Урок 5. Первая программа. Функции управления вводом/выводом. Кнопка, светодиод.

Кнопка и светодиод

В этом уроке напишем первую программу, научимся считывать значение цифровых входов и устанавливать состояние выходов. Реализуем управление такими простыми элементами, как кнопка и светодиод.

Предыдущий урок     Список уроков     Cледующий урок

Первая программа должна управлять светодиодом с помощью кнопки:

  • при нажатой кнопке светодиод светится;
  • при отжатой кнопке светодиод не светится.

 

Подключение кнопки и светодиода к плате Ардуино.

Для связи с внешними элементами в контроллере Arduino UNO существуют 14 цифровых выводов. Каждый вывод может быть определен программой как вход или выход.

У цифрового выхода есть только два состояния высокое и низкое. Высокое состояние соответствует напряжению на выходе порядка 5 В, низкое состояние – 0 В. Выход допускает подключение нагрузки с током до 40 мА.

Когда вывод определен как вход, считав его состояние, можно определить уровень напряжения на входе. При напряжении близком к 5 В (реально более 3 В) будет считано высокое состояние, соответствующее константе HIGH. При напряжении близком к 0 (менее 1,5 В) будет считано низкое состояние, или константа LOW.

Светодиод мы должны подключить к выводу, определив его как выход, а кнопка подключается к выводу с режимом вход.

Светодиод подключается через резистор, ограничивающий ток. Вот типичная схема.

Подключение светодиода
Резистор рассчитывается по формуле I = Uвыхода – Uпадения на светодиоде / R.

Uвыхода = 5 В, Uпадения на светодиоде можно принять равным 1,5 В (более точно указывается в справочнике). Получается, то в нашей схеме ток через светодиод задан на уровне 10 мА.

Можете выбрать любой вывод, но я предлагаю для простоты соединений использовать светодиод, установленный на плате. Тот самый, который мигал в первом тестовом примере. Он подключен к цифровому выводу 13. В этом случае дополнительный светодиод к плате подключать не надо.

Кнопку подключаем к любому другому выводу, например, 12. Аппаратная часть схемы подключения кнопки должна обеспечивать уровни напряжений 0 В при нажатой кнопке и 5 В при свободной. Это можно сделать простой схемой.

Подключение кнопки
При отжатой кнопке резистор формирует на выводе 5 В, а при нажатой – вход замыкается на землю. Рекомендации по выбору резистора я напишу в заключительном уроке про кнопки. Сейчас предложу другой вариант. Все выводы платы имеют внутри контроллера резисторы, подключенные к 5 В. Их можно программно включать или отключать от выводов. Сопротивление этих резисторов порядка 20-50 кОм. Слишком много для реальных схем, но для нашей программы и кнопки, установленной вблизи контроллера, вполне допустимо.

В итоге схема подключения будет выглядеть так.

Подключение кнопки
Кнопку можно припаять на проводах к разъему. Я установил ее на макетную плату без пайки. Купил специально для демонстрации уроков.

Подключение кнопки к Ардуино

Функции управления вводом/выводом.

Для работы с цифровыми выводами в системе Ардуино есть 3 встроенные функции. Они позволяют установить режим вывода, считать или установить вывод в определенное состояние. Для определения состояния выводов в этих функциях используются константы HIGH и LOW, которые соответствуют высокому и низкому уровню сигнала.

pinMode(pin, mode)

Устанавливает режим вывода (вход или выход).

Аргументы: pin и mode.

  • pin – номер вывода;
  • mode – режим вывода.
 mode = INPUT вывод определен как вход, подтягивающий резистор отключен
 mode = INPUT_PULLUP вывод определен как вход, подтягивающий резистор подключен
 mode = OUTPUT вывод определен как выход

Функция не возвращает ничего.

digitalWrite(pin, value)

Устанавливает состояние выхода (высокое или низкое).

Аргументы pin и value:

  • pin – номер вывода;
  • value – состояние выхода.
 value = LOW устанавливает выход в низкое состояние
 value = HIGH устанавливает выход в высокое состояние

Функция не возвращает ничего.

digitalRead(pin)

Считывает состояние входа.

Аргументы:  pin - номер вывода.

Возвращает состояние входа:

 digitalRead(pin) = LOW  низкий уровень на входе
 digitalRead(pin) = HIGH  высокий уровень на входе

Программа управления светодиодом.

С учетом предыдущего урока теперь у нас есть вся необходимая информация для написания программы. Программа в Ардуино состоит из двух функций setup() и loop. В setup() мы устанавливаем режимы выводов, а в loop() считываем состояние кнопки в переменную buttonState и передаем его на светодиод. По пути инвертируем, т.к. при нажатой кнопке низкое состояние сигнала, а светодиод светится при высоком.

/* Программа scetch_5_1 урока 5
   Зажигает светодиод (вывод 13) при нажатии кнопки (вывод 12) */
 
boolean buttonState;   // создаем глобальную переменную buttonState
   
 void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);        // определяем вывод 13 (светодиод) как выход
  pinMode(12, INPUT_PULLUP);  // определяем вывод 12 (кнопка) как вход
}

//  бесконечный цикл
void loop() {
  buttonState = digitalRead(12);  // считываем состояние 12 входа (кнопки) и записываем в buttonState
  buttonState = ! buttonState;    // инверсия переменной buttonState
  digitalWrite(13, buttonState);  // записываем состояние из buttonState на выход 13 (светодиод)
}

Для хранения промежуточного значения состояния кнопки создаем переменную buttonState с типом boolean. Это логический тип данных. Переменная может принимать одно из двух значений: true (истинно) или false (ложно). В нашем случае - светодиод светится и не светится.

Скопируйте или перепишите код программы в окно Arduino IDE. Загрузите в контроллер и проверьте.

Для сохранения проектов Ардуино я создал папку d:\Arduino Projects\Lessons\Lesson5. В каждом уроке программы называю scetch_5_1, scetch_5_2, … Вы можете поступать также или ввести свою систему сохранения файлов.

Блок программы:

buttonState = digitalRead(12);  // считываем состояние 12 входа (кнопки) и записываем в buttonState
  buttonState = ! buttonState;    // инверсия переменной buttonState
  digitalWrite(13, buttonState);  // записываем состояние из buttonState на выход 13 (светодиод)

можно записать без использования промежуточной переменной buttonState.

digitalWrite(13, ! digitalRead(12) );

В качестве аргумента для функции digitalWrite() выступает  функция digitalRead(). Хороший стиль это именно такой вариант. Не требуются дополнительные переменные, меньше текст.

Т.е. функцию можно использовать как аргумент другой функции. Функции можно вызывать из функций.

Другой вариант этой же программы, использующий условный оператор if.

/* Программа scetch_5_2 урока 5
   Зажигает светодиод (вывод 13) при нажатии кнопки (вывод 12) */
  
void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);        // определяем вывод 13 (светодиод) как выход
  pinMode(12, INPUT_PULLUP);  // определяем вывод 12 (кнопка) как вход
}

//  бесконечный цикл
void loop() {
  if ( digitalRead(12) == LOW ) digitalWrite(13, HIGH);
  else digitalWrite(13, LOW);
}

В бесконечном цикле проверяется состояние вывода 12 (кнопка), и если оно низкое (LOW), то на выводе 13 (светодиод) формируется высокое состояние (HIGH). В противном случае состояние светодиода низкое (LOW).

 

Директива  #define.

Во всех примерах для функций ввода/вывода мы указывали аргумент pin, определяющий номер вывода, в виде конкретного числа - константы. Мы помнили, что константа 12 это номер вывода кнопки, а 13 – номер вывода светодиода. Гораздо удобнее работать с символьными именами. Для этого в языке C существует директива, связывающая идентификаторы с константами, выражениями.

Директива #define определяет идентификатор и последовательность символов, которая подставляется вместо идентификатора, каждый раз, когда он встречается в тексте программы.

В общем виде она выглядит так:

#define имя последовательность_символов

Если в наших программах мы напишем:

#define LED_PIN 13     // номер вывода светодиода равен 13

то каждый раз, когда в программе встретится имя LED_PIN, при трансляции вместо него будет подставлены символы 13. Функция включения светодиода выглядит так:

digitalWrite(LED_PIN, HIGH);

Окончательный вариант программы с использованием #define.

/* Программа урока 5
   Зажигает светодиод (вывод 13) при нажатии кнопки (вывод 12) */
  
#define LED_PIN 13     // номер вывода светодиода равен 13
#define BUTTON_PIN 12  // номер вывода кнопки равен 12

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);    // определяем вывод 13 (светодиод) как выход
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);  // определяем вывод 12 (кнопка) как вход
}

//  бесконечный цикл
void loop() {
  digitalWrite(LED_PIN, ! digitalRead(BUTTON_PIN) );
}

Обратите внимание, что после директивы #define точка с запятой не ставится, потому что это псевдо оператор. Он не совершает никаких действий.  Директива задает константы, поэтому принято имена для нее писать в верхнем регистре с разделителем – нижнее подчеркивание.

 

В следующем уроке будем бороться с дребезгом кнопки, разобьем программу на блоки и создадим интерфейс связи между блоками.

Предыдущий урок      Список уроков      Cледующий урок

20 комментариев на «Урок 5. Первая программа. Функции управления вводом/выводом. Кнопка, светодиод.»

  1. Здравствуйте! Не совсем понял чем отличается директива #define от простого задания глобальной константы const int? или в ардуино такого нет?

    • Здравствуйте!
      Директива #define просто заменяет при трансляции одну последовательность символов на другую.
      Строка #define TIME_BUTTON 12 означает, что везде где в тексте программы встретится имя TIME_BUTTON компилятор тупо заменит его на символы 12.

  2. Здравствуйте, мне захотелось немного разнообразить первые уроки по ардуино и вот моя проблема: вроде бы ничего сложного, хочу что бы при нажатии кнопки (digitalRead(12) == LOW) светодиод на 13м пине моргнул несколько раз, пробую простейшее
    void loop() {
    if ( digitalRead(12) == LOW ) digitalWrite(13, HIGH);
    delay(300);
    digitalWrite(13, LOW);
    delay(300);
    digitalWrite(13, HIGH);
    delay(300);
    digitalWrite(13, LOW);
    }

    почему это не работает, ведь в описании функции сказано что она выполняет любое действие при истинном значении?. Как правильно написать код для такой простой ситуации?

    • Здравствуйте! Действие оператора if распространяется только на следующий оператор или на блок операторов в скобках {}.

      Вам надо взять весь ваш блок в скобки.

      if ( digitalRead(12) == LOW ) {
      digitalWrite(13, HIGH);
      delay(300);
      digitalWrite(13, LOW);
      delay(300);
      digitalWrite(13, HIGH);
      delay(300);
      digitalWrite(13, LOW);
      }

  3. Здравствуйте. Объясните почему выбрана схема при которой факту нажатия кнопки соответствует низкий уровень сигнала, а не высокий.

    • Здравствуйте!
      Сигнал находящийся в высоком уровне меньше подвержен действию помех. Хороший стиль — выбирать активным низкое состояние сигнала. Поэтому лучше использовать схему с резисторами подтягивающими к + 5 В.

  4. Здравствуйте. Моё любопытство мучает вопрос касаемо директивы #define. Можно ли используя её присвоить нескольким пинам одно имя в таком виде: #define LED_PIN 13,1,2. Или надо каждому пину присваивать отдельное имя.

    • Здравствуйте!
      Если вы напишите #define LED_PIN 13,1,2, то в любом месте программы, при компиляции сочетание символов LED_PIN будет заменено на последовательность символов 13,1,2. Оператор define отработает, но компилятор выдаст ошибку. Он ждет число, а вы даете ему несколько чисел.

      • Так, это я понял. А есть какие либо методы одновременного вывода одной функции на несколько портов-выводов? Или просто нужно продублировать код для каждой отдельной переменной, которой присвоен определённый порт-вывод?

  5. данный вопрос меня интересует, т.к. требуется сделать параллельный вывод программным путём. Спаять (или скрутить) несколько проводов в один для меня не вариант.

  6. Эдуард не совсем (точнее совсем) не могу представить электрическую схему данного урока в сборе. Например такой момент: мне видится что в схеме с кнопкой (схема №3) ток течет из pin12 в GND, но мы задаем тип вывода как ВХОД т.е. питание должно подаваться на него, а после входа (в плате) должна быть земля. Можно где-то посмотреть полную схему для этого урока для понимания течения тока. Или же вы сможете мне объяснить как-нибудь где я ошибаюсь и каких знаний мне не хватает? Возможно дадите ссылку на учебник для чайников где даются объяснения физики работы цифровых выводов.

    • Здравствуйте!
      Схема N3 полностью эквивалентна предыдущей схеме, только резистор расположен внутри микроконтроллера. Это «подтягивающий» резистор сопротивлением 20-50 кОм. Ток течет по цепи 5 В (внутри микроконтроллера), подтягивающий резистор (внутри микроконтроллера), кнопка, земля. При разомкнутой кнопке потенциал поднимается до 5 В, при замкнутой — 0. Внутренний резистор имеет довольно высокое сопротивление. Поэтому, часто используют внешний, с низким сопротивлением (1 — 10 кОм), что повышает помехозащищенность.

  7. Так же не понял со схемой питания диода на плате. В моем (наверняка дилетантском) понимании ток движется от источника в плате сначала к резистору потом к диоду, потом на клемму pin13. Соответственно что бы диод загорался от pin13 нужно кинуть проводок на GND.

    • Выход микроконтроллера в состоянии логической 1 представляет собой источник напряжения 5 В. Ток течет по цепи 5 В (внутри микроконтроллера), вывод PIN13, резистор, светодиод, земля. Таким образом светодиод светится при высоком уровне на выходе PIN13.

  8. На фоне 2х предыдущих реплик может сделать урок со схемой полностью вынесенной на макетную плату, а с pin модулировать источник питания, GRN уже есть на плате..

    pinMode(13,OUTPUT); //он будет источником питания.

    • Станислав, не совсем понял, что значит «модулировать источник питания».
      Если у вас вопросы достаточно объемные вопросы, особенно требующие схем, картинок, то лучше открывайте тему на форуме сайта.

      • Вы мне уже ответили «Выход микроконтроллера в состоянии логической 1 представляет собой источник напряжения 5 В» именно это я и имел ввиду.

        Спасибо за ответы! Немного начинаю разбираться. Перехожу в форум.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *