Программирование Arduino. Программирование Arduino на C в AVR Studio

Основа языка программирования модуля Arduino - это язык Си (скорее Си++). Ещё точнее, этот диалект языка называется Processing/Wiring. Хорошее обозрение языка вы найдёте в приложении. А мне хочется больше рассказать не о языке, а о программировании.

Программа - это некий набор команд, которые понимает процессор, процессор вашего компьютера или процессор микроконтроллера модуля Arduino, не суть важно. Процессор читает команды и выполняет их. Любые команды, которые понимает процессор - это двоичные числа. Это только двоичные числа и ничто иное. Выполняя арифметические операции, для которых процессор некогда и предназначался, процессор оперирует с числами. Двоичными числами. И получается, что и команды, и то, к чему они относятся, это только двоичные числа. Вот так. Но как же процессор разбирается в этой «куче» двоичных чисел?

Во-первых, все эти двоичные числа записываются в последовательные ячейки оперативной памяти, имеющие адреса. Когда вы загружаете программу, и она начинает работать, процессор получает первый адрес программы, где обязательно должна быть записана команда. Те команды, которые требуют от процессора операций с числами, имеют «опознавательные знаки», например, что в следующих двух ячейках памяти два числа, которые нужно сложить. А счётчик, назовём его счётчиком команд, где записан адрес следующей команды, в данном случае увеличивает адрес так, что в программе по этому адресу будет следующая команда. При неправильной работе программы или сбоях процессор может ошибиться, и тогда, прочитав вместо команды число, процессор делает совсем не то, что должен делать, а программа «зависает».

Таким образом, любая программа - это последовательность двоичных чисел. А программирование - это умение правильно записывать правильные последовательности двоичных чисел. Достаточно давно для записи программ стали использовать специальные средства, которые называются языками программирования.

Однако любая программа в первую очередь требует от вас ясного понимания того, что должна делать программа, и для чего она нужна. Чем яснее вы это понимаете, тем легче создать программу. Небольшие программы, хотя трудно сказать, какие программы небольшие, а какие нет, можно рассматривать целиком. Более сложные программы лучше разбить на части, которые можно рассматривать как самостоятельные программы. Так их лучше создать, легче отладить и проверить.

Я не готов спорить, но считаю, что программу удобнее начинать с описания на обычном языке. И в этом смысле я считаю, что программирование не следует путать с написанием кода программы. Когда программа описана обычными словами, вам легче определить, например, какой язык программирования выбрать для создания кода программы.

Ближе всего к записи программы с помощью двоичных чисел, язык ассемблер. Для него характерно соответствие команд языка двоичным командам, понятным процессору. Но кодирование программ на ассемблере требует больших усилий и ближе к искусству, чем к формальным операциям. Более универсальны и легче в применении языки высокого уровня, как Бэйсик или Си. И давно для записи программ в общем виде используют графический язык, а в последнее время появились и «переводчики» с этого языка на язык процессоров.

Кроме языков программирования общего применения, всегда существовала некоторая специализация языков программирования, и существовали специализированные языки. К последним я бы отнёс и язык программирования модуля Arduino.

Всё, что нужно сказать модулю, чтобы он сделал что-то нужное нам, организовано в удобный набор команд. Но вначале о том, что нам нужно от Arduino?

Модуль можно использовать в разных качествах - это и сердце (или голова) робота, это и основа прибора, это и удобный конструктор для освоения работы с микроконтроллерами и т.д.

Выше мы уже использовали простые программы для проверки подключения модуля к компьютеру. Кому-то они могут показаться слишком простыми, а поэтому не интересными, но любые сложные программы состоят из более простых фрагментов, похожих на те, с которыми мы уже знакомились.

Давайте посмотрим, о чём нам может рассказать самая простая программа «Помигать светодиодом».

int ledPin = 13;

pinMode (ledPin, OUTPUT);

digitalWrite (ledPin, HIGH);

digitalWrite (ledPin, LOW);

Вначале вспомним, что такое светодиод. В сущности это обычный диод, у которого, благодаря его конструкции, при протекании тока в прямом направлении начинает светиться переход. То есть, чтобы светодиод светился, нужно чтобы через него протекал ток, а, значит, к светодиоду следует приложить напряжение. А чтобы ток не превысил допустимого значения, последовательно со светодиодом следует включить резистор, который называют токоограничительным (см. Приложение А, цифровой выход). Напряжение к светодиоду прикладывает микроконтроллер, составляющий основу модуля Arduino. У микроконтроллера, кроме процессора, выполняющего наши команды, есть один или несколько портов ввода-вывода. Не вдаваясь в рассмотрение конкретного устройства порта, скажем так - когда вывод порта работает на выход, его можно представить как выход цифровой микросхемы с двумя состояниями, включено и выключено (есть напряжение на выходе, нет напряжения на выходе).

Но этот же вывод порта может работать и как вход. В этом случае его можно представить, например, как вход цифровой микросхемы – на вход подаётся логический уровень, высокий или низкий (см. Приложение А, цифровой ввод).

Как мы мигаем светодиодом:

Включить выходной вывод порта. Выключить вывод порта.

Но процессор работает очень быстро. Мы не успеем заметить мигания. Чтобы заметить это мигание, нам нужно добавить паузы. То есть:

Включить выходной вывод порта. Пауза 1 секунда.

Выключить вывод порта.

Пауза 1 секунда.

Это наша программа. Процессор прочитает первую команду и включит вывод, светодиод загорится. Затем процессор сделает паузу в работе и выключить вывод, светодиод погаснет. Но он только один раз мигнул.

Повторение какого-либо процесса или набора команд называется в программировании циклом. Используются разные виды циклов. Есть цикл, который выполняется заданное число раз. Это цикл for. Есть циклы, которые выполняются до тех пор, пока не будет выполнено некоторое условие, которое является частью языковой конструкции цикла. А если условие не будет выполнено никогда, то цикл выполняется бесконечное число раз. Это бесконечный цикл.

Я не думаю, что микроконтроллеры используются с программами того вида, который приведён выше. То есть, один раз выполнено несколько команд и больше контроллер не работает. Как правило, он работает постоянно, как только на него подаётся питающее напряжение. А, значит, микроконтроллер должен работать в бесконечном цикле.

Именно об этом говорит функция void loop(), loop - это петля, замкнутый цикл. Условия прекращения работы цикла нет, а, следовательно, нет условия его завершения.

Кроме того, мы должны сообщить модулю Arduino, какой вывод порта и как мы хотим использовать, для выхода (OUTPUT) или для входа (INPUT). Этой цели служит функция void setup(), которая для языка Arduino является обязательной, даже если она не используется, и команда pinMode(), для задания режима работы вывода.

pinMode (ledPin, OUTPUT);

И ещё, языковая конструкция использует переменные для определения номера вывода:

int ledPin = 13;

Использование переменных удобно. Решив, что вы будете использовать не вывод 13, а 12, вы внесёте изменение только в одной строке. Особенно сильно это сказывается в больших программах. Имя переменной можно выбирать по своему усмотрению, но, как правило, оно должно быть только символьным, и часто количество символов ограничивается. Если вы неверно зададите имя переменной, думаю, компилятор вас поправит.

Функция digitalWrite (ledPin, HIGH) устанавливает заданный вывод в состояние с высоким уровнем, то есть включает вывод.

А delay (1000), как вы уже поняли, означает паузу в 1000 миллисекунд или 1 секунду.

Осталось понять, что означают такие приставки, как int, void. Любые значения, любые переменные размещаются в памяти, как и команды программы. В ячейки памяти записываются числа зачастую из 8 битов. Это байт. Но байт - это числа от 0 до 255. Для записи больших чисел нужно два байта или больше, то есть, две или больше ячеек памяти. Чтобы процессору было ясно, как отыскать число, разные типы чисел имеют разные названия. Так число по имени byte, займёт одну ячейку, int (integer, целое) больше. Кроме того, функции, используемые в языках программирования, тоже возвращают числа. Чтобы определить, какой тип числа должна вернуть функция, перед функцией записывают этот тип возвращаемого числа. Но некоторые функции могут не возвращать числа, такие функции предваряют записью void (см. Приложение А, переменные).

Вот, сколько интересного может рассказать даже самая простая программа.

Обо всём этом вы, надеюсь, прочитаете в приложении. А сейчас проделаем простые эксперименты, используя только то, что мы уже знаем из возможностей языка. Первое, заменим переменную типа int, которая занимает много места в памяти, на byte - одно место, одна ячейка памяти. Посмотрим, что у нас получится.

byte ledPin = 13;

pinMode (ledPin, OUTPUT);

digitalWrite (ledPin, HIGH);

digitalWrite (ledPin, LOW);

После компиляции и загрузки программы в модуль мы не заметим изменений в работе программы. Хорошо. Тогда изменим программу так, чтобы заметить изменения в её работе.

Для этого мы заменим число в функции delay (1000) переменной, назвав её my_del. Эта переменная должна быть целым числом, то есть, int.

int my_del = 5000;

Не забывайте заканчивать каждую команду точкой с запятой. Внесите изменения в программу, скомпилируйте её и загрузите в модуль. Затем поменяйте переменную и повторите компиляцию и загрузку:

byte my_del = 5000;

Разница, уверен, получится ощутимая.

Проделаем ещё один эксперимент с изменением длительности пауз. Уменьшение длительности пауз выполним, скажем, пять раз. Сделаем паузу в 2 секунды, а затем будем увеличивать тоже пять раз. И вновь сделаем паузу в 2 секунды. Цикл, выполняемый заданное количество раз, называется циклом for и записывается он так:

for (int i = 0; i<5; i++)

что-то, что выполняется в цикле for

Для выполнения цикла ему нужна переменная, у нас это i, переменной нужно задать начальное значение, которое мы ей и присвоили. Затем следует условие завершения работы цикла, у нас i меньше 5. А запись i++ - это характерная для языка Си запись увеличения переменной на единицу. Фигурные скобки ограничивают набор команд, подлежащих выполнению в цикле for. В других языках программирования могут быть другие ограничители для выделения блока кода функции.

Внутри цикла мы выполняем то же, что и раньше, с небольшими изменениями:

for (int i = 0; i<5; i++)

digitalWrite (ledPin, HIGH);

digitalWrite (ledPin, LOW);

my_del = my_del - 100;

Об изменении записи паузы мы говорили выше, а изменение самой паузы достигается уменьшением переменной на 100.

Для второго цикла мы запишем этот же блок кода, но переменную длительности паузы будем увеличивать на 100.

for (int i = 0; i<5; i++)

digitalWrite (ledPin, HIGH);

digitalWrite (ledPin, LOW);

Вы заметили, что запись уменьшения паузы и её увеличения выглядят по-разному. Это тоже особенность языка Си. Хотя для ясности следовало повторить эту запись, изменив только знак минус на плюс. Итак, мы получаем такую программу:

int ledPin = 13;

int my_del = 1000;

pinMode (ledPin, OUTPUT);

for (int i = 0; i<5; i++)

digitalWrite (ledPin, HIGH);

digitalWrite (ledPin, LOW);

for (int i = 0; i<5; i++)

digitalWrite (ledPin, HIGH);

digitalWrite (ledPin, LOW);

Скопируем код нашей программы в программу Arduin, скомпилируем её и загрузим в модуль. Изменение длительности пауз заметно. И будет ещё заметнее, попробуйте, если цикл for выполнить, скажем, раз 8.

То, что мы сейчас сделали, делают и профессиональные программисты - имея готовую программу, её легко можно модифицировать под свои нужды или желания. Поэтому все свои программы они хранят. Что я советую делать и вам.

Что мы упустили в своём эксперименте? Мы не прокомментировали нашу работу. Для добавления комментария используется либо двойная «прямая» косая черта, либо одиночная, но со звёздочками (см. Приложение А). Я советую вам это сделать самостоятельно, поскольку вернувшись к программе через некоторое время, вы легче в ней разберётесь, если будут пояснения, что вы делаете в том или ином месте программы. И ещё советую в папке с каждой программой хранить её описание на обычном языке, выполненное в любом текстовом редакторе.

Самая простая программа «помигать светодиодом» может послужить ещё для десятка экспериментов (даже с одним светодиодом). Мне кажется эта часть работы, придумывать, что ещё можно сделать интересного, самая интересная. Если вы обратитесь к приложению, где описан язык программирования, к разделу «управление программой», то можно заменить цикл for на другой вид цикла. И попробовать, как работают другие виды цикла.

Хотя процессор микроконтроллера, как любой другой, может производить вычисления (для того его и придумывали), и это используется, например, в приборах, всё-таки наиболее характерной операцией для микроконтроллера будет установка выхода порта в высокое или низкое состояние, то есть, «помигать светодиодом», как реакция на внешние события.

О внешних событиях микроконтроллер узнаёт, в основном, по состоянию входов. Настроив выводы порта на цифровой вход, мы можем следить за ним. Если исходное состояние входа - высокий уровень, а событие вызывает переход входа в низкое состояние, то мы можем что-то сделать, реагируя на это событие.

Самый простой пример - на входе кнопка. Когда кнопка не нажата, вход в высоком состоянии. Если нажать кнопку, то вход переходит в низкое состояние, а мы можем «зажечь» светодиод на выходе. При следующем нажатии на кнопку светодиод можно погасить.

Это опять пример простой программы. Даже начинающему она может показаться неинтересной. Однако и эта простая программа может найти вполне полезное применение. Приведу только один пример: мы будем после нажатия на кнопку не зажигать светодиод, а помигаем (определённым образом). И светодиод возьмём с инфракрасным излучением. В результате мы получим пульт управления. Вот такая простая программа.

В разных версиях программы есть различия в списке примеров. Но можно обратиться к руководству по языку в приложении, где есть пример и схема программы (в разделе примеров, названном «приложение») для работы с вводом. Я скопирую программу:

int ledPin = 13;

pinMode (ledPin, OUTPUT);

pinMode (inPin, INPUT);

if (digitalRead(inPin) == HIGH)

digitalWrite(ledPin, HIGH);

digitalWrite (ledPin, LOW);

И, как вы видите, совершенно новую программу мы получаем, модифицируя старую. Теперь светодиод будет мигать только тогда, когда нажата кнопка, которая присоединена к выводу 2. Вывод 2 через резистор 10 кОм присоединён к общему проводу (земле, GND). Кнопка одним концом присоединена к питающему напряжению +5В, а другим концом к выводу 2.

В программе мы встречаем новую языковую конструкцию if из раздела управления программой. Читается она так: если выполняется условие (заключённое в скобках), то выполняется блок программы, заключённый в фигурные скобки. Обратите внимание, что в условии (digitalRead(inPin) == HIGH) равенство входа высокому состоянию выполнено с помощью двух знаков равенства! Очень часто в спешке об этом забывается, и условие получается неверным.

Программу можно скопировать и загрузить в модуль Arduino. Однако, чтобы проверить работу программы, понадобиться внести некоторые изменения в конструкцию модуля. Впрочем, это зависит от разновидности модуля. Оригинальный модуль имеет розетки для соединения с платами расширения. В этом случае можно вставить подходящие одножильные провода в нужные места разъёма. Мой модуль имеет ножевые контакты для соединения с платами расширения. Я могу либо поискать подходящий разъём, либо, что дешевле, использовать подходящую панельку для микросхемы в корпусе DIP.

Второй вопрос - как найти у модуля те выводы, которые используются в программе?

С этим вопросом поможет разобраться картинка, которую я взял с сайта: http://robocraft.ru/.

Рис. 4.1. Расположение и назначение выводов контроллера и модуля Arduino

Все выводы моего модуля CraftDuino промаркированы, так что найти нужный вывод не составит труда. Можно подключать кнопку и резистор и проверять работу программы. Кстати, на вышеупомянутом сайте RoboCraft весь процесс отображён на картинках (но программа использует не совсем такие выводы!). Советую посмотреть.

Многие микроконтроллеры в своём составе имеют дополнительные аппаратные устройства. Так Atmega168, на основе которого собран модуль Arduino имеет UART, встроенный блок для связи с другими устройствами с помощью последовательного обмена данными. Например, с компьютером через COM-порт. Или с другим микроконтроллером с помощью его встроенного блока UART. Есть ещё и аналого-цифровой преобразователь. И формирователь широтно- импульсной модуляции.

Использование последнего иллюстрирует программа, которую я тоже скопирую с сайта RoboCraft. Но программу можно взять и из приложения. И, возможно, она есть в примерах программы Arduino.

// Fading LED by BARRAGAN

int value = 0; // переменная для хранения нужного значения

int ledpin = 9; // светодиод подключен к digital pin 9

// Нет необходимости вызвать функцию pinMode

for(value = 0 ; value <= 255; value+=5) // постепенно зажигаем светодиод

analogWrite(ledpin, value); // значение вывода (от 0 до 255)

delay(30); // ждѐм 🙂

for(value = 255; value >=0; value-=5) // постепенно гасим светодиод

analogWrite(ledpin, value);

Если в предыдущей программе новой для нас была функция digitalRead(inPin), чтение цифрового ввода, то в этой программе новая для нас функция analogWrite(ledpin, value), хотя параметры этой функции - уже знакомые нам переменные. Об использовании аналогового входа, использовании АЦП (аналого-цифрового преобразователя), мы поговорим позже. А сейчас вернёмся к общим вопросам программирования.

Программирование это то, что доступно всем, но потребуется время, чтобы освоить и программирование, и какой-либо язык программирования. Сегодня есть ряд программ, помогающих освоить именно программирование. И одна из них имеет непосредственное отношение к модулю Arduino. Называется она Scratch for Arduino или сокращённо S4A. Найти и скачать эту программу можно по адресу: http://seaside.citilab.eu/scratch/arduino. Я не знаю, как точно переводится название программы, но «to begin from scratch» переводится, как «начать с нуля».

На сайте проекта S4A есть версии для Windows и Linux, но для последней операционной системы готовая к установке программа в версии дистрибутива Debian. Не хочу сказать, что её нельзя использовать с другими дистрибутивами Linux, но вначале посмотрим, как работать в программе с модулем Arduino в Windows.

После установки программы обычным образом можно настроить интерфейс на русский язык, используя переключатель языков.

Рис. 4.2. Переключатель языков интерфейса программы

Первый значок инструментальной панели, если его нажать, отображает все возможные языки интерфейса программы. Русский язык можно найти в разделе…

Рис. 4.3. Список языков для использования в интерфейсе программы

… отмеченном, как «больше…».

Если ничего не предпринимать, то надпись в правом окне «Searching board…» остаётся, но модуль не находится. Чтобы модуль Arduino подключить к программе S4A, следует загрузить с сайта проекта ещё кое-что.

Рис. 4.4. Файл для загрузки в модуль Arduino для S4A

Этот файл не что иное, как программа для Arduino (Sketch). То есть, текстовый файл, который можно скопировать в редактор Arduino, откомпилировать и загрузить в модуль. После выхода из программы Arduino можно запустить программу S4A и теперь модуль находится.

Рис. 4.5. Подключение модуля к программе

Аналоговые входы модуля не подключены, как и цифровые, поэтому значения, отображаемые для модуля, постоянно меняются произвольным образом.

В жизни ардуинщика рано или поздно наступает момент, когда в штатной среде разработки становится тесно. Если скетчам перестает хватать памяти, требуется жесткий реалтайм и работа с прерываниями или просто хочется быть ближе к железу - значит пришло время переходить на C. Бывалые электронщики при упоминании Arduino презрительно поморщатся и отправят новичка в радиомагазин за паяльником. Возможно, это не самый плохой совет, но мы пока не будем ему следовать. Если отбросить Arduino IDE и язык wiring/processing, у нас в руках останется прекрасная отладочная плата, уже оснащенная всем необходимым для работы микроконтроллера. И, что немаловажно, в память контроллера уже зашит бутлоадер, позволяющий загружать прошивку без использования программатора.

Для программирования на языке C нам понадобится AVR GCC Toolchain.

Также нам потребуется установленная Arduino IDE, т.к. она содержит утилиту avrdude, которая нужна для загрузки прошивки в контроллер. CrossPack тоже содержит avrdude, но версия, идущая с ним, не умеет работать с Arduino.

После того, как все установлено, создадим наш первый проект. Для начала напишем Makefile . Он позволит нам избежать ввода длинных команд вручную при каждой компиляции и загрузке прошивки.

#Контроллер, установленный на плате. Может быть другим, например atmega328 DEVICE = atmega168 #Тактовая частота 16 МГц CLOCK = 16000000 #Команда запуска avrdude. Ее нужно скопировать из Arduino IDE. AVRDUDE = /Applications/Arduino.app/Contents/Resources/Java/hardware/tools/avr/bin/avrdude -C/Applications/Arduino.app/Contents/Resources/Java/hardware/tools/avr/etc/avrdude.conf -carduino -P/dev/tty.usbserial-A600dAAQ -b19200 -D -p atmega168 OBJECTS = main.o COMPILE = avr-gcc -Wall -Os -DF_CPU=$(CLOCK) -mmcu=$(DEVICE) all: main.hex .c.o: $(COMPILE) -c $< -o $@ .S.o: $(COMPILE) -x assembler-with-cpp -c $< -o $@ .c.s: $(COMPILE) -S $< -o $@ flash: all $(AVRDUDE) -U flash:w:main.hex:i clean: rm -f main.hex main.elf $(OBJECTS) main.elf: $(OBJECTS) $(COMPILE) -o main.elf $(OBJECTS) main.hex: main.elf rm -f main.hex avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex main.elf main.hex avr-size --format=avr --mcu=$(DEVICE) main.elf

В этом файле нам нужно вписать свою команду для запуска avrdude. На разных системах она будет выглядеть по разному. Чтобы узнать свой вариант, запускаем Arduino IDE и в настройках ставим галочку «Show verbose output during upload».

Теперь загружаем в Arduino любой скетч и смотрим сообщения, выводимые в нижней части окна. Находим там вызов avrdude, копируем все, кроме параметра -Uflash и вставляем в Makefile после «AVRDUDE = ».

Небольшое замечание: все отступы в Makefile делаются символами табуляции (клавишей Tab). Если ваш текстовый редактор заменяет эти символы пробелами, команда make откажется собирать проект.

Теперь создадим файл main.c - собственно текст нашей программы, в которой традиционно помигаем светодиодом.

#include #include #define LED_PIN 5 int main() { DDRB |= 1 << LED_PIN; while(1) { PORTB |= 1 << LED_PIN; _delay_ms(1000); PORTB &= ~(1 << LED_PIN); _delay_ms(1000); } return 0; }

Наш проект готов. Откроем консоль в директории нашего проекта и введем команду «make»:

Как видим, размер получившейся прошивки составляет всего 180 байт. Аналогичный ардуиновский скетч занимает 1116 байт в памяти контроллера.

Теперь вернемся к консоли и введем «make flash» чтобы загрузить скомпилированный файл в контроллер:

Если загрузка прошла без ошибок, то светодиод, подключенный к 13 контакту платы, радостно замигает. Иногда avrdude не может найти плату или отваливается по таймауту - в этом случае может помочь передегивание USB кабеля. Также, во избежание конфликтов доступа к плате, не забудьте закрыть Arduino IDE перед командой «make flash».

Возможно многие вещи, описанные в этой статье, покажутся очевидными матерым разработчикам. Я постарался описать процесс максимально понятным для начинающего ардуинщика языком и собрать в одном месте информацию, которую мне удалось добыть в различных источниках, и проверенную опытным путем. Может быть кому-то эта статья сэкономит пару часов времени.

Удачи в освоении микроконтроллеров!

После ознакомления с основными элементами Arduino, а также написания программы «Hello World!» пришло время для знакомства с языком программирования.

Структура языка основана главным образом на C/C++, поэтому те, кто ранее программировал на этом языке, не будут испытывать затруднений при освоении программирования Arduino. Остальные должны освоить основную информацию о командах управления, типах данных и функциях.

Большая часть информации, содержащейся здесь, будет совместима с любым курсом C/C++, с учетом различий в типах данных, а также несколько конкретных инструкций, касающихся программирования портов ввода/вывода.

Основы основ

Несколько формальных вещей, то есть таких, о которых все знают, но иногда забывают…

В Arduino IDE, как в C/C++, необходимо помнить о регистрах символов. Ключевые слова, такие как if, for всегда записываются в нижнем регистре. Каждая инструкция заканчивается на «;». Точка с запятой сообщает компилятору, какую часть интерпретировать как инструкцию.

Скобки {..} используются для обозначения программных блоков. Мы используем их для ограничения тела функции (см. ниже), циклов и условных операторов.

Хорошей практикой является добавление комментариев к содержимому программы, это помогает легко понять код. Однострочные комментарии начинаются с // (двойная косая черта). Многострочные комментарии начинаются с /* и заканчиваются на */

Если мы хотим подключить в нашу программу какую-либо библиотеку, мы используем команду include. Вот примеры подключения библиотек:

#include // стандартная библиотека #include «svoya_biblioteka.h» // библиотека в каталоге проекта

Функции в Arduino

Функция (подпрограмма) является отдельной частью программы, выполняющая некоторые операции. Функции используются для упрощения основной программы и улучшения читаемости кода. Полезно использовать функции, поскольку мы можем легко использовать их во многих своих проектах.

Стандартный курс программирования содержит информацию о функциях, которые приведем в следующих статьях. В случае с Arduino функции будут обсуждаться в начале, потому что даже простейшая программа должна иметь две специальные функции. Это уже упоминалось в предыдущих статьях, но здесь мы систематизируем эту информацию.

Объявление функции

Схема объявления функции выглядит следующим образом:

Тип имя_функции(параметр) { // инструкции для выполнения (тело функции) return (/* возвращение значения*/); }

тип — это имя любого доступного типа данных на данном языке программирования. Список типов, доступных при программировании Arduino приведем в отдельной статье.

После исполнения, функция вернет значение объявленного типа. В случае, если функция не принимает никакого возвращаемого значения, то тип данных будет «void».

имя_функции позволяет ее однозначно идентифицировать. Для того чтобы вызвать (запустить) функцию, мы даем ей имя.

параметр — параметр вызова функции. Параметры не обязательны, но зачастую они бывают полезны. Если мы напишем функцию, у которой нет аргументов, мы оставляем круглые скобки пустыми.

Внутри скобок «{…}» содержится собственно тело функции или инструкция, которые мы хотим выполнить. Описание конкретных инструкций укажем в отдельной статье.

Все функции, возвращающие значение, заканчиваются оператором return, за которым следует возвращаемое значение. Только функции, объявленные нулевым указателем («void»), не содержат оператор return. Необходимо знать, что оператор return завершает выполнение функции независимо от местоположения.

Ниже приведены некоторые примеры деклараций функций.

Void f1() { //тело функции } —————————————— int minus() { //тело функции return (0); } —————————————— int plus(int a, int b) { return (a+b); }

Как вы можете видеть на примерах, объявление функции может принимать различные формы в зависимости от ваших потребностей.

Настоятельно рекомендуем вам изучить и применять функции при написании собственных программ. Со временем, у каждого программиста набирается собственная библиотека функций «на все случаи жизни», которая позволяет облегчить и ускорить процесс написания новых программ.

Теперь, когда мы знаем, как можно написать свою собственную функцию, необходимо научиться ее использовать.

Вызов функции

Все функции мы записываем в один файл/программу. Существует конечно более элегантное решение, но мы постараемся описать его в следующий раз.

Объявив функцию, мы можем использовать ее в других функциях с соответствующим именем и любыми требуемыми параметрами. Ниже приведены примеры вызова функций, которые мы привели выше:

F1(); plus(2,2); y=plus(1,5);

Как вы можете видеть в примерах, вызов функции выполняется путем указания его имени и требуемого количества параметров. Важно всегда вызывать функцию в соответствии с ее объявлением.

Если функция f1() объявлена без параметров, то при ее вызове нельзя указывать никакие параметры, т.е. вызов функции f1(0) будет неверным.

Функция plus(int a, int b) требует ровно двух параметров, поэтому вызов с одним или тремя параметрами невозможно.

Вызов y=plus(1,5) приведет к выполнению функции «plus» с параметрами «1» и «5» и сохранить возвращаемое значение в переменную «y».

Функции setup() и loop().

Обладая знаниями об объявлении и вызове функций, мы можем перейти к системным функциям Arduino: setup() и loop() . Arduino IDE в обязательном порядке необходимо объявлять эти две функции.

setup () — это функция, которая вызывается автоматически при включении питания или нажатии кнопки RESET.

В соответствии с ее именем она используется для установки начальных значений переменных, деклараций входов и выходов системы, которые обычно задаются в начальных параметрах. Благодаря своей специфике эта функция не возвращает значения и не вызывается с параметрами. Правильная декларация функции setup() представлена ниже:

Void setup () { // тело функции — инициализация системы }

loop () — это функция, которая вызывается в бесконечном цикле. Данная функция также не возвращает значения и не вызывается с параметрами. Ниже показано правильное объявление функции loop():

Void loop () { // тело функции — программный код }

Как вы видите, объявление функции loop () идентично объявлению функции setup (). Различие состоит в выполнении этих функций микроконтроллером.

Теперь мы проанализируем следующий псевдокод:

Void setup () { on_led1 (); //включаем светодиод led1 off_led1 (); //выключаем светодиод led1 } void loop () { on_led2 (); //включаем светодиод led2 off_led2 (); //выключаем светодиод led2 }

В функции setup () есть две инструкции: первая включает светодиод led1, подключенный к плате (например, контакт 13), а вторая выключает светодиод led1.

Функция loop () имеет идентичные инструкции для включения и выключения светодиода led2, подключенного к плате (например, контакт 12).

В результате запуска программы светодиод led1 мигнет один раз, в то время как led2 будет загораться и гаснуть до тех пор, пока включено питание Arduino.

Нажатие кнопки RESET приведет к тому, что led1 снова мигнет один раз, а led2 снова начнет постоянно мигать.

Подведем итог:

Функции setup () и loop () — это системные функции, которые должны быть определены в каждом проекте. Даже в ситуации, когда в одном из них мы не пропишем какой-либо код, мы все равно должны объявить эти две функции;
Функция setup () выполняется один раз, loop() выполняется непрерывно;
Мы создаем собственные функции в одном файле;
Мы можем вызвать свои функции как из setup () и loop (), так и из других функций;
Наши собственные функции можно вызывать с параметрами и возвращать значение;
Вызов функции должен быть совершен в соответствии с ее декларацией.

В этой статье я решал собрать полное пошаговое руководство для начинающих Arduino. Мы разберем что такое ардуино, что нужно для начала изучения, где скачать и как установить и настроить среду программирования, как устроен и как пользоваться языком программирования и многое другое, что необходимо для создания полноценных сложных устройств на базе семейства этих микроконтроллеров.

Тут я постараюсь дать сжатый минимум для того, что бы вы понимали принципы работы с Arduino. Для более полного погружения в мир программируемых микроконтроллеров обратите внимание на другие разделы и статьи этого сайта. Я буду оставлять ссылки на другие материалы этого сайта для более подробного изучения некоторых аспектов.

Что такое Arduino и для чего оно нужно?

Arduino — это электронный конструктор, который позволяет любому человеку создавать разнообразные электро-механические устройства. Ардуино состоит из программной и аппаратной части. Программная часть включает в себя среду разработки (программа для написания и отладки прошивок), множество готовых и удобных библиотек, упрощенный язык программирования. Аппаратная часть включает в себя большую линейку микроконтроллеров и готовых модулей для них. Благодаря этому, работать с Arduino очень просто!

С помощью ардуино можно обучаться программированию, электротехнике и механике. Но это не просто обучающий конструктор. На его основе вы сможете сделать действительно полезные устройства.
Начиная с простых мигалок, метеостанций, систем автоматизации и заканчивая системой умного дома, ЧПУ станками и беспилотными летательными аппаратами. Возможности не ограничиваются даже вашей фантазией, потому что есть огромное количество инструкций и идей для реализации.

Стартовый набор Arduino

Для того что бы начать изучать Arduino необходимо обзавестись самой платой микроконтроллера и дополнительными деталями. Лучше всего приобрести стартовый набор Ардуино, но можно и самостоятельно подобрать все необходимое. Я советую выбрать набор, потому что это проще и зачастую дешевле. Вот ссылки на лучшие наборы и на отдельные детали, которые обязательно пригодятся вам для изучения:

Базовый набор ардуино для начинающих:	Купить
Большой набор для обучения и первых проектов:	Купить
Набор дополнительных датчиков и модулей:	Купить
Ардуино Уно самая базовая и удобная модель из линейки:	Купить
Беспаечная макетная плата для удобного обучения и прототипирования:	Купить
Набор проводов с удобными коннекторами:	Купить
Комплект светодиодов:	Купить
Комплект резисторов:	Купить
Кнопки:	Купить
Потенциометры:	Купить

Среда разработки Arduino IDE

Для написания, отладки и загрузки прошивок необходимо скачать и установить Arduino IDE. Это очень простая и удобная программа. На моем сайте я уже описывал процесс загрузки, установки и настройки среды разработки. Поэтому здесь я просто оставлю ссылки на последнюю версию программы и на

Версия	Windows	Mac OS X	Linux
1.8.2

Язык программирования Ардуино

Когда у вас есть на руках плата микроконтроллера и на компьютере установлена среда разработки, вы можете приступать к написанию своих первых скетчей (прошивок). Для этого необходимо ознакомиться с языком программирования.

Для программирования Arduino используется упрощенная версия языка C++ с предопределенными функциями. Как и в других Cи-подобных языках программирования есть ряд правил написания кода. Вот самые базовые из них:

После каждой инструкции необходимо ставить знак точки с запятой (;)
Перед объявлением функции необходимо указать тип данных, возвращаемый функцией или void если функция не возвращает значение.
Так же необходимо указывать тип данных перед объявлением переменной.
Комментарии обозначаются: // Строчный и /* блочный */

Подробнее о типах данных, функциях, переменных, операторах и языковых конструкциях вы можете узнать на странице по Вам не нужно заучивать и запоминать всю эту информацию. Вы всегда можете зайти в справочник и посмотреть синтаксис той или иной функции.

Все прошивки для Arduino должны содержать минимум 2 функции. Это setup() и loop().

Функция setup

Для того что бы все работало, нам надо написать скетч. Давайте сделаем так, что бы светодиод загорался после нажатия на кнопку, а после следующего нажатия гас. Вот наш первый скетч:

// переменные с пинами подключенных устройств int switchPin = 8; int ledPin = 11; // переменные для хранения состояния кнопки и светодиода boolean lastButton = LOW; boolean currentButton = LOW; boolean ledOn = false; void setup() { pinMode(switchPin, INPUT); pinMode(ledPin, OUTPUT); } // функция для подавления дребезга boolean debounse(boolean last) { boolean current = digitalRead(switchPin); if(last != current) { delay(5); current = digitalRead(switchPin); } return current; } void loop() { currentButton = debounse(lastButton); if(lastButton == LOW && currentButton == HIGH) { ledOn = !ledOn; } lastButton = currentButton; digitalWrite(ledPin, ledOn); }

// переменные с пинами подключенных устройств

int switchPin = 8 ;

int ledPin = 11 ;

// переменные для хранения состояния кнопки и светодиода

boolean lastButton = LOW ;

boolean currentButton = LOW ;

boolean ledOn = false ;

void setup () {

pinMode (switchPin , INPUT ) ;

pinMode (ledPin , OUTPUT ) ;

// функция для подавления дребезга

boolean debounse (boolean last ) {

boolean current = digitalRead (switchPin ) ;

if (last != current ) {

delay (5 ) ;

current = digitalRead (switchPin ) ;

return current ;

void loop () {

currentButton = debounse (lastButton ) ;

if (lastButton == LOW && currentButton == HIGH ) {

ledOn = ! ledOn ;

lastButton = currentButton ;

digitalWrite (ledPin , ledOn ) ;

В этом скетче я создал дополнительную функцию debounse для подавления дребезга контактов. О дребезге контактов есть на моем сайте. Обязательно ознакомьтесь с этим материалом.

ШИМ Arduino

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это процесс управления напряжением за счет скважности сигнала. То есть используя ШИМ мы можем плавно управлять нагрузкой. Например можно плавно изменять яркость светодиода, но это изменение яркости получается не за счет уменьшения напряжения, а за счет увеличения интервалов низкого сигнала. Принцип действия ШИМ показан на этой схеме:

Когда мы подаем ШИМ на светодиод, то он начинает быстро зажигаться и гаснуть. Человеческий глаз не способен увидеть это, так как частота слишком высока. Но при съемке на видео вы скорее всего увидите моменты когда светодиод не горит. Это случится при условии что частота кадров камеры не будет кратна частоте ШИМ.

В Arduino есть встроенный широтно-импульсный модулятор. Использовать ШИМ можно только на тех пинах, которые поддерживаются микроконтроллером. Например Arduino Uno и Nano имеют по 6 ШИМ выводов: это пины D3, D5, D6, D9, D10 и D11. В других платах пины могут отличаться. Вы можете найти описание интересующей вас платы в

Для использования ШИМ в Arduino есть функция Она принимает в качестве аргументов номер пина и значение ШИМ от 0 до 255. 0 — это 0% заполнения высоким сигналом, а 255 это 100%. Давайте для примера напишем простой скетч. Сделаем так, что бы светодиод плавно загорался, ждал одну секунду и так же плавно угасал и так до бесконечности. Вот пример использования этой функции:

// Светодиод подключен к 11 пину int ledPin = 11; void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); } void loop() { for (int i = 0; i < 255; i++) { analogWrite(ledPin, i); delay(5); } delay(1000); for (int i = 255; i > 0; i--) { analogWrite(ledPin, i); delay(5); } }

// Светодиод подключен к 11 пину

int ledPin = 11 ;

void setup () {

pinMode (ledPin , OUTPUT ) ;

void loop () {

for (int i = 0 ; i < 255 ; i ++ ) {

analogWrite (ledPin , i ) ;

delay (5 ) ;

delay (1000 ) ;

for (int i = 255 ; i > 0 ; i -- ) {

Ardublock - это графический язык программирования для Ардуино, предназначенный для начинающих. Эта среда достаточно проста в использовании, ее легко установить, она практически полностью переведена на русский язык. Визуально сконструированную программу,напоминающую блоки...

Прерывания - очень важный механизм Arduino, позволяющий внешним устройствам взаимодействовать с контроллером при возникновении разных событий. Установив обработчик аппаратных прерываний в скетче, мы сможем реагировать на включение или выключение кнопки, нажатие клавиатуры,...

Serial.print() и Serial.println() – это основные функции Arduino для передачи информации от платы ардуино к компьютеру через последовательный порт. На самых популярных платах Arduino Uno, Mega, Nano нет встроенного дисплея, поэтому...

Можно ли заниматься ардуино проектами без самой платы Arduino? Оказывается, вполне. Благодаря многочисленным онлайн сервисам и программам, которые имеют свое название: эмулятор или симулятор Arduino. Самыми популярными представителями таких программ являются...

Serial begin - крайне важная инструкция Arduino, она позволяет установить контроллеру соединение с внешними устройствами. Чаще всего таким «внешним устройством» оказывается компьютер, к которому мы подключаем Arduino. Поэтому Serial begin интенсивней...

Глобальная переменная в Arduino – это переменная, область видимости которой распространяется на всю программу, ее видно во всех модулях и функциях. В этой статье мы рассмотрим несколько примеров использования глобальных переменных,...

Массивы Arduino – это элемент языка, активно используемый программистами для работы с наборами однотипных данных. Массивы есть практически во всех языках программирования, не исключением является и Arduino, синтаксис которого сильно похож...