工具。除了顯示開發板傳出的資訊，也能把使用者輸入的文字傳送給 Arduino。

開發程式時，可在重要流程加入序列輸出，確認感測器數值、條件判斷、函式執行順序或錯誤狀態。正式完成程式後，再依需求減少過多的除錯訊息。

• 顯示感測器讀值與計算結果。
• 確認程式執行到哪一個步驟。
• 觀察 if 判斷與狀態變數是否正確。
• 接收使用者輸入，例如輸入指令控制 LED。
• 檢查外部 UART 模組是否有回傳資料。

使用 Serial Plotter 繪製數值變化

Arduino IDE 的 Serial Plotter 可以把連續輸出的數值轉換成折線圖，適合觀察溫度、光照、超音波距離、可變電阻與其他感測器的變化。

為了讓圖形穩定顯示，每一筆資料應使用一致的輸出格式。若同時輸出大量說明文字，可能影響 Serial Plotter 解析數值。

UART 常見錯誤與故障排除

Serial Monitor 顯示亂碼

最常見原因是鮑率不一致。確認程式中的 Serial.begin() 與 Serial Monitor 右下角選擇的鮑率完全相同，也要確認外部設備本身使用的鮑率。

TX 接到 TX 或 RX 接到 RX

一般 UART 通訊要使用交叉接法：TX 接對方 RX，RX 接對方 TX。若設備名稱標示方式特殊，應以該設備資料表或接線說明為準。

忘記連接共同 GND

兩台設備沒有共地時，TX 與 RX 缺少共同電壓參考，可能完全收不到資料，也可能出現不穩定或間歇性錯誤。

外部模組占用 D0、D1 導致程式無法上傳

Arduino Uno 的 D0、D1 同時用於硬體 UART、USB 序列通訊與程式上傳。若外部模組持續驅動這兩個腳位，可能造成上傳失敗或序列資料互相干擾。

• 上傳程式前，先拔除連接 D0、D1 的外部模組。
• 確認上傳完成後，再依正確方向接回 TX、RX 與 GND。
• 低速通訊可評估使用 SoftwareSerial，但要留意效能與可靠性限制。
• 需要多組硬體 UART 時，可考慮具備多組序列埠的 Arduino Mega 2560。

5V 與 3.3V 電位不相容

部分 UART 模組的 RX 腳只能接受 3.3V。若直接接收 Arduino Uno TX 的 5V 訊號，可能造成通訊異常，甚至損壞模組。接線前必須查閱規格，必要時使用分壓電阻或雙向邏輯電平轉換器。

本章實作練習

練習一：每秒輸出文字

使用 Serial.println("Hello Arduino"); 每秒輸出一次文字，並確認 Serial Monitor 的鮑率與程式設定一致。

練習二：顯示 A0 的 ADC 值

使用 analogRead(A0) 讀取類比輸入，將 ADC 數值持續輸出到 Serial Monitor，並轉動可變電阻觀察數值變化。

練習三：顯示 ADC 值與電壓

將 ADC 值換算為電壓並輸出。以下範例假設 ADC 參考電壓約為 5.0V；實際值會受開發板供電與參考電壓影響。

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

void loop()
{
  int adcValue = analogRead(A0);
  float voltage = adcValue * (5.0 / 1023.0);

  Serial.print("ADC = ");
  Serial.println(adcValue);

  Serial.print("Voltage = ");
  Serial.print(voltage, 2);
  Serial.println("V");

  delay(1000);
}

Challenge：製作序列除錯工具

建立一個每秒輸出 ADC 數值、換算電壓與 LED 狀態的序列除錯工具，並讓所有資訊排列在同一行。

const int ledPin = 13;

void setup()
{
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  int adcValue = analogRead(A0);
  float voltage = adcValue * (5.0 / 1023.0);
  bool ledOn = adcValue >= 512;

  digitalWrite(ledPin, ledOn ? HIGH : LOW);

  Serial.print("ADC: ");
  Serial.print(adcValue);
  Serial.print("  Voltage: ");
  Serial.print(voltage, 2);
  Serial.print("V  LED: ");
  Serial.println(ledOn ? "ON" : "OFF");

  delay(1000);
}

ADC: 512  Voltage: 2.50V  LED: ON

本章重點整理

• UART 是非同步序列通訊方式，TTL Serial 是使用 TTL 邏輯電位的 UART 訊號，RS-232 則是不同的電氣規範。
• Arduino Uno 使用 D0（RX）與 D1（TX）作為硬體 UART 腳位。
• Serial.begin() 用於設定鮑率，通訊雙方必須採用相同的鮑率。
• Serial.print() 不會自動換行，Serial.println() 會在輸出後換行。
• TX 與 RX 通常採交叉接線，兩台設備還必須共地。
• 外接模組前要確認 5V 與 3.3V 邏輯電位是否相容。
• D0、D1 被外部模組占用時，可能影響 Arduino Uno 程式上傳。

下一章預告

第 12 章將介紹 I²C（Inter-Integrated Circuit）雙線通訊，包括 SDA、SCL、Arduino Uno 的 I²C 腳位、Wire.h 函式庫、I²C Scanner，以及 LCD1602 I²C、OLED、RTC、BMP280 等模組的通訊方式。