Основы arduino. Программирование Arduino

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...

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

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

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

Какую первую плату Arduino купить новичку?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Как подключить Arduino к компьютеру?

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

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

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

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

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

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

Что делать если на моей плате нет USB?

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

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

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

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

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

Как писать программы для Arduino?

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

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

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

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

Основы программирования в Arduino IDE

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Понимаем первую программу «Blink»

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

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

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

Читаем значение с аналогового порта и используем прочитанные данные

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

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

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

int sensorPin = A0;

int ledPin = 13;

int sensorValue = 0;

pinMode(ledPin, OUTPUT);

sensorValue = analogRead(sensorPin);

digitalWrite(ledPin, HIGH);

delay(sensorValue);

digitalWrite(ledPin, LOW);

delay(sensorValue);

Объявляем переменные:

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

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

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

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

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

Таким образом положением потенциометра мы задаем частоту миганий светодиода.

Функция map для Арудино

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

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

В коде это выглядит так:

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

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

Значения карты величин:

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

И схема подключения.

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

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

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

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

Подробно Arduino язык программирования для начинающих представлен в таблице далее. Микроконтроллер Arduino программируется на специальном языке программирования, основанном на C/C ++. Язык программирования Arduino является разновидностью C++, другими словами, не существует отдельного языка программирования для Arduino. Скачать книгу PDF можно в конце страницы.

В Arduino IDE все написанные скетчи компилируются в программу на языке C/C++ с минимальными изменениями. Компилятор Arduino IDE значительно упрощает написание программ для этой платформы и создание устройств на Ардуино становится намного доступней людям, не имеющих больших познаний в языке C/C++. Дадим далее небольшую справку с описанием основных функций языка Arduino с примерами.

Подробный справочник языка Ардуино

Язык можно разделить на четыре раздела: операторы, данные, функции и библиотеки.

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.

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!