Arduino представляет собой плату с микроконтроллером, которую вы можете программировать, чтобы управлять внешними устройствами. Он взаимодействует с внешним миром через датчики, двигатели, светодиоды, динамики… и даже Интернет, что делает его гибкой платформой для разных проектов. Есть довольно много микроконтроллеров, но Arduino популярен благодаря тому, что в интернете очень активно выкладываются и обсуждаются различные проекты. Если вы поищете в google или youtube, вы найдёте миллионы идей и информации чтобы начать осваивать Arduino самостоятельно.
Даже если вы не имеете опыта программирования микроконтроллеров –с Arduino вы быстро научитесь и узнаете что-то об электронике с помощью экспериментов.
Что вам понадобится для начала?
Arduino Uno- 1шт
Usb кабель-1шт
Перемычки 1шт
Макетная плата 1шт
Красный светодиод 4 шт
Резистор 220 Ом 4шт
Резистор 10 ком 1шт
Кнопка без фиксации
Потенциометр
RGB светодиод с общим катодом
Все это можно купить в местном радиомагазине или заказать в интернете.
Для демонстрации и симуляции электрических цепей был использован онлайн симулятор 123D circuits
Этот симулятор лучше всего работает в браузере Chrome
Давайте рассмотрим Arduino по внимательней.
Arduino это не большой компьютер, к которому могут подключаться внешние цепи. В Arduino Uno используется Atmega 328P
Это самый большой чип на плате. Этот чип выполняет программы, которые хранятся в его памяти. Вы можете загрузить программу через usb с помощью Arduino IDE. Usb порт также обеспечивает питание arduino.
Есть отдельный разъём питания. На плате есть два вывода обозначенные 5v и 3.3v, которые нужны для того, чтобы запитывать различные устройства. Так же вы найдете контакты, помеченные как GND, это выводы земли (земля это 0В). Платформа Arduino, так же, имеет 14 цифровых выводов (пинов), помеченных цифрами от 0 до 13, которые подключаются к внешним узлам и имеют два состояния высокое или низкое (включено или выключено). Эти контакты могут работать как выходы или как входы, т.е. они могут либо передавать какие-то данные и управлять внешними устройствами, либо получать данные с устройств. Следующие выводы на плате обозначены А0-А5. Это аналоговые входы, которые могут принимать данные с различных датчиков. Это особенно удобно, когда вам надо измерить некий диапазон, например температуру. У аналоговых входов есть дополнительные функции, которые можно задействовать отдельно.
Как использовать макетную плату.
Макетная плата нужна для того чтобы временно соединить детали, проверить, как работает устройство, до того как вы спаяете все вместе.
Все нижеследующие примеры собраны на макетной плате, чтобы можно было быстро вносить изменения в схему и повторно использовать детали не заморачиваясь с пайкой.
В макетной плате есть ряды отверстий, в которые вы можете вставлять детали и провода. Некоторые из этих отверстий электрически соединены друг с другом.
Два верхних и нижних ряда соединены по — рядно вдоль всей платы. Эти ряды используются, чтобы подавать питание на схему. Это может быть 5в или 3.3в, но в любом случае, первое, что вам надо сделать — это подключить 5в и GND на макетную плату, как показано на рисунке. Иногда эти соединения рядов могут прерываться посередине платы, тогда, если вам понадобится, вы можете их соединить, как показано на рисунке.
Остальные отверстия, расположенные в середине платы, группируются по пять отверстий. Они используется для соединения деталей схемы.
Первое, что мы подключим к нашему микроконтроллеру, это светодиод. Схема электрических соединений показана на картинке.
Для чего нужен резистор в схеме? В данном случае он ограничивает ток, который проходит через светодиод. Каждый светодиод рассчитан на определённый ток, и если этот ток будет больше, то светодиод выйдет из строя. Узнать, какого номинала должен быть резистор можно с помощью закона ома. Для тех кто не знает или забыл, закон ома говорит, что существует линейная зависимость тока от напряжения. Т.е, чем больше мы приложим напряжение к резистору, тем больше потечет через него ток.
V=I*R
Где V-напряжение на резистор
I— ток через резистор
R— сопротивление, которое надо найти.
Во-первых, мы должны узнать напряжение на резистор. Большинство светодиодов 3мм или 5мм, которые вы будете использовать, имеют рабочее напряжение 3в. Значит, на резисторе нам надо погасить 5-3=2в.
Затем мы вычислим ток, проходящий через резистор.
Большинство 3 и 5мм светодиодов светятся полной яркостью при токе 20мА. Ток больше этого может вывести их из строя, а ток меньшей силы снизит их яркость, не причинив никакого вреда.
Итак, мы хотим включить светодиод в цепь 5в,чтобы на нем был ток 20мА. Так как все детали включены в одну цепь на резистор тоже будет ток 20мА.
Мы получаем
2В = 20 мА * R
2В = 0.02A * R
R = 100 Ом
100 Ом это минимальное сопротивление, лучше использовать немного больше, потому, что светодиоды имеют некоторый разброс характеристик.
В данном примере используется резистор 220 Ом. Только потому, что у автора их очень много 😉 .
Вставьте светодиод в отверстия посередине платы таким образом, чтобы его длинный вывод был соединён с одним из выводов резистора. Второй конец резистора соедините с 5V, а второй вывод светодиода соедините с GND. Светодиод должен загореться.
Обратите внимание, что есть разница, как соединять светодиод. Ток течёт от более длинного вывода к более короткому. На схеме это можно представить, что ток течёт в ту сторону, куда направлен треугольник. Попробуйте перевернуть светодиод и вы увидите, что он не будет светиться.
А вот как вы будете соединять резистор, разницы совсем нет. Можете его перевернуть или попробовать подсоединить к другому выводу светодиода, это не повлияет на работу схемы. Он все так же будет ограничивать ток через светодиод.
Анатомия Arduino Sketch.
Программы для Arduino называют sketch. Они состоят из двух основных функций. Функция setup и функция loop
Setup () внутри этой функции вы будете задавать все основные настройки. Какие выводы будут работать на вход или выход, какие библиотеки подключать, инициализировать переменные. Функция Setup() запускается только один раз в течение скетча, когда стартует выполнение программы.
Loop() это основная функция, которая выполняется после setup(). Фактически это сама программа. Это функция будет выполняться бесконечно, пока вы не выключите питание.
Arduino мигает светодиодом
В этом примере мы соединим схему со светодиодом к одному из цифровых выводов Arduino и будем включать и выключать его с помощью программы, а так же вы узнаете несколько полезных функций.
pinMode (pinNumber, mode)— эта функция используется в setup () части программы и служит для инициализации выводов, которые вы будете использовать, как вход (INPUT) или выход (OUTPUT). Вы не сможете считать или записать данные с пина, пока не установите его соответственно в pinMode. Эта функция имеет два аргумента: pinNumber— это номер пина, который вы будете использовать.
Mode-задает, как пин будет работать. На вход (INPUT) или выход (OUTPUT). Чтобы зажечь светодиод мы должны подать сигнал ИЗ Arduino. Для этого мы настраиваем пин на выход.
digitalWrite(pinNumber,state)— эта функция служит для того, чтобы задать состояние (state) пина (pinNumber). Есть два основных состояния (вообще их 3), одно это HIGH, на пине будет 5в, другое это Low и на пине будет 0в. Значит, чтобы зажечь светодиод нам надо на пине , соединенном со светодиодом выставить высокий уровень HIGH.
delay(timeInMs)— задержка. Служит для задержки работы программы на заданный в мсек период.
Ниже приведен код, который заставляет мигать светодиод.
//LED Blink
int ledPin = 7;//пин Arduino к которому подключен светодиод
void setup() {
pinMode(ledPin, OUTPUT);// установка пина как ВЫХОД
}
void loop() {
digitalWrite(ledPin, HIGH);//зажечь светодиод
delay(1000);// задержка 1000 мсек (1 сек)
digitalWrite(ledPin, LOW);//Выключить светодиод
delay(1000);//ждать 1 сек
}
Небольшие пояснения по коду.
Строки, которые начинаются с «//» это комментарии Arduino их игнорирует.
Все команды заканчиваются точкой с запятой, если вы их забудете, то получите сообщение об ошибке.
ledPin— это переменная. Переменные используются в программах для хранения значений. В данном примере переменной ledPin присваивается значение 7, это номер пина Arduino. Когда Arduino в программе встретит строку с переменной ledPin , он будет использовать то значение, которое мы указали ранее.
Так запись pinMode(ledPin, OUTPUT) аналогична записи pinMode(7, OUTPUT).
Но в первом случае вам достаточно поменять переменную и она поменяется в каждой строке, где используется, а во втором случае вам, чтобы поменять переменную, придётся ручками в каждой команде вносить изменения.
INT в первой строке указывает на тип переменной. При программировании Arduino важно всегда объявлять тип переменных. Пока вам достаточно знать, что INT объявляет отрицательные и положительные числа.
Ниже представлено моделирование скетча. Нажмите старт, чтобы посмотреть работу схемы.
Моделирование скетча
Как и ожидалось, светодиод гаснет и загорается через одну секунду. Попробуйте поменять задержку, чтобы посмотреть, как она работает.
Управление несколькими светодиодами.
В этом примере вы узнаете, как управлять несколькими светодиодами. Для этого установите ещё 3 светодиода на плату и соедините их с резисторами и выводами Arduino, как показано ниже.
Моделирование скетча
Для того, чтобы включать и выключать светодиоды по очереди надо написать программу подобную этой:
//Multi LED Blink
int led1Pin = 4;
int led2Pin = 5;
int led3Pin = 6;
int led4Pin = 7;
void setup() {
//установка пинов как ВЫХОД
pinMode(led1Pin, OUTPUT);
pinMode(led2Pin, OUTPUT);
pinMode(led3Pin, OUTPUT);
pinMode(led4Pin, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(led1Pin, HIGH);//зажечь светодиод
delay(1000);//задержка 1 сек
digitalWrite(led1Pin, LOW);//потушить светодиод
delay(1000);//задержка 1 сек
//do the same for the other 3 LEDs
digitalWrite(led2Pin, HIGH);//зажечь светодиод
delay(1000);// задержка 1 сек
digitalWrite(led2Pin, LOW);//потушить светодиод
delay(1000);//задержка 1 сек
digitalWrite(led3Pin, HIGH);//зажечь светодиод
delay(1000);// задержка 1 сек
digitalWrite(led3Pin, LOW);//потушить светодиод
delay(1000);//задержка 1 сек
digitalWrite(led4Pin, HIGH);//зажечь светодиод
delay(1000);// задержка 1 сек
digitalWrite(led4Pin, LOW);//потушить светодиод
delay(1000);//задержка 1 сек
}
Эта программа будет отлично работать, но это не самое рациональное решение. Код надо изменить. Для того, чтобы программа работала раз за разом мы применим конструкцию, которая называется цикл For.
Циклы удобны, когда надо повторить одно и тоже действие несколько раз. В коде, проведенном выше мы повторяем строки
digitalWrite (led4Pin, HIGH);
delay (1000);
digitalWrite (led4Pin, LOW);
delay (1000);
полный код скетча во вложении
for.zip
[720 b] (скачиваний: 1518)
Регулировка яркости светодиодов
Иногда вам надо будет менять яркость светодиодов в программе. Это можно сделать с помощью команды analogWrite(). Эта команда так быстро включает и выключает светодиод, что глаз не видит это мерцание. Если светодиод половину времени будет включён, а половину выключен, то визуально будет казаться, что он светится в половину своей яркости. Это называется широтно-импульсная модуляция (ШИМ или PWM по-английски). Шим применяется довольно часто, так как с ее помощью можно управлять «аналоговым» компонентом с помощью цифрового кода. Не все выводы Arduino подходят для этих целей. Только те выводы, около которых нарисовано такое обозначение «~«. Вы увидите его рядом с выводами 3,5,6,9,10,11.
Соедините один из ваших светодиодов с одним из выводов ШИМ(у автора это вывод 9). Теперь запуститьскетч мигания светодиода, но прежде измените команду digitalWrite() на analogWrite(). analogWrite() имеет два аргумента: первый это номер вывода, а второй- значение ШИМ (0-255), применительно к светодиодам это будет их яркость свечения, а для электродвигателей скорость вращения. Ниже представлен код примера для разной яркости светодиода.
//Меняем яркость светодиода
int ledPin = 9;//к этому выводу подсоединен светодиод
void setup() {
pinMode(ledPin, OUTPUT);// инициализация пина на вывод
}
void loop() {
analogWrite(ledPin, 255);//полная яркость (255/255 = 1)
delay(1000);// пауза 1 сек
digitalWrite(ledPin, LOW);//выключить светодиод
delay(1000);//пауза 1 сек
analogWrite(ledPin, 191);//яркость на 3/4 (191/255 ~= 0.75)
delay(1000);//пауза 1 сек
digitalWrite(ledPin, LOW);//выключить светодиод
delay(1000);//пауза 1 сек
analogWrite(ledPin, 127);//половина яркости (127/255 ~= 0.5)
delay(1000);// пауза 1 сек
digitalWrite(ledPin, LOW);//выключить светодиод
delay(1000);//пауза 1 сек
analogWrite(ledPin, 63);//четверть яркости (63/255 ~= 0.25)
delay(1000);// пауза 1 сек
digitalWrite(ledPin, LOW);//выключить светодиод
delay(1000);//пауза 1 сек
}
Попробуйте поменять значение ШИМ в команде analogWrite (),чтобы увидеть, как это влияет на яркость.
Далее вы узнаете, как регулировать яркость плавно от полной до нулевой. Можно ,конечно, скопировать кусок кода 255 раз
analogWrite(ledPin, brightness);
delay(5);//short delay
brightness = brightness + 1;
Но, сами понимаете — это будет не практично. Для этого лучше всего использовать цикл FOR, который использовали ранее.
В следующем примере используются два цикла, один для уменьшения яркости от 255 до 0
for (int brightness=0;brightness=0;brightness—){
analogWrite(ledPin,brightness);
delay(5);
}
delay(5) используется, чтобы замедлить скорость нарастания и уменьшения яркости 5*256=1280 мсек= 1.28 сек.)
В первой строке используется «brightness-» ,для того чтобы значение яркости уменьшалось на 1, каждый раз, когда цикл повторяется. Обратите внимание, что цикл будет работать до тех пор, пока brightness >=0.Заменив знак > на знак >= мы включили 0 в диапазон яркости. Ниже смоделирован этот скетч.//плавно меняем яркость
int ledPin = 9;//к этому пину подключен светодиод
void setup() {
pinMode(ledPin, OUTPUT);// инициализация пина на выход
}
void loop() {
//плавно увеличиваем яркость (0 to 255)
for (int brightness=0;brightness=0;brightness—){
analogWrite(ledPin,brightness);
delay(5);
}
delay(1000);//ждем 1 сек
//плавно уменьшаем яркость (255 to 0)
for (int brightness=255;brightness>=0;brightness—){
analogWrite(ledPin,brightness);
delay(5);
}
delay(1000);//ждем 1 сек
}
}
Это видно не очень хорошо, но идея понятна.
Моделирование скетча
RGB-светодиод и Arduino
RGB-светодиод на самом деле это три светодиода разного цвета в одном корпусе.
Включая разные светодиоды с различной яркостью можно комбинировать и получать разные цвета. Для Arduino, где количество градаций яркости равно 256 вы получите 256^3=16581375 возможных цветов. Реально их, конечно, будет меньше.
Светодиод, который мы будем использоваться общим катодом. Т.е. все три светодиода конструктивно соединены катодами к одному выводу. Этот вывод мы подсоединим к выводу GND. Остальные выводы, через ограничительные резисторы, надо подсоединить к выводам ШИМ. Автор использовал выводы 9-11.Таким образом можно будет управлять каждым светодиодом отдельно. В первом скетче показано, как включить каждый светодиод отдельно.
//RGB LED — test
//pin connections
int red = 9;
int green = 10;
int blue = 11;
void setup(){
pinMode(red, OUTPUT);
pinMode(blue, OUTPUT);
pinMode(green, OUTPUT);
}
void loop(){
//включение/выключение красного светодиод
digitalWrite(red, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(red, LOW);
delay(500);
//включение/выключение зеленого светодиода
digitalWrite(green, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(green, LOW);
delay(500);
//включение/выключение синего светодиода
digitalWrite(blue, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(blue, LOW);
delay(500);
}
В следующем примере используются команды analogWrite() и random(), чтобы получать различные случайные значения яркости для светодиодов. Вы увидите разные цвета, меняющиеся случайным образом.
//RGB LED — random colors
//pin connections
int red = 9;
int green = 10;
int blue = 11;
void setup(){
pinMode(red, OUTPUT);
pinMode(blue, OUTPUT);
pinMode(green, OUTPUT);
}
void loop(){
//pick a random color
analogWrite(red, random(256));
analogWrite(blue, random(256));
analogWrite(green, random(256));
delay(1000);//wait one second
}
Random(256)-возвращает случайное число в диапазоне от 0 до 255.
В прикрепленном файле скетч, который продемонстрирует плавные переходы цветов от красного к зеленому, затем к синему, красному, зеленому и т.д.
переходы.zip
[373 b] (скачиваний: 411)
Пример скетча работает, но есть много повторяющегося кода. Можно упростить код, написав собственную вспомогательную функцию, которая будет плавно менять один цвет на другой.
Вот как она будет выглядеть:
функция.zip
[263 b] (скачиваний: 448)
Давайте рассмотрим определение функции по частям. Функция называется fader и имеет два аргумента. Каждый аргумент отделяется запятой и имеет тип объявленный в первой строке определения функции: void fader (int color1, int color2). Вы видите, что оба аргумента объявлены как int, и им присвоены имена color1 и color2 в качестве условных переменных для определения функции. Void означает, что функция не возвращает никаких значений, она просто выполняет команды. Если надо было бы написать функцию, которая возвращала результат умножения это выглядело бы так :
int multiplier(int number1, int number2){
int product = number1*number2;
return product;
}
Обратите внимание, как мы объявили Тип int в качестве типа возвращаемого значения вместо
void.
Внутри функции идут команды, которые вы уже использовали в предыдущем скетче, только номера выводов заменили на color1 и color2. Вызывается функция fader, ее аргументы вычисляются как color1 = red и color2 = green. В архиве полный скетч с использованием функций
функции.zip
[392 b] (скачиваний: 341)
Кнопка
В следующем скетче будет использоваться кнопка с нормально разомкнутыми контактами, без фиксации.
Это значит, что пока кнопка не нажата, ток через неё не идёт, а после отпускания, кнопка возвращается в исходное положение.
В схеме, помимо кнопки используется резистор. В данном случае он не ограничивает ток, а «подтягивает» кнопку к 0в (GND). Т.е. пока кнопка не нажата на выводе Arduino, к которому она подключена, будет низкий уровень. Резистор, используемый в схеме 10 кОм.
//определяем нажатие кнопки
int buttonPin = 7;
void setup(){
pinMode(buttonPin, INPUT);//инициализируем пин на вход
Serial.begin(9600);//инициализируем последовательный порт
}
void loop(){
if (digitalRead(buttonPin)==HIGH){//если кнопка нажата
Serial.println("pressed"); // выводим надпись "pressed"
} else {
Serial.println("unpressed");// иначе "unpressed"
}
}
В этом скетче несколько новых команд.
digitalRead(pinNumber)-эта команда принимает значение High (высокий уровень) и low (низкий уровень), того вывода, который мы проверяем. Предварительно в setup() этот вывод надо настроить на вход.
pinMode (buttonPin, INPUT); //где buttonPin это номер вывода, куда подсоединяется кнопка.
Последовательный порт позволяет отправлять Arduino сообщения на компьютер, в то время, как сам контроллер выполняет программу. Это полезно для отладки программы, отправки сообщений на другие устройства или приложения. Чтобы включить передачу данных через последовательный порт (другое название UART или USART), надо инициализировать его в setup()
Serial.begin()
Serial.begin() имеет всего один аргумент-это скорость передачи данных между Arduino и компьютером.
скетче используется команда Serial.print() для вывода сообщения на экран в Arduino IDE (Tools >> Serial Monitor).
If/else- конструкция позволяют контролировать ход выполнения программы, объеденив несколько проверок в одном месте.
If(если) digitalRead возвращает значение HIGH, то на мониторе выводится слово «нажата». Else(иначе) на мониторе выводится слово » отжата» . Теперь можно попробовать включать и выключать светодиод по нажатию кнопки.
//button press detection with LED output
int buttonPin = 7;
int ledPin = 8;
void setup(){
pinMode(buttonPin, INPUT);//this time we will set button pin as INPUT
pinMode(ledPin, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop(){
if (digitalRead(buttonPin)==HIGH){
digitalWrite(ledPin,HIGH);
Serial.println("pressed");
} else {
digitalWrite(ledPin,LOW);
Serial.println("unpressed");
}
}
Моделирование скетча
Аналоговый вход.
analogRead (pinNumber) analogRead позволяет считать данные с одного из аналоговых выводов Arduino и выводит значение в диапазоне от 0 (0В) до 1023 (5В). Если напряжение на аналоговом входе будет равно 2.5В, то будет напечатано 2.5 / 5 * 1023 = 512
analogRead имеет только один аргумент- Это номер аналогового входа (А0-А5). В следующем скетче приводится код считывания напряжения с потенциометра. Для этого подключите переменный резистор, крайними выводами на пины 5V и GND, а средний вывод на вход А0.
Запустите следующий код и посмотрите в serial monitor, как меняются значения в зависимости от поворота ручки резистора.
//analog input
int potPin = A0;//к этому пину подсоединяется центральный вывод потенциометра
void setup(){
//аналоговый пин по умолчанию включен на вход, поэтому инициализация не нужна
Serial.begin(9600);
}
void loop(){
int potVal = analogRead(potPin);//potVal is a number between 0 and 1023
Serial.println(potVal);
}
Следующий скетч объединяет скетч нажатия кнопки и скетч управления яркостью светодиода. Светодиод будет включаться от кнопки, и управлять яркостью свечения будет потенциометр.
//button press detection with LED output and variable intensity
int buttonPin = 7;
int ledPin = 9;
int potPin = A0;
void setup(){
pinMode(buttonPin, INPUT);
pinMode(ledPin, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop(){
if (digitalRead(buttonPin)==HIGH){//if button pressed
int analogVal = analogRead(potPin);
int scaledVal = map(analogVal, 0, 1023, 0, 255);
analogWrite(ledPin, scaledVal);//turn on led with intensity set by pot
Serial.println("pressed");
} else {
digitalWrite(ledPin, LOW);//turn off if button is not pressed
Serial.println("unpressed");
}
}
Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.
Источник: