В этом эксперименте мы добавляем порцию яркости светодиоду одной кнопкой и убавляем другой.
СПИСОК ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
- 1 плата Arduino Uno;
- 1 беспаечная макетная плата;
- 2 тактовых кнопки;
- 1 резистор номиналом 220 Ом;
- 1 светодиод;
- 7 проводов «папа-папа».
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА
СХЕМА НА МАКЕТНОЙ ПЛАТЕ
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ
- Если вы переделываете схему из схемы предыдущего эксперимента, обратите внимание, что на этот раз нам нужно подключить светодиод к порту, поддерживающему ШИМ.
СКЕТЧ
скачать скетч для Arduino IDE#define PLUS_BUTTON_PIN 2 #define MINUS_BUTTON_PIN 3 #define LED_PIN 9 int brightness = 100; boolean plusUp = true; boolean minusUp = true; void setup() { pinMode(LED_PIN, OUTPUT); pinMode(PLUS_BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP); pinMode(MINUS_BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP); } void loop() { analogWrite(LED_PIN, brightness); // реагируем на нажатия с помощью функции, написанной нами plusUp = handleClick(PLUS_BUTTON_PIN, plusUp, +35); minusUp = handleClick(MINUS_BUTTON_PIN, minusUp, -35); } // Собственная функция с 3 параметрами: номером пина с кнопкой // (buttonPin), состоянием до проверки (wasUp) и градацией // яркости при клике на кнопку (delta). Функция возвращает // (англ. return) обратно новое, текущее состояние кнопки boolean handleClick(int buttonPin, boolean wasUp, int delta) { boolean isUp = digitalRead(buttonPin); if (wasUp && !isUp) { delay(10); isUp = digitalRead(buttonPin); // если был клик, меняем яркость в пределах от 0 до 255 if (!isUp) brightness = constrain(brightness + delta, 0, 255); } return isUp; // возвращаем значение обратно, в вызывающий код }
ПОЯСНЕНИЯ К КОДУ
- Мы можем пользоваться не только встроенными функциями, но и создавать собственные. Это обоснованно, когда нам нужно повторять одни и те же действия в разных местах кода или, например, нужно выполнять одни и те же действия над разными данными, как в данном случае: обработать сигнал с цифровых портов 2 и 3.
- Определять собственные функции можно в любом месте кода вне кода других функций. В нашем примере, мы определили функцию после loop .
- Чтобы определить собственную функцию, нам нужно:
- Объявить, какой тип данных она будет возвращать. В нашем случае это boolean . Если функция только выполняет какие-то действия и не возвращает никакого значения, используйте ключевое слово void
- Назначить функции имя — идентификатор. Здесь действуют те же правила, что при именовании переменных и констант. Называть функции принято в том же стиле какПеременные .
- В круглых скобках перечислить передаваемые в функцию параметры, указав тип каждого. Это является объявлением переменных, видимых внутри вновь создаваемой функции, и только внутри нее. Например, если в данном эксперименте мы попробуем обратиться к wasUp или isUp из loop() получим от компилятора сообщение об ошибке. Точно так же, переменные, объявленные в loop , другим функциям не видны, но их значения можно передать в качестве параметров.
- Между парой фигурных скобой написать код, выполняемый функцией
- Если функция должна вернуть какое-то значение, с помощью ключевого слова return указать, какое значение возвращать. Это значение должно быть того типа, который мы объявили
- Так называемые глобальные переменные, т.е. переменные, к которым можно обратиться из любой функции, обычно объявляются в начале программы. В нашем случае — это brightness .
- Внутри созданной нами функции handleClick происходит всё то же самое, что в эксперименте .
- Поскольку при шаге прироста яркости 35 не более чем через восемь нажатий подряд на одну из кнопок значение выражения brightness + delta выйдет за пределы интервала . С помощью функции constrain мы ограничиваем допустимые значения для переменной brightness указанными границами интервала.
- В выражении plusUp = handleClick(PLUS_BUTTON_ PIN , plusUp, +35) мы обращаемся к переменной plusUp дважды. Поскольку = помещает значение правого операнда в левый, сначала вычисляется, что вернет handleClick . Поэтому когда мы передаем ей plusUp в качестве параметра, она имеет еще старое значение, вычисленное при прошлом вызове handleClick .
- Внутри handleClick мы вычисляем новое значение яркости светодиода и записываем его в глобальную переменную brightness , которая на каждой итерации loop просто передается в analogWrite .
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ СЕБЯ
- Что означает ключевое слово void ?
- Как ведет себя программа при упоминании одной переменной с разных сторон от оператора присваивания = ?
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
- Доработайте код таким образом, чтобы шаг изменения яркости настраивался в одном месте.
- Создайте еще одну функцию и переделайте код так, чтобы одна функция отвечала за отслеживание нажатий, а другая — за вычисление яркости светодиода и возвращала его в analogWrite .
Как рождаются программы
Это будет немного не обычная статья, в ней я попробую не просто показать готовый код, который что-то делает, а покажу как рождается устройство и прошивка для него. Мы рассмотрим логику работы программы и то как эту логику построить.
Сегодня мы с вами будем решать следующую задачу: есть 2 светодиода их надо подключить к Arduino и реализовать возможность регулировать яркость их горения.
Приступим!
Первым делом надо продумать как будет выглядеть наше устройство и что нам понадобится для его реализации, нам надо чем то регулировать яркость светодиодов и видеть в каком режиме сейчас работают светодиоды для этого отлично подходит lcd shield который мы рассматривали в прошлой статье .
Теперь нам осталось подключить светодиоды, для этого отлично подходит так называемый бредборд, это пластиковая штуковина (не знаю как ее по другому назвать) в которую без пайки можно подключить провода от Arduino и другие электронные компоненты, что очень удобно когда ты точно не знаешь как будет выглядеть готовое устройство или схема нужно всего на несколько запусков. Китайцы клепают огромное количество их разновидностей, я лично пользуюсь таким:
Для простоты понимания как он устроен внутри я приложу схему внутренних соединений:
Подключение светодиодов к Arduino
Многие сейчас скажут: что сложного в подключении светодиода, это же лампочка! И будут не правы, светодиод - это далеко не простая лампочка, а полупроводниковый световой прибор. Который питается не напряжением как обычная лампочка, а током и если ток превысит допустимые значения, то светодиод начнет деградировать, его яркость будет уменьшатся что станет заметно через некоторое время, зависящее от мощности протыкаемого тока или, вообще моментально сгорит.
Как избежать порчи светодиода из-за большого тока? Все очень просто: нужно использовать токоограничивающий резистор, который надо рассчитывать для каждого светодиода в зависимости от его характеристик. Расчет резисторов для светодиода - это тема для отдельной статьи и сегодня мы не будем углубляться в эту тему так как скорей всего вы не знаете характеристик светодиода, который вы где-то нашли. На этот случай я использую маленькое правило: если светодиод не яркий, то я запитываю его через резистор сопротивлением от 220 до 400 ом в зависимости от того какой резистор был под рукой. Главное запомнить правило – лучше больше чем меньше. При большем сопротивлении чем требуется светодиоду, он просто будет гореть тусклее нормы.
Теперь надо определится как регулировать яркость светодиода, для этого можно использовать переменные резисторы что в принципе исключит интерактивную регулировку и по этому мы не будем использовать данный способ в этой статье. Мы будем использовать ШИМ реализованный на плате Arduino.
Что такое ШИМ
ШИМ (широтно-импульсная модуляция) – это изменение скважности сигнала на определенном отрезке времени. Шим сигнал имеет следующий вид по сравнению с постоянным сигналом:
На этой картинке 100% рабочего цикла это отсутствие ШИМ как такового, сигнал идет без изменений, как будто вывод просто подключен к 5 вольтам.
0% рабочего цикла это отсутствие какого-либо сигнала, как будто провод никуда не подключен.
Остальные режимы работы - это быстрое переключение режимов работы что заставляет светодиод как бы моргать с большой скоростью не заметной глазу человека (100 раз в секунду) что и заставляет его гореть с не полной яркостью. Arduino в зависимости от версии используемого чипа имеет разное количество ШИМ выходов, на плате они помечены знаком ~ из прошлой статьи мы знаем что это 6 выходов 3, 5, 6, 9, 10, и 11 мы будем использовать 10 и 11 выводы.
Давайте наконец то подключим светодиоды к плате. Надеваем на Arduino наш lcd shield и собираем следующею схему для которой нам понадобится бредборд, 2 светодиода, 2 резистора на 250 ом, и 3-4 провода папа- папа. Схема будет иметь следующий вид:
И не забываем, что у светодиода есть полярность, длинная или кривая (как на схеме) ножка светодиода - это плюс который и подключается через резистор.
На этом я наверно закончу первую часть статьи, во второй части мы займемся именно проработкой логики работы и написанием кода программ. Всем добра!
Теперь же разберемся с многоцветным светодиодом, который часто называют сокращенно: RGB-светодиод . RGB — это аббревиатура, которая расшифровывается как: Red — красный, Green — зеленый, Blue — синий. То есть внутри этого устройства размещается сразу три отдельных светодиода. В зависимости от типа, RGB-светодиод может иметь общий катод или общий анод.
1. Смешение цветов
Чем RGB-светодиод, лучше трех обычных? Всё дело в свойстве нашего зрения смешивать свет от разных источников, размещенных близко друг к другу. Например, если мы поставим рядом синий и красный светодиоды, то на расстоянии несколько метров их свечение сольется, и глаз увидит одну фиолетовую точку. А если добавим еще и зеленый, то точка покажется нам белой. Именно так работают мониторы компьютеров, телевизоры и уличные экраны. Матрица телевизора состоит из отдельно стоящих точек разных цветов. Если взять лупу и посмотреть через нее на включенный монитор, то эти точки можно легко увидеть. А вот на уличном экране точки размещаются не очень плотно, так что их можно различить невооруженным глазом. Но с расстояния несколько десятков метров эти точки неразличимы. Получается, что чем плотнее друг к другу стоят разноцветные точки, тем меньшее расстояние требуется глазу чтобы смешивать эти цвета. Отсюда вывод: в отличие от трех отдельностоящих светодиодов, смешение цветов RGB-светодиода заметно уже на расстоянии 30-70 см. Кстати, еще лучше себя показывает RGB-светодиод с матовой линзой.2. Подключение RGB-светодиода к Ардуино
Поскольку многоцветный светодиод состоит из трех обычных, мы будем подключать их отдельно. Каждый светодиод соединяется со своим выводом и имеет свой отдельный резистор. В уроке мы используем RGB-светодиод с общим катодом, так что провод к земле будет только один. Принципиальная схема
Внешний вид макета
3. Программа для управления RGB-светодиодом
Составим простую программу, которая будет по очереди зажигать каждый из трех цветов. const byte rPin = 3; const byte gPin = 5; const byte bPin = 6; void setup() { pinMode(rPin, OUTPUT); pinMode(gPin, OUTPUT); pinMode(bPin, OUTPUT); } void loop() { // гасим синий, зажигаем красный digitalWrite(bPin, LOW); digitalWrite(rPin, HIGH); delay(500); // гасим красный, зажигаем зеленый digitalWrite(rPin, LOW); digitalWrite(gPin, HIGH); delay(500); // гасим зеленый, зажигаем синий digitalWrite(gPin, LOW); digitalWrite(bPin, HIGH); delay(500); } Загружаем программу на Ардуино и наблюдаем результат. Your browser does not support the video tag. Немного оптимизируем программу: вместо переменных rPin, gPin и bPin применим массив. Это нам поможет в следующих заданиях. const byte rgbPins = {3,5,6}; void setup() { for(byte i=0; i<3; i++) pinMode(rgbPins[i], OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(rgbPins, LOW); digitalWrite(rgbPins, HIGH); delay(500); digitalWrite(rgbPins, LOW); digitalWrite(rgbPins, HIGH); delay(500); digitalWrite(rgbPins, LOW); digitalWrite(rgbPins, HIGH); delay(500); }4. Семь цветов радуги
Теперь попробуем зажигать одновременно по два цвета. Запрограммируем такую последовательность цветов:- красный
- красный + зеленый = желтый
- зеленый
- зеленый + синий = голубой
- синий
- синий + красный = фиолетовый
5. Плавное изменение цвета
Мы не зря подключили RGB-светодиод к выводам 3, 5 и 6. Как известно, эти выводы позволяют генерировать ШИМ сигнал разной скважности. Другими словами, мы можем не просто включать или выключать светодиод, а управлять уровнем напряжения на нем. Делается это с помощью функции analogWrite . Сделаем так, что наш светодиод будет переходить между цветами радуги не скачкообразно, а плавно. const byte rgbPins = {3,5,6}; int dim = 1; void setup() { for(byte i=0; i<3; i++){ pinMode(rgbPins[i], OUTPUT); } // начальное состояние - горит красный цвет analogWrite(rgbPins, 255); analogWrite(rgbPins, 0); analogWrite(rgbPins, 0); } void loop() { // гасим красный, параллельно разжигаем зеленый for(int i=255; i>=0; i--){ analogWrite(rgbPins, i/dim); analogWrite(rgbPins, (255-i)/dim); delay(10); } // гасим зеленый, параллельно разжигаем синий for(int i=255; i>=0; i--){ analogWrite(rgbPins, i/dim); analogWrite(rgbPins, (255-i)/dim); delay(10); } // гасим синий, параллельно разжигаем красный for(int i=255; i>=0; i--){ analogWrite(rgbPins, i/dim); analogWrite(rgbPins, (255-i)/dim); delay(10); } } Переменная dim определяет яркость свечения. При dim = 1 имеем максимальную яркость. Загружаем программу на Ардуино. Your browser does not support the video tag.Задания
- Индикатор температуры. Добавим в схему термистор и подключим его к аналоговому входу. Светодиод должен менять свой цвет в зависимости от температуры термистора. Чем ниже температура, тем более синий цвет, а чем выше, тем более красный.
- RGB лампа с регулятором. Добавим в схему три переменных резистора и подключим их к аналоговым входам. Программа должна непрерывно считывать значения резисторов и менять цвет соответствующей компоненты RGB-светодиода.
Список деталей для эксперимента
Для дополнительного задания
еще 1 светодиод
еще 1 резистор номиналом 220 Ом
еще 2 провода
Принципиальная схема
Схема на макетке
Обратите внимание
Мы подключили «землю» светодиода и переменного резистора (потенциометра) к длинной рельсе «-» макетной платы, и уже ее соединили с входом GND микроконтроллера. Таким образом мы использовали меньше входов и от макетки к контроллеру тянется меньше проводов.
Подписи «+» и «-» на макетке не обязывают вас использовать их строго для питания, просто чаще всего они используются именно так и маркировка нам помогает
Не важно, какая из крайних ножек потенциометра будет подключена к 5 В, а какая к GND, поменяется только направление, в котором нужно крутить ручку для увеличения напряжения. Запомните, что сигнал мы считываем со средней ножки
Для считывания аналогового сигнала, принимающего широкий спектр значений, а не просто 0 или 1, как цифровой, подходят только порты, помеченные на плате как «ANALOG IN» и пронумерованные с префиксом A . Для Arduino Uno - это A0-A5.
Скетч
p030_pot_light.ino // даём разумные имена для пинов со светодиодом // и потенциометром (англ potentiometer или просто «pot») #define LED_PIN 9 #define POT_PIN A0 void setup() { // пин со светодиодом - выход, как и раньше... pinMode(LED_PIN, OUTPUT) ; // ...а вот пин с потенциометром должен быть входом // (англ. «input»): мы хотим считывать напряжение, // выдаваемое им pinMode(POT_PIN, INPUT) ; } void loop() { // заявляем, что далее мы будем использовать 2 переменные с // именами rotation и brightness, и что хранить в них будем // целые числа (англ. «integer», сокращённо просто «int») int rotation, brightness; // считываем в rotation напряжение с потенциометра: // микроконтроллер выдаст число от 0 до 1023 // пропорциональное углу поворота ручки rotation = analogRead(POT_PIN) ; // в brightness записываем полученное ранее значение rotation // делённое на 4. Поскольку в переменных мы пожелали хранить // целые значения, дробная часть от деления будет отброшена. // В итоге мы получим целое число от 0 до 255 brightness = rotation / 4 ; // выдаём результат на светодиод analogWrite(LED_PIN, brightness) ; }
Пояснения к коду
С помощью директивы #define мы сказали компилятору заменять идентификатор POT_PIN на A0 - номер аналогового входа. Вы можете встретить код, где обращение к аналоговому порту будет по номеру без индекса A . Такой код будет работать, но во избежание путаницы с цифровыми портами используйте индекс.
Переменным принято давать названия, начинающиеся со строчной буквы.
Чтобы использовать переменную, необходимо ее объявить, что мы и делаем инструкцией:
Переменные одного типа можно объявить в одной инструкции, перечислив их через запятую, что мы и сделали
Функция analogRead(pinA) возвращает целочисленное значение в диапазоне от 0 до 1023, пропорциональное напряжению, поданному на аналоговый вход, номер которого мы передаем функции в качестве параметра pinA
Обратите внимание, как мы получили значение, возвращенное функцией analogRead() : мы просто поместили его в переменную rotation с помощью оператора присваивания = , который записывает то, что находится справа от него в ту переменную, которая стоит слева
Вопросы для проверки себя
Можем ли мы при сборке схемы подключить светодиод и потенциометр напрямую к разным входам GND микроконтроллера?
В какую сторону нужно крутить переменный резистор для увеличения яркости светодиода?
Что будет, если стереть из программы строчку pinMode(LED_PIN, OUTPUT) ? строчку pinMode(POT_PIN, INPUT) ?
Зачем мы делим значение, полученное с аналогового входа перед тем, как задать яркость светодиода? что будет, если этого не сделать?
Потенциометр — это переменный резистор, который при повороте ручки изменяет свое сопротивление.
Что требуется для проекта:
- Arduino UNO или любой другой аналог
- Макетная плата
- Потенциометр
- Светодиод
- Резистор 220 Ом
Схема подключения на макетной плате.
Для того, чтобы регулировать яркость светодиода, подключим его к разъему, который поддерживает ШИМ, в нашем случае это цифровой пин 3. Разъемы VCC и GND потенциометра подключаем к рельсе питания и земли макетной платы. Разъем A0 подключаем к аналоговому пину A0.
После удачной сборки схемы загружаем данный скетч:
#define LED 3 #define POT A0 void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); //настройка пина в режим выхода pinMode(POT, INPUT); //настройка пина в режим входа } void loop() { //заявляем целочисленные переменные int turn, brightness; //считываем в turn напряжение потенциометра, его значения //будут варьироваться от 0 до 1023 turn = analogRead(POT); //в переменную brightness записываем значение turn, //деленное на 4. Будет принимать значения от 0 до 255 brightness = turn / 4; //включаем светодиод с яркостью, равной значению brightness analogWrite(LED, brightness); }
Теперь попробуем написать код для этой же схемы, но на чистом СИ в среде AtmelStudio 7. Выглядеть это будет так.
#include Теперь попробуем разобраться с этими двумя примерами. Дело в том, что среда Arduino задумывалась для быстрого старта начинающим. Если надо помигать светодиодом или пощелкать реле, то это можно осуществить за считанные минуты. Среда Arduino полностью изолированна от железа микроконтроллера и поэтому в ней все осуществляется через функции, которые написаны разработчиками данного софта. Эти функции и их внутренности сокрыты в недрах программы. Обычному пользователю остается только вызывать нужные функции для настроек аппаратных узлов МК. Казалось бы это намного упрощает программирование. В принципе это так и есть. Поэтому среда и платы Arduino очень популярны среди начинающих любителей проектов на МК. Однако есть и минусы, например те, кто программируют Arduino, не могут запрограммировать микроконтроллеры, которые не поддерживает среда Arduino IDE. Например, запрограммировать любую модель МК Attiny AVR представляется уже невозможным. Да и другие модели Atmega, которых нет в платах Arduino, тоже остаются за бортом. В принципе если проекты не особо сложные, так побаловатся, то и среды Arduino достаточно. Если же надо что то большое и сложное, то тут конечно рулит чистый СИ. Но тогда придется разбираться в регистрах МК, в том как работают те или иные узлы МК. Надо читать документацию, изучить и понимать сам СИ. Однако если у вас уже есть опыт написание скетчей в среде Arduino, то со временем разобраться в СИ тоже будет возможно. Теперь попробуем рассмотреть код на СИ и поймем что это не так страшно. К примеру строка #include DDRC = 0< Эти строки настраивают нужные нам выводы платы Arduino на вход или на выход. PC0
это то же что и А0
на плате, этот вывод надо настроить на вход, так как к ней подключаетя потенциометр. И с этого вывода будет считываться значение АЦП. Регистром ADMUX
и ADCSRA
настраиваем сам узел АЦП в нужный нам режим. В частности настраиваем так что АЦП будет автоматически постоянно считывать значение с вывода А0
и сохранять это значение в регистре ADCH
. В МК есть аппаратные таймеры, это тоже такие узлы которые дают возможность работать с ШИМ выводами, например ШИМ вывод ~3 к которому подключен светодиод, принадлежит внутреннему Timer2
. В Atmega 328 есть еще Timer0
и Timer1
. Так вот с помощью регистров TCCR2A
и TCCR2B
, настроим наш Timer2 на режим FAST_PWM
, это дает нам возможность работать с выводом ~3 платы Arduino. Ну и в главном цикле программы сразу передаем значение из АЦП в наш Timer2
. Делается это одной строчкой OCR2B=ADCH
. Вопрос только в том как залить в нашу ардуину код написанный на СИ в AtmelStudio? Сделать это можно с помощью прямо из среды AtmelStudio. Правда перед этим надо из платы ардуино этим же программатором считать и сохранить загрузчик. Иначе потом плата ардуино не сможет работать со средой Arduino. В любое время можно обратно программатором вернуть загрузчик на место.
подключает заголовочный файл в котором выбирается наш нужный МК. Среда AtmelStudio 7 делает это автоматически при создании нового проекта.
