Кстати, откуда взялись подобные ограничения? Это связано с тем, что физически данные хранятся в виде бит, в так называемой двоичной системе счисления.
Один бит - это минимально возможная величина, способная принимать значения “0” или “1”. 8 бит объединяются в байт. Любое число можно представить в виде двоичной записи, как сумму чисел степени 2 (1,2,4,8,16,32,...), например:
5 = 0*128 + 0*64 + 0*32 + 0*16 + 0*8 + 1*4 + 0*2 + 1*1 = 00000101.
Нетрудно подсчитать, что максимально возможное число при таком виде записи будет составлять 128+64+32+16+8+4+2+1 = 255. Это так называемое беззнаковое целое число (unsigned integer). Если один из разрядов зарезервировать под знак (+ или -), то останется 7 разрядов для чисел, что и соответствует -127..128.
Для 16-битных чисел диапазон значений соответственно больше, при желании их нетрудно подсчитать самостоятельно.
Вещественные числа хранятся в немного более сложном формате, так называемом формате “чисел с плавающей точкой”, состоящего из двух хранимых величин - мантиссы и экспоненты. К примеру, число 3.14 в двоичном виде будет храниться так: 01000000010010001111010111000011. Первый 0 - это знак (+), 1000000 = 128 - это экспонента, а 10010001111010111000011 - это мантисса. Вещественное число получается по формуле:
value = (1 + b0/2 + b1/4 + b2/8 + b3/16 + … ) * 2e-127
Действительно, нетрудно подсчитать, что:
(1 + 1/2 + 1/16 + ...) * 21 = 3.14
Важно отметить, что в отличие от целых чисел, вещественные числа представляются с некоторой небольшой погрешностью, она невелика, но она есть.
Разумеется, для пользователя все это прозрачно - можно написать float pi = 3.14, и не задумываться как оно внутри хранится. Но чтобы писать эффективные программы, про хранение данных хотя бы в общих чертах необходимо знать.
Теперь, вооруженные всеми этими знаниями, мы можем вновь взять плату Arduino обратно, и продолжить эксперименты с “железом”.
2.3 Мигаем светодиодом
В предыдущей части мы уже подключали светодиод к источнику питания. Arduino Nano содержит уже подключенный светодиод, для его использования достаточно лишь написать программу.
Каждый вывод микроконтроллера может работать в двух режимах: как вход (input), или как выход (output). Режим “выход” - это то, что нам нужно, при подаче на вывод “1” на выводе появляется напряжение 5В, при подаче на вывод “0” напряжение становится равным 0.
Для того, чтобы запрограммировать Arduino, нам понадобится:
- Скачать и установить Arduino IDE со страницы https://www.arduino.cc/en/Main/Software
- Подключить плату к компьютеру, в системе при этом должен появиться новый порт, например COM7
- Запустить Arduino IDE, набрать текст программы, как показано на рисунке
- Нажать кнопку левую кнопку “Проверить” и соседнюю “Загрузить” - программа будет загружена в Arduino.
Если все было сделано правильно, через несколько секунд мы увидим мигающий на плате светодиод (при самом первом запуске, Arduino IDE вначале предложит сохранить текст исходного кода в файле). Если вместо сообщения “Done compiling” мы видим ошибку, нужно внимательно прочитать, что она значит. К примеру, может быть выбран неправильный порт, или в тексте программы есть опечатка.
Теперь, можно отложить мигающую плату, и разобраться, что же мы такое сделали.
Разберем программу по шагам.
int led = 13; Здесь создается глобальная переменная, хранящая номер вывода “13”, к которому подключен светодиод (номера выводов можно посмотреть в документации к плате).
void setup() - здесь объявляется функция setup, которая будет вызвана только один раз при запуске программы. В ней мы настраиваем наш вывод 13 как “выход”, вызовом функции pinMode(led, OUTPUT);.
Функция loop(), в отличие от setup, выполняется постоянно, бесконечное число раз. В ней мы и размещаем всю логику работы программы. В данном случае, логика проста - мы посылаем в порт логическую “1” командой digitalWrite(led, HIGH), затем ждем одну секунду с помощью вызова delay(1000), затем посылаем логический “0”, опять ждем. Данный цикл будет автоматически повторяться, пока плата включена и работает.
Огромный плюс использования микроконтроллеров - в их огромной гибкости, изменяя код, мы можем полностью менять логику работы программы. Например, несложно сделать чтобы светодиод мигал в режиме “2 коротких, 1 длинный”, для этого достаточно лишь изменить текст кода:
void loop() {
digitalWrite(led, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(led, LOW);
delay(500);
digitalWrite(led, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(led, LOW);
delay(500);
digitalWrite(led, HIGH);
delay(2000);
digitalWrite(led, LOW);
delay(2000);
}
Не нужно ни пайки, ни какой-либо перенастройки, все делается чисто программно.
Кстати, зачем нужен вызов функции delay? Все просто, без нее программа тоже будет работать - но светодиод будет переключаться со скоростью тысячи раз в секунду, что будет неразличимо глазом. Тактовая частота процессора составляет несколько мегагерц, и без пауз программа будет работать слишком быстро.
Можно ли подключить светодиод к другому выводу, или подключить несколько светодиодов? Разумеется, можно. Для этого нужно найти инструкцию к плате, где будут указаны номера выводов (номера подписаны и на самой плате). Для Arduino Uno такая схема выглядит примерно так:
Далее, достаточно подключить к нужному выводу (например это может быть пин “10”) светодиод, не забыв и ограничительный резистор. Вторым выводом будет общий вывод, или GND (это аналог вывода “-” в схеме с батарейкой из первой части книги). На плате несколько выводов GND, можно использовать любой из них, они соединены вместе.
Схема целиком на макетной плате будет выглядеть так:
Разумеется, текст кода тоже придется изменить, поменяв номер вывода с 13 на 10.
Самостоятельная работа #1: Замедлить скорость мигания светодиодов до 5-10с. Тестером померять напряжение на выходе Arduino, и убедиться что оно изменяется от 0 до 5В с соответствующей частотой.
Самостоятельная работа #2: подключить 2-3 дополнительных светодиода, каждый через свой токоограничительный резистор. Добавить код для их переключения, можно также поэкспериментировать с различными световыми эффектами (поочередное или параллельное мигание и пр).
2.4 Мигаем светодиодом: широтно-импульсная модуляция
В первой части мы уже рассматривали изменение яркости светодиода с помощью ШИМ - широтно-импульсной модуляции. Там мы использовали таймер NE555, чтобы создать напряжение такого вида:
То же самое легко запрограммировать с помощью контроллера. Напишем программу, которая будет плавно повышать яркость светодиода от нуля до максимума.
int led = 13;
int pwm = 0;
void setup() {
pinMode(led, OUTPUT);
}
void loop() {
for(int i=0; i<1000; i++) {
digitalWrite(led, HIGH);
delayMicroseconds(pwm);
digitalWrite(led, LOW);
delayMicroseconds(100 - pwm);
}
pwm += 1;
if (pwm > 100) pwm = 0;
}
Мы создали глобальную переменную pwm, в которой сохраняется текущее значение уровня заполнения в процентах. Дальше мы включаем “высокое” и “низкое” состояние вывода, в соответствии с этим значением - когда одно значение велико, второе, наоборот, мало. Цикл “for(int i=0; i<1000; i++)” повторяет участок кода 1000 раз - без него светодиод менял бы яркость слишком быстро.