Этот урок дает минимальные знания, необходимые для программирования систем Ардуино на языке C. Можно только просмотреть его и в дальнейшем использовать как справочную информацию. Тем, кто программировал на C в других системах можно пропустить статью.
Повторю, что это минимальная информация. Описание указателей, классов, строковых переменных и т.п. будет дано в последующих уроках. Если что-то окажется непонятным, не беспокойтесь. В дальнейших уроках будет много примеров и пояснений.
Структура программы Ардуино.
Структура программы Ардуино достаточно проста и в минимальном варианте состоит из двух частей setup() и loop().
void setup() {
void loop() {
Функция setup() выполняется один раз, при включении питания или сбросе контроллера. Обычно в ней происходят начальные установки переменных, регистров. Функция должна присутствовать в программе, даже если в ней ничего нет.
После завершения setup() управление переходит к функции loop(). Она в бесконечном цикле выполняет команды, записанные в ее теле (между фигурными скобками). Собственно эти команды и совершают все алгоритмические действия контроллера.
Первоначальные правила синтаксиса языка C.
; точка с запятой Выражения могут содержать сколь угодно много пробелов, переносов строк. Признаком завершения выражения является символ ”точка с запятой ”.
z = x + y;
z= x
+ y ;
{ } фигурные скобки определяют блок функции или выражений. Например, в функциях setup() и loop().
/* … */ блок комментария , обязательно закрыть.
/* это блок комментария */
// однострочный комментарий , закрывать не надо, действует до конца строки.
// это одна строка комментария
Переменные и типы данных.
Переменная это ячейка оперативной памяти, в которой хранится информация. Программа использует переменные для хранения промежуточных данных вычислений. Для вычислений могут быть использованы данные разных форматов, разной разрядности, поэтому у переменных в языке C есть следующие типы.
| Тип данных | Разрядность, бит | Диапазон чисел |
| boolean | 8 | true, false |
| char | 8 | -128 … 127 |
| unsigned char | 8 | 0 … 255 |
| byte | 8 | 0 … 255 |
| int | 16 | -32768 … 32767 |
| unsigned int | 16 | 0 … 65535 |
| word | 16 | 0 … 65535 |
| long | 32 | -2147483648 … 2147483647 |
| unsigned long | 32 | 0 … 4294967295 |
| short | 16 | -32768 … 32767 |
| float | 32 | -3.4028235+38 … 3.4028235+38 |
| double | 32 | -3.4028235+38 … 3.4028235+38 |
Типы данных выбираются исходя из требуемой точности вычислений, форматов данных и т.п. Не стоит, например, для счетчика, считающего до 100, выбирать тип long. Работать будет, но операция займет больше памяти данных и программ, потребует больше времени.
Объявление переменных.
Указывается тип данных, а затем имя переменной.
int x; // объявление переменной с именем x типа int
float widthBox; // объявление переменной с именем widthBox типа float
Все переменные должны быть объявлены до того как будут использоваться.
Переменная может быть объявлена в любой части программы, но от этого зависит, какие блоки программы могут ее использовать. Т.е. у переменных есть области видимости.
- Переменные, объявленные в начале программы, до функции void setup(), считаются глобальными и доступны в любом месте программы.
- Локальные переменные объявляются внутри функций или таких блоков, как цикл for, и могут использоваться только в объявленных блоках. Возможны несколько переменных с одним именем, но разными областями видимости.
int mode; // переменная доступна всем функциям
void setup() {
// пустой блок, начальные установки не требуются
}
void loop() {
long count; // переменная count доступна только в функции loop()
for (int i=0; i < 10;) // переменная i доступна только внутри цикла
{
i++;
}
}
При объявлении переменной можно задать ее начальное значение (проинициализировать).
int x = 0; // объявляется переменная x с начальным значением 0
char d = ‘a’; // объявляется переменная d с начальным значением равным коду символа ”a”
При арифметических операциях с разными типами данных происходит автоматическое преобразование типов данных. Но лучше всегда использовать явное преобразование.
int x; // переменная int
char y; // переменная char
int z; // переменная int
z = x + (int) y; // переменная y явно преобразована в int
Арифметические операции.
Операции отношения.
Логические операции.
Операции над указателями.
Битовые операции.
| & | И |
| | | ИЛИ |
| ^ | ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ |
| ~ | ИНВЕРСИЯ |
| << | СДВИГ ВЛЕВО |
| >> | СДВИГ ВПРАВО |
Операции смешанного присваивания.
Выбор вариантов, управление программой.
Оператор IF проверяет условие в скобках и выполняет последующее выражение или блок в фигурных скобках, если условие истинно.
if (x == 5) // если x=5, то выполняется z=0
z=0;
if (x > 5) // если x >
{ z=0; y=8; }
IF … ELSE позволяет сделать выбор между двух вариантов.
if (x > 5) // если x > 5, то выполняется блок z=0, y=8;
{
z=0;
y=8;
}
{
z=0;
y=0;
}
ELSE IF – позволяет сделать множественный выбор
if (x > 5) // если x > 5, то выполняется блок z=0, y=8;
{
z=0;
y=8;
}
else if (x > 20) // если x > 20, выполняется этот блок
{
}
else // в противном случае выполняется этот блок
{
z=0;
y=0;
}
SWITCH CASE - множественный выбор. Позволяет сравнить переменную (в примере это x) с несколькими константами (в примере 5 и 10) и выполнить блок, в котором переменная равна константе.
switch (x) {
case 5:
// код выполняется если x = 5
break;
case 10:
// код выполняется если x = 10
break;
default:
// код выполняется если не совпало ни одно предыдущее значение
break;
}
Цикл FOR . Конструкция позволяет организовывать циклы с заданным количеством итераций. Синтаксис выглядит так:
for (действие до начала цикла;
условие продолжения цикла;
действие в конце каждой итерации) {
// код тела цикла
Пример цикла из 100 итераций.
for (i=0; i < 100; i++) // начальное значение 0, конечное 99, шаг 1
{
sum = sum + I;
}
Цикл WHILE . Оператор позволяет организовывать циклы с конструкцией:
while (выражение)
{
// код тела цикла
}
Цикл выполняется до тех пор, пока выражение в скобках истинно. Пример цикла на 10 итераций.
x = 0;
while (x < 10)
{
// код тела цикла
x++;
}
DO WHILE – цикл с условием на выходе.
do
{
// код тела цикла
} while (выражение);
Цикл выполняется пока выражение истинно.
BREAK
– оператор выхода из цикла. Используется для того, чтобы прервать выполнение циклов for, while, do while.
x = 0;
while (x < 10)
{
if (z > 20) break; // если z > 20, то выйти из цикла
// код тела цикла
x++;
}
GOTO – оператор безусловного перехода.
goto metka1; // переход на metka1
………………
metka1:
CONTINUE - пропуск операторов до конца тела цикла.
x = 0;
while (x < 10)
{
// код тела цикла
if (z > 20) continue; // если z > 20, то вернуться на начало тела цикла
// код тела цикла
x++;
}
Массивы.
Массив это область памяти, где последовательно хранятся несколько переменных.
Объявляется массив так.
int ages; // массив из 10 переменных типа int
float weight; // массив из 100 переменных типа float
При объявлении массивы можно инициализировать:
int ages = { 23, 54, 34, 24, 45, 56, 23, 23, 27, 28};
Обращаются к переменным массивов так:
x = ages; // x присваивается значение из 5 элемента массива.
ages = 32; // 9 элементу массива задается значение 32
Нумерация элементов массивов всегда с нуля.
Функции.
Функции позволяют выполнять одни и те же действия с разными данными. У функции есть:
- имя, по которому ее вызывают;
- аргументы – данные, которые функция использует для вычисления;
- тип данных, возвращаемый функцией.
Описывается пользовательская функция вне функций setup() и loop().
void setup() {
// код выполняется один раз при запуске программы
}
void loop() {
// основной код, выполняется в цикле
}
// объявление пользовательской функции с именем functionName
type functionName(type argument1, type argument1, … , type argument)
{
// тело функции
return();
}
Пример функции, вычисляющей сумму квадратов двух аргументов.
int sumQwadr (int x, int y)
{
return(x* x + y*y);
}
Вызов функции происходит так:
d= 2; b= 3;
z= sumQwadr(d, b); // в z будет сумма квадратов переменных d и b
Функции бывают встроенные, пользовательские, подключаемые.
Очень коротко, но этих данных должно хватить для того, чтобы начать писать программы на C для систем Ардуино.
Последнее, что я хочу рассказать в этом уроке, как принято оформлять программы на C. Думаю, если вы читаете этот урок в первый раз, стоит пропустить этот раздел и вернутся к нему позже, когда будет что оформлять.
Главная цель внешнего оформления программ это улучшить читаемость программ, уменьшить число формальных ошибок. Поэтому для достижения этой цели можно смело нарушать все рекомендации.
Имена в языке C.
Имена, представляющие типы данных, должны быть написаны в смешанном регистре. Первая буква имени должна быть заглавная (верхний регистр).
Signal, TimeCount
Переменные должны быть записаны именами в смешанном регистре, первая буква строчная (нижний регистр).
Ardublock - это графический язык программирования для Ардуино, предназначенный для начинающих. Эта среда достаточно проста в использовании, ее легко установить, она практически полностью переведена на русский язык. Визуально сконструированную программу,напоминающую блоки...
Прерывания - очень важный механизм Arduino, позволяющий внешним устройствам взаимодействовать с контроллером при возникновении разных событий. Установив обработчик аппаратных прерываний в скетче, мы сможем реагировать на включение или выключение кнопки, нажатие клавиатуры,...
Serial.print() и Serial.println() – это основные функции Arduino для передачи информации от платы ардуино к компьютеру через последовательный порт. На самых популярных платах Arduino Uno, Mega, Nano нет встроенного дисплея, поэтому...
Можно ли заниматься ардуино проектами без самой платы Arduino? Оказывается, вполне. Благодаря многочисленным онлайн сервисам и программам, которые имеют свое название: эмулятор или симулятор Arduino. Самыми популярными представителями таких программ являются...
Serial begin - крайне важная инструкция Arduino, она позволяет установить контроллеру соединение с внешними устройствами. Чаще всего таким «внешним устройством» оказывается компьютер, к которому мы подключаем Arduino. Поэтому Serial begin интенсивней...
Глобальная переменная в Arduino – это переменная, область видимости которой распространяется на всю программу, ее видно во всех модулях и функциях. В этой статье мы рассмотрим несколько примеров использования глобальных переменных,...
Массивы Arduino – это элемент языка, активно используемый программистами для работы с наборами однотипных данных. Массивы есть практически во всех языках программирования, не исключением является и Arduino, синтаксис которого сильно похож...
Из чего состоит программа
Для начала стоит понять, что программу нельзя читать и писать как книгу: от корки до корки, сверху вниз, строку за строкой. Любая программа состоит из отдельных блоков. Начало блока кода в C/C++ обозначается левой фигурной скобкой { , его конец - правой фигурной скобкой } .
Блоки бывают разных видов и какой из них когда будет исполняться зависит от внешних условий. В примере минимальной программы вы можете видеть 2 блока. В этом примере блоки называются определением функции . Функция - это просто блок кода с заданным именем, которым кто-то затем может пользоваться из-вне.
В данном случае у нас 2 функции с именами setup и loop . Их присутствие обязательно в любой программе на C++ для Arduino. Они могут ничего и не делать, как в нашем случае, но должны быть написаны. Иначе на стадии компиляции вы получите ошибку.
Классика жанра: мигающий светодиод
Давайте теперь дополним нашу программу так, чтобы происходило хоть что-то. На Arduino, к 13-му пину подключён светодиод. Им можно управлять, чем мы и займёмся.
void setup() { pinMode(13 , OUTPUT) ; } void loop() { digitalWrite(13 , HIGH) ; delay(100 ) ; digitalWrite(13 , LOW) ; delay(900 ) ; }Скомпилируйте, загрузите программу. Вы увидите, что каждую секунду светодиод на плате помигивает. Разберёмся почему этот код приводит к ежесекундному миганию.
Каждое выражение - это приказ процессору сделать нечто. Выражения в рамках одного блока исполняются одно за другим, строго по порядку без всяких пауз и переключений. То есть, если мы говорим об одном конкретном блоке кода, его можно читать сверху вниз, чтобы понять что делается.
Теперь давайте поймём в каком порядке исполняются сами блоки, т.е. функции setup и loop . Не задумывайтесь пока что значат конкретные выражения, просто понаблюдайте за порядком.
Как только Arduino включается, перепрошивается или нажимается кнопка RESET , «нечто» вызывает функцию setup . То есть заставляет исполняться выражения в ней.
Как только работа setup завершается, сразу же «нечто» вызывает функцию loop .
Как только работа loop завершается, сразу же «нечто» вызывает функцию loop ещё раз и так до бесконечности.
Если пронумеровать выражения по порядку, как они исполняются, получится:
void setup() { pinMode(13 , OUTPUT) ; ❶ } void loop() { digitalWrite(13 , HIGH) ; ❷ ❻ ❿ delay(100 ) ; ❸ ❼ … digitalWrite(13 , LOW) ; ❹ ❽ delay(900 ) ; ❺ ❾ }Ещё раз напомним, что не стоит пытаться воспринимать всю программу, читая сверху вниз. Сверху вниз читается только содержимое блоков. Мы вообще можем поменять порядок объявлений setup и loop .
void loop() { digitalWrite(13 , HIGH) ; ❷ ❻ ❿ delay(100 ) ; ❸ ❼ … digitalWrite(13 , LOW) ; ❹ ❽ delay(900 ) ; ❺ ❾ } void setup() { pinMode(13 , OUTPUT) ; ❶ }Результат от этого не изменится ни на йоту: после компиляции вы получите абсолютно эквивалентный бинарный файл.
Что делают выражения
Теперь давайте попробуем понять почему написанная программа приводит в итоге к миганию светодиода.
Как известно, пины Arduino могут работать и как выходы и как входы. Когда мы хотим чем-то управлять, то есть выдавать сигнал, нам нужно перевести управляющий пин в состояние работы на выход. В нашем примере мы управляем светодиодом на 13-м пине, поэтому 13-й пин перед использованием нужно сделать выходом.
Это делается выражением в функции setup:
PinMode(13 , OUTPUT) ;
Выражения бывают разными: арифметическими, декларациями, определениями, условными и т.д. В данном случае мы в выражении осуществляем вызов функции . Помните? У нас есть свои функции setup и loop , которые вызываются чем-то, что мы назвали «нечто». Так вот теперь мы вызываем функции, которые уже написаны где-то.
Конкретно в нашем setup мы вызываем функцию с именем pinMode . Она устанавливает заданный по номеру пин в заданный режим: вход или выход. О каком пине и о каком режиме идёт речь указывается нами в круглых скобках, через запятую, сразу после имени функции. В нашем случае мы хотим, чтобы 13-й пин работал как выход. OUTPUT означает выход, INPUT - вход.
Уточняющие значения, такие как 13 и OUTPUT называются аргументами функции . Совершенно не обязательно, что у всех функций должно быть по 2 аргумента. Сколько у функции аргументов зависит от сути функции, от того как её написал автор. Могут быть функции с одним аргументом, тремя, двадцатью; функции могут быть без аргументов вовсе. Тогда для их вызова круглые скобка открывается и тут же закрывается:
NoInterrupts() ;
На самом деле, вы могли заметить, наши функции setup и loop также не принимают никакие аргументы. И загадочное «нечто» точно так же вызывает их с пустыми скобками в нужный момент.
Вернёмся к нашему коду. Итак, поскольку мы планируем вечно мигать светодиодом, управляющий пин должен один раз быть сделан выходом и затем мы не хотим вспоминать об этом. Для этого идеологически и предназначена функция setup: настроить плату как нужно, чтобы затем с ней работать.
Перейдём к функции loop:
void loop() { digitalWrite(13 , HIGH) ; delay(100 ) ; digitalWrite(13 , LOW) ; delay(900 ) ; }Она, как говорилось, вызывается сразу после setup . И вызывается снова и снова как только сама заканчивается. Функция loop называется основным циклом программы и идеологически предназначена для выполнения полезной работы. В нашем случае полезная работа - мигание светодиодом.
Пройдёмся по выражениям по порядку. Итак, первое выражение - это вызов встроенной функции digitalWrite . Она предназначена для подачи на заданный пин логического нуля (LOW , 0 вольт) или логической единицы (HIGH , 5 вольт) В функцию digitalWrite передаётся 2 аргумента: номер пина и логическое значение. В итоге, первым делом мы зажигаем светодиод на 13-м пине, подавая на него 5 вольт.
Как только это сделано процессор моментально приступает к следующему выражению. У нас это вызов функции delay . Функция delay - это, опять же, встроенная функция, которая заставляет процессор уснуть на определённое время. Она принимает всего один аргумент: время в миллисекундах, которое следует спать. В нашем случае это 100 мс.
Пока мы спим всё остаётся как есть, т.е. светодиод продолжает гореть. Как только 100 мс истекают, процессор просыпается и тут же переходит к следующему выражению. В нашем примере это снова вызов знакомой нам встроенной функции digitalWrite . Правда на этот раз вторым аргументом мы передаём значение LOW . То есть устанавливаем на 13-м пине логический ноль, то есть подаём 0 вольт, то есть гасим светодиод.
После того, как светодиод погашен мы приступаем к следующему выражению. И снова это вызов функции delay . На этот раз мы засыпаем на 900 мс.
Как только сон окончен, функция loop завершается. По факту завершения «нечто» тут же вызывает её ещё раз и всё происходит снова: светодиод поджигается, горит, гаснет, ждёт и т.д.
Если перевести написанное на русский, получится следующий алгоритм:
Поджигаем светодиод
Спим 100 миллисекунд
Гасим светодиод
Спим 900 миллисекунд
Переходим к пункту 1
Таким образом мы получили Arduino с маячком, мигающим каждые 100 + 900 мс = 1000 мс = 1 сек.
Что можно изменить
Давайте пользуясь только полученными знаниями сделаем несколько вариаций программы, чтобы лучше понять принцип.
Вы можете подключить внешний светодиод или другое устройство, которым нужно «мигать» на другой пин. Например, на 5-й. Как в этом случае должна измениться программа? Мы должны всюду, где обращались к 13-му пину заменить номер на 5-й:
Компилируйте, загружайте, проверяйте.
Что нужно сделать, чтобы светодиод мигал 2 раза в секунду? Уменьшить время сна так, чтобы в сумме получилось 500 мс:
void setup() { pinMode(5 , OUTPUT) ; } void loop() { digitalWrite(5 , HIGH) ; delay(50 ) ; digitalWrite(5 , LOW) ; delay(450 ) ; }Как сделать так, чтобы светодиод при каждом «подмигивании» мерцал дважды? Нужно поджигать его дважды с небольшой паузой между включениями:
void setup() { pinMode(5 , OUTPUT) ; } void loop() { digitalWrite(5 , HIGH) ; delay(50 ) ; digitalWrite(5 , LOW) ; delay(50 ) ; digitalWrite(5 , HIGH) ; delay(50 ) ; digitalWrite(5 , LOW) ; delay(350 ) ; }Как сделать так, чтобы в устройстве были 2 светодиода, которые мигали бы каждую секунду поочерёдно? Нужно общаться с двумя пинами и работать в loop то с одним, то с другим:
void setup() { pinMode(5 , OUTPUT) ; pinMode(6 , OUTPUT) ; } void loop() { digitalWrite(5 , HIGH) ; delay(100 ) ; digitalWrite(5 , LOW) ; delay(900 ) ; digitalWrite(6 , HIGH) ; delay(100 ) ; digitalWrite(6 , LOW) ; delay(900 ) ; }Как сделать так, чтобы в устройстве были 2 светодиода, которые переключались бы на манер железнодорожного светофора: горел бы то один то другой? Нужно просто не выключать горящий светодиод тут же, а дожидаться момента переключения:
void setup() { pinMode(5 , OUTPUT) ; pinMode(6 , OUTPUT) ; } void loop() { digitalWrite(5 , HIGH) ; digitalWrite(6 , LOW) ; delay(1000 ) ; digitalWrite(5 , LOW) ; digitalWrite(6 , HIGH) ; delay(1000 ) ; }Можете проверить другие идеи самостоятельно. Как видите, всё просто!
О пустом месте и красивом коде
В языке C++ пробелы, переносы строк, символы табуляции не имеют большого значения для компилятора. Там где стоит пробел, может быть перенос строки и наоборот. На самом деле 10 пробелов подряд, 2 переноса строки и ещё 5 пробелов - это всё эквивалент одного пробела.
Пустое пространство - это инструмент программиста, с помощью которого можно или сделать программу понятной и наглядной, или изуродовать до неузнаваемости. Например, вспомним программу для мигания светодиодом:
void setup() { pinMode(5 , OUTPUT) ; } void loop() { digitalWrite(5 , HIGH) ; delay(100 ) ; digitalWrite(5 , LOW) ; delay(900 ) ; }Мы можем изменить её так:
void setup( ) { pinMode(5 , OUTPUT) ; } void loop () { digitalWrite(5 ,HIGH) ; delay(100 ) ; digitalWrite(5 ,LOW) ; delay(900 ) ; }Всё, что мы сделали - немного «поработали» с пустым пространством. Теперь можно наглядно видеть разницу между стройным кодом и нечитаемым.
Чтобы следовать негласному закону оформления программ, который уважается на форумах, при чтении другими людьми, легко воспринимается вами же, следуйте нескольким простым правилам:
1. Всегда, при начале нового блока между { и } увеличивайте отступ. Обычно используют 2 или 4 пробела. Выберите одно из значений и придерживайтесь его всюду.
Плохо:
void loop() { digitalWrite(5 , HIGH) ; delay(100 ) ; digitalWrite(5 , LOW) ; delay(900 ) ; }Хорошо:
void loop() { digitalWrite(5 , HIGH) ; delay(100 ) ; digitalWrite(5 , LOW) ; delay(900 ) ; }2. Как и в естественном языке: ставьте пробел после запятых и не ставьте до.
Плохо:
DigitalWrite(5 ,HIGH) ; digitalWrite(5 , HIGH) ; digitalWrite(5 ,HIGH) ;
Хорошо:
DigitalWrite(5 , HIGH) ;
3. Размещайте символ начала блока { на новой строке на текущем уровне отступа или в конце предыдущей. А символ конца блока } на отдельной строке на текущем уровне отступа:
Плохо:
void setup() { pinMode(5 , OUTPUT) ; } void setup() { pinMode(5 , OUTPUT) ; } void setup() { pinMode(5 , OUTPUT) ; }Хорошо:
void setup() { pinMode(5 , OUTPUT) ; } void setup() { pinMode(5 , OUTPUT) ; }4. Используйте пустые строки для разделения смысловых блоков:
Хорошо:
Ещё лучше:
void loop() { digitalWrite(5 , HIGH) ; delay(100 ) ; digitalWrite(5 , LOW) ; delay(900 ) ; digitalWrite(6 , HIGH) ; delay(100 ) ; digitalWrite(6 , LOW) ; delay(900 ) ; }О точках с запятыми
Вы могли заинтересоваться: зачем в конце каждого выражения ставится точка с запятой? Таковы правила C++. Подобные правила называются синтаксисом языка . По символу; компилятор понимает где заканчивается выражение.
Как уже говорилось, переносы строк для него - пустой звук, поэтому ориентируется он на этот знак препинания. Это позволяет записывать сразу несколько выражений в одной строке:
void loop() { digitalWrite(5 , HIGH) ; delay(100 ) ; digitalWrite(5 , LOW) ; delay(900 ) ; }Программа корректна и эквивалентна тому, что мы уже видели. Однако писать так - это дурной тон. Код гораздо сложнее читается. Поэтому если у вас нет 100% веских причин писать в одной строке несколько выражений, не делайте этого.
О комментариях
Одно из правил качественного программирования: «пишите код так, чтобы он был настолько понятным, что не нуждался бы в пояснениях». Это возможно, но не всегда. Для того, чтобы пояснить какие-то не очевидные моменты в коде его читателям: вашим коллегам или вам самому через месяц, существуют так называемые комментарии.
Это конструкции в программном коде, которые полностью игнорируются компилятором и имеют значение только для читателя. Комментарии могут быть многострочными или однострочными:
/* Функция setup вызывается самой первой, при подаче питания на Arduino А это многострочный комментарий */ void setup() { // устанавливаем 13-й пин в режим вывода pinMode(13 , OUTPUT) ; } void loop() { digitalWrite(13 , HIGH) ; delay(100 ) ; // спим 100 мс digitalWrite(13 , LOW) ; delay(900 ) ; }Как видите, между символами /* и */ можно писать сколько угодно строк комментариев. А после последовательности / / комментарием считается всё, что следует до конца строки.
Итак, надеемся самые основные принципы составления написания программ стали понятны. Полученные знания позволяют программно управлять подачей питания на пины Arduino по определённым временны́м схемам. Это не так уж много, но всё же достаточно для первых экспериментов.
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.
В жизни ардуинщика рано или поздно наступает момент, когда в штатной среде разработки становится тесно. Если скетчам перестает хватать памяти, требуется жесткий реалтайм и работа с прерываниями или просто хочется быть ближе к железу - значит пришло время переходить на C. Бывалые электронщики при упоминании Arduino презрительно поморщатся и отправят новичка в радиомагазин за паяльником. Возможно, это не самый плохой совет, но мы пока не будем ему следовать. Если отбросить Arduino IDE и язык wiring/processing, у нас в руках останется прекрасная отладочная плата, уже оснащенная всем необходимым для работы микроконтроллера. И, что немаловажно, в память контроллера уже зашит бутлоадер, позволяющий загружать прошивку без использования программатора.
Для программирования на языке C нам понадобится AVR GCC Toolchain.
Также нам потребуется установленная Arduino IDE, т.к. она содержит утилиту avrdude, которая нужна для загрузки прошивки в контроллер. CrossPack тоже содержит avrdude, но версия, идущая с ним, не умеет работать с Arduino.
После того, как все установлено, создадим наш первый проект. Для начала напишем Makefile . Он позволит нам избежать ввода длинных команд вручную при каждой компиляции и загрузке прошивки.
#Контроллер, установленный на плате. Может быть другим, например atmega328 DEVICE = atmega168 #Тактовая частота 16 МГц CLOCK = 16000000 #Команда запуска avrdude. Ее нужно скопировать из Arduino IDE. AVRDUDE = /Applications/Arduino.app/Contents/Resources/Java/hardware/tools/avr/bin/avrdude -C/Applications/Arduino.app/Contents/Resources/Java/hardware/tools/avr/etc/avrdude.conf -carduino -P/dev/tty.usbserial-A600dAAQ -b19200 -D -p atmega168 OBJECTS = main.o COMPILE = avr-gcc -Wall -Os -DF_CPU=$(CLOCK) -mmcu=$(DEVICE) all: main.hex .c.o: $(COMPILE) -c $< -o $@ .S.o: $(COMPILE) -x assembler-with-cpp -c $< -o $@ .c.s: $(COMPILE) -S $< -o $@ flash: all $(AVRDUDE) -U flash:w:main.hex:i clean: rm -f main.hex main.elf $(OBJECTS) main.elf: $(OBJECTS) $(COMPILE) -o main.elf $(OBJECTS) main.hex: main.elf rm -f main.hex avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex main.elf main.hex avr-size --format=avr --mcu=$(DEVICE) main.elf
В этом файле нам нужно вписать свою команду для запуска avrdude. На разных системах она будет выглядеть по разному. Чтобы узнать свой вариант, запускаем Arduino IDE и в настройках ставим галочку «Show verbose output during upload».
Теперь загружаем в Arduino любой скетч и смотрим сообщения, выводимые в нижней части окна. Находим там вызов avrdude, копируем все, кроме параметра -Uflash и вставляем в Makefile после «AVRDUDE = ».
Небольшое замечание: все отступы в Makefile делаются символами табуляции (клавишей Tab). Если ваш текстовый редактор заменяет эти символы пробелами, команда make откажется собирать проект.
Теперь создадим файл main.c - собственно текст нашей программы, в которой традиционно помигаем светодиодом.
#include
Наш проект готов. Откроем консоль в директории нашего проекта и введем команду «make»:
Как видим, размер получившейся прошивки составляет всего 180 байт. Аналогичный ардуиновский скетч занимает 1116 байт в памяти контроллера.
Теперь вернемся к консоли и введем «make flash» чтобы загрузить скомпилированный файл в контроллер:
Если загрузка прошла без ошибок, то светодиод, подключенный к 13 контакту платы, радостно замигает. Иногда avrdude не может найти плату или отваливается по таймауту - в этом случае может помочь передегивание USB кабеля. Также, во избежание конфликтов доступа к плате, не забудьте закрыть Arduino IDE перед командой «make flash».
Возможно многие вещи, описанные в этой статье, покажутся очевидными матерым разработчикам. Я постарался описать процесс максимально понятным для начинающего ардуинщика языком и собрать в одном месте информацию, которую мне удалось добыть в различных источниках, и проверенную опытным путем. Может быть кому-то эта статья сэкономит пару часов времени.
Удачи в освоении микроконтроллеров!