Arduinon ohjelmointi - Aalto€¦ · Arduinon ohjelmointi 31. tammikuuta 2016 2 Ohjelman rakenne #include //Matemaattisia funktioita const int ledPin = 13; //Merkkivalo

Arduinon ohjelmointiSami-Petteri [email protected]

1. helmikuuta 2016

Arduinon ohjelmointi31. tammikuuta 2016

2

Ohjelman rakenne

#include <math . h> / / Matemaattisia funktioita

const i n t l edPin = 13; / / Merkkivaloi n t sensorPin = 4; / / Anturi bensatankissa

void setup ( ) / / Suoritetaan vain kerran alussa

/ / I/O-porttien alustuspinMode ( ledPin , OUTPUT) ;pinMode ( sensorPin , INPUT) ;

void loop ( ) / / Suoritetaan kerta toisensa perään

/ / analogRead palauttaa arvon välillä [0, 1023].i n t gasLevel = analogRead ( sensorPin ) ;i n t ledOn = gasLevel < 300; / / LED sytytetään kun tankki lähes tyhjäd i g i t a l W r i t e ( ledPin , ledOn ) ;


3

Funktiot

I "Maaginen laatikko"I Voi ottaa vastaan määrätyn tyyppisiä muuttujia (parametrit)I Tekee sisäisesti jotakinI Voi palauttaa määrätyn tyyppisen paluuarvon. (tai void, jos

ei mitään)


4

Funktiot

int laskeYhteen(int numero1 , int numero2)

return numero1 + numero2;

int a = laskeYhteen (1, 2); //a==3

I Parametrien muokkaus funktion sisällä ei vaikutaalkuperäisiin muuttujiin!


5

Muuttujat

I <tyyppi> <nimi> = <arvo>;I Jokainen muuttuja on jonkin tyyppinen (kokonaisluku,

kirjain, ...)I Vrt. esim Python, missä muuttujalla on vain nimi ja arvo

I Mikäli muuttujalle ei luomishetkellä anneta arvoa, se voiolla mitä tahansa

I int muuttuja;I Muuttujan arvon ei voida olettaa olevan nolla!


6

Muuttujien näkyvyys

int koira = 1;

void setup()

int kissa = koira + 2; // Toimii

void loop()

kissa = koira + 2; //Ei toimi, kissa näkyy//vain setup-funktiossa


7

Globaali vs lokaali muuttujaGlobaali (esimerkissä koira)

I Voidaan käyttää kaikkialla ohjelmassaI Hyviä kun samaa muuttujaa käytetään kaikkialla

ohjelmassa. Esim. Arduinoon kytketyn ledin pinninumeroI Vältä mikäli mahdollista. Hankala tutkia mitkä kaikki

ohjelman osat vaikuttavat muuttujaan.

Lokaali (esimerkissä kissa)

I Voi käyttää vain niiden aaltosulkeiden välissä jossamääritetty

I Laitteen tarvitsee säilöä tieto ainoastaan pienessä osassaohjelmaa→ tehokkaampaa

I Vaikeampi tehdä mokia


8

Muuttujatyypit

I Kieli on vahvasti tyypitettyI Jokaisen muuttujan tyyppi on siis määritelty

luomisvaiheessaI Tyyppi määrää:

I Millaisia arvoja muuttuja voi sisältääI Mitä muuttujalla voi tehdäI Paljonko muuttuja vie tilaa ohjelman muistissa


9

MuuttujatyyppejäI voidI boolean (0, 1, true, false)I char (’a’, -128, 127)I int (-32768 ... 32767)’I long (-2147483648 ... 2147483647)I unsigned char (0 .. 255)I byte (0 .. 255)I unsigned int (0 .. 65536)I word (0 .. 65536)I unsigned long (0 .. 4294967295)I float (-3.4028e+38 to 3.4028e+38)I double (toistaiseksi sama kuin float)I jne.


10

Muuttujatyypit

I Kokonaisluku (int, long) int muuttuja = -4;I Liukuluku (float, double) float muuttuja = 4.0;

I Arduinon tämän hetkisessä toteutuksessa float ja doublekäytännössä sama asia

I merkki (char) char muuttuja = ’a’;I Vain ASCII-järjestelmän merkitI Aakkoset ja numerot löytyvät, ääkköset eivät

I Totuusarvo (boolean) boolean muuttuja = true;I Tosi (true) tai epätosi (false)I false = 0, true jotakin muuta


11

Muuttujatyypit

Lukuja voi merkata myös erilaisissa lukujärjestelmissä.Kannattaa myös huomata, että laskutoimituksissakin luvuilla onjokin tyyppi.

I 123 (kokonaisluku)I 0267 (oktaali)I 0b10100011 (binääri)I 0xA3 (heksadesimaali)I 7U (unsigned)I 11L (long)I 15UL (unsigned long)I 12.3 (liukuluku)I 3.4e3 (3.4 ∗ 103)


12

Muuttujatyypit

int kokonaisluku = 2;float muuttuja1 = 3/ kokonaisluku; // 1float muuttuja2 = 3.0/2.0; // 1.5float muuttuja3 = 3.0/( float)kokonaisluku; // 1.5

I (tyyppi)muuttuja-notaatio muuntaa muuttujan tyypinI Muunnos isommasta tyypistä pienempään saattaa

aiheuttaa ongelmia (long→ int)


13

Under-/overflow

I Mikäli muuttujan arvo menee muuttujatyypin alueen yli,"pyörähtää muuttuja yli"

byte c = 0; // c = 0--c; // c = 255c = c + 1; // c = 0


14

Mikä tyyppi pitäisi valita?

I Pienin mahdollinen joka sovellutukseen kelpaaI unsigned-etuliite, mikäli negatiivisia arvoja ei tarvita

I Enemmän tilaa "positiivisella"puolellaI const-etuliite, mikäli muuttujan arvoa ei tarvitse ohjelman

ajon aikana muuttaaI Esim kytkentäpinnien numerot


15

Tärkeimpiä operaattoreita

summa 1+2 3erotus 1-2 -1tulo 1*2 2osamäärä 1/2 0.5jakojäännös 5%3 2


16

Tärkeimpiä operaattoreita

I Muutama oikotie onneen muuttujien kanssa

summa a+=2 a = a+2erotus a-=2 a = a-2tulo a*=2 a = a*2osamäärä a/=2 a = a/2kasvata yhdellä a++ a = a+1vähennä yhdellä a−− a = a-1


17

TaulukotI Hyvä väline esimerkiksi useamman ledin nastanumeroiden

säilömiseen.

int led_pin [3] = 3, 5, 6;// led_pin [0] on nyt 3// led_pin [1] v a s t a a v a s t i 5

I Taulukon jäseniä kutsutaan alkioksi.I Alkioon pääsee käsiksi syntaksilla nimi[alkio]I Indeksointi alkaa nollasta

led_pin [1] = 2;// led_pin vastaa nyt määritelmää 3 , 2 , 6


18

Teksti

I C-kielessä ei erillistä muuttujatyyppiä tekstille, vainmerkeille (char)

I Merkkijonot esitetään char-taulukkona

char materiaali [] = "puu";// materiaali-muuttuja vastaa nyt// määritelmää ’ p ’, ’u ’, ’u ’, ’\0 ’

I Merkkijonon lopussa ns. nollatavuI Kertoo apufunktioille merkkijonon loppukohdanI Kolmen merkin merkkijonon tallentamiseen tarvitaan siis

neljä merkkiä!


19

Merkkijonojen käsittely

Merkkijonojen käsittelyyn on olemassa apufunktioitaI strcpy

I Kopioi osa merkkijonosta toiseen merkkijonoonI strcat

I Yhdistä kaksi merkkijonoa toisiinsaI strcmp

I Vertaile kahta merkkijonoa toisiinsaI itoa ja atoi

I Muunna kokonaisluku merkkijonoksi tai toisin päin


20

Vaikeaa?

I Merkkijonojen käsittely hieman hankalaa C-kielessäI Apuun tulee Arduinon olento nimeltä StringI Kuluttaa kuitenkin muistia enemmän kuin c-tyyliset

merkkijonot – käytä vain jos on tarvetta

String merkkijono = "elaimiaon" + 3 + "kpl";// m e r k k i j o n o on nyt muotoa " elaimia on 3 kpl "


21

String muuntaminen

I Jotkut funktiot palauttavat tai vaativat c-tyylisiämerkkitaulukoita

I String kuitenkin vain piilottaa merkkitaulukon taakseen.→muuntaminen onnistuu

String koirateksti = "koira";koirateksti.c_str() // vastaa c-tyylistä merkkijonoa.

// Vain lukemiseen,// ei muokkaamiseen

char merkkijono [] = "kissa";String kissateksti = String(merkkijono);


22

Ehtolauseet

if (false)

// Tee jotakin jos ehto on tosielse

// Hyppää tänne jos ehto epätosi


23

Ehtolauseet

I Mikäli ehto on tosi, suoritetaan kyseessä oleva lohko

// Tässä ehto ei ole tosi, eli lohkoa ei suoriteta// vaan siirrytään eteenpäinif (false)

// Tee jotakin jos ehto on tosi


24

EhtolauseetI Mikäli lohkoa ei suoritettu, suoritetaan else-lohko.

I tai ei mitään, jos else-lohkoa ei ole

// Tässä ehto ei ole tosi, eli lohkoa ei suoriteta// vaan siirrytään eteenpäinif (false)

// Tee jotakin jos ehto on tosielse

// Tämä lohko suoritetaan, koska edellisen// lohkon ehto oli epätosi


25

Näitä voi myös yhdistää

boolean kissat_kivoja = false;boolean linnut_kivoja = false;

if (linnut_kivoja)

//Eivät ole, eli tänne ei päädytäelse if (kissat_kivoja) //epätosi

//Eivät ole, eli tännekään ei päädytäelse

//Päädytään siis tänne


26

Mielekkäitä totuuksia – Vertailu

a == b a yhtä suuri kuin ba != b a eri suuruinen kuin ba < b a pienempi kuin ba > b a suurempi kuin ba <= b a pienempi tai yhtäsuuri kuin ba >= b a suurempi tai yhtäsuuri kuin bI true jos ehto täyttyyI false (0) jos ehto ei täyty


27

IF-lauseissa on jo jotain järkeä

int kissat = 2;int koirat = 3;

if (koirat < kissat) //epätosi

//koirat ovat huonompia kuin kissatelse

//koirat ovat parempia kuin kissat


28

Totuuksien yhdistäminen

Mitä jos halutaankin tutkia, ovatko koirat parempia kuin kissatJA ovatko linnut huonompia kuin kissat


29

Boolen logiikka

a && b a ja b molemmat tosia (and)a || b a tai b on tosi (or)!a a on epätosi (not)I true jos ehto toteutuu, muuten false


30

Boolen logiikka

IF-lauseessa voi käyttää sulkuja kuten matematiikassa

int linnut = 1;int kissat = 2;int koirat = 3;

if ( (koirat > kissat) && (linnut < kissat) )

//koirat ovat parempia kuin kissat//ja//linnut ovat huonompia kuin kissat


31

Boolen logiikka


if ( true && true )



32

Boolen logiikka


if ( true )



33

Helpot asiat mokata!

I Varoitus! a=b ja a==b ovat eri asioita!I a=b; sijoita b:n arvo a:hanI a==b; tarkista ovatko a ja b saman arvoiset

I C-tyylisiä merkkijonoja ei voi vertailla ==-operaattoreilla


34

Silmukat

I Silmukoita käytetään kun samankaltaisia asioita pitäätehdä useita kertoja peräkkäin.




35

While

while (ehto)

//Tee jotakin niin kauan kuin ehto//on tosi


36

For

for (alkuarvo; ehto; askel)

//Tee jotakin niin kauan kuin ehto//on tosi


37

For esimerkki

int ledpin [3] = 3, 5, 6;

void setup()

for (int i=0; i<3; i++) //i=0, 1, 2

pinMode(ledpin[i], OUTPUT);


38

For vs while

I Oikeastaan for-silmukan voi ajatella hienompana versionawhile-silmukasta

I alkuarvo on vain lause joka ajetaan ennen while-silmukkaaI ehto on while-silmukan ehtoI askel on lause joka sijoitetaan viimeiseksi while-silmukan

sisälle.


39

For vs while

int ledpin [3] = 3, 5, 6;

void setup()

int i=0;while (i<3)

pinMode(ledpin[i], OUTPUT);

i++;


40

Break ja continue

I Silmukoiden kulkuun voidaan vaikuttaa myös kahdellakomennolla:

I breakI Lopeta silmukan suoritus heti ja siirry siitä ulos

I continueI Hyppää takaisin silmukan alkuun.I For-silmukassa kuitenkin suoritetaan askel-vaihe. Täten

vertaus whileen ei ole aivan täysin toimiva.


41

Break ja continue

int i=0;

while (true)

Serial.println(i);

i++;if (i < 3)

continue;break;


42

Arduinon pääpiirteet

I Flash-muistia 32 kilotavua, josta 0,5 KB varattu Arduinonbootloaderille

I Tähän tilaan ohjelman pitää siis mahtuaI 2 kilotavua SRAM-muistia

I Käyttömuisti. Esim muuttujat asuvat täälläI Tieto häviää kun virrat katkeavat

I 1 kilotavu EEPROM-muistiaI Muisti joka ei häviä virtojen katketessaI Esimerkiksi laitteen asetusten säilöminenI Vrt. tietokoneen kovalevy

I Arduinon kirjastot piilottavat AVR-C:n paljon helpompaanmuotoon.


43

Arduino


44

digitalRead

I Lukee pinnin tilanI LOW, pinni kytketty maahan (GND)I HIGH, pinni kytketty jännitteeseen. (3-5 volttia)

void setup()

pinMode(3, INPUT);

void loop()

byte arvo = digitalRead (3);


45

Ylös-/Alasvetovastukset

I Mikäli pinniä ei ole kytketty mihinkään, sanotaan että sekelluu

I digitalWrite palauttaa satunnaisesti HIGH tai LOWI Ratkaisuna alasvetovastus

I Kytketään pinni vastuksella (n. 10KΩ) GND:henI Pinnin arvo on nyt LOW kunnes se kytketään myös +5V:iin

I Ylösvetovastus lähes sama asia:I Kytketään pinni vastuksella (n. 10KΩ) +5V:iinI Pinnin arvo on nyt HIGH kunnes se kytketään myös

GND:iin


46

INPUT_PULLUP

I Arduinosta löytyy sisäänrakennettuna ylösvetovastusI Aktivoidaan määrittämällä pinnin modeksi INPUT_PULLUP

void setup()

pinMode(3, INPUT_PULLUP);

void loop()

byte arvo = digitalRead (3);


47

digitalWriteI Asettaa pinnin arvon LOW tai HIGH.

I LOW, "pois päältä"I HIGH, "päällä"

Esimerkiksi ledin vilkutus

void setup()

pinMode (13, OUTPUT);void loop()

digitalWrite (13, HIGH); //LED päällädelay (1000); //Odota sekuntidigitalWrite (13, LOW); //LED pois päältädelay (1000); //Odota sekunti


48

analogReadI analogReadilla voidaan lukea pinnin jänniteI Onnistuu vain pinneistä jotka on nimetty A0, A1...

I Kyseisten pinnien takana on 10-bittinenanalogidigitaalimuuntaja (AD)

I Arvo 0-5V väliltä saadaan siis lukuna väliltä 0-1023. (2,5Vsiis vastaisi lukua 512)

I (Kyseisiä pinnejä voi käyttää myös digitaaliseen I/O:hon)

void setup ( )

pinMode (A1 , INPUT) ;

void loop ( )

i n t arvo = analogRead (A1) ;


49

analogWriteI Arduinossa ei ole DA-muunninta→ analoginen ulostulo

pitää tehdä "keinotekoisesti"I PWM, eli Arduino kytkee pinniä nopeasti 0V ja 5V välillä.

(kanttiaalto)I "Teho"määräytyy kauanko pinniä pidetään HIGH- ja

kauanko LOW-tilassaI Esimerkiksi LEDien himmentämisessä ja normaalien

moottorien tehon säädössä riittäväI Vain tildellä (∼) merkittyjä pinnejä voi käyttää

void setup() pinMode(3, OUTPUT);

void loop() //Ledi palaa "puolella teholla"

analogWrite (3, 127);


50

Muut

I millis()I aika Arduinon käynnistyksestä millisekunneissa

I map()I muuttujan arvovälin muuntaminen toiselle välilleI esim. [0, 1023]→ [0, 256]

I min(), max(), abs(), sin(), cos()...I random()

I satunnaislukujaI Servo

I kirjasto Servomoottorin liikutteluunI ...


51

Arduino IDE

I Kaikki Arduinon ohjelmointiin tarvittavaI KoodieditoriI KääntäjäI Koodin lataus ArduinolleI Sarjaportin kuuntelu


52

Ohjelma laitteelle


53

Muistin loppuminen

I Mikäli itse ohjelmakoodi on liian iso, saat virheviestinI Mikäli jossakin kohtaa käyttömuisti loppuu, todennäköisesti

vain tapahtuu kummallisia asioita. (laite ei toimi kutenpitää, tai ei toimi lainkaan, ...)

I Vältä globaaleja muuttujiaI Helpointa rajoitukseen on törmätä säilömällä iso määrä

tekstinpätkiäI Esimerkiksi LCD-näytön käyttöliittymän tekstit voisivat olla

ongelmaI PROGMEM. Tallenna data flash-muistiin.I Pienissä projekteissa tuskin tulee kuitenkaan vastaan


54

Ohjelman debuggaus: sarjaportti

I Arduino osaa USB:n kautta emuloida sarjaporttiaI Helpoin tapa tietää mitä Arduinossa tapahtuuI Kun ohjelma ei toimi kuten sen pitäisi, kannattaa

sarjaporttiin tulostaa eri muuttujien arvoja ja tutkia, ettäovatko lukemat järkeviä

I Tekstin tulostaminen ennen ja jälkeen jonkin ohjelmanosan auttaa selvittämään, jääkö ohjelma jumiin johonkinkohtaan.

I Huom! jos käytät sarjaporttia, pinnejä 0 ja 1 ei voi enääkäyttää muuhun!


55


int nappi = 3;

void setup() Serial.begin (9600);pinMode(nappi , INPUT);

void loop() byte napinTila = digitalRead(nappi);Serial.println(napinTila);delay (1);


56



57



58

Ohjelman debuggaus: kumiankka


59

Vinkit ohjelmointiin: funktiot

I Yksi toiminto, yksi funktioI Yksi ongelma, monta "aliongelmaa"I Voi käyttää myös ryhmän työnjakoon

EsimerkiksiI Ongelma: Aja robotti pisteeseen x

I Missä ollaan nytI Miten pisteeseen x pääseeI Miten robotin saa liikkumaan


60

Enum

enum OhjelmanTila kysyy_nimea ,sanoo_moi

;OhjelmanTila tila = kysyy_nimea;

void loop()

String nimi;

if (tila == kysyy_nimea)nimi = kysy_nimi ();

if (tila == sanoo_moi)sano_moi(nimi);


61

Vinkit ohjelmointiin: SisennysI Joissakin kielissä (Python) sisennyksellä on väliä ohjelman

toiminnan kannalta – Arduinon kielessä ei.I Sisentämällä koodi kuitenkin on paljon helpompilukuista ja

virheet helpompia huomata

//Ei siis näin. Hankala lukea ja helppo laittaa//kaarisulkuja vääriin paikkoihinvoid loop()if (anturi > raja)sulje_venttiili1 ();sulje_venttiili2 ();


62

Vinkit ohjelmointiin: Manuaalien lukeminen

I Arduinon sivuilla hyvät ohjeet useimpien funktioidenkäyttöön

I Kertovat yleensä myös missä mitäkin kannattaa käyttää jamilloin mennään metsään

I Muista että useimmat asiat toimivat C:ssä samalla tavallaI Joihinkin osiin löytyy hyviä ja helppoja oppaita, joihinkin

hieman teknisiä ja joihinkin huonosti mitäänI Google yleensä osaa auttaa kun kirjoittaa ongelman

englanniksi ja osien tapauksessa liittää tunnistekoodin


63

Vinkit ohjelmointiin: Google

I Lähes kaikki kääntäjän ilmoittamat virheet googlautuvathyvin.

I Maailmassa tehty paljon asioita jo ennestään: how to * witharduino/c

I Englannin kielellä parhaat hakutuloksetI Ehkä tärkeimpiä asioita oppia!


64

Versionhallinta

I "Tää toimi vielä eilen, mut sit tein jotakin ja nyt mikään eienää toimi"

I Helpottaa kun useampi ihminen haluaa koodata samaaprojektia

I GitI Githubin student-ohjelmassa saa muutaman privarepon

ilmaiseksi


65

Arduinon tekstieditori

I Arduinon asetuksista voi valita käyttöön ulkopuolisentekstieditorin jos kokee tarpeelliseksi. Kääntäminen jaupload toimivat edelleen ohjelman kautta.

I Inotool jos pitää komentorivistä


66

Linkkejä

I https://www.arduino.cc/en/Tutorial/HomePageI https://www.arduino.cc/en/Reference/HomePageI http://cslibrary.stanford.edu/101/EssentialC.pdfI https://github.com/liffiton/Arduino-Cheat-SheetI http://tronixstuff.com/I http://www.asciitable.com/I http://www.atmel.com/images/

atmel-8271-8-bit-avr-microcontroller-atmega48a-48pa-88a-88pa-168a-168pa-328-328p_datasheet_complete.pdf

https://www.arduino.cc/en/Tutorial/HomePage

https://www.arduino.cc/en/Reference/HomePage

http://cslibrary.stanford.edu/101/EssentialC.pdf

https://github.com/liffiton/Arduino-Cheat-Sheet

http://tronixstuff.com/

http://www.asciitable.com/

http://www.atmel.com/images/atmel-8271-8-bit-avr-microcontroller-atmega48a-48pa-88a-88pa-168a-168pa-328-328p_datasheet_complete.pdf



Documents

Arduinon ohjelmointi - Aalto€¦ · Arduinon ohjelmointi 31. tammikuuta 2016 2 Ohjelman rakenne #include //Matemaattisia funktioita const int ledPin = 13; //Merkkivalo