Моей бабушке, которая каждый день поощряла меня и вдохновляла на добрые дела
Рис. 1.1. Компоненты платы Arduino Uno
1. Кнопка сброса
2. USB — разъем
3. Конвертер - последовательного и USB интерфейсов
4. Разъем для подключения внешнего источника питания 7-12 В
5. Цифровые контакты ввода-вывода
6. Светодиод, предназначенный для отладки
7. Контакты интерфейса ICSP для программирования микроконтроллера
8. Микроконтроллер ATmega 328
9. Входы аналого-цифрового преобразователя
10. Контакты питания и вспомогательные контакты
- 30 -
Большинство плат Arduino оснащено светодиодом отладки (Debug), подсоединенным к контакту 13, который позволит реализовать нашу первую программу (мигающий светодиод) без дополнительных компонентов.
Рис. 1.2. AVR программатор ISP MKII
Сразу после включения платы Arduino запускается загрузчик, который работает в течение нескольких секунд. Если за это время загрузчик получает команду программирования от IDE по последовательному интерфейсу UART, то он загружает программу в свободную область памяти микроконтроллера. Если такая команда не поступает, запускается последняя программа, находящаяся в памяти Arduino.
- 31 -
При подаче команды загрузки от IDE Arduino вспомогательный контроллер (ATmega 16U2 или 8U2 в случае Arduino Uno) сбрасывает основной микроконтроллер, подготавливая его к загрузке. Затем внешний компьютер начинает отправлять код программы, который микроконтроллер получает через соединение UART.
Загрузчики занимают в памяти довольно много места, потому что они реализуют простое программирование через USB без внешних аппаратных средств. Однако у них есть два основных недостатка: + они занимают место в памяти (приблизительно 2 Кбайт), которое могло бы пригодиться при написании программ; + при наличии загрузчика выполнение вашей программы всегда будет задерживаться на несколько секунд при начальной загрузке, поскольку загрузчик обрабатывает запрос на программирование.
Если у вас есть программатор (или другая плата Arduino, запрограммированная как программатор), то можно удалить загрузчик из своего контроллера ATmega и программировать его с помощью внешнего программатора.
Рис. 1.3. Плата Arduino Uno
На плате Leonardo (рис. 1.4) установлен контроллер 32U4 со встроенным интерфейсом USB. Это уменьшает стоимость изделия и дает возможность использовать плату в качестве USB-устройства, например как эмулятор джойстика или клавиатуры.
Вы узнаете, как работать с этими функциями, в главе 6.
На плате Arduino Mega 2560 (рис. 1.5) установлен контроллер ATmega 2560, имеющий 54 цифровых входа-выхода, что позволяет подключать еще больше устройств. У Arduino Mega 2560 увеличено число аналоговых входов и последовательных портов (четыре против одного у Arduino Uno).
В отличие от остальных плат Arduino, использующих 8-разрядные контроллеры AVR, плата Due (рис. 1.6) создана на базе 32-разрядного процессора Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 с тактовой частотой 84 МГц. Отличительные особенности платы: повышенная точность аналого-цифрового преобразователя, настраиваемая частота сигнала ШИМ, отдельные выводы цифроаналогового преобразователя, наличие встроенного последовательного порта.
Конструкция миниатюрной платы Arduino Nano (рис. 1. 7) такова, что ее можно установить в панельку для микросхем.
Плата Mega ADK (рис. 1.8) очень похожа на Arduino Mega 2560, но у Mega ADK есть дополнительная функциональность интерфейса USB, позволяющая ему соединяться с телефоном на базе Android.
Рис. 1.4. Плата Arduino Leonardo
Рис. 1.5. Плата Arduino Mega 2560
- 33 -
Рис. 1.6. Плата Arduino Due
Рис. 1.7 Плата Arduino Nano
- 34 -
Рис. 1.8. Плата Arduino Mega ADK
- 35 -
Уникальность платы Arduino LilyPad (рис. 1.9) в том, что она разработана как часть одежды. Ее можно вшить в ткань вместе с датчиками, светодиодами и т. п. Для программирования платы необходим кабель FTDI.
Рис. 1.9. Плата Arduino LilyPad
Как уже упоминалось во введении, Arduino - это открытая платформа. Поэтому в продаже можно найти десятки Arduino-совместимых устройств, которые будут работать с IDE Arduino и со всеми проектами, описанными в этой книге. Многие используют популярные платы Seeeduino, Adafruit 32U4, SparkFun Pro и миниплаты Arduino. Много сторонних плат разработано для конкретных приложений с дополнительной функциональностью, уже встроенной в плату. Например, ArduPilot - плата для автономного управления квадрокоптером (рис. 1.10).
Arduino-совместимые платы также применяются в качестве контроллера MakerBot и 3D-принтера.
Рис. 1.10. Квадрокоптер и контроллер ArduPilot Mega36
Рис. 1.11. Страница загрузки сайта Arduino.cc
После завершения загрузки разархивируйте загруженный файл. В папке вы найдете Arduino IDE. Новые версии IDE д л я Windows доступны в форме установщика, который инсталлирует программную среду Arduino автоматически.
- 37 -
Рис. 1.12. Соединение Arduino Uno с компьютером с помощью USB-кабеля
Если на вашем компьютере установлена операционная система OS Х, то при первом подключении появится сообщение о том, что было добавлено новое сетевое устройство. Нажмите кнопку Network Preferences (Системные настройки-> Сеть). В появившемся окне нажмите кнопку Apply (Подключить). Даже если будет выдано предупреждение Not Configured, устройство можно использовать. После этого выйдите из меню System Preferences (Системные настройки).
При подключении Arduino к компьютеру с операционной системой Windows, возможно, придется установить драйверы. При инсталляции Arduino IDE с помощью установщика для Windows драйверы загружаются автоматически. Если вы устанавливали IDE из zip-файла, то для инсталляции драйверов необходимо выполнить следующие шаги:
• дождитесь сообщения о неудачной попытке автоматической установки драйвера;
• нажмите кнопку Пуск и откройте Панель управления;
- 38 -
• перейдите на вкладку Система и безопасность (System and Security). Затем выберите раздел Система. Когда откроется окно Система, выберите опцию Диспетчер устройств (Device Manager);
• обратите внимание на порты (СОМ и LPT). Вы увидите открытый порт, в названии которого присутствует Arduino;
• щелкните правой кнопкой мыши и выберите опцию Обновить драйвер (Update Driver Software );
• щелкните мышью пункт Browse my computer for Driver software;
• для завершения установки найдите и выберите файл драйвера, расположенный в папке Drivers программного обеспечения для Arduino (но не в подкаталоге FTDI USB Drivers );
• в результате драйвер для Windows будет установлен.
Теперь запустите Arduino IDE. Все готово для загрузки первой программы на плату Arduino. Чтобы убедиться в этом, запустим программу Blink, которая будет мигать встроенным светодиодом. На большинстве плат Arduino есть светодиод, подключенный к цифровому контакту 13. Выполняем последовательность команд File -> Examples -> Basic и выбираем программу Blink. Откроется новое окно с кодом этой программы. Загрузим ее в плату Arduino в качестве примера, а затем проанализируем, чтобы понять, как писать собственные программы.
Прежде чем загружать программу в плату Arduino, необходимо указать тип платы и номер последовательного порта. Находим в меню опцию Tools -> Board (Сервис-> Плата) и выбираем из списка плату Arduino. В книге мы используем Arduino Uno, если у вас другая плата, выберите ее наименование.
Затем необходимо указать порт, к которому подсоединена плата. Переходим к опции Tools -> Serial Port (Сервис -> Последовательный порт) и выбираем последовательный порт. На компьютерах с Windows это будет СОМ*, где * - некоторое число, соответствующее номеру последовательного порта. На компьютерах с Linux и Мас порт обозначен как dev/tty.usbmodem* или /dev/tty.usbserial*, где* - строка алфавитно-цифровых символов.
Совет Если в списке присутствует несколько последовательных портов, и вы не можете определить, к какому из них подключена плата Arduino, отключите плату, чтобы увидеть, какой порт исчезнет из меню, это и есть порт подсоединения платы Arduino.
Теперь можно загрузить первую программу. Нажимаем кнопку Upload (Загрузить), расположенную в левом верхнем углу Arduino IDE. В строке состояния, находящейся внизу, отображается процесс компиляции и загрузки программы. После загрузки программы светодиод, подключенный к выводу 13 Arduino, должен мигать оранжевым цветом с частотой один раз в секунду. Поздравляем! Ваша первая программа работает успешно.
- 39 -
Рис. 1.13. Структура программы Blink
Цифрами на рис. 1.13 обозначено следующее:
1 - многострочный комментарий. Комментарии важны для пояснения кода программы. Все, что написано между этими символами, не будет обрабатываться компилятором. Многострочные комментарии начинаются с /* и заканчиваются */. Многострочные комментарии удобны, когда текст пояснения большой, например описание программы.
2 - однострочный комментарий. Если поместить // на любую строку, компилятор проигнорирует весь текст строки после этого символа. Однострочный комментарий обычно поясняет определенную строку кода.
- 40 -
3 - код объявления переменной. Переменная - это ячейка памяти, содержащая информацию. Существуют переменные различных типов. В нашем примере указана переменная типа int, что означает целое число. Целочисленной переменной led присвоено значение 13 - номер цифрового контакта, к которому подключен светодиод на плате Arduino. Всюду в остальной части программы можно использовать переменную led, когда мы хотим управлять контактом 13. Переменные в данном случае удобны, потому что при необходимости поменять контакт ввода-вывода достаточно изменить только одну строку, а остальная часть кода не изменится.
4 - функция setup(), одна из двух функций, которые должны быть включены в каждую программу Arduino. Функция - это фрагмент кода, выполняющий определенную задачу. Код в теле функции setup() выполняется один раз в начале программы. Это полезно для установки начальных параметров настройки, назначения режимов портов ввода-вывода, инициализации коммуникационных интерфейсов и т. д.
5 - цифровые контакты Arduino могут быть запрограммированы на ввод или вывод. Сконфигурировать их направление позволяет команда pinMode(), имеющая два параметра, указанных в круглых скобках. Первый параметр pinMode определяет номер контакта. Поскольку переменная led уже назначена ранее в программе, конфигурация задается для контакта 13. Второй параметр устанавливает направление контакта: INPUT (вход) или OUTPUT (выход). По умолчанию все контакты настроены на ввод. Чтобы сконфигурировать их на вывод, следует явно указать значение этого параметра OUTPUT. Поскольку нам нужно управлять светодиодом, контакт 13 должен быть выходом. Настройка конфигурации контакта сохраняется до тех пор, пока вы не измените его назначение на ввод.
6 - вторая обязательная функция во всех программах Arduino - loop(). Это оператор цикла.
7 - функция digitalWrite() устанавливает состояние выходного контакта: 5 или 0 В. Если светодиод подсоединен к контакту через резистор, то установка значения логической "1" позволит зажечь светодиод (вы узнаете больше об этом в следующей главе). Первый параметр функции digitalWrite() - номер контакта, которым требуется управлять. Второй параметр - значение, которое нужно задать: HIGH (5 В) или LOW (0 В). Контакт остается в этом состоянии, пока не будет изменен следующей командой digitalWrite().
8 - функция delay() имеет один аргумент - время задержки выполнения программы в миллисекундах. При вызове delay() Arduino останавливает выполнение программы на определенный интервал времени. В нашем примере задержка равна 1000 мс ( 1 с). Это приводит к свечению светодиода в течение одной секунды до выполнения следующей команды.
9- здесь вызвана функция digitalWrite(), чтобы выключить светодиод, устанавливая состояние контакта в LOW.
10 - снова делаем задержку на одну секунду, чтобы светодиод был погашен перед повторением цикла.
- 41 -
Вот и все. Не расстраивайтесь, если вы еще не полностью понимаете код программы. В следующих главах мы рассмотрим больше примеров, процесс выполнения программы станет понятнее, и вы сможете написать собственный код.
Резюме
В этой главе вы узнали о следующем:
• Из каких компонентов состоит плата Arduino.
• Как загрузчик Arduino позволяет запрограммировать плату Arduino через интерфейс USB.
• Каковы различия между основными платами Arduino.
• Как установить Arduino IDE и соединить плату Arduino с компьютером.
• Как загрузить и выполнить первую программу.
Рис. 2.1. Электрические соединения макетной платы
Рис. 2.2. Подключение светодиода к плате Arduino Uno
Рис. 2.3. Схема включения светодиода
Предположим, что LED 1 - стандартный светодиод с прямым током 20 мА и падением напряжения 2 В. Напряжение питания 5 В должно перераспределиться между светодиодом и резистором. Поскольку доля светодиода составляет 2 В, оставшиеся 3 В должны быть приложены к резистору. Зная максимальное значение прямого тока через светодиод (20 мА), можно найти номинал резистора:
R = U/I= 3/0,02 = 150 Ом.
Таким образом, при сопротивлении резистора 150 Ом через него и светодиод протекает ток 20 мА. По мере увеличения сопротивления ток будет уменьшаться.
Резистор 220 Ом обеспечивает достаточную яркость свечения светодиода, к тому же этот номинал очень распространен.
Еще одно важное соотношение - формула для расчета мощности, которая показывает, сколько ватт рассеивается на каждом компоненте. Увеличение мощности рас
- 47 -
сеивания связано с ростом тепловыделения прибора. Для каждого компонента, как правило, задается максимально допустимая мощность. Максимальная мощность резистора в нашем примере равна 0,125 Вт. Формула для расчета мощности выглядит следующим образом:
Р = U·I, где Р - мощность, Вт; U- напряжение, В; I - сила тока, А.
Для резистора из схемы на рис. 2.3 при падении напряжения 3 В и силе тока 20 мА мощность равна
Р = 3·0,02 = 0,06 Вт.
Поскольку 60 мВт< 0,125 Вт = 125 мВт, следовательно, данный резистор не перегреется.
Рис. 2.4. ШИМ-сигналы с различной скважностью
Функция analogWrite() устанавливает скважность последовательности прямоугольных импульсов в зависимости от значения, передаваемого ей:
• значение аргумента analogWrite(), равное нулю, задает скважность 0% (всегда LOW);
• значение 255 -скважность 100% (всегда HIGH);
• значение 127 соответствует скважности 50% (половина времени HIGH, половина времени LOW).
На графиках рис. 2.4 видно, что для сигнала со скважностью 25% значение HIGH действует в течение четверти периода, а остальные 75% времени установлено значение LOW. Частота прямоугольной последовательности импульсов в случае
- 52 -
с Arduino составляет приблизительно 490 Гц. Другими словами, уровень сигнала меняется от высокого (5 В) к низкому (0 В) приблизительно 490 раз каждую секунду.
Как видим, напряжение, подаваемое на светодиод, на самом деле не понижается, почему же при уменьшении скважности наблюдается спад яркости свечения светодиода? Это связано с особенностью нашего зрения. Если светодиод включается и выключается один раз за 1 мс (при скважности 50%), то вам кажется, что яркость свечения светодиода составляет приблизительно 50% от максимальной, потому что переключение происходит быстрее, чем глаза могут это зафиксировать. Ваш мозг фактически усредняет сигнал и создается впечатление, что светодиод работает на половине яркости.
Рис. 2.5. Подключение кнопки и светодиода к плате Arduino
Посмотрим, что происходит, когда кнопка не нажата, а входной контакт подключен через стягивающий резистор 10 кОм к земле. Через резистор протекает ток утечки и на входном контакте будет установлено значение напряжения LOW. 10 кОм - довольно распространенный номинал для стягивающего резистора. При нажатии на кнопку входной контакт оказывается напрямую связан с шиной 5 В. Теперь ток может течь двумя путями:
• через практически нулевое сопротивление нажатой кнопки к шине 5 В;
• через высокое сопротивление резистора на землю.
В соответствии с законом Ома ток всегда будет идти по пути наименьшего сопротивления. Большая часть тока будет протекать через замкнутую кнопку и на входе установится уровень HIGH.
ПРИМЕЧАНИЕ
В рассмотренном примере используется стягивающий резистор, но возможна установка и подтягивающего резистора, подключенного к шине 5 В, тогда кнопка должна быть соединена с землей. В таком случае на входном контакте будет значение HIGH при отпущенной кнопке и значение LOW, когда кнопка нажата.
- 54 -
Стягивающие и подтягивающие резисторы важны, потому что они гарантируют, что кнопка не создаст короткое замыкание между 5 В и землей при нажатии и что входной контакт не останется в "подвешенном" состоянии.
Теперь напишем программу для рассмотренной схемы. Светодиод должен гореть, пока кнопка нажата, и быть выключенным, когда кнопка отжата (листинг 2.4).
Листинг 2.4. Включение светодиода с помощью кнопки — led_button.ino
const int LED=9; // Контакт 9 для подключения светодиода
const int BUTTON=2; // Контакт 2 для подключения кнопки
Рис. 2.6. Эффект дребезга кнопок
Кнопка была физически нажата в течение 25 мс. Предположение, что состояние кнопки можно определить, считав значение с входа контакта (график слева) неверно. Кнопка фактически возвращается вверх-вниз, пока значение не установится (график справа). Теперь, зная, как ведет себя кнопка, можно написать программу для кнопки с дребезгом, которая фиксирует изменение состояния кнопки, некоторое время ждет и затем снова читает состояние переключателя. Алгоритм работы такой программы можно записать следующим образом:
1. Сохраняем предыдущее и текущее состояния кнопки (при инициализации LOW).
2. Считываем текущее состояние кнопки.
3. Если текущее состояние кнопки отличается от предыдущего, ждем 5 мс, потому что кнопка, возможно, изменит свое состояние.
4. Подождав 5 мс, считываем состояние кнопки и делаем его текущим состоянием кнопки.
5. Если предыдущее состояние кнопки было LOW, а текущее - HIGH, переключаем состояние светодиода.
- 56 -
6. Устанавливаем предыдущее состояние кнопки в качестве текущего.
7. Возвращаемся к шагу 2.
Данный алгоритм - прекрасный пример для изучения функций. Функция - это оператор, который может принимать входные аргументы, выполнять фрагмент кода с их использованием и, возможно, возвращать результат. Не зная этого, вы уже встречали функции в программах. Например, digitalWrite() - это функция, которая принимает в качестве аргументов номер контакта и значение ( HIGH или LOW), и устанавливает это значение на контакте. Чтобы упростить программу, можно определить свои собственные функции для инкапсуляции действий, которые придется повторять неоднократно.
Процесс выполнения программы представляет собой многократное повторение шагов. Напишем функцию для устранения дребезга контактов, которую можно вызывать неоднократно. Наша функция будет принимать предыдущее состояние кнопки в качестве входных данных, выполнять противодребезговую защиту и выводить установившееся состояние кнопки. Основной цикл программы переключает состояние светодиода при каждом нажатии кнопки. Загрузите код листинга 2.5 в плату Arduino и посмотрите, как он работает.
Листинг 2.5. Подавление дребезга кнопки — debounce.ino
const int LED=9; // Контакт 9 для подключения светодиода
const int BUTTON=2; // Контакт 2 для подключения кнопки
boolean lastButton = LOW;// Переменная для сохранения предыдущего
// состояния кнопки
boolean currentButton = LOW;// Переменная для сохранения текущего
// состояния кнопки
boolean ledOn = false;// Текущее состояние светодиода
//(включен/выключен)
Рис. 2.7. Монтажная схема ночника
Стягивающий резистор
- 62 -
Рис. 3.1. Аналоговые и цифровые сигналы
Компьютерная система никогда не может оперировать с бесконечным числом десятичных разрядов для аналогового значения, потому что объем памяти и производительность компьютера ограничены. Как же тогда соединить интерфейс цифрового контроллера Arduino с аналоговым реальным миром? Это делает аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует аналоговые значения в цифровые с заданной точностью.
Рис. 3.2. Трехразрядное аналого-цифровое преобразование
У трех.разрядного АЦП 3 бита разрешения, поскольку 23 = 8, следовательно, у него есть 8 уровней, от 0 до 7. Любому аналоговому значению, которое поступает на вход такого АЦП, на выходе соответствует код от 0 до 7. На рис. 3.2 показано, что уровни входного напряжения преобразуются в выходные дискретные цифровые коды, с которыми может оперировать микроконтроллер. Чем выше разрядность, тем больше уровней, которые доступны для представления каждого значения. Как упоминалось, у Arduino Uno АЦП имеет 1024 уровней, а не 8, как на рис. 3.2.
ПРИМЕЧАНИЕ
Если вы хотите узнать больше об использовании нестандартного (или внешнего) опорного напряжения, посетите страницу на официальном сайте Arduino
http://www.arduino.cc/en/Reference/AnalogReference.
- 67 -
Рис. 3.3. Подключение потенциометра
Рис. 3.4. Измерение напряжения с помощью мультиметра
- 69 -
Листинг 3.1. Программа чтения данных потенциометра - pot.ino
// Программа чтения данных с потенциометра
const int POT=0; // Аналоговый вход 0 для подключения потенциометра
int val = 0; // Переменная для хранения значения потенциометра
Рис. 3.5. Кнопка запуска монитора последовательного порта
Рис. 3.6. Вывод данных в последовательный порт
- 71 -
ПРИМЕЧАНИЕ
Если выводятся непонятные символы, убедитесь, что скорость передачи данных установлена правильно. В программе порт инициализирован на скорость 9600 бод, такое же значение необходимо установить в настройках монитора последовательного порта.
Итак, вы настроили получение аналоговых данных и смогли их изменять с помощью потенциометра, интересно, не правда ли? Но это только первый шаг. Далее вы узнаете об иных типах аналоговых датчиков и о том, как с их помощью управлять другим оборудованием. В этой главе будем снова управлять светодиодом, но в следующих главах рассмотрим двигатели и другие устройства.
Рис. 3.7. Зависимость выходного напряжения от температуры для различных датчиков
• Трехосевой аналоговый акселерометр. (Описание приведено на странице
http://www.exploringarduino.com/parts/TriAxis-Analog-Accelerometer.)
Трехосевые акселерометры предназначены для определения ориентации объекта. Аналоговые акселерометры выдают значения, соответствующие смещению объекта по каждой оси: Х, У и Z (для каждой оси разном контакте). С помощью тригонометрических преобразований и закона всемирного тяготения можно определить позицию объекта в трехмерном пространстве. Напряжение питания многих акселерометров равно 3,3 В, поэтому для получения правильных значений в программе нужно предусмотреть установку опорного напряжения analogReference(), а вывод питания акселерометра подсоединить к контакту 3,3 В платы Arduino.
• Двухосевой аналоговый гироскоп. (Описание датчика приведено на странице
http://www.exploringarduino.com/parts/DualAxis-Analog-Gyroscope.)
Гироскопы, в отличие от акселерометров, нечувствительны к силе тяжести. Напряжение на их аналоговом выходе изменяется в соответствии с угловым ускорением вокруг оси. Гироскопы особенно полезны для обнаружения поворота.
Посмотрите пример взаимодействия гироскопа с платой Arduino в моем проекте SudoGlove (http://www.jeremyblum.com/portfolio/sudoglove-hardware-controller/).
Перчатка-манипулятор, которую я разработал, распознает движения руки и способна управлять музыкальным синтезатором или радиоуправляемым автомобилем. Напряжение питания многих гироскопов составляет 3,3 В.
Если вы выбрали датчик, перейдем к примеру его использования.
- 73 -
Рис. 3.8. Схема подключения датчика температуры
- 74 -
Прежде всего, определите приемлемый для вас температурный диапазон. Используя программу из листинга 3.1, определите аналоговые значения для верхнего и нижнего порогов температуры. Для меня нижний порог комфортной температуры составляет 20°С, что соответствует аналоговому значению 143. У вас эта цифра может быть другой. Следите за показаниями в мониторе последовательного порта при наступлении нижнего и верхнего предела температуры. Эти значения можно получить из графика на рис. 3.7 или из формулы, связывающей температуру (в °С) с входным напряжением (в мВ):
Температура (°С)х10 = Напряжение (мВ)- 500.
Напряжение 700 мВ соответствует температуре 20°С. Расчет по формуле (или просто анализ показаний монитора последовательного порта) дает для 22°С цифровое значение 147, для 18°С- 139. Эти величины выберем для нижнего и верхнего значений комфортной температуры, чтобы изменять цвет светодиода. Функция analogRead() будет считывать показания датчика температуры, digitalWrite() устанавливать цвет светодиода.
Совет Рекомендую вам не копировать листинг 3.2, а попробовать написать текст программы самостоятельно, чтобы убедиться в своих силах. Сравните свой результат с приведенным далее.
Листинг 3.2. Программа температурного оповещателя - tempalert.ino
// Температурный оповещатель
// Контакт
const int BLED=9; // Контакт 9 для вывода BLUE RGB-светодиода
const int GLED=10; // Контакт 9 для вывода GREEN RGB-светодиода
const int RLED=11; // Контакт 9 для вывода RED RGB-светодиода
const int TEMP=0; // A0 для подключения датчика температуры
const int LOWER_BOUND=139; // Нижний порог
const int UPPER_BOUND=147; // Верхний порог
int val = 0; // Переменная для чтения аналогового значения
Рис. 3.9. Простой делитель напряжения
Рис. 3.10. Фоторезистор
Теперь предположим, что один из этих резисторов переменный, например фоторезистор (рис. 3.1 0). Сопротивление фоторезистора зависит от интенсивности падающего на него света. Я использовал фоторезистор с номинальным сопротивлением 200 кОм. В полной темноте его сопротивление около 200 кОм, при ярком свете оно падает почти до нуля. От того, какой резистор (R1 или R2) поменять на фоторезистор, и от номинала постоянного резистора будет зависеть масштаб и точность показаний. Попробуйте поэкспериментировать с различными конфигурациями и посмотрите через монитор последовательного порта, как меняются показания.
В качестве примера заменим R1 на фоторезистор, а R2 возьмем постоянным с номиналом 10 кОм (рис. 3.11 ). Для данного упражнения можно оставить на плате RGB-светодиод и подключить его как одноцветный.
Загрузите программу считывания аналоговых данных и выдачи результата в последовательный порт ( см. листинг 3.1) и поменяйте освещенность фоторезистора. Вы не сможете получить весь диапазон значений от 0 до 1023, потому что у фоторезистора никогда не будет нулевого сопротивления. В результате вы определите минимальное и максимальное значения напряжения на выходе. Эти данные потребуются, чтобы сделать "интеллектуальный" ночник, который будет светить более ярко в темном помещении, и наоборот. Выберите аналоговые значения для вашей комнаты, соответствующие темноте и максимальной освещенности. У меня это бы
- 77 -
ли значения 200 (темнота) и 900 (максимальное освещение). У вас могут быть другие цифры. Они зависят от условий освещения, значения резистора R2 и характеристик фоторезистора.
Рис. 3.11. Подключение фоторезистора
Рис. 4.1. Схема включения двигателя постоянного тока
- 86 -
U 1 - двигатель постоянного тока;
С 1 - конденсатор для фильтрации помех, вызванных работой двигателя;
Dl - диод для защиты блока питания от обратного напряжения.
Рис. 4.2. Биполярный n-p-n транзистор
Между коллектором и эмиттером течет большой ток, величина которого зависит от малого тока базы. Изменяя ток базы, мы можем регулировать ток через транзистор и менять скорость вращения двигателя. Напряжения 5 В, подаваемого на выход Arduino, достаточно для включения транзистора. Используя ШИМ, можно управлять скоростью вращения двигателя. Поскольку механические детали двигателя обладают инерцией, быстрое переключение транзистора под действием ШИМсигнала с разной скважностью приведет к плавной регулировке скорости вращения.
Рис. 4.3. Подключение двигателя постоянного тока
4.7. Управление скоростью вращения двигателя с помощью шимпрограмма для управления скоростью вращения двигателя (листинг 4.1) будет похожа на программу регулировки яркости светодиодов ночника из главы 3. Появление на выходе платы Arduino ШИМ-сигнала вызывает быстрый запуск и остановку двигателя с разным периодом, что эквивалентно изменению скорости вращения.
- 89 -
Листинг 4.1. Автоматическое управление скорость двигателя - motor.ino
// Пример управления скоростью вращения двигателя
Рис. 4.5. Схема работы Н-моста
Рис. 4.6. Цоколевка микросхемы SN754410
Нумерация контактов на микросхемах начинается с левого верхнего угла и идет против часовой стрелки. На корпусе всегда имеется метка у контакта 1 (полукруг, точка или что-то другое).
Соответствие состояний входов и выходов драйвера SN754410 иллюстрирует табл. 4.1 (условные обозначения в таблице: Н - высокий уровень; L - низкий уровень; Х -безразличное состояние; Z -высокоимпедансное состояние).
Таблица 4.1. Состояния входов и выходов драйвера SN754410
Рассмотрим назначение контактов микросхемы SN754410:
• GND (контакты 4, 5, 12, 13)-выводы для подключения к земляной шине монтажной платы;
• Vcc2 (контакт 8)-напряжение питания двигателя (подсоедините к 9 В);
• Vccl (контакт 16)-напряжение питания микросхемы (подсоедините к 5 В);
- 93 -
• 1У и 2У (контакты 3 и 6) - выходы для подключения первого двигателя;
• IA и 2А (контакты 2 и 7)- коммугация первого двигателя, эти выводы соединены с управляющими контактами Arduino;
1,2 EN (контакт 1)- включение и отключение левого драйвера. Данный вывод соединен с ШИМ-контактами на плате Arduino, что позволяет динамически регулировать скорость двигателей;
• ЗУ и 4У (контакты 11 и 14)- выходы для подключения второго двигателя;
• Батарея
• Н-мост
• Двигатель постоянного тока
Рис. 4.7. Схема подключения Н-моста
- 94 -
ЗА и 4A (контакты 10 и 15)- коммутация второго двигателя, эти выводы соединены с управляющими контактами Arduino;
• 3,4 EN (контакт 9) - вывод включения или отключения правого драйвера. Он соединен с ШИМ-контактами на Arduino, что позволяет динамически регулировать скорость двигателей.
Проверьте монтаж по рис. 4.7. Потенциометр подключим позже.
Прежде чем приступать к программированию, проверим работоспособность схемы.
Подключите один из входных контакто? (2 или 7) микросхемы H-моста к шине 5 В, другой к земле. Двигатель начнет вращаться. Поменяйте подключение контактов 2 и 7, двигатель будет вращаться в другую сторону.
ВНИМАНИЕ!
Во время переключения контактов отключите батарею, чтобы случайно не вызвать короткое замыкание моста.
Рис. 4.8. Принцип управления двигателем
При значениях сигнала от потенциометра в диапазоне от 462 до 562 ( 100 отсчетов в районе средней точки) вызывается функция break() для остановки двигателя, при значениях от 562 до 1023 - функция запуска двигателя в прямом направлении forward(), при значениях от 0 до 462 - функция запуска двигателя в обратном направлении reverse(). Функция map() знакома вам из предыдущей главы. При определении обратной скорости значение потенциометра 461 соответствует значение скорости 0, а значение потенциометра 0 соответствует значение скорости 255.
Функция map() инвертирует значения так, что на вход они подаются в обратном порядке. Объединив цикл loop() со вспомогательными функциями и начальной установкой setup(), получим полный код программы управления скоростью и направлением движения двигателя с помощью потенциометра (листинг 4.5).
Листинг 4.5. Программа управления двигателем с помощью потенциометра
!! Управление двигателем с помощью Н-моста
Рис. 4.9. Сервоприводы
Как и двигатели постоянного тока, серводвигатели требуют для работы ток больше, чем выдает встроенный источник питания Arduino. Хотя иногда удается запустить один-два сервопривода от блока питания платы Arduino. У серводвигателей, в отличие от двигателей постоянного тока, есть дополнительный сигнальный провод для установки угла поворота вала. Питание и земляной провод серводвигателя нужно подсоединить к источнику постоянного напряжения.
Сервоприводы управляются по сигнальной линии с помощью прямоугольных импульсов регулируемой длительности. Для стандартного сервопривода подача импульса длительностью 1 мс приводит к установке сервопривода в положение 0 °, импульс длительностью 2 мс устанавливает сервопривод в положение 180°, импульса 1,5 мс - 90 °. После того как импульс подан, вал сервопривода устанавливается в определенную позицию и остается там до поступления следующей команды.
Тем не менее, чтобы постоянно поддерживать точное положение вала сервопривода, необходимо отправлять сигнальные импульсы каждые 20 мс. Библиотека Arduino Servo, которую мы будем использовать для управления серводвигателями, позаботится об этом.
Чтобы лучше понять, как управлять серводвигателями, изучим графики, приведеые на рис. 4.10.
В примерах, изображенных на рис. 4.1 0, импульс подается каждые 20 мс. Длительность импульса возрастает от 1 до 2 мс, при этом угол поворота серводвигателя (показанный справа от графика импульсов) увеличивается от 0 до 180 °.
- 100 -
Рис. 4.10. Временные диаграммы управления серводвигателем
Как упоминалось ранее, для работы серводвигателя требуется ток, больший, чем выдает встроенный в Arduino блок питания. Однако большинство серводвигателей работает от напряжения 5 В, а не 9 или 12 В как двигатели постоянного тока. Несмотря на это, необходим отдельный блок питания серводвигателя.
Мы рассмотрим, как с помощью источника 9 В и стабилизатора напряжения получить напряжение 5 В для питания сервопривода. Интегральный стабилизатор напряжения - чрезвычайно простое устройство, у которого обычно три контакта:
• вход;
• выход;
• заземление.
Заземляющий вывод соединен как с землей входного, так и с землей выходного напряжения. Для работы стабилизатора входное напряжение должно быть выше, чем выходное, причем величина выходного напряжения фиксирована в зависимости от типа стабилизатора.
Падение напряжения приводит к нагреву, поэтому необходимо позаботиться о теплоотводе (например, алюминиевом радиаторе). Для наших экспериментов возьмем 5-вольтовый стабилизатор напряжения L4940V5, который способен выдавать ток до 1,5 А. Схема включения стабилизатора приведена на рис. 4.11.101
Рис. 4.11. Схема включения стабилизатора напряжения
Рис. 4.12. Схема подключения сервопривода
Потенциометр
- 102 -
Рис. 4.13. ИК-датчик расстояния, установленный на сервоприводе
Затем подключаем сервопривод к контакту 9 платы Arduino, для питания сервопривода используем стабилизатор напряжения на 5 В. ИК-датчик расстояния соединяем с аналоговым входом A0. Четыре светодиода подключаем к контактам 3, 5, 6, и 11 через резисторы номиналом 1 кОм. На плате Arduino Uno предусмотрено шесть выводов ШИМ, но контакты 9 и 10 нельзя задействовать для создания ШИМсигналов, потому что аппаратный таймер, обеспечивающий ШИМ, занят библиотекой Servo. При желании увеличить число светодиодов, необходимо взять плату Arduino Mega или реализовать собственное программное обеспечение для формирования ШИМ.
Монтаж компонентов выполняйте согласно рис. 4.13. Я использовал синие светодиоды, но вы можете выбрать светодиоды любого другого цвета. ИК-датчик расстояния присоедините к сервоприводу, как показано на рис. 4.13.
Последний шаг - программирование датчика. Алгоритм работы системы следующий:
1. Поворот вала сервопривода в одну из четырех позиций.
2. Измерение расстояния.
3. Преобразование его в значение, которое подходит для управления светодиодом.
4. Изменение яркости соответствующего светодиода.
- 105 -
Рис. 4.14. Схема подключения датчика расстояния
5. Выбор следующей позиции вала сервопривода.
6. Возврат к шагу 1.
Код программы приведен в листинге 4.7. Создайте в Arduino IDE новый проект, скопируйте этот код и загрузите его в плату Arduino.
Листинг 4.7. Программа ИК-датчика расстояния
// ИК-датчик расстояния
#include <Servo.h>
const int SERV0=9; // Вывод 9 для подключения сигнального провода сервопривода
const int IR=0;// Подключение ИК-датчика расстояния к аналоговому входу A0
const int LED1=3; // Вывод светодиода 1
const int LED2=5; // Вывод светодиода 2
const int LED3=6; // Вывод светодиода 3
const int LED4=11; // Вывод светодиода 4
// Создание объекта Servo
Servo myServo;
- 106 -
Рис. 5.1. Звуковые волны с различной частотой и амплитудой
Рис. 5.2. Устройство динамика
Аргументы tone():
• первый аргумент устанавливает номер контакта Arduino для генерации волны;
• второй аргумент задает частоту сигнала;
• третий (необязательный) аргумент определяет продолжительность звучания;
• если этот аргумент не установлен, звук продолжается до тех пор, пока не вызвана функция noTone().
Функция tone() взаимодействует с одним из аппаратных таймеров контроллера ATmega, поэтому ее можно вызвать и продолжать работать с Arduino, а звук будет играть в фоновом режиме.
В следующих разделах вы узнаете, как создавать произвольные звуковые последовательности. Вы можете подать звуковой сигнал функцией tone() в ответ на различные события (нажатие кнопок, получение определенных значений с датчиков расстояния, акселерометров и т. д.). В конце главы мы расскажем, как создать простое пятикнопочное пианино.
Рис. 5.3. Окно Arduino IDE с двумя вкладками заголовочных файлов
Перейдите на вкладку pitches.h, чтобы увидеть содержимое файла. Обратите внимание, что это всего лишь список операторов определений, которые задают соответствие названий нот и значений частот. Чтобы использовать эти определения при компиляции программы для Arduino, необходимо сообщить компилятору, где искать данный файл. Сделать это легко. Просто добавьте соответствующую строку кода в начало файла *.ino:
#include "pitches.h"
Для компилятора это, по существу, то же самое, что копирование и вставка содержимого файла заголовка в начало основного файла. Тем не менее, код становится аккуратнее и проще для чтения. В следующих разделах, при написании программ рекомендуем использовать данный заголовочный файл для определения высоты тона (частоты ноты).
Рис. 5.4. Схема включения динамика и регулятора громкости
Рис. 5.5. Монтажная схема подключения динамика
- 114 -
Так же, как и при подключении светодиодов, необходимо поставить токоограничивающий резистор последовательно с динамиком. В предыдущих главах упоминалось, что каждый вывод Arduino может выдать ток не более 40 мА. Внутреннее сопротивление нашего динамика равно 8 Ом (как и для большинства имеющихся в продаже динамиков). Это сопротивление обмоток провода, которые составляют электромагнит. Напомним, что закон Ома гласит U = I·R. Выходное напряжение для вывода Arduino 5 В и ток не должен превышать 40 мА. Отсюда определяем, что минимальное сопротивление должно быть R = 5 В/40 мА = 125 Ом. Поскольку сопротивление динамика 8 Ом, то минимальное сопротивление токоограничивающего резистора получается 125 - 8 = 117 Ом. Ближайший номинал резистора 150 Ом.
Регулируя сопротивление, можно изменять громкость динамика. Сделаем это проще, включив последовательно с резистором потенциометр (рис. 5.4). На схеме R1 -резистор 150 Ом, R2-потенциометр 10 кОм.
Обратите внимание, что, в отличие от предыдущих случаев, здесь подключены только два вывода потенциометра: средний идет на динамик, а один из крайних соединен последовательно с токоограничивающим резистором 150 Ом. При повороте ручки потенциометра сопротивление цепи увеличивается и громкость снижается.
Подключите динамик к плате Arduino в соответствии со схемой, изображенной на рис. 5.4, и проверьте правильность монтажа по рис. 5.5.
Полярность включения динамиков не имеет значения. Схема собрана, и можно приступать к написанию музыки.
рис. 5.6. Пианино
Листинг 5.3. Пианино
#define NOTE_C 262 //Hz
#define NOTE_D 294 //Hz
#define NOTE_E 330 //Hz
#define NOTE_G 392 //Hz
#define NOTE_A 440 //Hz
Рис. 6.1. Последовательный порт
Рис. 6.2. Плата Arduino Nano с чипом FTDI
Рис. 6.3. Кабель FTDI
Рис. 6.4. Плата адаптера FTDI Sparkfun
Далее перечислены платы Arduino со встроенным чипом FTDI. Большинство из них уже не выпускается, тем не менее, продается еще много клонов этих плат:
• Arduino Nano;
• Arduino Extreme;
• Arduino NG;
• Arduino Diecimila;
• Arduino Duemilanove;
• Arduino Mega ( original).
А вот список плат, рассчитанных на работу с внешним адаптером FTDI:
• Arduino Pro;
• Arduino Pro Mini;
- 122 -
Рис. 6.5. Чип 8U2 на плате Arduino Uno
Вот краткий перечень различий:
• в операционной системе Windows для плат с новым адаптером требуется специальный драйвер. Этот драйвер поставляется в комплекте с загруженной версией Arduino IDE (драйверы для операционных систем OS Х и Linux не нужны);
• использование второго микроконтроллера в качестве адаптера позволило при подключении передавать в компьютер идентификатор производителя и код продукта. Ранее при подключении платы Arduino к компьютеру она определялась
- 123 -
как последовательное устройство. Плата Arduino с адаптером 8U2 и 16U2 определяется компьютером как устройство Arduino;
вспомогательный микроконтроллер можно перепрограммировать ( он работает на прошивке LUF А, которая эмулирует конвертер USB), следовательно, есть возможность изменить прошивку, чтобы плата Arduino определялась, например, как джойстик, клавиатура или MIDI-устройство. При замене прошивки плату Arduino придется программировать через программатор, например AVR ISP MKII.
Вот список плат Arduino со вспомогательным микроконтроллером для преобразования USB в последовательный порт:
• Arduino Uno;
• Arduino Mega 2560;
• Arduino Mega ADK (на основе 2560);
• Arduino Due (эту плату можно запрограммировать непосредственно).
Рис. 6.6. Схема подключения потенциометра
Листинг 6.1. Тестовая программа ввода значений потенциомтре в последовательный порт - pot.ino
// Тестовая программа вывода значений потенциометра в последовательный порт
const int POT=0; // Подключение потенциометра к аналоговому входу A0
Рис. 6. 7. Скриншот терминала последовательного порта с данными в виде таблицы
| Формат | Код | Отображение данных |
| Decimal | Serial.println(23); | 23 |
| Hexadecimal | Serial.println(23,HEX); | 17 |
| Octal | Serial.println(23,0CT); | 27 |
| Binary | Serial.println(23,BIN); | 00010111 |
Рис. 6.8. Скриншот терминала последовательного порта с полем ввода текста и выбранной опцией конца строки в раскрывающемся меню
Во-первых, убедитесь, что в раскрывающемся списке выбран пункт Newline. Опция в выпадающем меню определяет, что добавляется к вашим командам при отправке их в Arduino. Примеры в следующих разделах предполагают, что вы выбрали пункт Newline, который только добавляет \n в конец ваших данных, посьшаемых из поля ввода текста в верхней части окна монитора последовательного порта.
- 129 -
В отличие от некоторых других терминальных программ, монитор последовательного порта Arduino IDE при нажатии клавиши <Enter> или кнопки Отправить посылает всю командную строку. Другие последовательные терминалы, например Putty (www.exploringarduino.com), посылают символы сразу после их ввода.
Рис. 6.9. Набор символов ASCII
торая извлекает из последовательного потока данных целые числа. Далее мы подробно рассмотрим описанные методы.
Отправка ОДИНОЧНЫХ символов для управления светодиодом
Начнем с написания программы, которая использует простое сравнение символов для управления состоянием светодиода. Вы будете отправлять символ "1 ", чтобы включить светодиод, и "0", чтобы выключить его. Соедините светодиод с контактом 9 платы Arduino, как показано на рис. 6.10.
Как мы уже говорили, при отправке одиночного символа необходимо выполнить простое символьное сравнение. Каждый раз, когда символ окажется в буфере, мы сравниваем его с «0» или «1» и выполняем нужные действия. Загрузите в Arduino код листинга 6.4 и поэкспериментируйте с отправкой нуля или единицы из последовательного терминала.
- 132 -
Рис. 6.10. Подсоединение светодиода к контакту 9 платы Arduino
Листинг 6.4. Управление светодиодом последовательной отправкой символов- single_char_control.ino
// Переключение состояния светодиода отправкой одиночного символа
const int LED=9;
char data;// Переменная для хранения получаемого символа
Рис. 6.11. Подключение RGB-светодиода к Arduino
- 135 -
Листинг 6.5. Последовательное управление RGB-светодиодом - list_control.ino
// Отправка многосимвольных значений
// Константы выводов RGB-светодиода
const int RED =11;
const int GREEN =10;
const int BLUE =9;
// Переменные значений выводов RGB
int rval = 0;
int gval = 0;
int bval = 0;
Рис. 6.12. Графический интерфейс Processing. Узнаете?
Скопируйте код из листинга 6.6 и загрузите его на плату Arduino. Arduino посылает обновленное значение от потенциометра в последовательный порт компьютера каждые 50 мс. Если отправлять данные быстрее, приложение на Processing не будет успевать их обрабатывать и буфер последовательного порта на вашем компьютере переполнится.
Рис. 6.13. Изменение цвета окна Processing-приложения
Теперь, когда вы видели результат, для лучшего понимания рассмотрим, как это работает. В отличие от Arduino, библиотека serial не импортируется автоматически. Объявив import processing. serial. * и Serial port, вы импортируете библиотеку serial и создаете объект serial под названием port.
Как и в Arduino, в Processing тоже есть функция setup(), которая работает только в начале программы. В этом примере функция setup() задает последовательный порт и создает окно размером 500x500 пикселов командой size (500, 500). Команда port = new Serial (this, "COM3", 9600) сообщает Processing о создании экземпляра последовательного порта. Экземпляр (под названием port) будет работать и общаться на COM3 (или другом последовательном порту) со скоростью 9600 бод.
Скорость обмена данными между платой Arduino и программой на компьютере должна быть задана одинаковой, в противном случае возникнут ошибки. Команда port.bufferuntil ( '\n') сообщает Processing-приложению о буферизации последовательного ввода до получения символа новой строки ('\n' ).
Вместо loop() в Processing есть другие специальные функции. В нашем примере использованы функции draw() и serialEvent(). Функция draw() похожа на loop() в Arduino, она работает непрерывно и обновляет экран. Функция background() задает цвет окна, имеет три аргумента для установки значений красного, зеленого и синего компонентов цвета. В нашем примере значение с потенциометра управляет интенсивностью синего компонента, а красный и зеленый установлены в нуль. При желании программу можно переделать, чтобы регулировать интенсивность других компонентов. Поскольку интенсивности RGB цветов являются 8-битовыми значениями от 0 до 255, значения потенциометра масштабируются функцией map() перед передачей.
Функция serialEvent() вызывается всякий раз, когда выполняется условие bufferuntil(), указанное в функции setup(). При каждом появлении символа пере
- 140 -
вода строки срабатывает функция serialEvent(). Передаваемые данные считываются в виде строки с помощью port. readStringUntil ( ' \n ' ). Строка представляет собой последовательность символов и ее необходимо преобразовать в число с плавающей точкой, вызвав функцию float(). Результат присваивается переменной brigthness, определяющей цвет фона окна приложения.
Чтобы остановить программу и закрыть последовательный порт, нажмите кнопку Стоп в окне Processing-приложения (это квадратик, расположенный рядом с кнопкой Выполнить).
ПРИМЕЧАНИЕ
SudoGlove - это перчатка-манипулятор для передачи команд на радиоуправляемый автомобиль и другую аппаратуру. Я разработал на Processing дисплей для графического отображения значений датчиков, удобный при отладке SudoGlove. Больше узнать об этом можно на www.sudoglove.com. Скачать исходный код приложения можно по адресу www.jeremyblum.com/2011/03/25/processing-based-sudoglove-visualdebugger/. Этот исходный код есть также на сайте издательства Wiley.
Рис. 6.14. Структура папки проекта
При запуске программы вы увидите всплывающее окно, показанное на рис. 6.15.
Укажите желаемый оттенок, и его значения RGB будут переданы в плату Arduino для управления цветом RGB-светодиода. Команды, отправляемые в Arduino, выводятся также в монитор последовательного порта, чтобы облегчить отладку приложения.
- 142 -
Рис. 6.15. Экран выбора цвета в Processing
Теперь посмотрим на код программы и проанализируем, как он работает. Как и раньше, импортируется библиотека serial и создается объект port. Создается также объект Pimage с именем img. Он будет формировать фоновое изображение.
В процедуре setup() инициализируется последовательный порт, создается окно в размер изображения, а само изображение импортируется в объект img вызовом функции img=LoadImage ( "hsv. jpg").
В функции draw() изображение загружается в окно командой image ( img, о, о) с двумя аргументами: Img - само изображение, а о, о - координаты для размещения изображения (верхний левый угол окна приложения).
При нажатии кнопки мыши вызывается функция mousePressed(). Цвет пиксела, где вы щелкнули мышью, сохраняется в объекте color с именем с. Метод get() сообщает приложению, откуда можно получить цвет (в данном случае из координат курсора мыши). Затем преобразуем значение в строку, состоящую из целых значений красного, зеленого и синего компонентов цвета. Эти значения также выводятся в монитор последовательного порта.
Включите плату Arduino и загрузите в нее код из листинга 6.5. Запустите Processing-приложение и настройте цвет светодиода, подключенного к Arduino, выбирая цвет из палитры.
- 143 -
Рис. 6.16. Схема подключения датчиков температуры и освещенности
кунду отправляет в компьютер данные, разделенные запятой. При этом загорается светодиодный индикатор. Поскольку Arduino постоянно опрашивает состояние кнопки, то задержку 1000 мс перед каждой отправкой данных формирует не функция delay(), а функция millis(), которая возвращает количество миллисекунд с последнего сброса платы Arduino. Вы можете посылать данные каждый раз, когда функция millis() выдает значение, кратное 1000 мс, фактически создавая задержку между посылками, равную 1 с. Это реализует оператор остатка деления по модулю (%). Если, например, вы выполните операцию 1000%1000, то результат будет равен нулю, т. к. 1000/1000 = 1 с нулевым остатком. 1500%1000 вернет 500, потому что 1500/1000= 1 с остатком 500. Выполняя деление по модулю millis() на 1000, по
- 145 -
лучим нулевой результат каждый раз, когда millis() выдает значение, кратное 1000, т. е. каждую секунду.
Изучите код листинга 6.9 и загрузите его на плату Arduino Leonardo. Убедитесь, что вы выбрали опцию Arduino Leonardo из меню Инструменты -> Board в Arduino IDE.
Листинг 6.9. Запись данных освещенности и температуры - csv_logger.ino
// Запись данных температуры и освещенности
Рис. 6.17. Схема мыши на основе джойстика и платы Leonardo
Листинг 6.11. Программа управления курсором мыши для Leonardo - mouse.ino
// Создаем мышь !
const int LEFT_BUTTON=4;//Вход для левой кнопки мыши
const int MIDDLE_BUTTON=3;//Вход ДЛЯ средней кнопки мыши
const int RIGHT_BUTTON =2;//Вход для правой кнопки мыши
const int X_AXIS=0;//Аналоговый вход для оси х джойстика
const int Y_AXIS=1;//Аналоговый вход для оси у джойстика
Рис. 7.1. Входы и выходы регистра сдвига
Восемь кругов схематично изображают светодиоды, соединенные с восемью выходами сдвигового регистра. Три входа - это линии для подключения сдвигового регистра к плате Arduino.
- 155 -
Рис. 7.2. Цоколевка микросхемы 74НС595
Рис. 7.3. Перемещение данных по сдвиговому регистру
- 158 -
Рис. 7.4. Подключение 8 светодиодов к сдвиговому регистру
Поскольку регистр сдвига фиксирует полученные данные, отправляем их только один раз в функции setup(). Полученные значения хранятся до следующего изменения. Эта программа выполняет те же шаги, что показаны на рис. 7.3. На выводе
- 160 -
LATCH устанавливается низкий уровень, восемь битов данных передаются функцией shiftOut() в ячейки, а затем на LATCH подается высокий уровень, чтобы вывести значения из ячеек на параллельные выходы регистра.
Как видим, нам удалось получить восемь цифровых выходов из трех портов ввода-вывода. Уже неплохо. Но что делать, если нужно еще больше? Это возможно! Последовательно подключая несколько сдвиговых регистров, теоретически можно добавить сотни цифровых выходов, задействуя только три контакта Arduino. Но в таком случае потребуется внешнее питание. Посмотрите на рис. 7.2, там есть неиспользованный контакт QH'. Когда значения смещаются по ячейкам, они на самом деле не отбрасываются, а поступают на вывод QH'. Подключив выход QH' к входу DA ТА другого сдвигового регистра, а также соединив выводы LATCH и CLOCK
обоих регистров, можно создать 16-разрядный регистр сдвига, который управляет 16 выводами. Добавляя все больше и больше регистров сдвига, каждый из которых подсоединен к предыдущему, вы получите сколь угодно много выводов из платы Arduino.
Можете попробовать подключить еще один регистр сдвига и дважды вызвать функцию shiftout() (за один раз функция shiftOut() может обрабатывать только 8 разрядов данных).
Рис. 7.5. Преобразование двоичного числа в десятичное
Двоичное значение каждого бита представляет собой увеличивающуюся степень числа 2. В нашем случае биты 7, 5, 3, 1 установлены в единицу. Таким образом, чтобы найти десятичный эквивалент, вы складываете 2 7, 2 5, 2 3 и i. Полученное десятичное значение равно 170. Можно доказать, что это эквивалентно, подставив десятичное значение в код из листинга 7.1.
Замените строку с shiftout() на следющую:
shiftOut(DATA, CLOCK, MSBFIRST, 170);
и убедитесь, что результат будет таким же, как и для двоичного представления.
-161 -
7.4. Создание световых эффектов с помощью СДВИГОВОГО регистра
В предыдущем примере мы создали с помощью регистра сдвига и светодиодов неподвижное изображение. Гораздо интереснее отображать динамичную информацию. В следующих примерах используем сдвиговые регистры для создания анимационных эффектов "бегущего всадника" и "гистограммы".
Рис. 7.7. Схема устройства, реализующего эффект "гистограммы расстояния"
Зная принцип действия аналогового датчика и регистра сдвига, вы в состоянии самостоятельно выбрать пороги расстояния и соответствующие им комбинации включенных и выключенных светодиодов (рис. 7.8).
Из главы 3 ясно, что диапазон используемых значений для ИК-датчика расстояния не должен превышать 10 бит (у меня максимальное значение оказалось равно 500, у вас оно возможно отличается). Лучше всего самостоятельно проверить дальность действия датчика и уточнить соответствующие значения. Все десятичные комбинации гистограммы хранятся в массиве из девяти элементов. Ограничиваем максимальное расстояние и приводим значения к диапазону от 0 до 8. Листинг 7.3 иллюстрирует программную реализацию эффекта гистограммы.
Листинг 7.3 Гистограмма отображения расстояния - bargraph.ino
// Гистограмма расстояния
const int SER=8;// Контакт для подключения вывода DATA
const int LATCH =9; // Контакт для подключения вывода LATCH
- 164 -
Рис. 8.1. Схема подключения устройств I2C
Рис. 8.2. Фрагмент технического описания датчика ТС74. расшифровка обозначения и варианты адресов I2C
Поскольку выпускаются датчики температуры с восьмью различными идентификационными номерами, к одной шине I2C можно подключить до восьми разных датчиков. Для написания программ для этих датчиков необходимо знать их ID, чтобы отправлять правильные команды.
В датчиках другого типа, например, AD7414 и AD7415 есть контакт (AS), который позволяет настроить адрес устройства I2C. Взгляните на данные датчика AD7414 из документации (рис. 8.3).
Датчик AD7414 выпускается в четырех вариантах исполнения, с контактом AS и без него. Адрес устройства, снабженного контактом AS, зависит от состояния этого контакта: отключен, подключен к питанию или земле.
Table 4. 1 1 С Address Selection
Рис. 8.3. Фрагмент технического описания датчика AD7414. цоколевка и варианты адресов I2C
- 173 -
Рис. 8.4. Схема подключения датчика температуры использовать А4 и AS как аналоговые входы нельзя, потому что они заняты обменом с устройствами I2C.
рис. 8.5. Протокол обмена датчика ТС74
в градусах Цельсия, во втором - информация о конфигурации чипа (включая режим ожидания и режим передачи данных). Это ясно из табл. 4.1 на рис. 8.6. Нет необходимости вникать в юоансы конфигурации, требуется только получить значение температуры от устройства. В табл. 4.3 и 4.4 на рис. 8.6 показано, как хранится информация о температуре внутри 8-разрядного регистра.
В секции Write Byte fonnat на рис. 8.5 показано, как прочитать значение температуры из ТС74:
• послать адрес устройства в режиме записи и выставить 0, чтобы указать, что нужно перейти в режим чтения из регистра данных;
• отправить на адрес устройства команду запроса (1 байт) на чтение информации от устройства;
• подождать прихода всех 8 битов информации о значении температуры.
Теперь становится понятно, как работать с подобными I2C-устройствами. Если вы еще не все уяснили, поищите в Интернете примеры программ подключения Arduino
- 176 -
Рис. 8.6. Страница из технического описания датчика ТС742
Рис. 8.7. Отправка данных из I2C-датчика температуры в последовательный порт
- 179 -
Рис. 8.8. I2C-датчик температуры с гистограммным индикатором на основе сдвигового регистра
- 180 -
Рис. 8.10. Отображение температуры на Processing
При изменении температуры датчика данные в окне Processing-приложения, а также светодиодная гистограмма должны обновиться.
ПРИМЕЧАНИЕ
Для просмотра демонстрационного видеофильма системы мониторинга температуры посетите страницу http:/lwww.exploringarduino.com/content/ch8. Этот видеофильм доступен также на сайте издательства Wiley.
- 185 -
Резюме
| No | Режим SPI | Полярность синхронизации | Фаза синхронизации |
| 1 | Mode O | LOW | По фронту синхросигнала |
| 2 | Mode 1 | LOW | По спаду синхросигнала |
| No | Режим SPI | Полярность синхронизации | Фаза синхронизации |
| 3 | Mode 2 | HIGH | По спаду синхросигнала |
| 4 | Mode 3 | HIGH | По фронту синхросигнала |
Рис. 9.1. Пример конфигурации SPI-устройств
- 189 -
| Линии SPI | Описание |
| MOSI | Линия для отправки последовательных данных от ведущего устройства к ведомому |
| MISO | Линия для отправки последовательных данных от ведомого устройства к ведущему |
| SCLK | Линия синхронизации последовательных данных |
| SS | Линия выбора ведомого устройства, активный уровень - низкий |
| Преимущества SPI | Преимущества I2C |
| Может работать на более высокой скорости | Для организации обмена требуется только две линии |
| Легче программируется | Имеет аппаратную поддержку Arduino |
| Не требует подтягивающих резисторов |
|
| Имеет аппаратную поддержку Arduino |
|
Рис. 9.2. Цоколевка микросхемы МСР4231
При подготовке к работе с новым устройством необходимо сначала разобраться с назначением контактов. Вот назначение выводов МСР4231:
• РОА, POW и РОВ -выводы первого потенциометра;
• PIA, PIW и PIB-выводы второго потенциометра;
• VDD -вывод питания микросхемы 5 В;
• VSS -вывод подключения к земле;
• CS-контакт SS для интерфейса SPI, черта сверху означает, что активный уровень низкий (0 В -чип выбран, 5 В -не выбран);
• SDI и SDO - контакты последовательного ввода и вывода данных ( соответствуют MOSI и MISO);
• SCK -линия синхронизации SPI;
• SHDN и WP -контакты для выключения и защиты от записи, соответственно.
Для МСР4231 контакт WP не задействован и его можно игнорировать. Активный уровень на контакте SHDN низкий, как и на выводе CS. При низком уровне средний вывод потенциометра отключен. Чтобы потенциометр был всегда включен, необходимо соединить контакт SHDN непосредственно с шиной 5 В.
Далее необходимо узнать полное сопротивление потенциометра и сопротивление среднего вывода. Подобно обычному потенциометру, сопротивление между клеммами А и В в цифровом тоже постоянно. Средний вывод также имеет собственное
- 192 -
сопротивление, и это нужно принимать во внимание. Обратимся к пятой странице технического описания (рис. 9.3).
Прежде всего, выясним полное сопротивление потенциометра, обозначаемое R д в,
Доступны четыре варианта этого чипа, каждый с разным значением сопротивления (от 5 до 100 кОм). Далее используем вариант 103, сопротивление которого составляет примерно 10 кОм. Важно отметить, что цифровые потенциометры, как правило, имеют довольно большой разброс (из рис. 9.3 видно, что фактическое сопротивление может изменяться на ±20% ). Также следует отметить, что собственное сопротивление среднего вывода потенциометра составляет от 75 до 160 Ом. Это сопротивление нужно учитывать, особенно при управлении динамиком или светодиодом.
AC/DC CHARACTERISTICS (CONTINUED)
Рис. 9.3. Фрагмент технического описания микросхемы МСР4231
Далее разберемся с командами для управления цифровым потенциометром. На МСР4231 необходимо отправить две команды. Первая определяет выбор нужного потенциометра, вторая устанавливает текущее значение сопротивления выбранного потенциометра. Формат команд приведен на рис. 9.4.
Из рис. 9.4 ясно, что существуют два вида команд: 8-разрядные и 16-разрядные.
Первая команда позволяет увеличить сопротивление потенциометра, вторая установить произвольное значение сопротивления. Рассмотрим 16-битовую команду, обеспечивающую большую гибкость. По шине данных передается адрес ячейки памяти, код команды ( чтение, запись, приращение или уменьшение) и значение данных.
Рис. 9.4. Формат команд МСР4231
В техническом описании приведены адреса регистров, связанных с каждым потенциометром. Регистр первого потенциометра расположен в ячейке памяти по адресу 0, второго - по адресу 1. Зная это, можно отправить необходимые команды на установку значений для каждого потенциометра. Чтобы задать значение для первого потенциометра, первый байт будет содержать В00000000, а второй - величину сопротивления (0-128). Чтобы установить значение для второго потенциометра, первый байт будет равен B000 10000, а второй - величине сопротивления. Как видно из рис. 9.4, первые 4 бита первого байта- это адрес регистра памяти, следующие 2 бита- код команды (00 - для записи), следующие 2 бита - это старшие биты величины сопротивления (должны быть равны нулю, потому что максимальное значение для этого потенциометра составляет 128).
Вот и все, что нужно знать для взаимодействия цифрового потенциометра с платой Arduino. Теперь подключим его, чтобы управлять яркостью светодиодов.
Рис. 9.5. Схема подключения светодиода к потенциометру
Рис. 9.6. Схема подключения цифровых потенциометров
- 195 -
Теперь, учитывая цоколевку, подсоединяем цифровые потенциометры к шине SPI.
На плате Arduino Uno контакт 13 - это SCK, контакт 12 - MISO, контакт 11 MOSI. Контакт 10 будем использовать как SS для одного чипа, а контакт 9 - как SS для другого чипа. Схема подключения приведена на рис. 9.6. Помните, что каждую из микросхем нужно подключить к своей линии SCK, MISO и MOSI.
Еще раз проверьте, что все правильно подключено, и перейдем к написанию программы управления яркостью светодиодов.
Рис. 9.7. Схема управления светодиодами и громкостью динамика
Можете также поэкспериментировать с подключением аналоговых датчиков, чтобы световой и звуковой эффект зависел от освещения, движения и др.
Рис. 10.1. ЖК-дисплей с припаянными штыревыми контактами
Таблица 10.1. Контакты параллельного ЖК-дисплея
Рис. 10.2. Подключение ЖК-дисплея к макетной плате и Arduino
- 206 -
Таблица 10.2. Таблица соединения контактов
| Контакты ЖК-дисплея | Контакты Arduino |
| RS | D2 |
| EN | D3 |
| D4 | D4 |
| D5 | D5 |
| D6 | D6 |
| D7 | D7 |
Рис. 10.3. Схема регулятора температуры с ЖК-дисплеем
- 213 -
Рис. 10.4. Отображение данных на ЖК-дисплее
Знак градуса, символы включенного и выключенного вентилятора не входят в стандартный набор символов. Следовательно, в начале программы нужно сформировать соответствующие массивы, как показано в листинге 10.3.
Листинг 10.3. Массивы, опредеяющие пользовательские символы
// Пользовательский символ градуса
byte degree[8] = {
В00110,
В01001,
В01001,
В00110,
B00000, B00000, B00000, B00000,
};
// Символ "вентилятор включен"
byte fan_on[8] = {
В00100,
B10101,
В01110,
B11111,
В01110,
- 214 -
B10101,
B00100,
B00000,
};
// Символ "вентилятор выключен"
byte fan_off[8] = {
B00100,
B00100,
B00100,
B11111,
B00100,
B00100,
B00100,
B00000,
};
Вывод данных на экран ЖК-дисплея будет осуществлен в функции setup(). Размещаем курсор в нужной позиции и с помощью библиотечных функций print() и write() выводим надписи на экран (листинг 10.4).
Листинг 10.4. Вывод иформации на экран ЖК-дисплея
// Создаем пользовательские символы
lcd.createChar(0, degree);
lcd.createChar(1, fan_off);
lcd.createChar(2, fan_on);
// Отображаем статические надписи на экране ЖК-дисплея
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Current:");
lcd.setCursor(10,0);
lcd.write ( (byte) 0);
lcd.setCursor(11,0);
lcd.print("C");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("Set:");
lcd.setCursor(10,1);
lcd.write ( (byte) 0);
lcd.setCursor(11,1);
lcd.print("C");
lcd.setCursor(15,1);
lcd.write(1);
В каждом цикле loop() обновляем текущее значение температуры и состояние значка включения вентилятора. Перед этим помещаем в нужное место курсор.
- 215 -
Рис. 11.1. PAN-конфигурации
Рис. 11.2. Модули ХВее Series 1
ПРИМЕЧАНИЕ
Следует помнить, что ХВее модули серий 1 и 2 несовместимы друг с другом. Для начинающих я рекомендую модули серии 1, т. к. они намного проще в настройке.
Есть различия и внутри каждой серии. Для большинства модулей выпускаются модификации Pro и non-Pro, они полностью совместимы, но габариты, стоимость, энергопотребление и дальность действия первых больше (примерно 1 миля для Pro и 300 футов для non-Pro[14]). Я рекомендую начинать с более дешевой версии модулей и переходить на Pro, если вам понадобится большая дальность.
Кроме того, существуют модули ХВее для частот 2,4 ГГц и 900 МГц. Частота 900 МГц дает выигрыш в дальности действия, такой сигнал лучше проникает сквозь строительные конструкции, но она разрешена не во всех странах. Модули, работающие на частотах 2,4 ГГц и 900 МГц, несовместимы друг с другом.
Рис. 11.3. Фрагмент технического описания модуля ХВее Series 1. маркировка и назначение контактов
ВНИМАНИЕ!
Для питания модуля ХВее необходимо напряжение 3,3 В, при подаче питания 5 В модуль выйдет из строя.
- 226 -
Рис. 11.4. Внешний вид различных плат расширения для подключения модулей ХВее
Рис. 11.5. Возможность возникновения коллизий в линиях UART
Обратите внимание на надпись "Коллизии" на рис. 11.5. Подумайте, что произойдет, если модуль ХВее и ваш компьютер будут одновременно передавать данные на плату Arduino. Как Arduino узнать, откуда приходят данные? Если данные будут передаваться одновременно, произойдет так называемая коллизия, и информация исказится. Значит, плата Arduino не сможет одновременно общаться с компьютером и модулем ХВее по последовательному порту. Решить эту проблему можно двумя способами:
• отсоединять переходник ХВее при программировании платы Arduino;
• установить на переходнике ХВее перемычку или переключатель для подключения к плате Arduino.
Теперь при необходимости запрограммировать плату Arduino нужно либо отсоединить переходник ХВее, либо установить в требуемое положение переключатель (перемычку).
Программная или аппаратная реализация UART
Для соединения платы Arduino с модулями ХВее служит аппаратный UART-интерфейс (контакты 0 и 1 на плате Arduino). Эти выводы также используются для
- 228 -
подключения к компьютеру по USB. Большинство переходников также осуществляет соединение между ХВее и платой Arduino через аппаратный последовательный порт. Можно не отсоединять переходник ХВее при программировании платы Arduino, если воспользоваться библиотекой SoftwareSerial. Эта библиотека позволяет определить два произвольных цифровых контакта платы Arduino в качестве выводов Rx и Тх при соединении с переходником ХВее-. Но на переходнике ХВее обязательно должен быть переключатель для выбора контактов платы Arduino в качестве Rx и Тх. На переходнике Sparkfun ХВее установлен такой переключатель, коммутирующий контакты 2 и 3 платы Arduino в качестве линий Rx и Тх. Если на вашем переходнике есть такой переключатель, можно организовать взаимодействие с радиомодулями ХВее с помощью библиотеки SoftwareSerial.
Рис. 11.6. Адаптер SparkFun ХВее USB Explorer
- 229 -
Первый вариант программирования (не рекомендуется)
Я не рекомендую программировать модули ХВее с помощью платы Arduino Uno, т. к. при неосторожности можно повредить плату. Если вы все же хотите запрограммировать модули ХВее с использованием платы Arduino, то возникнет проблема коллизии данных, которую мы упоминали ранее. Чтобы предотвратить коллизии, следует удалить с платы микросхему процессора ATmega, присоединить модуль к плате через переходник ХВее и подключить Arduino к компьютеру USB-кабелем. После этого все команды с компьютера будут приходить на ХВее.
ПРИМЕЧАНИЕ
Удалить можно только микросхему, вставленную в панельку. Изъять процессор с платы Uno SMD или другой с припаянным чипом ATmega невозможно.
Второй вариант программирования (рекомендуется)
Использовать SparkFun USB ХВее Explorer очень просто: вставьте ХВее-модуль в гнездо на адаптере, подключите SparkFun USB ХВее Explorer к компьютеру с помощью USB-кабеля, и можно программировать. Адаптер SparkFun USB ХВее Explorer реализует USB-интерфейс с помощью тех же контроллеров FTDI, что и последние платы Arduino. Далее в этой главе применим адаптер для установки беспроводной связи между компьютером и Arduino с подключенным модулем ХВее.
Рис. 11.7. Параметры настройки сети ХВее с конфигурацией "точка-точка"
- 230 -
BD ( скорость передачи данных) -скорость обмена данными для модулей ХВее.
Мы будем использовать значение по умолчанию (9600 бод).
Обратите внимание, что значения параметров МУ и DL для каждого модуля ХВее меняются местами, т. к. собственный адрес одного модуля является адресом назначения для другого, и наоборот. Идентификатор сети PAN в наших примерах равен
1234, но можно выбрать другое четырехзначное шестнадцатеричное число. По умолчанию параметр BD равен 3. Значения скорости передачи в бодах связаны со значением параметра BD следующим образом:
• 0-1200 бод;
• 1 -2400 бод;
• 2 -4800 бод;
• 3 -9600 бод (по умолчанию);
• 4 -19 200 бод;
• 5-38 400 бод;
• 6 -57 600 бод;
• 7 -115 200 бод.
Подключите модуль ХВее к компьютеру с помощью одного из двух методов, описанных ранее. Далее следует определить последовательный порт, к которому подключен модуль. Способ определения порта был описан в главе 1. Запомните, к какому последовательному порту подключен модуль.
Рис. 11.8. Главное окно программы X-CTU
Рис. 11.9. Окно X-CTU - подтверждение запроса
- 232 -
Рис. 11.10. Окно X-CTU- конфигурация модема
4. Теперь установите значения PAN ID, адрес источника, адреса отправителя и получателя. Можно задать множество других опций конфигурации, но мы в этой книге ограничиваемся только четырьмя перечисленными параметрами. Чтобы изменить значение настройки, просто щелкните по ней мышью. У становите следующие значения: ID-1234; DL - 1001; МУ - 1000.
5. Нажмите кнопку Write в верхней части окна, чтобы записать эти значения в ХВее-модуль. Измененные параметры будут выделены синим цветом (рис. 11.11).
Вы настроили свой первый модуль ХВее! Теперь аккуратно извлеките один модуль из адаптера ХВее Explorer и установите другой. Выполните описанные действия со вторым модулем ХВее, поменяв значения параметров DL и МУ, чтобы модули могли обмениваться данными между собой. На рис. 11.12 показана конфигурация для второго ХВее-модуля.
- 233 -
Рис. 11.11. Запись настроек в модуль ХВее
Рис. 11.12. Настройки для второго модуля ХВее
- 234 -
Рис. 11.13. Сетевой 5-вольтовый USB-адаптер
рис. 11.14. Батарея 9 В
- 237 -
4,5 В. Можно рассчитывать, что плата будет работать и при напряжении 4,5 В, что приемлемо для платы на базе ATMega, хотя и ниже напряжения при питании от USB.
Рис. 11.15. Разъем сетевого адаптера с плюсовым центральным контактом
Рис. 11.16. Схема соединения платой Arduino с потенциометром и переходником ХВее
- 240 -
Рис. 11.17. Данные, переданные по беспроводному каналу в монитор последовательного порта
При запуске программы она должна работать так же, как это было при подсоединении платы Arduino непосредственно к компьютеру. Теперь вы можете ходить вокруг дома и офиса (если питаете Arduino от батареи) и менять цвет на экране компьютера.
Рис. 11.18. Соединение Arduino и RGB-светодиода
Рис. 11.19. Структура системы беспроводного звонка
Рис. 11.20. Схема подключения передатчика беспроводного дверного замка
- 245 -
предусмотрены отдельные процессоры. Чтобы продемонстрировать эти различия, я выбрал для передатчика плату Leonardo. Схема для любой платы одна и та же.
Программные различия рассмотрим далее.
Поскольку передатчик будет удален от компьютера, выберите один из описанных ранее вариантов автономного питания платы. В демонстрационном видеоуроке я питал плату Arduino от 9-вольтовой батареи. Возможно, вы захотите использовать сетевой адаптер.
Совет
Чтобы посетителям было удобно, рекомендую взять большую кнопку звонка, протянув провода через стену к плате Arduino.
Рис. 11.21. Схема подключения приемника беспроводного дверного замка
- 246 -
Теперь необходимо выбрать тип платы Arduino и способ питания приемника. Я использовал плату Uno, подключенную к сетевому USB-адаптеру. Подойдет также батарея или USB-кабель, соединенный с компьютером. Функциональность приемника можно расширить, добавив светодиоды или компьютерное Processing-приложение.
Рис. 12.1. Влияние внешнего прерывания на ход выполнения программы
| Плата | INTO | INT1 | INT2 | INT3 | INT4 | INT5 |
| UNO, Ethernet | Pin2 | Pin3 | - | - | - | - |
| Mega2560 | Pin2 | Pin3 | Pin21 | Pin20 | Pin19 | Pin18 |
| Leonardo | Pin3 | Pin2 | Pin0 | Pin1 | - | - |
Рис. 12.2. Дребезг при нажатии обычной кнопки
Рис. 12.3. Схема устранения дребезга с помощью RC-цепочки
- 259 -
Резистор R2, включенный последовательно с кнопкой, уменьшает ток заряда и разряда конденсатора. Слишком большой ток может повредить кнопку. Добавление резистора 100 Ом увеличивает время разряда и обеспечивает безопасность компонентов. Но в результате спад импульса приобретает вид, изображенный на рис. 12.4.
Погашение дребезга с помощью RC-контура
Рис. 12.4. Сигнал на выходе RC-цепочки, устраняющей дребезг
Благодаря RC-цепочке дребезг исчез, но перепад напряжения на выводе Arduino приобрел экспоненциальную форму. При опросе контакта прерывание происходит при переходе от низкого уровня к высокому и от высокого к низкому с определеой скоростью. Из-за сглаживания, вызванного конденсатором, момент прерывания определяется неточно. Крутизну спада сигнала можно увеличить с помощью триггера Шмитта. Интегральные схемы с триггером Шмитта обеспечивают резкий перепад сигнала на выходе, при превышении входным сигналом определенного порога. Выходной сигнал с триггера Шмитта можно непосредственно подавать на контакт Arduino. В этой главе мы используем инвертирующий триггер Шмитта на микросхеме 74НС14. В корпусе этой микросхемы находятся шесть отдельных инвертирующих триггеров Шмитта, в наших примерах понадобится только один.
Цоколевка микросхемы приведена на рис. 12.5.
Подсоединим выход RC-цепочки к входу триггера Шмитта, а сигнал с его выхода подадим на контакт платы Arduino (рис.-12.6).
Поскольку выход триггера инверсный, то и сигнал будет перевернут. При нажатии кнопки уровень на входе Arduino будет высокий. При написании программы необходимо помнить об этом. Окончательный вид выходного сигнала изображен на рис. 12.7, как видим, сигнал чистый, без дребезга. Такой сигнал вполне подходит для формирования аппаратного прерывания.
- 260 -
Рис. 12.5. Цоколевка микросхемы 74НС14
Рис. 12.6. Окончательный вариант схемы подавления дребезга
Погашение дребезга с помощью RC-контура и триггера Шмитта
Рис. 12.7. Сигнал на выходе схемы подавления дребезга с триггером Шмипа
Рис. 12.8. Схема устройства подавления дребезга
- 262 -
Рис. 12.9. Графическая схема музыкального аппарата
// Базовые частоты для нот
#define NOTE_C 65
#define NOTE_D 73
#define NOTE_E 82
#define NOTE_F 87
#define NOTE_G 98
#define NOTE_A 110
#define NOTE_B 123
// Переменные volatile для изменения при обработке прерываний
volatile int key = NOTE_C;
volatile int octave_multiplier = 1;
Рис. 13.1. SD-карта в окне Computer
тома (я выбрал LOG, но вы можете выбрать любую). На рис. 13.3 изображена конфигурация форматирования для карты 2 Гбайт.
4. Нажмите кнопку Start, чтобы отформатировать карту памяти.
На компьютерах с ОС Mac процесс также прост:
1. Используйте команду Finder, чтобы найти и открыть приложение Disk Utility.
2. Нажмите на вкладку SDcard в левой панели и откройте вкладку Erase. Выберите пункт MS-DOS (FAT) для формата.
3. Нажмите кнопку Erase. Система отформатирует карту как FАТ16, независимо от ее емкости (в Mac нельзя отформатировать карту как FAT32).
В Linux можно отформатировать SD-карту из терминала. Большинство дистрибутивов Linux будет монтировать карту автоматически при ее вставке:
1. Вставьте карту, откроется всплывающее окно, отображающее карту.
2. Откройте терминал и введите команду df, чтобы получить список смонтироваых устройств. Результат должен выглядеть так, как на рис. 13.4.
Последняя запись должна относиться к SD-карте. На моей системе она была смонтирована как /ctev /mmcblkOp1, но у вас может отличаться.
- 274 -
Рис. 13.2. Выбор опции форматирования SD-карты
Рис. 13.3. Окно опций форматирования
- 275 -
Рис. 13.4. Список смонтированных устройств
3. Прежде чем форматировать SD-карту, необходимо ее отмонтировать с помощью команды umount. Аргументом команды будет название вашей SD-карты (рис. 13.5).
Рис. 13.5. Отмонтирование SD-карты в Linux
4. Форматируем SD-карту с помощью команды mkdosfs. Возможно, вам придется выполнить команду с правами привилегированного пользователя ( с помощью команды sudo). Используем флаг -F, чтобы указать файловую систему FAT. Вы можете включить опции 16 или 32, чтобы выбрать FAT16 или FAT32. Отформа-
- 276 -
тировать карту, которая была смонтирована как /dev/mmcblkOp1, можно командой sudo mkdosfs -F 16 /dev/mmcblkOp1 (рис. 13.6).
Ваша SD-карта отформатирована и готова к работе! Приступаем к взаимодействию с SD-картой через плату SD card shield.
Рис. 13.6. Форматирование SD-карты в Linux
Рис. 13.7. Плата расширения Cooking Hacks Micro SD shield
• Official Arduino Wireless SD shield (http://www.exploringarduino.com/parts/arduino-wireless-shield) (рис. 13.8)- это первая из нескольких "официальных" плат расширения Arduino с поддержкой SD-карт. Переходник содержит схему для подключения радиомодуля ХВее и SD-карты памяти, что позволяет легко объединить примеры из настоящий главы и из главы 11. На этой плате расширения вход выбора SD-карты (CS) подключается к контакту 4 Arduino. Вы должны назначить контакт 10 как выход, а также указать в библиотеке, что контакт 4 подключен к CS.
• Official Arduino Ethernet SD shield (http://www.exploringarduino.com/parts/arduino-ethernet-shield) (рис. 13.9) позволяет подключить плату Arduino к проводной сети. Переходник также реализует интерфейс SD-карты, хотя в основном он служит для хранения файлов, которые будут доступны через сеть. Оба контроллера (Ethernet и SD-карты) на этом переходнике являются SPI-устрой
- 278 -
Рис. 13.8. Плата расширения Arduino Wireless SD shield
Рис. 13.9. Плата расширения Arduino Ethernet SD shield
ствами; вывод CS Ethemet подключается к контакту 10 платы Arduino, а вывод CS SD-карты - к контакту 4.
• Official Arduino Wi-Fi SD shield (http://www.exploringarduino.com/parts/arduino-wifi-shield) (рис. 13.10) также реализует подключение к сети, но через Wi-Fi. SD-карта, как и в Ethemet SD shield, служит для хранения файлов, доступных через сеть. Как и в Ethemet SD shield, Wi-Fi-контроллер для CS исполь
- 279 -
зует контакт 10, а SD-карта - контакт 4. Необходимо следить, чтобы оба устройства не были включены одновременно; активной может быть только одна линия CS (низкий логический уровень).
Adafruit data logging shield (http://www.exploringarduino.com/parts/ adafruitdata-logging-shield) (рис. 13. 11) особенно хорошо подходит для экспериментов,
Рис. 13.10. Плата расширения Arduino Wi-Fi SD shield
Рис. 13.11. Плата расширения Adafruit data logging shield
- 280 -
которые мы рассмотрим далее в этой главе, потому что включает в себя часы реального времени (RTC) и интерфейс SD-карты. Вывод CS SD-карты на этом переходнике назначен по умолчанию (53 на Mega, 10- на других платах Arduino ), а чип часов реального времени подключен к шине I2C.
На плате расширения SparkFun MicroSD shield (http://www.exploringarduino.com/parts/spark-fun-microSD-shield) (рис. 13.12) установлен только слот SD-карты. Тем не менее, предусмотрено монтажное поле для припаивания дополнительных компонентов. Вывод CS SD-карты подключен к контакту 8, его необходимо указать при использовании библиотеки SD с этим переходником.
Рис. 13.12. Плата расширения SparkFun MicroSD shield
Рис. 13.13. Подключение платы расширения Cooking Hacks Micro SD shield
Для отладки программы будем контролировать статус нескольких функций библиотеки SD. Например, для установки связи с SD-картой необходимо вызвать следующую функцию (листинг 13.1 ):
Листинг 13.1. Функция инициализации SD-карты
if (!SD.begin(CS_pin))
{
Serial.println("Card Failure");
return;
}
Serial.println("Card Ready");
- 282 -
Обратите внимание, что мы не просто инициализируем обмен с картой с помощью функции so.begin (CS_pin), а получаем статус выполнения этой функции. При успешной инициализации программа выдает в последовательный порт сообщение об этом, в противном случае выводится сообщение о неуспехе и команда возврата останавливает дальнейшее выполнение программы.
При записи строки в файл подход аналогичный. Например, если вы хотите записать новую строку "hello" в файл, код будет выглядеть так, как в листинге 13.2.
Листинг 13.2. Функция записи информации на SD-карту
File dataFile = SD.open("log.csv", FILE_WRITE);
if (dataFile)
{
dataFile.println("hello");
dataFile.close();
// Данные не записываются,
// пока соединение не будет закрыто
}
else
{
Serial.println("Couldn't open log file");
}
В первой строке расположена команда создания нового файла (или открытие, если он уже существует) с названием log. csv. Если файл создан/открыт успешно, переменная dataFile получит значение true, и начнем процесс записи данных в файл.
В противном случае сообщаем об ошибке в последовательный порт. Запись строки данных в файл осуществляет функция da taFile.println(); чтобы предотвратить добавление символа новой строки, вызывайте функцию dataFile.print(). Все данные направляются в буфер и записываются в файл только после выполнения команды dataFile.close().
Теперь напишем простую программу, которая создает на SD-карте файл log.csv и каждые 5 секунд записывает в него через запятую метки и какое-либо сообщение (листинг 13.3). В каждой строке файла CSV будет записана временная метка (текущее значение функции millis()) и некоторый текст. Программа может показаться вам бесполезной, но на самом деле это важный пример, подготавливающий взаимодействие с реальными датчиками, чем мы займемся в дальнейших проектах.
Листинг 13.3. Тест записи данных на SD-карту- write_to_sd.ino
// Запись данных на SD-карту
#include <SD.h>
// Подключение контактов
// MOSI = pin 11
// MISO = pin 12
// SCLK = pin 13
- 283 -
// Подключение контакта выбора CS
const int CS_PIN = 10;
// Контакт для питания SD-карты
const int POW_PIN =8;
Рис. 13.14. и Рис. 13.15.
При возникновении ошибок проверьте правильность подключения переходника, убедитесь, что SD-карта отформатирована и должным образом вставлена. Для проверки корректности записи данных вставьте SD-карту в компьютер и откройте файл в программе просмотра электронных таблиц (рис. 13.15). Обратите внимание,
- 285 -
что данные располагаются в таблице с учетом разделяющих запятых и символов перехода на новую строку.
Рис. 13.16. Пример файла данных
- 286 -
му, предусмотрев чтение этого файла, извлечение информации и установку скорости обновления данных для регистрации.
Открыть файл для чтения позволяет та же команда so.open(), но без указания второго параметра FILE_WRITE. Поскольку класс File наследует свойства от класса потока (так же, как serial), можно использовать многие из полезных команд, например parseInt(). Сказанное иллюстрирует листинг 13.4.
Листинг 13.4. Пример чтения информации с SD-карты
File commandFile=SD.open("speed.txt");
if (commandFile)
{
Serial.println ( "Reading Command File");
while(commandFile.available() )
{
refresh_rate=commandFile.parseInt();
}
Serial.print("Refresh Rate = ");
Serial.print(refresh_rate);
Serial.println("ms");
}
else
{
Serial.println("Could not read command file.");
return;
}
Программа из листинга 13.4 открывает файл для чтения и считывает целые значения. Значение сохраняется в переменной частоты обновления, которую необходимо будет определить в начале программы. После чтения файл следует закрыть.
Теперь можно объединить листинги 13.3 и 13.4 и менять скорость записи, основываясь на содержимом файла speed.txt, как показано в листинге 13.5.
Листинг 13.5. Чтение и запись с SD-карты- sd_read_write.ino
// Чтение и запись SD-карты
#include <SD.h>
// Подключение контактов
//MOSI = pin 11
//MISO = pin 12
//SCLK = pin 13
// Подключение контакта выбора CS
const int CS_PIN =10;
const int POW_PIN =8;
// Скорость опроса по умолчанию
int refresh rate = 5000;
Рис. 13.17. Регистрация данных на скорости Refresh Rate, указанной в настройках
Рис. 13.18. Подключение платы расширения adafruit-DS1307-breakout к Arduino
Далее предполагается, что вы используете эту плату. Тем не менее, можно просто собрать схему из элементов на макетной плате и подключить непосредственно к Arduino. Потребуется кварцевый резонатор на 32,768 кГц, подтягивающие резисторы номиналом 2,2 кОм и круглая батарейка 3,0 В размером с монету. Если вы решили собрать плату самостоятельно, можете приобрести эти компоненты и собрать их на макетной плате по схеме, приведенной на рис. 13.19.
- 290 -
Рис. 13.19. Схема часов реального времени, собранная на макетной плате
Рис. 13.20. Плата Arduino с подключенными платами расширения Cooking Hacks Micro SD shield и adafruit-DS1307-breakout
Отметим, что последний контакт на RTC не связан с Arduino; это меандр, генерируемый RTC, в нашем примере он не задействован. В программе следует подать на контакт А2 уровень LOW и на A3 уровень HIGH (+5 В), чтобы обеспечить питание RTC. Если вы собрали свой модуль RTC на макетной плате, то установка будет выглядеть немного по-другому.
Рис. 13.21. Содержимое лог-файла в программе просмотра электронных таблиц
Рис. 13.22. Монтажная схема регистратора
Для того чтобы система работала стабильно, необходимо установить ИК-датчик расстояния так, чтобы луч датчика шел горизонтально вдоль всей двери. Тогда при проходе через дверь человек обязательно окажется в зоне действия датчика.
ИК-датчик расстояния и плату Arduino на время тестирования программы можно прикрепить к стене с помощью липкой ленты (рис. 13.23 ).
Рис. 13.23. Крепление блоков регистратора возле входной двери показаний ИК-датчика расстояния и определение величины их изменения за время между опросами. Если изменение есть, можно предположить, что кто-то вошел или вышел из комнаты. Нужно выбрать порог изменения аналоговых показаний датчика для точного определения факта прохода через дверь. Я экспериментально определил, что для моей установки изменение значения аналогового сигнала более чем на 75 единиц является достаточным признаком для фиксации движения (у вас, возможно, будет по-другому). Чтобы надежно установить момент прохода, необходимо проверять датчик достаточно часто.
Я рекомендую записывать данные на SD-карту только в момент появления человека, а в остальное время обновлять журнал лишь с определенной периодичностью.
При этом будет обеспечен хороший баланс между объемом хранимой информации и точностью работы. Плата Arduino опрашивает датчик расстояния через 50 мс (и добавляет единицу к текущему столбцу каждый раз при обнаружении движения). Если движение не обнаруживается, записываем ноль в текущий столбец через 1 секунду (в отличие от 50 мс).
В листинге 13.7 приведена программа входного регистратора, работающая согласно описанному алгоритму.
Листинг 13.7. Программа входного регистратора - entrance_logger.ino
// Программа входного регистратора
#include <SD.h>
// Подключение библиотеки SD
#include <Wire.h>
// Для работы с RTC
#include "RTClib.h" // Подключение библиотеки RTC
- 298 -
// Подключение устройств SPI и I2C с контактами по умолчанию
// SD-карта SPI контакты
// RTC - стандартные I2C контакты
const int CS PIN=10;
// SS для переходника SD
const int SD_POW_PIN =8;
// Питание Для SD
const int RTC_POW_PIN =A3; // Питание для платы RTC
const int RTC_GND_PIN =А2.; // Земля для платы RTC
const int IR_PIN=0; // ИК-датчик расстояния к аналоговому входу A0
// Создать объект RTC
RTC_DS1307 RTC;
// Инициализация переменных для даты/времени
String year, month, day, hour, minute, second, time, date;
// Инициализация переменных для ИК-датчика расстояния
int raw = 0;
int raw_prev = 0;
boolean active = false;
int update_time = 0;
Рис. 13.24. Данные регистратора входа, представленные в графическом виде
Резюме
Рис. 14.1. Упрощенная схема взаимодействия Интернета и локальной сети
Если вы работаете только в локальной сети, то можете связаться с платой Arduino через веб-браузер компьютера, находящегося в той же локальной сети. Через маршрутизатор можно получить доступ к вашей плате Arduino из любой точки мира (или, по крайней мере, отовсюду, где есть доступ к Интернету).
Рис. 14.2. Схема подключения к Arduino-серверу RGB-светодиода и динамика
Рис. 14.3. Вид нашей веб-страницы в браузере Chrome
При нажатии на любую из кнопок вы должны увидеть в адресной строке браузера переменные, передаваемые методом GET.
Рис. 14.4. Вывод в последовательный порт полученного по DHCP IP-адреса
Рис. 14.5. Управление платой Arduino через веб-интерфейс и вывод отладочной информации в последовательный порт
ПРИМЕЧАНИЕ
Видеоурок, демонстрирующий управление платой Arduino по локальной сети, можно посмотреть на странице http://www.exploringarduino.com/content/ch14. Этот видеофайл доступен также на сайте издательства Wiley.
Рис. 14.6. Добавление устройства в Xively
Рис. 14.7. Подключение фоторезистора к плате Arduino с установленным адаптером Ethernet
- 320 -
Рис. 14.8. Параметры Xi veli API key и Feed ID
В этом разделе вы найдете Feed ID (первый параметр) и Xively API key (второй параметр) для вставки в код программы. Далее приведены строки, которые нужно обновить соответствующими значениями.
Замените MAC-адрес:
// MAC-адрес вашего адаптера Ethernet
byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xВЕ, 0xEF, 0xFE, 0xED };
Замените Xively API Кеу своим значением:
// Ваш Xively API key
char xivelyKey[] = "YOUR_XIVELY_API_KEY";
Замените Feed ID (15552 в примере) своим значением:
// Feed ID
XivelyFeed feed(15552, datastreams, 1 /* номер потока */);
В листинге 14.3 приведен полный код программы.
Листинг 14.3. Загрузка потока данных в Xively - xively.ino
#include <SPI.h>
#include <Ethernet.h>
#include <HttpClient.h>
#include <Xively.h>
// MAC-адрес Ethernet-адаптера
byte mac[] = { 0x90, 0xА2, 0xDA, 0x00, 0x4A, 0xE0 };
- 321 -
// Ваш Xively АР! key
char xivelyKey[] = "qkjXSloUKqbCG-hqh3fw4WisdvOSAKx4ZXZYSWhGUWdxcz0g";
// Аналоговый контакт для подключения датчика
int sensorPin = 2;
// Строка для идентификаторов потока
char sensorId[] = "sensor_reading";
XivelyDatastrearn datastrearns[] = {
XivelyDatastrearn(sensorId, strlen(sensorId), DATASTREAM_FLOAT),
};
// Feed ID
XivelyFeed feed(1242622121, datastrearns, 1 /* number of datastrearns */);
EthernetClient client;
XivelyClient xivelyclient(client);
Рис. 14.9. Отображение значений фоторезистора на сайте Xively
Рис. 14.10. Добавление аналогового датчика температуры ТМР36
Добавление показаний датчика в поток
Теперь нужно вставить данные от нового датчика в поток данных, отправляемых на сервер Xively. По сути, в коде программы нужно просто прибавить дополнительный поток данных везде, где указан первый поток данных. Вы также можете переименовать потоки с идентификаторами datastream на более понятные, например light_reading и temp_reading. Код листинга 14.4 похож на предыдущий, но теперь у нас два потока данных. Параметры Xively API key, Feed ID и MAC-адрес такие же, как в предыдущей программе.
Листинг 14.4. Загрузка потока данных в Xively от нескоьких датчиков - xively2.ino
#include <SPI.h>
#include <Ethernet.h>
#include <HttpClient.h>
#include <Xively.h>
Рис. 14.11. Отображение на сайте Xively данных от нескольких датчиков
Итак, из платы Arduino вы успешно создали как веб-сервер, так и клиент удаленной веб-службы. Попробуйте теперь добавить цифровые датчики и визуальную обратную связь, чтобы сделать вашу систему по-настоящему интерактивной.
- 326 -
Резюме
Рис. П.1. Первая страница технического описания микроконтроллера ATmega 328Р Документация на микроконтроллер ATmega и схема платы Arduino
- 329 -
На самом деле техническое описание насчитывает сотни страниц, я хочу отметить только наиболее важные темы, на которые следует обратить внимание. Техническое описание, как правило, снабжено PDF-закладками, обеспечивающими быстрый поиск нужной информации.
Особый интерес представляет информация о портах ввода-вывода, таймерах, различных аппаратных интерфейсах. В качестве примера рассмотрим рисунок 13-1 из раздела I/O-Ports технического описания, который приведен здесь на рис. П.2. Схемы, подобные этой, присутствуют во всем техническом описании и позволяют глубже понять принцип действия платы Arduino. На приведенной схеме видно, что все контакты ввода-вывода снабжены защитными диодами, предотвращающими появление на выводе отрицательного напряжения. Важную роль играет и конденсатор Cpin, определяющий интервалы времени фронта и спада.
Рис. П.2. Фрагмент технического описания ATmega 328Р: схема контакта ввода-вывода
Рис. П.3. Цоколевка микроконтроллера ATmega 328Р
Рис. П.4. Схема подключения выводов ATmega 328p к пронумерованным контактам Arduino Документация на микроконтроллер ATmega и схема ппаты Arduino
- 331 -
Остальные выводы контроллера - вводы-выводы общего назначения. Каждый из них сопоставляется с уникальным номером контакта в программном обеспечении Arduino, так что вам не придется помнить букву и номер порта. Названия в скобках представляют собой запись альтернативных функций для каждого вывода. Например, выводы PDO и PD 1 также являются контактами универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика Rx и Тх соответственно. Выводы РВ6 и РВ7 служат для подключения внешнего кварцевого резонатора. На плате Arduino Uno к ним подключен кварцевый резонатор 16 МГц и вы не можете их использовать в качестве контактов ввода-вывода. Если у вас возникли проблемы с расшифровкой названий, дополнительную информацию можно отыскать в тех разделах технического описания, где приведена терминология. На сайте Arduino в разделе http://arduino.cc/en/Hacking/PinMapping168 можно найти схему подключения выводов ATmega к пронумерованным контактам платы Arduino (рис. П.4).
Рис. П.5. Схема платы Arduino Uno RevЗ
************************************************