Arduino: выбор платы, подключение и первая программа

Arduino — это электронная платформа с открытым исходным кодом, которая позволяет взаимодействовать с окружающим миром. Благодаря ей можно создать всё, что придёт в голову — от простых электронных игрушек и автоматизации быта до электронной начинки боевого робота для состязаний, управляемого силой мысли (без шуток).

Из чего состоит Arduino?

На аппаратном уровне это серия смонтированных плат, мозгом которых являются микроконтроллеры семейства AVR. Подробнее о том, чем микроконтроллер отличается от микропроцессора.

Платы имеют на борту всё необходимое для комфортной работы, но их функциональности часто бывает недостаточно. Чтобы сделать свой проект более интерактивным, можно использовать различные модули и платы расширений, совместимые с платформой Arduino. Сюда входят датчики (температуры, освещения, влаги, газа/дыма, атмосферного давления), устройства ввода (клавиатуры, джойстики, сенсорные панели) и вывода (сегментные индикаторы, LCD/TFT дисплеи, светодиодные матрицы).

На программном уровне платформа Arduino представляет собой бесплатную среду разработки Arduino IDE. Микроконтроллеры надо программировать на языке C++, с некоторыми отличиями и облегчениями, созданными для быстрой адаптации начинающих. Компиляцию программного кода и прошивку микроконтроллера среда разработки берёт на себя.

Существует также s4a.cat — сервис, базирующийся на Scratch, позволяющий более наглядно вести разработку на Arduino. Он подойдёт для обучения детей, а также если вы разово хотите создать простое устройство без изучения языка программирования Arduino и различных документаций. Для остальных же случаев лучше придерживаться традиционного процесса разработки.

Нужно ли уметь паять?

Знания в области электромонтажа приветствуются, но совсем не обязательны. Простые устройства на базе Arduino часто выполняются в виде макета. Для этого используется беспаечная макетная плата (англ. breadboard), на которой происходит коммутация модулей с платой Arduino с помощью перемычек.

Макетная плата на 400 отверстий (имеются шины питания по бокам). Источник: https://www.instructables.com/id/Acrylic-Arduino-Prototyping-Stand/

Также существуют наборы, в которые входят сразу плата Arduino (оригинальная или от стороннего производителя), макетная плата, перемычки и различные радиоэлементы, датчики, модули. Например, такой:

Набор для изучения Arduino. Источник

Какие бывают платы

По производителю

Существуют как официальные версии плат Arduino, так и платы от сторонних производителей. Оригинальные платы отличаются высоким качеством продукта, но и цена тоже выше. Они производятся только в Италии и США, о чём свидетельствует надпись на самой плате.

На примере самой популярной платы Arduino UNO:

• Оригинальная плата. Поставляется только в фирменной коробке, имеет логотип компании, на портах платы — маркировка. Цена от производителя 20 €.

Оригинальная плата Arduino UNO. Источник: https://store.arduino.cc/arduino-uno-rev3

• Плата от стороннего производителя. Качество хуже, однако цена начинается от 150 рублей. Качество платы может отразиться на её работоспособности в дальнейшем. Хоть это и редкость, но плата и вовсе может не работать «из коробки» — всё зависит от добросовестности изготовителя и продавца. Для работы с подобными платами требуется драйвер CH340, который находится в свободном доступе. Во всём остальном процесс разработки идентичен процессу разработки на оригинальных платах.

Плата Arudino UNO от стороннего производителя. Источник: https://ht.azurewebsites.net/p/956/arduino-uno-smd-clone-board

По назначению

У платы UNO достаточно портов для реализации большинства проектов. Однако иногда возможностей UNO может быть недостаточно, а иногда — избыточно. По этой причине как оригинальный, так и сторонние производители выпускают большое количество плат, различающихся характеристиками микроконтроллера, количеством портов и функциональным назначением.

Различные платы Arduino. Источник: https://arduinoplus.ru/populyarnie-kontrollery-arduino/

Самые популярные из них:

• Arduino Nano — различие с UNO только в конструктивном исполнении. Nano меньше.
• Arduino Mega — плата на базе мощного микроконтроллера. Имеет большое количество портов.
• Arduino Micro — имеет встроенную поддержку USB-соединения, а потому может использоваться как HID-устройство (клавиатура, мышь, MIDI-устройство).
• Arduino Ethernet — имеет возможность подключения к сети через Ethernet-провод. На плате также расположен слот для microSD карточки.
• Arduino Mini — по характеристикам немного уступает UNO. Преимуществом платы является её миниатюрное исполнение.
• Arduino Due — плата на базе 32-разрядного ARM микроконтроллера. Имеет преимущество в производительности по сравнению с остальными.
• Arduino LilyPad — форм-фактор позволяет использовать плату в предметах одежды и текстиля.
• Arduino Yún — «нужно было ставить линукс…». Имеет поддержку дистрибутива Linux, встроенную поддержку Ethernet и Wi-Fi, слот для microSD. Как и Micro, имеет встроенную поддержку USB-соединения.

Установка ПО

После выбора необходимой платы нужно установить бесплатную среду разработки Arduino IDE, которую можно найти на официальном сайте, а также, по необходимости, драйвер CH340.

Недавно открылась облачная платформа Arduino Create, которая покрывает большинство этапов разработки (от идеи до сборки). Вам не нужно ничего устанавливать на свой компьютер, всё необходимое платформа берёт на себя. В первую очередь — онлайн редактор кода.

В Arduino Create имеется доступ к обучающим материалам, проектам. Вы сможете общаться с профессионалами и помогать новичкам.

Среда разработки Arduino IDE

Особенности программирования на платформе Arduino

Термины

Программный код для Arduino принято называть скетчами (англ. sketches). У скетчей есть два основных метода: setup() и loop(). Первый метод автоматически вызывается после включения/сброса микроконтроллера. В нём происходит инициализация портов и различных модулей, систем. Метод loop() вызывается в бесконечном цикле на протяжении всей работы микроконтроллера.

Порты — неотъемлемая часть любого микроконтроллера. Через них происходит взаимодействие микроконтроллера с внешними устройствами. С программной стороны порты называются пинами. Любой пин может работать в режиме входа (для дальнейшего считывания напряжения с него) или в режиме выхода (для дальнейшей установки напряжения на нём).

Любой пин работает с двумя логическими состояниями: LOW и HIGH, что эквивалентно логическому нулю и единице соответственно. У некоторых портов есть встроенный АЦП, что позволяет считывать аналоговый сигнал со входа (например, значение переменного резистора). Также некоторые пины могут работать в режиме ШИМ (англ. PWM), что позволяет устанавливать аналоговое напряжение на выходе. Обычно функциональные возможности пина указываются на маркировке самой платы.

Основные функции

Для базовой работы с платой в библиотеке Arduino есть следующие функции:

• pinMode(PIN, type) — указывает назначение конкретного пина PIN (значение type INPUT — вход, OUTPUT — выход);
• digitalWrite(PIN, state) — устанавливает логическое состояние на выходе PIN (state LOW — 0, HIGH — 1);
• digitalRead(PIN) — возвращает логическое состояние со входа PIN (LOW — 0, HIGH — 1);
• analogWrite(PIN, state) — устанавливает аналоговое напряжение на выходе PIN (state в пределах от 0 до 255);
• analogRead(PIN) — возвращает значение аналогового уровня сигнала со входа PIN (пределы зависят от разрядности встроенного АЦП. Обычно разрядность составляет 10 бит, следовательно, возвращаемое значение лежит в пределах от 0 до 1023);
• delay(ms) — приостанавливает исполнение скетча на заданное количество миллисекунд;
• millis() — возвращает количество миллисекунд после момента запуска микроконтроллера.

В остальном процесс программирования на Arduino такой же, как на стандартном C++.

Пишем первую программу

Вместо всем привычных Hello World’ов в Arduino принято запускать скетч Blink, который можно найти в Файл→Примеры→01.Basics→Blink. Там же можно найти множество других учебных скетчей на разные темы.

Почти на всех платах размещён светодиод, номер пина которого содержится в переменной LED_BUILTIN. Его можно использовать в отладочных целях. В следующем скетче будет рассмотрен пример управления таким светодиодом.

Рассмотрим скетч Blink:

			// Эта функция запускается при старте микроконтроллера
void setup() {
  // Назначаем пин выходом. На пине LED_BUILTIN находится встроенный светодиод, размещённый на плате
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

// Эта функция вызывается циклически
void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);   // Включаем светодиод (подаём на него логическую 1 — напряжение питания микроконтроллера)
  delay(1000);                       // Ждём секунду
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);    // Выключаем светодиод (подаём на него логический 0 — напряжение земли)
  delay(1000);                       // Ждём секунду
}
		

Прошивка

После написания необходимо «залить» скетч на микроконтроллер. Как уже говорилось, платформа Arduino берёт весь процесс прошивки микроконтроллера на себя — вам лишь необходимо подключить плату к компьютеру.

Перед прошивкой микроконтроллера нужно выбрать вашу плату из списка в IDE. Делается это во вкладке Инструменты→Плата. Большинство существующих плат уже там есть, но при необходимости можно добавлять другие через Менеджер Плат.

После этого нужно подключить плату Arduino к любому USB-порту вашего компьютера и выбрать соответствующий порт во вкладке Инструменты→Порт.

Теперь можно приступать к прошивке микроконтроллера. Для этого достаточно нажать кнопку Загрузка, либо зайти на вкладку Скетч→Загрузка. После нажатия начнётся компиляция кода, и в случае отсутствия ошибок компиляции начнётся прошивка микроконтроллера. Если все этапы выполнены правильно, на плате замигает светодиод с периодом и интервалом в 1 сек.

Обмен данными с компьютером

У всех плат Arduino есть возможность обмена информацией с компьютером. Обмен происходит по USB-кабелю — никаких дополнительных «плюшек» не требуется. Нам нужен класс Serial, который содержит все необходимые функции. Перед работой с классом необходимо инициализировать последовательный порт, указав при этом скорость передачи данных (по умолчанию она равна 9600). Для отправки текстовых данных в классе Serial существуют небезызвестные методы print() и println(). Рассмотрим следующий скетч:

			void setup() {
  Serial.begin(9600); // Инициализируем последовательный порт на скорости 9600 бод
}

void loop() {
  Serial.println("T for Tproger"); // Отправляем сообщение по последовательному порту и переводим на новую строку
  delay(1000); // Ждём секунду
}
		

В Arduino IDE есть Монитор порта. Запустить его можно через Инструменты→Монитор порта. После его открытия убедитесь, что Монитор работает на той же скорости, которую вы указали при инициализации последовательного порта в скетче. Это можно сделать в нижней панели Монитора. Если всё правильно настроено, то ежесекундно в Мониторе должна появляться новая строка «T for Tproger». Обмен данными с компьютером можно использовать для отладки вашего устройства.

Информацию на стороне компьютера можно не только получать, но и отправлять. Для этого рассмотрим следующий скетч:

			void setup() {
  Serial.begin(9600); // Инициализируем последовательный порт на скорости 9600
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); // Инициализируем порт со светодиодом как выход
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) // Если в буфере есть байт для чтения, то...
    switch (Serial.read()) { // Считываем байт с буфера
      case '1': digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // Если байт равен '1' — включаем светодиод
        break;
      case '0': digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); // Если байт равен '0' — выключаем светодиод
        break;
      case 'T': Serial.println("proger"); // Если байт равен 'T' — отправляем по серийному порту текст "proger"
    }  
}
		

Прошиваем микроконтроллер и возвращаемся в Монитор порта. Вводим в верхнее поле 1 и нажимаем Отправить. После этого на плате должен загореться светодиод. Выключаем светодиод, отправив с Монитора 0. Если же отправить символ T, в ответ мы должны получить строку «proger».

Таким способом можно пересылать информацию с компьютера на Arduino и обратно. Подобным образом можно реализовать связь между двумя Arduino.

А как подключать модули?

Для работы с датчиками и модулями их изготовители создают специальные библиотеки. Они служат для простой интеграции модулей в вашу систему. Подключение библиотеки возможно с zip файла или с помощью Менеджера Библиотек.

Однако большое количество датчиков являются бинарными, т. е. считывать информацию с них можно простой функцией digitalRead().

Что изучить дальше?

• Синтаксис библиотеки Arduino.
• Для более сложных архитектур может пригодиться ООП.
• Примеры проектов.
• Работа на макетной плате.
• Основные модули и датчики.