Arduino Uno: пины и ваша первая программа

Arduino Uno — это небольшая плата, в центре которой одна микросхема: микроконтроллер ATmega328P. Всё остальное на плате обслуживает эту микросхему: подводит к ней питание, соединяет её с вашим компьютером и выводит её пины на ряды гнёзд вдоль краёв платы. В эти гнёзда и вставляют провода.

#Что есть на плате

#Пины питания

• 5V выдаёт 5 В для датчиков и модулей. А в робот-машине через этот пин, наоборот, приходит питание: сюда его подаёт для Uno драйвер моторов L298N. У пина 5V нет защиты, поэтому никогда не подавайте на него больше 5 В.
• 3.3V выдаёт 3,3 В (примерно до 50 мА) для небольших деталей, которым нужно именно такое напряжение. В робот-машине этот пин не используется.
• GND — это земля, 0 В. Все напряжения на плате отсчитываются от GND. У Uno три пина GND, и на плате они соединены между собой.
• VIN принимает 7–12 В, как и круглое гнездо питания. Собственный стабилизатор платы делает из этого напряжения 5 В.

#HIGH и LOW

У цифрового пина, работающего как выход, два состояния. HIGH соединяет пин с питанием платы: это около 5 В, когда Uno работает от USB. LOW соединяет его с GND: 0 В. Промежуточных значений нет. digitalWrite(2, HIGH) подаёт на D2 около 5 В, а digitalWrite(2, LOW) — 0 В.

Пин, работающий как вход, делает обратную работу. digitalRead(pin) сообщает скетчу, высокое на пине напряжение или низкое. После сброса все пины — входы. Чтобы пин мог чем-то управлять, скетч сначала должен сделать его выходом с помощью pinMode(pin, OUTPUT).

#Коротко о ШИМ и аналоговых пинах

Пины со знаком ~ умеют очень быстро переключаться между HIGH и LOW: примерно 980 раз в секунду на D5 и D6 и примерно 490 раз в секунду на остальных. analogWrite(pin, value) задаёт, какую долю времени на пине держится HIGH. Значение — от 0 до 255: 0 означает «всегда LOW», 255 — «всегда HIGH», а 128 — HIGH примерно половину времени. В уроке Моторы и драйвер L298N так задают скорость мотора.

Аналоговые входы A0–A5 измеряют напряжение. analogRead(A0) возвращает 0 при 0 В, 1023 при 5 В, а между ними — промежуточные значения.

#Какой ток может дать пин

Пин безопасно отдаёт около 20 мА. Абсолютный максимум — 40 мА. При большем токе пин может навсегда выйти из строя. 20 мА хватает для светодиода. А для мотора, которому нужно до 1 А, это слишком мало. Вот почему моторам нужен драйвер.

#Зачем светодиоду резистор

Светодиод сам не ограничивает свой ток. Красному светодиоду, чтобы загореться, нужно около 2 В. Если напряжение хоть немного выше, ток растёт очень резко — пока не сгорит светодиод или пин. Резистор, включённый последовательно со светодиодом, не даёт этому случиться.

В модуле светодиода, который используется на этом сайте, есть свой резистор на 220 Ом. Вот какой ток он пропускает:

• Пин выдаёт 5 В, и около 2 В из них забирает красный светодиод.
• На резистор остаётся около 3 В.
• Ток = 3 В / 220 Ом ≈ 0,014 А = 14 мА.

При 14 мА светодиод горит ярко, и это с запасом меньше 20 мА, допустимых для пина.

#Подключаем модуль светодиода

У модуля светодиода два пина: S (сигнал) и - (минус, земля). Подключите S к D2, а «-» — к одному из пинов GND платы Uno. Светодиод L на D13 — часть платы, поэтому провод ему не нужен.

#Скетч

#Имена для пинов

const byte LED_MODULE = 2; даёт пину 2 имя. byte — это целое число от 0 до 255, а const означает, что значение никогда не меняется. С именами скетч легче читать. Если вы переставите провод, нужно будет изменить одно число вверху, а остальной скетч останется прежним.

#setup() выполняется один раз

Когда плата запускается (после включения питания, сброса или загрузки), она один раз выполняет setup(). Здесь setup() делает D2 и D13 выходами.

#loop() выполняется бесконечно

После setup() плата выполняет loop(). Дойдя до конца, loop() снова начинается сверху — и так, пока у платы есть питание. Один проход этого loop() состоит из двух половин:

1. На D2 HIGH, на D13 LOW: светодиод модуля загорается, а светодиод L гаснет. Затем скетч ждёт 500 мс.
2. На D2 LOW, на D13 HIGH: модуль гаснет, а светодиод L загорается. Затем скетч ждёт ещё 500 мс.

Один проход занимает одну секунду. Поэтому каждый светодиод загорается раз в секунду, и они всегда горят по очереди.

#Три функции

Во время delay() Uno не выполняет ни одной другой строки вашего скетча. Для Blink это нормально. Но роботу, который должен всё время следить за датчиком, нужен другой способ отсчитывать время — о нём рассказывает урок Программы, которые никогда не ждут.

#Кнопки «Проверить» и «Загрузить»

В Arduino IDE две главные кнопки:

• «Проверить» (галочка, Ctrl+R) компилирует скетч: превращает ваш код на C++ в машинный код и проверяет его. Если есть ошибка, например пропущена точка с запятой, появится сообщение об ошибке с номером строки.
• «Загрузить» (стрелка, Ctrl+U) компилирует скетч и записывает его во флеш-память платы. Затем плата перезапускается и выполняет новый скетч.

У встроенной Arduino IDE в симуляторе те же кнопки и те же сочетания клавиш.

В новой плате Uno обычно уже записан скетч Blink, поэтому, когда вы впервые подключаете плату, её светодиод L мигает. В симуляторе плата, в которую ещё не загружали скетч, тоже выполняет этот заводской Blink.

#Попробуйте в симуляторе

Здесь весь робот — это Uno и модуль светодиода на столе в Гараже. Uno работает от USB ноутбука, поэтому батарея не нужна. После загрузки красный модуль светодиода и светодиод L горят по очереди: пока один горит, другой погашен, и каждые полсекунды они меняются. Теперь замените обе строки delay(500) на delay(100) и снова загрузите скетч. Светодиоды будут меняться в пять раз быстрее.

#Сообщения через Serial

Uno умеет ещё и отправлять текст на компьютер по USB-кабелю. Это простой способ увидеть, что делает ваш скетч. Вот setup() из Blink с двумя добавленными строками:

void setup() {
  pinMode(LED_MODULE, OUTPUT);
  pinMode(LED_BOARD, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);              // open the link at 9600 baud
  Serial.println("Blink started"); // send one line of text
}

Serial.begin(9600) запускает последовательную связь на скорости 9600 бод (бит в секунду). Serial.println() отправляет текст и завершает строку. Serial.print() отправляет текст, не завершая строку. Чтобы прочитать сообщения с настоящей платы, откройте в Arduino IDE Инструменты > Монитор порта (Tools > Serial Monitor) и выберите 9600 бод. Пока Serial включён, сообщения идут через D0 и D1, поэтому не подключайте к этим двум пинам другие провода.

В симуляторе монитор порта (Serial Monitor) находится на арене, где робот работает от своей батареи. В уроке Измеряем расстояние с помощью HC-SR04 в него выводятся расстояния.

#Что дальше

• Соберите ту же схему по-настоящему в проекте Blink.
• Заставьте два светодиода мигать с разной скоростью и без delay() в уроке Программы, которые никогда не ждут.
• Заставьте колёса крутиться в уроке Моторы и драйвер L298N.