Языки программирования. Программирование Arduino с помощью ArduBloсk на примере робота, движущегося по полосе

Эта вводная статья для тех, кто уже успел распаковать со своим ребенком десяток-другой цветных коробок от конструкторов, построил сотни разнообразных конструкций и заполнил деталями от Лего все доступные емкости в чулане. Если вы готовы перейти на следующий уровень: с электроникой, микроконтроллерами, датчиками и умными устройствами – значит, пришло время для экспериментов с Ардуино!

В этой серии статей мы соберем самое главное, что нужно узнать об Ардуино, чтобы начать заниматься с детьми самостоятельно. Даже если вы никогда не брали в руки паяльник и слова «контроллер» и «контроллёр» для вас имеют примерно схожий смысл, можете быть уверенными – у вас все равно все получится! Мир электроники и робототехники сегодня полон простых и очень удобных решений, позволяющих практически с нуля создавать очень интересные проекты. Наш учебник поможет вам быстро сориентироваться и сделать первые шаги.

Говоря бытовым языком, Ардуино – это , в которую можно воткнуть множество разных устройств и заставить их работать вместе с помощью программы, написанной на языке Ардуино в специальной среде программирования.

Чаще всего плата выглядит вот так:

На рисунке показана одна из плат Ардуино – Arduino Uno. Мы изучим ее подробнее на следующих уроках.

В плату можно втыкать провода и подключать множество разных элементов. Чаще всего, для соединения используется макетная плата для монтажа без пайки. Можно добавлять светодиоды, датчики, кнопки, двигатели, модули связи, реле и создавать сотни вариантов интересных проектов умных устройств. Плата Ардуино – это умная розетка, которая будет включать и выключать все присоединенное в зависимости от того, как ее запрограммировали.

Вся работа над проектом разбивается на следующие этапы:

Придумываем идею и проектируем.
Собираем электрическую схему. Тут нам пригодится макетная плата, упрощающая монтаж элементов. Безусловно, понадобятся навыки работы с электронными приборами и умение .
Подключаем к компьютеру через USB.
и записываем ее в плату буквально нажатием одной кнопки на экране в .
Отсоединяем от компьютера. Теперь устройство будет работать автономно – при включении питания оно будет управляться той программой, которую мы в него записали.

Программа и среда программирования выглядят вот так:

На экране показана программа (на сленге ардуинщиков текст программы называется “скетч”), которая будет мигать лампочкой, подсоединенной к 13 входу на плате Ардуино UNO. Как видим, программа вполне проста и состоит из понятных для знающих английский язык инструкций. В языке программирования Arduino используется свой диалект языка C++, но все возможности C++ поддерживаются.

Есть и другой вариант написания кода – визуальный редактор. Тут не нужно ничего писать – можно просто перемещать блоки и складывать из них нужный алгоритм. Программа загрузится в подключенную плату одним нажатием кнопки мыши!

В целом все выглядит довольно понятно, не так ли? Осталось разобраться в деталях.

Быстрый старт с Arduino

Для начала давайте поймем, с чем же и чем же мы собираемся заниматься. Что такое Ардуино и как его использовать? Если вы уже знакомы с темой – можете смело перескочить дальше. Если нет – давайте вместе выполним короткое погружение.

Ардуино – это…

Ардуино – это не бренд и не название поставщика конструкторов. Это общее название для целого семейства различных технологий и открытой платформы, в которую входят как аппаратные устройства (платы контроллеров и совместимое оборудование), так и софт, предназначенный для управления железками. По сути своей, Ардуино – это инфраструктура и среда, в которой можно собирать совместимые между собой электронные и механические компоненты в единое устройство, а потом через обычный компьютер за две минуты запрограммировать поведение этих самых железок так, как нам нужно.

Ардуино – это мостик из виртуального компьютерного мира в мир реальных вещей и устройств. Написав программу на обычном компьютере, мы управляем с ее помощью не виртуальными объектами, а вполне себе реальными датчиками, двигателями, экранами. Мы меняем мир вокруг себя – просто программируя на компьютере, используя бесплатный софт и множество уже готовых примеров библиотек.

Свое название технология получила, как это часто бывает, довольно случайно. Источником вдохновения послужил бар, в котором будущие создатели Ардуино любили выпить по кружечке чая. Называлось заведение именно так – Arduino, по имени главной исторической личности города Ивреа, короля Ардуино. Король какого-то яркого следа в истории не оставил и прослыл неудачником, но благодаря команде разработчиков новой платформы обрел новую популярность и сейчас известен миллионам людей по всему земному шару.

Почему Ардуино?

Вся прелесть Ардуино заключается в следующих простых преимуществах:

Простота. Да, да – именно простота (хотя Лего и другие игрушки, без сомнения, привычнее, но мы сравниваем не с ними). Для юных разработчиков электроники Ардуино «прячет» огромное количество разнообразных технических вопросов. Многие достаточно сложные проекты можно создавать очень быстро, без длительного погружения в детали. А это ведь очень важно для ребенка – не утратить интерес до первого полученного своими руками результата.
Популярность. Ардуино крайне популярна, вы сможете без труда найти ответы на любые вопросы на многочисленных форумах или сайтах. Сообщество Ардуино обширно и дружелюбно – там относительно мало прожженных жизнью снобов-инженеров и полно любителей и начинающих, с удовольствием делящихся своей радостью от найденного и узнанного. Это, конечно, откладывает отпечаток на качество советов, но как правило, даже самые сложные вопросы могут быть быстро решены с помощью форумов и сайтов.
Доступность. И сама технология, и практически весь софт выпускаются под открытыми лицензиями и вы можете свободно использовать чужие наработки, схемы, причем во многих случаях даже для коммерческого использования. Это экономит много времени и позволяет двигаться большими шагами, опираясь на опыт предыдущих исследователей.
Дешевизна. Комплект для первых занятий электроникой и программированием можно купить менее чем за 500 рублей. Полноценные курсы робототехники возможны при . Никакая другая технология не позволит вам так быстро и так эффективно войти в мир реальной учебной робототехники.

С чего начать?

Если вы хотите заниматься робототехникой с использованием Ардуино, то вам понадобится такой вот джентельменский набор:

с USB кабелем для подключения к компьютеру.
и провода.
Комплект базовых электронных компонентов и переходник для батарейки типа крона.
Установленная на компьютер среда

Все оборудование продается в наборах, называемых стартовыми –

В дальнейшем, если занятия действительно увлекут и будет желание продолжить эксперименты, то список оборудования будет расширяться:

Экраны и индикаторы.
Двигатели и , реле и .
Модули связи.
Разнообразные дополнительные модули и (шилды)

Если первые шаги дадут результат, со временем вы будете узнавать половину людей, стоящих в очереди на почте (если до сих пор вы их еще не знаете), а почтальоны при встрече будут узнавать вас в лицо и нервно перебегать на другую сторону дороги.

Как купить Ардуино?

Прежде чем узнать что-то полезное, надо сначала купить что-то полезное. Для экспериментов с электроникой вам понадобится та сама электроника в виде конструктора или отдельных плат. Рекомендуется купить не очень дорогой отечественный набор с основными компонентами и затем уже заказать себе с Алиэкспресса датчики, двигатели, контроллеры и другие сокровища. можно найти в инернете (не только на нашем сайте). Если вы живете в большом городе, то покупка всего необходимого займет максимум два дня. Найти нужный магазин легко в интернете.

Пару слов о . Сегодня их на совершенно легальных условиях может делать любой производитель: как крупный, такой как Intel, так и мелкие noname поставщики из Китая. Надежность и удобство «китайских» и «официальных» платы Ардуино в большинстве случаев одинаковые. Поэтому незачем переплачивать – для своих учебных проектов можете смело покупать аналоги, которые легко найти в интернете.

Как отличить «оригинал» от «совместимой платы»:

«Китайские» платы не имеют права ставить логотип Ардуино.
«Китайские» платы стоят гораздо дешевле.
«Китайские» часто используют другой чип для обслуживания соединения с компьютером, на который нужны специальные драйвера. Драйвера устанавливаются за секунду и практически никогда не вызывают каких-либо проблем.

Еще раз подчеркнем, использование не оригинальных плат совершенно легально. Ардуино – открытая архитектура и разработчики дают возможность собрать свою версию платы всем желающим.

Нет возможности купить?

Если вы живете в Антарктиде или у вас действительно не хватает средств даже на самые простые наборы, то не отчаивайтесь – можно начать изучение Ардуино на виртуальных тренажерах. Самый мощный, простой и популярный сегодня вариант – это онлайн сервис Tinkercad от известной компании Autodesk. Вы сможете создавать электронные схемы, подключая множество разнообразных компонентов, а затем «включать» питание и измерять все электрические показатели. В библиотеке устройств есть и плата Ардуино, и даже встроенный редактор для программирования (включая визуальный!). Вы можете найти на нашем сайте отдельную статью

Изучение микроконтроллеров кажется чем-то сложным и непонятным? До появления Арудино - это было действительно не легко и требовало определенный набор программаторов и прочего оборудования.

Это своего рода электронный конструктор. Изначальная задача проекта - это позволить людям легко обучаться программированию электронных устройств, при этом уделяя минимальное время электронной части.

Сборка сложнейших схем и соединение плат может осуществляться без паяльника, а с помощью перемычек с разъёмными соединениями «папа» и «мама». Так могут подключаться как навесные элементы, так и платы расширения, которые на лексиконе ардуинщиков зовут просто «Шилды» (shield).

Какую первую плату Arduino купить новичку?

Базовой и самой популярной платой считается . Эта плата размером напоминает кредитную карту. Довольно крупная. Большинство шилдов которые есть в продаже идеально подходят к ней. На плате для подключения внешних устройств расположены гнезда.

В отечественных магазинах на 2017 год её цена порядка 4-5 долларов. На современных моделях её сердцем является Atmega328.

Изображение платы ардуино и расшифровка функций каждого вывода, Arduino UNO pinout

Микроконтроллер на данной плате это длинна микросхема в корпусе DIP28, что говорит о том, что у него 28 ножек.

Следующая по популярности плата, стоит почти в двое дешевле предыдущей - 2-3 доллара. Это плата . Актуальные платы построены том же Atmega328, функционально они аналогичны с UNO, различия в размерах и решении согласования с USB, об этом позже подробнее. Еще одним отличием является то, что для подключения к плате устройств предусмотрены штекера, в виде иголок.

Количество пинов (ножек) этой платы совпадает, но вы можете наблюдать что микроконтроллер выполнен в более компактном корпусе TQFP32, в корпусе добавлены ADC6 и ADC7, другие две «лишних» ножки дублируют шину питания. Её размеры довольно компактные - примерно, как большой палец вашей руки.

Третья по популярности плата - это , на ней нет USB порта для подключения к компьютеру, как осуществляется связь я расскажу немного позже.

Это самая маленькая плата из всех рассмотренных, в остальном она аналогична предыдущим двум, а её сердцем является по-прежнему Atmega328. Другие платы рассматривать не будем, так как это статья для начинающих, да и сравнение плат - это тема отдельной статьи.

В верхней части схема подключения USB-UART, пин «GRN» - разведен на цепь сброса микроконтроллера, может называться по иному, для чего это нужно вы узнаете далее.

Если UNO удобна для макетирования, то Nano и Pro Mini удобны для финальных версий вашего проекта, потому что занимают мало места.

Как подключить Arduino к компьютеру?

Arduino Uno и Nano подключаются к компьютеру по USB. При этом нет аппаратной поддержки USB порта, здесь применено схемное решение преобразования уровней, обычно называемое USB-to-Serial или USB-UART (rs-232). При этом в микроконтроллер прошит специальный Arduino загрузчик, который позволяет прошиваться по этим шинам.

В Arduino Uno реализована эта вязь на микроконтроллере с поддержкой USB - ATmega16U2 (AT16U2). Получается такая ситуация, что дополнительный микроконтроллер на плате нужен для прошивки основного микроконтроллера.

В Arduino Nano это реализовано микросхемой FT232R, или её аналогом CH340. Это не микроконтроллер — это преобразователь уровней, этот факт облегчает сборку Arduino Nano с нуля своими руками.

Обычно драйвера устанавливаются автоматически при подключении платы Arduino. Однако, когда я купил китайскую копию Arduino Nano, устройство было опознано, но оно не работало, на преобразователе была наклеена круглая наклейка с данными о дате выпуска, не знаю нарочно ли это было сделано, но отклеив её я увидел маркировку CH340.

До этого я не сталкивался с таким и думал, что все USB-UART преобразователи собраны на FT232, пришлось скачать драйвера, их очень легко найти по запросу «Arduino ch340 драйвера». После простой установки - всё заработало!

Через этот же USB порт может и питаться микроконтроллер, т.е. если вы подключите его к адаптеру от мобильного телефона - ваша система будет работать.

Что делать если на моей плате нет USB?

Плата Arduino Pro Mini имеет меньшие габариты. Это достигли тем что убрали USB разъём для прошивки и тот самый USB-UART преобразователь. Поэтому его нужно докупить отдельно. Простейший преобразователь на CH340 (самый дешевый), CPL2102 и FT232R, продаётся стоит от 1 доллара.

При покупке обратите внимание на какое напряжение рассчитан этот переходник. Pro mini бывает в версиях 3.3 и 5 В, на преобразователях часто расположен джампер для переключения напряжения питания.

При прошивке Pro Mini, непосредственно перед её началом необходимо нажимать на RESET, однако в преобразователях с DTR это делать не нужно, схема подключения на рисунке ниже.

Стыкуются они специальными клеммами «Мама-Мама» (female-female).

Собственно, все соединения можно сделать с помощью таких клемм (Dupont), они бывают как с двух сторон с гнездами, так и со штекерами, так и с одной стороны гнездо, а с другой штекер.

Как писать программы для Arduino?

Для работы со скетчами (название прошивки на языке ардуинщиков), есть специальная интегрированная среда для разработки Arduino IDE, скачать бесплатно её можно с официального сайта или с любого тематического ресурса, с установкой проблем обычно не возникает.

Так выглядит интерфейс программы. Писать программы можно на специально разработанном для ардуино упрощенном языке C AVR, по сути это набор библиотек, который называют Wiring, а также на чистом C AVR. Использование которого облегчает код и ускоряет его работу.

В верхней части окна присутствует привычное меню, где можно открыть файл, настройки, выбрать плату, с которой вы работаете (Uno, Nano и много-много других) а также открыть проекты с готовыми примерами кода. Ниже расположен набор кнопок для работы с прошивкой, назначение клавиш вы увидите на рисунке ниже.

В нижней части окна - область для вывода информации о проекте, о состоянии кода, прошивки и наличии ошибок.

Основы программирования в Arduino IDE

В начале кода нужно объявить переменные и подключить дополнительные библиотеки, если они имеются, делается это следующим образом:

#include biblioteka.h; // подключаем библиотеку с названием “Biblioteka.h”

#define peremennaya 1234; // Объявляем переменную со значением 1234

Команда Define дают компилятору самому выбрать тип переменной, но вы можете его задать вручную, например, целочисленный int, или с плавающей точкой float.

int led = 13; // создали переменную “led” и присвоили ей значение «13»

Программа может определять состояние пина, как 1 или 0. 1 -это логическая единица, если пин 13 равен 1, то напряжение на его физической ножке будет равняться напряжению питания микроконтроллера (для ардуино UNO и Nano - 5 В)

Запись цифрового сигнала осуществляется командой digitalWrite (пин, значение), например:

digitalWrite(led, high); //запись единицы в пин 13(мы его объявили выше) лог. Единицы.

Как вы могли понять обращение к портам идёт по нумерации на плате, соответствующей цифрой. Вот пример аналогичного предыдущему коду:

digitalWrite (13, high); // устанавливаем вывод 13 в едиицу

Часто востребованная функция задержки времени вызывается командой delay(), значение которой задаётся в миллисекундах, микросекунды достигаются с помощью

delayMicroseconds() Delay (1000); //микроконтроллер будет ждать 1000 мс (1 секунду)

Настройки портов на вход и выход задаются в функции void setup{}, командой:

pinMode(NOMERPORTA, OUTPUT/INPUT); // аргументы - название переменной или номер порта, вход или выход на выбор

Понимаем первую программу «Blink»

В качестве своеобразного «Hello, world» для микроконтроллеров является программа мигания светодиодом, давайте разберем её код:

В начале командой pinMode мы сказали микроконтроллеру назначить порт со светодиодом на выход. Вы уже заметили, что в коде нет объявления переменной “LED_BUILTIN”, дело в том, что в платах Uno, Nano и других с завода к 13 выводу подключен встроенный светодиод и он распаян на плате. Он может быть использован вами для индикации в ваших проектах или для простейшей проверки ваших программ-мигалок.

Далее мы установили вывод к которому подпаян светодиод в единицу (5 В), следующая строка заставляет МК подождать 1 секунду, а затем устанавливает пин LED_BUILTIN в значение нуля, ждет секунду и программа повторяется по кругу, таким образом, когда LED_BUILTIN равен 1 - светодиод(да и любая другая нагрузка подключенная к порту) включен, когда в 0 - выключен.

Читаем значение с аналогового порта и используем прочитанные данные

Микроконтроллер AVR Atmega328 имеет встроенный 10 битный аналогово цифровой преобразователь. 10 битный АЦП позволяет считывать значение напряжение от 0 до 5 вольт, с шагом в 1/1024 от всего размаха амплитуды сигнала (5 В).

Чтобы было понятнее рассмотрим ситуацию, допустим значение напряжения на аналоговом входе 2.5 В, значит микроконтроллер прочитает значение с пина «512», если напряжение равно 0 - «0», а если 5 В - (1023). 1023 - потому что счёт идёт с 0, т.е. 0, 1, 2, 3 и т.д. до 1023 - всего 1024 значения.

Вот как это выглядит в коде, на примере стандартного скетча «analogInput»

int sensorPin = A0;

int ledPin = 13;

int sensorValue = 0;

pinMode(ledPin, OUTPUT);

sensorValue = analogRead(sensorPin);

digitalWrite(ledPin, HIGH);

delay(sensorValue);

digitalWrite(ledPin, LOW);

delay(sensorValue);

Объявляем переменные:

Ledpin - самостоятельно назначаем пин со встроенным светодиодом на выход и даём индивидуальное имя;

sensorPin - аналоговый вход, задаётся соответственно маркировке на плате: A0, A1, A2 и т.д.;

sensorValue - переменная для хранения целочисленного прочитанного значения и дальнейшей работы с ним.

Код работает так: sensorValue сохраняем прочитанное с sensorPin аналоговое значение (команда analogRead). - здесь работа с аналоговым сигналом заканчивается, дальше всё как в предыдущем примере.

Записываем единицу в ledPin, светодиод включается и ждем время равное значению sensorValue, т.е. от 0 до 1023 миллисекунд. Выключаем светодиод и снова ждем этот период времени, после чего код повторяется.

Таким образом положением потенциометра мы задаем частоту миганий светодиода.

Функция map для Арудино

Не все функции для исполнительных механизмов (мне ни одной не известно) в качестве аргумента поддерживают «1023», например, сервопривод ограничен углом поворота, т.е на пол оборотоа (180 градуов) (пол оборота) сервомоторчика максимальный аргумент функции равен «180»

Теперь о синтаксисе: map (значение которое мы переводим, минимальная величина входного, максимальная величина входного, минимальная выходного, максимальная выходного значения).

В коде это выглядит так:

(map(analogRead(pot), 0, 1023, 0, 180));

Мы считываем значение с потенциометра (analogRead(pot))от 0 до 1023, а на выходе получаем числа от 0 до 180

Значения карты величин:

На практике применим это к работе коду того-же сервопривода, взгляните на код с Arduino IDE, если вы внимательно читали предыдущие разделы, то он пояснений не требует.

И схема подключения.

Выводы Ардуино - очень удобное средство для обучения работы с микроконтроллерами. А если использовать чистый C AVR, или как его иногда называют «Pure C» - вы значительно уменьшите вес кода, и его больше поместиться в память микроконтроллера, в результате вы получите отличную отладочную плату заводского исполнения с возможностью прошивки по USB.

Мне нравится ардуино. Жаль, что её многие опытные программисты микроконтроллеров безосновательно ругают, что она слишком упрощена. Упрощен, в принципе, только язык, но никто не заставляет пользоваться именно им, плюс вы можете прошить микроконтроллер через ICSP разъём, и залить туда тот код, который вам хочется, без всяких ненужных Вам бутлоадеров.

Для тех, кто хочет проиграться с электроникой, как продвинутый конструктор - отлично подойдёт, а для опытных программистов как плата, не требующая сборки, тоже станет полезной!

Еще больше информации про Ардуино и особенности его использования в различных схемах смотрите в электронной книге - .

Введение

Freeduino/Arduino программируется на специальном языке программирования – он основан на C/C ++, и позволяет использовать любые его функции. Строго говоря, отдельного языка Arduino не существует, как и не существует компилятора Arduino – написанные программы преобразуются (с минимальными изменениям) в программу на языке C/C++, и затем компилируются компилятором AVR-GCC. Так что фактически, используется специализированный для микроконтроллеров AVR вариант C/C++.

Разница заключается в том, что Вы получаете простую среду разработки, и набор базовых библиотек, упрощающих доступ к находящейся «на борту» микроконтроллера периферии.

Согласитесь, очень удобно начать работу с последовательным портом на скорости 9600 бит в секунду, сделав вызов одной строчкой:

Serial.begin(9600);

А при использовании «голого» C/C++ Вам бы пришлось разбираться с документацией на микроконтроллер, и вызывать нечто подобное:

UBRR0H = ((F_CPU / 16 + 9600 / 2) / 9600 - 1) >> 8;
UBRR0L = ((F_CPU / 16 + 9600 / 2) / 9600 - 1);
sbi(UCSR0B, RXEN0);
sbi(UCSR0B, TXEN0);
sbi(UCSR0B, RXCIE0);

Здесь кратко рассмотрены основные функции и особенности программирования Arduino. Если Вы не знакомы с синтаксисом языков C/C++, советуем обратиться к любой литературе по данному вопросу, либо Internet-источникам.

С другой стороны, все представленные примеры очень просты, и скорее всего у Вас не возникнет трудностей с пониманием исходных текстов и написанием собственных программ даже без чтения дополнительной литературы.

Более полная документация (на английском языке) представлена на официальном сайте проекта – http://www.arduino.cc . Там же есть форум, ссылки на дополнительные библиотеки и их описание.

По аналогии с описанием на официальном сайте проекта Arduino, под «портом» понимается контакт микроконтроллера, выведенный на разъем под соответствующим номером. Кроме того, существует порт последовательной передачи данных (COM-порт).

Структура программы

В своей программе Вы должны объявить две основных функции: setup() и loop().

Функция setup() вызывается один раз, после каждого включения питания или сброса платы Freeduino. Используйте её, чтобы инициализировать переменные, установить режимы работы цифровых портов и т.д.

Функция loop() последовательно раз за разом исполняет команды, которые описаны в ее теле. Т.е. после завершения функции снова произойдет ее вызов.

Разберем простой пример:

void setup() // начальные установки
{
beginSerial(9600); // установка скорости работы серийного порта на 9600 бит/сек
pinMode(3, INPUT); // установка 3-его порта на ввод данных
}

// Программа проверяет 3-ий порт на наличие на нём сигнала и посылает ответ в
// виде текстового сообщения на последовательный порт компьютера
void loop() // тело программы
{
if (digitalRead(3) == HIGH) // условие на опрос 3го порта
serialWrite("H"); // отправка сообщения в виде буквы «Н» на COM-порт
else
serialWrite("L"); // отправка сообщения в виде буквы «L» на COM-порт
delay(1000); // задержка 1 сек.
}

pinMode (порт, режим);

Описание:

Конфигурирует указанный порт на ввод или вывод сигнала.

Параметры:

порт – номер порта, режим которого Вы желает установить (значение целого типа от 0 до 13).

режим – либо INPUT (ввод) либо OUTPUT (вывод).

pinMode(13, OUTPUT); //13й вывод будет выходом
pinMode(12, INPUT); //а 12й – входом

Примечание:

Аналоговые входы могут использоваться как цифровые входы/выходы, при обращении к ним по номерам с 14 (аналоговый вход 0) по 19 (аналоговый вход 5)

digitalWrite(порт, значение);

Описание:

Устанавливает высокий (HIGH) или низкий (LOW) уровень напряжения на указанном порте.

Параметры:

порт: номер порта

значение: HIGH или LOW

digitalWrite(13, HIGH); // выставляем 13й вывод в «высокое» состояние

value = digitalRead (порт);

Описание:

Считывает значение на указанном порту

Параметры:

порт: номер опрашиваемого порта

Возвращаемое значение: возвращает текущее значение на порту (HIGH или LOW) типа int

int val;
val = digitalRead(12); // опрашиваем 12й вывод

Примечание:

Если к считываемому порту ничего не подключено, то функция digitalRead () может беспорядочно возвращать значения HIGH или LOW.

Аналоговый ввод/вывод сигнала

value = analogRead(порт);

Описание:

Считывает значение с указанного аналогового порта. Freeduino содержит 6 каналов, аналого-цифрового преобразователя на 10 битов каждый. Это означает, что входное напряжения от 0 до 5В преобразовывается в целочисленное значение от 0 до 1023. Разрешающая способность считывания составляет: 5 В/1024 значений = 0,004883 В/значение (4,883 мВ). Требуется приблизительно 100 нС (0.0001 С), чтобы считать значение аналогового ввода, так что максимальная скорость считывания - приблизительно 10000 раз в секунду.

Параметры:

Возвращаемое значение: возвращает число типа int в диапазоне от 0 до 1023, считанное с указанного порта.

int val;
val = analogRead(0); // считываем значение на 0м аналоговом входе

Примечание:

Аналоговые порты по умолчанию определенны на ввод сигнала и в отличие от цифровых портов их не требуется конфигурировать с помощью вызова функции pinMode.

analogWrite(порт, значение);

Описание:

Выводит на порт аналоговое значение. Эта функция работает на: 3, 5, 6, 9, 10, и 11 цифровых портах Freeduino.

Может применяться для изменения яркости светодиода, для управления двигателем и т.д. После вызова функции analogWrite, соответствующий порт начинает работать в режиме широтно-импульсного модулирования напряжения до тех пор, пока не будет следующего вызова функции analogWrite (или функций digitalRead / digitalWrite на том же самом порте).

Параметры:

порт: номер опрашиваемого аналогового входа

значение: целочисленное между 0 и 255. Значение 0 генерирует 0 В на указанном порте; значение 255 генерирует +5 В на указанном порте. Для значений между 0 и 255, порт начинает быстро чередовать уровень напряжения 0 и +5 В - чем выше значение, тем, более часто порт генерирует уровень HIGH (5 В).

analogWrite(9, 128);// устанавливаем на 9 контакте значение эквивалентное 2,5В

Примечание:

Нет необходимости вызвать функцию pinMode, чтобы установить порт на вывод сигналов перед вызовом функции analogWrite.

Частота генерирования сигнала – приблизительно 490 Гц.

time = millis();

Описание:

Возвращает число миллисекунд, с момента исполнения Freeduino текущей программы. Счетчик переполнится и обнулится приблизительно через 9 часов.

Возвращаемое значение: возвращает значение типа unsigned long

unsigned long time; // объявление переменной time типа unsigned long
time = millis(); // передача количества миллисекунд

delay(время_мс);

Описание:

Приостанавливает программу на заданное число миллисекунд.

Параметры:

время_мс – время задержки программы в миллисекундах

delay(1000); //пауза 1 секунда

delayMicroseconds

delayMicroseconds(время_мкс);

Описание:

Приостанавливает программу на заданное число микросекунд.

Параметры:

время_мкс – время задержки программы в микросекундах

delayMicroseconds(500); //пауза 500 микросекунд

pulseIn(порт, значение);

Описание:

Считывает импульс (высокий или низкий) c цифрового порта и возвращает продолжительность импульса в микросекундах.

Например, если параметр «значение» при вызове функции установлен в HIGH, то pulseIn() ожидает, когда на порт поступит высокий уровень сигнала. С момента его поступления начинается отсчет времени до тех пор, пока на порт не поступит низкий уровень сигнала. Функция возвращает длину импульса (высокого уровня) в микросекундах. Работает с импульсами от 10 микросекунд до 3 минут. Обратите внимание, что эта функция не будет возвращать результат, пока импульс не будет обнаружен.

Параметры:

порт: номер порта, с которого считываем импульс

значение: тип импульса HIGH или LOW

Возвращаемое значение: возвращает длительность импульса в микросекундах (тип int)

int duration; // объявление переменной duration типа int
duration = pulseIn(pin, HIGH); // измеряем длительность импульса

Последовательная передача данных

Freeduino имеет встроенный контроллер для последовательной передачи данных, который может использоваться как для связи между Freeduino/Arduino устройствами, так и для связи с компьютером. На компьютере соответствующее соединение представлено USB COM-портом.

Связь происходит по цифровым портам 0 и 1, и поэтому Вы не сможете использовать их для цифрового ввода/вывода если используете функции последовательной передачи данных.

Serial.begin(скорость_передачи);

Описание:

Устанавливает скорость передачи информации COM порта битах в секунду для последовательной передачи данных. Для того чтобы поддерживать связь с компьютером, используйте одну из этих нормированных скоростей: 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 57600, или 115200. Также Вы можете определить другие скорости при связи с другим микроконтроллером по портам 0 и 1.

Параметры:

скорость_передачи: скорость потока данных в битах в секунду.

Serial.begin(9600); //устанавливаем скорость 9600 бит/сек

Serial.available

count = Serial.available();

Описание:

Принимаемые по последовательному порту байты попадают в буфер микроконтроллера, откуда Ваша программа может их считать. Функция возвращает количество накопленных в буфере байт. Последовательный буфер может хранить до 128 байт.

Возвращаемое значение:

Возвращает значение типа int – количество байт, доступных для чтения, в последовательном буфере, или 0, если ничего не доступно.

if (Serial.available() > 0) { // Если в буфере есть данные
// здесь должен быть прием и обработка данных
}

char = Serial.read();

Описание:

Считывает следующий байт из буфера последовательного порта.

Возвращаемое значение:

Первый доступный байт входящих данных с последовательного порта, или -1 если нет входящих данных.

incomingByte = Serial.read(); // читаем байт

Описание:

Очищает входной буфер последовательного порта. Находящиеся в буфере данные теряются, и дальнейшие вызовы Serial.read() или Serial.available() будут иметь смысл для данных, полученных после вызова Serial.flush().

Serial.flush(); // Очищаем буфер – начинаем прием данных «с чистого листа»

Описание:

Вывод данных на последовательный порт.

Параметры:

Функция имеет несколько форм вызова в зависимости от типа и формата выводимых данных.

Serial.print(b, DEC) выводит ASCII-строку - десятичное представление числа b.

int b = 79;

Serial.print(b, HEX) выводит ASCII-строку - шестнадцатиричное представление числа b.

int b = 79;

Serial.print(b, OCT) выводит ASCII-строку - восьмеричное представление числа b.

int b = 79;
Serial.print(b, OCT); //выдаст в порт строку «117»

Serial.print(b, BIN) выводит ASCII-строку - двоичное представление числа b.

int b = 79;
Serial.print(b, BIN); //выдаст в порт строку «1001111»

Serial.print(b, BYTE) выводит младший байт числа b.

int b = 79;
Serial.print(b, BYTE); //выведет число 79 (один байт). В мониторе
//последовательного порта получим символ «O» - его
//код равен 79

Serial.print(str) если str – строка или массив символов, побайтно передает str на COM-порт.

char bytes = {79, 80, 81}; //массив из 3 байт со значениями 79,80,81
Serial.print("Here our bytes:"); //выводит строку «Here our bytes:»
Serial.print(bytes); //выводит 3 символа с кодами 79,80,81 –
//это символы «OPQ»

Serial.print(b) если b имеет тип byte или char, выводит в порт само число b.

char b = 79;
Serial.print(b); //выдаст в порт символ «O»

Serial.print(b) если b имеет целый тип, выводит в порт десятичное представление числа b.

int b = 79;
Serial.print(b); //выдаст в порт строку «79»

Описание:

Функция Serial.println аналогична функции Serial.print, и имеет такие же варианты вызова. Единственное отличие заключается в том, что после данных дополнительно выводятся два символа – символ возврата каретки (ASCII 13, или "\r") и символ новой линии (ASCII 10, или "\n").

Пример 1 и пример 2 выведут в порт одно и то же:

int b = 79;
Serial.print(b, DEC); //выдаст в порт строку «79»
Serial.print("\r\n"); //выведет символы "\r\n" – перевод строки
Serial.print(b, HEX); //выдаст в порт строку «4F»
Serial.print("\r\n");//выведет символы "\r\n" – перевод строки

int b = 79;
Serial.println(b, DEC); //выдаст в порт строку «79\r\n»
Serial.println(b, HEX); //выдаст в порт строку «4F\r\n»

В мониторе последовательного порта получим.

Здравствуйте! Я Аликин Александр Сергеевич, педагог дополнительного образования, веду кружки «Робототехника» и «Радиотехника» в ЦДЮТТ г. Лабинска. Хотел бы немного рассказать об упрощенном способе программирования Arduino с помощью программы «ArduBloсk».

Эту программу я ввел в образовательный процесс и восхищен результатом, у детей она пользуется особым спросом, особенно при написании простейших программ или для создания какого-то начального этапа сложных программ. ArduBloсk является графической средой программирования, т. е. все действия выполняются с нарисованными картинками с подписанными действиями на русском языке, что в разы упрощает изучение платформы Arduino. Дети уже со 2-го класса с легкостью осваивают работу с Arduino благодаря этой программе.

Да, кто-то может сказать, что еще существует Scratch и он тоже очень простая графическая среда для программирования Arduino. Но Scratch не прошивает Arduino, а всего лишь управляет им по средством USB кабеля. Arduino зависим от компьютера и не может работать автономно. При создании собственных проектов автономность для Arduino - это главное, особенно при создании роботизированных устройств.

Даже всеми известные роботы LEGO, такие как NXT или EV3 нашим ученикам уже не так интересны с появлением в программировании Arduino программы ArduBloсk. Еще Arduino намного дешевле любых конструкторов LEGO и многие компоненты можно просто взять от старой бытовой электронной техники. Программа ArduBloсk поможет в работе не только начинающим, но и активным пользователям платформы Arduino.

Итак, что же такое ArduBloсk? Как я уже говорил, это графическая среда программирования. Практически полностью переведена на русский язык. Но в ArduBloсk изюминка не только это, но и то, что написанную нами программу ArduBloсk конвертирует в код Arduino IDE. Эта программа встраивается в среду программирования Arduino IDE, т. е. это плагин.

Ниже приведен пример мигающего светодиода и конвертированной программы в Arduino IDE. Вся работа с программой очень проста и разобраться в ней сможет любой школьник.

В результате работы на программе можно не только программировать Arduino, но и изучать непонятные нам команды в текстовом формате Arduino IDE, ну а если же «лень» писать стандартные команды - стоит быстрыми манипуляциями мышкой набросать простенькую программку в ArduBlok, а в Arduino IDE её отладить.

Чтобы установить ArduBlok, необходимо для начала загрузить и установить Arduino IDE с официального сайта Arduino и разобраться с настройками при работе с платой Arduino UNO. Как это сделать описано на том же сайте или же на Амперке , либо посмотреть на просторах YouTube. Ну, а когда со всем этим разобрались, необходимо скачать ArduBlok с официального сайта, вот . Последние версии скачивать не рекомендую, для начинающих они очень сложны, а вот версия от 2013-07-12 - самое то, этот файл там самый популярный.

Затем, скачанный файл переименовываем в ardublock-all и в папке «документы». Создаем следующие папки: Arduino > tools > ArduBlockTool > tool и в последнею кидаем скачанный и переименованный файл. ArduBlok работает на всех операционных системах, даже на Linux, проверял сам лично на XP, Win7, Win8, все примеры для Win7. Установка программы для всех систем одинакова.

Ну, а если проще, я приготовил на Mail-диске 7z архив , распаковав который найдете 2 папки. В одной уже рабочая программа Arduino IDE, а в другой папке содержимое необходимо отправить в папку документы.

Для того, чтобы работать в ArduBlok, необходимо запустить Arduino IDE. После чего заходим во вкладку Инструменты и там находим пункт ArduBlok, нажимаем на него - и вот она, цель наша.

Теперь давайте разберемся с интерфейсом программы. Как вы уже поняли, настроек в ней нет, а вот значков для программирования предостаточно и каждый из них несет за собой команду в текстовом формате Arduino IDE. В новых версиях значков еще больше, поэтому разобраться с ArduBlok последней версии сложно и некоторые из значков не переведены на русский.

В разделе «Управление» мы найдем разнообразные циклы.

В разделе «Порты» мы можем с вами управлять значениями портов, а также подключенными к ним звукоизлучателя, сервомашинки или ультразвукового датчика приближения.

В разделе «Числа/Константы» мы можем с вами выбрать цифровые значения или создать переменную, а вот то что ниже вряд ли будите использовать.

В разделе «Операторы» мы с вами найдем все необходимые операторы сравнения и вычисления.

В разделе «Утилиты» в основном используются значки со временем.

«TinkerKit Bloks»- это раздел для приобретенных датчиков комплекта TinkerKit. Такого комплекта у нас, конечно же, нет, но это не значит, что для других наборов значки не подойдут, даже наоборот - ребятам очень удобно использовать такие значки, как включения светодиода или кнопка. Эти знаки используются практически во всех программах. Но у них есть особенность - при их выборе стоят неверные значки обозначающие порты, поэтому их необходимо удалить и подставить значок из раздела «числа/константы» самый верхний в списке.

«DF Robot» - этот раздел используется при наличии указанных в нем датчиков, они иногда встречаются. И наш сегодняшний пример - не исключение, мы имеем «Регулируемый ИК выключатель» и «Датчик линии». «Датчик линии» отличается от того, что на картинке, так как он от фирмы Амперка. Действия их идентичны, но датчик от Амперки намного лучше, так как в нем имеется регулятор чувствительности.

«Seeedstudio Grove» - датчики этого раздела мной ни разу не использовались, хотя тут только джойстики. В новых версиях этот раздел расширен.

И последний раздел это «Linker Kit». Датчики, представленные в нем, мне не попадались.

Хочется показать пример программы на роботе, двигающемся по полосе. Робот очень прост, как в сборке, так и в приобретении, но обо всем по порядку. Начнем с его приобретения и сборки.

Вот сам набор деталей все было приобретено на сайте Амперка .

AMP-B001 Motor Shield (2 канала, 2 А) 1 890 руб
AMP-B017 Troyka Shield 1 690 руб
AMP-X053 Батарейный отсек 3×2 AA 1 60 руб
AMP-B018 Датчик линии цифровой 2 580 руб
ROB0049 Двухколёсная платформа miniQ 1 1890 руб
SEN0019 Инфракрасный датчик препятствий 1 390 руб
FIT0032 Крепление для инфракрасного датчика препятствий 1 90 руб
A000066 Arduino Uno 1 1150 руб

Для начала соберем колесную платформу и припаяем к двигателям провода.

Затем установим стойки, для крепления платы Arduino UNO, которые были взяты от старой материнской платы ну или иные подобные крепления.

Затем крепим на эти стойки плату Arduino UNO, но один болтик прикрутить не получиться - разъемы мешают. Можно, конечно, их выпаять, но это уже на ваше усмотрение.

Следующим крепим инфракрасный датчик препятствий на его специальное крепление. Обратите внимание, что регулятор чувствительности находиться сверху, это для удобства регулировки.

Теперь устанавливаем цифровые датчики линии, тут придется поискать пару болтиков и 4 гайки к ним Две гайки устанавливаем между самой платформой и датчиком линии, а остальными фиксируем датчики.

Следующим устанавливаем Motor Shield или по другому можно назвать драйвер двигателей. В нашем случае обратите внимание на джампер. Мы не будем использовать отдельное питание для двигателей, поэтому он установлен в этом положение. Нижняя часть заклеивается изолентой, это чтобы не было случайных замыканий от USB разъема Arduino UNO, это на всякий случай.

Сверху Motor Shield устанавливаем Troyka Shield. Он необходим для удобства соединения датчиков. Все используемые нами сенсоры цифровые, поэтому датчики линии подключены к 8 и 9 порту, как их еще называют пины, а инфракрасный датчик препятствий подключен к 12 порту. Обязательно обратите внимание, что нельзя использовать порты 4, 5, 6, 7 так как оны используются Motor Shield для управлением двигателями. Я эти порты даже специально закрасил красным маркером, чтобы ученики разобрались.

Если вы уже обратили внимание, мной была добавлена черная втулка, это на всякий случай, чтобы установленный нами батарейный отсек не вылетел. И наконец, всю конструкцию мы фиксируем обычной резинкой.

Подключения батарейного отсека может быть 2-х видов. Первый подключение проводов к Troyka Shield. Также возможно подпаять штекер питания и подключать уже к самой плате Arduino UNO.

Вот наш робот готов. Перед тем как начать программировать, надо будет изучить, как все работает, а именно:
- Моторы:
Порт 4 и 5 используются для управления одним мотором, а 6 и 7 другим;
Скоростью вращения двигателей мы регулируя ШИМом на портах 5 и 6;
Вперед или назад, подавая сигналы на порты 4 и 7.
- Датчики:
У нас все цифровые, поэтому дают логические сигналы в виде 1 либо 0;
А что бы их отрегулировать, в них предусмотрены специальные регуляторы а при помощи подходящей отвертки их можно откалибровать.

Подробности можно узнать на Амперке . Почему тут? Потому что там очень много информации по работе с Arduino.

Ну что ж, мы, пожалуй, все просмотрели поверхностно, изучили и конечно же собрали робота. Теперь его необходимо запрограммировать, вот она - долгожданная программа!

И программа конвертированная в Arduino IDE:

Void setup() { pinMode(8 , INPUT); pinMode(12 , INPUT); pinMode(9 , INPUT); pinMode(4 , OUTPUT); pinMode(7 , OUTPUT); pinMode(5, OUTPUT); pinMode(6, OUTPUT); } void loop() { if (digitalRead(12)) { if (digitalRead(8)) { if (digitalRead(9)) { digitalWrite(4 , HIGH); analogWrite(5, 255); analogWrite(6, 255); digitalWrite(7 , HIGH); } else { digitalWrite(4 , HIGH); analogWrite(5, 255); analogWrite(6, 50); digitalWrite(7 , LOW); } } else { if (digitalRead(9)) { digitalWrite(4 , LOW); analogWrite(5, 50); analogWrite(6, 255); digitalWrite(7 , HIGH); } else { digitalWrite(4 , HIGH); analogWrite(5, 255); analogWrite(6, 255); digitalWrite(7 , HIGH); } } } else { digitalWrite(4 , HIGH); analogWrite(5, 0); analogWrite(6, 0); digitalWrite(7 , HIGH); } }

В заключении хочу сказать, эта программа просто находка для образования, даже для самообучения она поможет изучить команды Arduino IDE. Самая главная изюминка - это то, что более 50 значков установки, она начинает «глючить». Да, действительно, это изюминка, так как постоянное программирование только на ArduBlok не обучит вас программированию в Arduino IDE. Так называемый «глюк» дает возможность задумываться и стараться запоминать команды для точной отладки программ.

Желаю успехов.

Данная статья поможет вам начать работу с Arduino и включает в себя описание различных типов Arduino, как загрузить среду разработки программного обеспечения Arduino, и описывает различные платы и принадлежности, доступные для Arduino, и которые понадобятся вам для разработки проектов на Arduino.

Arduino - это одноплатный контроллер с открытыми исходными кодами, который можно использовать в множестве различных приложений. Это возможно самый простой и самый дешевый вариант из микроконтроллеров для любителей, студентов и профессионалов для разработки проектов на основе микроконтроллеров. Платы Arduino используют либо микроконтроллер Atmel AVR, либо микроконтроллер Atmel ARM, и в некоторых версия имеет интерфейс USB. Они также имеют шесть или более выводов аналоговых входов и четырнадцать или более выводов цифровых входов/выходов (I/O), которые используются для подключения к микроконтроллеру датчиков, приводов и других периферийных схем. Цена на платы Arduino в зависимости от набора функций составляет от шести до сорока долларов.

Типы плат Arduino

Существует множество различных типов плат Arduino, как показано в списке ниже, каждая из которых обладает собственным набором функций. Они отличаются по скорости обработки, памяти, портам ввода/вывода и подключению, но основная составляющая их функционала остается неизменной.

Arduino Robot
Arduino Ethernet

На разнообразие плат Arduino и их технические описания можно посмотреть в подразделе « » раздела «Купить » данного сайта.

Программное обеспечение (IDE)

Программное обеспечение, используемое для программирования Arduino, представляет собой интегрированную среду разработки Arduino IDE. IDE представляет собой Java приложение, которое работает на множестве различных платформ, включая системы PC, Mac и Linux. Она разработана для начинающих, которые не знакомы с программированием. Она включает в себя редактор, компилятор и загрузчик. Также в IDE включены библиотеки кода для использования периферии, например, последовательных портов и различных типов дисплеев. Программы для Arduino называются «скетчами», и они написаны на языке, очень похожем на C или C++.

Большинство плат Arduino подключаются к компьютеру с помощью USB кабеля. Это соединение позволяет загружать скетчи на вашу плату Arduino, а также обеспечивает плату питанием.

USB кабель для Arduino

Программирование

Программирование Arduino легко: сначала вы используете редактор кода IDE для написания программы, а затем компилируете и загружаете её одним кликом.

Программа для Arduino включает в себя две основные функции:

setup()
loop()

Вы можете использовать функцию setup() для инициализации настроек платы. Эта функция выполняется только один раз, при включении платы.

Функция loop() выполняется после завершения функции setup() , и в отличие от функции setup() она работает постоянно.

Функции программ

Ниже приведен список наиболее часто используемых функции при программировании Arduino:

pinMode - устанавливает вывод в режим входа или выхода;
analogRead - считывает аналоговое напряжение на аналоговом входном выводе;
analogWrite - записывает аналоговое напряжение в аналоговый выходной вывод;
digitalRead - считывает значение цифрового входного вывода;
digitalWrite - задает значение цифрового выходного вывода в высокий или низкий уровень;
Serial.print - пишет данные в последовательный порт в виде удобочитаемого текста ASCII.

Библиотеки Arduino

Библиотеки Arduino представляют собой коллекции функций, которые позволят вам управлять устройствами. Вот некоторые из наиболее широко используемых библиотек:

EEPROM - чтение и запись в «постоянно» хранилище;
Ethernet - для подключения к интернету, используя плату Arduino Ethernet Shield;
Firmata - для связи с приложениями на компьютере, используя стандартный последовательный протокол;
GSM - для подключения к сети GSM/GRPS с помощью платы GSM;
LiquidCrystal - для управления жидкокристаллическими дисплеями (LCD);
SD - для чтения и записи SD карт;
Servo - для управления сервоприводами;
SPI - для связи с устройствами, используя шину SPI;
SoftwareSerial - для последовательной связи через любые цифровые выводы;
Stepper - для управления шаговыми двигателями;
TFT - для отрисовки текста, изображений и фигур Arduino TFT экранах;
WiFi - для подключения к интернету, используя плату Arduino WiFi shield;
Wire - двухпроводный интерфейс (TWI/I2C) для передачи и приема данных через сеть устройств или датчиков.

Этапы настройки Arduino

Внимание: возможно, вам понадобится установить драйвера, если ваша система не обнаружит Arduino.