Первая программа на Arduino

Цели урока:

Познакомиться со структурой программы Arduino.
Написать первую программу.
Использовать последовательный порт для вывода данных.
Познакомиться с директивой #define.
Выполнить практическое задание в Wokwi.

Структура программы Arduino

Любая программа (скетч) для Arduino состоит из двух основных функций setup() и loop():

Функция `setup()`

Функция setup() выполняется один раз при запуске программы. Она используется для настройки начальных параметров, таких как:

Настройка пинов (входы/выходы).
Инициализация переменных.
Запуск Serial-порта для обмена данными с компьютером.
Настройка других компонентов (например дисплеев, датчиков).

Пример использования setup():

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); // Настройка встроенного светодиода как выхода
  Serial.begin(9600);           // Инициализация Serial-порта
}

Что происходит в setup():

pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

Настраивает пин 13 (встроенный светодиод) как выход.
Это означает, что мы можем управлять этим пином (включать/выключать светодиод).

Serial.begin(9600);

Инициализирует последовательный порт для обмена данными с компьютером.
Чтение состояния кнопок
Скорость передачи данных (baud rate) установлена на 9600 бод.

Функция `loop()`

Функция loop() выполняется циклически (код функции выполняется в бесконечном цикле) после завершения setup(_). Вся основная логика программы находится здесь. Например:

Управление светодиодами, моторами, сервоприводами.
Чтение данных с датчиков.
Отправка данных на компьютер или другие устройства.

Пример использования loop():

void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // Включить светодиод
  delay(1000);                    // Ждать 1 секунду
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);  // Выключить светодиод
  delay(1000);                    // Ждать 1 секунду
}

Что происходит в loop():

digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);

Включает светодиод, подавая на пин 13 высокий уровень напряжения (5 В).

delay(1000);

Приостанавливает выполнение программы на 1000 миллисекунд (1 секунду).

digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);

Выключает светодиод, подавая на пин 13 низкий уровень напряжения (0 В).

delay(1000);

Снова приостанавливает выполнение программы на 1 секунду.

Цикл программы выполняется сверху вниз, когда программа доходит до последней строчки этой функции цикл начинается сначала.

Директива `#define`

Директива #define используется для создания макросов или констант. Она позволяет заменить определённое значение или выражение на имя, что делает код более читаемым и удобным для изменения.

Синтаксис:

#define ИМЯ ЗНАЧЕНИЕ

Пример использования #define:

#define LED_PIN 13
#define DELAY_TIME 1000

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // Используем константу LED_PIN вместо 13
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включить светодиод
  delay(DELAY_TIME);           // Ждать 1 секунду
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);  // Выключить светодиод
  delay(DELAY_TIME);           // Ждать 1 секунду
}

Преимущества #define:

Читаемость: Имена констант (LED_PIN, DELAY_TIME) делают код более понятным.
Удобство изменения: Если нужно изменить значение (например, пин светодиода или время задержки), это можно сделать в одном месте.
Экономия памяти: #define не создаёт переменные, а просто заменяет текст в коде перед компиляцией.

Область видимости

Когда вы начинаете программировать, одна из самых частых проблем — это ошибки, связанные с "невидимостью" переменных в разных частях программы. Давайте разберём эту тему максимально просто, на примерах, которые поймёт даже новичок.

Область видимости — это часть программы, где переменная "живёт" и может быть использована. Если вы попытаетесь обратиться к переменной вне её области видимости, компилятор выдаст ошибку.

Основные области видимости:

Глобальные переменные — видны везде в программе.
Локальные переменные — видны только внутри функции, где объявлены.

Глобальные переменные

Пишутся в самом начале программы, до всех функций setup() и loop().

int globalVar = 10;  // Глобальная переменная  
  
void setup() {  
  Serial.begin(9600);  
}  
  
void loop() {  
  Serial.println(globalVar);  // Можно использовать тут и в setup  
  someFunction();  
}

Плюсы:

Можно использовать в любом месте программы, в setup() или loop().
Удобны для хранения важных данных, которые нужны везде (например, настройки пинов).

Минусы:

Занимают память всё время работы программы, даже если не используются.
Если программа большая, можно случайно изменить глобальную переменную где-то в коде и получить ошибку.

Когда использовать?

Для конфигурации (например, номера пинов).
Для счётчиков, которые должны сохраняться между вызовами loop().

Локальные переменные

Пишутся внутри функций setup() или loop() и видны только в пределах функций в который объявлены.

void setup() {
  int localVar = 5;  // Локальная переменная (видна ТОЛЬКО в setup())
  Serial.begin(9600);
  Serial.println(localVar);  // Здесь работает
}

void loop() {
  // Serial.println(localVar);  // ОШИБКА! localVar не видна здесь!
  int anotherVar = 20;  // Другая локальная переменная
  Serial.println(anotherVar);  // А здесь — работает
}

Плюсы:

Экономят память (удаляются после выхода из функции).
Уменьшают риск случайно изменить переменную где-то в коде.

Минусы:

Нельзя использовать вне функции, где они объявлены.

Когда использовать?

Для временных вычислений например, внутри loop().

Первая программа: мигающий светодиод

В мире Arduino аналогом "Hello, World!" является программа, которая заставляет встроенный светодиод мигать. Встроенный светодиод подключён к пину 13 на плате Arduino Uno.

Код программы с использованием #define:

#define LED_PIN 13
#define DELAY_TIME 1000

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // Настройка встроенного светодиода как выхода
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включить светодиод
  delay(DELAY_TIME);           // Ждать 1 секунду
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);  // Выключить светодиод
  delay(DELAY_TIME);           // Ждать 1 секунду
}

Объяснение кода:

#define LED_PIN 13: создаёт константу LED_PIN, которая заменяется на 13.
#define DELAY_TIME 1000: создаёт константу DELAY_TIME, которая заменяется на 1000.
Остальной код работает так же, как и раньше.

Вот ссылка на пример работающего проекта в симуляторе Wokwi. Нажмите на кнопку "Start the simulation" и посмотрите как будет моргать красный светодиод на плате.

Использование последовательного порта

Последовательный порт — это инструмент в Arduino IDE, который позволяет обмениваться данными между компьютером и платой Arduino. Мы можем использовать его для вывода текста, чисел или отладки.

Пример программы с выводом в последовательный порт:

#define LED_PIN 13
#define DELAY_TIME 1000

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // Настройка встроенного светодиода как выхода
  Serial.begin(9600);       // Инициализация Serial-порта
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включить светодиод
  Serial.println("Светодиод включён"); // Вывод сообщения
  delay(DELAY_TIME);           // Ждать 1 секунду

  digitalWrite(LED_PIN, LOW);  // Выключить светодиод
  Serial.println("Светодиод выключен"); // Вывод сообщения
  delay(DELAY_TIME);           // Ждать 1 секунду
}

Как открыть последовательный порт:

В Arduino IDE перейдите в Tools -> Serial Monitor (или нажмите Ctrl+Shift+M).
Убедитесь, что скорость передачи (baud rate) установлена на 9600.
Вы увидите сообщения "Светодиод включён" и "Светодиод выключен", которые повторяются каждую секунду.

На Wokwi монитор последовательного порта появится в правой нижней части экрана.

Последовательный порт — это мощный инструмент для отладки и взаимодействия с Arduino. Вот несколько полезных функций:

Вывод данных.

Используйте Serial.print() или Serial.println() для вывода текста, чисел или значений переменных.

Serial.print(): Выводит данные без перевода строки.

int temperature = 25;
Serial.print("Температура: ");
Serial.print(temperature); // Вывод: "Температура: 25"

Serial.println(): Выводит данные с переводом строки.

int humidity = 60;
Serial.println(humidity); // Вывод: "60" и переход на новую строку

Ввод данных.

Вы можете отправлять данные с компьютера на Arduino через последовательный порт. Используйте Serial.read() или Serial.parseInt() для чтения данных.

Serial.read(): Читает один (первый) байт данных из буфера.

if (Serial.available() > 0) {
    char input = Serial.read(); // Чтение одного байта
    Serial.print("Вы ввели: ");
    Serial.println(input);
}

Serial.parseInt(): Читает целое число из буфера.

if (Serial.available() > 0) {
    int input = Serial.parseInt(); // Чтение целого числа
    Serial.print("Вы ввели число: ");
    Serial.println(input);
}

Форматирование вывода.

Вы можете форматировать вывод с помощью функций, таких как Serial.print().

Serial.print(1.2345, 2): выведет число с двумя знаками после точки 1.23 (цифра 2 после запятой указывает на количество знаков после точки).

float voltage = 3.3314;
Serial.printf(voltage, 2); // Вывод: 3.33

Скорость передачи (baud rate).

Убедитесь, что скорость передачи последовательного порта совпадает с указанной в Serial.begin().

Пример:

Serial.begin(9600); // Установка скорости 9600 бод

В настройках последовательного порта также выберите скорость 9600 (относится при работе с физическими устройствами а не для симуляции).

Очистка буфера.

Иногда полезно очистить буфер перед чтением данных.

Serial.flush(): Ожидает завершения передачи данных.

Serial.flush(); // Очистка буфера передачи

Практическое задание в Wokwi

Давайте создадим проект в Wokwi , который будет мигать встроенным светодиодом и выводить сообщение в монитор порта.

Шаги:

Перейдите на Wokwi
Создайте новый проект, выбрав плату Arduino UNO.
Вставьте следующий код в редактор:

#define LED_PIN 13
#define DELAY_TIME 1000

void setup() {
    pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // Настройка встроенного светодиода как выхода
    Serial.begin(9600);       // Инициализация Serial-порта
}

void loop() {
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Включить светодиод
    Serial.println("Светодиод включён"); // Вывод сообщения
    delay(DELAY_TIME);           // Ждать 1 секунду

    digitalWrite(LED_PIN, LOW);  // Выключить светодиод
    Serial.println("Светодиод выключен"); // Вывод сообщения
    delay(DELAY_TIME);           // Ждать 1 секунду
}

Запустите симуляцию нажав на кнопку "Start the simulation".
Откроется монитор последовательного порта автоматически в правой нижней части экрана.
Наблюдайте за миганием светодиода и сообщениями в мониторе порта.

Вот готовый проект на Wokwi с использованием монитора порта.

Что мы узнали:

Программа Arduino состоит из setup() и loop().
Область видимости переменных.
Мы можем управлять встроенным светодиодом с помощью digitalWrite().
Последовательный порт используется для вывода данных и отладки.
Директива #define позволяет создавать константы, делая код более читаемым и удобным для изменения.
Мы создали и протестировали проект в Wokwi

Следующий урок: Цифровые сигналы