ARDUINO BÁSICO Lição IVsites2.jf.ifsudestemg.edu.br/sites/default/files/Lição-4 Slides.pdf · 25/05/14 Frederico Möller 4 Uma questão de prioridades Voltemos ao exemplo VI

25/05/14 Frederico Möller 1

ARDUINO BÁSICOLição IV

Frederico José Dias Möller


Sumário

● Uma questão de prioridades

● Interrupções● Timer● Timer1● Interrupção por tempo

● Exemplo VII Blink por interrupção– Software

● Exercício VII● Análise crítica da

resposta.● Parada de

emergência


Sumário

● Interrupção por mudança de estado

● AttachInterrupt● Exemplo VIII● Exercício VIII● Revisão● Leitura complementar


Uma questão de prioridades

● Voltemos ao exemplo VI da lição anterior.● Vamos supor que ao invés de ativar, ou

desativar uma cor do rgb, queiramos selecionar qual cor vai piscar.

● Se digitarmos R, a luz vermelha vai começar a piscar, se digitarmos R novamente ela vai parar de piscar.

● Como resolveríamos o problema?



● Pode parecer que a solução é simplesmente alterar o conteúdo dos if-else. Inserindo um delay nele.

● A sequencia troca-estado, escrita digital e delay é uma sequencia de piscagem.



● No entanto há um delay no final do programa.

● Se o programa rodasse direto, ele entraria em um caso, alternaria o valor da variável "valor[]" e com isso alternaria a saída digital da cor.



● O delay no final do programa, pode ser alterado para o intervalo de piscagem.

● O ciclo while então aparece como nosso segundo problema.



● Cada ciclo de piscagem pararia no while e ficaria esperando que o usuário digitasse a letra

● A solução poderia ser retirar o comando "letra = 0;" no fim do loop.



● Dessa forma a variável letra continuaria com seu último valor e pularia o ciclo while

● O led piscaria e o programa funcionaria numa boa.



● Há dois problemas, no entanto, nessa solução.

● Primeiramente haveria um atraso na hora que o usuário resolvesse escolher outra cor para piscar.



● Se o usuário digitou inicialmente um R e depois digitasse um B, por exemplo, o programa só leria esse B quando chegasse no comando "letra = Serial.read()"



● Se o programa já estivesse lidando com os condicionais, o usuário teria que esperar todo o fim do loop para ter seu comando lido.



● O segundo problema é que o led não piscaria num intervalo exatamente igual ao valor na função delay.

● Cada comando leva um tempo para ser executado pela máquina.



● O usuário acabaria tendo que esperar o tempo do delay + quantidade de comandos/capacidade de processamento do Arduíno.



● É claro que para um programa curto e simples como o exemplo VI, tais "desvantagens" não são sensíveis ao usuário.

● No entanto para programas mais complexos, com necessidade de reação imediata e grandes ciclos internos de operações, essas desvantagens podem se mostrar bem desagradáveis.

● Por causa delas existem as interrupções.


Interrupções

● Interrupções são funções que são chamadas quando algum evento externo acontece.

● Quando isso acontece o programa principal é parado, a função de interrupção é chamada e após sua execução o programa principal pode, ou não voltar a ser executado a partir de onde foi interrompido.

● Existem diversos tipos de interrupções, mas no Arduino vamos tratar de duas.


Timers

● Um timer é uma espécie de contador do Arduino que conta uma quantidade x de pulsos de clock, equivalentes à uma quantidade pré-estabelecida de ms.

● Quando ele chega no final de sua contagem ele manda um sinal para o Arduino.

● Timers são essênciais para as interrupções por intervalo de tempo.


Timer1

● O arduíno tem diversos timers, o 0, por exemplo é seu timer principal, que ele usar para a função delay e contagens internas importantes.

● O timer 1 é usado para controle de servo-motores.

● Quando não está sendo usado, ele pode ser chamado pelo usuário para controlar outras rotinas


Timer1

● Qualquer um dos timers podem ser chamados e configurados atravéz de uma série de comandos. Mas a complexidade dos mesmos fogem dos objetivos desse curso introdutório.

● O Timer 1 e 3 possuem bibliotecas próprias, a partir das quais é possível configurar e usar facilmente os mesmos.

● Elas não vem originalmente com a IDE e podem ser baixadas em http://www.pjrc.com/teensy/td_libs_TimerOne.html


Timer1

● Para configurarmos o timer1, devemos incluir a biblioteca TimerOne. Essa inclusão é feita de forma semelhante à linguagem c, com o comando #include<TimerOne.h>

● Depois devemos inicializar o timer no setup.● Isso é feito atravéz do comando:

Timer1.initialize(tempo)● A quantidade de tempo é dada em

microsegundos.


Interrupção por tempo

● A interrupção por tempo usando o timer1 é dada pelo comando: Timer1.attachInterrupt(função);

● Onde "função" é o nome da função que vai ser chamada na interrupção.

● O comando Timer1.attachInterrupt é feito no escopo da setup.


Exemplo VII Blink por interrupção

● Para exemplificar as funções apresentadas anteriormente, voltaremos a implementar o programa blink.

● A montagem do circuito é feita de forma identica ao circuito montado no exemplo I

● A diferença é que usaremos uma interrupção de tempo e não a função delay para fazer com que o led pisque.



● O primeiro comando de nosso programa é a inclusão da biblioteca TimerOne.

● Em seguida declaramos uma variável inteira chamada "sinal", com valor inicial igual a 0.



● A primeira função a ser implementada é a função nomeada de "chama".

● Essa função, como veremos a seguir, será chamada pela interrupção. Por isso seu "nome".



● A função chama troca o valor da variável sinal. Se ele era 0, passa a ser não 0, ou seja: 1. Se era 1, passa a ser não 1, ou seja: 0.



● A segunda função é a função setup.

● Temos a inicialização do Timer1 que tem um intervalo de 10^6 microsegundos, ou seja: 1 segundo.



● Temos também a interrupção do timer 1, com sua função a ser chamada, a função "chama".

● A última função a ser implementada é a loop.



● É importante observar que a loop só possui um comando.

● Ela vai executar uma escrita digital no pino 13 de acordo com o valor de sinal.



● O programa inicial com sinal = 0, então o valor inicial do pino 13 é baixo.

● O programa vai escrever, a cada ciclo, uma saída baixa em 13.



● Após 1 segundo o Timer1 vai terminar sua contagem e a interrupção será ativada

● O programa vai "pausar" a função loop e executar a função chama.



● A função chama vai trocar o valor lógico da variável sinal.

● O programa vai voltar a ser executado e então teremos uma escrita digital alta no pino 13 por mais 1 segundo...


Exercício VII

● Reescreva o exemplo VI, faça com que o operador selecione qual led deve piscar.

● Utilize interrupções por tempo para evitar que o tempo de piscagem seja afetado pelos outros comandos do programa.

● Para facilitar: A configuração do circuito não muda em nada com relação ao exemplo VI.


Exercício VII

● Primeriamente incluimos a biblioteca TimerOne.h

● Note que a variável valor não é mais uma array e tem seu valor inicial setado em 0

● Temos agora uma variável "led"


Exercício VII

● A função pisca é a função que será chamada na interrupção de tempo

● Ela deve conter a ação que desejamos que seja regida por um intervalo rígido de tempo.


Exercício VII

● No nosso caso ela coordena a o piscar do led.

● Ou seja, toda vez que a interrupção de tempo acontecer, a função pisca alternará o valor da variável "valor"


Exercício VII

● E em seguida alternará o valor do pino digital de valor igual ao da variável "led".

● Se led = 13, o pino que sofrerá a alteração será o pino 13.


Exercício VII

● No setup temos a inicialização do Timer1 para um período de 106 μs

● Temos também a interrupção do Timer1 configurada para chamar a função pisca.


Exercício VII

● O restante do programa é bem semelhando ao exemplo VI

● A diferença é que nos condicionais da variável letra, a única operação realizada é atribuir um valor à variável led.


Análise crítica da resposta

● A resposta dada anteriormente cumpre com o que foi pedido, no entanto existem alguns "deslizes" que merecem atenção.

● Inicialmente a variável led é declarada, mas não tem valor atribuido.

● A cada interrupção de tempo a função pisca usa o valor da variável led para determinar qual pino sofrerá mudança em seu sinal digital.



● Isso significa que, até que um R,G, ou B seja digitado pela primeira vez, a função digitalWrite dentro da função pisca usará o valor inicial da variável led, que é arbitrário, imprevisível e geralmente muito alto.

● Isso não implica necessáriamente um erro no programa, mas se led assumir inicialmente um valor "baixo", abaixo de 13, poderemos ter alternância de valores em um dos pinos existentes.



● Pode ser que o led comece já piscando, coisa que não é desejável.

● No entanto em uma aplicação mais complexa, com outros elementos ligados aos demais pinos, esse erro pode ter consequências drásticas! Um sinal pode ser enviado à um dispositivo que não está preparado para recebê-lo e isso pode ocasionar danos ao mesmo e ao Arduino.


Parada de emergência



● A foto anterior era de um robô de limpeza roomba® Esse tipo de robô já existe a um tempo considerável no mercado e antes, um item exclusivo, agora está ficando cada vez mais acessível.

● Ele possui um conjunto de sensores infravermelho de distância, esses sensores são os responsáveis por evitar colisões e quedas indesejadas.



● Há sensores nas laterais, frente e um conjunto na parte de baixo do robô. Estes últimos servem para medir sua distância em relação ao solo e assim poder detectar um degrau, ou outro desnível grande e assim evitar que o robô role escada abaixo, despenque de um andar para o outro e assim seja danificado severamente.



● Se a leitura desses sensores fosse feita em sequência, dentro da programação normal do robô, teríamos um sério problema.

● Se o robô, em movimento, estivesse em qualquer trecho do programa que não a leitura do sensor inferior e passasse por um degrau ele não teria tempo de evitar sua queda.



● Felizmente (tanto para o robô, quanto para quem o comprou) ele usa interrupções para lidar com seus sensores.

● Isso significa que logo que o sensor capte um "perigo" a rotina do robô é prontamente interrompida, ele corrige seu curso e só então volta a sua rotina normal.


Interrupção por mudança de estado

● Esse tipo de interrupção no entanto não pode ser uma interrupção de tempo.

● Não sabemos quando o robô vai passar por um risco de queda para dizer quando ele deve ler seu sensor.

● Se colocarmos a leitura dos sensores em uma interrupção por tempo e este for longo (1s é um intervalo longo) um acidente poderá ocorrer nesse meio tempo.



● Se o intervalo for muito curto, sobrecarregaremos o robô!

● Por essa razão os sensores possuem esquma lógico interno que faz com que uma saída mude seu valor lógico assim que a distância entre o robô e o obstáculo, ou o chão torne-se crítica.

● Essa saída lógica está ligada ao seu processador



● O processador está programado com uma interrupção por mudança de estado.

● Assim logo que o pino referente ao sensor mudar de estado lógico, a função de interrupção é chamada

● A interrupção por mudança de estado pode ser definida para quando ocorrer qualquer alternância de estado, para somente quando o pino for para "ALTO", ou somente quando o pino for para "BAIXO".


AttachInterrupt

● O Arduino possuí a função AttachInterrupt(pino,função,modo) para esse tipo de interrupção

● Ela deve ser declarada no setup, com os seguintes dados:– PINO: o pino que deve comandar a interrupção.

Não é necessariamente o nº do pino. No modelo de Arduino que usamos, os únicos valores possíveis são 0 e 1, que equivalem ao pino 2 e 3.


AttachInterrupt

● O Arduino possuí a função AttachInterrupt(pino,função,modo) para esse tipo de interrupção

● Ela deve ser declarada no setup, com os seguintes dados:– PINO: o pino que deve comandar a interrupção.

Não é necessariamente o nº do pino. No modelo de Arduino que usamos, os únicos valores possíveis são 0 e 1, que equivalem ao pino 2 e 3.


AttachInterrupt

– FUNÇÃO: a função que deve ser chamada quando ocorrer a interrupção.

– MODO: O que deve ocorrer no pino para que a interrupção seja acionada. Os modos possíveis são:– LOW (o pino deve estar em "BAIXO")– CHANGE (qualquer mudança de estado)– FALLING (quando passa de "ALTO" para "BAIXO")– RISING (quando passa de "BAIXO" para "ALTO")


Exemplo VIII

● Vamos agora fazer um programa que alterna o estado do led de acordo com o pressionar de um botão

● O circuito será montado tal qual no exemplo II, porém somente com um led e com o botão ligado no pino 2.

● O programa no entanto funcionará por interrupções.


Exemplo VIII

● O programa é bem simples, temos a variável valor que vai corresponder ao valor da saída lógica do pino 13 e 3 temos 3 funções.


Exemplo VIII

● A primeira função é a que vai ser chamada na nossa interrupção, ela alterna a variável valor (de 0 para 1 e 1 para 0) e dá um delay de 0.1s


Exemplo VIII

● Em seguida temos o setup, onde configuramos o pino 13 para saída e também confuguramos a interrupção


Exemplo VIII

● A interrupção está configurada como 0,botão,RISING, ou seja toda vez que o pino 0 de interrupção (que é o pino digital 2) alternar seu valor lógico de BAIXO para ALTO o programa será "pausado" e a função botão() será chamada.


Exemplo VIII

● No loop tempos uma escrita digital no pino 13 equivalente à variável valor.

● Assim temos que toda vez que o botão for pressionado, ele causará uma interrupção que fará no final das contas que o valor de saída do pino 13 seja alternado.


Exemplo VIII

● É importante salientar que, apesar do delay , não temos aqui um controle "anti-bouncing", implementar ele para interrupções pode ser um pouco mais complicado. Mas isso será visto na próxima lição.


Exercício VIII

● Um grande uso para interrupções é o botão de pânico. Esse botão para a máquina em qualquer ponto do procedimento e não permite que ela volta ao funcionamento sem que antes algumas ações sejam executadas.

● Nesse exercício, faremos um botão de pânico.● O arduino executará um ciclo, ascendendo

cada hora um led e apagando os demais, nessa ordem: leds vermelho, amarelo e verde.


Exercício VIII

● Se o botão de pânico for acionado, o ciclo automático deverá cessar, passando o controle para o modo manual, que será feito por um potenciômetro.

● Com o potenciômetro o operador deve poder escolher qual led vai ficar aceso.

● Para voltar ao modo automático, o operador deve fazer com que o led vermelho fique aceso e em seguida deve apertar um outro botão.

● Apenas um potenciômetro deve ser utilizado.


Exercício VIII

● Este foi com certeza o exercício mais complexo deste curso. Uma resposta pode ter umas boas 40 linhas de código e dependendo da abordagem pode exigir um certo domínio sobre algebra linear e até derivação.

● Felizmente não é o caso da resposta que será apresentada à vocês. Ela, apesar de grande não é nada mais que uma combinação de vários comandos simples.


Exercício VIII

● Vamos começar com um diagrama de blocos, para facilitar seu desenho no slide, apresentarei ele horizontalmente ao invés da forma vertical na qual esse tipo de gráfico é comumente apresentado.


Exercício VIII

Inicialização de variáveis globais

Função panico

Função restaura

Função Setup

Função Loop


Exercício VIII Inicialização de variáveis globais

● Como na maioria dos exercícios e exemplos, começamos o programa declarando as variáveis globais que serão usadas no decorrer do mesmo

● Temos uma variável lógica "modo_manual", que servirá para indicar que o dispositivo está sendo controlado pelo potenciômetro.

● Temos uma matriz de inteiros "valor" 3x3, contadores k,i,j, uma variável "kbas" e duas variáveis float, pot e pos.


Exercício VIII

● A função panico é declarada logo em seguida. Ela simplesmente armazenao valor da porta analógica 0 na variável pos.

● A variável pos vai indicar a posição do potênciometro no momento em que a função de pânico foi chamada.

● Em seguida, a o valor da variável k é armazenado na variável kbas.

● Posteriormente veremos o que significa o valor de k.

● Por fim, a função termina assinalando que o modo manual está ativado.

Função panico


Exercício VIII

● A próxima função é a de restauração. Ela possui um condicional interno.

● A função restaura só vai causar alguma alteração no programa se o modo manual estiver ativado e o valor de k for 0

● Neste caso ela assinalará que o modo manual está desativado

Função restaura


Exercício VIII

● A função setup segue com a seguinte lógica:

Função Setup

Conf dos pinos

Atribuição das interrupções

i=0 j=0 valor[i][j]=0

valor[i][j]=1

i==j? j++

J<3?

i++

J<3?

J<3?


Exercício VIII

● Em setup temos declarados inicialmente a função dos pinos 13,12 e 11 (todos saída, estarão ligados à leds)

● Em seguida apontamos as interrupções nos pinos 2 e 3.

● O pino 2, ao passar de valor baixo para alto, vai chamar a função panico. Já o 3 vai chamar a função restaura.

Função Setup


Exercício VIII

● Em seguida temos dois laços for, um "dentro" do outro.

● De 0 a 2, os laços vão inicialmente preenchendo a matriz valor com 0. No entanto, um condicional interno faz com que se i for igual a j, ou seja, se estivermos na "diagonal principal da matriz", a célula receberá um 1.

Função Setup


Exercício VIII

● O resultado será uma matriz identidade 3x3

Função Setup

VALOR

J/I valor[i][0] valor[i][1] valor[i][2]

valor[0][j] 1 0 0

valor[1][j] 0 1 0

valor[2][j] 0 0 1


Exercício VIII

● Uma importante observação pode ser feita sobre essa matriz.

● Considerando cada 1 como um alto e cada 0 como um baixo, a matriz pode representar muito bem a sequência com que os leds devem ser acionados.

● Se considerarmos cada coluna como um dos pinos 13,12,ou 11 e cada linha como um momento, teremos a sequencia de acionamento!

Função Setup


Exercício VIII

● O resultado será uma matriz identidade 3x3

Função Setup

VALOR

t/PINO 13 12 11

t0 ALTO BAIXO BAIXO

t0+1 BAIXO ALTO BAIXO

t0+2 BAIXO BAIXO ALTO


Exercício VIII

● Finalmente tempos nossa função loop:

Função Loop

DigitalWrite13a11 de acordo com a linha k da matriz valor

Ler potenciômetro

Modo manual?

K vai variar de 0 a 3 de acordo com a distância em 50 unidades de kbas

Função Loop

K vai variar de 0 a 2 mudando uma unidade a cada 1s


Exercício VIII

● Finalmente tempos nossa função principal

● Nela primeiramente escrevemos os valores de cada led.

● Depois é feito um teste lógico, se não estivermos no modo manual ele vai esperar um segundo, incrementar k em uma unidade e se k for maior que 2 k retornará a 0

Função Loop


Exercício VIII

● No entanto, se estivermos no modo manual, ele vai esperar 0.1 segundos e então vai atualizar o valor de k em relação ao kbas e a posição atual do potênciômetro.

● K pode, nessa correção dar um valor entre -2 e 4, quena verdade correspondem 2 ciclos de 0 a 2. As devidas correções são feitas para evitar que o valor seja extrapolado

Função Loop


Revisão

● Nessa lição, aprendemos sobre:– Conceitos básicos sobre interrupção– Bibliotecas no arduino– Interrupção por tempo e a biblioteca timerOne– Interrupção por sinal.


Leitura complementar

● Aqui vão alguns exemplos de como usar as interrupções de tempo SEM usar a biblioteca timerOne:– http://blog.oscarliang.net/arduino-timer-and-

interrupt-tutorial/


Dúvidas???


Obrigado e até a próxima lição!!!

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