07. Бегущий огонёк

В этом эксперименте мы заставляем огонёк бежать по светодиодной шкале.

Список деталей для эксперимента

• 1 плата Arduino Uno
• 1 беспаечная макетная плата
• 1 светодиодная шкала (можно использовать 10 светодиода)
• 10 резисторов номиналом 220 Ом
• 11 проводов «папа-папа»

Принципиальная схема

Схема на макетке

Обратите внимание

• Обратите внимание, что в данном эксперименте резисторы установлены между катодами и землей в отличие от эксперимента пульсар.
• Мы подключаем светодиоды к цифровым портам, начиная с порта 2. Мы можем использовать порты 0 и 1, но они являются каналами передачи данных последовательного порта и для каждой перепрошивки платы придется отключать устройства, подключенные к ним.

Скетч

p070_running_bar.ino

// светодиодная шкала подключена к группе пинов расположенных

// подряд. Даём понятные имена первому и последнему пинам

#define FIRST_LED_PIN  2

#define LAST_LED_PIN   11

void setup()

{

  // в шкале 10 светодиодов. Мы бы могли написать pinMode 10

  // раз: для каждого из пинов, но это бы раздуло код и

  // сделало его изменение более проблематичным.

  // Поэтому лучше воспользоваться циклом. Мы выполняем

  // pinMode для (англ. for) каждого пина (переменная pin)

  // от первого (= FIRST_LED_PIN) до последнего включительно

  // (<= LAST_LED_PIN), всякий раз продвигаясь к следующему

  // (++pin увеличивает значение pin на единицу)

  // Так все пины от 2-го по 11-й друг за другом станут выходами

  for (int pin = FIRST_LED_PIN; pin <= LAST_LED_PIN; ++pin)

    pinMode(pin, OUTPUT);

}

void loop()

{

  // получаем время в миллисекундах, прошедшее с момента

  // включения микроконтроллера

  unsigned int ms = millis();

  // нехитрой арифметикой вычисляем, какой светодиод

  // должен гореть именно сейчас. Смена будет происходить

  // каждые 120 миллисекунд. Y % X — это остаток от

  // деления Y на X; плюс, минус, скобки — как в алгебре.

  int pin = FIRST_LED_PIN + (ms / 120) % 10;

  // включаем нужный светодиод на 10 миллисекунд, затем —

  // выключаем. На следующем проходе цикла он снова включится,

  // если гореть его черёд, и мы вообще не заметим отключения

  digitalWrite(pin, HIGH);

  delay(10);

  digitalWrite(pin, LOW);

}

Пояснения к коду

• С помощью выражения for мы организуем цикл со счетчиком. В данном случае для настройки портов на выход. Чтобы сделать такой цикл, нужно:
  • Инициализировать переменную-счетчик, присвоив ей первоначальное значение. В нашем случае: int pin = FIRST_LED_PIN
  • Указать условие, до достижения которого будет повторяться цикл. В нашем случае: pin <= LAST_LED_PIN
  • Определить правило, по которому будет изменяться счетчик. В нашем случае ++pin (см. ниже об операторе ++).
• Например, можно сделать цикл for (int i = 10; i > 0; i = i - 1). В этом случае:
  • Переменной i присваивается значение 10
  • Это значение удовлетворяет условию i > 0
  • Поэтому блок кода, помещенный в цикл, выполняется первый раз
  • Значение i уменьшается на единицу, согласно заданному правилу, и принимает значение 9
  • Блок кода выполняется второй раз.
  • Всё повторяется снова и снова вплоть до значения i равного 0
  • Когда i станет равна 0, условие i > 0 не выполнится, и выполнение цикла закончится
  • Контроллер перейдет к коду, следующему за циклом for
• Помещайте код, который нужно зациклить, между парой фигурных скобок {}, если в нем больше одной инструкции.
• Переменная-счетчик, объявляемая в операторе for, может использоваться внутри цикла. Например, в данном эксперименте pin последовательно принимает значения от 2 до 11 и, будучи переданной в pinMode, позволяет настроить 10 портов одной строкой, помещенной в цикл.
• Переменные-счетчики видны только внутри цикла. Т.е. если обратиться к pin до или после цикла, компилятор выдаст ошибку о необъявленной переменной.
• Конструкция i = i - 1 в пояснении выше не является уравнением! Мы используем оператор присваивания = для того, чтобы в переменную i поместить значение, равное текущему значению i, уменьшенному на 1.
• Выражение ++pin — это т.н. оператор инкремента, примененный к переменной pin. Эта инструкция даст тот же результат, что pin = pin + 1
• Аналогично инкременту работает оператор декремента --, уменьшающий значение на единицу. Подробнее об этом в статье про арифметические операции.
• Тип данных unsigned int используют для хранения целых чисел без знака, т.е. только неотрицательных. За счет лишнего бита, который теперь не используется для хранения знака, мы можем хранить в переменной такого типа значения до 65 535.
• Функция millis возвращает количество миллисекунд, прошедших с момента включения или перезагрузки микроконтроллера. Здесь мы используем ее для отсчета времени между переключениями светодиодов.
• С помощью выражения (ms / 120) % 10 мы определяем, который из 10 светодиодов должен гореть сейчас. Перефразируя, мы определяем какой отрезок длиной в 120 мс идет сейчас и каков его номер внутри текущего десятка. Мы добавляем порядковый номер отрезка к номеру того порта, который в текущем наборе выступает первым.
• То, что мы гасим светодиод с помощью digitalWrite(pin, LOW) всего через 10 мс после включения не заметно глазу, т.к. очень скоро будет вновь вычислено, какой из светодиодов включать, и он будет включен — только что погашенный или следующий.

Вопросы для проверки себя

1. Почему в данном эксперименте мы подключаем светодиодную шкалу, не используя транзистор?
2. Если бы мы включали светодиоды только на портах 5, 6, 7, 8, 9, что нужно было бы изменить в программе?
3. С помощью какой другой инструкции можно выполнить действие, эквивалентное ++pin?
4. В чем разница между переменными типов int и unsigned int?
5. Что возвращает функция millis()?
6. Как в данном эксперименте мы вычисляем номер порта, на котором нужно включить светодиод?

Задания для самостоятельного решения

1. Измените код так, чтобы светодиоды переключались раз в секунду.
2. Не выключая порты, сделайте так, чтобы огонёк бежал только по средним четырем делениям шкалы.
3. Переделайте программу так, чтобы вместо int pin = FIRST_LED_PIN + (ms / 120) % 10 перемещением огонька управлял цикл for
4. Не меняя местами провода, измените программу так, чтобы огонёк бегал в обратном направлении.