Языки программирования. Arduino и совместимые языки программирования
Основа языка программирования модуля Arduino - это язык Си (скорее Си++). Ещё точнее, этот диалект языка называется Processing/Wiring. Хорошее обозрение языка вы найдёте в приложении. А мне хочется больше рассказать не о языке, а о программировании.
Программа - это некий набор команд, которые понимает процессор, процессор вашего компьютера или процессор микроконтроллера модуля Arduino, не суть важно. Процессор читает команды и выполняет их. Любые команды, которые понимает процессор - это двоичные числа. Это только двоичные числа и ничто иное. Выполняя арифметические операции, для которых процессор некогда и предназначался, процессор оперирует с числами. Двоичными числами. И получается, что и команды, и то, к чему они относятся, это только двоичные числа. Вот так. Но как же процессор разбирается в этой «куче» двоичных чисел?
Во-первых, все эти двоичные числа записываются в последовательные ячейки оперативной памяти, имеющие адреса. Когда вы загружаете программу, и она начинает работать, процессор получает первый адрес программы, где обязательно должна быть записана команда. Те команды, которые требуют от процессора операций с числами, имеют «опознавательные знаки», например, что в следующих двух ячейках памяти два числа, которые нужно сложить. А счётчик, назовём его счётчиком команд, где записан адрес следующей команды, в данном случае увеличивает адрес так, что в программе по этому адресу будет следующая команда. При неправильной работе программы или сбоях процессор может ошибиться, и тогда, прочитав вместо команды число, процессор делает совсем не то, что должен делать, а программа «зависает».
Таким образом, любая программа - это последовательность двоичных чисел. А программирование - это умение правильно записывать правильные последовательности двоичных чисел. Достаточно давно для записи программ стали использовать специальные средства, которые называются языками программирования.
Однако любая программа в первую очередь требует от вас ясного понимания того, что должна делать программа, и для чего она нужна. Чем яснее вы это понимаете, тем легче создать программу. Небольшие программы, хотя трудно сказать, какие программы небольшие, а какие нет, можно рассматривать целиком. Более сложные программы лучше разбить на части, которые можно рассматривать как самостоятельные программы. Так их лучше создать, легче отладить и проверить.
Я не готов спорить, но считаю, что программу удобнее начинать с описания на обычном языке. И в этом смысле я считаю, что программирование не следует путать с написанием кода программы. Когда программа описана обычными словами, вам легче определить, например, какой язык программирования выбрать для создания кода программы.
Ближе всего к записи программы с помощью двоичных чисел, язык ассемблер. Для него характерно соответствие команд языка двоичным командам, понятным процессору. Но кодирование программ на ассемблере требует больших усилий и ближе к искусству, чем к формальным операциям. Более универсальны и легче в применении языки высокого уровня, как Бэйсик или Си. И давно для записи программ в общем виде используют графический язык, а в последнее время появились и «переводчики» с этого языка на язык процессоров.
Кроме языков программирования общего применения, всегда существовала некоторая специализация языков программирования, и существовали специализированные языки. К последним я бы отнёс и язык программирования модуля Arduino.
Всё, что нужно сказать модулю, чтобы он сделал что-то нужное нам, организовано в удобный набор команд. Но вначале о том, что нам нужно от Arduino?
Модуль можно использовать в разных качествах - это и сердце (или голова) робота, это и основа прибора, это и удобный конструктор для освоения работы с микроконтроллерами и т.д.
Выше мы уже использовали простые программы для проверки подключения модуля к компьютеру. Кому-то они могут показаться слишком простыми, а поэтому не интересными, но любые сложные программы состоят из более простых фрагментов, похожих на те, с которыми мы уже знакомились.
Давайте посмотрим, о чём нам может рассказать самая простая программа «Помигать светодиодом».
int ledPin = 13;
pinMode (ledPin, OUTPUT);
digitalWrite (ledPin, HIGH);
digitalWrite (ledPin, LOW);
Вначале вспомним, что такое светодиод. В сущности это обычный диод, у которого, благодаря его конструкции, при протекании тока в прямом направлении начинает светиться переход. То есть, чтобы светодиод светился, нужно чтобы через него протекал ток, а, значит, к светодиоду следует приложить напряжение. А чтобы ток не превысил допустимого значения, последовательно со светодиодом следует включить резистор, который называют токоограничительным (см. Приложение А, цифровой выход). Напряжение к светодиоду прикладывает микроконтроллер, составляющий основу модуля Arduino. У микроконтроллера, кроме процессора, выполняющего наши команды, есть один или несколько портов ввода-вывода. Не вдаваясь в рассмотрение конкретного устройства порта, скажем так - когда вывод порта работает на выход, его можно представить как выход цифровой микросхемы с двумя состояниями, включено и выключено (есть напряжение на выходе, нет напряжения на выходе).
Но этот же вывод порта может работать и как вход. В этом случае его можно представить, например, как вход цифровой микросхемы – на вход подаётся логический уровень, высокий или низкий (см. Приложение А, цифровой ввод).
Как мы мигаем светодиодом:
Включить выходной вывод порта. Выключить вывод порта.
Но процессор работает очень быстро. Мы не успеем заметить мигания. Чтобы заметить это мигание, нам нужно добавить паузы. То есть:
Включить выходной вывод порта. Пауза 1 секунда.
Выключить вывод порта.
Пауза 1 секунда.
Это наша программа. Процессор прочитает первую команду и включит вывод, светодиод загорится. Затем процессор сделает паузу в работе и выключить вывод, светодиод погаснет. Но он только один раз мигнул.
Повторение какого-либо процесса или набора команд называется в программировании циклом. Используются разные виды циклов. Есть цикл, который выполняется заданное число раз. Это цикл for. Есть циклы, которые выполняются до тех пор, пока не будет выполнено некоторое условие, которое является частью языковой конструкции цикла. А если условие не будет выполнено никогда, то цикл выполняется бесконечное число раз. Это бесконечный цикл.
Я не думаю, что микроконтроллеры используются с программами того вида, который приведён выше. То есть, один раз выполнено несколько команд и больше контроллер не работает. Как правило, он работает постоянно, как только на него подаётся питающее напряжение. А, значит, микроконтроллер должен работать в бесконечном цикле.
Именно об этом говорит функция void loop(), loop - это петля, замкнутый цикл. Условия прекращения работы цикла нет, а, следовательно, нет условия его завершения.
Кроме того, мы должны сообщить модулю Arduino, какой вывод порта и как мы хотим использовать, для выхода (OUTPUT) или для входа (INPUT). Этой цели служит функция void setup(), которая для языка Arduino является обязательной, даже если она не используется, и команда pinMode(), для задания режима работы вывода.
pinMode (ledPin, OUTPUT);
И ещё, языковая конструкция использует переменные для определения номера вывода:
int ledPin = 13;
Использование переменных удобно. Решив, что вы будете использовать не вывод 13, а 12, вы внесёте изменение только в одной строке. Особенно сильно это сказывается в больших программах. Имя переменной можно выбирать по своему усмотрению, но, как правило, оно должно быть только символьным, и часто количество символов ограничивается. Если вы неверно зададите имя переменной, думаю, компилятор вас поправит.
Функция digitalWrite (ledPin, HIGH) устанавливает заданный вывод в состояние с высоким уровнем, то есть включает вывод.
А delay (1000), как вы уже поняли, означает паузу в 1000 миллисекунд или 1 секунду.
Осталось понять, что означают такие приставки, как int, void. Любые значения, любые переменные размещаются в памяти, как и команды программы. В ячейки памяти записываются числа зачастую из 8 битов. Это байт. Но байт - это числа от 0 до 255. Для записи больших чисел нужно два байта или больше, то есть, две или больше ячеек памяти. Чтобы процессору было ясно, как отыскать число, разные типы чисел имеют разные названия. Так число по имени byte, займёт одну ячейку, int (integer, целое) больше. Кроме того, функции, используемые в языках программирования, тоже возвращают числа. Чтобы определить, какой тип числа должна вернуть функция, перед функцией записывают этот тип возвращаемого числа. Но некоторые функции могут не возвращать числа, такие функции предваряют записью void (см. Приложение А, переменные).
Вот, сколько интересного может рассказать даже самая простая программа.
Обо всём этом вы, надеюсь, прочитаете в приложении. А сейчас проделаем простые эксперименты, используя только то, что мы уже знаем из возможностей языка. Первое, заменим переменную типа int, которая занимает много места в памяти, на byte - одно место, одна ячейка памяти. Посмотрим, что у нас получится.
byte ledPin = 13;
pinMode (ledPin, OUTPUT);
digitalWrite (ledPin, HIGH);
digitalWrite (ledPin, LOW);
После компиляции и загрузки программы в модуль мы не заметим изменений в работе программы. Хорошо. Тогда изменим программу так, чтобы заметить изменения в её работе.
Для этого мы заменим число в функции delay (1000) переменной, назвав её my_del. Эта переменная должна быть целым числом, то есть, int.
int my_del = 5000;
Не забывайте заканчивать каждую команду точкой с запятой. Внесите изменения в программу, скомпилируйте её и загрузите в модуль. Затем поменяйте переменную и повторите компиляцию и загрузку:
byte my_del = 5000;
Разница, уверен, получится ощутимая.
Проделаем ещё один эксперимент с изменением длительности пауз. Уменьшение длительности пауз выполним, скажем, пять раз. Сделаем паузу в 2 секунды, а затем будем увеличивать тоже пять раз. И вновь сделаем паузу в 2 секунды. Цикл, выполняемый заданное количество раз, называется циклом for и записывается он так:
for (int i = 0; i<5; i++)
что-то, что выполняется в цикле for
Для выполнения цикла ему нужна переменная, у нас это i, переменной нужно задать начальное значение, которое мы ей и присвоили. Затем следует условие завершения работы цикла, у нас i меньше 5. А запись i++ - это характерная для языка Си запись увеличения переменной на единицу. Фигурные скобки ограничивают набор команд, подлежащих выполнению в цикле for. В других языках программирования могут быть другие ограничители для выделения блока кода функции.
Внутри цикла мы выполняем то же, что и раньше, с небольшими изменениями:
for (int i = 0; i<5; i++)
digitalWrite (ledPin, HIGH);
digitalWrite (ledPin, LOW);
my_del = my_del - 100;
Об изменении записи паузы мы говорили выше, а изменение самой паузы достигается уменьшением переменной на 100.
Для второго цикла мы запишем этот же блок кода, но переменную длительности паузы будем увеличивать на 100.
for (int i = 0; i<5; i++)
digitalWrite (ledPin, HIGH);
digitalWrite (ledPin, LOW);
Вы заметили, что запись уменьшения паузы и её увеличения выглядят по-разному. Это тоже особенность языка Си. Хотя для ясности следовало повторить эту запись, изменив только знак минус на плюс. Итак, мы получаем такую программу:
int ledPin = 13;
int my_del = 1000;
pinMode (ledPin, OUTPUT);
for (int i = 0; i<5; i++)
digitalWrite (ledPin, HIGH);
digitalWrite (ledPin, LOW);
for (int i = 0; i<5; i++)
digitalWrite (ledPin, HIGH);
digitalWrite (ledPin, LOW);
Скопируем код нашей программы в программу Arduin, скомпилируем её и загрузим в модуль. Изменение длительности пауз заметно. И будет ещё заметнее, попробуйте, если цикл for выполнить, скажем, раз 8.
То, что мы сейчас сделали, делают и профессиональные программисты - имея готовую программу, её легко можно модифицировать под свои нужды или желания. Поэтому все свои программы они хранят. Что я советую делать и вам.
Что мы упустили в своём эксперименте? Мы не прокомментировали нашу работу. Для добавления комментария используется либо двойная «прямая» косая черта, либо одиночная, но со звёздочками (см. Приложение А). Я советую вам это сделать самостоятельно, поскольку вернувшись к программе через некоторое время, вы легче в ней разберётесь, если будут пояснения, что вы делаете в том или ином месте программы. И ещё советую в папке с каждой программой хранить её описание на обычном языке, выполненное в любом текстовом редакторе.
Самая простая программа «помигать светодиодом» может послужить ещё для десятка экспериментов (даже с одним светодиодом). Мне кажется эта часть работы, придумывать, что ещё можно сделать интересного, самая интересная. Если вы обратитесь к приложению, где описан язык программирования, к разделу «управление программой», то можно заменить цикл for на другой вид цикла. И попробовать, как работают другие виды цикла.
Хотя процессор микроконтроллера, как любой другой, может производить вычисления (для того его и придумывали), и это используется, например, в приборах, всё-таки наиболее характерной операцией для микроконтроллера будет установка выхода порта в высокое или низкое состояние, то есть, «помигать светодиодом», как реакция на внешние события.
О внешних событиях микроконтроллер узнаёт, в основном, по состоянию входов. Настроив выводы порта на цифровой вход, мы можем следить за ним. Если исходное состояние входа - высокий уровень, а событие вызывает переход входа в низкое состояние, то мы можем что-то сделать, реагируя на это событие.
Самый простой пример - на входе кнопка. Когда кнопка не нажата, вход в высоком состоянии. Если нажать кнопку, то вход переходит в низкое состояние, а мы можем «зажечь» светодиод на выходе. При следующем нажатии на кнопку светодиод можно погасить.
Это опять пример простой программы. Даже начинающему она может показаться неинтересной. Однако и эта простая программа может найти вполне полезное применение. Приведу только один пример: мы будем после нажатия на кнопку не зажигать светодиод, а помигаем (определённым образом). И светодиод возьмём с инфракрасным излучением. В результате мы получим пульт управления. Вот такая простая программа.
В разных версиях программы есть различия в списке примеров. Но можно обратиться к руководству по языку в приложении, где есть пример и схема программы (в разделе примеров, названном «приложение») для работы с вводом. Я скопирую программу:
int ledPin = 13;
pinMode (ledPin, OUTPUT);
pinMode (inPin, INPUT);
if (digitalRead(inPin) == HIGH)
digitalWrite(ledPin, HIGH);
digitalWrite (ledPin, LOW);
И, как вы видите, совершенно новую программу мы получаем, модифицируя старую. Теперь светодиод будет мигать только тогда, когда нажата кнопка, которая присоединена к выводу 2. Вывод 2 через резистор 10 кОм присоединён к общему проводу (земле, GND). Кнопка одним концом присоединена к питающему напряжению +5В, а другим концом к выводу 2.
В программе мы встречаем новую языковую конструкцию if из раздела управления программой. Читается она так: если выполняется условие (заключённое в скобках), то выполняется блок программы, заключённый в фигурные скобки. Обратите внимание, что в условии (digitalRead(inPin) == HIGH) равенство входа высокому состоянию выполнено с помощью двух знаков равенства! Очень часто в спешке об этом забывается, и условие получается неверным.
Программу можно скопировать и загрузить в модуль Arduino. Однако, чтобы проверить работу программы, понадобиться внести некоторые изменения в конструкцию модуля. Впрочем, это зависит от разновидности модуля. Оригинальный модуль имеет розетки для соединения с платами расширения. В этом случае можно вставить подходящие одножильные провода в нужные места разъёма. Мой модуль имеет ножевые контакты для соединения с платами расширения. Я могу либо поискать подходящий разъём, либо, что дешевле, использовать подходящую панельку для микросхемы в корпусе DIP.
Второй вопрос - как найти у модуля те выводы, которые используются в программе?
С этим вопросом поможет разобраться картинка, которую я взял с сайта: http://robocraft.ru/.
Рис. 4.1. Расположение и назначение выводов контроллера и модуля Arduino
Все выводы моего модуля CraftDuino промаркированы, так что найти нужный вывод не составит труда. Можно подключать кнопку и резистор и проверять работу программы. Кстати, на вышеупомянутом сайте RoboCraft весь процесс отображён на картинках (но программа использует не совсем такие выводы!). Советую посмотреть.
Многие микроконтроллеры в своём составе имеют дополнительные аппаратные устройства. Так Atmega168, на основе которого собран модуль Arduino имеет UART, встроенный блок для связи с другими устройствами с помощью последовательного обмена данными. Например, с компьютером через COM-порт. Или с другим микроконтроллером с помощью его встроенного блока UART. Есть ещё и аналого-цифровой преобразователь. И формирователь широтно- импульсной модуляции.
Использование последнего иллюстрирует программа, которую я тоже скопирую с сайта RoboCraft. Но программу можно взять и из приложения. И, возможно, она есть в примерах программы Arduino.
// Fading LED by BARRAGAN
int value = 0; // переменная для хранения нужного значения
int ledpin = 9; // светодиод подключен к digital pin 9
// Нет необходимости вызвать функцию pinMode
for(value = 0 ; value <= 255; value+=5) // постепенно зажигаем светодиод
analogWrite(ledpin, value); // значение вывода (от 0 до 255)
delay(30); // ждѐм 🙂
for(value = 255; value >=0; value-=5) // постепенно гасим светодиод
analogWrite(ledpin, value);
Если в предыдущей программе новой для нас была функция digitalRead(inPin), чтение цифрового ввода, то в этой программе новая для нас функция analogWrite(ledpin, value), хотя параметры этой функции - уже знакомые нам переменные. Об использовании аналогового входа, использовании АЦП (аналого-цифрового преобразователя), мы поговорим позже. А сейчас вернёмся к общим вопросам программирования.
Программирование это то, что доступно всем, но потребуется время, чтобы освоить и программирование, и какой-либо язык программирования. Сегодня есть ряд программ, помогающих освоить именно программирование. И одна из них имеет непосредственное отношение к модулю Arduino. Называется она Scratch for Arduino или сокращённо S4A. Найти и скачать эту программу можно по адресу: http://seaside.citilab.eu/scratch/arduino. Я не знаю, как точно переводится название программы, но «to begin from scratch» переводится, как «начать с нуля».
На сайте проекта S4A есть версии для Windows и Linux, но для последней операционной системы готовая к установке программа в версии дистрибутива Debian. Не хочу сказать, что её нельзя использовать с другими дистрибутивами Linux, но вначале посмотрим, как работать в программе с модулем Arduino в Windows.
После установки программы обычным образом можно настроить интерфейс на русский язык, используя переключатель языков.
Рис. 4.2. Переключатель языков интерфейса программы
Первый значок инструментальной панели, если его нажать, отображает все возможные языки интерфейса программы. Русский язык можно найти в разделе…
Рис. 4.3. Список языков для использования в интерфейсе программы
… отмеченном, как «больше…».
Если ничего не предпринимать, то надпись в правом окне «Searching board…» остаётся, но модуль не находится. Чтобы модуль Arduino подключить к программе S4A, следует загрузить с сайта проекта ещё кое-что.
Рис. 4.4. Файл для загрузки в модуль Arduino для S4A
Этот файл не что иное, как программа для Arduino (Sketch). То есть, текстовый файл, который можно скопировать в редактор Arduino, откомпилировать и загрузить в модуль. После выхода из программы Arduino можно запустить программу S4A и теперь модуль находится.
Рис. 4.5. Подключение модуля к программе
Аналоговые входы модуля не подключены, как и цифровые, поэтому значения, отображаемые для модуля, постоянно меняются произвольным образом.
Первое, с чего следует начать работу по освоению Arduino – это приобрести отладочную плату (хорошо бы сразу приобрести монтажную плату и т.п.). Уже описывал, какие виды плат Arduino представлены на рынке. Кто еще не читал статью советую ознакомиться. Для изучения основ выбираем стандартную плату Arduino Uno (оригинал или хорошую китайскую копию — решать вам). При первом подключении оригинальной платы проблем возникнуть не должно, а вот с «китайцем» нужно будет немного поковыряться (не переживайте – всё покажу и расскажу).
Подключаем Arduino к компьютеру USB кабелем. На плате должен засветиться светодиод «ON «. В диспетчере устройств появится новое устройство «Неизвестное устройство «. Необходимо установить драйвер. Тут внесу небольшую неясность (кот отвлек – я не запомнил, какой из драйверов решил «проблему неизвестного устройства ».
Предварительно скачал и распаковал программную средy Arduino (arduino-1.6.6-windows ). Затем скачал этот . Он самораспаковывающейся. Запустил файл CH341SER.EXE . Выбрал установку (INSTALL) . После установки появилось сообщение, нажал «Ок » (прочитать не успел).
После перешёл в свойства все еще «неизвестного устройства» и выбрал кнопку «Update Driver». Выбрал вариант «Установка из указанного места» – указал папку с разархивированной программной средой Arduino. И о чудо – всё удачно заработало…
Запускаем программу Arduino (в моём случае 1.6.6) и разрешаем доступ.
Все проекты (программы) для Arduino состоят из двух частей: void setup и void loop . void setup выполняется всего один раз, а void loop выполняется снова и снова.
Прежде чем продолжим, необходимо выполнить две обязательные операции:
— указать в программной среде Arduino, какую плату вы используете. Tool->board-> Arduino Uno. Если отметка уже стоит на нужной вам плате – это хорошо, если нет – ставим отметку.
— указать в программной среде какой последовательный порт вы используете для связи с платой. Tool->port-> COM3. Если отметка уже стоит на порте – это хорошо, если нет – ставим отметку. Если у вас в разделе порты представлен больше, чем один порт, как же узнать, какой именно используется для соединения с платой? Берём плату и отсоединяем от неё провод. Снова заходим в порты и смотрим, какой из них исчез. В моём случае вкладка «порты» вообще стала не активной.
Снова подключаем провод USB.
Для первой программы никаких дополнительных модулей не нужно. Будем включать светодиод, который уже смонтирован на плате (на 13 выводе микроконтроллера).
Для начала сконфигурим 13 вывод (на вход или на выход).
Для этого вводим в блок «void setup » команду pinMode , в скобках указываем параметры (13, OUTPUT ) (Какой вывод задействован, Режим работы ). Программная среда выделяет слова/команды соответствующим цветом шрифта.
Переходим в блок «void loop » и вводим команду digitalWrite с параметрами (13, HIGH) .
Первая программа готова, теперь осталось загрузить её в микроконтроллер. Нажимаем кнопку UPLOAD.
Светодиод засветился. Но не стоит так скептически относиться к простоте первой программы. Вы только, что освоили первую управляющую команду. Вместо светодиода ведь можно подключить любую нагрузку (будь-то освещение в комнате или сервопривод, перекрывающий подачу воды), но об этом всём поговорим позже…
Светодиод мы включили, он немного посветил, пора его выключать. Для этого видоизменим написанную нами программу. Вместо «HIGH » напишем «LOW ».
Нажимаем кнопку UPLOAD. Светодиод погас.
Мы уже познакомились с понятием « », пора им воспользоваться. Дальнейшие программы будут становится все объёмнее и сложнее, а работы по их изменению будут занимать все больше и больше времени, если мы оставим подобный стиль написания кода.
Смотрим на программу (снова включим светодиод). Зададим номер вывода микроконтроллера не числом 13 , а переменной, которой будет присвоено значение соответствующего вывода (в нашем случае 13). В дальнейшем будет очень удобно изменять значения переменных в начале программы, вместо того, чтобы шарится по коду в поисках тех мест, где необходимо произвести замены значений.
Создаём глобальную переменную int LED_pin = 13; (тип переменной, имя переменной, присваиваемое ей значение ).
Нажимаем кнопку UPLOAD. Светодиод светится. Все работает отлично.
В этом уроке, кроме включения/выключения светодиода, мы еще научимся мигать им.
Для этого вводим вторую команду «digitalWrite » с параметрами (LED_pin, LOW ).
Нажимаем кнопку UPLOAD. И что мы видим? Светодиод светится «в пол наказа». Причина кроется в том, что время переключения двух состояний (HIGH и LOW ) ничтожно мало и человеческий глаз не может уловить эти переключения. Необходимо увеличить время нахождения светодиода в одном из состояний. Для этого пишем команду delay с параметром (1000 ) . Задержка в миллисекундах: 1000 миллисекунд – 1 секунда. Алгоритм программы следующий: включили светодиод – ждём 1 секунду, выключили светодиод – ждём 1 секунду и т.д.
Нажимаем кнопку UPLOAD. Светодиод начал мерцать. Все работает.
Доработаем программу создав переменную, которой будет присваиваться значение, отвечающее за длительность задержки.
Нажимаем кнопку UPLOAD. Светодиод мерцает, как и мерцал.
Доработаем написанную нами программу. Задачи следующие:
- Светодиод включен 0,2 секунды и выключен 0,8 секунды;
- Светодиод включен 0,7 секунды и выключен 0,3 секунды.
В программе созданы 2 переменные, что отвечают за временные задержки. Одна определяет время работы включенного светодиода, а вторая – время работы выключенного светодиода.
Спасибо за внимание. До скорой встречи!
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.
» представляет учебный курс «Arduino для начинающих». Серия представлена 10 уроками, а также дополнительным материалом. Уроки включают текстовые инструкции, фотографии и обучающие видео. В каждом уроке вы найдете список необходимых компонентов, листинг программы и схему подключения. Изучив эти 10 базовых уроков, вы сможете приступить к более интересным моделям и сборке роботов на основе Arduino. Курс ориентирован на новичков, чтобы к нему приступить, не нужны никакие дополнительные сведения из электротехники или робототехники.
Краткие сведения об Arduino
Что такое Arduino?
Arduino (Ардуино) — аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами которой являются плата ввода-вывода и среда разработки. Arduino может использоваться как для создания автономных интерактивных объектов, так и подключаться к программному обеспечению, выполняемому на компьютере. Arduino как и относится к одноплатным компьютерам.
Как связаны Arduino и роботы?
Ответ очень прост — Arduino часто используется как мозг робота.
Преимущество плат Arduino перед аналогичными платформами — относительно невысокая цена и практически массовое распространение среди любителей и профессионалов робототехники и электротехники. Занявшись Arduino, вы найдете поддержку на любом языке и единомышленников, которые ответят на вопросы и с которым можно обсудить ваши разработки.
Урок 1. Мигающий светодиод на Arduino
На первом уроке вы научитесь подключать светодиод к Arduino и управлять его мигать. Это самая простая и базовая модель.
Светодиод — полупроводниковый прибор, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
Урок 2. Подключение кнопки на Arduino
На этом уроке вы научитесь подключать кнопку и светодиод к Arduino.
При нажатой кнопке светодиод будет гореть, при отжатой – не гореть. Это также базовая модель.
Урок 3. Подключение потенциометра на Arduino
В этом уроке вы научитесь подключать потенциометр к Arduino.
Потенциометр — это резистор с регулируемым сопротивлением. Потенциометры используются как регуляторы различных параметров – громкости звука, мощности, напряжения и т.п. Это также одна из базовых схем. В нашей модели от поворота ручки потенциометра будет зависеть яркость светодиода.
Урок 4. Управление сервоприводом на Arduino
На этом уроке вы научитесь подключать сервопривод к Arduino.
Сервопривод – это мотор, положением вала которого можно управлять, задавая угол поворота.
Сервоприводы используются для моделирования различных механических движений роботов.
Урок 5. Трехцветный светодиод на Arduino
На этом уроке вы научитесь подключать трехцветный светодиод к Arduino.
Трехцветный светодиод (rgb led) — это три светодиода разных цветов в одном корпусе. Они бывают как с небольшой печатной платой, на которой расположены резисторы, так и без встроенных резисторов. В уроке рассмотрены оба варианта.
Урок 6. Пьезоэлемент на Arduino
На этом уроке вы научитесь подключать пьезоэлемент к Arduino.
Пьезоэлемент — электромеханический преобразователь, который переводит электричеcкое напряжение в колебание мембраны. Эти колебания и создают звук.
В нашей модели частоту звука можно регулировать, задавая соответствующие параметры в программе.
Урок 7. Фоторезистор на Arduino
На этом уроке нашего курса вы научитесь подключать фоторезистор к Arduino.
Фоторезистор — резистор, сопротивление которого зависит от яркости света, падающего на него.
В нашей модели светодиод горит только если яркость света над фоторезистором меньше определенной, эту яркость можно регулировать в программе.
Урок 8. Датчик движения (PIR) на Arduino. Автоматическая отправка E-mail
На этом уроке нашего курса вы научитесь подключать датчик движения (PIR) к Arduino, а также организовывать автоматическую отправку e-mail.
Датчик движения (PIR) — инфракрасный датчик для обнаружения движения или присутствия людей или животных.
В нашей модели при получении с PIR-датчика сигнала о движении человека Arduino посылает компьютеру команду отправить E-mail и отправка письма происходит автоматически.
Урок 9. Подключение датчика температуры и влажности DHT11 или DHT22
На этом уроке нашего вы научитесь подключать датчик температуры и влажности DHT11 или DHT22 к Arduino, а также познакомитесь с различиями в их характеристиках.
Датчик температуры и влажности — это составной цифровой датчик, состоящий из емкостного датчика влажности и термистора для измерения температуры.
В нашей модели Arduino считывает показания датчика и осуществляется вывод показаний на экран компьютера.
Урок 10. Подключение матричной клавиатуры
На этом уроке нашего курса вы научитесь подключать матричную клавиатуру к плате Arduino, а также познакомитесь с различными интересными схемами.
Матричная клавиатура придумана, чтобы упростить подключение большого числа кнопок. Такие устройства встречаются везде - в клавиатурах компьютеров, калькуляторах и так далее.
Урок 11. Подключение модуля часов реального времени DS3231
На последнем уроке нашего курса вы научитесь подключать модуль часов реального времени из семейства 
DS к плате Arduino, а также познакомитесь с различными интересными схемами.
Модуль часов реального времени - это электронная схема, предназначенная для учета хронометрических данных (текущее время, дата, день недели и др.), представляет собой систему из автономного источника питания и учитывающего устройства.
Приложение. Готовые каркасы и роботы Arduino
Начинать изучать Arduino можно не только с самой платы, но и с покупки готового полноценного робота на базе этой платы — робота-паука, робота-машинки, робота-черепахи и т.п. Такой
способ подойдет и для тех, кого электрические схемы не особо привлекают.
Приобретая работающую модель робота, т.е. фактически готовую высокотехнологичную игрушку, можно разбудить интерес к самостоятельному проектированию и робототехнике. Открытость платформы Arduino позволяет из одних и тех же составных частей мастерить себе новые игрушки.
Еще один вариант — покупка каркаса или корпуса робота: платформы на колесиках или гусенице, гуманоида, паука и т.п. В этом случае начинку робота придется делать самостоятельно.
Приложение. Мобильный справочник
– помощник для разработчиков алгоритмов под платформу Arduino, цель которого дать конечному пользователю возможность иметь при себе мобильный набор команд (справочник).
Приложение состоит из 3-х основных разделов:
- Операторы;
- Данные;
- Функции.
Где купить Arduino
Наборы Arduino
Курс будет пополняться дополнительными уроками. Подпишитесь на нас
Итак, у вас есть процессор. Вы наверняка понимаете, что процессор можно как-то запрограммировать, чтобы он делал то, что вы хотите. Для того, чтобы была выполнена полезная работа необходимо (а) написать полезную программу и (б) отдать её процессору для исполнения.
В целом, не важно какой именно у вас процессор: последний Intel Pentium в вашем ноутбуке или микроконтроллер на плате Arduino. Принципы написания программы, т.е. программирования , в обоих случаях одни и те же. Различается лишь быстродействие и объём возможностей по работе с другими устройствами.
Что такое программа и куда её писать
Процессор несмотря на всю сложность производства, по сути своей, довольно простая и прямолинейная вещь. Думать он не умеет. Он умеет лишь слепо, байт за байтом исполнять инструкции, которые ему подсунули. Можно привести грубый пример последовательности инструкций:
| Байт инструкции | Что он означает для процессора |
|---|---|
| 00001001 | означает: взять следующий байт и запомнить его в ячейке №1 |
| 00000110 | …это как раз следующий байт, который мы запоминаем в ячейке №1: число 5 |
| 00011001 | означает: отнять от значения в ячейке №1 единицу и оставить там обновлённый результат |
| 00101001 | означает: сравнить значение в ячейке №1 с нулём и если оно ноль - перепрыгнуть через столько байт, сколько указано в следующем байте |
| 00000100 | …если результат был ноль, мы хотим прыгнуть через 4 байта, к предпоследней инструкции |
| 10000011 | |
| 01000001 | …букве «A» как раз соответствует этот код |
| 00101000 | означает, что мы хотим прыгнуть назад на столько байт, сколько указано в следующем байте |
| 00000110 | …прыгать будем на 6 байт назад, к инструкции №3 |
| 10000011 | означает, что мы хотим вывести на экран символ, код которого записан в следующем байте |
| 00100001 | …знаку «!» как раз соответствует этот код |
В результате исполнения такой последовательности инструкций на экран будет выведена паническая фраза «АААА!».
Довольно много кода для такой простой цели! Понятно, что если бы все программы писались вот так, непосредственно, разработка сложных продуктов занимала бы века.
Зачем нужны языки программирования
Для упрощения задачи в миллион раз были придуманы языки программирования. Их очень много и даже из тех, что постоянно на слуху можно быстро вспомнить десяток-другой: Assembler, C, C++, C#, Java, Python, Ruby, PHP, Scala, JavaScript.
Программы на этих языках гораздо ближе к естественному языку человека. А следовательно их проще, быстрее и приятнее писать, а что самое главное, их гораздо проще читать : вам сразу после написания, вам через год или вашему коллеге.
Проблема в том, что такие языки не понятны процессору и перед тем как отдать ему эту программу, её нужно скомпилировать : перевести с естественного языка в те самые инструкции в виде нулей и единиц. Этим занимаются программы, которые называются компиляторами . У каждого языка, если только он не остался на уровне фантазий, есть свой компилятор. Для популярных языков их обычно несколько на выбор, от разных производителей и для разных платформ. Большинство из них свободно доступно в интернете.
Итак, есть программы на вполне понятном человеку языке: их ещё называют «исходным кодом», просто «кодом» или «исходниками». Они пишутся в простые текстовые файлы с помощью любого текстового редактора, хоть с помощью notepad. Затем они превращаются в понятные процессору наборы нулей и единиц с помощью компилятора: компилятор получает на вход исходный код, а на выходе создаёт бинарный исполняемый файл , тот самый, понятный процессору.
Бинарные файлы не пригодны для чтения и предназначены, в общем, лишь для исполнения процессором. Они могут иметь разный тип в зависимости от того для чего получены: .exe - это программы для Windows, .hex - программы для исполнения микроконтроллером типа Arduino и т.п.
Почему же существует столько языков программирования и в чём разница?
Почему? Потому что на Земле много людей и компаний, и многие считали, что могут сделать лучше всех: удобнее, понятнее, быстрее, стройнее.
В чём разница: разные языки - это разный баланс скорости написания, понятности при чтении и скорости исполнения.
Посмотрим на одну и ту же программу, которая выводит на экран песенку про 99 бутылок пива на разных языках программирования.
Например, язык Perl. Пишется быстро; понять, что имел в виду программист невозможно; исполняется медленно:
sub b{ $n = 99 - @_ - $_ || No; "$n bottle" . "s" x!!-- $n . " of beer" } ; $w = " on the wall" ; die map { b. "$w,\n " . b. ",\n Take one down, pass it around,\n " . b(0 ) . "$w.\n \n " } 0 .. 98Язык Java. Пишется относительно долго; читается просто; исполняется довольно быстро, но занимает много памяти:
class bottles { public static void main(String args ) { String s = "s" ; for (int beers= 99 ; beers>- 1 ; ) { System .out .print (beers + " bottle" + s + " of beer on the wall, " ) ; System .out .println (beers + " bottle" + s + " of beer, " ) ; if (beers== 0 ) { System .out .print ("Go to the store, buy some more, " ) ; System .out .println ("99 bottles of beer on the wall.\n " ) ; System .exit (0 ) ; } else System .out .print ("Take one down, pass it around, " ) ; s = (-- beers == 1 ) ? "" : "s" ; System .out .println (beers + " bottle" + s + " of beer on the wall.\n " ) ; } } }Язык Assembler. Пишется долго; читается сложно; исполняется очень быстро:
code segment assume cs : code , ds : code org 100h start : ; Main loop mov cx , 99 ; bottles to start with loopstart: call printcx ; print the number mov dx , offset line1 ; print the rest of the first line mov ah , 9 ; MS-DOS print string routine int 21h call printcx ; print the number mov dx , offset line2_3 ; rest of the 2nd and 3rd lines mov ah , 9 int 21h dec cx ; take one down call printcx ; print the number mov dx , offset line4 ; print the rest of the fourth line mov ah , 9 int 21h cmp cx , 0 ; Out of beer? jne loopstart ; if not, continue int 20h ; quit to MS-DOS ; subroutine to print CX register in decimal printcx: mov di , offset numbufferend ; fill the buffer in from the end mov ax , cx ; put the number in AX so we can divide it printcxloop: mov dx , 0 ; high-order word of numerator - always 0 mov bx , 10 div bx ; divide DX:AX by 10. AX=quotient, DX=remainder add dl , "0" ; convert remainder to an ASCII character mov [ ds : di ] , dl ; put it in the print buffer cmp ax , 0 ; Any more digits to compute? je printcxend ; if not, end dec di ; put the next digit before the current one jmp printcxloop ; loop printcxend: mov dx , di ; print, starting at the last digit computed mov ah , 9 int 21h ret ; Data line1 db " bottles of beer on the wall," , 13 , 10 , "$" line2_3 db " bottles of beer," , 13 , 10 , "Take one down, pass it around," , 13 , 10 , "$" line4 db " bottles of beer on the wall." , 13 , 10 , 13 , 10 , "$" numbuffer db 0 , 0 , 0 , 0 , 0 numbufferend db 0 , "$" code ends end startНа чём программируется Arduino
Если говорить об Arduino или о микроконтроллерах от компании Atmel, на каком языке можно писать программы для них? Теоретический ответ: на любом. Но на практике, выбор ограничивается языками Assembler, C и C++. Это связанно с тем, что в сравнении с настольным компьютером у них очень ограниченные ресурсы. Килобайты памяти, а не гигабайты. Мегагерцы на процессоре, а не гигагерцы. Это плата за дешевизну и энергоэффективность.
Поэтому нужен язык, который может компилироваться и исполняться эффективно. То есть переводиться в те самые нули и единицы из инструкций как можно оптимальнее, без расходов драгоценных инструкций и памяти в пустую. Подобной эффективностью как раз и обладают названные языки. Используя их даже в узких рамках ресурсов микроконтроллера, можно писать богатые возможностями программы, которые работают быстро.
Assembler, как вы видели, нельзя назвать самым простым и элегантным и, как результат, флагманским языком для Arduino является C/C++.
Во многих источниках говорится, что Arduino программируется на языке Arduino, Processing, Wiring. Это не совсем корректное утверждение. Arduino программируется на C/C++, а то, что называется этими словами - это просто удобный «обвес», который позволяет решать многие типичные задачи, не изобретая велосипед каждый раз.
Почему C и C++ упоминаются в одном предложении? C++ - это надстройка над C. Всякая программа на C является корректной программой для C++, но не наоборот. Вы можете пользоваться и тем и другим. Чаще всего вы даже не будете задумываться о том, что используете, решая текущую задачу.
Ближе к делу: первая программа
Давайте напишем первую программу для Arduino и заставим плату её исполнять. Вам необходимо создать текстовый файл с исходным кодом, скомпилировать его и подсунуть полученный бинарный файл микроконтроллеру на плате.
Пойдём по порядку. Напишем исходный код. Можно написать его в блокноте или любом другом редакторе. Однако для того, чтобы работа была удобной, существуют так называемые среды разработки (IDE: Integrated Development Environment). Они в виде единого инструмента предоставляют и текстовый редактор с подсветкой и подсказками, и компилятор, запускаемый по кнопке, и много других радостей. Для Arduino такая среда называется Arduino IDE. Она свободно доступна для скачивания на официальном сайте.
Установите среду и запустите её. В появившемся окне вы увидите: большая часть места отдана текстовому редактору. В него и пишется код. Код в мире Arduino ещё называют скетчем .
Итак, давайте напишем скетч, который ничего не делает. То есть минимально возможную правильную программу на C++, которая просто прожигает время.
void setup() { } void loop() { }Не будем пока заострять внимание на значении написанного кода. Скомпилируем его. Для этого в Arduino IDE, на панели инструментов есть кнопка «Verify». Нажмите её и через несколько секунд бинарный файл будет готов. Об этом возвестит надпись «Done compiling» под текстовым редактором.
В результате, у нас получился бинарный файл с расширением.hex , который может исполнять микроконтроллер.
Теперь необходимо подсунуть его Arduino. Этот процесс называется загрузкой, прошивкой или заливкой. Для выполнения загрузки в Arduino IDE, на панели инструментов есть кнопка «Upload». Соедините Arduino с компьютером через USB-кабель, нажмите «Upload» и через несколько мгновений программа будет загружена в Arduino. При этом программа, которая была там ранее будет стёрта.
Об успешной прошивке возвестит надпись «Done Uploading».
Если при попытке загрузки вы столкнулись с ошибкой убедитесь, что:
В меню Tools → Board выбран тот порт, к которому действительно подключена Arduino. Можете повставлять и повынимать USB-кабель, чтобы понять какой порт появляется и исчезает: это и есть Arduino.
Вы установили необходимые драйверы для Arduino. Это необходимо для Windows, не требуется под Linux и необходимо только для старых плат до Arduino Duemilanove на MacOS.
Поздравляем! Вы прошли весь путь от чистого листа до работающей программы в Arduino. Пусть она ничего и не делает, но это уже успех.
