Arduino для начинающих. Часть 1
Предисловие
Доброго времени суток, Хабр. Запускаю цикл статей, которые помогут Вам в знакомстве с Arduino. Но это не значит, что, если Вы не новичок в этом деле – Вы не найдёте ничего для себя интересного.
Введение
Было бы не плохо начать со знакомства с Arduino. Arduino – аппаратно-программные средства для построения систем автоматики и робототехники. Главным достоинством есть то, что платформа ориентирована на непрофессиональных пользователей. То есть любой может создать своего робота вне зависимости от знаний программирования и собственных навыков.
Начало
Создание проекта на Arduino состоит из 3 главных этапов: написание кода, прототипирование (макетирование) и прошивка. Для того, чтоб написать код а потом прошить плату нам необходима среда разработки. На самом деле их есть немало, но мы будем программировать в оригинальной среде – Arduino IDE. Сам код будем писать на С++, адаптированным под Arduino. Скачать можно на официальном сайте. Скетч (набросок) – программа, написанная на Arduino. Давайте посмотрим на структуру кода:
Важно заметить, что обязательную в С++ функцию main() процессор Arduino создаёт сам. И результатом того, что видит программист есть:
Давайте разберёмся с двумя обязательными функциями. Функция setup() вызывается только один раз при старте микроконтроллера. Именно она выставляет все базовые настройки. Функция loop() — циклическая. Она вызывается в бесконечном цикле на протяжении всего времени работы микроконтроллера.
Первая программа
Для того, чтоб лучше понять принцип работы платформы, давайте напишем первую программу. Эту простейшую программу (Blink) мы выполним в двух вариантах. Разница между ними только в сборке.
Принцип работы этой программы достаточно простой: светодиод загорается на 1 секунду и тухнет на 1 секунду. Для первого варианта нам не понадобиться собирать макет. Так как в платформе Arduino к 13 пину подключён встроенный светодиод.
Прошивка Arduino
Для того, чтоб залить скетч на Arduino нам необходимо сначала просто сохранить его. Далее, во избежание проблем при загрузке, необходимо проверить настройки программатора. Для этого на верхней панели выбираем вкладку «Инструменты». В разделе «Плата», выберете Вашу плату. Это может быть Arduino Uno, Arduino Nano, Arduino Mega, Arduino Leonardo или другие. Также в разделе «Порт» необходимо выбрать Ваш порт подключения (тот порт, к которому вы подключили Вашу платформу). После этих действий, можете загружать скетч. Для этого нажмите на стрелочку или во вкладке «Скетч» выберете «Загрузка» (также можно воспользоваться сочетанием клавиш “Ctrl + U”). Прошивка платы завершена успешно.
Прототипирование/макетирование
Для сборки макета нам необходимы следующие элементы: светодиод, резистор, проводки (перемычки), макетная плата(Breadboard). Для того, чтоб ничего не спалить, и для того, чтоб всё успешно работало, надо разобраться со светодиодом. У него есть две «лапки». Короткая – минус, длинная – плюс. На короткую мы будем подключать «землю» (GND) и резистор (для того, чтоб уменьшить силу тока, которая поступает на светодиод, чтоб не спалить его), а на длинную мы будем подавать питание (подключим к 13 пину). После подключения, загрузите на плату скетч, если вы ранее этого не сделали. Код остаётся тот же самый.
На этом у нас конец первой части. Спасибо за внимание.
Инструкция по программированию Arduino
Конечно же, это функции setup () и loop () и они нам уже знакомы.
Функция loop () начинает выполняться после завершения функции setup (), данная функция тоже ничего не возвращает и выполняется по кругу бесконечное количество раз.
И loop (), и setup () являются необходимым минимумом программы. Эти функции должны всегда присутствовать, иначе компилятор выдаст ошибку. Как правило, в setup () происходит инициализация объектов. А в loop () выполняется основная программа и вызываются другие функции.
Конечно же, когда речь идет о программировании, то приходится использовать данные разного типа. Типов достаточно много, но мы разберем лишь некоторые из них.
— String – строковый тип. В переменную такого типа можно записать строку или массив символов.
Переменная – это имя, закреплённое за выделенной областью памяти. Переменная позволяет опустить потребность контроля, за расположением принадлежащей ей ячейки памяти. Достаточно записать значение в переменную, и значение попадет в выделенную для этого область памяти. При этом, пока существует переменная, присвоенное ей значение будет оставаться в целостности и не будет случайно стерто.
Как мы уже могли понять, переменные могут быть разных типов и содержать в себе разные данные. Мало того, очень важно то, в каком месте объявлена переменная, так как объявление работает лишь в рамках тела, обособленного фигурными скобками. Как только тело заканчивается, переменная перестает существовать. В следующем примере при каждом повторе функции loop (), в начале работы, переменная инициализируется и ей присваивается значение, а в момент завершения, переменная перестает существовать.
С этим нужно быть аккуратным, так как на инициализацию переменной тратится немного вычислительного ресурса микроконтроллера.
Теперь хочу еще раз обратить ваше внимание на то, что если мы объявим переменную в теле одной функции, и при этом попытаемся использовать в теле другой функции, то программа не сможет ее увидеть. Хорошо, что ошибка вылезет еще на этапе компиляции.
Но при этом, если в теле функции, где объявлена переменная, есть еще какое-то тело, например, условие, то все будет отлично работать.
С одним из арифметических операторов Arduino вы уже знакомы – это оператор присваивания «=». Но есть и другие, их немного и смысл, думаю, будет понятен и без объяснений.
— «%» = остаток от деления.
Но, не смотря на всю простоту, я приведу пример.
И снова мы возвращаемся к этому, только теперь мы уже вооружены некоторыми знаниями и готовы писать свои функции для Ардуино. Да, помимо стандартных setup () и loop () мы можем создавать свои, совершенно любого назначения. Помните, я говорил, что перед названием функции мы пишем « void » именно потому что она ничего не возвращает? Так вот, функция – это отдельно стоящий блок программы, который мы можем вызвать в любой момент. Мы имеем возможность передать функции какие-то значения, чтобы использовать их в теле функции. Также мы можем распорядиться таким образом, чтобы функция вернула значение нам, к примеру, результат расчета. И « void » — это еще один тип данных, использующийся только в купе с функциями. Если перед названием функции стоит « void » — это значит, что функция ничего не возвращает, она делает свои операции и просто заканчивает работу. Функции при программировании Arduino используют, как правило, в тех случаях, когда одно и то же действие необходимо повторять из разных частей программы и с разными значениями. Не понятно? Не страшно, сейчас разберем все подробно.
Создать функцию в Arduino очень просто, ее даже не нужно объявлять, достаточно только записать. Давайте создадим функцию с названием « myFun ». Эта функция ничего не принимает, ничего не возвращает и даже ничего не выполняет. Пока что она просто есть.
Справочник C++
Программирование Ардуино – это задание определённых алгоритмов, переведённых на компьютерный язык, с целью выполнения машиной конкретной задачи, поставленной пользователем.
Мы предлагаем вам самый полный и дополняемый справочник программиста Arduino. Справочник постоянно дополняется и обновляется.
Управляющие операторы
Синтаксис
Арифметические операторы
Операторы сравнения
Логические операторы
Указатели доступа
Битовые операторы
Составные операторы
Типы данных
Преобразование типов
Область видимости переменной и спецификаторы
Вспомогательная функция
Библиотеки
Вспомогательные классы
Библиотеки для Leonardo
Аналоговый ввод/вывод
Только для Due
Расширенный ввод/вывод
Время
Математические вычисления
Тригонометрия
Случайные числа
Биты и байты
Внешние прерывания
Прерывания
В соответствии со ст. 1259 ГК РФ все материалы данного сайта являются объектом авторского права. Исключительные права на его использование принадлеждат владельцу данного сайта, согласно п.1 ст.1229 ГК РФ. Любое копирование материалов данного сайта без разрешения владельца сайта запрещено законом.
© АрдуиноПлюс.ру, 2017—2021 ( 23–0,040 )
Список команд Arduino
На этой странице представлен список всех (или почти всех) доступных “из коробки” команд для Arduino с кратким описанием и примерами. Часть информации взята из Гугла, в основном некоторые особенности языка, часть получена методом проб и ошибок. Полную информацию о том, как этим пользоваться, можно получить из уроков или официального reference. Также изо всех сил рекомендую вот этот онлайн справочник по C++, из него можно узнать гораздо больше о некоторых особенностях использования операторов и типов данных.
А ещё у меня есть краткий сборник всех основных Ардуино-функций для печати! Смотри в этом уроке.
Структура скетча
Синтаксис, структура кода
Ставится в конце каждого действия
Функция, содержимое которой выполняется один раз при запуске микроконтроллера. Подробнее – в этом уроке.
Функция, содержимое которой выполняется (или пытается выполняться) “по кругу” на протяжении всего времени работы МК. Подробнее – в этом уроке.
Директива, позволяющая подключать в проект дополнительные файлы с кодом.
В чём отличие <> и “”? Когда указываем название “в кавычках”, компилятор сначала ищет файл в папке со скетчем, а затем в папке с библиотеками. При использовании компилятор ищет файл только в папке с библиотеками
Директива, дающая команду препроцессору заменить указанное название на указанное значение. Чаще всего таким образом объявляют константы:
После компиляции все встречающиеся в тексте программы слова MOTOR_PIN будут заменены на цифру 10, а LED_PIN – на цифру 3. Такой способ хранения констант не использует оперативную память микроконтроллера. Также define позволяет делать т.н. макро функции. Например Ардуиновская функция sq (квадрат) является макро, который при компиляции превращается в умножение:
Директивы препроцессору, позволяющие включать или исключать участки кода по условию
При помощи условной компиляции очень удобно собирать и настраивать сложные проекты с кучей настроек и библиотек, подключаемых “по условию”. Например:
Если параметру DEBUG установить 1, то будет подключена библиотека Serial, если 0 – то нет. Таким образом получаем универсальный оптимизированный проект с отладкой. Подробнее – в этом уроке.
Условные директивы препроцессору, позволяют включать или исключать участки кода по условию: ifdef – определено ли? ifndef – не определено ли? Подробнее – в этом уроке.
Оператор перехода в другую часть кода по метке. Не рекомендуется к использованию, всегда можно обойтись без него. Как пример использования – выход из кучи условий
Оператор прерывания функции, он же оператор возврата значения из функции. Подробнее – в этом уроке
Условия (if, switch)
Оператор сравнения и его друзья. Подробнее – в этом уроке.
Оператор выбора, заменяет конструкцию с else if. Подробнее – в этом уроке.
Оператор break очень важен, позволяет выйти из switch. Но можно использовать так:
Циклы (for, while)
Цикл – “счётчик”. for (инициализация; условие; инкремент). Подробнее – в этом уроке.
Также используется для создания замкнутых циклов, т.к. настройки for необязательны. Выход только через break или goto
Цикл с предусловием. Подробнее – в этом уроке.
Может быть использован для создания замкнутого цикла, выход только через break или goto
Цикл с постусловием. Подробнее – в этом уроке.
Отличается от while тем, что гарантированно выполнится хотя бы один раз
Пропускает все оставшиеся в теле цикла действия и переходит к следующей итерации
Операторы
Запятая тоже является оператором, используется в следующих случаях:
Рассмотрим третий случай здесь:
Арифметические
Арифметические операторы – самые простые и понятные из всех
Большой урок по математическим действиям.
Сравнение и логика
Подробный урок по сравнениям и условиям.
Составные операторы
По битовым операциям читай отдельный урок. По математическим операциям у меня тоже есть подробный урок.
Битовые операции
По битовым операциям читай урок у меня на сайте.
Указатели и ссылки
Подробнее об указателях и ссылках читайте в отдельном уроке.
Работа с данными
Типы данных, переменные
Переменная – элементарная ячейка для хранения данных (цифр). Переменные разных типов имеют разный “размер ячейки” и имеют разный лимит на размер числа.
| Название | Альт. название | Вес | Диапазон | Особенность |
| boolean | bool | 1 байт | 0 или 1, true или false | Логическая переменная. bool на Arduino тоже занимает 1 байт, а не бит! |
| char | int8_t | 1 байт | -128… 127 | Хранит номер символа из таблицы символов ASCII |
| byte | uint8_t | 1 байт | 0… 255 | |
| int | int16_t, short | 2 байта | -32 768… 32 767 | |
| unsigned int | uint16_t, word | 2 байта | 0… 65 535 | |
| long | int32_t | 4 байта | -2 147 483 648… 2 147 483 647 | – 2 миллиарда… 2 миллиарда |
| unsigned long | uint32_t | 4 байта | 0… 4 294 967 295 | 0… 4 миллиарда… |
| float | — | 4 байта | -3.4028235E+38… 3.4028235E+38 | Хранит числа с плавающей точкой (десятичные дроби). Точность: 6-7 знаков |
| double | — | 4 байта | Для AVR то же самое, что float. А так он 8 байт | |
| — | int64_t | 8 байт | -(2^64)/2… (2^64)/2-1 | Очень большие числа. Serial не умеет такие выводить |
| — | uint64_t | 8 байт | 2^64-1 | Очень большие числа. Serial не умеет такие выводить |
Существует еще несколько специальных типов данных для символов. Подробнее можно почитать здесь.
Создаёт тип данных под названием color, который будет абсолютно идентичен типу byte (то есть принимать 0-255). Теперь с этим типом можно создавать переменные:
Создали три переменные типа color, который тот же byte, только в профиль. Это всё!
Более подробно о переменных и данных можно почитать вот здесь.
Структуры
Структура (struct) – очень составной тип данных: совокупность разнотипных переменных, объединённых одним именем.
Ярлык будет являться новым типом данных, и, используя этот ярлык, можно объявлять уже непосредственно саму структуру:
Также есть вариант объявления структуры без создания ярлыка, т.е. создаём структуру, не объявляя её как тип данных со своим именем.
Более подробно про структуры читай тут.
Перечисления
Перечисления (enum – enumeration) – тип данных, представляющий собой набор именованных констант, нужен в первую очередь для удобства программиста.
Объявление перечисления чем-то похоже на объявление структуры:
Таким образом мы объявили ярлык. Теперь, используя этот ярлык, можно объявить само перечисление:
Также как и у структур, можно объявить перечисление без создания ярлыка (зачем нам лишняя строчка?):
Более подробно про перечисления читай тут.
Классы
Классы в С++ – это основной и очень мощный инструмент языка, большинство “библиотек” являются классами. Иерархия такая:
Класс объявляется следующим образом:
Более подробно про работу с классами читай вот в этом уроке про классы.
Массивы
Для объявления массива достаточно указать квадратные скобки после имени переменной, тип данных – любой. Более подробно про массивы читай в уроке.
Строки (объект String)
String – очень мощный инструмент для работы со строками, т.е. текстовыми данными. Объявить строку можно несколькими способами:
Подробнее про строки String и массивы символов читай в этом уроке.
Строки можно сравнивать, складывать и вычитать, также для работы с ними есть куча функций:
myString.charAt(index);
Возвращает элемент строки myString под номером index. Аналог – myString[index];
myString.setCharAt(index, val);
Записывает в строку myString символ val на позицию index. Аналог – myString[index] = val;
myString.compareTo(myString2);
myString.concat(value);
Присоединяет value к строке (value может иметь любой численный тип данных). Возвращает true при успешном выполнении, false при ошибке. Аналог – сложение, myString + value;
myString.endsWith(myString2);
Проверяет, заканчивается ли myString символами из myString2. В случае совпадения возвращает true
myString.startsWith(myString2);
Проверяет, начинается ли myString символами из myString2. В случае совпадения возвращает true
myString.equals(myString2);
Возвращает true, если myString совпадает с myString2. Регистр букв важен
myString.equalsIgnoreCase (myString2);
Возвращает true, если myString совпадает с myString2. Регистр букв неважен
myString.indexOf(val);
myString.indexOf(val, from);
myString.lastIndexOf(val);
myString.lastIndexOf(val, from);
myString.length();
Возвращает длину строки в количестве символов
myString.remove(index);
myString.remove(index, count);
Удаляет из строки символы, начиная с index и до конца, либо до указанного count
myString.replace(substring1, substring2);
В строке myString заменяет последовательность символов substring1 на substring2.
myString.reserve(size);
Зарезервировать в памяти количество байт size для работы со строкой
myString.c_str();
Преобразовывает строку в “СИ” формат (null-terminated string) и возвращает указатель на полученную строку
myString.trim();
Удаляет пробелы из начала и конца строки. Действует со строкой, к которой применяется
myString.substring(from);
myString.substring(from, to);
Возвращает кусок строки, содержащейся в myString начиная с позиции from и до конца, либо до позиции to
myString.toCharArray(buf, len);
Раскидывает строку в массив – буфер buf (типа char []) с начала и до длины len
myString.getBytes(buf, len);
Копирует указанное количество символов len (вплоть до unsigned int) в буфер buf (byte [])
myString.toFloat();
Возвращает содержимое строки в тип данных float
myString.toDouble();
Возвращает содержимое строки в тип данных double
myString.toInt();
Возвращает содержимое строки в тип данных int
myString.toLowerCase();
Переводит все символы в нижний регистр. Было ААААА – станет ааааа
myString.toUpperCase();
Переводит все символы в верхний регистр. Было ааааа – станет ААААА
Спецификаторы переменных
Преобразование типов данных
Таким образом можно преобразовывать обычные переменные, указатели и другие типы данных.
И для строк мы уже рассматривали выше
Как пользоваться: на примере предыдущего примера
Подробный урок по типам данных смотри тут.
“Символьные” функции
Все следующие функции принимают как аргумент символ (тип char), анализируют его и возвращают true или false в зависимости от предназначения.
Работа с цифрами
Целые и дробные числа
Arduino поддерживает работу с целыми числами в разных системах исчисления:
| Базис | Префикс | Пример | Особенности |
| 2 (двоичная) | B или 0b (ноль бэ) | B1101001 | цифры 0 и 1 |
| 8 (восьмеричная) | 0 (ноль) | 0175 | цифры 0 – 7 |
| 10 (десятичная) | нет | 100500 | цифры 0 – 9 |
| 16 (шестнадцатеричная) | 0x (ноль икс) | 0xFF21A | цифры 0-9, буквы A-F |
ВАЖНО! Для арифметических вычислений по умолчанию используется ячейка long (4 байта), но при умножении и делении используется int (2 байта), что может привести к непредсказуемым результатам! Если при умножении чисел результат превышает 32’768, он будет посчитан некорректно. Для исправления ситуации нужно писать (тип данных) перед умножением, что заставит МК выделить дополнительную память для вычисления (например (long)35 * 1000). Также существую модификаторы, делающие примерно то же самое.
Посмотрим, как это работает на практике:
Arduino поддерживает работу с числами с плавающей точкой (десятичные дроби). Этот тип данных не является для неё “родным”, поэтому вычисления с ним производятся в несколько раз дольше, чем с целочисленным типом (около 7 микросекунд на действие). Arduino поддерживает три типа ввода чисел с плавающей точкой:
| Тип записи | Пример | Чему равно |
| Десятичная дробь | 20.5 | 20.5 |
| Научный | 2.34E5 | 2.34*10^5 или 234000 |
| Инженерный | 67e-12 | 67*10^-12 или 0.000000000067 |
С вычислениями есть такая особенность: если в выражении нет float чисел, то вычисления будут иметь целый результат (дробная часть отсекается). Для получения правильного результата нужно писать (float) перед действием, или использовать float числа при записи. Смотрим:
Ну и напоследок, при присваивании float числа целочисленному типу данных дробная часть отсекается. Если хотите математическое округление – его нужно использовать отдельно:
Математические функции и константы
Математических функций Arduino поддерживает очень много, малая часть из них являются макро функциями, идущими в комплекте с Arduino.h, все остальные же наследуются из мощной C++ библиотеки math.h
| Константа | Значение |
| UINT8_MAX | 255 |
| INT8_MAX | 127 |
| UINT16_MAX | 65535 |
| INT16_MAX | 32767 |
| UINT32_MAX | 4294967295 |
| INT32_MAX | 2147483647 |
| Функция | Значение |
| min(a, b) | Возвращает меньшее из чисел a и b |
| max(a, b) | Возвращает большее из чисел |
| abs(x) | Модуль числа |
| constrain(val, low, high) | Ограничить диапазон числа val между low и high |
| map(val, min, max, outMin, outMax) | Перевести диапазон числа val (от min до max) в новый диапазон (от outMin до outMax). val = map(analogRead(0), 0, 1023, 0, 100); – получить с аналогового входа значения 0-100 вместо 0-1023. Работает только с целыми числами! |
| round(x) | Математическое округление |
| radians(deg) | Перевод градусов в радианы |
| degrees(rad) | Перевод радиан в градусы |
| sq(x) | Квадрат числа |
| Константа | Значение | Описание |
| INT8_MAX | 127 | Максимальное значение для char, int8_t |
| UINT8_MAX | 255 | Максимальное значение для byte, uint8_t |
| INT16_MAX | 32767 | Максимальное значение для int, int16_t |
| UINT16_MAX | 65535 | Максимальное значение для unsigned int, uint16_t |
| INT32_MAX | 2147483647 | Максимальное значение для long, int32_t |
| UINT32_MAX | 4294967295 | Максимальное значение для unsigned long, uint32_t |
| M_E | 2.718281828 | Число e |
| M_LOG2E | 1.442695041 | log_2 e |
| M_LOG10E | 0.434294482 | log_10 e |
| M_LN2 | 0.693147181 | log_e 2 |
| M_LN10 | 2.302585093 | log_e 10 |
| M_PI | 3.141592654 | pi |
| M_PI_2 | 1.570796327 | pi/2 |
| M_PI_4 | 0.785398163 | pi/4 |
| M_1_PI | 0.318309886 | 1/pi |
| M_2_PI | 0.636619772 | 2/pi |
| M_2_SQRTPI | 1.128379167 | 2/корень(pi) |
| M_SQRT2 | 1.414213562 | корень(2) |
| M_SQRT1_2 | 0.707106781 | 1/корень(2) |
| NAN | __builtin_nan(“”) | nan |
| INFINITY | __builtin_inf() | infinity |
| PI | 3.141592654 | Пи |
| HALF_PI | 1.570796326 | пол Пи |
| TWO_PI | 6.283185307 | два Пи |
| EULER | 2.718281828 | Число Эйлера е |
| DEG_TO_RAD | 0.01745329 | Константа перевода град в рад |
| RAD_TO_DEG | 57.2957786 | Константа перевода рад в град |
Псевдослучайные числа
Биты и байты
Битовые операции – подробнее читай в отдельном уроке.
Ввод-вывод
Цифровые пины
Устанавливает режим работы пина pin (ATmega 328: D0-D13, A0-A5) на режим mode:
Читает состояние пина pin и возвращает :
Подаёт на пин pin сигнал value:
Запускает генерацию ШИМ сигнала (отдельный урок про ШИМ) на пине pin со значением value. Для стандартного 8-ми битного режима это значение 0-255, соответствует скважности 0-100%. Подробнее о смене частоты и разрядности ШИМ смотрите в этом уроке. ШИМ пины:
Аналоговые пины
Читает и возвращает оцифрованное напряжение с пина pin. АЦП на большинстве плат Arduino имеет разрядность 10 бит, так что возвращаемое значение 0 – 1023 при напряжении 0 – опорное на пине. Урок про аналоговые пины.
Устанавливает режим работы АЦП согласно mode:
Как это влияет на работу? Значение 1023 функции analogRead() будет соответствовать опорному напряжению или выше его, соответственно поставив INTERNAL можно измерять напряжение от 0 до 1.1V с точностью (1.1 / 1023
1.2 мВ), напряжение выше 1.1V будет всегда 1023. После изменения источника опорного напряжения (вызова analogReference) первые несколько измерений могут быть нестабильными.
Нельзя использовать напряжение меньше 0V или выше 5V в качестве внешнего опорного в пин AREF. Также при использовании режима EXTERNAL нужно вызвать analogReference(EXTERNAL) до вызова функции analogRead(), иначе можно повредить микроконтроллер. Также можно подключить опорное в пин AREF через резистор на
5 кОм, но так как вход AREF имеет собственное сопротивление в 32 кОм, реальное опорное будет например 2.5 * 32 / (32 + 5) =
Аппаратные прерывания
Подключить прерывание (читай урок про прерывания) на номер прерывания pin, назначить функцию ISR как обработчик и установить режим прерывания mode:
