Послесловие к базовым урокам

Вот и закончился базовый курс уроков программирования Arduino. Мы с вами изучили самые базовые понятия, вспомнили (или изучили) часть школьной программы по информатике, изучили большую часть синтаксиса и инструментов языка C++, и вроде бы весь набор Ардуино-функций, который предлагает нам платформа. Подчеркну – мы изучили C++ и функции Ардуино, потому что никакого “языка Arduino” нет, это ложное понятие. Arduino программируется на C или ассемблере, а платформа предоставляет нам всего лишь несколько десятков удобных функций для работы с микроконтроллером, именно функций, а не язык. Теперь перед нами чистый лист блокнота Arduino IDE и желание творить и программировать, давайте попробуем!

Структура программы

Прежде, чем переходить к реальным задачам, нужно поговорить о некоторых фундаментальных вещах. Микроконтроллер,  как мы обсуждали в самом начале пути, это комплексное устройство, состоящее из вычислительного ядра, постоянной и оперативной памяти и различных периферийных устройств (таймеры/счётчики, АЦП и проч.). Обработкой нашего с вами кода занимается именно ядро микроконтроллера, оно раздаёт команды остальным “железкам”, которые в дальнейшем могут работать самостоятельно. Ядро выполняет различные команды, подгоняемое тактовым генератором: на большинстве плат Arduino стоит генератор с частотой 16 МГц. Каждый толчок тактового генератора заставляет вычислительное ядро выполнить следующую команду, таким образом Ардуино выполняет 16 миллионов операций в секунду. Много ли это? Для большинства задач более чем достаточно, главное использовать эту скорость с умом.

Зачем я об этом рассказываю: микроконтроллер может выполнить только одну задачу в один момент времени, так как у него только одно вычислительное ядро, поэтому реальной “многозадачности” нет и быть не может, но за счёт большой скорости выполнения ядро может выполнять задачи по очереди, и для человека это будет казаться многозадачностью, ведь что для нас “раз Миссисипи“, для микроконтроллера – 16 миллионов действий!

Основной парадигмой работы с микроконтроллером является так называемый суперцикл, то есть главный цикл программы, который выполняется сверху вниз (если смотреть на код) и начинает с самого начала, когда доходит до конца, и так далее. В Arduino IDE нашим суперциклом является loop(). В главном цикле мы можем опрашивать датчики, управлять внешними устройствами, выводить данные на дисплеи, производить вычисления и всё такое, но в любом случае эти действия будут происходить друг за другом, последовательно.

Помимо цикла у нас есть прерывания, которые позволяют реализовать некую “поточность” выполнения задач, особенно в тех ситуациях, когда важна скорость работы. Прерывание позволяет остановить выполнение основного цикла в любом его месте, отвлечься на выполнение некоторого блока кода, и после успешного его завершения вернуться к основному циклу и продолжить работу. Некоторые задачи можно решить только на прерываниях, не написав ни одной строчки в цикл loop()! Мы с вами изучали аппаратные прерывания, позволяющие прерваться при замыкании контактов. Такие прерывания являются внешними, то есть их провоцируют внешние факторы (человек нажал на кнопку, сработал датчик, и т.д.). Также у микроконтроллера есть внутренние прерывания, которые вызываются периферией микроконтроллера, и этих прерываний может быть не один десяток!

Одним из таких прерываний является прерывание таймера: по умолчанию Arduino IDE настраивает один из таймеров на счёт реального времени, благодаря этому у нас работают такие функции как millis() и micros(). Именно эти функции являются готовым инструментом для тайм-менеджмента нашего кода.

Многозадачность?

Большинство примеров к различным модулям/датчикам используют задержку delay() в качестве “торможения” программы, например для вывода данных с датчика в последовательный порт. Именно такие примеры портят восприятие новичка, и он тоже начинает использовать задержки. А на задержках далеко не уедешь!

Давайте вспомним конструкцию таймера на millis() из урока о функциях времени: у нас есть переменная, которая хранит время прошлого “срабатывания” таймера. Мы вычитаем это время из текущего времени, эта разница постоянно увеличивается, и по условию мы можем поймать тот момент, когда пройдёт нужное нам время. Будем учиться избавляться от delay()! Начнём с простого: классический blink:

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);  // пин 13 как выход
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH); // включить
  delay(1000);            // ждать
  digitalWrite(13, LOW);  // выключить
  delay(1000);            // ждать
}

Программа полностью останавливается на команде delay(), ждёт указанное время, а затем продолжает выполнение. Чем это плохо? (А вы ещё спрашиваете?) Во время этой остановки мы ничего не можем делать в цикле loop, например не сможем опрашивать датчик 10 раз в секунду: задержка не позволит коду пойти дальше. Можно использовать прерывания (например – таймера), но о них мы поговорим в продвинутых уроках. Сейчас давайте избавимся от задержки в самом простом скетче.

Первым делом внесём такую оптимизацию: сократим код вдвое и избавимся от одной задержки, используя флаг:

boolean LEDflag = false;

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(13, LEDflag); // вкл/выкл
  LEDflag = !LEDflag; // инвертировать флаг
  delay(1000);        // ждать
}

Хитрый ход, запомните его! Такой алгоритм позволяет переключать состояние при каждом вызове. Сейчас наш код всё ещё заторможен задержкой в 1 секунду, давайте от неё избавимся:

boolean LEDflag = false;
uint32_t myTimer; // переменная времени

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  if (millis() - myTimer >= 1000) {
    myTimer = millis(); // сбросить таймер
    digitalWrite(13, LEDflag); // вкл/выкл
    LEDflag = !LEDflag; // инвертировать флаг
  }
}

Что здесь происходит: цикл loop() выполняется несколько сотен тысяч раз в секунду, как ему и положено, потому что мы убрали задержку. Каждую свою итерацию мы проверяем, не настало ли время переключить светодиод, не прошла ли секунда? При помощи этой конструкции и создаётся нужная многозадачность, которой хватит для 99% всех мыслимых проектов, ведь таких “таймеров” можно создать очень много!

boolean LEDflag = false;
// переменные времени
uint32_t myTimer, myTimer1, myTimer2;
uint32_t myTimer3;

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // каждую секунду
  if (millis() - myTimer >= 1000) {
    myTimer = millis(); // сбросить таймер
    digitalWrite(13, LEDflag); // вкл/выкл
    LEDflag = !LEDflag; // инвертировать флаг
  }

  // 3 раза в секунду
  if (millis() - myTimer1 >= 333) {
    myTimer1 = millis(); // сбросить таймер
    Serial.println("timer 1");
  }

  // каждые 2 секунды
  if (millis() - myTimer2 >= 2000) {
    myTimer2 = millis(); // сбросить таймер
    Serial.println("timer 2");
  }

  // каждые 5 секунд
  if (millis() - myTimer3 >= 5000) {
    myTimer3 = millis(); // сбросить таймер
    Serial.println("timer 3");
  }
}

Данный код всё ещё мигает светодиодом раз в секунду, но помимо этого он с разными промежутками времени отправляет сообщения в последовательный порт. Если открыть его, можно увидеть следующий текст:

timer 1
timer 1
timer 1
timer 1
timer 1
timer 1
timer 2
timer 1
timer 1
timer 1
timer 1
timer 1
timer 1
timer 2
timer 1
timer 1
timer 1
timer 3
timer 1
timer 1
timer 1
timer 2
timer 1

Это означает, что у нас спокойно работают 4 таймера с разным периодом срабатывания, работают “параллельно”, обеспечивая нам многозадачность: мы можем выводить данные на дисплей раз в секунду, и заодно опрашивать датчик 10 раз в секунду и усреднять его показания. Хороший пример для первого проекта! Давайте соберём простенькие метео-часы.

Как соединить несколько скетчей?

Сила Arduino как конструктора заключается в том, что абсолютно по любой железке вы сможете найти в Гугле подробное описание, библиотеку, схему подключения и пример работы: полностью готовый набор для интеграции в свой проект! Вернёмся к нашим метео-часам и попробуем “собрать” такой проект из скетчей-примеров, ведь именно для этого примеры и нужны! Нам понадобится:

• Arduino NANO
• Дисплей. Пусть будет LCD1602 с переходником на i2c
• Модуль реального времени, возьмём DS3231
• Термометр ds18b20

Начинаем гуглить информацию по подключению и примеру для каждой железки:

• Дисплей (arduino lcd 1602 i2c) – урок по первой ссылке
• Часы RTC (arduino ds3231) – урок по первой ссылке
• Термометр (arduino ds18b20) – урок по первой ссылке

Из уроков из Гугла мы узнаём такую важную информацию, как схемы подключения: дисплей и часы подключаются к шине i2c, а датчик ds18b20 можно подключить в любой другой пин. Схема нашего проекта:

Качаем библиотеки для наших модулей и устанавливаем. Библиотеку дисплея нам дают прямо в статье: https://iarduino.ru/file/134.html, библиотеку для часов по своему опыту советую RTClib (та, что в статье – не очень удобная). В статье про датчик температуры нам рассказали про библиотеку DallasTemperature.h, ссылку – не дали. Ну чтож, поищем сами “DallasTemperature.h”, найдём по первой ссылке. Для неё нужна ещё библиотека OneWire, ссылку на неё дали в статье про термометр. Итого у нас должны быть установлены 4 библиотеки.

Сейчас наша цель – найти рабочие примеры для каждой железки, убедиться в их работоспособности и выделить для себя минимальный набор кода для управления модулем, это бывает непросто – в статьях бывают ошибки и просто нерабочий код: эти статьи чаще всего являются копипастой от людей, далёких от темы. Я взял пример работы с дисплеем из статьи, а вот часы и термометр пришлось смотреть в примерах библиотеки. Немного причешем примеры, оставим только нужные нам функции получения значений или вывода, я оставил всё что мне нужно в setup():

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); // Устанавливаем дисплей
// адрес может быть 0x27 или 0x3f
void setup() {
  lcd.init();
  lcd.backlight();  // Включаем подсветку дисплея

  // Устанавливаем курсор на вторую строку и нулевой символ.
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Hello!");  // пишем
}
void loop() {
}

#include "RTClib.h"
RTC_DS3231 rtc;

void setup () {
  Serial.begin(9600);
  // проверка, подключен ли модуль
  if (! rtc.begin()) {
    Serial.println("Couldn't find RTC");
    while (1);
  }

  // установка времени равному времени компиляции
  // если у модуля был сброс питания!
  if (rtc.lostPower()) {
    Serial.println("RTC lost power, lets set the time!");
    rtc.adjust(DateTime(F(__DATE__), F(__TIME__)));
  }

  // вывод значений времени
  DateTime now = rtc.now();

  Serial.print(now.year(), DEC);
  Serial.print('/');
  Serial.print(now.month(), DEC);
  Serial.print('/');
  Serial.print(now.day(), DEC);
  Serial.print(" ");
  Serial.print(now.hour(), DEC);
  Serial.print(':');
  Serial.print(now.minute(), DEC);
  Serial.print(':');
  Serial.print(now.second(), DEC);
  Serial.println();
}

void loop () {
}

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define ONE_WIRE_BUS 2
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  sensors.begin();
  sensors.requestTemperatures(); // запрос температуры
  float tempC = sensors.getTempCByIndex(0);  // получаем
  Serial.println(tempC);  // выводим
}

void loop() {
}

Итак, примеры проверены, все модули работают корректно. Начнём соединять всё в один проект! Первым делом соединяем в начале скетча все библиотеки, объявленные объекты, типы данных и переменные. Для красоты и понятности – сортируем: сначала настройки (define), затем подключенные библиотеки, и в конце уже данные:

// НАСТРОЙКИ
#define ONE_WIRE_BUS 2  // пин ds18b20

// БИБЛИОТЕКИ
#include "RTClib.h"
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

// ОБЪЕКТЫ И ПЕРЕМЕННЫЕ
// адрес может быть 0x27 или 0x3f
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f, 16, 2); // Устанавливаем дисплей
RTC_DS3231 rtc;
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

void setup() {
}

void loop() {
}

Далее переносим инициализацию в setup():

void setup() {
  // дисплей
  lcd.init();
  lcd.backlight();  // Включаем подсветку дисплея

  // термометр
  sensors.begin();

  // часы
  rtc.begin();
  // установка времени равному времени компиляции
  if (rtc.lostPower()) {
    rtc.adjust(DateTime(F(__DATE__), F(__TIME__)));
  }
}

Отлично! Теперь самое сложное: нужно продумать логику работы программы. Разобьём на простые действия:

• 1 раз в секунду – вывод часов (ЧЧ:ММ:СС) и актуального значения с датчика
• 2 раза в секунду – мигание светодиодом на плате
• 5 раз в секунду – измерение температуры и усреднение

Вот так будет выглядеть наш loop():

void loop() {
  // 2 раза в секунду
  if (millis() - myTimer1 >= 500) {
    myTimer1 = millis(); // сбросить таймер
    toggleLED();
  }

  // 5 раз в секунду
  if (millis() - myTimer2 >= 200) {
    myTimer2 = millis(); // сбросить таймер
    getTemp();
  }

  // каждую секунду
  if (millis() - myTimer3 >= 1000) {
    myTimer3 = millis(); // сбросить таймер
    redrawDisplay();
  }
}

Выполняемые по таймерам функции мы создадим и заполним

void toggleLED() {
  digitalWrite(13, LEDflag); // вкл/выкл
  LEDflag = !LEDflag; // инвертировать флаг
}

void getTemp() {
  // суммируем температуру в общую переменную
  tempSum += sensors.getTempCByIndex(0);
  sensors.requestTemperatures();

  // счётчик измерений
  tempCounter++;
  if (tempCounter >= 5) { // если больше 5
    tempCounter = 0;  // обнулить
    temp = tempSum / 5; // среднее арифметическое
    tempSum = 0;  // обнулить
  }
}

void redrawDisplay() {
  // ВРЕМЯ
  DateTime now = rtc.now(); // получить время
  lcd.setCursor(0, 0);      // курсор в 0,0
  lcd.print(now.hour());    // часы
  lcd.print(':');
  // первый ноль для красоты
  if (now.minute() < 10) lcd.print(0);
  lcd.print(now.minute());
  lcd.print(':');
  // первый ноль для красоты
  if (now.second() < 10) lcd.print(0);
  lcd.print(now.second());

  // TEMP
  lcd.setCursor(11, 0);    // курсор в 11,0
  lcd.print("Temp:");

  lcd.setCursor(11, 1);    // курсор в 11,1
  lcd.print(temp);

  // ДАТА
  lcd.setCursor(0, 1);      // курсор в 0,1
  // первый ноль для красоты
  if (now.day() < 10) lcd.print(0);
  lcd.print(now.day());
  lcd.print('.');
  // первый ноль для красоты
  if (now.month() < 10) lcd.print(0);
  lcd.print(now.month());
  lcd.print('.');
  lcd.print(now.year());
}

Для функционирования таймеров и счёта температуры нам также понадобились глобальные переменные, запишем их до setup():

uint32_t myTimer1, myTimer2, myTimer3;
boolean LEDflag = false;
float tempSum = 0, temp;
byte tempCounter;

И в целом наш проект завершён! По мере разборок с термометром выяснилась интересная особенность: чтение сильно тормозит код, команда requestTemperatures() ждёт ответа датчика и блокирует выполнение кода, из-за чего часы не успевают идти 1 раз в секунду. Покопавшись в примерах, я нашёл асинхронный опрос датчика: в setup добавилась строчка sensors.setWaitForConversion(false); . Соответственно вот весь код проекта:

// НАСТРОЙКИ
#define ONE_WIRE_BUS 2  // пин ds18b20
// БИБЛИОТЕКИ
#include "RTClib.h"
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
// ОБЪЕКТЫ И ПЕРЕМЕННЫЕ
// адрес может быть 0x27 или 0x3f
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f, 16, 2); // Устанавливаем дисплей
RTC_DS3231 rtc;
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);
uint32_t myTimer1, myTimer2, myTimer3;
boolean LEDflag = false;
float tempSum = 0, temp;
byte tempCounter;
void setup() {
Serial.begin(9600); // для отладки
pinMode(13, 1);
// дисплей
lcd.init();
lcd.backlight();  // Включаем подсветку дисплея
// термометр
sensors.begin();
sensors.setWaitForConversion(false);  // асинхронное получение данных
// часы
rtc.begin();
// установка времени равному времени компиляции
if (rtc.lostPower()) {
rtc.adjust(DateTime(F(__DATE__), F(__TIME__)));
}
}
void loop() {
// 2 раза в секунду
if (millis() - myTimer1 >= 500) {
myTimer1 = millis(); // сбросить таймер
toggleLED();
}
// 5 раз в секунду
if (millis() - myTimer2 >= 200) {
myTimer2 = millis(); // сбросить таймер
getTemp();
}
// каждую секунду
if (millis() - myTimer3 >= 1000) {
myTimer3 = millis(); // сбросить таймер
redrawDisplay();
}
}
void toggleLED() {
digitalWrite(13, LEDflag); // вкл/выкл
LEDflag = !LEDflag; // инвертировать флаг
}
void getTemp() {
// суммируем температуру в общую переменную
tempSum += sensors.getTempCByIndex(0);
sensors.requestTemperatures();
// счётчик измерений
tempCounter++;
if (tempCounter >= 5) { // если больше 5
tempCounter = 0;  // обнулить
temp = tempSum / 5; // среднее арифметическое
tempSum = 0;  // обнулить
}
}
void redrawDisplay() {
// ВРЕМЯ
DateTime now = rtc.now(); // получить время
lcd.setCursor(0, 0);      // курсор в 0,0
lcd.print(now.hour());    // часы
lcd.print(':');
// первый ноль для красоты
if (now.minute() < 10) lcd.print(0);
lcd.print(now.minute());
lcd.print(':');
// первый ноль для красоты
if (now.second() < 10) lcd.print(0);
lcd.print(now.second());
// TEMP
lcd.setCursor(11, 0);    // курсор в 11,0
lcd.print("Temp:");
lcd.setCursor(11, 1);    // курсор в 11,1
lcd.print(temp);
// ДАТА
lcd.setCursor(0, 1);      // курсор в 0,1
// первый ноль для красоты
if (now.day() < 10) lcd.print(0);
lcd.print(now.day());
lcd.print('.');
// первый ноль для красоты
if (now.month() < 10) lcd.print(0);
lcd.print(now.month());
lcd.print('.');
lcd.print(now.year());
}

И вот так это выглядит в жизни

Как видите, ничего особо сложного здесь нет: взяли три примера “из гугла”, проверили их, сократили, и объединили в проект. Да, своего кода тоже пришлось написать прилично, но иначе и не бывает! В программировании главное – практика и наработка собственных “ходов” и алгоритмов, которые потом очень быстро пишутся: я написал код к этому уроку со скоростью печати, особо не задумываясь и не отлаживая, это на самом деле всё очень просто!

Важные страницы

• Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
• Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
• Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макро, все доступные типы данных
• Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
• Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете