Arduino с Python: с чего начать

Для запуска примеров вам нужно собрать схемы, подключив электронные компоненты . Обычно вы можете найти эти предметы в магазинах электронных компонентов или в хороших стартовых наборах Arduino. Тебе понадобиться:

Давайте подробнее рассмотрим некоторые из этих компонентов.

Компонент 1 представляет собой *Arduino Uno * или другую совместимую плату. Arduino - это проект, который включает в себя множество boards и модулей для различных целей, и Arduino Uno является наиболее простым среди них. Это также самая используемая и наиболее документированная плата из всей семьи Arduino, так что это отличный выбор для разработчиков, которые только начинают работать с электроникой.

Компоненты 5 и 6 являются резисторами. Большинство резисторов обозначены цветными полосками в соответствии с color code. Как правило, первые три цвета представляют значение резистора, а четвертый цвет представляет его допуск . Для резистора 470 Ом первые три цвета - желтый, фиолетовый и коричневый. Для резистора 10 кОм первые три цвета - коричневый, черный и оранжевый.

Компонент 7 представляет собой «макет», который используется для подключения всех других компонентов и сборки цепей. Хотя макет не требуется, рекомендуется получить его, если вы собираетесь начать работать с Arduino.

В дополнение к этим аппаратным компонентам вам необходимо установить некоторое программное обеспечение. Платформа включает в себя Arduino IDE, интегрированную среду разработки для программирования устройств Arduino, а также другие онлайн-инструменты.

Arduino был разработан, чтобы позволить вам легко программировать доски. Как правило, вы выполните следующие действия:

Чтобы установить Arduino IDE на свой компьютер, загрузите соответствующую версию для вашей операционной системы с веб-сайта Arduino. Проверьте документацию для инструкций по установке:

Теперь, когда вы установили Arduino IDE и собрали все необходимые компоненты, вы готовы начать работу с Arduino! Далее вы загрузите «Hello, World!» Запрограммируйте на свою доску.

Для начала подключите плату Arduino к компьютеру с помощью USB-кабеля и запустите Arduino IDE. Чтобы открыть пример эскиза Blink, откройте меню File и выберите Examples, затем 01.Basics и, наконец, Blink:

Пример кода Blink будет загружен в новое окно IDE. Но прежде чем вы сможете загрузить эскиз на плату, вам нужно настроить IDE, выбрав плату и подключенный порт.

Чтобы настроить плату, войдите в меню Tools, а затем Board. Для Arduino Uno вы должны выбрать Arduino/Genuino Uno:

После того, как вы выбрали плату, вы должны установить соответствующий порт. Снова откройте меню Tools и выберите Порт:

image:https://files.realpython.com/media/arduino_ide_select_port.7eef188bba81.jpg ---- выберите порт в IDE Arduino]

Имена портов могут отличаться в зависимости от вашей операционной системы. В Windows порты будут называться + COM4 +, + COM5 + или что-то подобное. В macOS или Linux вы можете увидеть что-то вроде +/dev/ttyACM0 + или +/dev/ttyUSB0 +. Если у вас есть какие-либо проблемы с настройкой порта, взгляните на https://www.arduino.cc/en/Guide/Trou устранение неисправностей[Arduino Страница устранения неполадок].

После того, как вы настроили плату и порт, у вас все готово для загрузки эскиза в Arduino. Для этого вам просто нужно нажать кнопку Upload на панели инструментов IDE:

Когда вы нажимаете Upload, IDE компилирует эскиз и загружает его на вашу доску. Если вы хотите проверить наличие ошибок, вы можете нажать Verify перед Upload, что скомпилирует только ваш эскиз.

Кабель USB обеспечивает последовательное соединение для загрузки программы и питания платы Arduino. Во время загрузки вы увидите мигающие светодиоды на плате. Через несколько секунд загруженная программа запустится, и вы увидите, что светодиодный индикатор мигает каждую секунду:

После завершения загрузки USB-кабель продолжит питание платы Arduino. Программа хранится во флэш-памяти микроконтроллера Arduino. Вы также можете использовать батарею или другой внешний power supply для запуска приложения без USB-кабеля.

В предыдущем разделе вы использовали светодиод, который уже присутствовал на плате Arduino. Однако в большинстве практических проектов вам необходимо подключить внешние компоненты к плате. Чтобы сделать эти соединения, Arduino имеет несколько контактов разных типов:

Хотя эти соединения обычно называются pins , вы можете видеть, что они не совсем физические контакты. Скорее, контакты - это отверстия в гнезде, к которым можно подключить перемычки. На рисунке выше вы можете увидеть различные группы выводов:

Чтобы начать использовать внешние компоненты, вы должны подключить внешний светодиод для запуска примера скриншота Blink. Встроенный светодиод подключен к цифровому выводу № 13 . Итак, давайте подключим внешний светодиод к этому контакту и проверим, мигает ли он. (Стандартный светодиод - это один из компонентов, которые вы видели в списке earlier.)

Прежде чем подключать что-либо к плате Arduino, рекомендуется отключить его от компьютера. Отключив USB-кабель, вы сможете подключить светодиод к вашей плате:

Обратите внимание, что на рисунке показана доска с цифровыми контактами, которые теперь обращены к вам.

Проекты электронных схем обычно включают в себя тестирование нескольких идей, когда вы добавляете новые компоненты и вносите коррективы по мере продвижения. Тем не менее, может быть сложно подключить компоненты напрямую, особенно если цепь большая.

Чтобы упростить создание прототипов, вы можете использовать breadboard для соединения компонентов. Это устройство с несколькими отверстиями, которые соединены определенным образом, так что вы можете легко соединить компоненты с помощью перемычек:

Вы можете увидеть, какие отверстия связаны между собой, посмотрев на цветные линии. Вы будете использовать отверстия по бокам макета для питания схемы:

Затем вы можете легко подключить компоненты к источнику питания или заземлению, просто используя другие отверстия на красной и синей линиях. Отверстия в середине макета соединены, как указано цветами. Вы будете использовать их для создания соединений между компонентами схемы. Эти две внутренние секции разделены небольшим углублением, к которому можно подключить интегральные схемы (ИС).

Вы можете использовать макет для сборки схемы, использованной в примере скриншота Blink:

Для этой схемы важно отметить, что светодиод должен быть подключен в соответствии с его полярностью, иначе он не будет работать. Положительный вывод светодиода называется* анодом и обычно является более длинным. Отрицательный конец называется катодом * и он короче. Если вы используете восстановленный компонент, то вы также можете идентифицировать клеммы, посмотрев плоскую сторону на самом светодиоде. Это укажет положение отрицательного терминала.

Когда вы подключаете светодиод к выводу Arduino, вам всегда понадобится резистор, чтобы ограничить его ток и избежать преждевременного выгорания светодиода. Здесь вы используете резистор 470 Ом для этого. Вы можете следить за соединениями и проверить, что цепь такая же:

Более подробное объяснение можно найти на странице How Use Breadboard.

После завершения подключения подключите Arduino к ПК и снова запустите эскиз Blink:

Поскольку оба светодиода подключены к цифровому выводу 13, они мигают вместе во время выполнения эскиза.

Прежде чем писать свою программу на Python для управления Arduino, вы должны загрузить эскиз Firmata, чтобы использовать этот протокол для управления платой. Эскиз доступен во встроенных примерах Arduino IDE. Чтобы открыть его, откройте меню File, затем Examples, затем Firmata и, наконец, StandardFirmata:

Эскиз будет загружен в новое окно IDE. Чтобы загрузить его в Arduino, вы можете выполнить те же действия, что и раньше:

После завершения загрузки вы не заметите никаких действий на Arduino. Для управления им все равно нужна программа, которая может связываться с платой через последовательное соединение. Для работы с протоколом Firmata в Python вам потребуется пакет pyFirmata, который вы можете установить с помощью + пип +:

После завершения установки вы можете запустить эквивалентное приложение Blink, используя Python и Firmata:

Вот как эта программа works. Вы импортируете + pyfirmata + и используете его для установки последовательного соединения с платой Arduino, которая представлена ​​объектом + board + в строке 4. Вы также настраиваете порт в этой строке, передавая аргумент + pyfirmata.Arduino () +. Вы можете использовать Arduino IDE, чтобы найти порт.

+ board.digital + - список, элементы которого представляют цифровые выводы Arduino. Эти элементы имеют методы + read () + и + write () +, которые будут читать и записывать состояние выводов. Как и большинство встроенных программ для устройств, эта программа в основном состоит из бесконечного цикла:

Теперь, когда вы знакомы с основами управления Arduino с помощью Python, давайте рассмотрим некоторые приложения для взаимодействия с его входами и выходами.

Для управления светодиодом вы будете использовать кнопку для отправки значений цифрового входа в Arduino. Кнопка должна подавать 0 В на плату, когда она отпущена, и 5 В на плату, когда она нажата. На рисунке ниже показано, как подключить кнопку к плате Arduino:

Вы можете заметить, что светодиод подключен к Arduino на цифровом выводе 13, как и раньше. Цифровой контакт 10 используется в качестве цифрового входа. Для подключения кнопки необходимо использовать резистор на 10 кОм, который действует как pull down в этой цепи. Понижающий резистор гарантирует, что цифровой вход получает 0 В, когда кнопка отпущена.

Когда вы отпускаете кнопку, вы открываете соединение между двумя проводами на кнопке. Поскольку через резистор ток не течет, контакт 10 просто подключается к земле (GND). Цифровой вход получает 0 В, что представляет состояние 0 (или низкий ). Когда вы нажимаете кнопку, вы подаете 5 В на резистор и на цифровой вход. Ток протекает через резистор, и на цифровой вход подается напряжение 5 В, которое представляет состояние 1 (или high ).

Вы также можете использовать макет для сборки вышеуказанной схемы:

Теперь, когда вы собрали схему, вам нужно запустить программу на ПК, чтобы управлять ею с помощью Firmata. Эта программа включит светодиод в зависимости от состояния кнопки:

Давайте пройдемся по этой программе:

+ pyfirmata + также предлагает более компактный синтаксис для работы с входными и выходными выводами. Это может быть хорошим вариантом, когда вы работаете с несколькими выводами. Вы можете переписать предыдущую программу, чтобы иметь более компактный синтаксис:

В этой версии вы используете + board.get_pin () + для создания двух объектов. + digital_input + представляет состояние цифрового входа, а + led + представляет состояние светодиода. Когда вы запускаете этот метод, вы должны передать строковый аргумент, состоящий из трех элементов, разделенных двоеточиями:

Поскольку + digital_input + является цифровым входом, использующим вывод 10, вы передаете аргумент + 'd: 10: i' +. Состояние светодиода устанавливается на цифровой выход с помощью контакта 13, поэтому аргумент + led + равен + 'd: 13: o' +.

Когда вы используете + board.get_pin () +, нет необходимости явно устанавливать вывод 10 в качестве входа, как вы делали раньше с + pyfirmata.INPUT +. После того, как контакты установлены, вы можете получить доступ к статусу цифрового входного контакта с помощью + read () + и установить состояние цифрового выходного контакта с помощью + write () +.

Цифровые входы широко используются в проектах электроники. Несколько датчиков обеспечивают цифровые сигналы, такие как датчики присутствия или двери, которые могут использоваться в качестве входов для ваших цепей. Однако в некоторых случаях вам необходимо измерить аналоговые значения, такие как расстояние или физические величины. В следующем разделе вы увидите, как читать аналоговые входы, используя Arduino с Python.

В отличие от цифровых входов, которые могут быть только включены или выключены, аналоговые входы используются для считывания значений в некотором диапазоне. На Arduino Uno напряжение на аналоговом входе находится в диапазоне от 0 до 5 В. Соответствующие датчики используются для измерения физических величин, таких как расстояния. Эти датчики отвечают за кодирование этих физических величин в надлежащем диапазоне напряжения, чтобы они могли считываться Arduino.

Для считывания аналогового напряжения Arduino использует *analog-to-digital converter (ADC) *, который преобразует входное напряжение в цифровой номер с фиксированным количеством битов. Это определяет разрешение преобразования. Arduino Uno использует 10-разрядный АЦП и может определять 1024 различных уровня напряжения.

Диапазон напряжения для аналогового входа кодируется числами от 0 до 1023. Когда применяется 0V, Arduino кодирует его в число 0 . При подаче 5 В закодированное число равно 1023 . Все значения промежуточного напряжения кодируются пропорционально.

Https://en.wikipedia.org/wiki/Potentiometer[potentiometer] - это переменный резистор, который можно использовать для установки напряжения, подаваемого на аналоговый вход Arduino. Вы подключите его к аналоговому входу для управления частотой мигания светодиода:

В этой схеме светодиод настроен так же, как и раньше. Концевые клеммы потенциометра подключены к заземлению (GND) и 5В контактам. Таким образом, центральный терминал (курсор) может иметь любое напряжение в диапазоне от 0 до 5 В в зависимости от его положения, которое подключено к Arduino на аналоговом выводе A0.

Используя макет, вы можете собрать эту схему следующим образом:

Перед тем, как управлять светодиодом, вы можете использовать схему для проверки различных значений, которые считывает Arduino, в зависимости от положения потенциометра. Для этого запустите на компьютере следующую программу:

В строке 8 вы устанавливаете + analog_input + в качестве аналогового входного вывода A0 с аргументом + 'a: 0: i' +. Внутри бесконечного цикла + while + вы читаете это значение, сохраняете его в + analog_value + и выводите вывод на консоль с помощью + print () +. Когда вы перемещаете потенциометр во время работы программы, вы должны вывести примерно следующее:

Печатные значения изменяются в диапазоне от 0, когда положение потенциометра находится на одном конце, до 1, когда оно находится на другом конце. Обратите внимание, что это значения с плавающей запятой, которые могут потребовать преобразования в зависимости от приложения.

Чтобы изменить частоту мигания светодиода, вы можете использовать + analog_value +, чтобы контролировать, как долго светодиод будет гореть или выключаться:

Здесь вы вычисляете + delay + как + analog_value + 0.01 +, чтобы избежать того, чтобы + delay + было равно нулю. В противном случае, обычно получают + analog_value + + None + в течение первых нескольких итераций. Чтобы избежать появления ошибки при запуске программы, вы используете условное выражение в строке 13, чтобы проверить, является ли + analog_value + + None +. Затем вы контролируете период мигания светодиода.

Попробуйте запустить программу и изменить положение потенциометра. Вы заметите частоту смены мигающего светодиода:

Теперь вы уже видели, как использовать цифровые входы, цифровые выходы и аналоговые входы в своих цепях. В следующем разделе вы увидите, как использовать аналоговые выходы.

В некоторых случаях необходимо иметь аналоговый выход для управления устройством, для которого требуется аналоговый сигнал. Arduino не имеет реального аналогового выхода, в котором напряжение может быть установлено на любое значение в определенном диапазоне. Однако Arduino включает несколько выходов *Pulse Width Modulation * (PWM).

ШИМ - это метод модуляции, при котором цифровой выход используется для генерации сигнала с переменной мощностью. Для этого он использует цифровой сигнал постоянной частоты, в котором duty цикл * изменяется в соответствии с желаемой мощностью. Рабочий цикл представляет собой долю периода, в течение которого сигнал установлен на *high