From 0cbe9fce12a38a8228fd8c3dc1f524d054018ee5 Mon Sep 17 00:00:00 2001
From: Alexander Popov <iiiypuk@fastmail.fm>
Date: Fri, 24 Feb 2023 20:13:21 +0300
Subject: [PATCH] arduino learning

---
 content/posts/2023/arduino/start.md | 500 ++++++++++++++++++++++++++++
 1 file changed, 500 insertions(+)
 create mode 100644 content/posts/2023/arduino/start.md

diff --git a/content/posts/2023/arduino/start.md b/content/posts/2023/arduino/start.md
new file mode 100644
index 0000000..eb511cc
--- /dev/null
+++ b/content/posts/2023/arduino/start.md
@@ -0,0 +1,500 @@
+---
+title: "📟 Начало работы с Arduino"
+date: 2023-02-24T16:46:09+03:00
+draft: true
+tags: [arduino, tips]
+---
+
+⚠️ Статья носит информационный характер и находится в процессе написания.  
+Есть вероятность, что через некоторое время, части текста не будет.
+
+## Цифровые и аналоговые пины и их назначение
+
+Все пины можно разделить на несколько видов,
+различие будет только в **количестве** данных выводов на различных платах.
+
+1. **Power Pins** — порты питания, режим их работы нельзя запрограммировать или изменить.  
+Они выдают стабилизированное напряжение 5V или 3,3V,  
+Vin выдает напряжение от источника питания,  
+а GND — это заземление (общий минус)
+2. **PWM Pins** — порты с ШИМ модуляцией, которые можно запрограммировать,  
+как цифровой выход/вход. Данные порты обозначены на плате знаком тильда (˜)
+3. **Analog In** — порты, принимающие аналоговый сигнал от датчиков, работают на вход.  
+Данные порты тоже можно запрограммировать, как цифровой вход/выход.  
+Данные пины не поддерживают ШИМ модуляцию.
+
+Режим пинов назначается в процедуре `void setup` с помощью `pinMode()`, например:
+
+```c
+void setup() {
+    pinMode(10, OUTPUT); // объявляем пин 10 как выход
+    pinMode(A2, OUTPUT); // объявляем пин A2 как выход
+
+    pinMode(12, INPUT); // объявляем пин 12 как вход
+    pinMode(A1, INPUT); // объявляем пин A1 как вход
+}
+```
+
+**Пояснения к коду:**
+1. К выходу `10` и `A2` можно подключить светодиод,
+который будет включаться и выключаться при вызове команды в программе.
+2. Пин `10` может использоваться для ШИМ сигнала,
+например, чтобы плавно включить светодиод, 
+а пин `A2` может выдавать только цифровой сигнал (`0` или `1`)
+3. К входу `12` и `A1` можно подключить цифровой датчик
+и микроконтроллер будет проверять наличие сигнала на этих пинах
+(логический нуль или единицу)
+4. К входу `A1` можно подключить аналоговый датчик,
+тогда микроконтроллер будет получать не только сигнал,
+но и узнавать характеристику сигнала.
+
+ℹ️ **Для справки:**
+
+Пины не случайно разделены на пины с ШИМ модуляцией (_PWM Pins_) и аналоговые.  
+**PWM** пины создают аналоговый сигнал, к ним подключают сервопривод,
+шаговый двигатель и другие устройства,
+где требуется подавать сигнал с разными характеристиками.  
+**Аналоговые пины** (_Analog In_) используются для подключения аналоговых датчиков,
+с них входящий сигнал преобразуется в цифровой с помощью встроенного АЦП.
+
+### Использование аналоговых пинов как цифровые
+
+При подключении большого количества устройств к плате
+пинов общего назначения может не хватить.  
+Тогда в скетче можно указыть, что необходимо использовать аналоговые пины как цифровые.  
+Также можно использовать не буквенное, а цифровое обозначение выходов,
+т.е. `A0` — это 14 пин, `A1` — это 15 пин и т.д. (работает только на Uno или Nano).
+
+В следующем примере две строчки имеют одинаковое значение.
+
+```c
+void setup() {
+    pinMode(A2, OUTPUT); // объявляем пин A2, как цифровой выход
+    pinMode(16, OUTPUT); // объявляем пин 16, как цифровой выход
+}
+```
+
+### Назначение пинов SDA, SCL
+
+Данные пины используются для приема/передачи информации по протоколу **I2C**.
+Например, при подключении жк дисплея с модулем I2C или GPS модуля.
+С помощью специальной библиотеки микроконтроллер может обмениваться информацией
+с подключенным периферийным устройством, поддерживающим данный протокол.
+На Ардуино Mega, в отличии от Uno и Nano, имеется целых три пары пинов SDA и SCL.
+
+### Назначение пинов TX, RX
+
+Пины TX/RX также используются для коммуникации,
+но уже по протоколу **UART**.  
+На платах Uni и Nano пины TX/RX подключены параллельно USB разъему для связи с компьютером.
+Поэтому, если подключиться к данным портам устройство, например, Bluetooth модуль,
+то загрузить в Ардуино скетч не получится, так как плата автоматически переключится
+на чтение данных с устройства, а не с компьютера.
+
+## Функции `void loop()` и `void setup()`
+
+Функции `void loop()` и `void setup()` — это первое с чем сталкивается любой,
+кто начинает знакомство с языком программирования микроконтроллеров Ардуино.
+
+Данные циклы должны быть в каждом скетче и вызываться только один раз,
+даже если один из циклов не используется.
+
+Дело в том, что при запуске микроконтроллера Arduino,
+начинают работать встроенные микропрограммы,
+которые первым делом проверяют не началась ли загрузка новой программы с компьютера.
+
+Если пользователь не начал прошивку,
+то контроллер начинает выполнять ранее загруженный скетч.
+
+Оба цикла вызываются встроенной функцией `main()` из файла `main.cpp`.  
+При этом функция `void setup()` вызывается один раз,
+а и `void loop()` вызывается в цикле `for` бесконечное количество раз.
+
+Если в скетче будут присутствовать более одной функции
+`void setup()` или `void loop()`, то при компиляции Aduino IDE выдаст ошибку:
+`redefinition of ‘void setup()‘` или `redefinition of ‘void loop()’` соответственно.
+
+### Функция `void setup()`
+
+```c
+void setup() {
+    // код должен располагаться между фигурных скобок
+}
+```
+
+Фигурные скобки указывают, где начало и конец цикла,
+поэтому все команды должны располагаться между ними.
+
+Процедура `void setup()` вызывается один раз
+и её используют для назначения режима работы пинов или команд,
+которые необходимо выполнить только в момент загрузки программы.
+
+### `void loop()`
+
+После выполнения цикла `setup`, программа переходит в цикл `loop`,
+который будет повторяться до тех пор, пока на плату подано питание.
+
+Если цикл содержит одну команду, то она будет выполняться тысячи раз в секунду.
+
+Если написать скетч для мигания светодиодом на Arduino,
+то необходимо добавлять в код задержку для выполнения программы,
+иначе мигания светодиода не будет заметно.
+
+Функция `loop*()` имеет следующую конструкцию:
+
+```c
+void loop() {
+    // основной код программы располагается здесь
+}
+```
+
+Таким образом, если необходимо при запуске программы
+включить светодиод один раз (для индикации работы устройства)
+на микроконтроллере Arduino Nano,
+то команду лучше написать в цикле `void setup()`.
+
+Если в программе необходимо выполнять какое-то действие постоянно, например,
+получать данные с ультразвукового дальномера **HC-SR04**,
+то команду следует располагать в цикле `void loop()`.
+
+### Функция `pinMode()`
+
+Функция `pinMode()` устанавливает режим работы заданного пина, как входа или выхода.
+
+Цифровой пин может находиться в двух состояниях.
+В режиме входа пин считывает напряжение от 0 до 5 Вольт,
+а в режиме выхода – выдавать на пине такое же напряжение.
+
+Режим работы пина микроконтроллера выбирается при помощи функции `pinMode(pin, mode)`,
+где `pin` это номер пина, а `mode` это режим.
+
+### pinMode OUTPUT
+
+**OUTPUT** (порт работает как выход) — пин становится управляемым источником питания
+с максимальным током 40 мА.
+
+В зависимости от команды `digitalWrite()` пин принимает значение единицы или нуля.  
+Пример: `pinMode(10, OUTPUT)`.
+
+### Функция `digitalWrite()` и `analogWrite()`
+
+Цифровой пин может генерировать цифровой сигнал с помощью команды `digitalWrite()`,
+т.е. выдавать напряжение 5 Вольт.
+
+Цифровой сигнал может иметь два значения — `0` или `1` (0 Вольт или 5 Вольт).
+
+Если в программе используется команда `analogWrite()` для ШИМ портов платы,
+то микроконтроллер может генерировать сигнал **PWM** на портах —
+создавать имитацию аналогового сигнала.
+
+```c
+void setup() {
+    pinMode(10, OUTPUT);
+}
+
+void loop() {
+    digitalWrite(10, HIGH);
+    delay(250);
+    digitalWrite(10, LOW);
+    delay(250);
+}
+```
+
+К пинам нельзя подключать устройства, потребляющие ток более **40 мА**,
+так как основное назначение микроконтроллера —
+это управления другими устройствами при помощи логических сигналов.  
+Если к пину подключить устройство, потребляющее ток больше указанного значения,
+то пин может выгореть. Поэтому к выводам микроконтроллера не следует подключать ничего
+мощнее светодиода.
+
+### pinMode INPUT
+
+**INPUT** (порт работает как вход) —
+пин в этом режиме считывает данные с аналоговых и цифровых датчиков, состояния кнопок.
+Порт находится в высокоимпедансном состоянии,
+т.е. у пина высокое сопротивление.  
+Пример: `pinMode(10, INPUT)`.
+
+### Функция `digitalRead()` и `analogRead()`
+
+Arduino может определить наличие напряжения на пине через функцию `digitalRead()`,
+которая возвращает `0` (`LOW`) или `1` (`HIGH`).
+
+Существует разница между цифровым датчиком (который обнаруживает включение/выключение)
+и аналоговым датчиком, значение которого постоянно изменяется.
+
+Используя функцию `analogRead()`, можно прочитать напряжение с аналогового датчика,
+функция возвращает число от `0` до `1023`.
+
+```c
+void setup() {
+    pinMode(10, INPUT);
+    Serial.begin(9600);
+}
+
+void loop() {
+    int data = digitalRead(10);
+    Serial.println(data);
+    delay(250);
+}
+```
+
+Нельзя подавать на вход микроконтроллера напряжение выше напряжения питания платы.
+
+Кроме того, для аналоговых выводов можно использовать команды
+`digitalRead()` и `digitalWrite()`.  
+В этом случае аналоговые порты будут считывать (`digitalRead`)
+или выдавать (`digitalWrite`) цифровой, а не аналоговый сигнал.
+
+### pinMode INPUT_PULLUP
+
+**INPUT_PULLUP** (порт работает как вход)
+но к пину подключается резистор в 20 кОм.
+
+В этом режиме при подключении кнопки к Ардуино можно не использовать
+внешние подтягивающие резисторы.  
+Пример: `pinMode(10, INPUT_PULLUP)`.
+
+## Директива `#define`
+
+Директива `#define` позволяет задавать имена значениям (константам),
+которые делают скетч более понятным.
+
+То есть можно в начале программы один раз определить имя константы или фрагмента кода,
+а затем использовать в скетче только это название.
+
+Рассмотрим на примерах с описанием правильные варианты использования директивы `#define`.
+
+Константы, которые определены через директиву `#define`,
+не занимают места в памяти микроконтроллера,
+так как значение подставляет значения вместо имен при компиляции скетча.
+
+Работу директивы можно сравнить с операцией `НАЙТИ` и `ЗАМЕНИТЬ` в текстовом редакторе.
+
+При компиляции скетча компилятор находит в программе часть кода `<что меняем>`
+и заменяет ее на кусок кода `<на что меняем>`.
+
+**Синтаксис директивы:**
+
+```c
+#define <что меняем> <на что меняем>
+```
+
+При использовании директивы следует избегать использования имени другой переменной,
+константы или команды ардуино, иначе оно оно будет заменено при компиляции.
+
+ℹ️ **Обрати внимание:**
+
+В конце строчки не ставится точка с запятой и знак равенства,
+как это делается при объявлении переменной.
+
+```c
+#define RED 11 // присваиваем имя RED для пина 11
+#define GRN 12 // присваиваем имя GRN для пина 12
+#define BLU 13 // присваиваем имя BLU для пина 13
+ 
+void setup() {
+    pinMode(RED, OUTPUT); // используем PIN 11 для вывода
+    pinMode(GRN, OUTPUT); // используем PIN 12 для вывода
+    pinMode(BLU, OUTPUT); // используем PIN 13 для вывода
+}
+```
+
+При написании кода гораздо удобнее использовать имена вместо номеров,
+чтобы каждый раз не вспоминать какой цвет к какому пину подключен.
+
+А программа автоматически будет заменять имена `RED`, `GRN`, `BLU`
+на соответствующие значения при компиляции.
+
+### Директивы `#ifdef`, `#ifndef` и `#endif` в скетче
+
+Инструкция `#ifdef` проверят, было ли встречено в программе данное определение ранее,
+если было, то ставится блок кода с последующей строки и до `#endif`.
+
+В примере проверяется был ли ранее в `#define` определен признак отладки,
+если да, то код (вывод сообщения на монитор порта) будет выполнен,
+если признак не определен, то сообщение на мониторе выводиться не будет.
+
+```c
+#ifdef DEBUG
+   Serial.println("Debug message: ...");
+#endif
+```
+
+Инструкция `#ifndef` проверят, было ли встречено в программе данное определение ранее
+и если не было, то вставится блок кода с последующей строки и до `#endif`.
+
+В следующем простом примере объявляется новая константа,
+если только ранее её не объявляли в скетче.
+
+Если дефайн с таким именем уже использовался,
+то программа проигнорирует строчки внутри конструкции `#ifndef … #endif`.
+
+```c
+#ifndef RED
+    #define RED 11
+#endif
+```
+
+### Замена функций с помощью `#define`
+
+Кроме использования дефайн в программе для объявления констант,
+можно заменять целые фрагменты кода с помощью директивы `#define`.
+
+Это более сложный, но интересный вариант использования `#define`,
+который позволяет создать много разных упрощающих инструкций в скетче.
+
+Например, можно в первом примере заменить функцию `pinMode()`
+на конструкцию с заданными параметрами.
+
+```c
+#define out(pin) pinMode(pin, OUTPUT)
+ 
+void setup() {
+    out(11);
+    out(12);
+    out(13);
+}
+```
+
+В примере функция `pinMode()` закодирована одним словом `out`.
+
+Теперь, где в скетче встретится слово `out`,
+компилятор подставит строку `pinMode(pin, OUTPUT)` с заданным параметром `pin`.
+
+Таким же образом можно заменить команды `digitalWrite()` и `delay()`.
+
+Используя RGB светодиод или три обычных светодиода с ардуинкой
+можно проверить работу следующего примера скетча с директивой дефайн.
+
+```c
+#define out(pin) pinMode(pin, OUTPUT)
+#define on(pin, del) digitalWrite(pin, HIGH); delay(del)
+#define off(pin, del) digitalWrite(pin, LOW); delay(del)
+ 
+void setup() {
+    out(11);
+    out(12);
+    out(13);
+}
+
+void loop() {
+    on(11, 500);
+    off(11, 500);
+    on(12, 500);
+    off(12, 500);
+    on(13, 500);
+    off(13, 500);
+}
+```
+
+## `define` или `const`, что выбрать?
+
+Иногда бывает не удобно применять директиву `#define` для создания констант,
+в этом случае используют ключевое слово `const`.
+
+В отличие от глобальных переменных, значение `const` должно быть определено сразу
+при объявлении константы.
+
+Необходимо помнить, что при использовании `#define` имена следует делать
+максимально уникальными, чтобы не было совпадений с командами из подключаемых библиотек.
+
+```c
+const int RED = 11; // присваиваем имя RED для пина 11
+const int GRN = 12; // присваиваем имя GRN для пина 12
+const int BLU = 13; // присваиваем имя BLU для пина 13
+ 
+void setup() {
+    pinMode(RED, OUTPUT); // используем PIN 11 для вывода
+    pinMode(GRN, OUTPUT); // используем PIN 12 для вывода
+    pinMode(BLU, OUTPUT); // используем PIN 13 для вывода
+}
+```
+
+ℹ️ **Для справки:**
+
+Использование `#define` или `const` не дает никаких преимуществ,
+с точки зрения экономии объема памяти микроконтроллера.
+
+## Задержки, `delay()` и `millis()`
+
+### `delayMicroseconds()`
+
+Функция `delayMicroseconds()` останавливает выполнение программы
+на заданное количество микросекунд (**в 1 секунде 1 000 000 микросекунд**).
+
+При необходимости задержки в программе более чем на несколько тысяч микросекунд
+рекомендуется использовать `delay()`.
+
+### `delay()`
+
+Функция `delay()` останавливает выполнение программы на заданное количество миллисекунд
+(**в 1 секунде 1 000 миллисекунд**).
+
+Во время задержки программы с помощью функции `delay()`,
+не могут быть считаны подключенные к плате датчики или произведены другие операции,
+например, запись в `EEPROM` данных.
+
+В качестве альтернативы следует использовать функцию `millis()`.
+
+### `millis()`
+
+Функция `millis()` возвращает количество прошедших миллисекунд
+с момента начала выполнения программы.
+
+Счетчик времени сбрасывается на ноль при переполнении значения `unsigned long`
+(**приблизительно через 50 дней**).
+
+Функция `millis()` позволяет сделать многозадачность в ардуинке,
+так как выполнение программы не останавливается
+и можно выполнять параллельно другие операции в скетче.
+
+```c
+unsigned long timer = 0;
+bool led_state = HIGH;
+
+void setup() {
+    pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
+    Serial.begin(9600);
+}
+ 
+void loop() {
+    if (millis() - timer > 200) {
+      led_state =! led_state;
+      digitalWrite(LED_BUILTIN, led_state);
+
+      timer = millis();
+    }
+
+    // выводим количество миллисекунд прошедших с момента начала программы
+    Serial.print("Time: ");
+    Serial.println(timer);
+}
+```
+
+## `tone()`
+
+```text
+// FIXIT: https://xn--18-6kcdusowgbt1a4b.xn--p1ai/tone-arduino/
+```
+
+## `map()`
+
+```text
+// FIXIT: https://xn--18-6kcdusowgbt1a4b.xn--p1ai/map-arduino/
+```
+
+## `random()`
+
+```text
+// FIXIT: https://xn--18-6kcdusowgbt1a4b.xn--p1ai/random-arduino/
+```
+
+## Serial Monitor
+
+```text
+// FIXIT: https://xn--18-6kcdusowgbt1a4b.xn--p1ai/%d0%bc%d0%be%d0%bd%d0%b8%d1%82%d0%be%d1%80-%d0%bf%d0%be%d1%80%d1%82%d0%b0-%d0%b0%d1%80%d0%b4%d1%83%d0%b8%d0%bd%d0%be/
+```
+
+## Используемые материалы:
+1. [Уроки по Arduino](https://xn--18-6kcdusowgbt1a4b.xn--p1ai/%d0%bf%d0%b8%d0%bd%d1%8b-%d0%b0%d1%80%d0%b4%d1%83%d0%b8%d0%bd%d0%be/) | робототехника18.рф