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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Arduino. Opérations d'E/S numériques. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Concepteur radioamateur Après avoir chargé l'environnement de développement Arduino IDE, vous pouvez voir que dans le blanc du futur programme affiché dans la fenêtre qui s'ouvre, il y a deux fonctions : setup() et loop(). La fonction setup() démarre n'importe quel programme. Il l'exécute une fois immédiatement après la mise sous tension de la carte, et également à chaque fois après avoir appuyé sur le bouton RESET de la carte, ce qui remet le microcontrôleur à son état d'origine. À l'intérieur de cette fonction, les modes de fonctionnement des ports sont définis, l'interface série et les autres périphériques sont initialisés, tant à l'intérieur du microcontrôleur qu'à l'extérieur qui y sont connectés. Cette fonction, même si elle est vide, doit être présente dans le programme. La fonction loop() contient une boucle infinie que le microcontrôleur exécute à plusieurs reprises, jusqu'à ce que l'alimentation soit coupée. Il interroge des capteurs externes, envoie des commandes aux actionneurs, effectue des calculs et d'autres opérations. A titre d'exemple, prenons un programme simple qui, avec une période d'une seconde, allume puis éteint la LED intégrée à la carte Arduino, marquée dessus de la lettre L et connectée à la broche numérique D13. Ce programme est l'un des exemples standards fournis avec l'IDE Arduino. Dans le tableau. 1 montre son texte sous la forme dans laquelle il est joint. Notez que dans le jargon Arduino, le code source du programme est appelé un « croquis » - un croquis. Tableau 1
Les fragments de programme liés à un bloc sont délimités par des accolades { et }. Dans ce qui suit, nous les appellerons parenthèses d’opérateur. Le texte du programme peut contenir un commentaire expliquant son essence et les nuances de son travail. Un commentaire multiligne est limité aux combinaisons de caractères /* (au début) et */ (à la fin). Les caractères // démarrent un commentaire se terminant à la fin de la même ligne. Lors de la traduction (transformation du texte du programme dans un langage de programmation compréhensible par une personne en code machine exécutable par le microcontrôleur), cette partie du texte est totalement ignorée. La seule ligne exécutable dans le corps de la fonction setup() pinMode (13, SORTIE); définit la broche D13 de la carte Arduino en mode sortie. La fonction loop() commence par la ligne écriture numérique(13, ÉLEVÉ); Il définit le niveau logique haut de la sortie D13. Dans Arduino UNO, elle est égale à la tension d'alimentation (+5 V) par rapport au fil commun. Cela allumera la LED. Il est suivi de la ligne délai (1000); Cela empêche le programme exécutable de passer à la ligne suivante pendant le temps spécifié entre parenthèses en millisecondes. Après une pause, le programme règle la sortie D13 sur un niveau logique bas correspondant au potentiel du fil commun, ce qui éteint la LED. Cette opération est décrite par la ligne écriture numérique(13, BAS); Ensuite, le programme maintient à nouveau une pause de 1 s, après quoi il répète depuis le début toute la séquence d'opérations décrite dans le corps de la fonction loop(). Cela continue jusqu'à ce que le microcontrôleur soit éteint. La fonction delay() doit être utilisée avec précaution. Si un événement important se produit pendant l'intervalle de temps qui y est spécifié (par exemple, un capteur est déclenché pendant une courte période), le programme ne réagira pas à cet événement. Il ne faut pas oublier que le courant maximum donné par la broche Arduino, fonctionnant comme sortie, est de 40 mA, tandis que le courant total de toutes les sorties ne doit pas dépasser 300 mA. C'est suffisant pour alimenter des LED ordinaires, vous pouvez également connecter directement un relais Reed basse tension ou un moteur de vibration de faible puissance d'un téléphone portable à la sortie. Vous ne pourrez rien connecter de plus puissant sans amplificateur, et c'est dangereux - vous pouvez ruiner le microcontrôleur. Les entrées analogiques A0-A5 peuvent être utilisées comme entrées et sorties numériques avec D0-D13 si nécessaire, en les désignant respectivement par les numéros 14 à 19. Modifions maintenant un peu le programme. Pour un algorithme aussi simple, ces modifications ne sont pas fondamentales, mais dans des cas plus complexes, ces changements sont importants. Tout d’abord, remplaçons le commentaire en anglais par le russe. Par exemple, la ligne qui allume la LED sera commentée ainsi : « Allumez la LED ». Il ne faut pas écrire : « Nous avons fixé un niveau élevé sur la ligne D13 », cela ressort déjà clairement du texte du programme. Bien sûr, un commentaire détaillé sur chaque ligne est généralement redondant, mais il ne faut pas être paresseux pour l'écrire. Au bout d'un certain temps, les détails du programme seront oubliés, même l'auteur lui-même, seul un commentaire vous aidera à en comprendre rapidement l'essence. Ensuite, nous allons modifier le programme pour que la LED connectée non pas à la broche D13, mais à la broche D12 de l'Arduino, clignote. Puisqu'il n'y a pas de LED connectée à D12 sur la carte, une LED externe avec une résistance série est requise. Connectez-le selon le schéma présenté sur la Fig. 1. La résistance supplémentaire est sélectionnée de manière à ce que la LED de coupure de courant soit comprise entre 5 et 10 mA. Cela fournira une lueur assez brillante pour la plupart des LED. La carte Arduino UNO avec une LED externe connectée est illustrée à la fig. 2.
Il est conseillé de réaliser plusieurs LED avec des résistances supplémentaires. Ils seront utiles non pas tant pour réaliser un automate d'effets d'éclairage, mais pour vérifier rapidement les niveaux de tension aux sorties de la carte et surveiller leur évolution en fonction du programme en cours de débogage. Pour commander une LED connectée non pas à D13, mais à D12, dans ce cas, il suffirait de corriger tous les chiffres 13 par 12 dans le texte du programme. Hormis les commentaires, le chiffre 13 n'apparaît dans le texte du programme que trois fois, il n'est donc pas difficile de le changer. Cependant, à mesure que le volume du programme augmente, la situation change fondamentalement. C'est une chose de remplacer trois nombres et une autre de remplacer plusieurs dizaines de nombres identiques à différents endroits d'un programme long. De plus, il se peut que quelque part ce numéro signifie quelque chose de complètement différent et que vous n'ayez pas besoin de le modifier. Pour faciliter ces modifications, nous déclarons une variable au début du programme et lui attribuons une valeur correspondant au numéro de la sortie souhaitée : entier LEDPIN = 12 ; De plus, partout où apparaît le numéro de sortie 13, nous le remplacerons par le nom de cette variable. Si vous devez maintenant modifier à nouveau la connexion de la LED, il suffira de modifier un seul numéro dans la description de la variable LEDPIN. Le programme modifié est présenté dans le tableau. 2. Il doit être chargé dans la mémoire du microcontrôleur de la carte Arduino. Pour ce faire, sélectionnez "Fichier → Charger" dans le menu principal de l'EDI. Si le programme saisi dans la fenêtre d'édition n'a pas été enregistré au préalable dans un fichier, l'EDI vous demandera de préciser le nom de fichier dans lequel il l'enregistrera. Après un certain temps requis par l'IDE Arduino pour traduire le programme en codes machine compréhensibles par le microcontrôleur, les LED "Rx" et "Tx" commenceront à clignoter sur la carte, signalant la réception et la transmission de messages via l'interface série du microcontrôleur. . Tableau 2
Si tout a été fait correctement, un rapport sur le chargement correct apparaîtra en bas de la fenêtre du programme. Il affichera des informations sur la quantité de 32 Ko de mémoire disponible du programme du microcontrôleur occupée par le programme chargé et la quantité de RAM requise pour accueillir les variables. La LED connectée à la broche D12 commencera à clignoter avec une période de 2 s. Si vous connectez une ligne de cinq LED aux broches Arduino D8-D12 (Fig. 3) et chargez le programme indiqué dans le tableau. 3, il allumera alternativement pendant 500 ms chacune de ces LED et la LED connectée à D13, installée sur la carte. Ce programme pourrait s'avérer beaucoup plus long si le problème était résolu "sur le front", en répétant simplement le nombre de fois nécessaire dans les lignes de fonction setup() avec différents nombres numériques de sorties, en les configurant pour la sortie, et en la fonction loop() - une séquence de lignes comprenant la LED suivante qui la met en pause et l'éteint. Les instructions de la boucle for ont contribué à raccourcir le programme.
Tableau 3
Les parenthèses après le mot-clé for indiquent la valeur initiale de la variable de boucle - LEDPIN=8, la condition d'exécution du corps de la boucle - LEDPIN<14, et l'opération effectuée avec la variable de boucle après chaque exécution de son corps - LEDPIN++, ce qui signifie que la valeur de la variable est incrémentée de un. Si nécessaire, les paramètres de la boucle for peuvent être facilement modifiés. Le corps de la boucle entre parenthèses d’opérateur suit la condition. Dans le premier cas (dans la fonction setup()), il s'agit d'une seule ligne qui sera exécutée six fois avec des valeurs LEDPIN de 8 à 13. Dans le deuxième cas (dans la fonction loop()), la boucle L'instruction spécifie une séquence de trois lignes à exécuter six fois avec les mêmes valeurs de la variable. En plus de contrôler les appareils externes de tout système, il est nécessaire de recevoir des informations provenant de divers capteurs. Sans eux, même le robot le plus complexe ne serait qu’un jouet mécanique, incapable de modifier son comportement en fonction des conditions extérieures. Avec une tension d'alimentation de 5 V, et dans l'Arduino UNO c'est exactement cela, les entrées numériques du microcontrôleur sont garanties d'être perçues comme une tension logiquement élevée (correspondant à une unité logique) supérieure à +3 V, et comme un logiquement bas (correspondant à un zéro logique) - une tension inférieure à +1,5 V. Les valeurs intermédiaires (y compris lorsque l'entrée n'est connectée nulle part) donnent un résultat imprévisible et changeant de manière chaotique en fonction de l'instance du microcontrôleur, de sa tension d'alimentation, la température et d'autres facteurs. Par conséquent, il est souhaitable que l’entrée numérique ait toujours une tension d’un niveau logique haut ou bas connu. Le capteur le plus simple est un bouton ordinaire sans fixation, connecté comme indiqué sur la fig. 4 à l'une des broches extérieures de la carte Arduino, dans ce cas à D7. Lorsque le bouton SB1 est relâché, le niveau de tension à l'entrée du microcontrôleur sera faible (la résistance R1 le fournira), lorsqu'il sera enfoncé, il sera élevé. Si vous changez le bouton et la résistance par endroits (Fig. 5), alors les niveaux changeront également de place. Désormais, la résistance R1 fournira un niveau élevé lorsque le bouton sera relâché, et une pression dessus définira un niveau bas.
La résistance de la résistance R1 ne doit pas être trop petite, car le courant qui la traverse lorsque le bouton est enfoncé est consommé par la source d'alimentation et réduit l'efficacité de l'appareil. Dans le cas d'une alimentation à partir d'un ordinateur de bureau ou d'une alimentation secteur, ce n'est pas si important, mais avec la version batterie Arduino, la faible résistance de la résistance R1 réduira considérablement la durée de vie possible de la batterie de l'appareil. Veuillez noter que le microcontrôleur dispose de résistances internes pour remplir la fonction de résistance R1. Ils sont désactivés par défaut. Cependant, pour connecter, disons, une résistance interne à l'entrée D2, il suffit d'ajouter la ligne à la fonction setup() pinMode(2, INPUT_PULLUP); Considérez l'entrée numérique en utilisant l'exemple donné dans le tableau. 4 programmes qui éteignent la LED connectée à la broche 13 lorsque vous appuyez sur le bouton connecté à la broche D7. Il est basé sur l'opérateur conditionnel if (condition) { /*Actions si la condition est remplie*/ } d'autre { /*Actions si la condition n'est pas remplie*/ } Tableau 4
Il sert à sélectionner une action selon que la condition qui y est spécifiée est remplie ou non. Si rien ne doit être fait si la condition n'est pas remplie, le fragment else {...} peut être omis. L'utilisation d'instructions conditionnelles donne au programme de la flexibilité. En fonction de l'état des capteurs externes, ils modifient l'ordre du programme et le comportement de l'appareil équipé d'un microcontrôleur. En fait, la vérification de l'état du bouton est effectuée par un opérateur logique digitalRead(MAIS) = ÉLEVÉ Dans ce cas, il compare la valeur renvoyée par la fonction de lecture de l'état de la broche MAIS à laquelle le bouton est connecté avec la constante logique HIGH, et si elles sont égales, il prend la valeur TRUE (true), sinon - FALSE (FAUX). Notez que l'opération de test d'égalité est indiquée par deux signes égaux consécutifs. Et un signe égal désigne l'opération consistant à attribuer une valeur à une variable. Ne les confondez pas, cela conduit à des bugs difficiles à trouver. En utilisant l'exemple du programme que nous venons de considérer, il est facile de voir à quoi conduit l'utilisation inexacte de la fonction delay(). Si vous "décommentez" (supprimez les deux lignes pleines précédentes) la fonction delay( 10000) dans l'avant-dernière ligne du programme, alors après chaque exécution du corps de la fonction loop(), le programme attendra 10 secondes avant de continuer son travail. Naturellement, toutes les pressions sur les boutons pendant cette période seront ignorées. La capacité de l'Arduino à communiquer avec un ordinateur personnel via une interface série est très utile. Il peut être utilisé non seulement pour télécharger le programme sur le microcontrôleur, mais également pour un échange bidirectionnel d'informations lors de son exécution. Grâce à cette interface, Arduino peut transférer les informations collectées vers l'ordinateur pour un traitement ou un stockage complexe et en recevoir des commandes et des données initiales. Deux dispositifs à microcontrôleur peuvent également interagir de cette manière. Le port série du microcontrôleur utilise les broches numériques de la carte D0 et D1, donc lors de l'organisation et de l'utilisation de la communication via le port série, elles ne peuvent pas être utilisées pour autre chose. Par exemple, considérons le programme présenté dans le tableau. 5, qui envoie des informations sur l'état de la sortie D12 à l'ordinateur. Si le niveau est élevé, le programme envoie le code de symbole H à l'ordinateur, et s'il est faible, le code de symbole L. Tout programme pouvant fonctionner avec le port COM de l'ordinateur peut recevoir ces informations. L'IDE Arduino dispose d'un moniteur de port série intégré qui permet à l'ordinateur d'afficher les messages texte reçus de la carte Arduino et d'envoyer des messages saisis par l'utilisateur sur le clavier de l'ordinateur. Tableau 5
La ligne Serial.begin(9600) de la fonction setup() initialise le port série du microcontrôleur et définit le débit en bauds sur 9600 bauds. Vous pouvez également définir d'autres débits en bauds standard : 1200 2400, 4800 9600, 19200 38400, 57600 115200, 1,8 115200, 4800 XNUMX, XNUMX XNUMX ou XNUMX XNUMX Baud. Dans ce cas, la vitesse définie dans le microcontrôleur doit correspondre à la vitesse à laquelle le port COM de l'ordinateur ou d'un autre périphérique est configuré, avec lequel les informations doivent être échangées. La vitesse admissible à laquelle une réception fiable des informations est assurée dépend de la longueur du câble reliant l'Arduino à l'ordinateur. Par exemple, en utilisant un câble USB standard de XNUMX m de long, l'ordinateur recevra des informations de l'Arduino même à une vitesse de XNUMX XNUMX bauds. Et si vous ajoutez à ce câble une rallonge de cinq mètres, la vitesse autorisée tombe à XNUMX bauds. La fonction Seri-al.print() envoie des informations au port série, où le nom de la variable dont la valeur Send doit être envoyée, ou la chaîne de caractères à transférer, est indiqué entre parenthèses. Pour la distinguer d'un nom de variable, la chaîne de caractères est placée entre guillemets. Il y a une modification à cette fonction Serial.println(). Il diffère en ce sens qu'après avoir transmis les informations entre parenthèses (le cas échéant), il les complète avec des caractères de retour chariot et de saut de ligne. Commence une nouvelle ligne et une combinaison de caractères dans la chaîne donnée. En utilisant le programme ci-dessus, il est facile de s'assurer que si aucun signal externe n'est appliqué à la sortie du microcontrôleur configurée en entrée, son état peut être quelconque et changer de manière aléatoire pendant le fonctionnement. Vous pouvez également déterminer la valeur réelle de la tension, que le microcontrôleur cesse de percevoir comme un niveau logique bas et commence à la percevoir comme un niveau haut. Considérons ensuite un programme (Tableau 6) qui allume et éteint la LED de la carte conformément aux commandes reçues de l'ordinateur via le port série. Il convient de garder à l'esprit que les informations sont transmises via le port série en octets. Le récepteur du port série, fonctionnant indépendamment du processeur du microcontrôleur, reçoit ces octets et les stocke dans son tampon de 64 octets. Tableau 6.
Pour que le programme détermine s'il y a des octets reçus dans le tampon, il existe une fonction Serial.available() qui renvoie leur numéro. Si tel est le cas, le programme utilisant le Serial. read() lit un octet dans le tampon et attribue sa valeur (le code de caractère reçu) à une variable char C. Ensuite, les instructions conditionnelles comparent le code avec les modèles et, si elles correspondent, allument ou éteignent la LED. Vous pouvez envoyer des commandes en utilisant le même moniteur de port série que celui utilisé pour recevoir des informations. Dans la partie supérieure de sa fenêtre (Fig. 6) se trouve une ligne pour saisir les caractères transmis. Après avoir saisi un symbole ou leur séquence à l'aide du clavier, appuyez sur le bouton écran "Soumettre". Sur la carte Arduino, la LED « Rx » doit clignoter brièvement, indiquant que le microcontrôleur a reçu des informations. Bien entendu, la transmission manuelle des codes est une méthode de gestion simple, mais loin d'être la meilleure. Habituellement, un programme de contrôle informatique spécial est écrit à cet effet.
Ainsi, en utilisant la carte microcontrôleur Arduino, vous pouvez créer relativement facilement un certain nombre d'appareils électroniques simples. Si l'on se limite aux entrées-sorties numériques, il peut s'agir d'effets d'éclairage automatiques, de l'alarme antivol la plus simple, de compteurs de divers paramètres avec capteurs numériques. De plus, il est facile de faire interagir l’appareil avec l’ordinateur. Naturellement, les capacités d'Arduino sont loin de se limiter à celles décrites dans cet article. Cette carte peut également fonctionner avec des signaux analogiques, dont nous parlerons plus tard. Les programmes pour Arduino mentionnés dans l'article peuvent être téléchargés à partir de ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/08/diginout.zip. Auteur : D. Lekomtsev
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