Zajęcia nr 6 – pilot IR, fotorezystor, map() i serwa

Posted on 9 października, 20169 października, 2016 by gawryl

Pilot na podczerwień – TSOP22xx

Czyli wykorzystujemy bibliotekę IRLib wraz z czujką TSOP22xx. Przy tej okazji pokazałem, jak instalowac biblioteki w Arduino IDE na 2 sposoby: z pliku zip, oraz ze środowiska.

Cujka TSOP22xx pożera bardzo mało prądu (jedynie 5 mA – patrz nota katalogowa) i dlatego zdecydowałem się pokazać Wam podłączenie jej bezpośrednio do płytki Arduino (czyli bez przewodów lub płytki stykowej). Jedna nóżka czujki siedziała w GND, druga w pinie numer 13 (zasilanie VCC) a trzecia – sygnałowa – w pinie 12 Arduino – bardzo stabilna konfiguracja. Należało tylko włączyć zasilanie na 13-tce aby odbiornik podczerwieni pracował – ale to już powinniśmy umieć (ponownie: pamiętacie „zabawy” z LED-ami? no właśnie po to one wszystkie…).

Nasz pierwszy projekt polegał na odczytywaniu kodów klawiszy z domowego pilota, a potem sterowanie trzema LEDami. Przy tej okazji poznaliśmy też wygodny zamiennik instrukcji if/else w języku C – a mianowicie switch/case.

Dzielnik napięć

Wróciliśmy do dzielnika aby pobawić się miernikami oraz… aby za chwilę wykorzystać je w projekcie inteligentnego oświetlenia sterowanego Arduio. Ale to za chwilę. Najpierw fajna (mam nadzieję) zabawa z multimetrem 😉

Dzielnik napięć – bardzo podstawowa wiedza, ale niezbędna podczas zabawy z Arduino i podobnymi. Dlatego zajęcia rozpoczęliśmy od dwóch rezystorów o tej samej wartości, wówczas ze wzoru na dzielnik Uwy= Uwe*R/(R+R1)= 0.5*Uwe i przy pomocy miernika uniwersalnego mierzyliśmy napięcie Uwy. Jako źródło mieliśmy do dyspozycji baterie AAA (różnie – jedni 2 sztuki, inni 4) o różnych napięciu. Dlatego aby prawidłowo wykonać to ćwiczenie trzeba było najpierw zmierzyć napięcie źródła. Dzielnik napięć zbudowaliśmy na płytce stykowej, o tak:

Gdy już prawidłowo zbudowaliśmy dzielnik napięć i rozumieliśmy co się dzieje z mierzonym napięciem, zastąpiliśmy fotorezystorem.

Fotorezystor

Oświetlenie fotorezystora powoduje zmniejszenie jego rezystancji (a tym samym zwiększenie płynącego przez niego prądu, jeśli mamy stałe napięcie zasilania). Oświetlenie zmienialiśmy albo zasłaniając ręką fotorezystor, albo oświetlając go latarką z telefonu komórkowego. Dalej zamieniliśmy jeden z rezystorów z naszego dzielnika napięć na fotoopornik i przeprowadziliśmy pomiary napięcia. Układy doświadczalne prezentowały się w ten oto sposób:

Warto podkreślić, że istotne jest który rezystor zastępujemy fotoopornikiem. Rysunki poniżej przedstawiają dwa podobne układy dzielnika napięć – zwróć uwagę na wskazania napięcia przy zmianie oświetlenia:

Czyli w jednej konfiguracji napięcie rosło oświetlając dzielnik, w drugiej – napięcie malało. Najpierw każdy z nas ustalił więc, co ma na swojej płytce aby kontrolować swój układ.

Odczyt zastanego oświetlenia

W tym ćwiczeniu do zbudowanego układu podłączyliśmy Arduino z pinem analogowym i odczytywaliśmy napięcie, niezależnie od miernika – to ważne, aby kontrolować to co wypisuje nam Arduino niezależnym miernikiem (u nas multimetrem). Ponownie okazało się, że aby otrzymać wyniki bardzo zbliżone do multimetru należało najpierw upewnić się jakie mamy faktycznie napięcie 5V w naszym Arduino (wiadomo – uczniowie/studenci popełniają błędy – a kto nie! – i płytka się uszkadza…. są więc płytki z napięciem 4.7V zamiast katalogowych 5V).

Inteligentne oświetlenie

Do układu podłączyliśmy LEDa, którego jasnością sterowaliśmy poprzez Arduino z pinem PWM (poprzednie zajęcia z przykładem Fade). Zabawa miała polegać na oprogramowaniu układu tak, aby LED gasł gdy jest dużo światła zastanego (mierzonego przez fotorezystor i wejście analogowe Arduino), oraz aby LED świecił mocniej i mocniej gdy światła zastanego braknie. Takie proste, ale inteligentne oświetlenie 😉

Tutaj poznaliśmy nową funkcję z biblioteki Arduino: map(). Funkcja ta przeskalowywała (liniowo) podaną wartość z pewnego zakresu (dziedziny, poniżej oznaczonej jako wartości od min_x do max_x), na inna wartość z innego zakresu (przeciwdziedzina, od min_y do max_y). Formalnie wygląda to następująco:

map(war, min_x, max_x, min_y, max_y)

co oznacza, że chcemy przeskalować wartość war z zakresu min_x do max_x, na wartość z przedziału min_y do max_y. W naszym przykładzie chodziło o przeskalowanie wartości odczytywanych przez analogRead (czyli wartości od 0 do 1023) do wartości podawanych do sterowania jasnością LEDa (przez PWM, czyli z zakresu 0..255). Dlatego skalowaliśmy

war2= map(war, 0, 1023, 255, 0);

To liniowe skalowanie przez funkcję map() nie ma „magii” w sobie, to proste wykorzystanie funkcji liniowej y=ax+b, znanej Wam z lekcji matematyki plus umiejętność rozwiązania układu równań. Dopowiadając: w liniowym skalowaniu mamy 2 nieznane parametry – współczynniki a i b prostej. Musimy więc podać dwa równania aby je wyznaczyć (chyba każdy pamięta, że do narysowania prostej potrzebne są tylko dwa punkty? więc stąd dwa równania…). Posługuję się wartościami krańcowymi, oczywistymi przy naszym zagadnieniu: chcę bowiem, by do PWMa trafiło 255 gdy na wejściu z analogRead-a było 0 (pierwsze równanie: y=255 gdy x=0), oraz chcę, by mieć wartość y=0 gdy podaję x=1023 (drugie równanie). Oba punkty podstawiam do niewiadomego y=a*x+b i otrzymuję układ równań. Funkcja map() znajduje a i b za nas i wyznacza każdą inną wartość leżącą na tej prostej.

UWAGA: map() działa tylko na liczbach całkowitych!

Przyjrzyjcie się ponownie mojemu rysunkowi – to prosta matematyka w zastosowaniu 😉

Sterowanie jasnością LDEa przez PWM robiliśmy poleceniem analogWrite(9, war2);

Okazało się, że aby wszystko działało dość widowiskowo należało najpierw wyskalować nasze odczyty jasności zastanej zmniejszając zakres…. W wielu przypadkach było więc potrzebne:

war2 = map(war, 400, 800, 255, 0);

co sprawdziło się metodą prób-i-błędów – w tym celu mocno debugowaliśmy nasz kod wypisując na ekran monitora odczytywane liczby.

Serwo silnik (a właściwie mikro-serwo)

Czyli silnik, który obraca się od 0 do 180 stopni (ma blokadę na inne wychylenia). Potem utrzymuje swoją pozycję. Służy do tworzenia obrotowych ramion itd…

Trzy przewody – zasilanie (czerowny +5V, czarny/brązowy GND) oraz jeden sterujący – musi być PWM. Za dużo nie wnikałem o co chodzi w sterowaniu tym silnikiem, tylko wspomniałem o potencjometrze wewnątrz i o wypełnieniu sygnału sterującego… więcej może później? Zobaczymy.

Do sterowania tym silnikiem użyliśmy 2 nowych funkcji z nowej biblioteki:

#include <Servo.h> – na początku programu informujemy, że chcemy funkcje z tej nowej biblioteki
Servo silniczek; tworzymy zmienną typu silnik-serwo, czyli właśnie o to nam chodzi!
silniczek.attach(3); powoduje przekazanie informacji do Arduino, że sterujemy silnikiem przez pin numer 3 (przypominam: musi być to pin PWM, czyli jak nie 3, to 5,9…)
silniczek.write(133); ustawia nasz silnik w pozycji 133 stopni. Albo na dowolny inny z zakresu 0..180 stopni. Dziecinie proste 😉

Serwo sterowane z klawiatury

Przypomnieliśmy sobie jak odczytywać liczby z klawiatury (funkcja parseInt() dla obiektu Serial) i stworzyliśmy program ustawiający silnik w pozycji wczytanej z klawiatury. Proste a przyjemne. No i zawsze warto powtarzać wiedzę 😉

Prąd „zjadany” przez serwo – mierzymy!

W skrajnych ustawieniach serwa (tj. w okolicy 0 stopni, oraz w okolicach 180 stopni) słyszymy buczenie/piszczenie serwo-silnika. Coś się dzieje. Amperomierz w garść i mierzymy prąd.

Przyjrzyj się uważnie obrazkowi i zwróć uwagę, jak podłączony jest amperomierz.

Oczywiście w wirtualnym Arduino silniczek serwo jest idealny i nie widzimy tego, co było u nas na zajęciach….

Dodatkowo: w przypadku mierników uniwersalnych ustaw największą wartość prądu, jaką się spodziewasz dostać – nie odwrotnie! W przeciwnym przypadku zwiększając zakres przepalisz bezpiecznik w multimetrze…

Serwo sterowane pilotem na podczerwień

W tym przykładzie wróciliśmy do początku zajęć i ponownie wykorzystaliśmy pilot od telewizora – tym razem czytywaliśmy klawisze i ustawialiśmy serwo na konkretną wartość kąta. Dwa przyciski obracały serwo w lewo i w prawo, trzeci zaś ustawiał serwo w pozycję 90 stopni.

Serwo pracy ciągłej (aka 360 stopni)

Poznaliśmy też serwa obracające się „w kółko”, ale z kontrolą szybkości swoich obrotów. Sterowanie polegało na używaniu funkcji writeMicroseconds(), w której komenda STOP dla silnika wymagała podania wypełnienia 1500 ms, natomiast wypełnienie z zakresu 1501-2000 ms oznaczało obrót w prawą stronę z prędkością proporcjonalną do tego wypełnienia (i analogicznie z obrotami w lewą stroną – wypełnienie z przedziału 1000-1499 ms).

Ta sama funkcja writeMicroseconds() może być przydatna w korygowaniu niedoskonałości tanich, chińskich serw, które nie trzymają katalogowych parametrów – obrót od 0 do 180 stopni. Proszę tylko obchodzić się z nią ostrożnie, bo z poprzedniego ćwiczenia – gdzie mierzyliśmy prąd zjadany przez serwo – wiemy, że dużo się dzieje w skrajnych położeniach.

Koniec? Początek!

Z wielkim niedosytem kończymy nasze spotkania w ramach Talentów XXI w. Niedosyt bierze się z faktu, że umiemy obsługiwać kilka fajnych „klocków” i aż się prosi, aby je teraz połączyć w jakąś całość (samochodzik sterowany pilotem, albo obrotowa wieżyczka z laserem). Ale czas naszych spotkań dobiegł końca. Cóż… zachęcam do samodzielnej pracy i koniecznie pochwalcie się swoimi osiągnięciami – dlatego dla Was jest to początek przygody z Arduino (mam nadzieję!). Proszę śmiało pisać do mnie na email! Pozdrawiam i dziękuję za wspólną pracę, K. Gawryluk

Zajęcia nr 6 – fotorezystor, dzielnik napięć, map(), serwo silnik i znowu map()

Posted on 3 czerwca, 20163 czerwca, 2016 by gawryl

Dzielnik napięć

Bardzo podstawowa wiedza, ale niezbędna podczas zabawy z Arduino i podobnymi. Dlatego zajęcia rozpoczęliśmy od dwóch rezystorów o tej samej wartości, wówczas ze wzoru na dzielnik Uwy= Uwe*R/(R+R1)= 0.5*Uwe i przy pomocy miernika uniwersalnego mierzyliśmy napięcie Uwy. Jako źródło mieliśmy do dyspozycji baterie AAA (różnie – jedni 2 sztuki, inni 4) o różnych napięciu. Dlatego aby prawidłowo wykonać to ćwiczenie trzeba było najpierw zmierzyć napięcie źródła. Dzielnik napięć zbudowaliśmy na płytce stykowej, o tak:

Gdy już prawidłowo zbudowaliśmy dzielnik napięć i rozumieliśmy co się dzieje z mierzonym napięciem, zastąpiliśmy fotorezystorem.

Fotorezystor

Czyli w jednej konfiguracji napięcie rosło oświetlając dzielnik, w drugiej – napięcie malało. Było to przyczyną kilku wątpliwości na naszych zajęciach… Proponuję pobawić się tym w domu (na wirtualnym Arduino, jeśli nie posiadamy płytki).

Inteligentne oświetlenie

Do układu podłączyliśmy LEDa, którego jasnością sterowaliśmy poprzez Arduino z pinem PWM (poprzednie zajęcia + poprzednia praca domowa). Zabawa miała polegać na oprogramowaniu układu tak, aby LED gasł gdy jest dużo światła zastanego (mierzonego przez fotorezystor i wejście analogowe Arduino), oraz aby LED świecił mocniej i mocniej gdy światła zastanego braknie. Takie proste, ale inteligentne oświetlenie 😉

map(war, min_x, max_x, min_y, max_y)

war2= map(war, 0, 1023, 0, 255);

To liniowe skalowanie przez funkcję map() nie ma „magii” w sobie, to proste wykorzystanie funkcji liniowej y=ax+b, znanej Wam z lekcji matematyki plus umiejętność rozwiązania układu równań. Dopowiadając: w liniowym skalowaniu mamy 2 nieznane parametry – współczynniki a i b prostej. Musimy więc podać dwa równania aby je wyznaczyć (chyba każdy pamięta, że do narysowania prostej potrzebne są tylko dwa punkty? więc stąd dwa równania…). Posługuję się wartościami krańcowymi, oczywistymi przy naszym zagadnieniu: chcę bowiem, by do PWMa trafiło 255 gdy na wejściu z analogRead-a było 1023 (pierwsze równanie: y=255 gdy x=1023), oraz chcę, by mieć wartość y=0 gdy podaję x=0 (drugie równanie). Oba punkty podstawiam do niewiadomego y=a*x+b i otrzymuję układ równań. Funkcja map() znajduje a i b za nas i wyznacza każdą inną wartość leżącą na tej prostej.

UWAGA: map() działa tylko na liczbach całkowitych!

Przyjrzyjcie się ponownie mojemu rysunkowi – to prosta matematyka w zastosowaniu 😉

Okazało się, że w wyniku różnego łączenia fotoopornika w układ niektórzy uczniowie musieli stosować:

war2 = map(war, 0, 1023, 255, 0);

co oznaczało taką sytuację:

Serwo silnik (a właściwie mikro-serwo)

Czyli silnik, który obraca się od 0 do 180 stopni (ma blokadę na inne wychylenia). Potem utrzymuje swoją pozycję. Służy do tworzenia obrotowych ramion itd…

Do sterowania tym silnikiem użyliśmy 2 nowych funkcji z nowej biblioteki:

#include <Servo.h> – na początku programu informujemy, że chcemy funkcje z tej nowej biblioteki
Servo silniczek; tworzymy zmienną typu silnik-serwo, czyli właśnie o to nam chodzi!
silniczek.attach(3); powoduje przekazanie informacji do Arduino, że sterujemy silnikiem przez pin numer 3 (przypominam: musi być to pin PWM, czyli jak nie 3, to 5,9…)
silniczek.write(133); ustawia nasz silnik w pozycji 133 stopni. Albo na dowolny inny z zakresu 0..180 stopni. Dziecinie proste 😉

Serwo sterowane potencjometrem

W tym przykładzie wróciliśmy do poprzednich zajęć i ponownie wykorzystaliśmy potencjometr – tym razem czytywaliśmy wartości napięcia na potencjometrze przez Arduino (i wejście analogowe, np. A0) a następnie ustawialiśmy serwo na konkretną wartość kąta. Ponownie użyliśmy funkcję map() w taki oto sposób:

kąt = map( potencjometr, 0, 1023, 0, 180);

gdzie kąt to właśnie wartość kąta, na jaką ma się ustawić serwo (z zakresu 0..180 stopni), a potencjometr to wartość napięcia na wyjściu z potencjometra (z zakresu 0..1023). Upewnij się, że rozumiesz kolejność przekazywania parametrów do funkcji map().

Program działał na prostej zasadzie:

potencjometr = analogRead(A0);
kąt = map( potencjometr, 0, 1023, 0, 180);
silniczek.write(kąt);

i ponownie od początku. Taki program miał jednak pewien problem, gdyż gdy nic nie zmienialiśmy na potencjometrze, to nasz program ciągle przeliczał wartość napięcia na kąt i ciągle ustawiał serwo w pozycji, w której już był! To głupie, prawda? Jak na pierwsze rozwiązanie OK, ale po dłuższym przyjrzeniu się widać, że nie jest dobrze. Dlatego zaproponowałem ulepszyć program tak, by serwo nie było ustawiane gdy pozycja potencjometru się nie zmieniła. W tym celu należało pamiętać poprzednie ustawienia potencjometru (lub poprzedni kąt) i porównywać tą wartość z nowymi ustawieniami. Zaproponowałem taki oto kod:

#include <Servo.h>
#define potencjometr A0

Servo silniczek;  
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  silniczek.attach(3);
  pinMode(potencometr, INPUT);
}

int pot, kat, ost_kat;
void loop() {
  pot = analogRead(potencjometr);
  kat = map(pot, 0, 1023, 0, 180);
  if (kat != ost_kat){
    Serial.print(pot);
    Serial.print(" czyli  ");
    Serial.println(kat);
    silniczek.write(kat);           
    ost_kat=kat;
  }
  delay(100);                 
}

Gratuluję tym, którym udało się samodzielnie na to wpaść! Przy okazji: w powyższym programie jest o jedną zmienną za dużo… nie ma bowiem potrzeby tworzyć zmiennej pot. Można się jej pozbyć i zastąpić dwie linijki tak:

int kat, ost_kat;
void loop() {
  kat = analogRead(potencjometr);
  kat = map(kat, 0, 1023, 0, 180);
...
}

Kluczowa tutaj linijka to kat = map(kat, 0, 1023, 0, 180); którą należy rozumieć tak, że nowa wartość zmiennej kat zostaje ustawioina na postawie funkcji map() ze starej wartości zmiennej kat. Symbol = („równa się”) jest tak zwanym w informatyce operatorem left-assign operator (czyli operator przypisania lewostronnego, tj. najpierw obliczamy wszystko z lewej strony, a dopiero potem obliczona wartość przekazana jest to prawej strony – zmiennej). Z matematycznego punktu widzenia jest to skomplikowana funkcja rekurencyjna…. ale tutaj symbol = trzeba rozumieć w sposób informatyczny.

Prąd „zjadany” przez serwo – mierzymy!

W skrajnych ustawieniach serwa (tj. w okolicy 0 stopni, oraz w okolicach 180 stopni) słyszymy buczenie/piszczenie serwo-silnika. Coś się dzieje. Amperomierz w garść i mierzymy prąd.

Przyjrzyj się uważnie obrazkowi i zwróć uwagę, jak podłączony jest amperomierz.

Oczywiście w wirtualnym Arduino silniczek serwo jest idealny i nie widzimy tego, co było u nas na zajęciach….

Gratulacje

Wypada pogratulować jednemu z uczestników BTXXIw, który w międzyczasie zbudował układ sterujący serwem za pomocą… fotorezystora! To świetny przykład na to, że nie ma co się nudzić na moich zajęciach – jeśli wyprzedzasz grupę, wykombinuj coś samemu! A ten projekt nie jest bynajmniej głupi – może to być sterowanie jakimś silnikiem w kierunku światła… Gratuluję pomysłowości Mariuszowi Karpowiczowi z II LO. Kto zabłyśnie następnym razem? Nagrody czekają …

Praca domowa

Zbudować układ w wirtualnym Arduino z serwem i zrobić tak, aby czytać z klawiatury kąt, na jaki należy ustawić silniczek. Zajrzyj do poprzednich notatek z naszych spotkań aby przypomnieć sobie o prawidłowym czytaniu liczb z portu szeregowego Arduino.