Программ. В работе рассматривается примеры программирования на платформе
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
1.Введение. В настоящее время исследования в области робототехники являются весьма актуальными. Одними из популярных конструкций роботов, являются робото- технические комплексы различного назначения. В работе рассматривается примеры программирования на платформе Arduinо. Робототехника — новое интересное направление. Бум робототехники во многом связан с тем, что она позволяет ответить на вопрос: «Зачем нужно учиться программированию?». Появление первых микроконтроллеров ознаменовало начало новой эры в развитии микропроцессорной техники. Наличие в одном корпусе большинства системных устройств сделало микроконтроллер подобным обычному компью- теру. В связи с этим появилось желание использовать микроконтроллеры как обычные компьютеры. Сейчас, с появлением устройств, дающих возможность работать с микро- контроллерами без наличия серьезной материальной базы и знания многих предметов, все изменилось. Примером такого устройства может служить про- ект Arduino итальянских разработчиков. Arduino представляют собой наборы, состоящие из готового электронного блока и программного обеспечения. Элек- тронный блок - это печатная плата с установленным микроконтроллером и ми- нимумом элементов, необходимых для его работы. Фактически электронный блок Arduino является аналогом материнской платы современного компьютера. На нем имеются разъемы для подключения внешних устройств, а также разъем для связи с компьютером, по которому и осуществляется программирование микроконтроллера. Все, что нужно для создания нового электронного устрой- ства, — это плата Arduino, кабель связи и компьютер. Второй частью проекта Arduino является программное обеспечение для создания управляющих про- грамм. Оно объединило в себе простейшую среду разработки и язык програм- мирования, представляющий собой вариант языка С/С++ для микроконтролле- ров. В него добавлены элементы, позволяющие создавать программы без изу- чения аппаратной части. Создано для Arduino и множество библиотек, содер- жащих код, работающий с различными устройствами. Впервые с Arduino и микроконтроллерами мы познакомились, просматри- вая видео в интернете. И задались целью научиться программировать на плат- форме Arduinо. Главной проблемой на начальном этапе был недостаток теоретических зна- ний по программированию. Мы изучили книги, которые смогли найти: «Блокнот программиста ардуи- но», «Знакомство с ардуино». Затем решили применить полученные знания на практике, адаптировать известные проекты под свою платформу и создать свой проект «Движение детской машинки». 2 Цель: Получить базовые знания по программированию на платформе Ar- duino. Задачи: 1. Научиться основам электротехники. 2. Описать преимущества микроконтроллера Arduino. 3. Показать применение микроконтроллера Arduino в робототехнике. 4. Получить знания по программированию на платформе Arduino 5. Создать несколько схем на основе полученных знаний. Актуальность темы: В связи с развитием робототехники и программиро- вания появилась возможность изучения азов программирования с помощью платформы Arduino для создания простых программируемых схем и даже пол- ноценных роботов. Эта тема на данный момент актуальна ещё и тем, что в нашем обиходе появилась «разумная техника» способная выполнять, то, что может и чего не может человек. Проблема исследования заключается в поиске точек соприкосновения компьютерной грамотности в области программирования роботов и физико- математического образования получаемого в школе. Объект исследования – платформа Arduino. Предмет исследования – Построение моделей на основе микроконтроллера Arduino. Гипотеза: Построенные модели роботов будут более функциональны, если использовать в качестве основы для построении модели микроконтроллер Ar- duino, чем модели, построенные на основе других микроконтроллеров. Методы исследования: исследование научных форумов; поиск информации о современных этапах робототехники, построение и изучении моделей роботов; анализ теоретических источников по теме исследования; наблюдение; анализ работы. Теоретическая значимость работы заключается в представлении платфор- мы Arduino, подбору материалов для первоначального знакомства. Практическая значимость: представленный материал может быть ис- пользован в работе педагогов, использующим микроэлектронику в своей дея- тельности. Так же она будет полезна ученикам, изучающих курс программиро- 3 вания на языках Паскаль и Си и посещающих кружки и факультативы по робо- тотехнике. 2. Аналитический обзор 2.1.Микроконтроллеры в робототехнике. Микроконтроллеры можно встретить почти в любом современном элек- тронном цифровом (и не только цифровом) устройстве: мобильных телефонах, фотокамерах, калькуляторах, часах, телевизорах, плеерах, компьютерах, в про- мышленной электронике, автомобильной электронике, военной технике и др. В основном микроконтроллеры применяться там, где приоритетным является уменьшение размеров, потребляемой мощности, увеличение устойчивости к внешним факторам, например в роботах. Быстродействие, значительно меньше чем у мощных процессоров, но его хватает для выполнения большинства тре- буемых от устройства функций. Технологии совершенствуется, и быстродей- ствие микроконтроллеров возрастает. Новые поколения МК могут выполнять сложные расчеты за малое время. Но, хотя производители стремятся обеспе- чить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предостав- ляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные ча- стоты и напряжения питания. Теоретическая робототехника представляет собой пример впечатляющих результатов междисциплинарного взаимодействия. Создаваемые на этой основе технические системы способны исследовать не только поверхности удаленных планет и глубины океана, но и внутреннее строение человеческих органов, а также молекулярную структуру органических и неорганических веществ на на- но-уровне. Робототехнические системы представляют собой устройства, позво- ляющие наиболее адекватно смоделировать характеристики и принципы управ- ления, соответствующие некоторым функциям человеческого тела [8]. Исследования по робототехнике и мехатронике в основном начались в са- мом начале 70-х годов. Они были связаны с проблемой создания роботов и транспортных средств нового типа - шагающих аппаратов. С теоретической точки зрения, задачи управления движением таких механических объектов со- ставили принципиально новый класс задач управления сложными системами со многими механическими степенями свободы [9] В настоящее время эти исследования продолжаются. Широко используют- ся современные средства работы на ЭВМ (например, графика и мультимедиа), применяется современная микрокомпьютерная техника, бортовые ЭВМ, инте- гральные датчиковые системы [10]. Создаются реальные прототипы будущих машин. Разработаны эффективные методы удаленного управления роботами через Интернет и, более широко, в случаях управления роботами с задержками управляющего сигнала и при нагруженных каналах связи. Методы основаны на использовании "виртуального дублера" - трехмерных моделей робота и его ра- бочего пространства, функционирующих в масштабе реального времени. 4 2.2.Преимущество Arduino. Плата Arduino позволяет непрофессионалам создавать и программировать простые устройства на микроконтроллерах. С её помощью можно изучать ра- боту цифровых и аналоговых портов ввода и вывода, принимать сигналы от датчиков и управлять работой приводов и индикаторов. Arduino — это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и про- стоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программато- ров. Arduino позволяет компьютеру выйти за рамки виртуального мира в физи- ческий и взаимодействовать с ним. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами. Микроконтроллер на плате программируется при помощи языка Arduino и среды разработки Arduino. Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно, либо же взаимодействовать с программным обеспе- чением на компьютере (напр.: Flash, Processing, MaxMSP). Платы могут быть собраны пользователем самостоятельно или куплены в сборе. Программное обеспечение доступно для бесплатного скачивания. Исходные чертежи схем (файлы CAD) являются общедоступными, пользователи могут применять их по своему усмотрению. Пользователь современного компьютера не задумывается о функциониро- вании отдельных частей ПК. Он просто запускает нужные программы и работа- ет с ними. Точно так же и Arduino позволяет пользователю сосредоточиться на разработке проектов, а не на изучении устройства и принципов функциониро- вания отдельных элементов. Нет надобности и в создании законченных плат и модулей. Разработчик может использовать готовые платы расширения или про- сто напрямую подключить к Arduino необходимые элементы. Все остальные усилия будут направлены на разработку и отладку управляющей программы на языке высокого уровня. В итоге доступ к разработке микропроцессорных устройств получили не только профессионалы, но и просто любители что-то сделать своими руками. Наличие готовых модулей и библиотек программ поз- воляет непрофессионалам в электронике создавать готовые работающие устройства для решения своих задач. Варианты использования Arduino ограни- чены только возможностями микроконтроллера и имеющегося варианта платы и фантазией разработчика. 5 2.3.Основные термины Аппаратная часть Arduino — аппаратная вычислительная платформа, основными компонен- там которой являются простая плата ввода/вывода и среда разработки. Плата Arduino состоит из микроконтроллера и элементной обвязки для программирования и интеграции с другими схемами. На каждой плате обяза- тельно присутствуют линейный стабилизатор напряжения 5 В и 16 МГц квар- цевый генератор (в некоторых версиях керамический резонатор). В микро- контроллер предварительно прошит загрузчик, поэтому внешний программатор не нужен. А что такое контроллер? Контроллер это такое электронное устройство, которое что-нибудь кон- тролирует - реагирует на изменения одних параметров изменением других. Кондиционер, mp3 плеер, велокомпьютер, сигнализация, мобильник, навигатор - всё это пример специализированных контроллеры. Компьютер настольный это контроллер универсальный, расширяемый, с его помощью всё вышепере- численное можно реализовать. Нужны будут только соответствующие платы расширения и софт. Arduino Ардуино универсальный контроллер, который можно заточить под какую- нибудь задачу и превратить в законченное электронное устройство произволь- ного назначения, от часов с будильником до робота. Так же подключая к Arduino различные устройства - шилды (shields) мож- но добавить различные функции - так можно управлять всякими двигателями, сервомашинками, сетевой нагрузкой (свет, обогреватель, чайник и т.п.). Можно подключить GPS или GSM модуль и получать координаты со спутника Можно вставить Ethernet-модуль и выпустить свой девайс в интернет, который сможет передавать данные на сайт, или писать всё на SD-карту вставленную в соответ- ствующий шилд. Можно добавить каналы связи – ИК, радиоканал, Bluetooth и тому подобное. Ардуино имеет ряд преимуществ: Не нужен программатор. Не нужны особо глубокие познания в программирования микроконтрол- леров. Проект Ардуино полностью открытый. Платформа набирает популярность - много сайтов с библиотеками, схе- мами и проектами. Стандартизация расположения выводов - это делает её привлекательной для производителей – появляются всё новые шилды. Arduino - настоящий конструктор, для создания прототипов и реализации идей. Sketch (cкетч) - креатив, то что должна будет делать плата. Пишется в IDE на языке Wiring. 6 Оригинальные платы. Сами итальянцы выпускают плату в нескольких основных форм-факторах: ArduinoUNO - стандартный размер, 20входо-выходов, полная совмести- мость со всеми шилдами. ArdinoMega - увеличенный размер, 70входо-выходов, совместимость не со всеми шилдами. ArdinoNano - уменьшеный размер, 22входо-выхода, не совместима с шил- дами. ArdinoMini — ещё меньший размер, 20входо-выхоов, не совместима с шилдами, не имеет USB. Клоны Такие платы («клоны») полностью повторяют Arduino и полностью совме- стимы с ней. То есть, разница между клоном и оригиналом — только в произ- водителе (иногда в цвете) — соответственно различия могут быть только в ка- честве сборки, качестве компонентов, строгости выходного контроля. Питание Arduino Uno может питаться как от USB подключения, так и от внешнего источника: батарейки или обычной электрической сети. Источник определяется автоматически. Платформа может работать при наличии напряжения от 6 до 20 В. Однако при напряжении менее 7 В работа может быть неустойчивой, а напряжение бо- лее 12 В может привести к перегреву и повреждению. Поэтому рекомендуемый диапазон: 7−12 В. На Arduino доступны следующие контакты для доступа к питанию: Vin предоставляет тот же вольтаж, что используется для питания плат- формы. При подключении через USB будет равен 5 В. 5V предоставляет 5 В вне зависимости от входного напряжения. На этом напряжении работает процессор. Максимальный допустимый ток, получаемый с этого контакта — 800 мА. 3.3V предоставляет 3,3 В. Максимальный допустимый ток, получаемый с этого контакта — 50 мА. GND — земля. Память Платформа оснащена 32 кБ flash-памяти, 2 кБ из которых отведено под так называемый bootloader. Он позволяет прошивать Arduino с обычного компью- тера через USB. Эта память постоянна и не предназначена для изменения по ходу работы устройства. Её предназначение — хранение программы и сопут- ствующих статичных ресурсов. Также имеется 2 кБ SRAM-памяти, которые используются для хранения временных данных вроде переменных программы. По сути, это оперативная память платформы. SRAM-память очищается при обесточивании. Ещё имеется 1 кБ EEPROM-памяти для долговременного хранения дан- ных. По своему назначению это аналог жёсткого диска для Arduino. Ввод / вывод 7 На платформе расположены 14 контактов (pins), которые могут быть ис- пользованы для цифрового ввода и вывода. Какую роль исполняет каждый кон- такт, зависит от вашей программы. Все они работают с напряжением 5 В, и рас- считаны на ток до 40 мА. Также каждый контакт имеет встроенный, но отклю- чённый по умолчанию резистор на 20 - 50 кОм. Некоторые контакты обладают дополнительными ролями: Serial: 0-й и 1-й. Используются для приёма и передачи данных по USB. Внешнее прерывание: 2-й и 3-й. Эти контакты могут быть настроены так, что они будут провоцировать вызов заданной функции при изменении входного сигнала. PWM: 3-й, 5-й, 6-й, 9-й, 10-й и 11-й. Могут являться выходами с широт- но-импульсной модуляцией с 256 градациями. LED: 13-й. К этому контакту подключен встроенный в плату светодиод. Если на контакт выводится 5 В, светодиод зажигается; при нуле — светодиод гаснет. Помимо контактов цифрового ввода/вывода на Arduino имеется 6 контак- тов аналогового ввода, каждый из которых предоставляет разрешение в 1024 градации. По умолчанию значение меряется между землёй и 5 В, однако воз- можно изменить верхнюю границу, подав напряжение требуемой величины на специальный контакт AREF. Кроме этого на плате имеется входной контакт Reset. Его установка в ло- гический ноль приводит к сбросу процессора. Это аналог кнопки Reset обычно- го компьютера. Взаимодействие Arduino Uno обладает несколькими способами общения с другими Arduino, микроконтроллерами и обычными компьютерами. Платформа позволяет уста- новить последовательное соединение через контакты 0 (RX) и 1 (TX). Установ- ленный на платформе чип транслирует это соединение через USB: на компью- тере становится доступен виртуальный COM-порт. Программная часть Arduino включает утилиту, которая позволяет обмениваться текстовыми сообщениями по этому каналу. Встроенные в плату светодиоды RX и TX светятся, когда идёт передача данных между чипом и USB компьютера. Отдельная библиотека позволяет организовать последовательное соедине- ние с использованием любых других контактов, не ограничиваясь штатными 0- м и 1-м. С помощью отдельных плат расширения становится возможной организа- ция других способов взаимодействия, таких как ethernet-сеть, радиоканал, Wi- Fi. Защита USB Arduino Uno обладает предохранителем, защищающим USB-порты вашего компьютера от перенапряжения и коротких замыканий. Хотя большинство компьютеров обладают собственными средствами защиты, предохранитель да- 8 ёт дополнительную уверенность. Он разрывает соединение, если на USB-порт подаётся более 500 мА, и восстанавливает его после нормализации ситуации. Габариты Размер платы составляет 6,9 × 5,3 см. Гнёзда для внешнего питания и USB выступают на пару миллиметров за обозначенные границы. На плате преду- смотрены места для крепления на шурупы или винты. Расстояние между кон- тактами составляет 0,1, но в случае 7-го и 8-го контакта — расстояние: 0,16″. Принцип бутерброда Ещё одной отличительной особенно- стью Arduino является наличие плат рас- ширения, так называемых shields или про- сто «шилдов». Это дополнительные платы, которые ставятся подобно слоям бутербро- да поверх Arduino, чтобы дать ему новые возможности. Так например, существуют платы расширения для подключения к ло- кальной сети и интернету (Ethernet Shield), для управления мощными моторами (Motor Shield), для получения координат и време- ни со спутников GPS (модуль GPS) и мно- гие другие. 9 3. Основы программирование на Arduino 1.структура Базовая структура программы для Arduino довольно проста и состоит из двух частей. В этих двух обязательных частях, или функциях, заключён выпол- няемый код. Где setup() — это подготовка, а loop() — выполнение. Обе функции требу- ются для работы программы. Перед функцией setup - в самом начале програм- мы, обычно, идёт, объявление всех переменных. setup - это первая функция, выполняемая программой, и выполняемая только один раз, поэтому она ис- пользуется для установки режима работы портов (pinMode()) или инициализа- ции последовательного соединения Следующая функция loop содержит код, который выполняется постоянно - читаются входы, переключаются выходы и т.д. Эта функция — ядро всех про- грамм Arduino и выполняет основную работу. 1.1setup() Функция setup() вызывается один раз, когда программа стартует. Исполь- зуйте её для установки режима выводов или инициализации последовательного соединения. Она должна быть включена в программу, даже если в ней нет ни- какого содержания. 1.2loop() После вызова функции setup() – управление переходит к функции loop() , которая делает в точности то, что означает её имя — непрерывно выполняется, позволяя программе что-то изменять, отвечать и управлять платой Arduino. 2.функции Функция — это блок кода, имеющего имя, которое указывает на исполня- емый код, который выполняется при вызове функции. Функции void setup() и void loop(). Могут быть написаны различные пользовательские функции, для 10 выполнения повторяющихся задач и уменьшения беспорядка в программе. При создании функции, первым делом, указывается тип функции. Это тип значения, возвращаемого функцией, такой как 'int' для целого (integer) типа функции. Ес- ли функция не возвращает значения, её тип должен быть void. За типом функ- ции следует её имя, а в скобках параметры, передаваемые в функцию. Следующая функция целого типа delayVal() используется для задания зна- чения паузы в программе чтением значения с потенциометра. Вначале объявля- ется локальная переменная v, затем v устанавливается в значение потенциомет- ра, определяемое числом между 0 — 1023, затем это значение делится на 4, чтобы результирующее значение было между 0 и 255, а затем это значение воз- вращается в основную программу. 3.{} фигурные скобки Фигурные скобки (также упоминаются как просто «скобки») определяют начало и конец блока функции или блока выражений, таких как функция void loop() или выражений (statements) типа for и if. За открывающейся фигурной скобкой { всегда должна следовать закрыва- ющаяся фигурная скобка }. Об этом часто упоминают, как о том, что скобки должны быть «сбалансированы». Несбалансированные скобки могут приводить к критическим, неясным ошибкам компиляции, вдобавок иногда и трудно вы- являемым в больших программах. Среда разработки Arduino, включает возможность удобной проверки ба- ланса фигурных скобок. Достаточно выделить скобку, или даже щёлкнуть по точке вставки сразу за скобкой, чтобы её пара была подсвечена. 3.; точка с запятой Точка с запятой должна использоваться в конце выражения и разделять элементы программы. Также точка с запятой используется для разделения эле- ментов цикла for. Примечание: Если забыть завершить строку точкой с запятой, то это при- ведёт к возникновению ошибки компиляции. Текст ошибки может быть очеви- ден и указывать на пропущенную точку с запятой, но может быть и не таким очевидным. 11 Если появляется маловразумительная или нелогичная ошибка компилято- ра, первое, что следует проверить — не пропущена ли точка с запятой вблизи строки, где компилятор выразил своё недовольство. 4. /* ... */ блок комментария Блок комментария или однострочный комментарий — это область текста, которая игнорируется программой и используется для добавления текста с опи- санием кода или примечаний. Комментарий помогают другим понять эту часть программы. Он начинается с /* и заканчивается */ и может содержать множе- ство строк. /* это «огороженный» блок комментария, и не забудьте «закрыть» коммен- тарий - он должен быть сбалансирован! */ Поскольку комментарии игнорируются программой, а, следовательно, не занимают места в памяти, они могут быть достаточно ёмкими, но кроме того, они могут использоваться для «пометки» блоков кода с отладочной целью. Примечание: Хотя допускается вставка однострочного комментария в блоке комментария, второй блок комментария не допускается. // однострочный комментарий Однострочный комментарий начинается с // и заканчивается (внутренним) кодом перехода на другую строку. Как и блок комментария, он игнорируется программой и не занимает места в памяти. // вот так выглядит однострочный комментарий Однострочный комментарий часто используется после действенного вы- ражения, чтобы дать больше информации о том, что выражение выполняет или в качестве напоминания на будущее. 5. переменные Переменные — это способ именовать и хранить числовые значения для последующего использования программой. Само название - переменные, гово- рит о том, что переменные - это числа, которые могут последовательно менять- ся, в отличие от констант, чьё значение никогда не меняется. Переменные нуж- но декларировать (объявлять), и, что очень важно - им можно присваивать зна- чения, которые нужно сохранить. Следующий код объявляет переменную inputVariable, а затем присваивает ей значение, полученное от 2-го аналогового порта: 'inputVariable' — это наша переменная. Первая строка декларирует, что она будет содержать int, короткое целое. Вторая строка присваивает ей значение аналогового вывода 2. Это делает значение на выводе 2 доступным в любом месте программы. Когда переменной присвоено значение, или пере-присвоено, вы можете проверить это значение, если оно встречается в некотором условии, или ис- пользовать его непосредственно. Рассмотрим пример, иллюстрирующий три 12 операции с переменными. Следующий код проверяет, не меньше ли 100 значе- ние переменной, а если так, переменной inputVariable присваивается значение 100, а затем задаётся пауза, определяемая переменной inputVariable, которая те- перь, как минимум, равна 100: Примечание: Переменные должны иметь наглядные имена, чтобы код был удобочитаемый. Имена переменных как tiltSensor или pushButton помогают программисту при последующем чтении кода понять, что содержит эта пере- менная. Имена переменных как var или value, с другой стороны, мало делают для понимания кода, и здесь используются только в качестве примера. Переменные могут быть названы любыми именами, которые не являются ключевыми словами языка программирования Arduino. 6.объявление переменных Все переменные должны быть задекларированы до того, как они могут ис- пользоваться. Объявление переменной означает определение типа её значения: int, long, float и т.д., задание уникального имени переменной, и дополнительно ей можно присвоить начальное значение. Всё это следует делать только один раз в программе, но значение может меняться в любое время при использова- нии арифметических или других разных операций. Следующий пример показывает, что объявленная переменная inputVariable имеет тип int, и её начальное значение равно нулю. Это называется простым присваиванием. int inputVariable = 0; Переменная может быть объявлена в раз- ных местах программы, и то, где это сделано, определяет, какие части про- граммы могут использовать переменную. 7. границы переменных Переменные могут быть объявлены в начале программы перед void setup(), локально внутри функций, и иногда в блоке выражений таком, как цикл for. То, где объявлена переменная, определяет её границы (область видимости), или возможность некоторых частей программы её использовать. Глобальные переменные таковы, что их могут видеть и использовать лю- бые функции и выражения программы. Такие переменные декларируются в начале программы перед функцией setup(). Локальные переменные определяются внутри функций или таких частей, как цикл for. Они видимы и могут использоваться только внутри функции, в ко- торой объявлены. Таким образом, могут существовать несколько переменных с одинаковыми именами в разных частях одной программы, которые содержат разные значения. Уверенность, что только одна функция имеет доступ к её пе- ременной, упрощает программу и уменьшает потенциальную опасность воз- никновения ошибок. Следующий пример показывает, как декларировать несколько разных ти- пов переменных, и демонстрирует видимость каждой переменной: 13 7.1byte Байт хранит 8-битовое числовое значение без десятичной точки. Он имеет диапазон от 0 до 255. 7.2int Целое — это первый тип данных для хранения чисел без десятичной точки, и хранит 16-битовое значение в диапазоне от 32767 до -32768. Примечание: Целые переменные будут переполняться, если форсировать их переход через максимум или минимум при присваивании или сравнении. Например, если x = 32767 и следующее выражение добавляет 1 к x, x = x +1 или x++, в этом случае x переполняется и будет равен -32678. 7.3long Тип данных увеличенного размера для больших целых, без десятичной точки, сохраняемый в 32-битовом значении с диапазоном от 2147383647 до - 2147383648. 7.4float Тип данных для чисел с плавающей точкой или чисел, имеющих десятич- ную точку. Числа с плавающей точкой имеют большее разрешение, чем целые и сохраняются как 32-битовые значения в диапазоне от 3.4028235E+38 до - 3.4028235E+38. Примечание: Числа с плавающей точкой не точные, и могут выдавать странные результаты при сравнении. Вычисления с плавающей точкой медлен- 14 нее, чем вычисления целых при выполнении расчётов, так что, без нужды, их следует избегать. массивы Массив — это набор значений, к которым есть доступ через значение ин- декса. Любое значение в массиве может быть вызвано через вызов имени массива и индекса значения. Индексы в массиве начинаются с нуля с первым значением, имеющим индекс 0. Массив нуждается в объявлении, а дополнительно может заполняться значениями до того, как будет использоваться. Схожим образом можно объявлять массив, указав его тип и размер, а поз- же присваивать значения по позиции индекса: Чтобы извлечь значение из массива, присвоим переменной значение по индексу массива: Массивы часто используются в цикле for, где увеличивающийся счётчик применяется для индексации позиции каждого значения. Следующий пример использует массив для мерцания светодиода. Используемый цикл for со счётчи- ком, начинающимся с 0, записывает значение из позиции с индексом 0 массива flicker[], в данном случае 180, на PWM-вывод (широтно-импульсная модуля- ция) 10; затем пауза в 200 ms, а затем переход к следующей позиции индекса. 8.арифметика Арифметические операции включают сложение, вычитание, умножение и деление. Они возвращают сумму, разность, произведение или частное (соответ- ственно) двух операндов. 15 Операция управляется используемым типом данных операндов, так что, например, 9/4 даёт 2 вместо 2.25, поскольку 9 и 4 имеют тип int и не могут ис- пользовать десятичную точку. Это также означает, что операция может вызвать переполнение, если результат больше, чем может храниться в данном типе. Если используются операнды разного типа, то для расчётов используется больший тип. Например, если одно из чисел (операндов) типа float, а второе це- лое, то для вычислений используется тип с плавающей точкой. Выбирайте типы переменных достаточные для хранения результатов ва- ших вычислений. Прикиньте, в какой точке ваша переменная переполнится, а также, что случится в другом направлении, то есть, (0-1) или (0- -32768). Для вычислений, требующих дробей, используйте переменные типа float, но остере- гайтесь их недостатков: большой размер и маленькая скорость вычислений. Примечание: Используйте оператор приведения типа (название типа) для округления, то есть, (int)myFloat - для преобразования переменной одного типа в другой «на лету». Например, i = (int) 3.6 - поместит в i значение 3. 9.смешанное присваивание Смешанное присваивание сочетает арифметические операции с операция- ми присваивания. Чаще всего встречается в цикле for, который описан ниже. Наиболее общее смешанное присваивание включает: Примечание: Например, x *= 3 утроит старое значение x и присвоит по- лученный результат x. 10 константы Язык Arduino имеет несколько предопределённых величин, называемых константами. Они используются, чтобы сделать программу удобной для чтения. Константы собраны в группы. 10.1 true/false Это Булевы константы, определяющие логические уровни. FALSE легко определяется как 0 (ноль), а TRUE, как 1, но может быть и чем-то другим, от- личным от нуля. Так что в Булевом смысле -1, 2 и 200 — это всё тоже опреде- ляется как TRUE. 10.2 high/low Эти константы определяют уровень выводов как HIGH или LOW и исполь- зуются причтении или записи на логические выводы. HIGH определяется как 16 логический уровень 1, ON или 5 вольт(3-5), тогда как LOW — 0, OFF или 0 вольт(0-2). input/output Константы используются с функцией pinMode() для задания режима рабо- ты цифровых выводов: либо как INPUT (вход), либо как OUTPUT (выход). 11 управление программой 11.1if Конструкция if проверяет, будет ли выполнено некое условие, такое, как, например, будет ли аналоговое значение больше заданного числа, и выполняет какое-то выражение в скобках, если это условие true (истинно). Если нет, то выражение в скобках будет пропущено. Формат для if следующий: Пример выше сравнивает someVariable со значением (value), которое мо- жет быть и переменной, и константой. Если выражение или условие в скобках истинно, выполняется выражение в фигурных скобках. Если нет, выражение в фигурных скобках пропускается, и программа выполняется с оператора, следу- ющего за скобками. Примечание: Нужно остерегайтесь случайного использования «=», как в if (x = 10), что технически правильно, определяя x равным 10, но результат это- го всегда true. Вместо этого используйте «==», как в if (x == 10), что осуществ- ляет проверку значения x — равно ли оно 10 или нет. Нужно запомнить «=» - равно, а «==» - равно ли? 11.2 if...else Конструкция if...else позволяет сделать выбор «либо, либо». Например, ес- ли вы хотите проверить цифровой вход и выполнить что-то, если он HIGH, или выполнить что-то другое, если он был LOW, вы должны записать следующее: else может также предшествовать другой проверке if так, что эти множе- ственные, взаимоисключающие проверки могут запускаться одновременно. И возможно даже неограниченное количество подобных else переходов. Хотя следует помнить, что только один набор выражений будет выполнен в зависи- мости от результата проверки: 17 Примечание: Конструкция if просто проверяет, будет ли выражение в круглых скобках истинно или ложно. Это выражение может быть любым пра- вильным, относительно языка Си, выражением, как в первом примере if (inputPin == HIGH). В этом примере if проверяет только то, что означенный вход в состоянии высокого логического уровня или действительно ли напряжение на нём 5 вольт. while Цикл while продолжается, и может продолжаться бесконечно, пока выра- жение в скобках не станет false (ложно). Что-то должно менять проверяемую переменную, иначе из цикла никогда не выйти. И это должно быть в вашем ко- де, как, скажем, увеличение переменной, или внешнее условие, как, например, проверяемый сенсор. Следующий пример проверяет, будет ли someVariable меньше 200, и если да, то выполняются выражения в фигурных скобках, и цикл продолжается, пока someVariable остаётся меньше 200. do...while Цикл do управляемый «снизу» цикл, работающий на манер цикла while, с тем отличием, что условие проверки расположено в конце цикла, таким обра- зом, цикл выполнится хотя бы один раз. 18 Следующий пример присваивает readSensor переменной x, делает паузу на 50 миллисекунд, затем цикл выполняется, пока x меньше, чем 100. цифровой ввод/вывод pinMode (pin, mode) Используется в void setup () для конфигурации заданного вывода, чтобы он работал на вход (INPUT) или на выход (OUTPUT). Цифровые выводы в Arduino предустановлены на вход, так что их нет нужды явно объявлять как INPUT с помощью pinMode (). Выводы, сконфигу- рированные как INPUT, подразумеваются в состоянии с высоким импедансом (сопротивлением). В микроконтроллере Atmega, есть также удобные, программно доступные подтягивающие резисторы 20 кОм. Эти встроенные подтягивающие резисторы доступны следующим образом: Подтягивающие резисторы, как правило, используются при соединении входов с переключателями. Заметьте, что в примере выше нет преобразования pin на выход, это просто метод активизации встроенных подтягивающих рези- сторов. Выводы, сконфигурированные как OUTPUT, находятся в низкоимпеданс- ном состоянии и могут отдавать 40 мА в нагрузку (цепь, другое устройство). Это достаточный ток для яркого включения светодиода (не забудьте последова- тельный токоограничительный резистор!), но не достаточный для включения реле, соленоидов или моторов. Короткое замыкание выводов Arduino или слишком большой ток могут повредить выходы или даже всю микросхему Atmega. Порой, не плохая идея — соединять OUTPUT вывод через последовательно включённый резистор в 470 Ом или 1 кОм. Особое внимание следует уделять технике безопасности. При работе с платформой Arduino необходимо научиться собирать безопасные электронные схемы. Безопасные не столько для разработчиков и пользователей, но и для самой платформы и тех деталей электронного конструктора, из кото- рых будем собирать модели. Электронные устройства в неумелых руках могут перегореть. 19 4. Практическая часть Когда у нас возникло желание научиться программировать Arduino, мы столкнулся с несколькими проблемами: Выбор модели из списка доступных Попытки понять, что понадобится кроме самой платформы Установка и настройка среды разработки Поиск и разбор тестовых примеров «Разборки» с экраном «Разборки» с процессором Для решения этих проблем нами были просмотрены и прочитаны довольно много разных источников. На первом этапе мы выполнили все проекты, представленные на сайте http://wiki.amperka.ru/конспект-arduino при этом адаптировали предложенные схемы под свою платформу. Мы проанализировали работу светодиодов, кно- пок, регистров. Поработали со звуком и датчиком температуры, выполни рабо- ту со световым табло. В результате выполненных работ мы не только получили устойчивые результаты, но и смогли заинтересовать своей работой однокласс- ников. В приложении представлены скриншоты программ. На втором этапе мы решил создать модель робота-машинки. Для начала использовав, детский металлический конструктор, мы собра- ли модель машинки. Подключили два моторчика к заднему мосту. Собрали схему. Как только схема была собрана, приступили к программированию само- го микроконтроллера Ардуино. Выполнили загрузку скетча, выполнили отлад- ку программы. Процесс и результат выполнения проекта мы записали в ви- деофайл. Затем мы модифицировали модель, заменив рулевой моторчик на более мощный так, как повороты осуществлялись только в движении, и для наилуч- шего прохождения препятствий сразу же лучше поставить дифференциал на оба колеса и на каждый моторчик редуктор. Для поворотов мы использовал шаговый моторчик на 12 V. Его преимуще- ства: мощный, его тяжело остановить, а так же повернуть, если подано на него напряжение. Из недостатков: нужен драйвер двигатель, малая скорость поворо- та и сложный процесс программирования. Но для первого запуска машинки нам хватило. Затем мы поставить сервопривод из преимуществ: высокая ско- рость поворота, программирование происходит по градусам поворота, а не по шагам, как это было с шаговым двигателем. Недостатки по сравнению с шаго- вым моторчиком: слабее при некотором усилии колёса могут повернуть сами, но это не помешало нашей модели. Таким образом, у нас получилась модель машинки, которая ездит по запрограммированной траектории. Планируем добавление разных датчиков, например, дальномер, но из-за нехватки свободного времени и нужных приспособлений еще не удалось сде- лать. 20 5.Заключение Данная тема актуальна. Работа над проектом позволила нам расширить знания не только в области информатики, но и физики, что, несомненно, приго- дится в будущей профессиональной деятельности. Мы сделали вывод, что для овладения наукой робототехника, нужно быть специалистом во многих областях: программирование, механика, физика, элек- троника и т.д. Требование времени и общества к информационной компетент- ности учащихся постоянно возрастают. Ученики должен быть мобильным, со- временным, готовым к разработке и внедрению инноваций в жизнь. В ходе работы над проектом мы изучил множество моделей, а так же по- строил несколько своих опытных образцов, основанные на микроконтроллере Arduino. При создании моделей мы: 1. Научился программировать на Си-подобном языке. 2. Создали действующую модель машинки. 3. Доказали, что микроконтроллер Arduino многофункционален и мо- жет использоваться в робототехнике любым энтузиастом. 4. Заинтересовали программированием своих одноклассников. Как результаты исследования считаем следующее: приобретенный опыт в программировании и конструировании, возможность применения полученных знаний на уроках информатики, технологии и физики, знакомство с аналогич- ными работами в литературе и Интернете. Выполняя эту работу, мы получил базовые знания о платформе Arduino, научился основам электротехники, программированию на языке Arduino и со- здал несколько схем на основе полученных знаний. Считаем, что поставленные нами цели и задачи были достигнуты. Поставленная гипотеза доказана и под- тверждена построенными моделями. Подобные модели не являются вершиной робототехники, но они показывают, на сколько обширен спектр применения микроконтроллера Arduino. Данную тему мы собираемся развивать далее в рамках проекта «Умный дом» и полноценно заняться робототехникой и программированием. 21 6.Список литературы 1. MaxKit. Быстрый старт. Набор конструктор начинающего изобретателя. Первые шаги по освоению Arduino.- 2015 г. 2. Бейктал Дж . Конструируем роботов на Arduino. -Первые шаги. Издатель- ство: Лаборатория знаний. -2015 3. Блум Джереми. Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства. -2015 4. Гололобов В.Н. О проекте Arduino для школьников (и не только). -2011 5. ИгоТ. Arduino, датчики и сети для связи устройств: Пер. с англ.-2-е изд.- СПб.: БХВ-Петербург, 2015. - 544 с. 6. Улли Соммер. Программирование микроконтроллерных плат ArduinoFreeduino.-2012 7. Учебник для образовательного набора «Амперка». Основы программиро- вания микроконтроллеров. Москва. -2013 8. Интернет - Робототехника и мехатроника http://www.keldysh.ru/pages/anniver/achievment/21_robot.htm 9. Интернет - Анализ ситуации с технической точки зрения http://btvt.narod.ru/4/kg.htm 10. Мокров Е.А. Интегральные датчики. Состояние разработок и производ- ства. Направления развития, объемы рынка // Датчики и системы.-2000.-№1.-С. 28…30. 11. Интернет – Заточка режущего инструмента http://library.novosel.ru/show.php?c=17&id=1647 Специализированные сайты: http://arduino.ru/ http://arduino-projects.ru/ http://arduino-e.ru/ http://cxem.net/arduino/arduino.php http://arduino.ua/ru/about/ http://radiohata.ru/arduino/ http://www.pvsm.ru/cat/ 22 7.Приложение Скриншот программы «Один светодиод» Скриншот программы «Кнопочный светофор» 23 Скриншот программы «Машинка» Внешний вид платформы Arduino |