Этот урок дает минимальные знания, необходимые для программирования систем Ардуино на языке C. Можно только просмотреть его и в дальнейшем использовать как справочную информацию. Тем, кто программировал на C в других системах можно пропустить статью.
Повторю, что это минимальная информация. Описание указателей, классов, строковых переменных и т.п. будет дано в последующих уроках. Если что-то окажется непонятным, не беспокойтесь. В дальнейших уроках будет много примеров и пояснений.
Структура программы Ардуино.
Структура программы Ардуино достаточно проста и в минимальном варианте состоит из двух частей setup() и loop().
void setup() {
void loop() {
Функция setup() выполняется один раз, при включении питания или сбросе контроллера. Обычно в ней происходят начальные установки переменных, регистров. Функция должна присутствовать в программе, даже если в ней ничего нет.
После завершения setup() управление переходит к функции loop(). Она в бесконечном цикле выполняет команды, записанные в ее теле (между фигурными скобками). Собственно эти команды и совершают все алгоритмические действия контроллера.
Первоначальные правила синтаксиса языка C.
; точка с запятой Выражения могут содержать сколь угодно много пробелов, переносов строк. Признаком завершения выражения является символ ”точка с запятой ”.
z = x + y;
z= x
+ y ;
{ } фигурные скобки определяют блок функции или выражений. Например, в функциях setup() и loop().
/* … */ блок комментария , обязательно закрыть.
/* это блок комментария */
// однострочный комментарий , закрывать не надо, действует до конца строки.
// это одна строка комментария
Переменные и типы данных.
Переменная это ячейка оперативной памяти, в которой хранится информация. Программа использует переменные для хранения промежуточных данных вычислений. Для вычислений могут быть использованы данные разных форматов, разной разрядности, поэтому у переменных в языке C есть следующие типы.
| Тип данных | Разрядность, бит | Диапазон чисел |
| boolean | 8 | true, false |
| char | 8 | -128 … 127 |
| unsigned char | 8 | 0 … 255 |
| byte | 8 | 0 … 255 |
| int | 16 | -32768 … 32767 |
| unsigned int | 16 | 0 … 65535 |
| word | 16 | 0 … 65535 |
| long | 32 | -2147483648 … 2147483647 |
| unsigned long | 32 | 0 … 4294967295 |
| short | 16 | -32768 … 32767 |
| float | 32 | -3.4028235+38 … 3.4028235+38 |
| double | 32 | -3.4028235+38 … 3.4028235+38 |
Типы данных выбираются исходя из требуемой точности вычислений, форматов данных и т.п. Не стоит, например, для счетчика, считающего до 100, выбирать тип long. Работать будет, но операция займет больше памяти данных и программ, потребует больше времени.
Объявление переменных.
Указывается тип данных, а затем имя переменной.
int x; // объявление переменной с именем x типа int
float widthBox; // объявление переменной с именем widthBox типа float
Все переменные должны быть объявлены до того как будут использоваться.
Переменная может быть объявлена в любой части программы, но от этого зависит, какие блоки программы могут ее использовать. Т.е. у переменных есть области видимости.
- Переменные, объявленные в начале программы, до функции void setup(), считаются глобальными и доступны в любом месте программы.
- Локальные переменные объявляются внутри функций или таких блоков, как цикл for, и могут использоваться только в объявленных блоках. Возможны несколько переменных с одним именем, но разными областями видимости.
int mode; // переменная доступна всем функциям
void setup() {
// пустой блок, начальные установки не требуются
}
void loop() {
long count; // переменная count доступна только в функции loop()
for (int i=0; i < 10;) // переменная i доступна только внутри цикла
{
i++;
}
}
При объявлении переменной можно задать ее начальное значение (проинициализировать).
int x = 0; // объявляется переменная x с начальным значением 0
char d = ‘a’; // объявляется переменная d с начальным значением равным коду символа ”a”
При арифметических операциях с разными типами данных происходит автоматическое преобразование типов данных. Но лучше всегда использовать явное преобразование.
int x; // переменная int
char y; // переменная char
int z; // переменная int
z = x + (int) y; // переменная y явно преобразована в int
Арифметические операции.
Операции отношения.
Логические операции.
Операции над указателями.
Битовые операции.
| & | И |
| | | ИЛИ |
| ^ | ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ |
| ~ | ИНВЕРСИЯ |
| << | СДВИГ ВЛЕВО |
| >> | СДВИГ ВПРАВО |
Операции смешанного присваивания.
Выбор вариантов, управление программой.
Оператор IF проверяет условие в скобках и выполняет последующее выражение или блок в фигурных скобках, если условие истинно.
if (x == 5) // если x=5, то выполняется z=0
z=0;
if (x > 5) // если x >
{ z=0; y=8; }
IF … ELSE позволяет сделать выбор между двух вариантов.
if (x > 5) // если x > 5, то выполняется блок z=0, y=8;
{
z=0;
y=8;
}
{
z=0;
y=0;
}
ELSE IF – позволяет сделать множественный выбор
if (x > 5) // если x > 5, то выполняется блок z=0, y=8;
{
z=0;
y=8;
}
else if (x > 20) // если x > 20, выполняется этот блок
{
}
else // в противном случае выполняется этот блок
{
z=0;
y=0;
}
SWITCH CASE - множественный выбор. Позволяет сравнить переменную (в примере это x) с несколькими константами (в примере 5 и 10) и выполнить блок, в котором переменная равна константе.
switch (x) {
case 5:
// код выполняется если x = 5
break;
case 10:
// код выполняется если x = 10
break;
default:
// код выполняется если не совпало ни одно предыдущее значение
break;
}
Цикл FOR . Конструкция позволяет организовывать циклы с заданным количеством итераций. Синтаксис выглядит так:
for (действие до начала цикла;
условие продолжения цикла;
действие в конце каждой итерации) {
// код тела цикла
Пример цикла из 100 итераций.
for (i=0; i < 100; i++) // начальное значение 0, конечное 99, шаг 1
{
sum = sum + I;
}
Цикл WHILE . Оператор позволяет организовывать циклы с конструкцией:
while (выражение)
{
// код тела цикла
}
Цикл выполняется до тех пор, пока выражение в скобках истинно. Пример цикла на 10 итераций.
x = 0;
while (x < 10)
{
// код тела цикла
x++;
}
DO WHILE – цикл с условием на выходе.
do
{
// код тела цикла
} while (выражение);
Цикл выполняется пока выражение истинно.
BREAK
– оператор выхода из цикла. Используется для того, чтобы прервать выполнение циклов for, while, do while.
x = 0;
while (x < 10)
{
if (z > 20) break; // если z > 20, то выйти из цикла
// код тела цикла
x++;
}
GOTO – оператор безусловного перехода.
goto metka1; // переход на metka1
………………
metka1:
CONTINUE - пропуск операторов до конца тела цикла.
x = 0;
while (x < 10)
{
// код тела цикла
if (z > 20) continue; // если z > 20, то вернуться на начало тела цикла
// код тела цикла
x++;
}
Массивы.
Массив это область памяти, где последовательно хранятся несколько переменных.
Объявляется массив так.
int ages; // массив из 10 переменных типа int
float weight; // массив из 100 переменных типа float
При объявлении массивы можно инициализировать:
int ages = { 23, 54, 34, 24, 45, 56, 23, 23, 27, 28};
Обращаются к переменным массивов так:
x = ages; // x присваивается значение из 5 элемента массива.
ages = 32; // 9 элементу массива задается значение 32
Нумерация элементов массивов всегда с нуля.
Функции.
Функции позволяют выполнять одни и те же действия с разными данными. У функции есть:
- имя, по которому ее вызывают;
- аргументы – данные, которые функция использует для вычисления;
- тип данных, возвращаемый функцией.
Описывается пользовательская функция вне функций setup() и loop().
void setup() {
// код выполняется один раз при запуске программы
}
void loop() {
// основной код, выполняется в цикле
}
// объявление пользовательской функции с именем functionName
type functionName(type argument1, type argument1, … , type argument)
{
// тело функции
return();
}
Пример функции, вычисляющей сумму квадратов двух аргументов.
int sumQwadr (int x, int y)
{
return(x* x + y*y);
}
Вызов функции происходит так:
d= 2; b= 3;
z= sumQwadr(d, b); // в z будет сумма квадратов переменных d и b
Функции бывают встроенные, пользовательские, подключаемые.
Очень коротко, но этих данных должно хватить для того, чтобы начать писать программы на C для систем Ардуино.
Последнее, что я хочу рассказать в этом уроке, как принято оформлять программы на C. Думаю, если вы читаете этот урок в первый раз, стоит пропустить этот раздел и вернутся к нему позже, когда будет что оформлять.
Главная цель внешнего оформления программ это улучшить читаемость программ, уменьшить число формальных ошибок. Поэтому для достижения этой цели можно смело нарушать все рекомендации.
Имена в языке C.
Имена, представляющие типы данных, должны быть написаны в смешанном регистре. Первая буква имени должна быть заглавная (верхний регистр).
Signal, TimeCount
Переменные должны быть записаны именами в смешанном регистре, первая буква строчная (нижний регистр).
», мы узнали, как использовать цикл «for» для организации работы контроллера. Этот тип цикла используется повсеместно и с лихвой перекрывает «потребность в зацикленных операциях». Однако существует еще один тип цикла — «while». ничем не лучше, чем цикл for, просто он использует в работе другие принципы.
В большинстве случаем можно выбирать, какой из двух типов циклов использовать. В мы использовали «while» для приостановки программы, до момента введения пользователем требуемых данных. В этом уроке мы более подробно рассмотрим, как работают этот цикл на примере платформы Arduino.
Продолжим работу со схемой, состоящую из 2-х светодиодов.
Кроме того, мы продолжим работать с кодом, который мы дорабатывали в 14 уроке.
Назад в прошлое: контроллер запрашивает у пользователя данные, ожидает ввода, а затем присваивает полученные значения переменным blinkNumberGreen и blinkNumberRed . Это позволяет пользователю управлять количество миганий каждого из 2-х светодиодов.
Для расширения мировоззрения программиста, стоит научиться использовать два типа циклов для реализации одних и тех же задач, а в дальнейшем уже можно демонстрировать симпатии к тому либо иному типу.
Давайте разбираться, как это работает:
int z = 1 ; // объявляем переменную и присваиваем ей значение 1
while (z <=10) { //запускаем цикл while
Serial . println (z ); //выводим текущее значение переменной z через последовательный порт
z = z +1 // увеличиваем значение переменной z на 1
} // завершаем цикл
Цикл while будет продолжать выполнять команды до тех пор, пока «условие», описанное в круглых скобках, истинно. В приведенном выше примере, цикл будет продолжать выполнять команды пока z меньше или равно 10. В теле цикла отрабатываются 2 команды:
- Выведение значения переменной через последовательный порт;
- Увеличение значение переменной на 1 (по-научному – инкрементирование).
Благодаря увеличению значения переменной, в конечном итоге, программа выйдет из цикла. Если, представить на секунду, что мы забыли указать эту строку или произойдёт, какой-то сбой, то программа благополучно зациклится (иными словами зависнет).
Цикл начинает свою работу с того, что проверяет истинность условия. Если, z меньше или равно 10, то программа отрабатывает цикл. Затем следует повторная проверка условия и т.д. Когда значение переменной достигнет z = 11 , условие больше не будет истинным. Программа не отработает цикл и перейдёт в следующую строку, идущую сразу после фигурной скобки цикла.
Достаточно теории, переходим к практике. Заменим циклы for в исходном коде, на циклы while.
Мигалка в исполнении цикла FOR:
for (int i = 1; i <= blinkNumberGreen; i++) // запускаем цикл for
{
Serial . print (» Зелёный мигнул «);
Serial.println (i);
digitalWrite (greenLed, HIGH); // включаем зелёный светодиод
delay (timeOnGreenLed); // ждём
digitalWrite (greenLed, LOW); // выключаем зелёный светодиод
delay (timeOffGreenLed); // ждём
}
Мигалка в исполнении цикла WHILE:
int i =1; //объявляем переменную и присваиваем ей значение 1
while (i <= blinkNumberGreen)
{ // запускаем цикл while
Serial.print (» Зелёный мигнул «);
Serial.println(i);
digitalWrite(greenLed,HIGH); // включаем зелёный светодиод
delay(timeOnGreenLed); // ждём
digitalWrite(greenLed,LOW); // выключаем зелёный светодиод
delay(timeOffGreenLed); // ждём
i = i +1 //увеличиваем значение переменной на 1
}
Сохраняем программу и загружаем прошивку в контроллер. Смотрим на результат.
void setup() { pinMode(2, OUTPUT); pinMode(3, OUTPUT); pinMode(4, OUTPUT); pinMode(5, OUTPUT); pinMode(6, OUTPUT); pinMode(7, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(2, HIGH); delay(50); digitalWrite(3, HIGH); delay(50); digitalWrite(4, HIGH); delay(50); digitalWrite(5, HIGH); delay(50); digitalWrite(6, HIGH); delay(50); digitalWrite(7, HIGH); delay(50); digitalWrite(2, LOW); delay(50); digitalWrite(3, LOW); delay(50); digitalWrite(4, LOW); delay(50); digitalWrite(5, LOW); delay(50); digitalWrite(6, LOW); delay(50); digitalWrite(7, LOW); delay(50); } Сначала мы про инициализировали шесть цифровых выводов со второго по седьмой как выходы, а в основной программе написали поочередно включение светодиода, задержка и так шесть раз. После тоже самое но каждый раз выключали светодиод. Теперь заливаем в Arduino и радуемся работой. Но все таки тут что-то не так. Если внимательно взглянуть на код программы, то можно заметить что есть части кода которые повторяются на протяжении всей программы. Например должно сразу бросится в глаза повторение паузы. А при инициализации выводов меняется только его номер. При включении и выключении тоже меняется только номер. Для такой маленькой программы конечно можно и так оставить, контроллер сожрет это и не поперхнется, а вот если нужно выполнить повторяющийся код, ну например 1000 раз. Я думаю терпения набивать его хватит, а вот хватит ли памяти у МК? Конечно можно спросить, а на кой фиг нам 1000 одинаковых операций? Ну да, тяжело представить.) Но вот не задача, а если у нас есть массив на 1000 ячеек. Такое часто бывает, например несколько датчиков записывают параметры в массив и как скажете разбираться в этом бардаке. Надо бы как-нибудь разобрать его по каким-либо параметрам. Вот для таких казусов и придумали циклы. Цикл - это некая часть кода которая выполняется определенное количество раз. Одна выполненная часть программы в цикле называется итерация. Количество итераций может быть от 0 до бесконечности. Для выполнения циклов в языке программирования предусмотрено аж три варианта цикла. Поверьте, но этого хватает за глаза на любой изощренный кодинг. Давай те ка это все рассмотрим по подробнее.
- while(условие) {}
- do {} while(условие);
- for(счетная переменная; условие; увеличение счетной переменной) {}
char i = 0; while(i Собственно что тут у нас написано. Сначала мы инициализируем счетную переменную i и обнуляем ее. Далее заходим в цикл и начинаем проверять условие в скобках. Если значение i меньше чем 10, то выполнить тело цикла. В самом теле цикла просто увеличиваем значение счетной переменной на единицу и снова проверяем условие. В нашем случае цикл будет выполнятся 10 раз. То есть сначала значение i равно нулю. Ноль меньше чем десять. Далее увеличили переменную на единицу и сравнили, единица меньше чем десять и так далее. Как только счетная переменная станет равна десяти, то проверяем, десять меньше чем десять? Конечно нет и после проверки цикл прекратит работу. Вот так работает этот цикл. А что делать если нужно по любому один раз выполнить код в теле цикла, даже если он не устраивает условие. Для этого есть друго цикл, под названием do {} while(условие) . Работает он точно также как и предыдущий цикл, за исключением одного но. В этом цикле сначало выполняется тело цикла, а затем происходит проверка. Давайте посмотрим как это выглядит в коде.
char i = 0; do { i++; } while((i > 0) & (i Смотрите как интересно. Сначала мы как и в прошлый раз инициализируем счетную переменную нулем, но в условии записали чтобы i было больше нуля и меньше десяти. То есть значение переменной должно лежать в диапазоне от единицы до девяти. Если бы мы так написали с применением предыдущего цикла, то он не разу бы не выполнился. Но у нас есть волшебное слово do . То есть что произойдет. Сначала в теле цикла значение счетной переменной увеличится и станет единицей, а это больше чем ноль, условие станет истинно. соответственно цикл будет продолжать выполнятся пока счетная переменная не станет равна десяти. И на по следок третий вариант цикла. Как он работает:
char i; for(i = 0; i Как это работает. Сначала опять инициируем счетную переменную, но уже без конкретного значения. Далее пишем слово for , а вот в скобках пишем сначала нашу счетную переменную и присваиваем ей начальное значение. Затем проверяем условие и если оно истинно, то выполняем тело цикла и увеличиваем значение счетной переменной. По сути это тоже самое что и while() {} поэтому какой цикл использовать это уже на ваше усмотрение. Пару слов о некоторых моментах. Если например написать while(1); , то цикл будет выполнятся вечно. Или если с for , то это будет выглядеть так for(;;); . Будте внимательны. Иногда при выполнении цикла ну просто очень хочется все бросить и выйти из него, а условие не позволяет. Как быть? Для этого есть еще одна команда break; . Как только в теле цикла МК наткнется на эту команду, он тут же выйдет из цикла и продолжит выполнение программы со следующей строки после цикла. А вот если у нас при работе цикла возникает условие не удовлетворяющие условие или к примеру момент при котором нам не нужно продолжать выполнять конец тела цикла? Тут нам поможет команда continue; . Как только МК наткнется на эту команду, он брасает все и переходит к выполнению следующей итерации цикла. Надеюсь я все понятно объяснил. Теперь получив данные знания, давайте перепишем нашу программу, но уже используя циклы.
void setup() { byte i = 2; // Счетная переменная while(i // Если i меньше 8, то выполняем тело цикла { pinMode(i, OUTPUT); // Инициализация выводов начиная с 2 i++; // Увеличиваем счетную переменную на единицу } } void loop() { byte i = 2; while(i Давайте рассмотрим по ближе. Сначала мы инициализировали счетную переменную i и присвоили ей значение два. Почему два? А потому что я специально выбрал пины со второго по седьмой, дабы убедится что начальное значение не имеет ни какого значения. Каламбур какой-то получился) Ну понятно, да. Далее пишем условие цикла. Нам нужно сделать шесть итераций, так как у нас шесть светодиодов. Замечательно, считаем два плюс шесть будет восемь. Ага, значит нам нужно проверять счетную переменную до тех пор пока она будет меньше восьми. Так и написали while(i . Теперь у нас цикл отработает шесть раз. Что нам нужно сделать внутри тела цикла. Да ничего сложного, просто вписать функцию инициализации вывода на выход, только вместо номера вывода подставить счетную переменную. В чем фокус. Как только МК зайдет в тело цикла, он перед тем как выполнять функцию инициализации вывода, посмотрим на передаваемые аргументы. Один из них должен нести в себе номер вывода, а у нас там счетная переменная. Что делать? А ничего, умный МК посмотрит что там переменная и гордо вытянет из нее число. А у нас там двойка. Ну и замечательно, про инициализируем второй вывод. После увеличим значение счетной переменной еще на единицу и проверим условие. Ага, три меньше восьми, давайте ка все снова и по хорошему, только в переменной теперь три. Значит инициализировать вывод будем уже третий, а затем увеличим счетную переменную на единицу. Вот таким образом перебирая цикл мы настроим все нужные нам выводы. Причем увеличение на единицу счетную переменную это не жесткое условие. Никто не мешает написать например так: i = ((127*i)/31) & 0xF4; И это тоже будет работать, если после выполнения условие будет истинно. Для цикла не важно что происходит в теле, его интересует истинно ли условие или нет. Вот и все. В следующем уроке будем разбирать функции, зачем они нужны и попробуем написать свою.
/ /
Оператор For
Конструкция for используется для повторения блока операторов, заключенных в фигурные скобки. Счетчик приращений обычно используется для приращения и завершения цикла. Оператор for подходит для любых повторяющихся действий и часто используется в сочетании с массивами коллекций данных/выводов.
Заголовок цикла for состоит из трех частей:
for (initialization ; condition ; increment ) {операторы выполняющиеся в цикле}
Инициализация (Initialization) выполняется самой первой и один раз. Каждый раз в цикле проверяется условие (condition), если оно верно, выполняется блок операторов и приращение (increment), затем условие проверяется вновь. Когда логическое значение условия становится ложным, цикл завершается.
Пример
// Затемнение светодиода с использованием ШИМ-вывода int PWMpin = 10; // Светодиод последовательно с резистором 470 ом на 10 выводов void setup() { // настройка не нужна } void loop() { for (int i=0; i <= 255; i++){ analogWrite(PWMpin, i); delay(10); } }Цикл for в Си гораздо более гибкий, чем циклы for в других языках программирования, например, в Бейсике. Любой из трех или все три элемента заголовка могут быть опущены, хотя точки с запятой обязательны. Также операторы для инициализации, условия и приращения цикла могут быть любым допустимым в Си операторами с независимыми переменными, и использовать любой тип данных Си, включая данные с плавающей точкой (floats). Эти необычные для цикла for типы операторов позволяют обеспечить программное решение некоторых нестандартных проблем.
Например, использование умножения в операторе счетчика цикла позволяет создавать логарифмическую прогрессию:
For(int x = 2; x < 100; x = x * 1.5){ println(x); }
Генерируется: 2,3,4,6,9,13,19,28,42,63,94
Другой пример, плавное уменьшение или увеличение уровня сигнала на светодиод с помощью одного цикла for :
Void loop(){ int x = 1; for (int i = 0; i > -1; i = i + x){ analogWrite(PWMpin, i); if (i == 255) x = -1; // переключение управления на максимуме delay(10); } }
Доброе время суток. Перед вами, дорогие читатели, третий урок посвященный программированию Arduino.
- познакомились с устройством монтажной платы;
- собрали «в железе» и прошили нашу первую схему.
Сегодня мы соберём схему, в которой будет использовано два цифровых выхода платы Arduino Uno. Соответственно нам понадобится 2 светодиода разных цветов (для наглядности), 2 резистора, джамперы и всё та же монтажная плата (или то на чём вы раньше проводили монтаж). В одной из схем будем включать красный светодиод, а во второй – белый.
Преступаем к сборке «самоделки » согласно следующей схеме. Советую использовать в своих проектах программу «Fritzing». С её помощью можно планировать разводку схем до момента непосредственного монтажа.
Старайтесь брать джамперы разных цветов, чтобы не запутаться при монтажа. Возможно, в данном примере советы и звучат абсурдно, но когда у вас на плате будет до десятка различных элементов и к каждому из них будет подключено, как минимум по 2 джампера, вы вспомните мои советы. 🙂
Открываем программную среду arduino IDE.
Набираем программу.
Загружаем её – смотрим на результат. Красный и белый светодиоды мигают по очереди.
Примеры учебных задач всегда были кладезю «ограниченной фантазии» или примером, как не нужно составлять техническое задание…
Представим, что мы только что написали системы управления электрическим двигателем. Забудем о том, что подпрограмма может молотить вечно. Наш движок включился и выключился. Цикл вкл./выкл. запускается по нажатию «мифической кнопки».
Нам нужно, чтобы он прогнал цикл вкл./выкл. 10 раз. Думаю мало кому хочется стоять рядом с ревущей машиной и нажимать на какую-то кнопку… Поэтому модернизируем программу.
Копируем блок из 4 строчек (включение выключение белого светодиода) 9 раз – в итоге получаем 10 циклов вкл./выкл. Добавим еще «второй движок» — красный светодиод он будет вкл/выкл всего один раз.
Загружаем программу – смотрим на результат.
Все получилось, но вот в чём проблема, а если потребность в прогонке вкл/выкл возрастет до 100 или до 1000, что опять будем всё копировать? Как-то не хочется… Так стоп! Мы с вами изучали . Пора применить знания на практике. Для нашей задачи отлично подойдёт цикл с заданным числом повторений – цикл for. Для того, чтобы не нагружать программу глобальными переменными, объявим локальную переменную «счётчика выполнения цикла» в заголовке цикла.
