Освой Arduino играючи

Сайт Александра Климова

Шкодим

/* Моя кошка замечательно разбирается в программировании. Стоит мне объяснить проблему ей - и все становится ясно. */
John Robbins, Debugging Applications, Microsoft Press, 2000

Мигаем светодиодом

01.Basics: Blink
Добавляем свой светодиод (+светодиод)

Будем постепенно знакомиться с основами программирования, платой и другими полезными вещами. Это позволит избежать стресса от потока новой информации.

Хотя я немного разбираюсь в программировании, сегодня притворюсь, что никогда не слышал о языках программирования и постараюсь максимально доходчиво показать, как новичок осваивает новую для себя деятельность.

Во-первых, нам придётся писать примеры на C++-подобном языке. Поэтому можете похвастаться перед знакомыми, что пишите программы на C++. Во-вторых, он очень упрощённый, и вам не нужно бояться его.

Второй пример будет немного сложнее, ведь придётся подключать плату к компьютеру. Но есть и хорошая новость - нам не понадобятся дополнительные прибамбасы в виде проводов, датчиков, светодиодов, кнопок. Дело в том, что на плате уже есть один маленький встроенный светодиод, вот мы его и включим.

Запускаем скетч File | Examples | 1.Basics | Blink (Файл | Примеры | 1.Basics | Blink). У вас загрузится готовый пример с кодом. С его помощью мы можем увидеть, что плата работает.

Пример Blink

Выбираем нашу плату - в меню Tools | Board (Сервис | Плата) должна быть отмечена Arduino Uno (как правило по умолчанию она уже отмечена). У вас может быть другая плата. Естественно, вы должны уже подключить плату к компьютеру через USB-порт для загрузки скетча в микроконтроллер.

Теперь нужно выбрать последовательный порт. Опять идём в меню Tools | Serial Port (Сервис | Последовательный порт) и выбираем нужный порт (обычно это COM3 или COM4).

Теперь нам необходимо загрузить открытый пример Blink на микроконтроллер. Просто щёлкните на кнопкуUpload (Загрузить) и внимательно смотрите на плату. Вы увидите, что светодиоды, помеченные как RX и TX будут мигать. После успешной загрузки примера в контроллер, в строке состояния среды разработки появится надпись Done uploading (Загрузка выполнена).

Ещё ниже в области консоли будет выведено сообщение:
Sketch uses 930 bytes (2%) of program storage space. Maximum is 32256 bytes.
Global variables use 9 bytes (0%) of dynamic memory, leaving 2039 bytes for local variables. Maximum is 2048 bytes.

В сообщение выводится информацию об используемой памяти. Программа настолько проста, что почти ничего не потребляет (0% оперативной памяти и 2% постоянной памяти).

Через несколько секунд после загрузки, вы можете увидеть, что светодиод, помеченный на плате как 13 (L), будет мигать оранжевым цветом. Поздравляю, вы успешно установили среду разработки и запустили свою первую программу!

Обращу внимание, что в комментариях к коду написано, что листинг менялся несколько раз. Так выглядел код в предыдущий раз.


// Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards.
// give it a name:
int led = 13;

// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
    // initialize the digital pin as an output.
	pinMode(led, OUTPUT);
}

// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
    digitalWrite(led, HIGH);  // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
	delay(1000);              // wait for a second
	digitalWrite(led, LOW);   // turn the LED off by making the voltage LOW
	delay(1000);              // wait for a second
}

Сравните с текущей версией.


// the setup function runs once when you press reset or power the board
void setup() {
  // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);                       // wait for a second
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);                       // wait for a second
}

Теперь вместо создания отдельной переменной led используется встроенная константа LED_BUILTIN. Это удобно, так как в разных платах используются разные значения для встроенного светодиода и таким образом программа получилась универсальной.

Возвращаемся к первой программе BareMinimum. Откройте скетч и сделайте сначала первую вещь - нажмите на кнопку Verify (первый значок с галочкой). Среда разработки переводит ваш код в машинный код, т.е. компилирует. Если в вашем коде есть ошибка, то компилятор выведет сообщение. Это полезно, чтобы не тратить зря время на загрузку заведомо неработающей программы. Давайте сознательно сделаем ошибку - напишем код в функции setup().


void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  int cat = "Я люблю котиков";
}

С точки зрения кошатника, здесь всё написано правильно. Предложение написано без ошибок, есть даже точка с запятой в конце строки - всё как положено.

Проверим. Нажимаем кнопку Verify и видим сообщения с красным текстом. Его текст приводить не буду, сами убедитесь. Если программа с ошибкой, то нет смысла её загружать на плату. Даже если вы очень упрямый и всё-равно нажмёте кнопку Upload, то получите ту же ошибку. Иными словами, Upload сначала самостоятельно выполняет операцию Verify и при отсутствии ошибки загружает скетч.

Разбор примера

Мы запустили программу, чтобы помигать светодиодом. Но делали это неосознанно, повторяя шаг за шагом описываемые действия. В дальнейшем вам придётся самому писать код, а значит пора ознакомится с основами программирования.

Изучим код шаг за шагом.

В функции setup() мы видим три строчки:


// the setup function runs once when you press reset or power the board
void setup() {
  // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

Приблизительный перевод комментариев, которые используется в функции setup() можно перевести как:


// инициализируем цифровой порт как вывод

Дальше следует сам код, который делает операцию, описанную в комментариях. Обратите внимание, что команда завершается точкой с запятой:


pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

В старых версиях код был немного другим:


// очень старый вариант
pinMode(13, OUTPUT);

// обновлённый вариант
pinMode(led, OUTPUT);

Разработчики позже написали более грамотный код, вынеся число 13 в отдельную переменную led.


// Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards.
// give it a name:
int led = 13;

Комментарий можно перевести как:


// Порт 13 в большинстве плат Arduino соединён со светодиодом

Сейчас код обновили, и вместо переменной led используют константу LED_BUILTIN. Такой подход удобен, так как не все платы Arduino имеют встроенный светодиод на порту 13. Если у вас две разные платы и одна из них имеет нестандартный номер, то вам не придётся переписывать пример под каждую плату.

Нам встретилась новая функция pinMode(), которая устанавливает режим для портов. Функция состоит из двух параметров. В первом параметре указывается порт, с которым мы собираемся работать. Во втором параметре мы сообщаем, как должен работать указанный порт: работать на выход (OUTPUT) или вход (INPUT). В нашем примере, вывод под номером 13 (или другой порт, используемый встроенным светодиодом) должен выводить информацию (посылать сигнал), то есть давать указание мигать светодиоду.

Мы определили в функции setup() необходимые данные для начала работы и теперь можем приступить к непосредственной реализации задачи в функции loop().


// Старый вариант
// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
  digitalWrite(led, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);               // wait for a second
  digitalWrite(led, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);               // wait for a second
}

// Современный вариант
// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);                       // wait for a second
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);                       // wait for a second
}

Здесь мы видим уже четыре строчки кода. Первая строчка включает светодиод при помощи функции digitalWrite(). В первом параметре мы указываем номер порта, с которым собираемся работать, а во второй указываем константу HIGH. Забегая вперёд, могу сказать что константа HIGH равна 1, и можно было написать digitalWrite(13, 1). Но такая запись не очень удобна, так мельтешение цифр в большом проекте затрудняет чтение кода. А здесь вы сразу видите, что на порту под номером 13 включается светодиод.

Далее идёт команда, отвечающая за паузу - delay(), которая имеет один параметр - количество времени в миллисекундах. В нашем примере мы сделали паузу в одну секунду (1000 миллисекунд = 1 секунда).

Следом идёт уже знакомая нам функция digitalWrite(), но уже с параметром LOW, который выключает светодиод (значение константы LOW равно 0).

И последняя строчка снова делает паузу в одну секунду.

Посмотрим, как работает программа. Когда мы загружаем программу в микроконтроллер, то Arduino активирует порт 13 в режиме выхода (функция setup()), а затем начинает последовательно выполнять четыре строчки из функции loop(): включает диод-пауза-выключает диод-пауза. Когда эти четыре строчки будут выполнены, то они снова будут вызваны и будут повторяться до тех пор, пока мы не выдернем кабель.

Что мы можем изменить в данной программе? По большому счету ничего - мы можем установить только собственные значения пауз. Поэкспериментируйте с этим. Другие изменения результата не принесут - нет смысла, например, сейчас использовать другой порт или использовать режим INPUT.

Добавляем свой светодиод (+светодиод)

Мы научились мигать встроенным светодиодом. Но на самом деле у вас не будет возможность пользоваться встроенными компонентами, а придётся самостоятельно собирать нужную конструкцию и взаимодействовать с ней. Поэтому нам понадобится отдельный светодиод, который и будет у нас и мигать, и затухать, и кашу варить (насчёт последнего я, пожалуй, погорячился). Можно использовать любой светодиод - красный, зелёный, синий.

Светодиод

Напомню, что диод проводит ток в одном направлении. Следовательно, необходимо всегда правильно устанавливать светодиод в своих схемах. Встроенный светодиод уже правильно припаян к плате Arduino (скажем спасибо разработчикам).

В светодиодах короткую ножку («минус») светодиода нужно соединять с землёй (GND). Светодиод не рассчитан на большой ток. Чтобы не повредить светодиод, используйте с ним резистор. Он позволяет уменьшить силу тока. В противном случае светодиод прослужит недолго или просто сгорит. Полярность резисторов не важна. Сам резистор можно подключать как до светодиода, так и после него. Я привык сначала ставить резистор, а потом светодиод по направлению от источника питания к земле.

Из первого примера с встроенным светодиодом мы помним, что он использует вывод под номером 13 (на большинстве плат). На плате есть свободный вывод с этим номером, который находится рядом с выводом GND. Берём светодиод и вставляем в эти выводы. Не забываем, что короткую ножку вставляем в GND, а длинную в вывод 13. У вывода 13 уже установлен резистор, поэтому светодиод не сгорит.

LED

Запускаем снова программу Blink. Теперь будут мигать два светодиода: встроенный и наш. Красота!

Вернёмся к светодиодам. Как правило, в цепи идёт слишком большой ток для светодиодов. Чтобы уменьшить силу тока, используют токопонижающие резисторы (сопротивления). У светодиодов есть важные характеристики: ток питания и напряжение падения (Forward voltage). Невероятно, но факт - светодиоды разных цветов используют разные значения напряжения падения. Максимальный ток для светодиодов колеблется в районе 20 миллиампер. Для вычисления значения сопротивления используют формулу: из напряжения питания вычитаем напряжение падения и результат делим на силу тока в светодиоде в амперах. В документации обычно рекомендуют использовать резистор от 220 ohm до 1K ohm. На практике, можно использовать и 100 ом. Если поставите меньше, то будет риск спалить светодиод. При выполнении опытов с несколькими светодиодами вы можете установить разные резисторы, чтобы увидеть разницу.

На следующем уроке мы поближе познакомимся с цифровыми выводами и попробуем изменять программы под свои нужды.

Реклама