Εφαρμογές βασισμένες στο Arduino

Transcript

1 Εφαρμογές βασισμένες στο Arduino Οι εργασίες που ακολουθούν, εκπονήθηκαν από τους μαθητές και παρουσιάστηκαν μέσα στην τάξη. Η κάθε ομάδα μαθητών, ανέλαβε κάποια εργασία και μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα την υλοποιούσε. Στη συνέχεια, την παρουσίαζε στην υπόλοιπη τάξη και όπου ήταν εφικτό επιδεικνύονταν με την αντίστοιχη κατασκευή. Ουσιαστικά, αυτές οι εφαρμογές είναι μαθήματα τα οποία μπορούμε να ακολουθήσουμε για να δημιουργήσουμε κάτι δικό μας μέσα στην τάξη ή στο σπίτι. Αν η κατασκευή είναι εύκολη, μπορεί να υλοποιηθεί μέσα σε μια διδακτική ώρα, μια μικρή προετοιμασία στο σπίτι κυρίως για την προετοιμασία του κώδικα. Αν η εφαρμογή είναι πιο πολύπλοκη, μπορεί να αναλυθεί σε μικρότερες που θα υλοποιούνται πιο εύκολα και θα μπορούν στο τέλος να συντεθούν και να δημιουργήσουν την αρχική εφαρμογή. Οπως μπορεί κανείς να δει και στο τρίτο μέρος αυτής της εργασίας, στην «Ανάπτυξη Έργων», οι εφαρμογές που περιγράφονται εδώ είναι βασικές και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δημιουργήσουν πιο πολύπλοκα και πιο εντυπωσιακά έργα. Έίναι επίσης ένας οδηγός αναφοράς σε εντολές, αλλά και σε συνδεσμολογία για να κατασκευάσουμε τα δικά μας έργα. 51

2

3 Σύνδεση LED στο Arduino Καραμπατή Μεταξία, Μπαγιάρα Θεοδώρα, Χρηστίδη Κλειώ, Σπαθή Ολγα Πάρα πολλές εφαρμογές, σχεδόν όλες, κάνουν χρήση κάποιων leds. Αυτά χρησιμοποιούνται για την οπτική ένδειξη κάποιων λειτουργιών. Κάθε led είναι στην ουσία μια δίοδος, η οποία δεν έχει εσωτερική αντίσταση, ή έχει πολύ μικρή εσωτερική αντίσταση, και ανάβει όταν της παρέχουμε κάποιο ρεύμα. Ακριβώς επειδή δεν έχει εσωτερική αντίσταση, πρέπει να συνδεθεί με μια εξωτερική αντίσταση σε σειρά ώστε να προστατευτεί από μεγάλη ένταση ρεύματος, αλλά και για να καθορίσουμε την τάση του ρεύματος που θα εφαρμοστεί στις άκρες της που κατά κανόνα καθορίζει και την ποσότητα φωτός που θα ακτινοβολήσει. Χρώματα, σχήματα, μεγέθη, φωτεινότητες είναι τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που μπορεί να διακρίνει κανείς στα leds Ανάλογα με με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κάθε led, αυτό μπορεί να ακτινοβολεί με μεγάλη ή μικρή ένταση φωτός, σε διάφορα χρώματα ή μήκη κύματος, σε απαλούς ή έντονους τόνους, αλλά χαρακτηρίζονται και από τη μορφολογία τους, όπως στρογγυλά, τετράγωνα, ορθογώνια, επίπεδα, μικρής διατομής ή μεγάλης (3mm, 5mm, 10mm). Η γκάμα των επιλογών είναι πραγματικά τεράστια. Τα leds που συνδέονται στο Arduino, απαιτούν να έχουν τέτοια χαρακτηριστικά που να μπορεί να τα οδηγήσει το Arduino απ ευθείας ή με τη χρήση κάποιου driver. Οι περισσότερες 53

4 εφαρμογές με led είναι τέτοιες που μπορούμε να συνδέσουμε ένα led απ ευθείας στο Arduino με την χρήση και μόνο μιας αντίστασης σε σειρά για να προστατεύσει τα ηλεκτρονικά μέρη από βραχυκυκλώματα και μεγάλης έντασης ρεύμα. Πρέπει να λάβουμε υπ όψιν μας οτι κάθε led ανάλογα με την τάση λειτουργίας του και την αντίσταση που έχουμε συνδέσει σε σειρά με αυτό, καταναλώνει κάποια ma ρεύματος (όπως και η αντίσταση), και επίσης, οτι κάθε ακίδα του Arduino παρέχει το πολύ 40mA ρεύματος. Δεν πρέπει σε καμία περίπτωση να υπερβούμε αυτές τις τιμές στη συνολική κατανάλωση γιατί υπάρχει κίνδυνος να καταστρέψουμε τον μικροελεγκτή. Βέβαια, για τις περισσότερες εφαρμογές που συνήθως χρησιμοποιούμε απλά leds, χαμηλής κατανάλωσης, οι τιμές αυτές είναι μακράν μέσα σε ασφαλή πλαίσια και δε μας προβληματίζουν. Πρέπει επίσης να πειραματιζόμαστε με τις αντιστάσεις γιατί κάποιες μπορεί να έχουν τα πιο επιθυμητά αποτελέσματα από πλευράς φωτεινότητας. Έπιπλέον, ανάλογα με την αντίσταση που έχουμε συνδέσει σε σειρά με το led πρέπει να δούμε ποια θα είναι η τάση που εφαρμόζεται στο led ώστε να είναι μεγαλύτερη από το κατώφλι τάσης που έχει κάθε led για να ανάψει. Σε ορισμένα led αυτό το κατώφλι είναι χαμηλό (μπορεί και 2Volt) ενώ σε κάποια άλλα απαιτείται τουλάχιστον 3,5Volts. Τα χαρακτηριστικά αυτά τα παρέχει ο κατασκευαστής στο αντίστοιχο datasheet του προϊόντος. Οταν θέλουμε να αναπτύξουμε μια εφαρμογή ή όταν δοκιμάζουμε τις λειτουργίες των led, το Arduino μας παρέχει ένα led στην ακίδα 13 (pin 13) που είναι ενσωματωμένο στην πλακέτα. Για να το χρησιμοποιήσουμε θα πρέπει να ορίσουμε την ακίδα 13 ως εξόδου (στον κώδικα που ακολουθεί η εντολή 1) και στη συνέχεια να στείλουμε ένα HIGH για να το ανάψουμε (εντολή 2) ή ένα LOW για να το σβήσουμε (εντολή 3). Μικρές χρονικές καθυστερήσεις χρησιμοποιούνται για να γίνεται το οπτικό αποτέλεσμα ορατό. Κώδικας //Υπόδειγμα χρήσης LED void setup() { 1 pinmode(13, OUTPUT); // ενώ υπάρχει ένα LED void loop() { 2 digitalwrite(13, HIGH); // ανάβει το led delay(1000); 3 digitalwrite(13, LOW); // σβήνει το led delay(1000); Αν υπάρχουν πολλά leds συνδεδεμένα στα pins του Arduino, θα πρέπει καθένα να το χειριζόμαστε ξεχωριστά. Θα πρέπει να δηλώσουμε την ακίδα καθενός ως εξόδου (OUTPUT) με την λειτουργία pinmode(), αλλά και κάθε φορά που πρέπει να ανάψουμε ή να σβήσουμε κάποιο, θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε αντίστοιχα την εντολή digitalwrite() στέλνοντας ένα HIGH ή ένα LOW αντίστοιχα. Έπειδή οι εφαρμογές με led είναι πραγματικά ατέλειωτες, και πολλές φορές οι ενδείξεις που θέλουμε να οδηγήσουμε με ένα Arduino είναι πολλές, πολλές περισσότερες απ τις διαθέσιμες θύρες του Arduino Uno αλλά ακόμα και του Arduino Mega, συναντάται συχνά η οδήγηση περισσότερων led από συστοιχίες κωδικοποιητών (Shift Register) που δέχονται σε σειριακή μετάδοση τις τιμές διαφόρων led και στη συνέχεια τα ενεργοποιούν, κάνοντας χρήση μόνο μερικών ακίδων από τις διαθέσιμες κάθε πλακέτας. 54

5 Για τέτοιες εφαρμογές χρησιμοποιούνται ολοκληρωμένα κυκλώματα 74ΗC595 που δουλεύουν ως shift registers. Αυτοί τροφοδοτούνται με δεδομένα σε σειριακή μορφή χρησιμοποιώντας μόνο τρεις γραμμές από το Arduino και μπορούν με την κατάλληλη διασύνδεση να οδηγήσουν μέχρι και 16 διαφορετικά leds. Με τη χρήση τέτοιων διατάξεων αποστέλλονται μία προς μία οι τιμές HIGH ή LOW για κάθε led που είναι συνδεδεμένο στη διάταξη από ένα κανάλι δεδομένων, χρησιμοποιώντας και άλλα δυο κανάλια (ακίδες) για τον συγχρονισμό στη μετάδοση και στην εμφάνιση των τιμών από τους shift registers. Πληροφορίες για την προγραμματιστική υλοποίηση αυτών των διατάξεων μπορεί κανείς να αναζητήσει στο διαδίκτυο, ενώ πιο κάτω φαίνεται η αρχιτεκτονική υλοποίηση μιας τέτοιας κατασκευής για 16 leds. 55

6

7 Σύνδεση LCD Screen στο Arduino Ζιώγας Δημήτρης, Χλωρός Δημήτρης, Δανίκας Μιχάλης, Καρανάσιος Θάνος, Τσαράι Ρενάτο Η LCD οθόνη χρησιμοποιείται κυρίως σε καταστήματα ως επιγραφή, στα λεωφορεία και σε αυτόματους πωλητές. Συνήθως πάνω σε μια πλακέτα είναι τοποθετημένη LCD οθόνη, όμως υπάρχουν και άλλες κατασκευές στην αγορά με πλήκτρα ενσωματωμένα που παρέχουν ένα φιλικό προς το χρήστη interface που τους επιτρέπει να περνάνε στο μενού, κάνοντας επιλογές κλπ. Η οθόνη αποτελείται από 2 ή 4 γραμμές και 16 ή 20 στήλες, με άσπρους, μπλε, Υπάρχουν οθόνες LCD που συνδυάζουν και πληκτρολόγιο με buttons για τις βασικές κινήσεις (πάνω, κάτω, αριστερά και δεξιά), ώστε να υποστηρίζονται λειτουργίες που απαιτούν έλεγχο μέσω του πληκτρολογίου και έξοδο δεδομένων στην οθόνη. πράσινους ή μαύρους χαρακτήρες και αντίστοιχα οπίσθιο φωτισμό σε διάφορα μεμονωμένα χρώματα ή και συνδυασμό τους (έγχρωμη). Αν υπάρχει πληκτρολόγιο, διαθέτει πλήκτρα όπως select, up-down, left-right. Η οθόνη και τα πλήκτρα λειτουργούν με ηλεκτρική τάση 5 Volt και μπορεί να είναι τοποθετημένη πάνω σε shield που κουμπώνει στο arduino ώστε να μην απαιτούνται εξωτερικές καλωδιώσεις. Στην εφαρμογή που ακολουθεί, έχουμε συνδέσει μια οθόνη στο Arduino με σκοπό να εμφανίσουμε μηνύματα σ αυτή (παρατίθεται ο πίνακας λειτουργίας της οθόνης με 16 pins). Για τη σύνδεσή της, απαιτεί το pin 4 (RS) και το pin 6 (Enable) ενώ το pin 5 (Read/Write) είναι συνδεμένο στα 0 Volt γιατί θέλουμε μόνο να γράφουμε και όχι να διαβάζουμε από την οθόνη. Έπιπλέον τα pins 11 έως 14 αποτελούν τις γραμμές δεδομένων (Data Bus 4-7) για την αμφίδρομη επικοινωνία με το Arduino (τα DB0-DB3 δεν χρησιμοποιούνται παρά μόνο για ειδικές λειτουργίες όπως να αναβοσβήνει ο κέρσορας ή να ολισθαίνει το κείμενο που είναι τοποθετημένο στην οθόνη). Στο pin 3 μπορούμε να στείλουμε μια τάση ανάμεσα στην τάση τροφοδοσίας και το 0Volt που ρυθμίζει την ένταση των γραμμάτων σε σχέση με το φόντο τους (αντίθεση-contrast). Συνήθως αυτή τη λειτουργία τη ρυθμίζουμε με ένα ποτενσιόμετρο των 10ΚΩ ενώνοντας τους ακραίους ακροδέκτες με τα 0Volt και 5Volt και τον μεσαίο ακροδέκτη στο pin 3 της οθόνης. 57

8 Στο σχήμα που ακολουθεί περιγράφεται πλήρως η συνδεσμολογία με το Arduino για να εμφανίζουμε τα μηνύματα που θέλουμε. Για τη λειτουργία της οθόνης που έχουμε συνδέσει στο Arduino πρέπει να γράψουμε τον κατάλληλο κώδικα. Η γραμμή κώδικα 1 ενσωματώνει τη βιβλιοθήκη της οθόνης υγρών κρυστάλλων, απαραίτητη για να κάνουμε χρήση των εντολών της οθόνης και να αποφύγουμε τον εκτεταμένο και πολύπλοκο κώ- Πίνακας λειτουργίας οθόνης Pin Σύμβολο Τάση Περιγραφή 1 VSS 0V Γείωση 2 VDD +5.0V Τροφοδοσία ρεύματος για τη λειτουργία 3 V0 -- Ρυθμιστικό τάσης για αντίθεση γραμμάτων 4 RS H/L Σήμα για τη επιλογή καταχωρητών: A signal for selecting registers: 1: Data Register (για ανάγνωση & εγγραφή) 0: Instruction Register (για ανάγνωση), Busy flag-address Counter (για εγγραφή). 5 R/W H/L R/W = H : Λειτουργία ανάγνωσης. R/W = L : Λειτουργία Έγγραφής. 6 E H/L Σήμα που επιτρέπει την ανάγνωση η εγγραφή δεδομένων. 7 DB0 H/L 8 bit αμφίδρομο κανάλι δεδομένων. 8 DB1 H/L «--» 9 DB2 H/L «--» 10 DB3 H/L «--» 11 DB4 H/L «--» 12 DB5 H/L «--» 13 DB6 H/L «--» 14 DB7 H/L «--» 15 LED+ +5.0V Τροφοδοσία ρεύματος για πίσω φωτισμό. 16 LED- 0V Γείωση πίσω φωτισμού. δικα. Στη γραμμή 2 ονομάζουμε την οθόνη μας lcd και ορίζουμε τα pins που θα χρησιμοποιηθούν για τη σύνδεση (RS, Enable, DB4-DB7) όπως στο σχεδιάγραμμα. Με την έναρξη της εκτέλεσης του προγράμματος (setup) ορίζουμε το μέγεθος της οθόνης που θα χρησιμοποιήσουμε (γραμμή κώδικα 3) και τη θέση στην οθόνη που θα γράψουμε (γραμμή κώδικα 4). Αξίζει να σημειώσουμε ότι η πρώτη γραμμή της οθόνης είναι η μηδέν και η πρώτη στήλη επίσης μηδέν. Έτσι, αν θέλουμε να τυπώσουμε στον πρώτο χαρακτήρα της οθόνης (πάνω αριστερά) ορίζουμε.setcursor(0,0). Με την εντολή.print() μπορούμε να εκτυπώ- 58

9 σουμε ότι θέλουμε (κείμενο ή αριθμό) στο σημείο που έχουμε ορίσει με την.setcursor(), όπως στη γραμμή κώδικα 5. Μέσα στην επαναληπτική διαδικασία loop() και στη γραμμή κώδικα 6 εμφανίζονται τα δευτερόλεπτα που πέρασαν από την έναρξη λειτουργίας του Arduino. Κώδικας //Υπόδειγμα χρήσης LCD οθόνης 1 #include <LiquidCrystal.h> // select the pins used on the LCD panel 2 LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); void setup() { 3 lcd.begin(16, 2); // διαστάσεις οθόνης 4 lcd.setcursor(0,0); // τοποθέτηση κέρσορα 5 lcd.print("secs since start"); // εκτύπωση μηνύματος void loop() { lcd.setcursor(9,1); // τοποθέτηση του κέρσορα στη // 2η γραμμή και 10η στήλη 6 lcd.print(millis()/1000); // εμφανίζει τα διανυθέντα // seconds από την εκκίνηση 59

10

11 Σύνδεση αισθητήρα φωτός στο Arduino Ένας αισθητήρας φωτός στο Arduino χρησιμοποιείται για να διαβαστεί η ποσότητα φωτός στο περιβάλλον και, ανάλογα με τον κώδικα που έχουμε γράψει, να συμβούν γεγονότα που έχουμε καθορίσει, όπως, να ανάψει μια ενδεικτική λυχνία (led), να γυρίσει ένας σερβομηχανισμός, να ηχήσει ένα πιεζοηλεκτρικό ηχείο κ.λπ. Υπάρχουν πολλών ειδών αισθητήρες φωτός, αλλά ο πλέον λειτουργικός είναι μια φωτοαντίσταση η οποία μεταβάλει την τιμή της κάθε φορά που ο εξωτερικός φωτισμός μεταβάλει την έντασή του. Έτσι, η τιμή της αντίστασης αλλάζει καθώς ο περιβάλλον φωτισμός αυξάνεται ή μειώνεται. Την μεταβλητή τιμή της αντίστασης μπορούμε να την χρησιμοποιήσουμε λαμβάνοντας μεγαλύτερες ή μικρότερες τιμές ρεύματος αφού τη συνδέσουμε με την τάση του Arduino στα +5V. Το κύκλωμα που παρέχει τάση σε μια ακίδα του Arduino φαίνεται στο διπλανό σχήμα (α). Οι δυο αντιστάσεις R 1 και R 2, αποτελούν ένα διαιρέτη τάσης. Η μια από τις δύο αντιστάσεις μπορεί να αντικατασταθεί από μια φωτοαντίσταση (LDR) που θα μεταβάλει την τιμή της ανάλογα με τον εξωτερικό φωτισμό. Η R 2, προστατεύει από πιθανό βραχυκύκλωμα όταν το LDR τοποθετηθεί στη θέση της R 1, ενώ αν το LDR τοποθετηθεί στη θέση της R 2 ή R 1 προστατεύει από βραχυκύκλωμα. Ο τύπος που καθορίζει την τάση Vout είναι ο (β), ενώ στο (γ) φαίνονται τα διαγράμματα τάσης καθώς μεταβάλεται η αντίσταση R 1 (που αντικαταστάθηκε με LDR) και έχοντας σταθερή τιμή στην R 2 (αριστερό διάγραμμα) και όταν το LDR τοποθετηθεί στη θέση της R 2 με σταθερή τιμή της αντίστασης R 1 (δεξιό διάγραμμα). Τυπική τιμή της αντίστασης που παραμένει σταθερή είναι στα 10ΚΩ και συνήθως αυτής της τιμής είναι οι ανατιστάσεις που χρησιμοποιούνται στις κατασκευές με Arduino και LDR. Το πλήρες κύκλωμα που υλοποιούμε για την κατασκευή μας περιλαμβάνει ένα LDR και μια αντίσταση 10ΚΩ που αποτελούν τον διαιρέτη τάσης του τμήματος που χρησιμοποιεί τον αισθητήρα. Έπίσης, ένα LED συνδεδεμένο με μια αντίσταση 220Ω το οποίο θα ανάβουμε όταν ο φωτισμός που δέχεται το LDR πέσει κάτω από ένα δεδομένο όριο και θα σβήνει στην αντίθετη περίπτωση. Έτσι, δημιουργούμε έναν αυτοματισμό που ανάβει τα φώτα κατά τις περιόδους συσκότισης, ρυθμίζοντας την τιμή αυτή (κατώφλι) σε όποιο επίπεδο φωτός επιθυμούμε. Τέτοιου είδους εφαρμογές, χρησιμοποιούνται όταν θέλουμε να ανάβουμε εξωτερικό φωτισμό κατά τη διάρκεια την νύχτας ή όταν σκοτεινιάζει, σε συστήματα ασφαλείας με τη δυνατότητα να παραμένει η δέσμη φωτός από ένα laser αδιατάρακτη και συνεχής, αλλά και 61

12 σε άλλες εφαρμογές με τη χρήση περισσότερων LDRs που μπορούν να στρέφουν ένα μηχανισμό προς την κατεύθυνση μιας πηγής φωτός όπως στα tracker που οδηγούν συστοιχίες φωτοβολταϊκών προς τον ήλιο περιστρέφοντάς τα και εξασφαλίζοντας μεγαλύτερη παραγωγή ρεύματος. Η τιμή του αισθητήρα LDR διαβάζεται από την αναλογική είσοδο Α0 (εντολή 2) σε ένα διάστημα τιμών μεταξύ 0 και 1023 που αντιστοιχεί σε τιμές από 0Volt μέχρι 5Volt. Την τιμή αυτή μπορούμε να τη σταθμίσουμε στο σημείο που επιθυμούμε (κατώφλι - εντολή 1) και να ανάψουμε το led (εντολή 3) όταν η τιμή αυτή πέσει κάτω από τη στάθμη μας (εντολή 2) ή να το σβήσουμε (εντολή 4) όταν η τιμή είναι μεγαλύτερη, δηλαδή όταν ο εξωτερικός φωτισμός είναι έντονος. Κώδικας //Υπόδειγμα χρήσης LDR int LEDPin = 7; // εδώ συνδέεται ένα LED void setup() { pinmode(ledpin,output); // η ακίδα του LED είναι εξόδου void loop() { 1 int thrhld = 300; 2 if (analogread(a0)<thrhld) 3 digitalwrite(ledpin, HIGH); else 4 digitalwrite(ledpin, LOW); 62

13 Σύνδεση stepper motor στο Arduino Καραμπατή Μεταξία, Μπαγιάρα Θεοδώρα, Χρηστίδη Κλειώ, Σπαθή Ολγα, Τρευλάκη Έλένη, Δάσιου Χρυσούλα Βηματικός κινητήρας (stepper motor) Ένας κινητήρας περιστρέφει ένα άξονα δημιουργώντας στο εσωτερικό του ένα μαγνητικό πεδίο με τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή την περιστροφική κίνηση την εκμεταλευόμαστε για να κινήσουμε διάφορους μηχανισμούς, που στις μέρες μας είναι απαραίτητοι σε πολλών ειδών εφαρμογές. Έιδικότερα, ο βηματικός κινητήρας, χαρακτηρίζεται από την δυνατότητα περιστροφής του με πολύ συγκεκριμένο τρόπο και με μικρές κινήσεις όποτε το επιθυμούμε, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα να ελέγξουμε μηχανισμούς με μεγάλη ακρίβεια, όπως τις κεφαλές ενός εκτυπωτή που κινούνται ανάμεσα σε δυο άκρα και μόνο μέσα σε αυτά τα όρια, τρυπάνια που θέλουμε να μετακινηθούν σε πολύ συγκεκριμένο βάθος κ.λπ. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται το διάγραμμα λειτουργίας ενός βηματικού κινητήρα, ο οποίος αποτελείται από τον άξονα που περιστρέφεται πάνω στον οποίο είναι στερεωμένος ένας μαγνήτης και που ανάλογα από που έλκεται περιστρέφει και τον άξονα, και τέσσερις ή οκτώ ηλεκτρομαγνήτες, διατεταγμένους γύρω από τον άξονα σε ίσες γωνίες και που τον αναγκάζουν όταν λειτουργούν να περιστρέφεται έλκοντας τον σταθερό μαγνήτη. Έτσι, όταν διαρέεται με ρεύμα το πηνίο Α, ο σταθερός μαγνήτης έλκεται προς αυτόν από οποιαδήποτε γειτονική θέση βρισκόταν. Οταν στη συνέχεια τροφοδοτηθεί με ρεύμα ένα εκ των πηνίων Δ ή Β και σταματήσει να λειτουργεί το πηνίο Α, τότε ο μαγνήτης θα κινηθεί προς το πηνίο που δημιουργεί μαγνητικό πεδίο και θα αναγκάσει τον άξονα να περιστραφεί 90 μοίρες αριστερά ή δεξιά αντίστοιχα. Με τον ίδιο τρόπο και εναλλάσσοντας το πηνίο στο οποίο θα διοχετευτεί ρεύμα που δημιουργεί μαγνητικό πεδίο, από κάποιο γειτονικό, ο άξονας περιστρέφεται με ακρίβεια 90 μοιρών. Οι βηματικοί κινητήρες, δε μπορούν να περιστραφούν με την ίδια ταχύτητα που το κάνουν οι περιστροφικοί, αλλά έχουν μεγάλη ακρίβεια περιστροφής. Έσωτερικά, έχουν ένα μηχανισμό που αποτελείται από γρανάζια και εξασφαλίζει στην πράξη μικρότερες γωνίες από 63

14 90 μοίρες και ισχυρότερη περιστροφή. Μια πλήρη περιστροφή του άξονα ενός βηματικού κινητήρα ονομάζεται revolution και μπορεί να αντιστοιχεί σε 1,8 μοίρες ή και λιγότερο της περιστροφής του άξονα του βηματικού κινητήρα. Έπιπλέον, μπορεί η γωνία περιστροφής να μειωθεί στο μισό με την εξής μέθοδο. Μετά την ισορροπία του άξονα στο πηνίο Α, αν αυτό παραμείνει ενεργό με παροχή ρεύματος και ταυτόχρονα ενεργοποιηθεί και το Β, τότε ο άξονας περιστρέφεται σε εκείνη τη θέση που ο μαγνήτης θα ισορροπήσει ανάμεσα στα δυο πηνία. Στη συνέχεια το πηνίο Α απενεργοποιείται και παραμένει μόνο το Β οπότε ο άξονας περιστρέφεται άλλες 45 μοίρες. Η διαδικασία αυτή εξασφαλίζει μικρότερες γωνίες και μεγαλύτερη ακρίβεια. Η πλήρης περιστροφή (revolution) επιτυγχάνεται μέσα σε 8 βήματα όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Oδηgός (Driver) Έπειδή ένας ηλεκτρομαγνήτης απαιτεί αρκετή ενέργεια για να λειτουργήσει, και η ένταση του ρεύματος που παρέχει το Arduino είναι πολύ μικρή (περίπου 40mA ανά ακίδα), χρησιμοποιούνται κάποιες συσκευές οδήγησης (drivers) που στην είσοδό τους παίρνουν την τάση από το Arduino και αφού την ενισχύσουν την παρέχουν στο βηματικό κινητήρα. Έτσι, η λειτουργία της διάταξης εξασφαλίζει οτι δε θα καταστραφεί ο μικροελεγκτής του Arduino και οτι ο βηματικός κινητήρας θα έχει αρκετή ισχύ για να περιστρέφεται σταθερά. Για εκπαιδευτικές εφαρμογές χρησι- 64

15 μοποιούμε μικρά stepper motors, αλλά πολύ συχνά υπάρχουν μεγάλες διατάξεις που μπορεί να προσφέρουν μεγάλη ισχύ. Έπιπλέον υπάρχουν αρκετές διαφορετικές μορφές βηματικών κινητήρων που διαφέρουν έστω και κατ ελάχιστο από όσα αναφέραμε αλλά δεν είναι του παρόντος να αναφερθούν. Ένα πλήρες διάγραμμα που περιλαμβάνει και τον driver μπορεί να συνδεθεί με τον τρόπο που φαίνεται στο σχήμα: Αφού ορίσουμε τις ακίδες του Arduino που θα χρησιμοποιήσουμε για να εξάγουμε τις τιμές των πηνίων στη λειτουργία setup() εκτελούμε έναν κώδικα που επαναλαμβάνει 200 περιστροφές του άξονα του βηματικού κινητήρα (εντολή 1) και στη συνέχεια περιμένει 3 δευτερόλεπτα μέχρι να επαναλάβει τη διαδικασία. Στη λειτουργία revolution() περιγράφουμε μια πλήρη περιστροφή του άξονα. Η τιμή της wait (εντολή 2) είναι απαραίτητη για να υπάρχει μιαα μικρή καθυστέρηση από τη στιγμή που ενεργοποιείται το πηνίο μέχρι να εκτελεστεί η επόμενη εντολή για να προλάβει ο άξονας να περιστραφεί. Στις εντολές 3 απενεργοποιούνται όλα τα πηνία και ενεργοποιείται μόνο το πρώτο (εντολή 4). Μετά τη μικρή καθυστέρηση για την περιστροφή του άξονα απενεργοποιείται το πρώτο πηνίο (εντολή 5) και ενεργοποιείται το δεύτερο πηνίο (εντολή 6). Η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να ολοκληρωθεί μια πλήρη περιστροφή του άξονα (revolution), η οποία θα αποδώσει (λόγω του μειωτήρα στροφών) κάποια μικρή γωνία στον άξονα του κινητήρα (που εξαρτάται από τον κατασκευαστή). Κώδικας //Υπόδειγμα χρήσης Βηματικού Κινητήρα (Stepper Motor) int SMPin1 = 8; // οι ακίδες του stepper motor int SMPin2 = 9; int SMPin3 = 10; int SMPin4 = 11; 65

16 void setup() { pinmode(smpin1, OUTPUT); pinmode(smpin2, OUTPUT); pinmode(smpin3, OUTPUT); pinmode(smpin4, OUTPUT); void loop() { for (int i=0;i<200;i++) { 1 revolution (); delay(3000); void revolution() { 2 int wait=10; 3α digitalwrite(smpin2, LOW); 3β digitalwrite(smpin3, LOW); 3γ digitalwrite(smpin4, LOW); 4 digitalwrite(smpin1, HIGH); delay(wait); 5 digitalwrite(smpin1, LOW); 6 digitalwrite(smpin2, HIGH); delay(wait); digitalwrite(smpin2, LOW); digitalwrite(smpin3, HIGH); delay(wait); digitalwrite(smpin3, LOW); digitalwrite(smpin4, HIGH); delay(wait); digitalwrite(smpin4, LOW); 66

17 Σύνδεση διακόπτη πίεσης (button) στο Arduino Οι πιεστικοί διακόπτες συνδέουν δυο σημεία ενός κυκλώματος όταν πατηθούν. Στο παράδειγμα που ακολουθεί, πιέζοντας ένα διακόπτη πίεσης ανάβει το ενσωματωμενο led της ακίδας 13 στο Arduino. Το κύκλωμα που υλοποιεί ένα διακόπτη πίεσης υποστηρίζεται και από μια αντίσταση (συνήθως 10ΚΩ). Ο πιεστικός διακόπτης συνδέεται από την μια άκρη του στα +5V και από την άλλη σε μια ψηφιακή ακίδα (στο παράδειγμά μας είναι το pin 2) που θα ελέγχει την κατάστασή του και μέσω της αντίστασης στα 0V (GND). Η αντίσταση που είναι συνδεμένη στη γείωση ονομάζεται pull-down και είναι απαραίτητη για την ομαλή λειτουργία του κυκλώματος. Οταν ο πιεστικός διακόπτης δεν είναι πατημένος (όταν δηλαδή δεν δημιουργεί κύκλωμα), τα ποδαράκια του δεν ενώνονται μεταξύ τους και έτσι στην ακίδα 2 συνδέεται η γείωση (GND) μέσω της αντίστασης των 10ΚΩ. Σε αυτή την περίπτωση η ακίδα 2 διαβάζει την λογική τιμή LOW. Οταν ο διακόπτης πατηθεί, δημιουργείται σύνδεση μεταξύ των δυο ποδιών του διακόπτη και έτσι μεταφέρεται η τάση των 5V στην ψηφιακή ακίδα 2, σημαίνοντας ένα λογικό HIGH γι αυτήν. Η διασύνδεση που περιγράφηκε μπορεί να αντιστραφεί. Ο διακόπτης να τοποθετηθεί στη θέση της pull-down αντίστασης και η αντίσταση στη θέση του διακόπτη. Η διάταξη αυτή θα προκαλούσε τα ακριβώς αντίθετα αποτελέσματα στην πίεση του διακόπτη και την αποδέσμευσή του. Δηλαδή, όταν ο διακόπτης ήταν πατημένος η ψηφιακή ακίδα 2 θα λάμβανε την τιμή LOW και όταν αποδεσμεύονταν θα λάμβανε την λογική τιμή HIGH. Σε αυτή την περίπτωση η αντίσταση που συνδέεται στα +5V ονομάζεται pull-up. Μια πλήρης υλοποίηση του κυκλώματος με την αντίσταση σε θέση pull-down φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Αν συνδέσουμε ένα led στην ακίδα 13 (δεν είναι απαραίτητο να γίνει με εξωτερικό κύκλωμα γιατί υπάρχει εκεί ήδη κάποιο ενσωματωμένο led) και το ανάβουμε 67

18 όταν εμφανιστεί ένα λογικό HIGH στην ακίδα 2 και το σβήνουμε με την ενφάνιση λογικού LOW, τότε θα διαπιστώσουμε τη λειτουργία του διακόπτη για τις δυο προηγούμενες περιπτώσεις συνδεσμολογίας. θα μπορούσαμε επίσης, να αποσυνδέσουμε την ψηφιακή ακίδα 2 εντελώς από το κύκλωμά μας. Αυτό όμως, θα δημιουργούσε αστάθεια στη λειτουργία του led, δεδομένου οτι, στην ακίδα 2 θα εμφανίζονται τόσο τιμές HIGH όσο και LOW τυχαία. Για αυτό το λόγο πρέπει να χρησιμοποιήσουμε μια αντίσταση στο κύκλωμα είτε προς τη γείωση GND (pull-down) ή προς τα +5V (pull-up). Η εφαρμογή μας ξεκινά με την αρχικοποίηση των ακίδων 2 και 13 για την σύνδεση σε αυτές ενός διακόπτη και ενός led. Έκεί δηλώνεται η ακίδα του LED σαν εξόδου (εντολή 1) και του πιεστικού διακόπτη σαν εισόδου (εντολή 2). Στη λειτουργία της επανάληψης, αφού διαβαστεί η κατάσταση του διακόπτη (εντολή 3), ελέγχεται αν είναι HIGH (εντολή 4) και αντίστοιχα ανάβει το LED, ή αν είναι LOW (εντολή 5) και σβήνει. Κώδικας //Υπόδειγμα χρήσης push Button int buttonpin = 2; // ακίδα σύνδεση διακόπτη πίεσης int ledpin = 13; // ακίδα σύνδεσης LED int btnstate = 0; // η τιμή της κατάστασης του διακόπτη void setup() { // Αρχικοποίηση ακίδων εισόδου-εξόδου 1 pinmode(ledpin, OUTPUT); 2 pinmode(buttonpin, INPUT); void loop(){ // ανάγνωση της κατάστασης του διακόπτη 3 btnstate = digitalread(buttonpin); // Έλεγχος του διακόπτη αν πιέστηκε (τιμή HIGH) 4 if (btnstate == HIGH) { // άναψε το LED digitalwrite(ledpin, HIGH); 5 else { // σβήσε το LED digitalwrite(ledpin, LOW); 68

19 Σύνδεση servo στο Arduino Σερβο-κινητήρας (servo) Ένας σερβοκινητήρας, αποτελείται από ένα μικρού μεγέθους ηλεκτροκινητήρα που περιστρέφει ένα ρότορα και κινεί έναν άξονα σε γωνία από 0 μέχρι 180 μοίρες. Στο εσωτερικό του, ελέγχεται από ένα ποτενσιόμετρο (μεταβλητή αντίσταση) η τιμή της οποίας μεταβάλεται καθώς περιστρέφεται ο άξονας μαζί με ένα σύστημα γραναζιών που εξασφαλίζει μεγαλύτερη ροπή και ελεγχόμενη ταχύτητα περιστροφής. Ένας σερβοκινητήρας, χρησιμοποιεί τρία καλώδια, εκ των οποίων τα δύο έχουν την τάση λειτουργίας του (συνήθως 0 έως 5 ή 6 Volts) και το τρίτο την τάση αναφοράς, δηλαδή την τιμή της τάσης που περιγράφει τη γωνία κατά την οποία θέλουμε να περιστραφεί ο άξονας του servo. Αν η τάση σε αυτό το καλώδιο είναι 0 Volt, σημαίνει οτι η επιλεγμένη γωνία περιστροφής του άξονα είναι 0 μοίρες. Απ την άλλη, αν η τιμή στο καλώδιο είναι η μέγιστη της τάσης λειτουργίας του κινητήρα, αυτός περιστρεφεται στις 180 μοίρες. Οι ενδιάμεσες τάσεις στο καλώδιο αυτό αντιστοιχούν σε γωνίες ανάμεσα στις 0 και 180 μοίρες, αναλογικά. Καθώς περιστρέφεται το ποτενσιόμετρο εξαναγκασμένο από τον κινητήρα, η τιμή του συγκρίνεται με την τάση του καλωδίου αναφοράς της επιθυμητής γωνίας και όταν αυτή επιτευχθεί δίνεται εντολή να σταματήσει η περιστροφή. Αντίστοιχα, όταν αλλάξει η τάση αναφοράς, εξαναγκάζεται ο κινητήρας να περιστραφεί μέχρι το ποτενσιόμετρο να εξασφαλίσει την κατάλληλη τάση, δηλαδή την επιθυμητή κι ακριβή γωνία. Στο Arduino, δεν υπάρχει αναλογική έξοδος που να εξασφαλίζει για το καλώδιο της τάσης αναφοράς του σερβοκινητήρα τιμή ανάμεσα στα 0 και 5 Volts. Η λειτουργία αυτή επιτυγχάνεται στις ακίδες του Arduino με την ένδειξη PWM (Pulse Width Modulation). Αυτές οι ακίδες χρησιμοποιούνται με τη λειτουργία analog- Write() και αποστέλλουν μια ακολουθία ψηφιακών παλμών με κατάλληλη εναλλαγή μεταξύ HIGH και LOW ώστε να προσομοιώνεται η αναλογική τιμή αναφοράς για τον σερβοκινητήρα. Η analog- Write() δέχεται σαν παράμετρο μια τιμή μεταξύ 0 και 255 που αντιστοιχεί σε τάση 0 έως 5 Volt. 69

20 Έτσι, αν θέλουμε να στείλουμε 0 Volt σαν τάση αναφοράς, η PWM έξοδος αποστέλλει μια ακολουθία παλμών LOW που δεν διακόπτεται από κανένα HIGH. Αντίστοιχα, αν θέλουμε να στείλουμε 5 Volt η ακολουθία αυτή αποτελείται από συνεχόμενους παλμούς HIGH χωρίς να διακόπτεται από παλμούς LOW. Για άλλες ενδιάμεσες τιμές, π.χ. 2,5 Volts, οι παλμοί HIGH και LOW διαδέχονται ο ένας τον άλλο με συνέπεια η έξοδος PWM να «δείχνει» την επιθυμητή τάση αναφοράς. Με την εναλλαγή παλμών LOW και HIGH σε κατάλληλη αναλογία επιτυγχάνεται η τάση αναφοράς που θέλουμε να στείλουμε στο σερβοκινητήρα για την γωνία περιστροφής του. (Σχήμα προηγούμενης σελίδας). Αν θέλουμε, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη βιβλιοθήκη <Servo.h> που μας παρέχει πολλές λειτουργίες για τον έλεγχο ενός σερβοκινητήρα κάνοντας αναφορά στις επιθυμητές γωνίες που θέλουμε να έχουμε στο servo και οι υπόλοιποι υπολογισμοί γίνονται αυτόματα. Σημείωση Πρέπει να λάβουμε υπόψη μας αν θέλουμε να χρησιμοποιοήσουμε τον σερβοκινητήρα για να κάνουμε κάποια μέτρηση, όπως γίνεται όταν προσαρτάται ένας αισθητήρας στην περιστρεφόμενη κεφαλή του servo, οτι η επιθυμητή γωνία που επιλέξαμε προσεγγίζεται μετά από μικρό χρονικό διάστημα κατά το οποίο περιστρέφεται ο σερβομηχανισμός και επομένως θα πρέπει να περιμένουμε πριν κάνουμε τη μέτρηση. Ανάλογα με τον σερβοκινητήρα, ο κατασκευαστής παρέχει οδηγίες για τον απαιτούμενο χρόνο περιστροφής ο οποίος πρέπει να δαπανηθεί αναμένοντας να λάβει την τελική θέση. Έπιπλέον, πρέπει να λάβουμε υπόψη μας οτι αν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε ισχυρούς σερβομηχανισμούς ή πολλούς μικρούς σερβομηχανισμούς, πιθανό να χρειάζονται οδήγηση από κάποιον driver, δεδομένου οτι η παροχή ισχύος από την πλακέτα του Arduino δε μπορεί να ξεπεράσει κάποια όρια γιατί υπάρχει κίνδυνος καταστροφής του μικροελεγκτή. Στο παράδειγμα που ακολουθεί ένας σερβοκινητήρας περιστρέφεται ανάμεσα σε 0 και 180 μοίρες εναλλάξ με μια χρονοκαθυστέρηση πέντε δευτερολέπτων. Η σύνδεση του σερβομηχανισμού είναι εύκολη γιατί δεν απαιτείται παρά η σύνδεση των τριών καλωδίων, δυο για την τάση (GND και 5 Volt) και ενός για την τάση αναφοράς σε μια έξοδο PWM. 70

21 Στον κώδικα που ακολουθεί και ελέγχει τον σερβομηχανισμό του σχήματος, χρησιμοποιείται (εντολή 1) η βιβλιοθήκη <Servo.h> με τις εντολές που ελέγχουν servos. Δημιουργούμε ένα αντικείμενο myservo (εντολή 2) στο οποίο αναφερόμαστε όταν θέλουμε να ελέγξουμε τον σερβοκινητήρα μας. Η λειτουργία.attach (εντολή 3) δηλώνει σε ποια ακίδα θα εξαχθεί το PWM σήμα που ελέγχει τον κινητήρα μας. Μπορούμε να στρέψουμε τον σερβοκινητήρα σε όποια γωνία επιθυμούμε (εντολές 4) όπου οι επιθυμητές τιμές κυμαίνονται μεταξύ 0 και 180 μοιρών. Έπειδή απαιτείται κάποιος χρόνος μέχρι να μεταβεί ο σερβοκινητήρας στην επιθυμητή θέση πρέπει να καθυστερήσουμε την επόμενη χρήση του (εντολές 5). Η διαδικασία επαναλαμβάνεται με μια χρονοκαθυστέρηση 5 δευτερολέπτων (εντολή 6). Κώδικας //Υπόδειγμα χρήσης servo 1 #include <Servo.h> 2 Servo myservo; // Δημιουργία αντικειμένου servo για τον // έλεγχο ενός σερβοκινητήρα void setup() { 3 myservo.attach(9); // η τάση αναφοράς παρέχεται από // την ακίδα 9 void loop() { 4 myservo.write(0); // περιστρέφεται στις 0 μοίρες 5 delay(50); // αναμονή μετάβασης του servo 4 myservo.write(180); // περιστρέφεται στις 180 μοίρες 5 delay(50); // αναμονή μετάβασης του servo 6 delay(5000); // 5 secs για επανάληψη της κίνησης 71