Как рождаются программы

Это будет немного не обычная статья, в ней я попробую не просто показать готовый код, который что-то делает, а покажу как рождается устройство и прошивка для него. Мы рассмотрим логику работы программы и то как эту логику построить.

Сегодня мы с вами будем решать следующую задачу: есть 2 светодиода их надо подключить к Arduino и реализовать возможность регулировать яркость их горения.

Приступим!

Первым делом надо продумать как будет выглядеть наше устройство и что нам понадобится для его реализации, нам надо чем то регулировать яркость светодиодов и видеть в каком режиме сейчас работают светодиоды для этого отлично подходит lcd shield который мы рассматривали в прошлой статье .

Теперь нам осталось подключить светодиоды, для этого отлично подходит так называемый бредборд, это пластиковая штуковина (не знаю как ее по другому назвать) в которую без пайки можно подключить провода от Arduino и другие электронные компоненты, что очень удобно когда ты точно не знаешь как будет выглядеть готовое устройство или схема нужно всего на несколько запусков. Китайцы клепают огромное количество их разновидностей, я лично пользуюсь таким:

Для простоты понимания как он устроен внутри я приложу схему внутренних соединений:

Подключение светодиодов к Arduino

Многие сейчас скажут: что сложного в подключении светодиода, это же лампочка! И будут не правы, светодиод - это далеко не простая лампочка, а полупроводниковый световой прибор. Который питается не напряжением как обычная лампочка, а током и если ток превысит допустимые значения, то светодиод начнет деградировать, его яркость будет уменьшатся что станет заметно через некоторое время, зависящее от мощности протыкаемого тока или, вообще моментально сгорит.

Как избежать порчи светодиода из-за большого тока? Все очень просто: нужно использовать токоограничивающий резистор, который надо рассчитывать для каждого светодиода в зависимости от его характеристик. Расчет резисторов для светодиода - это тема для отдельной статьи и сегодня мы не будем углубляться в эту тему так как скорей всего вы не знаете характеристик светодиода, который вы где-то нашли. На этот случай я использую маленькое правило: если светодиод не яркий, то я запитываю его через резистор сопротивлением от 220 до 400 ом в зависимости от того какой резистор был под рукой. Главное запомнить правило – лучше больше чем меньше. При большем сопротивлении чем требуется светодиоду, он просто будет гореть тусклее нормы.

Теперь надо определится как регулировать яркость светодиода, для этого можно использовать переменные резисторы что в принципе исключит интерактивную регулировку и по этому мы не будем использовать данный способ в этой статье. Мы будем использовать ШИМ реализованный на плате Arduino.

Что такое ШИМ

ШИМ (широтно-импульсная модуляция) – это изменение скважности сигнала на определенном отрезке времени. Шим сигнал имеет следующий вид по сравнению с постоянным сигналом:

На этой картинке 100% рабочего цикла это отсутствие ШИМ как такового, сигнал идет без изменений, как будто вывод просто подключен к 5 вольтам.

0% рабочего цикла это отсутствие какого-либо сигнала, как будто провод никуда не подключен.

Остальные режимы работы - это быстрое переключение режимов работы что заставляет светодиод как бы моргать с большой скоростью не заметной глазу человека (100 раз в секунду) что и заставляет его гореть с не полной яркостью. Arduino в зависимости от версии используемого чипа имеет разное количество ШИМ выходов, на плате они помечены знаком ~ из прошлой статьи мы знаем что это 6 выходов 3, 5, 6, 9, 10, и 11 мы будем использовать 10 и 11 выводы.

Давайте наконец то подключим светодиоды к плате. Надеваем на Arduino наш lcd shield и собираем следующею схему для которой нам понадобится бредборд, 2 светодиода, 2 резистора на 250 ом, и 3-4 провода папа- папа. Схема будет иметь следующий вид:

И не забываем, что у светодиода есть полярность, длинная или кривая (как на схеме) ножка светодиода - это плюс который и подключается через резистор.

На этом я наверно закончу первую часть статьи, во второй части мы займемся именно проработкой логики работы и написанием кода программ. Всем добра!

Функция analogWrite() используется для затухания свтодиода и его постепенного включения.

AnalogWrite использует широтно-импульсную модуляцию (PWM), которая дает возможность включать/включать цифровой пин с большой скоростью, генерируя эффект затухания.

Что вам понадобится для проекта

• Плата Arduino
• Макетная плата (breadboard)
• Светодиод
• Резистор на 220 Ом

Схема подключения светодиода к Arduino

Подключите анод (более длинная, позитивная нога) светодиода к цифровому пину 9 платы Arduino через резистор 220 Ом. Подключите катод (более короткая, нога с отрицательным зарядом) к земле.

Электросхема подключенного к Arduino светодиода

Вариант шилда со светодиодом для Arduino

Описание программы для Arduino

После объявления 9 пина в качестве ledPin, тело функции setup() можно не наполнять.

Функция analogWrite() которую вы будете использовать в главном цикле main, требует два аргумента: один для определения пина, на который будут записываться и второй - для отображения записываемого ШИМ-значения.

Для того, чтобы постепенно зажигать и тушить ваш светодиод, постепенно увеличивайте ШИМ значение от 0 до 255, после - опять до 0, чтобы завершить цикл. В скетче ниже, ШИМ-значение используется для переменной под названием brightness. Каждый раз по завершению цикла она увеличивает значение переменной.

Если brightness достигает своего предельного значения (0 или 255), fadeAmount меняет свое значение на отрицательное. Другими словами, если fadeAmount равно 5, его значение меняется на -5. При следующей итерации цикла это приводит к изменению переменной brightness.

analogWrite() обеспечивает быструю смену ШИМ значения, так что задержка в конце скетча контролирует скорость затухания. Попробуйте изменить значение задержки задержки и отследить, как отработает программа.

Скетч для Arduino IDE

Данный пример показывает как обеспечить затухание на 9 пине с использованием функции analogWrite().

int led = 9; // пин, к которому подключен светодиод

int brightness = 0; // яркость светодиода

int fadeAmount = 5; // на сколько увеличить яркость светодиода

// функция setup отрабатывает один раз после перезагрузки платы:

// объявляет 9 пин в качестве выхода:

pinMode(led, OUTPUT);

// цикл loop повторяется бесконечно:

// устанавливает яркость 9 пина:

analogWrite(led, brightness);

// изменение яркости на следующей итерации с помощью цикла:

brightness = brightness + fadeAmount;

// меняет значение затухания на аналогичное с противоположным знаком при граничных значениях:

if (brightness == 0 || brightness == 255) {

fadeAmount = -fadeAmount ;

// задержка в 30 для отслеживания эффекта затухания

И попробуем выполнить новую задачу. Думаю, что все видели новогодние витринные гирлянды, в которых плавно мигают светодиоды. Допустим, что мы хотим сделать нечто подобное.
Мы уже рассматривали функцию digitalWrite() и знаем, что значение, которое она записывает, может быть двух вариантов - высокий или низкий уровень. В данном случае нам поможет функция analogWrite(). "Формулировки" функций различаются только начальными приставками, поэтому их легко запомнить.

Функция analogWrite(), так же как и digitalWrite(), содержит в скобках два аргумента и работает по тому же словесному принципу: "куда, что". Главным различием является возможность записи широкого диапазона значений вместо привычного LOW или HIGH. Это и позволит нам регулировать яркость светодиода. Главное замечание, которое необходимо учитывать, это то, что данная функция работает только на определенных контактах. Эти контакты обозначены символом "~". Этот символ означает, что это PWM-контакт. PWM (pulse-width modulation) звучит по-русски как ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Принцип работы основан на изменении длительности импульса. Графически это можно изобразить так:

Давайте попробуем разобраться как это работает, рассмотрев простой пример. Для этого необходимо подключить светодиод к PWM-контакту через резистор номиналом 150 Ом и "зашить" в Arduino простенькую программу. Схема подключения и код скетча представлены ниже:

void setup()
{
pinMode(led,OUTPUT);
}

void loop()
{
for(int i=0; i<=255; i++)
{
analogWrite(led,i);
delay(10);
}
for(int i=255; i>=0; i--)
{
analogWrite(led,i);
delay(10);
}
}

Думаю, что в целом код понятен, но необходимо уделить немного внимания циклу for(). Существует такое понятие как разрешение. Поскольку мы работаем с 8-битным разрешением (это будет рассмотрено несколько позднее), то минимальному значению будет соответствовать 0, а максимальному - 255. В конце каждой итерации мы установили временную задержку в 10мс.

Давайте вернемся к схеме из предыдущего урока и попробуем сделать аналогичную гирлянду с использованием функции analogWrite().

int buttonPin = 2;
int pins = {3,5,6,9,10,11};

boolean lastButton = LOW;
boolean currentButton = LOW;
boolean enable = false;

void setup()
{
pinMode(buttonPin, INPUT);
for(int mode = 0; mode <= 5; mode++) pinMode(pins, OUTPUT);
}

boolean debounce(boolean last)
{
boolean current = digitalRead(buttonPin);
if(last != current)
{
delay(5);
current = digitalRead(buttonPin);
}
return current;
}

void loop()
{
currentButton = debounce(lastButton);
if(lastButton == LOW && currentButton == HIGH)
{
enable = !enable;
}

If(enable == true)
{
for (int i=0; i<=5; i++)
{
for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness++)
{
delay(1);
}
delay(40);
}
for (int i=0; i<=5; i++)
{
for (int brightness = 255; brightness >= 0; brightness--)
{
analogWrite(pins[i], brightness);
delay(1);
}
delay(40);
}
}

If(enable == false)
{
for(int i = 0; i <= 5; i++) digitalWrite(pins[i], LOW);
}

LastButton = currentButton;
}

Визуально скетч стал несколько сложнее. На самом деле здесь все просто и давайте в этом разберемся. Нам необходимо идентифицировать все подключенные светодиоды, но вместо привычного int led мы используем массив, каждый элемент которого является PWM-контактом на Arduino. В теле функции void setup() мы тоже поступили хитрым образом. "Перечислять" все контакты мы доверили циклу for(), с каждой итерацией которого производится конфигурация соответствующего контакта на OUTPUT. Переходим к функции void loop(). Функция debounce() и начальное условие if() остается без изменений. У нас по-прежнему идет проверка уровней двух переменных: предыдущее значение (изначально LOW) и текущее состояние кнопки. При выполнении этих условий значение переменной enable инвертируется. Учитывая это, мы добавили еще два простых условия if(). Если enable = true, то гирлянда включается, плавностью "перетекания" которой управляет цикл for(). Если же enable = false, то все светодиоды выключены. По окончанию условий переменная lastButton принимает текущее состояние кнопки.
Тестируя нашу программу, мы заметили, что все работает не должным образом. Помните, в прошлом уроке мы сделали поправку, что при большом значении временной задержки кнопка срабатывает по её истечению? В прошлом примере, при включенной гирлянде, суммарная задержка в теле функции void loop() составляла 85мс. Это давало нам возможность успеть "попасть" в определенной отрезок времени. В данном скетче, при том же условии, задержка отличается в несколько раз. Возможно, при желании выключить гирлянду напрашивается слово "прервать". Это и будет являться решением данной задачи!

Надеюсь, что эта статья была для Вас полезной. В следующем уроке мы рассмотрим прерывания в Arduino и добьемся должного результата.

Список деталей для эксперимента

Для дополнительного задания

еще 1 светодиод

еще 1 резистор номиналом 220 Ом

еще 2 провода

Принципиальная схема

Схема на макетке

Обратите внимание

Мы подключили «землю» светодиода и переменного резистора (потенциометра) к длинной рельсе «-» макетной платы, и уже ее соединили с входом GND микроконтроллера. Таким образом мы использовали меньше входов и от макетки к контроллеру тянется меньше проводов.

Подписи «+» и «-» на макетке не обязывают вас использовать их строго для питания, просто чаще всего они используются именно так и маркировка нам помогает

Не важно, какая из крайних ножек потенциометра будет подключена к 5 В, а какая к GND, поменяется только направление, в котором нужно крутить ручку для увеличения напряжения. Запомните, что сигнал мы считываем со средней ножки

Для считывания аналогового сигнала, принимающего широкий спектр значений, а не просто 0 или 1, как цифровой, подходят только порты, помеченные на плате как «ANALOG IN» и пронумерованные с префиксом A . Для Arduino Uno - это A0-A5.

Скетч

p030_pot_light.ino // даём разумные имена для пинов со светодиодом // и потенциометром (англ potentiometer или просто «pot») #define LED_PIN 9 #define POT_PIN A0 void setup() { // пин со светодиодом - выход, как и раньше... pinMode(LED_PIN, OUTPUT) ; // ...а вот пин с потенциометром должен быть входом // (англ. «input»): мы хотим считывать напряжение, // выдаваемое им pinMode(POT_PIN, INPUT) ; } void loop() { // заявляем, что далее мы будем использовать 2 переменные с // именами rotation и brightness, и что хранить в них будем // целые числа (англ. «integer», сокращённо просто «int») int rotation, brightness; // считываем в rotation напряжение с потенциометра: // микроконтроллер выдаст число от 0 до 1023 // пропорциональное углу поворота ручки rotation = analogRead(POT_PIN) ; // в brightness записываем полученное ранее значение rotation // делённое на 4. Поскольку в переменных мы пожелали хранить // целые значения, дробная часть от деления будет отброшена. // В итоге мы получим целое число от 0 до 255 brightness = rotation / 4 ; // выдаём результат на светодиод analogWrite(LED_PIN, brightness) ; }

Пояснения к коду

С помощью директивы #define мы сказали компилятору заменять идентификатор POT_PIN на A0 - номер аналогового входа. Вы можете встретить код, где обращение к аналоговому порту будет по номеру без индекса A . Такой код будет работать, но во избежание путаницы с цифровыми портами используйте индекс.

Переменным принято давать названия, начинающиеся со строчной буквы.

Чтобы использовать переменную, необходимо ее объявить, что мы и делаем инструкцией:

int rotation, brightness;

Переменные одного типа можно объявить в одной инструкции, перечислив их через запятую, что мы и сделали

Функция analogRead(pinA) возвращает целочисленное значение в диапазоне от 0 до 1023, пропорциональное напряжению, поданному на аналоговый вход, номер которого мы передаем функции в качестве параметра pinA

Обратите внимание, как мы получили значение, возвращенное функцией analogRead() : мы просто поместили его в переменную rotation с помощью оператора присваивания = , который записывает то, что находится справа от него в ту переменную, которая стоит слева

Вопросы для проверки себя

Можем ли мы при сборке схемы подключить светодиод и потенциометр напрямую к разным входам GND микроконтроллера?

В какую сторону нужно крутить переменный резистор для увеличения яркости светодиода?

Что будет, если стереть из программы строчку pinMode(LED_PIN, OUTPUT) ? строчку pinMode(POT_PIN, INPUT) ?

Зачем мы делим значение, полученное с аналогового входа перед тем, как задать яркость светодиода? что будет, если этого не сделать?

Потенциометр — это переменный резистор, который при повороте ручки изменяет свое сопротивление.

Что требуется для проекта:

• Arduino UNO или любой другой аналог
• Макетная плата
• Потенциометр
• Светодиод
• Резистор 220 Ом

Схема подключения на макетной плате.

Для того, чтобы регулировать яркость светодиода, подключим его к разъему, который поддерживает ШИМ, в нашем случае это цифровой пин 3. Разъемы VCC и GND потенциометра подключаем к рельсе питания и земли макетной платы. Разъем A0 подключаем к аналоговому пину A0.

После удачной сборки схемы загружаем данный скетч:

#define LED 3 #define POT A0 void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); //настройка пина в режим выхода pinMode(POT, INPUT); //настройка пина в режим входа } void loop() { //заявляем целочисленные переменные int turn, brightness; //считываем в turn напряжение потенциометра, его значения //будут варьироваться от 0 до 1023 turn = analogRead(POT); //в переменную brightness записываем значение turn, //деленное на 4. Будет принимать значения от 0 до 255 brightness = turn / 4; //включаем светодиод с яркостью, равной значению brightness analogWrite(LED, brightness); }

Теперь попробуем написать код для этой же схемы, но на чистом СИ в среде AtmelStudio 7. Выглядеть это будет так.

#include int main(void) { //Настроим нужные нам пины МК на входы и выходы. DDRC = 0<

Теперь попробуем разобраться с этими двумя примерами. Дело в том, что среда Arduino задумывалась для быстрого старта начинающим. Если надо помигать светодиодом или пощелкать реле, то это можно осуществить за считанные минуты. Среда Arduino полностью изолированна от железа микроконтроллера и поэтому в ней все осуществляется через функции, которые написаны разработчиками данного софта. Эти функции и их внутренности сокрыты в недрах программы. Обычному пользователю остается только вызывать нужные функции для настроек аппаратных узлов МК. Казалось бы это намного упрощает программирование. В принципе это так и есть. Поэтому среда и платы Arduino очень популярны среди начинающих любителей проектов на МК. Однако есть и минусы, например те, кто программируют Arduino, не могут запрограммировать микроконтроллеры, которые не поддерживает среда Arduino IDE. Например, запрограммировать любую модель МК Attiny AVR представляется уже невозможным. Да и другие модели Atmega, которых нет в платах Arduino, тоже остаются за бортом. В принципе если проекты не особо сложные, так побаловатся, то и среды Arduino достаточно. Если же надо что то большое и сложное, то тут конечно рулит чистый СИ. Но тогда придется разбираться в регистрах МК, в том как работают те или иные узлы МК. Надо читать документацию, изучить и понимать сам СИ. Однако если у вас уже есть опыт написание скетчей в среде Arduino, то со временем разобраться в СИ тоже будет возможно.

Теперь попробуем рассмотреть код на СИ и поймем что это не так страшно.

К примеру строка #include
подключает заголовочный файл в котором выбирается наш нужный МК. Среда AtmelStudio 7 делает это автоматически при создании нового проекта.

DDRC = 0<PORTC= 0<DDRD = 1< PORTD = 0<

Эти строки настраивают нужные нам выводы платы Arduino на вход или на выход. PC0 это то же что и А0 на плате, этот вывод надо настроить на вход, так как к ней подключаетя потенциометр. И с этого вывода будет считываться значение АЦП.

Регистром ADMUX и ADCSRA настраиваем сам узел АЦП в нужный нам режим. В частности настраиваем так что АЦП будет автоматически постоянно считывать значение с вывода А0 и сохранять это значение в регистре ADCH .

В МК есть аппаратные таймеры, это тоже такие узлы которые дают возможность работать с ШИМ выводами, например ШИМ вывод ~3 к которому подключен светодиод, принадлежит внутреннему Timer2 . В Atmega 328 есть еще Timer0 и Timer1 . Так вот с помощью регистров TCCR2A и TCCR2B , настроим наш Timer2 на режим FAST_PWM , это дает нам возможность работать с выводом ~3 платы Arduino. Ну и в главном цикле программы сразу передаем значение из АЦП в наш Timer2 . Делается это одной строчкой OCR2B=ADCH .

Вопрос только в том как залить в нашу ардуину код написанный на СИ в AtmelStudio? Сделать это можно с помощью прямо из среды AtmelStudio. Правда перед этим надо из платы ардуино этим же программатором считать и сохранить загрузчик. Иначе потом плата ардуино не сможет работать со средой Arduino. В любое время можно обратно программатором вернуть загрузчик на место.