آشنایی با آردوینو و اولین برنامه

آردوینو Uno یک برد کوچک است که پل میان برنامه‌ای که می‌نویسی و دنیای فیزیکی را می‌سازد. مغز آن یک میکروکنترلر ATmega328P است؛ تراشه‌ای هشت‌بیتی با بسامد کاری ۱۶ مگاهرتز، ۳۲ کیلوبایت حافظهٔ فلش برای نگه‌داری برنامه و ۲ کیلوبایت حافظهٔ موقت برای متغیرها. برخلاف رایانه، این تراشه سیستم‌عامل ندارد؛ تنها همان کدی که تو داخلش ریخته‌ای، از لحظهٔ وصل شدن برق تا لحظهٔ قطع آن، بی‌وقفه اجرا می‌شود.

آناتومی برد

دور تا دور برد سه گروه پایه می‌بینی. گروه نخست چهارده پایهٔ دیجیتال است با برچسب D0 تا D13؛ هر کدام فقط دو حالت می‌شناسند: نزدیک صفر ولت یا نزدیک پنج ولت. گروه دوم شش پایهٔ آنالوگ A0 تا A5 است که ولتاژ پیوسته را اندازه می‌گیرند و به عدد تبدیل می‌کنند. گروه سوم پایه‌های تغذیه‌اند: 5V و 3V3 برای ولتاژ مثبت، GND برای زمین یا همان مرجع صفر ولت، و VIN برای تغذیه از منبع بیرونی. سوکت USB هم‌زمان سه کار می‌کند: برد را تغذیه می‌کند، برنامهٔ کامپایل‌شده را داخل تراشه می‌ریزد و مسیر ارتباط سریال با رایانه را باز نگه می‌دارد. دکمهٔ ریست هم اجرا را از خط اول شروع می‌کند.

دو تابعی که هر برنامه دارد

هر طرح آردوینو دقیقاً دو تابع اجباری دارد. setup() یک بار، بلافاصله پس از ریست یا وصل تغذیه، اجرا می‌شود؛ اینجا جای کارهای یک‌باره است: تعیین نقش پایه‌ها، راه‌اندازی سریال و مقداردهی اولیه. بعد از آن loop() شروع می‌شود و تا وقتی برق برقرار است بی‌نهایت بار پشت سر هم تکرار می‌شود. اگر این تقسیم کار را رعایت نکنی و مثلاً pinMode() را داخل loop() بگذاری، برنامه ظاهراً کار می‌کند ولی هزاران بار در ثانیه کاری بی‌فایده انجام می‌دهد و وقت پردازنده را می‌سوزاند.

سه دستور اول

pinMode(pin, OUTPUT) نقش یک پایه را تعیین می‌کند. با OUTPUT راننده‌های داخلی تراشه به پایه وصل می‌شوند و پایه می‌تواند جریان بدهد؛ اگر این خط را ننویسی پایه در حالت ورودی و پرمقاومت می‌ماند. digitalWrite(pin, HIGH) پایه را از راه یک ترانزیستور کم‌مقاومت به پنج ولت می‌چسباند و digitalWrite(pin, LOW) آن را به زمین می‌کشد. delay(ms) هم اجرا را به اندازهٔ عددی که می‌دهی، برحسب میلی‌ثانیه، متوقف می‌کند.

ثابت LED_BUILTIN روی برد Uno برابر ۱۳ است، چون سازنده یک ال‌ای‌دی ریز به‌همراه مقاومت سری‌اش را از پیش روی همین پایه لحیم کرده است. روی خانوادهٔ بردهای دیگر ممکن است شمارهٔ این پایه فرق کند؛ پس نوشتن نام ثابت به‌جای عدد، کد تو را قابل حمل نگه می‌دارد.

یک نمونهٔ عددی

می‌خواهی یک ال‌ای‌دی قرمز را از یک پایهٔ دیجیتال روشن کنی. ال‌ای‌دی قطعه‌ای غیرخطی است: اگر مستقیم به پنج ولت وصل شود جریانی بسیار بیشتر از تحملش می‌کشد و در چند لحظه می‌سوزد. پس یک مقاومت سری می‌گذاریم تا جریان را مهار کند. ولتاژ پایه در حالت بالا پنج ولت است، افت ولتاژ روی ال‌ای‌دی قرمز حدود دو ولت و جریان مطلوب پانزده میلی‌آمپر. ولتاژی که به مقاومت می‌رسد برابر پنج منهای دو یعنی سه ولت است. طبق قانون اهم، مقاومت لازم برابر است با سه ولت تقسیم بر ۰٫۰۱۵ آمپر که می‌شود ۲۰۰ اهم. چون ۲۰۰ اهم مقدار استاندارد رایجی نیست، نزدیک‌ترین مقدار بالاتر یعنی ۲۲۰ اهم را برمی‌داریم. با ۲۲۰ اهم جریان به سه تقسیم بر ۲۲۰ یعنی حدود ۱۳٫۶ میلی‌آمپر می‌رسد؛ هم برای چشم به‌خوبی روشن است و هم زیر سقف مجاز پایه می‌ماند. توجه کن که همیشه مقدار بالاتر را انتخاب می‌کنیم، چون مقاومت کوچک‌تر یعنی جریان بیشتر.

هر پایهٔ دیجیتال برد Uno را حداکثر تا ۲۰ میلی‌آمپر بار بزن و مجموع جریان همهٔ پایه‌ها را زیر ۲۰۰ میلی‌آمپر نگه دار. ال‌ای‌دی بدون مقاومت سری، هم خودش و هم پایهٔ برد را از بین می‌برد.

کاربرد واقعی

همین سه دستور اسکلت هر کار خروجی دیجیتال‌اند. چراغ هشدار یک دستگاه، روشن‌کردن یک رله برای پمپ آب، یا نشانگر وضعیت یک ماشین صنعتی، همگی از دید برنامه دقیقاً همین‌اند؛ تفاوت فقط در قطعه‌ای است که ته سیم قرار می‌گیرد. تنها نکته این است که delay() ساده‌ترین راه زمان‌بندی است ولی چون اجرا را کاملاً متوقف می‌کند، در پروژه‌های جدی‌تر جایش را به شمارش زمان با millis() می‌دهد. برای اولین برنامه اما همین کافی است، و مهم‌تر از آن، به تو نشان می‌دهد که یک خط کد چگونه به نور تبدیل می‌شود.