Изменить pin arduino

Способы чтения и управления портами ввода-вывода Arduino

Для взаимодействия с окружающим миром нужно настроить выводы микроконтроллера на приём или передачу сигнала. В результате каждый пин будет работать в режиме входа и выхода. На всеми любимой плате Arduino сделать это можно двумя способами, как именно вы узнаете из этой статьи.

Способ первый – стандартный язык для Arduino IDE

Всем известно, что Ардуино программируется на C++ с некоторой адаптацией и упрощениями для новичков. Он называется Wiring. Изначально все порты ардуино определяются как входы, и нет нужды задавать это в коде.

Порты обычно прописываются в функции инициализации переменных:

Для этого используется команда pinMode, у неё достаточно простой синтаксис, сначала указывается номер порта, затем его роль через запятую.

pinMode (nomer_porta, naznachenie)

С помощью этой команды внутренняя схема микроконтроллера конфигурируется определенным образом.

Есть три режима в которых может работать порт: INPUT – вход, в этом режиме происходит считывание данных с датчиков, состояния кнопок, аналогового и цифрового сигнала. Порт находится в т.н. высокоимпедансном состоянии, простыми словами – у входа высокое сопротивление. Устанавливается это значение, на примере 13 пина платы, при необходимости так:

pinMode (13, INPUT);

OUTPUT – выход, в зависимости от команды прописанной в коде порт принимает значение единицы или нуля. Выход становится своего рода управляемым источником питания и выдаёт максимальный ток (в нашем случае 20 мА и 40 мА в пике) в нагрузку к нему подключенную. Чтобы назначить порт как выход на Arduino нужно ввести:

pinMode (13, OUTPUT);

INPUT_PULLUP – порт работает как вход, но к нему подключается т.н. подтягивающий резистор в 20 кОм.

Условную внутреннюю схему порта в таком состоянии вы видите ниже. Особенностью этого входа является то, что входной сигнал воспринимается как проинвертированный («единица» на входе воспринимается микроконтроллером как «ноль»). В таком режиме вы можете не использовать внешние подтягивающие резисторы при работе с кнопками.

pinMode (13, INPUT_PULLUP);

Данные принимаются с портов и передают на них командами:

digitalWrite(пин, значение) – переводит выходной пин в логическую 1 или 0, соответственно на выходе появляется или исчезает напряжение 5В, например digitalWrite (13, HIGH) – подаёт 5 вольт (логическую единицу) на 13 пин, а digitalWrite (13, low) – переводит 13 пин в состояние логического ноля (0 вольт);

digitalRead(пин) – считывает значение со входа, пример digitalRead (10), считывает сигнал с 10 пина;

analogRead(пин) – считывает аналоговый сигнал с аналогового порта, вы получаете значение в диапазоне от 0 до 1023 (в пределах 10-битного АЦП), пример analogRead (3).

Способ два – управление портами через регистры Atmega и ускорение работы кода

Такое управление конечно простое, но в этом случае есть два недостатка – большее потребление памяти и низкое быстродействие при работе с портами. Но вспомните что такое Arduino независимо от варианта платы (uno, micro, nano)? В первую очередь, это микроконтроллер AVR семейства ATMEGA, в последнее время используется МК atmega328.

В Arduino IDE вы можете программировать на родном для этого семейства языке C AVR, так, как если бы вы работали с отдельным микроконтроллером. Но обо всем по порядку. Чтобы управлять портами Ардуино таким образом вам нужно сначала внимательно рассмотреть следующую иллюстрацию.

Возможно кому-то будет нагляднее изучать порты в таком виде (на рисунке тоже самое, но в другом оформлении):

Здесь вы видите соответствие выводов Ардуино и названий портов атмеги. Итак, у нас есть 3 порта:

Исходя из изображенного на рисунках, я составил таблицу соответствия портов Ардуино и Атмеги, она пригодится вам в дальнейшем.

У Atmega есть три регистра длиной в 8 бит, которые управляют состоянием портов, например, порта B разберемся в их назначении проведя аналогии со стандартными средствами wiring описанными в начале статьи:

PORTB – Управление состоянием вывода. Если пин находится в режиме «Выхода», то 1 и 0 определяют наличие этих же сигналов на выходе. Если же пин находится в режиме «Входа», то 1 подключает подтягивающий резистор (тоже что и INPUT_PULLUP рассмотренный выше), если 0 – высокоимпедансное состояние (аналог INPUT);

PINB – регистр чтения. Соответственно в нём находится информация о текущем состоянии выводов порта (логическая единица или ноль).

DDRB – регистр направления порта. С его помощью вы указываете микроконтроллеру чем является порт – входом или выходом, при этом «1» — выход, а «0» — вход.

Вместо буквы «В» может быть любая другая согласно названиям портов, например, PORTD или PORTC аналогично работают и другие команды.

Научитесь разрабатывать устройства на базе микроконтроллеров и станьте инженером умных устройств с нуля: Инженер умных устройств

Помигаем светодиодом, заменим стандартную функцию digitalWrite(). Для начала вспомним как выглядит исходный пример из библиотеки Arduino IDE.

Это код всем известного «blink», который демонстрирует мигание светодиодом, встроенным в плату.

В комментариях даны пояснения к коду. Логика такой работы заключается в следующем.

Команда PORTB B00100000 переводит PB5 в состояние логической единицы, смотрим, а те картинки и таблицу что расположены ниже и видим, что PB5 соответствует 13 пину Ардуины.

Буква «В» перед цифрами говорит о том, что мы в записываем значения в двоичном виде. Нумерация в двоичном коде идёт справа налево, т.е. здесь единица стоит в шестом с правого края бите, что говорит микроконтроллеру о взаимодействии с состоянием шестого бита регистра порта B (PB5). В таблице ниже изображена структура порта D, она аналогична и приведена для примера.

Вы можете задавать значение не в двоичном, а в шестнадцатеричном виде, например, для этого открываем калькулятор windows и в режиме «ВИД», выбираем вариант «Программист».

Вводим желаемое число:

И нажимаем на HEX:

В таком случае переносим это всё в Arduino IDE, но уже вместо приставки «В» будет «0х».

Но при таком вводе возникает проблема. Если у вас к другим пинам подключено что-либо, то внося команду типа B00010000 – вы все выводы кроме 13 (PB5) обнулите. Вы можете вносить данные на каждый пин по отдельности. Это будет выглядеть следующим образом:

Такая запись может показаться непонятной, давайте разберемся.

Это операция логического сложения, |= значит прибавить к содержимому порту что-либо.

А это значит, что нужно сложить слово из 8 бит в регистре с единицей, смещенной на 5 бит – в результате, если было 11000010 получается 11010010. На этом примере видно, что изменился только PB5, остальные биты этого регистра остались без изменений, как и остались неизменными состояния выводов микроконтроллера.

Но при логическом сложении возникает проблема – вы не можете превратить единицу в ноль, потому что:

Нам на помощь придёт логическое умножение и инвертирование:

&= значит умножить содержимое порта на определенное число.

А это число, на которое мы умножает. Знак «

» обозначает инвертирование. В нашем случае проинвертированная единица является нулем. То есть мы умножаем содержимое порта на ноль, сдвинутый на 5 бит. Например, было 10110001, стало 10100001. Остальные биты остались без изменений.

Тоже самое можно сделать с помощью операции инвертирования (^):

Чтение с портов, аналог digitalRead() выполняют с помощью регистра PIN, на практике это выглядит так:

Здесь мы проверяем равно ли выражение в скобках реальному состоянию портов, т.е. аналогично тому, если бы мы написали if (digitalRead(12) == 1).

Пошаговое обучение программированию и созданию устройств на микроконтроллерах AVR: Программирование микроконтроллеров для начинающих

Заключение

Для чего такие сложности с управлением портами, если можно использовать стандартные удобные функции? Всё дело в быстродействии и размерах кода. При использовании второго способа, рассмотренного в статье размер кода, значительно снижается, а быстродействие увеличивается на несколько порядков. Стандартный digitalWrite() выполнялся за 1800 мкс, а запись прямо в порт за 0,2 мкс, а digitalRead() за 1900 мкс, а стал также за 0,2 мкс. Этот способ управления был найден на просторах сети и часто встречается в коде готовых проектов.

Источник

Digital Pins

The pins on the Arduino can be configured as either inputs or outputs. This document explains the functioning of the pins in those modes. While the title of this document refers to digital pins, it is important to note that vast majority of Arduino (Atmega) analog pins, may be configured, and used, in exactly the same manner as digital pins.

Properties of Pins Configured as INPUT

Arduino (Atmega) pins default to inputs, so they don’t need to be explicitly declared as inputs with pinMode() when you’re using them as inputs. Pins configured this way are said to be in a high-impedance state. Input pins make extremely small demands on the circuit that they are sampling, equivalent to a series resistor of 100 megohm in front of the pin. This means that it takes very little current to move the input pin from one state to another, and can make the pins useful for such tasks as implementing a capacitive touch sensor, reading an LED as a photodiode, or reading an analog sensor with a scheme such as RCTime.

This also means however, that pins configured as pinMode(pin, INPUT) with nothing connected to them, or with wires connected to them that are not connected to other circuits, will report seemingly random changes in pin state, picking up electrical noise from the environment, or capacitively coupling the state of a nearby pin.

Pullup Resistors with pins configured as INPUT

Often it is useful to steer an input pin to a known state if no input is present. This can be done by adding a pullup resistor (to +5V), or a pulldown resistor (resistor to ground) on the input. A 10K resistor is a good value for a pullup or pulldown resistor.

Properties of Pins Configured as INPUT_PULLUP

There are 20K pullup resistors built into the Atmega chip that can be accessed from software. These built-in pullup resistors are accessed by setting the pinMode() as INPUT_PULLUP. This effectively inverts the behavior of the INPUT mode, where HIGH means the sensor is off, and LOW means the sensor is on.

The value of this pullup depends on the microcontroller used. On most AVR-based boards, the value is guaranteed to be between 20kО© and 50kО©. On the Arduino Due, it is between 50kО© and 150kО©. For the exact value, consult the datasheet of the microcontroller on your board.

When connecting a sensor to a pin configured with INPUT_PULLUP, the other end should be connected to ground. In the case of a simple switch, this causes the pin to read HIGH when the switch is open, and LOW when the switch is pressed.

The pullup resistors provide enough current to dimly light an LED connected to a pin that has been configured as an input. If LEDs in a project seem to be working, but very dimly, this is likely what is going on.

The pullup resistors are controlled by the same registers (internal chip memory locations) that control whether a pin is HIGH or LOW. Consequently, a pin that is configured to have pullup resistors turned on when the pin is an INPUT, will have the pin configured as HIGH if the pin is then switched to an OUTPUT with pinMode(). This works in the other direction as well, and an output pin that is left in a HIGH state will have the pullup resistors set if switched to an input with pinMode().

Prior to Arduino 1.0.1, it was possible to configure the internal pull-ups in the following manner:

NOTE: Digital pin 13 is harder to use as a digital input than the other digital pins because it has an LED and resistor attached to it that’s soldered to the board on most boards. If you enable its internal 20k pull-up resistor, it will hang at around 1.7V instead of the expected 5V because the onboard LED and series resistor pull the voltage level down, meaning it always returns LOW. If you must use pin 13 as a digital input, set its pinMode() to INPUT and use an external pull down resistor.

Properties of Pins Configured as OUTPUT

Pins configured as OUTPUT with pinMode() are said to be in a low-impedance state. This means that they can provide a substantial amount of current to other circuits. Atmega pins can source (provide positive current) or sink (provide negative current) up to 40 mA (milliamps) of current to other devices/circuits. This is enough current to brightly light up an LED (don’t forget the series resistor), or run many sensors, for example, but not enough current to run most relays, solenoids, or motors.

Short circuits on Arduino pins, or attempting to run high current devices from them, can damage or destroy the output transistors in the pin, or damage the entire Atmega chip. Often this will result in a «dead» pin in the microcontroller but the remaining chip will still function adequately. For this reason it is a good idea to connect OUTPUT pins to other devices with 470О© or 1k resistors, unless maximum current draw from the pins is required for a particular application.

Источник

Adblock
detector