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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Arduino. Operazioni di I/O digitali. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Progettista radioamatore Dopo aver caricato l'ambiente di sviluppo IDE Arduino, puoi vedere che nello spazio vuoto del futuro programma visualizzato nella finestra che si apre, ci sono due funzioni: setup () e loop (). La funzione setup() avvia qualsiasi programma. Lo esegue una volta immediatamente dopo l'accensione della scheda, e anche ogni volta dopo aver premuto il pulsante RESET sulla scheda, che riporta il microcontrollore al suo stato iniziale. All'interno di questa funzione si impostano le modalità di funzionamento delle porte, si inizializzano l'interfaccia seriale e le altre periferiche, sia interne al microcontrollore che esterne ad esso collegate. Questa funzione, anche se vuota, deve essere presente nel programma. La funzione loop() contiene un loop infinito che il microcontrollore esegue ripetutamente, fino a quando l'alimentazione non viene spenta. Interroga i sensori esterni, invia comandi agli attuatori, esegue calcoli e altre operazioni. Prendiamo ad esempio un semplice programma che, con un periodo di un secondo, accende e poi spegne il LED integrato nella scheda Arduino, contrassegnato su di essa con la lettera L e collegato al pin digitale D13. Questo programma è uno degli esempi standard forniti con l'IDE di Arduino. A tavola. 1 ne riporta il testo nella forma in cui è allegato. Nota che nel gergo di Arduino, il codice sorgente del programma è chiamato "sketch" - uno schizzo. Tabella 1
I frammenti di programma relativi a un blocco sono delimitati da parentesi graffe { e }. In quanto segue, li chiameremo parentesi operatore. Il testo del programma può contenere un commento che ne spieghi l'essenza e le sfumature del lavoro. Un commento su più righe è limitato alle combinazioni di caratteri /* (all'inizio) e */ (alla fine). I caratteri // iniziano un commento che termina alla fine della stessa riga. Durante la traduzione (trasformazione del testo del programma in un linguaggio di programmazione comprensibile a una persona in codice macchina eseguibile dal microcontrollore), questa parte del testo viene completamente ignorata. L'unica riga eseguibile nel corpo della funzione setup() pinMode (13, OUTPUT); imposta il pin D13 della scheda Arduino in modalità output. La funzione loop() inizia con la riga scrittura digitale(13, ALTA); Imposta il livello logico alto dell'uscita D13. In Arduino UNO, è uguale alla tensione di alimentazione (+5 V) relativa al filo comune. Questo accenderà il LED. È seguito dalla linea ritardo (1000); Fa in modo che il programma eseguibile non salti alla riga successiva per il tempo specificato tra parentesi in millisecondi. Dopo una pausa, il programma imposta l'uscita D13 ad un livello logico basso corrispondente al potenziale del filo comune, che spegne il LED. Questa operazione è descritta dalla riga scrittura digitale(13, BASSA); Successivamente, il programma mantiene ancora una volta una pausa di 1 s, dopodiché ripete dall'inizio l'intera sequenza di operazioni descritte nel corpo della funzione loop(). Questo continua fino a quando il microcontrollore non viene spento. La funzione delay() dovrebbe essere usata con cautela. Se durante l'intervallo di tempo specificato si verifica un evento importante (ad esempio, un sensore viene attivato per un breve periodo), il programma non reagirà a questo evento. Va ricordato che la corrente massima data dal pin di Arduino, funzionando come uscita, è di 40 mA, mentre la corrente totale di tutte le uscite non deve superare i 300 mA. Questo è sufficiente per alimentare i normali LED, puoi anche collegare direttamente un relè reed a bassa tensione o un motore a vibrazione a bassa potenza da un telefono cellulare all'uscita. Non sarai in grado di collegare nulla di più potente senza un amplificatore ed è pericoloso: puoi rovinare il microcontrollore. Gli ingressi analogici A0-A5 possono essere utilizzati come ingressi e uscite digitali insieme a D0-D13 se necessario, riferendosi ad essi rispettivamente con i numeri da 14 a 19. Ora modifichiamo un po' il programma. Per un algoritmo così semplice, queste modifiche non sono fondamentali, ma in casi più complessi tali modifiche sono importanti. Prima di tutto, sostituiamo il commento in inglese con il russo. Ad esempio, la riga che accende il LED sarà commentata come segue: "Accendi il LED". Non dovresti scrivere: "Abbiamo fissato un livello alto sulla linea D13", questo è già chiaro dal testo del programma. Naturalmente, un commento dettagliato su ogni riga è solitamente ridondante, ma non bisogna essere pigri per scriverlo. Dopo qualche tempo i dettagli del programma verranno dimenticati, anche l'autore stesso, solo un commento ti aiuterà a capirne velocemente l'essenza. Successivamente, cambieremo il programma in modo che il LED collegato non al pin D13, ma al pin D12 di Arduino, lampeggi. Poiché non vi è alcun LED collegato a D12 sulla scheda, è necessario un LED esterno con una resistenza in serie. Collegarlo secondo lo schema mostrato in Fig. 1. La resistenza aggiuntiva è selezionata in modo che il LED di interruzione di corrente sia compreso tra 5 ... 10 mA. Ciò fornirà un bagliore abbastanza luminoso per la maggior parte dei LED. La scheda Arduino UNO con un LED esterno collegato è mostrata in fig. 2.
Si consiglia di realizzare più LED con resistori aggiuntivi. Saranno utili non tanto per realizzare un automa di effetti luminosi, ma per controllare rapidamente i livelli di tensione alle uscite della scheda e monitorarne il cambiamento in base al programma in fase di debug. Per comandare un LED collegato non a D13, ma a D12, in questo caso, basterebbe correggere nel testo del programma tutti i numeri 13 con 12. A parte i commenti, il numero 13 compare nel testo del programma solo tre volte, quindi non è difficile cambiarlo. Tuttavia, con l'aumentare del volume del programma, la situazione cambia radicalmente. Una cosa è sostituire tre numeri e un'altra è sostituire diverse decine di numeri identici in punti diversi di un lungo programma. Inoltre, potrebbe risultare che da qualche parte questo numero significhi qualcosa di completamente diverso e non è necessario modificarlo. Per facilitare tali modifiche, dichiariamo una variabile all'inizio del programma e le assegniamo un valore corrispondente al numero dell'output desiderato: int PIN LED = 12; Inoltre, ovunque ricorra il numero di output 13, lo sostituiremo con il nome di questa variabile. Se ora hai bisogno di cambiare nuovamente la connessione del LED, sarà sufficiente cambiare un solo numero nella descrizione della variabile LEDPIN. Il programma modificato è riportato in Tabella. 2. Deve essere caricato nella memoria del microcontrollore della scheda Arduino. Per fare ciò, seleziona "File → Carica" dal menu principale dell'IDE. Se il programma digitato nella finestra di modifica non è stato salvato in un file in anticipo, l'IDE ti chiederà di specificare il nome del file in cui lo salverà. Dopo un po' di tempo richiesto dall'IDE di Arduino per tradurre il programma in codici macchina comprensibili al microcontrollore, i LED "Rx" e "Tx" inizieranno a lampeggiare sulla scheda, segnalando la ricezione e la trasmissione di messaggi attraverso l'interfaccia seriale del microcontrollore . Tabella 2
Se tutto è stato eseguito correttamente, in fondo alla finestra del programma comparirà un report sul corretto caricamento. Visualizzerà informazioni su quanto dei 32 KB disponibili di memoria del programma del microcontrollore è occupato dal programma caricato e quanta RAM è necessaria per ospitare le variabili. Il LED collegato al pin D12 inizierà a lampeggiare con un periodo di 2 s. Se si collega una linea di cinque LED ai pin D8-D12 di Arduino (Fig. 3) e si carica il programma riportato in Tabella. 3, si accenderà alternativamente per 500 ms ciascuno di questi LED e il LED collegato a D13, installato sulla scheda. Questo programma potrebbe risultare molto più lungo se il problema fosse risolto "sulla fronte", semplicemente ripetendo il numero necessario di volte nelle righe della funzione setup() con diversi numeri numerici di output, impostandoli per l'output, e in la funzione loop() - una sequenza di righe che include il LED successivo che lo mette in pausa e lo spegne. Le istruzioni del ciclo for hanno aiutato ad abbreviare il programma.
Tabella 3
Le parentesi dopo la parola chiave for indicano il valore iniziale della variabile di loop - LEDPIN=8, la condizione per l'esecuzione del corpo del loop - LEDPIN<14, e l'operazione eseguita con la variabile di loop dopo ogni esecuzione del suo corpo - LEDPIN++, che significa che il valore della variabile sia incrementato di uno. Se necessario, i parametri del ciclo for possono essere facilmente modificati. Il corpo del ciclo tra parentesi operatore segue la condizione. Nel primo caso (nella funzione setup()), consiste in una singola riga che verrà eseguita sei volte con valori LEDPIN da 8 a 13. Nel secondo caso (nella funzione loop()), il loop statement specifica una sequenza di tre righe da eseguire sei volte con gli stessi valori della variabile. Oltre a controllare i dispositivi esterni in qualsiasi sistema, è necessario ricevere informazioni da vari sensori. Senza di loro, anche il robot più complesso sarà solo un giocattolo a orologeria, incapace di cambiare il proprio comportamento a seconda delle condizioni esterne. Con una tensione di alimentazione di 5 V, e in Arduino UNO è esattamente così, gli ingressi digitali del microcontrollore sono garantiti per essere percepiti come una tensione logicamente alta (corrispondente a un'unità logica) superiore a +3 V, e come una logicamente bassa (corrispondente a uno zero logico) - una tensione inferiore a +1,5 V I valori intermedi (anche quando l'ingresso non è collegato da nessuna parte) danno un risultato imprevedibile e caoticamente variabile a seconda dell'istanza del microcontrollore, della sua tensione di alimentazione, temperatura e altri fattori. Pertanto, è desiderabile che l'ingresso digitale abbia sempre una tensione di livello logico alto o basso noto. Il sensore più semplice è un normale pulsante senza fissazione, collegato come mostrato in fig. 4 a uno dei pin esterni della scheda Arduino, in questo caso a D7. Quando il pulsante SB1 viene rilasciato, il livello di tensione all'ingresso del microcontrollore sarà basso (il resistore R1 lo fornirà), quando viene premuto sarà alto. Se cambi il pulsante e il resistore in alcuni punti (Fig. 5), anche i livelli cambieranno posizione. Ora il resistore R1 fornirà un livello alto quando il pulsante viene rilasciato e premendolo si imposterà un livello basso.
La resistenza del resistore R1 non dovrebbe essere troppo piccola, poiché la corrente che lo attraversa quando si preme il pulsante viene consumata dalla fonte di alimentazione e riduce l'efficienza del dispositivo. Nel caso di alimentazione da un computer desktop o da un alimentatore di rete, questo non è così importante, ma con la versione a batteria Arduino, la bassa resistenza del resistore R1 ridurrà notevolmente l'eventuale durata della batteria del dispositivo. Si noti che il microcontrollore dispone di resistori interni per svolgere la funzione del resistore R1. Sono disabilitati per impostazione predefinita. Tuttavia, per collegare, ad esempio, un resistore interno all'ingresso D2, è sufficiente aggiungere la riga alla funzione setup () pinMode(2, INPUT_PULLUP); Considerare l'ingresso digitale utilizzando l'esempio fornito in Tabella. 4 programmi che spengono il LED collegato al pin 13 quando si preme il pulsante collegato al pin D7. Si basa sull'operatore condizionale if (condizione) { /*Azioni se la condizione è soddisfatta*/ } altro { /*Azioni se la condizione non è soddisfatta*/ } Tabella 4
Serve per selezionare un'azione a seconda che la condizione in essa specificata sia soddisfatta o meno. Se non è necessario fare nulla se la condizione non è soddisfatta, il frammento else {...} può essere omesso. L'uso di istruzioni condizionali conferisce flessibilità al programma. A seconda dello stato dei sensori esterni, cambiano l'ordine del programma e il comportamento del dispositivo dotato di microcontrollore. In realtà il controllo dello stato del pulsante viene eseguito da un operatore logico digitalRead(MA) = ALTO In questo caso confronta il valore restituito dalla funzione di lettura dello stato del pin BUT a cui è collegato il pulsante con la costante logica HIGH, e se sono uguali assume il valore TRUE (true), altrimenti - FALSE (falso). Si noti che l'operazione di test di uguaglianza è denotata da due segni di uguale consecutivi. E un segno di uguale denota l'operazione di assegnazione di un valore a una variabile. Non confonderli, questo porta a bug difficili da trovare. Utilizzando l'esempio del programma appena considerato, è facile vedere a cosa porta l'uso impreciso della funzione delay(). Se si "decommenta" (rimuovendo le due linee continue precedenti) la funzione delay( 10000) nella penultima riga del programma, dopo ogni esecuzione del corpo della funzione loop(), il programma attenderà 10 secondi prima di continuare la sua lavoro. Naturalmente, tutte le pressioni dei pulsanti durante questo periodo di tempo verranno ignorate. La capacità di Arduino di comunicare con un personal computer tramite un'interfaccia seriale è molto utile. Può essere utilizzato non solo per scaricare il programma nel microcontrollore, ma anche per lo scambio bidirezionale di informazioni durante la sua esecuzione. Attraverso questa interfaccia, Arduino può trasferire le informazioni raccolte al computer per elaborazioni o archiviazioni complesse e ricevere da esso comandi e dati iniziali. Anche due dispositivi a microcontrollore possono interagire in questo modo. La porta seriale del microcontrollore utilizza i pin digitali della scheda D0 e D1, quindi quando si organizza e si utilizza la comunicazione tramite la porta seriale, non possono essere utilizzati per nient'altro. Ad esempio, si consideri il programma mostrato in Tabella. 5, che invia informazioni sullo stato dell'uscita D12 al computer. Se il livello su di esso è alto, il programma invia al computer il codice simbolo H e, se è basso, il codice simbolo L. Qualsiasi programma in grado di funzionare con la porta COM del computer può ricevere queste informazioni. L'IDE Arduino ha un monitor della porta seriale integrato che consente al computer di visualizzare messaggi di testo ricevuti dalla scheda Arduino e inviare messaggi digitati dall'utente sulla tastiera del computer. Tabella 5
La riga Serial.begin(9600) nella funzione setup() inizializza la porta seriale del microcontrollore e imposta il baud rate a 9600 baud. È inoltre possibile impostare altri baud rate standard: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 o 115200 Baud. In questo caso, la velocità impostata nel microcontrollore deve corrispondere alla velocità con cui è configurata la porta COM del computer o altro dispositivo, con cui devono essere scambiate le informazioni. La velocità consentita alla quale è garantita una ricezione affidabile delle informazioni dipende dalla lunghezza del cavo che collega Arduino al computer. Ad esempio, utilizzando un cavo USB standard lungo 1,8 m, il computer riceverà informazioni da Arduino anche a una velocità di 115200 baud. E se aggiungi una prolunga di cinque metri a questo cavo, la velocità consentita scende a 4800 baud. La funzione Seri-al.print() invia informazioni alla porta seriale, dove è indicato tra parentesi il nome della variabile di cui si vuole inviare il valore di Send, o la stringa di caratteri da trasferire. Per distinguerla dal nome di una variabile, la stringa di caratteri è racchiusa tra virgolette. C'è una modifica a questa funzione Serial.println(). Differisce dal fatto che, dopo aver passato le informazioni racchiuse tra parentesi (se presenti), le integra con i caratteri di ritorno a capo e di avanzamento riga. Inizia una nuova riga e una combinazione di caratteri nella stringa data. Utilizzando il programma di cui sopra, è facile assicurarsi che se non vengono applicati segnali esterni all'uscita del microcontrollore configurata come ingresso, il suo stato può essere qualsiasi e cambiare in modo casuale durante il funzionamento. È inoltre possibile determinare il valore effettivo della tensione, che il microcontrollore smette di percepire come livello logico basso e inizia a percepirlo come livello alto. Si consideri poi un programma (Tabella 6) che accende e spegne il LED sulla scheda in base ai comandi ricevuti dal computer tramite la porta seriale. Va tenuto presente che le informazioni vengono trasmesse sulla porta seriale in byte. Il ricevitore della porta seriale, che opera indipendentemente dal processore del microcontrollore, riceve questi byte e li memorizza nel suo buffer di 64 byte. Tabella 6.
Affinché il programma possa determinare se ci sono byte ricevuti nel buffer, c'è una funzione Serial.available() che restituisce il loro numero. Se lo sono, il programma che utilizza il Serial. read() legge un byte dal buffer e assegna il suo valore (il codice carattere ricevuto) a una variabile C char. Successivamente, le istruzioni condizionali confrontano il codice con i modelli e, se corrispondono, accendono o spengono il LED. È possibile inviare comandi utilizzando lo stesso monitor della porta seriale utilizzato per ricevere informazioni. Nella parte superiore della sua finestra (Fig. 6) è presente una riga per l'inserimento dei caratteri trasmessi. Dopo aver inserito un simbolo o la sua sequenza dalla tastiera, premere il pulsante a video "Invia". Sulla scheda Arduino, il LED "Rx" dovrebbe lampeggiare brevemente, indicando che il microcontrollore ha ricevuto informazioni. Naturalmente, la trasmissione manuale dei codici è un metodo di gestione facile, ma tutt'altro che ottimale. Di solito, per questo viene scritto uno speciale programma di controllo del computer.
Pertanto, utilizzando la scheda del microcontrollore Arduino, è possibile creare in modo relativamente semplice una serie di semplici dispositivi elettronici. Se ci limitiamo all'ingresso-uscita digitale, questi possono essere effetti luminosi automatici, il più semplice antifurto, contatori di vari parametri con sensori digitali. Inoltre, è facile far interagire il dispositivo con il computer. Naturalmente, le capacità di Arduino sono tutt'altro che limitate a quelle descritte in questo articolo. Questa scheda può funzionare anche con segnali analogici, di cui parleremo più avanti. I programmi per Arduino citati nell'articolo possono essere scaricati da ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/08/diginout.zip. Autore: D. Lekomtsev
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