Arduino dla początkujących. Podstawy i szkice, wydanie 2

Simon Monk

Arduino jest bardzo prostym komputerem, który można wykorzystać w najróżniejszych gadżetach wykonywanych w zaciszu własnego domu. Potrafi komunikować się z komputerem, posiada także złącza służące do podłączania zewnętrznych elementów elektronicznych, takich jak silniki, przekaźniki, fotodiody, diody laserowe, głośniki, mikrofony itp. Oprogramowanie służące do programowania Arduino jest łatwe w użyciu i jest dostępne za darmo na platformy Windows, Mac i Linux. Przy tym wszystkim Arduino jest bardzo prosty w rozbudowie o kolejne elementy. Dzięki temu łatwo może posłużyć do budowy najprzeróżniejszych robotów, sterowników, czujników czy interfejsów do komunikacji z innymi urządzeniami. Dodatkowo Arduino jest znakomitym, ciekawym i bardzo przyjemnym sposobem na nauczenie się podstaw elektroniki, informatyki bądź programowania.

Ta książka jest kolejnym, zaktualizowanym i uzupełnionym wydaniem popularnego podręcznika programowania dla osób, które chcą zacząć swoją przygodę z Arduino. Skorzystasz z niej nawet wtedy, gdy nie masz pojęcia o programowaniu. Wystarczy zestaw Arduino i ochota do pracy twórczej, aby wykonać urządzenie do sterowania oświetleniem, zarządzania energią wytwarzaną przez panele słoneczne, tablicę do wyświetlania komunikatów i wiele innych ciekawych projektów. Dzięki przejrzystym wskazówkom i wyjaśnieniom już wkrótce przekonasz się, że programowanie Arduino jest czynnością prostą i przyjemną, a błędów wynikających z wadliwego kodu można łatwo uniknąć. Gruntowna znajomość podstaw języka C będzie dodatkową korzyścią, którą zyskasz dzięki tej książce.

W tej książce:

• budowa płytki Arduino i przygotowanie środowiska pracy
• programowanie Arduino w języku C
• korzystanie z pamięci Flash i EEPROM
• Arduino w projektach internetu rzeczy
• obsługa wyświetlaczy OLED i LED

Arduino: sprawdź, jak fascynujący może być mikrokontroler!

O autorze

Dr Simon Monk - jest cybernetykiem, informatykiem, autorem książek i konstruktorem. Kilka lat był pracownikiem akademickim, później zajął się rozwijaniem firmy programistycznej Momote Ltd. Elektronika jest jego ukochanym hobby od wczesnej młodości. Dr Monk jest autorem ok. dwudziestu książek dla pasjonatów elektroniki i majsterkowania. Zachęcony ich popularnością w 2015 roku wraz z żoną Lindą założył spółkę MonkMakes Ltd., gdzie zajmuje się projektowaniem nowych produktów i... parzeniem świetnej herbaty dla swoich gości.

2.Arduino dla początkujących. Kolejny krok. Wydanie II

W pewnych kwestiach nic się nie zmienia - Arduino pozostaje praktycznym, tanim mikrokontrolerem, który może komunikować się ze światem zewnętrznym i obsługiwać przeróżne urządzenia elektroniczne. Daje też pole do popisu licznym amatorom i hobbystom. Środowisko programistyczne wciąż ma prosty interfejs, a programowanie płytki samo w sobie jest łatwym zadaniem nawet dla ludzi bez doświadczenia w pisaniu kodu. Zmiany w świecie Arduino dotyczą większych możliwości oraz sukcesywnie dodawanych funkcjonalności, takich jak obsługa bibliotek, czy kolejnych interfejsów.

To drugie, starannie zaktualizowane wydanie przewodnika po programowaniu Arduino, przeznaczonego dla osób, które opanowały podstawy i chcą zdobyć umiejętności na wyższym, profesjonalnym poziomie. W książce dodatkowo ujęto zagadnienia wykorzystania Arduino do komunikacji z urządzeniami szeregowymi oraz z internetem rzeczy (IoT). Dowiesz się również, jak używać środowiska programistycznego Arduino do programowania kompatybilnych płytek. Prezentowane treści zostały zilustrowane praktycznymi przykładami stosowania omówionych technik. Nie zabrakło licznych kodów do pobrania, które ułatwią Ci pracę z nawet bardzo ambitnymi projektami.

Dzięki książce dowiesz się, jak:

• konfigurować Arduino IDE i tworzyć efektywne szkice
• poprawić wydajność pracy przy zmniejszeniu natężenia prądu pobieranego przez Arduino
• pracować z różnymi interfejsami: I2C, 1-Wire, SPI, a także z układem TTL, USB i UART
• korzystać z Ethernetu, Bluetootha i DSP oraz z zasobów internetu
• tworzyć i udostępniać własne biblioteki

Zostań mistrzem Arduino!

O autorze

Dr Simon Monk - jest cybernetykiem, informatykiem, autorem książek i konstruktorem. Kilka lat był pracownikiem akademickim, później zajął się rozwijaniem firmy programistycznej Momote Ltd. Elektronika jest jego ukochanym hobby od wczesnej młodości. Dr Monk jest autorem ok. dwudziestu książek dla pasjonatów elektroniki i majsterkowania. Zachęcony ich popularnością w 2015 roku wraz z żoną Lindą założył spółkę MonkMakes Ltd., gdzie zajmuje się projektowaniem nowych produktów i... parzeniem świetnej herbaty dla swoich gości.

Spis treści

O autorze 9

Podziękowania 10

Przedmowa 11

Wstęp 13

Rozdział 1. Programowanie Arduino 17

• Czym jest Arduino 17
• Instalacja i środowisko programistyczne 20

  Instalacja środowiska programistycznego 20

  Blink 20

• Wycieczka po płytce Arduino 23

  Zasilanie 23

  Złącza zasilania 24

  Wejścia analogowe 24

  Złącza cyfrowe 24

• Płytki Arduino 25

  Uno i pochodne 25

  Duże płytki Arduino 26

  Małe płytki Arduino 27

  Nieoficjalne płytki Arduino 28

• Język programowania 29
• Modyfikacja szkicu Blink 29
• Zmienne 31
• If 32
• Pętle 32
• Funkcje 34
• Wejścia cyfrowe 35
• Wyjścia cyfrowe 37
• Monitor portu szeregowego 37
• Tablice i macierze 39
• Wejścia analogowe 40
• Wyjścia analogowe 42
• Korzystanie z bibliotek 44
• Typy danych obsługiwane przez Arduino 46
• Polecenia Arduino 47
• Podsumowanie 49

Rozdział 2. Pod maską 51

• Krótka historia Arduino 51
• Anatomia Arduino 52
• Procesory AVR 52

  ATmega328 53

  ATmega32u4 53

  ATmega2560 55

  AT91SAM3X8E 55

• Arduino i Wiring 55
• Od szkicu do Arduino 59
• AVR Studio 61
• Instalacja programu rozruchowego 62

  Instalacja programu rozruchowego za pomocą aplikacji AVR Studio i programatora 63

  Instalacja programu rozruchowego za pomocą zintegrowanego środowiska programistycznego Arduino i drugiej płytki Arduino 64

• Podsumowanie 66

Rozdział 3. Kiedy Arduino to nie Arduino? 67

• Rozszerzalna architektura Arduino IDE 67
• Adafruit Circuit Playground Express 68
• NodeMCU 71
• ESP32 73
• Mikrokontrolery ATtiny 73

  ATtiny44 73

  Arduino jako programator 74

  Instalacja ATtinyCore w IDE 75

  Zegary, kryształy i bezpieczniki 76

  Minimalne Arduino 77

• Podsumowanie 77

Rozdział 4. Przerwania i zegary 79

• Przerwania sprzętowe 79

  Piny przerwań 82

  Tryby przerwań 83

  Aktywacja wbudowanego rezystora podciągającego 83

  Procedury obsługi przerwań 84

  Zmienne ulotne 84

  Podsumowanie wiadomości na temat procedur obsługi przerwań 85

• Włączanie i wyłączanie obsługi przerwań 85
• Zegary i przerwania 86
• Podsumowanie 89

Rozdział 5. Przyspieszanie Arduino 91

• Jak szybko działa Twoje Arduino? 91
• Porównanie płytek Arduino 92
• Przyspieszanie wykonywania operacji arytmetycznych 93

  Czy naprawdę musisz stosować wartości typu float? 93

• Przeglądanie kontra obliczanie 94
• Szybkie wejścia-wyjścia 96

  Podstawowa optymalizacja kodu 97

  Bajty i bity 98

  Porty układu ATmega328 98

  Bardzo szybkie działanie wyjść cyfrowych 100

  Szybkie wejścia cyfrowe 100

• Przyspieszanie wejść analogowych 102
• Podsumowanie 103

Rozdział 6. Arduino i mały pobór prądu 105

• Płytki Arduino i pobór prądu 105
• Prąd i akumulatory 107
• Zmniejszenie częstotliwości taktowania 108
• Wyłączanie komponentów 109
• Usypianie Arduino opartych na ATmega 111

  Biblioteka Narcoleptic 111

  Budzenie za pomocą zewnętrznych przerwań 113

• Usypianie ESP8266 115
• Usypianie ESP32 116
• Ograniczanie pobieranego prądu za pomocą wyjść cyfrowych 118
• Podsumowanie 120

Rozdział 7. Pamięć 121

• Pamięć Arduino 121
• Korzystanie z minimalnej ilości pamięci RAM 123

  Korzystanie z właściwych struktur danych 123

  Przechowywanie w pamięci flash stałych będących łańcuchami 124

  Rozpowszechnione błędne przekonania 124

  Pomiar wolnej pamięci 124

• Korzystanie z minimalnej ilości pamięci flash 125

  Korzystaj ze stałych 125

  Usuwaj zbędne elementy szkicu 125

  Pomiń program rozruchowy 126

• Statyczna i dynamiczna alokacja pamięci 126
• Łańcuchy 127

  Tablice elementów typu char 128

  Biblioteka Arduino StringObject 130

• Korzystanie z pamięci EEPROM 131

  Przykład korzystania z pamięci EEPROM 132

  Korzystanie z biblioteki avr/eeprom.h 134

  Ograniczenia pamięci EEPROM 136

• Korzystanie z pamięci Flash 136
• Zapisywanie danych na kartach SD 138
• Podsumowanie 139

Rozdział 8. Interfejsy Arduino 141

• System binarny 141
• Typy danych Arduino i system binarny 142
• System szesnastkowy 143
• Maskowanie bitów 144
• Przesunięcie bitowe 145
• Dane przesyłane szeregowo 146
• Podsumowanie 150

Rozdział 9. Korzystanie z magistrali I2C 151

• Warstwa sprzętowa 153
• Protokół magistrali I2C 154
• Biblioteka Wire 155

  Inicjacja magistrali I2C 155

  Wysyłanie danych przez urządzenie nadrzędne 155

  Odbieranie danych przez urządzenie nadrzędne 155

• Przykład działania magistrali I2C 156

  Radio FM TEA5767 156

  Przesyłanie danych pomiędzy dwoma płytkami Arduino 158

  Płytki z diodami LED 161

  Zegar czasu rzeczywistego DS1307 162

• Podsumowanie 163

Rozdział 10. Praca z urządzeniami wyposażonymi w interfejs 1-Wire 165

• Sprzęt obsługujący interfejs 1-Wire 166
• Protokół 1-Wire 166
• Biblioteka OneWire 167

  Inicjalizowanie biblioteki OneWire 167

  Skanowanie magistrali 167

• Korzystanie z układu DS18B20 168
• Podsumowanie 171

Rozdział 11. Praca z urządzeniami wyposażonymi w interfejs SPI 173

• Operowanie bitami 173
• Sprzęt obsługujący magistralę SPI 174
• Protokół SPI 175
• Biblioteka SPI 175
• Przykład komunikacji za pomocą interfejsu SPI 177
• Podsumowanie 180

Rozdział 12. Szeregowa transmisja danych za pośrednictwem układu UART 183

• Sprzęt służący do szeregowej transmisji danych 183
• Protokół obsługujący szeregową transmisję danych 186
• Polecenia służące do obsługi szeregowej transmisji danych 186
• Biblioteka SoftwareSerial 189
• Przykłady szeregowej transmisji danych 190

  Komunikacja pomiędzy komputerem a Arduino za pośrednictwem interfejsu USB 190

  Komunikacja pomiędzy dwoma płytkami Arduino 192

  Moduł GPS 194

• Podsumowanie 197

Rozdział 13. Obsługa interfejsu USB 199

• Emulacja klawiatury i myszy 199

  Emulacja klawiatury 200

  Przykład emulacji klawiatury 201

  Emulacja myszy 201

  Przykład emulacji myszy 202

  Host USB płytki Arduino Due 202

• Podsumowanie 205

Rozdział 14. Obsługa sieci oraz internet rzeczy 207

• Sprzęt sieciowy 207

  Płytka rozszerzeń wyposażona w kontroler sieci Ethernet 207

  Arduino Ethernet i Arduino EtherTen 208

• Biblioteka Ethernet 209

  Nawiązywanie połączenia 209

  Stawianie serwera sieci Web 211

  Tworzenie żądań 211

• Przykład szkicu korzystającego z biblioteki Ethernet 212

  Sprzętowy serwer sieci Web 212

  Pobieranie danych w formacie JSON 216

• Oficjalna biblioteka Arduino do obsługi WiFi 219

  Nawiązywanie połączenia 219

  Funkcje zdefiniowane w bibliotece WiFi 220

• Przykładowy szkic korzystający z sieci Wi-Fi 220
• Przykład ESP8266/ESP32 WiFi 221
• Internet rzeczy 223

  dweet.io 224

  Programowanie NodeMCU lub Wemos D1 Mini 225

  Podłączanie TMP36 226

  Strona internetowa wyświetlająca temperaturę 226

• Podsumowanie 228

Rozdział 15. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów 229

• Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów 229
• Uśrednianie odczytów 230
• Wstęp do filtrowania 232
• Prosty filtr dolnoprzepustowy 233
• Cyfrowe przetwarzanie sygnałów przez Arduino Uno 234
• Cyfrowe przetwarzanie sygnałów przez Arduino Due 235
• Generowanie kodu filtrującego 238
• Transformacja Fouriera 241

  Analizator spektrum 241

  Pomiar częstotliwości 244

• Podsumowanie 244

Rozdział 16. Praca z użyciem tylko jednego procesu 247

• Zmiana skali 247
• Dlaczego wątki są zbędne 248
• Funkcje setup i loop 248

  Najpierw wykrywaj, a dopiero później reaguj 248

  Pauza, która nie blokuje mikrokontrolera 249

• Biblioteka Timer 250
• Diagramy stanów 251
• Automaty skończone w Arduino 253
• Podsumowanie 254

Rozdział 17. Tworzenie bibliotek 255

• Kiedy należy tworzyć biblioteki? 255
• Stosowanie klas i metod 256
• Przykładowa biblioteka TEA5767 Radio 256

  Określ interfejs programistyczny 257

  Utwórz plik nagłówkowy 258

  Utwórz plik implementacji 259

  Utwórz plik ze słowami kluczowymi 259

  Utwórz folder z przykładami 260

• Testowanie biblioteki 260
• Publikacja biblioteki 261
• Publikacja biblioteki na GitHubie 261

  GitHub 261

  Tworzenie repozytorium 262

• Podsumowanie 264

Dodatek A. Podzespoły 265

• Płytki Arduino 265
• Komponenty i moduły 265
• Dystrybutorzy 266
• Zestawy startowe Arduino 267