δουλεύοντας με το... Arduino Υλικό αναφοράς και χρήσης της ανοιχτής πλατφόρμας έκδοση των μαθητών της Β τάξης Γενικού Ενιαίου Λυκείου Φαλάνης, του Εργαστηρίου Πληροφορικής και του εκπαιδευτικού Γιώργου Ρούσσα Μάρτιος 2014
Εισαγωγικό σημείωμα από τη διευθύντρια Οι κοινωνικο-πολιτισμικές αλλαγές, η εξέλιξη της τεχνολογίας (Κοινωνία της Πληροφορίας) και η ταχύτητα διακίνησης των πληροφοριών, σε συνδυασμό με τη συνεχή αύξηση της γνώσης, διαμόρφωσαν μια άλλη αντίληψη για το ρόλο αλλά και το έργο του εκπαιδευτικού, η οποία ενισχύεται και με τη θεώρηση του εκπαιδευτικού έργου ως κοινωνικού ρόλου. Σε ένα σύγχρονο εκπαιδευτικό πλαίσιο, ο εκπαιδευτικός θα πρέπει να συνδυάζει μια ποικιλία ιδιοτήτων, όπως παιδαγωγός, καθοδηγητής, οργανωτής, εμψυχωτής, ερευνητής, φίλος, μεταρρυθμιστής (Γκούβρα, Κυρίδης, Μαυρικάκη, 2001). Και αυτό, διότι «η εκπαίδευση πρέπει να είναι μια κοινωνική εμπειρία μέσω της οποίας τα παιδιά μαθαίνουν για τον εαυτό τους, αναπτύσσουν διαπροσωπικές δεξιότητες και αποκτούν βασικές θεωρητικές γνώσεις και τεχνογνωσία» Επιπλέον, στον 21ο αιώνα, όπου η επιστήμη και η τεχνολογία είναι από τους βασικότερους παράγοντες της οικονομικής και της κοινωνικής ανάπτυξης, η ιδιαιτερότητα του εκπαιδευτικού διαμορφώνεται υπό ένα συνολικότερο φάσμα επιστημονικών, ερευνητικών, διδακτικών, αγωγικών και μαθησιακών παραμέτρων. Οι παράμετροι αυτές απαρτίζουν ένα πιο σύνθετο πλέγμα τεχνικής, εξειδικευμένων γνώσεων και κοινωνικής προσφοράς, γεγονός που υλοποιείται μέσα από τη διαμόρφωση ενός στοχαζόμενου εκπαιδευτικού, ενός εκπαιδευτικού ερευνητή και μεταρρυθμιστή (Καλαϊτζοπούλου, 2001). Μέσα στο κλίμα της διαρκούς ροής κι ανακατάταξης της γνώσης, της αλλαγής στα οικονομικά μεγέθη, στους κοινωνικούς συσχετισμούς και στις αξίες οι μαθητές/ήτριες χρειάζεται να αναπτύσσουν ταυτόχρονα αυτόνομη δράση, συλλογικό κοινωνικό πνεύμα, και περιβαλλοντική συνείδηση. Ετσι, πρόθεση είναι ο κάθε μαθητής να λειτουργεί μέσα στο σχολείο σε μια σειρά από ρόλους: του μαθητή «διανοούμενου», του μαθητή «επιστήμονα», του «γλωσσομαθή», του μαθητή που μαθαίνει να μαθαίνει, του μαθητή συνειδητού πολίτη της Ελλάδας και του κόσμου (Λαμπάκη Ολυμπία,2013) Το Σχολείο εκτός από πηγή γνώσης, πνευματικής καλλιέργειας, κοινωνικοποίησης, είναι για τους μαθητές ένας χώρος δημιουργίας και έκφρασης, συνεργασίας και αναζήτησης. Οταν στους μαθητές δίνεται βήμα και χώρος για να προβάλουν τις ανησυχίες τους, τις καλλιτεχνικές τους δεξιότητες και τις ιδιαίτερες ικανότητες που έχουν, όταν επιλέγουν να μοιραστούν με τους συμμαθητές τους τη δημιουργικότητά τους, το κάνουν χωρίς κομπασμό, διαθέτοντας εξωσχολικό χρόνο, πέρα από το μαθητικό τους ωράριο, καταθέτουν έξυπνες και φρέσκιες ιδέες, και υλοποιούν στην πράξη όσα βασικά στοιχεία γνώσης τους παρέχονται από το Σχολείο. Ετσι, ο συμβουλευτικός, συνεργατικός, παρωθητικός, ρόλος του εκπαιδευτικού στην κοινωνιογνωστική περιπέτεια των μαθητών αναδεικνύει τον Μαθητή-Δημιουργό στον ρόλο που η Κοινωνία στοχεύει να είναι ο Μαθητής: ο μεγάλος πρωταγωνιστής στο Σχολικό Περιβάλλον.
Το Σχολείο μας, το Γενικό Λύκειο Φαλάνης, με τις πολλές δραστηριότητες που αναλαμβάνει κάθε χρόνο, καλλιτεχνικές (σχολικές γιορτές, εκθέσεις), κοινωνικές (συγκέντρωση τροφίμων, χρημάτων για οργανώσεις και κοινωνικούς φορείς), ενημερωτικές (ασφάλεια στο internet, πρώτες βοήθειες), επισκέψεις σε επιστημονικούς χώρους (πανεπιστήμιο) κ.ά., συντελεί στην απόκτηση μιας ολιστικής αντίληψης της γνώσης από τους μαθητές και τους εξοπλίζει με κριτική σκέψη να δράσουν δημιουργικά και υπεύθυνα μέσα στο κοινωνικό σύνολο, ικανοί για τον εαυτό τους, το έθνος και την οικουμένη. Το βιβλίο που έχετε στα χέρια σας είναι το αποτέλεσμα της ατομικής εργασίας αλλά κυρίως της συνεργασίας των μαθητών, οι οποίοι πέτυχαν πολλαπλούς στόχους, εμβάθυνση στην Πληροφορική, τη Ρομποτική (ένα χώρο γρήγορα αναπτυσσόμενο), αλλά και στα συναφή μαθήματα, όπως τη Φυσική και τα Μαθηματικά, ανάπτυξη των ικανοτήτων της δημιουργικότητας και καινοτομίας και καλλιέργεια των ικανοτήτων επίλυσης προβλημάτων. Αναζήτησαν πληροφορίες στο διαδίκτυο, υπέβαλλαν προτάσεις, τις αξιολόγησαν, παρουσίασαν στους συμμαθητές τους τα έργα τους και δημιούργησαν προγραμματίζοντας υπολογιστικές συσκευές, θέματα τα οποία θα βρείτε ξεφυλλίζοντάς το. Συμμετείχαν με δραστηριότητες στην Ώρα Κώδικα, μια παγκόσμια κίνηση που προσπαθεί να ενισχύσει τη συγγραφή κώδικα από τον μέσο άνθρωπο, το μαθητή, το νέο επιστήμονα. Συμμετέχουν στο Φεστιβάλ Ψηφιακής Δημιουργίας για δεύτερη φορά, παρουσιάζοντας ψηφιακό υλικό (αφίσα, έντυπο, ρομποτική κατασκευή, ιστοσελίδα). Με δυο λόγια, ανακαλύπτουν έναν κόσμο που φτιάχτηκε γι αυτούς και που μπορούν να τον συνδιαμορφώσουν έχοντας τα κατάλληλα ερεθίσματα και τη θέληση να προσπαθήσουν. Πατσή Κωνσταντινιά Δ/ντρια Γενικού Λυκείου Φαλάνης
Εβδομάδα Πληροφορικής: Ώρα κώδικα Η Εβδομάδα Πληροφορικής με τη δράση «Ώρα Κώδικα» είναι μια προσπάθεια να κάνει γνωστό στον χώρο των Σχολείων (μαθητές & εκπαιδευτικούς), αλλά και στην Κοινωνία, τη διαφορά μεταξύ της χρήσης Τεχνολογιών Πληροφορικής και Επικοινωνιών (ΤΠΕ) και της επιστήμης της Πληροφορικής καθώς και το πώς αυτή συμβάλει στην ολόπλευρη ανάπτυξη των μαθητών και μελλοντικών πολιτών του φυσικού και ψηφιακού κόσμου όχι μόνο ως καταναλωτές αλλά και ως δημιουργών. Η δράση αυτή δεν είναι μόνο ελληνική, αλλά παγκόσμια. Συμμετέχουν εκτός από Σχολεία, Πανεπιστήμια με τα τμήματα Πληροφορικής και συγγενών αντικειμένων, αλλά επιχειρήσεις (από το χώρο των ΤΠΕ, αλλά και άλλων). Για τη συμμετοχή των Σχολείων συντονιστές ήταν οι Σχολικοί Σύμβουλοι Πληροφορικής με τις Τοπικές Οργανωτικές Επιτροπές με σκοπό την προβολή και προώθηση της δράσης μέσω προσκλήσεων κοινού σε χώρους εκδηλώσεων, Σχολεία και Πανεπιστήμια ανοιχτά στην κοινωνία για την γιορτή της Πληροφορικής με το σύνθημα «Ολοι μπορούν να προγραμματίσουν». Επίσης, η προώθηση με τη δημιουργία ιστότοπου, έντυπου υλικού (αφίσες) και
ανταλλαγή εμπειρίας από υλοποίηση δράσεων από μαθητές ή φοιτητές. Επιπλέον, η παρουσίαση δράσεων με επιλεγμένες δραστηριότητες στα πλαίσια του σχολικού περιβάλλοντος. Για το λόγο αυτό, αναρτήθηκε κείμενο προς τους μαθητές και τους εκπαιδευτικούς για την δράση «Ώρα Κώδικα»: Αγαπητοί μαθητές, αγαπητοί συνάδελφοι, Ζούμε στον 21ο αιώνα, τον αιώνα της Πληροφορικής. Οι περισσότεροι πλέον τομείς της ζωής μας (εργασία, εκπαίδευση, υγεία, εμπόριο, διασκέδαση, επικοινωνία κ.α.) υποστηρίζονται από τους Ηλεκτρονικούς Υπολογιστές, τις Τεχνολογίες της Πληροφορικής και των Επικοινωνιών και το Διαδίκτυο. Η Πληροφορική είναι, κατά κύριο λόγο, η επιστήμη που διδάσκει πώς από την σύλληψη μιας ιδέας φθάνει κανείς στην υλοποίησή της, με μια σειρά τυπικών λογικών βημάτων και αξιοποιώντας τις δυνατότητες των ηλεκτρονικών υπολογιστών και του Διαδικτύου. Η εκπαίδευση στην Πληροφορική δεν περιορίζεται στην απλή χρήση εργαλείων και εφαρμογών περιορισμένου ειδικού σκοπού αλλά βοηθά τον αυριανό πολίτη της σύγχρονης κοινωνίας της πληροφορίας να γίνει ικανός να καινοτομεί και να υλοποιεί τις σκέψεις και τις ιδέες του. Οι ώρες διδασκαλίας της Πληροφορικής στο σχολείο επαρκούν για να μάθουν οι μαθητές μόνο για ένα μέρος από το σύνολο των γνώσεων της επιστήμης των υπολογιστών και των ΤΠΕ όπως: τη βασική λειτουργία των υπολογιστών, τη δημιουργία λογισμικού, εφαρμογών ή ιστοσελίδων. Ειδικότερα, ο προγραμματισμός είναι ένα από τα κλειδιά για το μέλλον των νέων ανθρώπων. Για τους λόγους αυτούς συμμετέχουμε σε μία παγκόσμια προσπάθεια ευαισθητοποίησης της κοινωνίας στην ανάγκη προετοιμασίας των μαθητών και αυριανών πολιτών για την Πληροφορική του 21ου αιώνα. Οι Σχολικοί Σύμβουλοι Πληροφορικής με την αιγίδα του Υ.ΠΑΙ.Θ. (182942/Γ2/29-11-2013) διοργανώνουν την Εβδομάδα Πληροφορικής: Ώρα Κώδικα μια εκπαιδευτική εβδομάδα για την Επιστήμη Η/Υ & Πληροφορικής που θα λάβει χώρα το διάστημα 9-15 Δεκεμβρίου 2013 στην Ελλάδα, παράλληλα με τη δράση «Ώρα Κώδικα» διεθνώς. Την εβδομάδα αυτή: o Οι καθηγητές Πληροφορικής συζητούν με τους μαθητές για τον προγραμματισμό και την αξία του στην ανάπτυξη της δημιουργικότητας και της κριτικής σκέψης. o Οι μαθητές εκπονούν μαθησιακές δραστηριότητες κατά τη διάρκεια μιας διδακτικής ώρας μαθήματος Πληροφορικής για κάθε τμήμα. Οι δραστηριότητες μπορούν να περιλαμβάνουν ανάπτυξη κώδικα, επίδειξη, προβολή βίντεο κ.ά. o Οι γονείς/κηδεμόνες και οι εκπαιδευτικοί συμμετέχουν σε ανοικτές εκδηλώσεις με ομιλίες επίδειξη εργαλείων / δραστηριοτήτων μαθητών Η Ώρα Κώδικα έχει ένα τολμηρό στόχο: να εισαγάγει στον προγραμματισμό 10 εκατομμύρια μαθητές - φοιτητές σε όλο τον κόσμο, με μία ώρα διδασκαλίας. Εσείς, αγαπητοί μας μαθητές, θα έχετε την ευκαιρία να συμμετάσχετε στη δράση αυτή από το σχολείο μας με τη βοήθεια του καθηγητή πληροφορικής. Περισσότερες πληροφορίες θα βρείτε στις διευθύνσεις: http://cseduweek.wordpress.com/ & http://hourofcode.org Ο καθένας από εμάς μπορεί να επωφεληθεί από την εκμάθηση του προγραμματισμού των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών. Με εκτίμηση, Ο Σχολικός Σύμβουλος Πληροφορικής
Η ομάδα εργασίας των μαθητών της Β τάξης Οι μαθητές που συμμετείχαν στη δημιουργία αυτού του εντύπου και εργάστηκαν πάνω στις παρουσιάσεις, αφίσες, κατασκευές βασισμένες στο Arduino είναι: Αγόρου Κατερίνα Ανδρίτσιος Θανάσης Γκαλμπογκίνης Ζήσης Δανίκας Μιχάλης Δάσιου Χρυσούλα Ζιώγας Δημήτρης Ζορμπάς Γιάννης Κακαβίτσης Ανδρέας Καραμπατή Μεταξία Καρανάσιος Θάνος Καρυώτη Αρτεμις Κουτσουνάκη Μερόπη Μάνη Σουλτάνα Μπαγιάρα Θεοδώρα Μπέλλου Αγγέλα Μπούτλα Μαρίνα Ντανίκα Βάσω Ντελή Εύα Σπαθή Ολγα Στεφανής Σταύρος Τρευλάκη Ελένη Τσαράι Ρενάτο Φάτσης Θανάσης Χλωρός Δημήτρης Χρηστίδη Κλειώ Χώτος Ιωάννης
Περιεχόμενα Πλατφόρμα Ανάπτυξης Arduino Μικροελεγκτής - η καρδιά του Arduino................................ 1 Είσοδοι και Εξοδοι Επικοινωνία του Arduino.......................... 1 Απαραίτητα στοιχεία υποστήριξης Arduino Συμβατότητα...................................................... Software.......................................................... Προγραμματισμός Arduino Δομή (Structure) Η λειτουργία setup()...........................................7 Η λειτουργία loop()............................................8 Δομές Ελέγχου if, if...else....................................................10 for, while, do... while..........................................12 break, continue, return........................................14 Μεταβλητές Δήλωση Μεταβλητών.........................................16 Εμβέλεια Μεταβλητών........................................16 Αρχικοποίηση Μεταβλητών....................................17 Αναδίπλωση Μεταβλητών......................................17 Χρησιμοποιώντας τις Μεταβλητές...............................17 Τύποι Δεδομένων (Μεταβλητών-Συναρτήσεων) void, boolean, char, unsigned char, byte, int, short, unsigned int, word, long, unsigned long, float, double, string....................19 Πίνακες συμβολοσειρών.......................................25 Πίνακες..................................................... 26 Μετατροπές char(), byte(), int(), word(), long(), float().......................... 27 Λειτουργίες-Συναρτήσεις Ψηφιακή Είσοδος/Εξοδος...................................... 29 pinmode(), digitalwrite(), digitalread()
Αναλογική Είσοδος/Εξοδος..................................... 32 analogreference(), analogread(), analogwrite() - PWM Προηγμένη Είσοδος/Εξοδος.................................... 37 tone(), notone() Χρόνος...................................................... 39 millis(), micros(), delay(), delaymicroseconds() Μαθηματικά................................................. 43 min(), max(), abs(), constrain(), map(), pow(), sqrt() Τριγωνομετρία............................................... 48 sin(), cos(), tan() Τυχαίοι Αριθμοί.............................................. 49 randomseed(), random() Εφαρμογές βασισμένες στο Arduino Σύνδεση LED στο Arduino.......................................... 53 Σύνδεση LCD Screen στο Arduino.................................... 57 Σύνδεση αισθητήρα φωτός στο Arduino.............................. 61 Σύνδεση stepper motor στο Arduino................................. 63 Σύνδεση διακόπτη πίεσης (button) στο Arduino....................... 67 Σύνδεση servo στο Arduino........................................ 69 Ανάπτυξη Εργων Χριστουγεννιάτικο Αστέρι.......................................... 73 Ρομποτικό όχημα Jamie........................................... 81 Βιβλιογραφία Πηγές Αδεια
Πλατφόρμα Ανάπτυξης Arduino Τρευλάκη Ελένη, Δάσιου Χρυσούλα Το Arduino είναι μια πλατφόρμα ανάπτυξης εφαρμογών που μπορεί να προγραμματιστεί από το περιβάλλον των windows (και Linux) και στη συνέχεια να δουλέψει αυτόνομα (χωρίς τη χρήση πλέον του υπολογιστή μας). Εχει δική της τροφοδοσία, από το δίκτυο ή από συσσωρευτές, και μια σειρά από θύρες επικοινωνίας με τις οποίες συνδέεται σε συσκευές εισόδου ή εξόδου, ψηφιακές ή αναλογικές. Το Arduino μπορεί να αισθανθεί το περιβάλλον με τη λήψη σημάτων από μια ποικιλία αισθητήρων και μπορεί να επηρεάσει το περιβάλλον του με τον έλεγχο φώτων, κινητήρων, και άλλων συσκευών. Ο μικροελεγκτής στην πλατφόρμα μπορεί να προγραμματιστεί χρησιμοποιώντας τη γλώσσα προγραμματισμού του Arduino και το περιβάλλον ανάπτυξης του Arduino. Ολες οι εφαρμογές του Arduino μπορούν να είναι αυτόνομες ή μπορούν να επικοινωνούν με το λογισμικό που τρέχει σε έναν υπολογιστή (π.χ. Flash, Processing, MaxMSP). Οι εφαρμογές μπορούν να κατασκευαστούν με το χέρι ή να αγοραστούν προσυναρμολογημένες. Το λογισμικό μπορούμε να το κατεβάσουμε δωρεάν. Τα σχέδια του υλικού αναφοράς (αρχεία CAD) είναι διαθέσιμα με ελεύθερη άδεια και έτσι μπορούμε να τα προσαρμόσουμε στις ανάγκες μας. Ο κώδικας είναι εύκολο να γραφεί για τις απλές εφαρμογές και χρησιμοποιεί ένα προγραμματιστικό περιβάλλον που είναι οικείο για όσους έχουν προγραμματίσει σε άλλες γλώσσες προγραμματισμού. Arduino Uno R3 1
Μικροελεγκτής - η καρδιά του Arduino Το Arduino (έκδοση Duemilanove) βασίζεται στον ATmega328, έναν 8-bit RISC μικροελεγκτή, τον οποίο χρονίζει στα 16MHz. Ο ATmega328 διαθέτει ενσωματωμένη μνήμη τριών τύπων: 2Kb μνήμης SRAM που είναι η ωφέλιμη μνήμη που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα προγράμματά σας για να αποθηκεύουν μεταβλητές, πίνακες κ.λπ. κατά το runtime. Οπως και σε έναν υπολογιστή, αυτή η μνήμη χάνει τα δεδομένα της όταν η παροχή ρεύματος στο Arduino σταματήσει ή αν γίνει reset. 1Kb μνήμης EEPROM η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για «ωμή» εγγραφή/ανάγνωση δεδομένων (χωρίς datatype) ανά byte από τα προγράμματά σας κατά το runtime. Σε αντίθεση με την SRAM, η EEPROM δεν χάνει τα περιεχόμενά της με απώλεια τροφοδοσίας ή reset οπότε είναι το ανάλογο του σκληρού δίσκου. 32Kb μνήμης Flash, από τα οποία τα 2Kb χρησιμοποιούνται από το firmware του Arduino που έχει εγκαταστήσει ήδη ο κατασκευαστής του. Το firmware αυτό που στην ορολογία του Arduino ονομάζεται bootloader είναι αναγκαίο για την εγκατάσταση των δικών σας προγραμμάτων στον μικροελεγκτή μέσω της θύρας USB, χωρίς δηλαδή να χρειάζεται εξωτερικός hardware programmer. Τα υπόλοιπα 30Kb της μνήμης Flash χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση αυτών ακριβώς των προγραμμάτων, αφού πρώτα μεταγλωττιστούν στον υπολογιστή σας. Η μνήμη Flash, όπως και η EEPROM δεν χάνει τα περιεχόμενά της με απώλεια τροφοδοσίας ή reset. Επίσης, ενώ η μνήμη Flash υπό κανονικές συνθήκες δεν προορίζεται για χρήση runtime μέσα από τα προγράμματά σας, λόγω της μικρής συνολικής μνήμης που είναι διαθέσιμη σε αυτά (2Kb SRAM + 1Kb EEPROM), έχει σχεδιαστεί μια βιβλιοθήκη που επιτρέπει την χρήση όσου χώρου περισσεύει (30Kb μείον το μέγεθος του προγράμματός σας σε μεταγλωττισμένη μορφή). Είσοδοι και Εξοδοι Επικοινωνία του Arduino Καταρχήν το Arduino διαθέτει σειριακό interface. Ο μικροελεγκτής ATmega υποστηρίζει σειριακή επικοινωνία, την οποία το Arduino προωθεί μέσα από έναν ελεγκτή Serial-over-USB ώστε να συνδέεται με τον υπολογιστή μέσω USB. Η σύνδεση αυτή χρησιμοποιείται για την μεταφορά των προγραμμάτων που σχεδιάζονται από τον υπολογιστή στο Arduino αλλά και για αμφίδρομη επικοινωνία του Arduino με τον υπολογιστή μέσα από το πρόγραμμα την ώρα που εκτελείται. Επιπλέον, στην πάνω πλευρά του Arduino βρίσκονται 14 θηλυκά pin, αριθμημένα από 0 ως 13, που μπορούν να λειτουργήσουν ως ψηφιακές είσοδοι και έξοδοι. Λειτουργούν στα 5V και καθένα μπορεί να παρέχει ή να δεχτεί το πολύ 40mA. Ώς ψηφιακή έξοδος, ένα από αυτά τα pin μπορεί να τεθεί από το πρόγραμμά σας σε κατάσταση HIGH ή LOW, οπότε το Arduino θα ξέρει αν πρέπει να διοχετεύσει ή όχι ρεύμα στο συγκεκριμένο pin. Με αυτόν τον τρόπο μπορείτε λόγου χάρη να ανάψετε και να σβήσετε ένα LED που έχετε συνδέσει στο συγκεκριμένο pin. Αν πάλι ρυθμίσετε ένα από αυτά τα pin ως ψηφιακή είσοδο μέσα από το πρόγραμμά σας, μπορείτε με την κατάλληλη εντολή να διαβάσετε την κατάστασή του (HIGH ή LOW) ανάλογα με το αν η εξωτερική συσκευή που έχετε συνδέσει σε αυτό το pin διοχετεύει ή όχι ρεύμα στο pin (με αυτόν τον τρόπο λόγου χάρη μπορείτε να «διαβάζετε» την κατάσταση ενός διακόπτη). Μερικά από αυτά τα 14 pin, εκτός από ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι έχουν και δεύτερη λειτουργία. Συγκεκριμένα: 2
Arduino Mega 2560 R3 ενεργοποιεί την σειριακή θύρα. Ετσι, όταν λόγου χάρη το πρόγραμμά σας στέλνει δεδομένα στην σειριακή, αυτά προωθούνται και στην θύρα USB μέσω του ελεγκτή Serial-Over-USB αλλά και στο pin 0 για να τα διαβάσει ενδεχομένως μια άλλη συσκευή (π.χ. ένα δεύτερο Arduino στο δικό του pin 1). Αυτό φυσικά σημαίνει ότι αν στο πρόγραμμά σας ενεργοποιήσετε το σειριακό interface, χάνετε 2 ψηφιακές εισόδους/εξόδους Τα pin 2 και 3 λειτουργούν και ως εξωτερικά interrupt (interrupt 0 και 1 αντίστοιχα). Με άλλα λόγια, μπορείτε να τα ρυθμίσετε μέσα από το πρόγραμμά σας ώστε να λειτουργούν αποκλειστικά ως ψηφιακές είσοδοι στις οποίες όταν συμβαίνουν συγκεκριμένες αλλαγές, η κανονική ροή του προγράμματος σταματάει άμεσα και εκτελείται μια συγκεκριμένη συνάρτηση. Τα εξωτερικά interrupts είναι ιδιαίτερα χρήσιμα σε εφαρμογές που απαιτούν συγχρονισμό μεγάλης ακρίβειας. Τα pin 3, 5, 6, 9, 10 και 11 μπορούν να λειτουργήσουν και ως ψευδοαναλογικές έξοδοι με το σύστημα PWM (Pulse Width Modulation-Ευροπαλμική Διαμόρφωση), δηλαδή το ίδιο σύστημα που διαθέτουν οι μητρικές των υπολογιστών για να ελέγχουν τις ταχύτητες των ανεμιστήρων. Ετσι, μπορείτε να συνδέσετε λόγου χάρη ένα LED σε κάποιο από αυτά τα pin και να ελέγξετε πλήρως την φωτεινότητά του με ανάλυση 8bit (256 καταστάσεις από 0-σβηστό ως 255-πλήρως αναμμένο) αντί να έχετε απλά την δυνατότητα αναμμένο-σβηστό που παρέχουν οι υπόλοιπές ψηφιακές έξοδοι. Είναι σημαντικό να καταλάβετε ότι το PWM δεν είναι πραγματικά αναλογικό σύστημα και ότι θέτοντας στην έξοδο την τιμή 127, δεν σημαίνει ότι η έξοδος θα δίνει 2.5V αντί της κανονικής τιμής των 5V, αλλά ότι θα δίνει ένα παλμό που θα εναλλάσσεται με μεγάλη συχνότητα και για ίσους χρόνους μεταξύ των τιμών 0 και 5V. Στην κάτω πλευρά του Arduino, με τη σήμανση ANALOG IN, θα βρείτε μια ακόμη σειρά από 6 pin, αριθμημένα από το 0 ως το 5. Το καθένα από αυτά λειτουργεί ως αναλογική είσοδος κάνοντας χρήση του ADC (Analog to Digital Converter-Μετατροπέας Αναλογικού σε Ψη- 3
φιακό) που είναι ενσωματωμένο στον μικροελεγκτή. Για παράδειγμα, μπορείτε να τροφοδοτήσετε ένα από αυτά με μια τάση την οποία μπορείτε να κυμάνετε με ένα ποτενσιόμετρο από 0V ως μια τάση αναφοράς Vref η οποία, αν δεν κάνετε κάποια αλλαγή είναι προρυθμισμένη στα 5V. Τότε, μέσα από το πρόγραμμά σας μπορείτε να «διαβάσετε» την τιμή του pin ως ένα ακέραιο αριθμό ανάλυσης 10-bit, από 0 (όταν η τάση στο pin είναι 0V) μέχρι 1023 (όταν η τάση στο pin είναι 5V). Η τάση αναφοράς μπορεί να ρυθμιστεί με μια εντολή στο 1.1V, ή σε όποια τάση επιθυμείτε (μεταξύ 2 και 5V) τροφοδοτώντας εξωτερικά με αυτή την τάση το pin με την σήμανση AREF που βρίσκεται στην απέναντι πλευρά της πλακέτας. Ετσι, αν τροφοδοτήσετε το pin AREF με 3.3V και στην συνέχεια δοκιμάσετε να διαβάσετε κάποιο pin αναλογικής εισόδου στο οποίο εφαρμόζετε τάση 1.65V, το Arduino θα σας επιστρέψει την τιμή 512. Τέλος, καθένα από τα 6 αυτά pin, με κατάλληλη εντολή μέσα από το πρόγραμμα μπορεί να μετατραπεί σε ψηφιακό pin εισόδου/εξόδου όπως τα 14 που βρίσκονται στην απέναντι πλευρά και τα οποία περιγράφηκαν πριν. Σε αυτή την περίπτωση τα pin μετονομάζονται από 0~5 σε 14~19 αντίστοιχα. 4
Απαραίτητα στοιχεία υποστήριξης Arduino Τρευλάκη Ελένη, Δάσιου Χρυσούλα Για τη λειτουργία του Arduino είναι απαραίτητα μερικά κατασκευαστικά στοιχεία με τα οποία μπορούμε να δημιουργήσουμε κάποιους αυτοματισμούς και να τα προγραμματίσουμε ώστε να έχουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα. Στην αγορά μπορούμε να βρούμε έτοιμα kit που περιέχουν πολλά στοιχεία πέρα από την ίδια την πλακέτα του Arduino. Ομως, μπορούμε να δημιουργήσουμε το δικό μας kit με τα απαραίτητα στοιχεία για τις δικές μας ανάγκες. Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει αισθητήρες, φωτός, κίνησης, μαγνητικού πεδίου, πλήκτρα, κ.ά. καθώς και μηχανισμούς μετάδοσης κίνησης, όπως μοτέρ και σερβομηχανισμούς, φώτα, οθόνες προβολής, οπτικά ψηφία, buzzers, κ.λπ. Ολα αυτά τα στοιχεία μαζί με τα απαραίτητα καλώδια, τροφοδοτικά και βοηθητικά αξεσουάρ δημιουργίας και ανάπτυξης έργων αποτελούν το υλικό (hardware) του Arduino. Το Arduino κυκλοφορεί σε πολλές εκδόσεις, η κάθε μία έχει κάποια ίδια χαρακτηριστικά ως προς τις υπόλοιπες, αλλά και διαφορές, κυρίως στο μέγεθος της μνήμης, των θυρών εισόδου και εξόδου και φυσικά των δυνατοτήτων που μπορούν να έχουν. Βασική πλατφόρμα ανάπτυξης του Arduino θεωρείται το Arduino Uno, με 14 ψηφιακές εισόδους/εξόδους, εκ των οποίων οι 6 υποστηρίζουν αναλογική ευροπαλμική διαμόρφωση (PWM - Pulse Width Modulator) εξόδου, 6 αναλογικές εισόδους, και 32 Kbytes μνήμης, και με ταχύτητα του μικροελεγκτή ATmega328 στα 16ΜΗz. Οι παραπάνω δυνατότητες του Arduino Uno είναι αρκετές για τις περισσότερες εφαρμογές εκπαιδευτικού χαρακτήρα και για πάρα πολλές εφαρμογές που μπορούμε να αναπτύξουμε και σε προχωρημένο επίπεδο. Υπάρχει όμως και έκδοση με μικρότερες δυνατότητες που μπορεί να χαρακτηριστεί από το μικρό του μέγεθος, το Arduino LilyPad, με λιγότερες απαιτήσεις σε μνήμη και ταχύτητα του 5
μικροελεγκτή. Στον αντίποδα, το Arduino Mega, διαθέτει 54 ψηφιακές εισόδους/εξόδους, από τις οποίες οι 15 υποστηρίζουν αναλογική ευροπαλμική διαμόρφωση (PWM), 16 αναλογικές εισόδους, 256 ΚBytes μνήμης και ταχύτητα μικροελεγκτή στα 16MHz. Το Arduino Diecimila έχει ουσιαστικά δυο βασικές διαφορές με το Duemilanove, ότι βασίζεται στον μικροελεγκτή ATmega168, ο οποίος διαθέτει ακριβώς την μισή μνήμη από τον ATmega328, δηλαδή 1Kb SRAM, 512bytes EEPROM και 16Kb Flash (14 ελεύθερα λόγω του bootloader). Arduino LilyPad Συμβατότητα Σημειώστε ότι το Arduino Mega είναι συμβατό με τα περισσότερα shield που έχουν κυκλοφορήσει για το Arduino αλλά όχι με το Ethernet Shield, το οποίο είναι ένα αρκετά σημαντικό μειονέκτημα για όσους θέλουν να φτιάξουν εφαρμογές με πρόσβαση στο internet ή σε κάποιο άλλο δίκτυο. Από τις ανεπίσημες εκδόσεις, το Freeduino 1.16 και το Seeeduino βασίζονται στο Diecimila οπότε ισχύουν οι ίδιες διαφορές που έχει αυτό με το Duemilanove. Το Freeduino είναι ακριβής κλώνος του Diecimila, ενώ το Seeeduino είναι μια βελτιωμένη έκδοση του Diecimila με κύρια διαφορά την προσθήκη 2 επιπλέον pin αναλογικής εισόδου. Software Πέρα από τον υλικό εξοπλισμό, απαιτείται να κατεβάσουμε από την ιστοσελίδα του Arduino (www.arduino.cc) το Ολοκληρωμένο Περιβάλλον Ανάπτυξης (Integrated Development Environment-IDE). Αυτό είναι το software που απαιτείται για την συγγραφή, μετάφραση, φόρτωση και εκτέλεση των προγραμμάτων του Arduino. Από εκεί, μπορούμε να μεταφράσουμε τον κώδικα που γράφουμε έτοιμο για όποιο υλικό από τα προηγούμενα και να το φορτώσουμε στο αντίστοιχο Arduino για να εκτελεστεί. Χρησιμοποιείται ένα καλώδιο USB που συνδέει τον υπολογιστή μας με το Arduino και του παρέχει εκτός του προγράμματος και τα ρεύμα για τη λειτουργία του. Μετά την φόρτωση του προγράμματος, είναι δυνατό να αποσυνδέσουμε τον υπολογιστή και να παράσχουμε τροφοδοσία για τη λειτουργία του από εξωτερικό τροφοδοτικό ή συσσωρευτές. Η εκτέλεση του προγράμματος συνεχίζεται και μετά την αποσύνδεση του υπολογιστή μας εφόσον η ενέργεια παρέχεται από εξωτερική πηγή. Μετά την διακοπή λειτουργίας του Arduino, το πρόγραμμα δε χάνεται αλλά παραμένει στη μνήμη μέχρι να επανατροφοδοτηθεί με ρεύμα ο μικροελεγκτής. Η εκτέλεση του προγράμματος αρχίζει και πάλι από την αρχή. 6