void setup() // funzione di configurazione dei Input/Output { pinmode(pin, OUTPUT); // setta il 'pin' come uscita (output) } 1

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1 Primi passi con la programmazione in linguaggio C con la scheda Arduino Traduzione del libro: Arduino programming notebook di Brian W. Evans con modifiche e aggiunte di G. Carpignano e C. Busso Prefazione Questo libro serve da riferimento di programmazione che sia comodo, facile da usare per la struttura di comando e la sintassi di base del microcontrollore Arduino. Per farla semplice, sono state apportate alcune esclusioni che fanno di questo libro un riferimento adatto a un principiante. Questa decisione ha portato ad una leggera enfasi sull'utilizzo di Arduino per scopi standalone e, ad esempio, esclude gli utilizzi più complessi di matrici o forme avanzate di comunicazione seriale. Cominciando con la struttura di base del linguaggio di programmazione C Arduino deriva, questo libro continua a descrivere la sintassi degli elementi più comuni del linguaggio C e illustra il loro utilizzo, con esempi e frammenti di codice. Questo include molte funzioni della libreria di base seguita da un'appendice con schemi di esempio e di programmi di avviamento. Per una introduzione alla scheda Arduino e design interattivo, fare riferimento a Banzi - Getting Started with Arduino. Per i coraggiosi e pochi interessati alla complessità di programmazione in C consultare il libro: Kernighan e Ritchie, The C Programming Language - seconda edizione, oppure Prinz e Crawford - C in a Nutshell, forniscono una completa comprensione della sintassi di programmazione. Questo libro non sarebbe stato possibile senza la grande comunità web con la disponibilità del materiale che si trova sul sito Arduino all indirizzo Struttura La struttura di base del linguaggio di programmazione per Arduino è abbastanza semplice e viene eseguito utilizzando almeno due parti. Queste due parti necessarie, o funzioni, racchiudono blocchi di istruzioni (istruzione= statement) statements; statements; Dove setup() è la funzione per l inizializzazione, mentre loop() è la funzione principale per l'esecuzione. Entrambe le funzioni sono richieste per il programma di lavoro. La funzione di installazione dovrebbe seguire la dichiarazione delle variabili proprio all'inizio del programma. La funzione setup() viene eseguita solo una volta, ed è usata per impostare le modalità di funzionamento dei pin come input/output (pinmode) o per inizializzare la comunicazione seriale. La funzione loop() che segue include il codice che deve essere eseguito in un ciclo infinito (loop), ad esempio con la lettura degli ingressi, la successiva elaborazione degli stessi e la modifica delle uscite, ecc. Questa funzione è il cuore di tutti i programmi di Arduino e risulta quella che esegue il software implementato per eseguire un determinato lavoro. setup() La funzione setup () viene chiamata una volta quando il programma si avvia. Si usa per inizializzare le modalità pin, o iniziare la comunicazione seriale. Essa deve essere inclusa nel programma, anche se non ci sono istruzioni da eseguire. pinmode(pin, OUTPUT); // setta il 'pin' come uscita (output) 1

2 loop() Dopo aver chiamato la funzione setup(), la funzione loop() fa esattamente quello che suggerisce il suo nome, ovvero esegue un ciclo infinito (loop), permettendo al programma di modificare, rispondere e controllare la scheda Arduino. digitalwrite(pin, HIGH);// forza il pin a livello ALTO = HIGH = ON = 1 delay(1000); // effettua una pausa di 1000 millisecondi = 1 secondo digitalwrite(pin, LOW);// forza il pin a livello BASSO = LOW = OFF = 0 delay(1000); // effettua una pausa di 1000 millisecondi = 1 secondo parentesi graffe (si scrivono con Alt+123 e Alt+125 sul tastierino numerico della tastiera) Le parentesi graffe (noto anche semplicemente come "parentesi" o "parentesi graffe") definiscono l'inizio e la fine dei blocchi di funzione e di blocchi delle istruzioni come il void loop() ed anche per le istruzioni for, if, while, etc. type function() statements; Una parentesi graffa aperta deve sempre essere seguita da una parentesi graffa di chiusura : in altre parole il numero delle parentesi graffe deve essere sempre pari e il numero delle parentesi aperte è uguale al numero delle parentesi graffe chiuse. Eventuali anomalie nelle parentesi graffe possono spesso portare a errori difficili da eliminare e rintracciare in un programma di grandi dimensioni. L'ambiente di compilazione di Arduino include una comoda funzione per controllare il bilanciamento di parentesi graffe. Basta selezionare una parentesi, o anche scegliere il punto di inserimento immediatamente dopo una parentesi graffa, e la sua compagna logica sarà evidenziata. ; punto e virgola Un punto e virgola deve essere utilizzato per terminare una istruzione e separare gli elementi o istruzioni del programma. Un punto e virgola è usato anche per separare le istruzioni sul contatore all interno di un struzione for. int x = 13; // dichiarazione della variabile x come numero intero 13 Nota: Dimenticare di terminare una riga con un punto e virgola si tradurrà in un errore di compilazione. L errore può essere evidente se si riferisce ad un punto e virgola mancante, altrimenti non risulta facile determinarlo. Se un errore di compilazione è incomprensibile o apparentemente illogico, una delle prime cose da controllare è se manca un punto e virgola al termine dell istruzione precedente alla linea in cui il compilatore fornisce l errore. /* */ commento su più righe I commenti a blocco o commenti su più righe sono aree di testo che vengono ignorate dal programma e sono usate per le descrizioni di grandi dimensioni di codice o di commenti che aiutano a far capire ad altre persone tutte le parti del programma. Essi iniziano con /* e finiscono con */. /* Questo e un commento a blocchi Effettuato su piu linee */ 2

3 Poiché i commenti vengono ignorati dal programma e non occupano spazio di memoria dovrebbero essere usati con generosità e devono essere usati per "commentare" i blocchi di codice utili in fase di debug ovvero durante la ricerca degli errori. // linea di commento Il commento sulla riga singola inizia con // e termina quando si va a capo. Tutti i commenti vengono ignorati dal programma e non occupano spazio di memoria. // questa è una singola linea di commento int x = 13; // dichiarazione della variabile x come numero intero 13 I singoli commenti vengono spesso utilizzati dopo una dichiarazione valida per fornire maggiori informazioni su ciò che compie la dichiarazione o per fornire un promemoria futuro. Variabili (definizione, dichiarazione) Le variabili sono sequenze di caratteri alfanumerici (lettere, numeri e caratteri di punteggiatura) che identificano uno o più bytes nella memoria del PC. Il numero di byte può variare a seconda dell uso che se ne vuole fare, cioè si hanno differenti tipi di variabili: intere, con la virgola, caratteri (nella memoria del PC sono comunque numeri binari). Nel programma bisogna dichiarare di che tipo è la variabile usata prima di utilizzarla (perché occorre dire al compilatore quanto spazio occupa e dove è la variabile nella memoria) e attribuire ad essa un nome: una dichiarazione è quindi una riga di programma del tipo: int calcolo; // indica che la variabile che si chiama calcolo è un intero. Nella dichiarazione si può anche dare un valore iniziale (inizializzare) alla variabile int calcolo=3; // indica che la variabile che si chiama calcolo è un intero e a quel // punto del programma vale 3. A differenza di una costante il contenuto di una variabile si può modificare durante il programma quante volte si desidera. Nota: alle variabili deve essere dato un nome descrittivo che identifica la stessa in maniera univoca per rendere il codice più leggibile. I nomi delle variabili, come tilt_sensor permettono al programmatore o a chiunque altro effettui la lettura del codice a capire che cosa rappresenta la variabile stessa. I nomi delle variabili, come var o di valore, d'altro canto, fanno ben poco per rendere il codice leggibile e sono utilizzati solo come esempi. Una variabile può essere chiamata in qualsiasi modo purchè non sia già utilizzata come parola chiave nel linguaggio Arduino. Non è possibile utilizzare lo spazio per identificare il nome delle variabili. Ad esempio: sensore A produce un errore del compilatore che dovrà essere modificato con sensore_a. Una variabile può essere dichiarata in differenti posizioni all interno del programma e in tal modo si determina quali parti del programma possono utilizzare la variabile stessa (vedi più avanti) Operazione di assegnazione Il simbolo = nella dichiarazione int calcolo=3; indica che il valore o l espressione che sta a destra viene inserito nella variabile (nelle celle di memoria) che sta a sinistra; non vuol dire assolutamente che quello che c è a destra è = a quello che c è a sinistra, come in matematica. Se in una dichiarazione come quella precedente la differenza di definizione non è significativa, lo diventa in un istruzione come i=i+1 espressione che in matematica è errata, ma che in linguaggio C significa che si somma alla variabile i il numero 1 e il risultato viene inserito nella cella dove prima c era i. Il simbolo = in C si chiama operazione di assegnazione. Esiste un altra situazione in cui si usa il simbolo = : 3

4 if (x==4) // se la variabile x e uguale 4 y=y+10; // se la condizione precedente è vera allora aggiunge 10 alla variabile y In questo caso x==4 è un operazione di confronto: si controlla se il numero contenuto nelle celle di memoria identificate dalla x è uguale a 4, ma non si cambia il valore. Notare il doppio uguale. byte (è usato solo dal compilatore Arduino e sostituisce il char nel compilatore tradizionale) Il tipo byte permette di memorizzare un valore numerico a 8 bit (1 byte) senza decimali entro un valore compreso tra 0 e 255. byte sensore = 180; // dichiara sensore come un tipo byte a 1 byte = 8 bit int Il tipo int permette di memorizzare i numeri senza decimali in 2 byte consecutivi (16-bit) entro un valore compreso tra e int sensore = 25000; // dichiara sensore come un tipo int a 2 byte = 16 bit Nota: Se il valore delle variabili di tipo Integer viene forzato oltre i loro valori massimi o valori minimi, per esempio, se x = ed una successiva istruzione aggiunge +1, ovvero viene eseguita l istruzione x = x + 1; il valore successivo della variabile x è pari long Il tipo long permette di memorizzare i numeri senza decimali in 4 byte consecutivi (32-bit) entro un valore compreso tra e long sensore = ; // dichiara sensore come un tipo long a 4 byte = 32 bit float Il tipo float permette di memorizzare i numeri con decimali che possiedono la virgola mobile in 4 byte consecutivi (32-bit) entro un valore compreso tra -3, e +3, float sensore = ; // dichiara sensore come un tipo float a 4 byte = 32 bit Nota: i numeri in virgola mobile non sono esatti e possono dare risultati strani se confrontati. La matematica in virgola mobile viene calcolata con un notevole dispendio di software e quindi risulta molto più lenta da elaborare rispetto ai numeri interi se utilizzata per i calcoli. Occorre evitare, se possibile, o quanto meno ridurre notevolemente il loro utilizzo. Arrays (vettori) Un array è un insieme di valori dello stesso tipo byte, int, float, etc. identificati da un nome e da un numero tra parentesi quadre (es. mioarray [12]; il numero indica quanti valori contiene l array. L array può essere dichiarato in due modi: int mioarray[12]; int mioarray[]=valore0, valore1, valore2, valore3, valore10, valore11]; Nel primo caso viene indicato solo di quanti elementi è composto l array (operazione che occorre sempre fare, perché le dichiarazioni servono proprio per dire al compilatore quale è lo spazio occupato dalle variabili), i valori verranno inseriti dopo nel programma. Se non si conosce il numero esatto di elementi bisogna metterne uno opportuno. Nel secondo caso i valori sono già inseriti nella dichiarazione. Notare che il primo si chiama valore 0, perché nei vettori la prima posizione è 0: si dice che i vettori devono essere indicizzati a 0. All interno del programma un istruzione del tipo: mioarray[8]=25; oppure mioarray[8]=a; 4

5 significa che nella posizione 9 (ricordarsi che si parte da 0) inserisco il numero 25 o la variabile a. Quindi il numero tra parentesi indica la posizione (ovvero l indice), che si sta considerando all interno dell array, non il contenuto che, dopo l istruzione, è uguale a 25. Gli arrays sono spesso usati in cicli for in questo caso l indice tra le parentesi quadre è la variabile contatore, che viene incrementata ad ogni ciclo in modo da prelevare uno dopo l altro i valori contenuti nelle posizioni con indice crescente nell array. L'esempio seguente utilizza un array per accendere e spegnere un LED. Utilizzando un ciclo for, il contatore inizia dal valore 0, scrive il valore contenuto nella posizione di indice 0 nell array denominato blink[], in questo caso 180, al pin 10 (PWM), segue una pausa di 200ms, quindi si muove verso la posizione di indice successiva. int ledpin = 10; // LED collegato sul pin 10 byte blink[] = 180, 30, 255, 200, 10, 90, 150, 60; // memorizza in memoria un array di 8 valori ognuno di essi lungo 1 byte pinmode(ledpin, OUTPUT); // setta il pin come uscita (OUTPUT) for(int i=0; i<7; i++) // ciclo di ripetizione per 8 differenti valori dell array analogwrite(ledpin, blink[i]); // setta l uscita con il valore letto dall array delay(200); // pausa di 200ms A volte occorre avere un contenitore (array) che ha all interno valori tutti dello stesso tipo, ma suddivisi in gruppi (es. valori che arrivano dalla prima, dalla seconda, dalla terza linea) in questo caso si preferisce utilizzare un array bidimensionale o tridimensionale etc che si chiama matrice ed è identificata da un nome e più parentesi quadre i cui indici indicano gli elementi di ciascun gruppo e il numero di gruppi. Esempio: mioarray[12][3] matrice a 3 righe (gruppi) di 12 elementi per colonna (elementi per gruppo). operatori aritmetici Gli operatori aritmetici inclusi nel compilatore sono addizione, sottrazione, moltiplicazione e divisione che restituiscono la somma, differenza, prodotto e quoziente (rispettivamente) dei due operandi. y = y + 3; x = x - 7; i = j * 6; r = r / 5; L'operazione è condotta utilizzando il tipo dei dati degli operandi, così, per esempio, 9 / 4 fornisce come risultato 2 invece di 2,25 se i valori 9 e 4 sono del tipo int e vengono troncati i decimali. Questo capita anche se l'operazione determina un overflow cioè se il risultato è più grande del valore massimo o più piccolo del valore minimo che può essere memorizzato in ogni differente tipologia di dato. Se gli operandi sono di tipo diverso (esempio tipo int e di tipo long ), viene utilizzata per il calcolo la tipologia di dato più grande (nel precedente esempio è il tipo long ). Per esempio, se uno dei numeri (operandi) sono di tipo float e l'altra di tipo int (integer), verrà utilizzato per il calcolo il tipo floating point. Quindi occorre scegliere il tipo delle variabili in modo tale da contenere il risultato più grande dei calcoli per non troncare i decimali. Per calcoli che richiedeno le frazioni, oppure i decimali, è meglio utilizzare le variabili di tipo float, ma occorre essere consapevoli dei loro svantaggi: hanno grandi dimensioni e estrema lentezza nel calcolo. Nota: l'operatore cast modifica il tipo di variabile all interno del calcolo ad esempio mionumero è float; se nel programma scrivo x=(int)mionumero converto il float in int e poi lo inserisco in x, 5

6 senza dover riassegnare la variabile stessa. Altro esempio: i=(int)3.6 sarà impostato con la variabile i uguale a 3. assegnazione abbreviata (compound assignments) È possibile combinare un operazione aritmetica con l'assegnazione di una variabile. Questo si trova comunemente nei cicli for come descritto più avanti. Le assegnazioni nelle forme più comuni sono: x++ // e uguale a scrivere x = x + 1, ovvero incremento unitario della variabile x x-- // e uguale a scrivere x = x - 1, ovvero decremento unitario della variabile x x += y // e uguale a scrivere x = x + y x -= y // e uguale a scrivere x = x - y x *= y // e uguale a scrivere x = x * y x /= y // e uguale a scrivere x = x / y Nota: per esempio, x *= 3 corrisponde al triplo del valore precedente di x ed in seguito occorre riassegnare il valore risultante alla variabile x. operatori di confronto I confronti tra due variabili o costanti sono spesso utilizzati nelle istruzioni if else per verificare se una condizione specificata è vera. Le operazioni di confronto utilizzate sono: x == y // x e uguale a y x!= y // x non e uguale a y (diverso) x < y // x e minore di y x > y // x e maggiore di y x <= y // x e minore o uguale a y x >= y // x e maggiore o uguale a y operatori logici Gli operatori logici sono in genere un modo per confrontare due espressioni e restituiscono un valore VERO o FALSO a seconda dell'operatore. Ci sono tre operatori logici AND, OR, e NOT, che sono spesso utilizzati nelle istruzioni if else. if (x > 0 && x < 5) // logica AND (&&) aggiungi la condizione e VERA solo se entrambe le //espressioni sono VERE if (x > 0 y > 0) // logica OR ( )aggiungi la condizione e VERA quando una o // entrambe le espressioni sono VERE if (!x > 0) // logica NOT (!) aggiungi la condizione e VERA quando l espressione e //FALSA e viceversa constanti Il linguaggio C per la scheda Arduino ha pochi valori predefiniti, che sono stati chiamati costanti. Sono utilizzati per rendere i programmi più facili da leggere. Le costanti sono classificati in gruppi. true / false (vero / falso) Queste sono le costanti booleane che definiscono i livelli della logica. FALSO (FALSE) è definito come 0 (zero oppure livello logico BASSO = LOW), mentre VERO (TRUE) è spesso definito come 1 (uno oppure livello logico ALTO = HIGH). Volendo utilizzare la logica booleana si ottiene che tutti i numeri diversi da zero corrispondono a VERO (TRUE) mentre solo il numero 0 corrisponde a FALSO (FALSE). int b = -1; // assegna alla variabile b il valore -1 if (b == TRUE) // se e VERO (e lo e ) esegui la prossima istruzione b = b * 2; // istruzione di moltiplicazione x 2 6

7 high / low (alto / basso) Queste costanti definiscono i livelli dei pin come un livello alto o basso e vengono utilizzati durante la lettura e/o la scrittura dei pin digitali. Il livello ALTO (HIGH) viene definito come livello logico 1, ON oppure +5V mentre il livello BASSO (LOW) è livello logico 0, OFF oppure 0V (GND = GROUND). digitalwrite(13, HIGH); // scrivi sul pin 13 un livello ALTO (HIGH) input / output (ingressi / uscite) Le costanti utilizzate con la funzione pinmode() definiscono la modalità di un pin digitale sia come ingresso (INPUT) o uscita (OUTPUT). pinmode(13, OUTPUT); // definisci il pin 13 come una uscita (OUTPUT) funzioni Una funzione è una porzione di codice che ha un nome e contiene un blocco di istruzioni che vengono eseguite quando la funzione viene richiamata. Si possono costruire funzioni personalizzate per eseguire compiti ripetitivi e ridurre la confusione in un programma. Nell esecuzione della funzione ci sono delle variabili che arrivano da qualche altra parte del programma e devono entrare nel blocco (sono i parametri dell esempio sotto) e ci può essere un valore che esce dal blocco per essere utilizzato altrove (il tipo di variabile che esce nell esempio). Le funzioni vengono dichiarate prima del loro utilizzo nel seguente modo: tipo nome_funzione(parametri); //tipo =tipo di variabile in uscita es. int nome_funzione //es,inverno, parametri es, int,float variabili in ingresso se dalla funzione non viene riportato nessuna variabile il tipo è void (contenitore vuoto) e se non entra nessuna variabile, le parentesi sono vuote. void loop(); La funzione deve poi essere chiamata all interno del programma quando è necessario svolgere il compito ripetitivo e infine, al di fuori del programma principale, deve essere definita, cioè bisogna spiegare al compilatore che compito effettivamente svolge quel blocco di programma (la funzione). Es. La seguente funzione denominata delayval() viene utilizzata per impostare un valore di ritardo in un programma leggendo il corrispondente valore di un potenziometro. Si dichiara prima un variabile v locale (vedi sotto), imposta la v con il valore del potenziometro che darà un numero compreso tra , occorre dividere quindi tale valore per 4 per ottenere un valore finale compreso tra 0 255, e infine, la funzione restituisce tale valore al programma principale. int delayval(); //dichiaro la funzione dal nome delayval che non riceve alcun parametro // in ingresso e fa uscire una variabile intera void loop() //programma principale (main) --> ciclo infinito (loop) s1=delayval(); //chiamata della funzione s2=delayval(); //chiamata della funzione //fine programma principale int delayval(); //definizione della funzione int v; // creazione della variabile temporanea denominata v v = analogread(pot); // lettura della tensione relativa al cursore del potenziometro v /= 4; // conversione dal valore (10 bit) al valore (8 bit) return v; // restituzione al programma principale del valore finale acquisito 7

8 s1 e s2 sono le variabili in cui viene inserito il valore che è stato restituito dalla funzione (dove si chiamava v ) al programma principale. Se non viene restituito alcun valore, o c è un parametro in ingresso la struttura è leggermente diversa. Arduino possiede una certa quantità di funzioni gia costruite che basta solamente chiamare in un certo punto del programma. digitalwrite(13, HIGH); delay(ms); Utilizzo delle variabili Una variabile può essere dichiarata all'inizio del programma prima della funzione void setup(), all'interno delle funzioni, e, talvolta, all'interno di un blocco di istruzioni come nei cicli for. Se la variabile è dichiarata all'inizio del programma prima della funzione void setup() è detta globale perchè può essere letta e scritta da ogni funzione e da qualsiasi istruzione nel programma. Se la variabile è dichiarata all interno del programma principale o in una funzione (come nell es. precedente in v ) è detta locale ed è visibile e può essere utilizzata solo all'interno della funzione in cui è stata dichiarata. È quindi possibile avere due o più variabili con lo stesso nome in diverse parti dello stesso programma che contengono valori diversi o di tipo diverso. Le variabili locali servono perché più programmatori possono scrivere funzioni da utilizzare in un programma senza necessariamente concordare come si chiamano le variabili interne. Il seguente esempio mostra come dichiarare alcuni tipi differenti di variabili e dimostra la visibilità di ogni variabile: int sensore; // la variabile sensore e visibile in ogni funzione // non e richiesta nessuna configurazione dei input/output float frequenza; // la variabile frequenza e visibile solo nella funzione loop() for (int i=0; i<20;) // la variabile i e visibile solo all interno del for i++; // incremento unitario della varaiabile i = i + 1; if (se) L istruzione if controlla se una certa condizione si è verificata, ad esempio se una variabile analogica ha superato un certo valore ed esegue le istruzioni all'interno delle parentesi graffe se l'affermazione è VERA. Se la condizione è FALSA, il programma salta alla prima istruzione dopo la chiusura della parentesi graffa. int a = 10, b = 20; // assegna alla variabile a il valore 10 e alla b il valore //in queste istruzioni il valore di a può cambiare if (a == 10) // se e VERA la condizione che la variabile a vale 10 // esegui la prossima istruzione a = a + b; // dopo l istruzione la variabile a vale 30 b = 10; // dopo l istruzione la variabile b vale 10 L'esempio precedente confronta la variabile a con un numero, (ma potrebbe essere anche una variabile). Se il confronto, o la condizione in parentesi tonda è VERA, le istruzioni all'interno delle parentesi graffe vengono eseguite. In caso contrario, il programma salta e continua dopo la chiusura della parentesi graffa. 8

9 Nota: Attenzione a non scrivere la seguente istruzione if (a = 10), perchè assegna alla variabile x il valore 10 (cioè pone x = 10) che è di conseguenza sempre vero. Occorre utilizzare il doppio simbolo ==, come nell istruzione if (a == 10), che effettua il confronto se la variabile a coincide con il valore 10. if else (se altrimenti) L istruzione if else permette di effettuare una scelta in base alla condizione dell espressione contenuta nelle parentesi tonde. Ad esempio: int a = 10, b = 20; // assegna alla variabile a il valore 10 e alla b il valore 20 if (inputpin == HIGH) // se la condizione e VERA, cioe se l input e ALTO (HIGH), // effettua l istruzione a = a / 2; a = a / 2; // questa istruzione viene eseguita se la condizione e VERA else // altrimenti effettua l istruzione b = b * 2; // se la condizione e FALSA b = b * 2; // questa istruzione viene eseguita se la condizione e FALSA È anche possibile avere un numero illimitato di questi rami in cascata uno dentro l'altro. for (ciclo) L'istruzione serve per ripetere un blocco di istruzioni racchiuso tra le parentesi graffe per un numero specificato di volte. Una variabile utilizzata come contatore viene incrementata normalmente di una unità e confrontata per determinare la fine del ciclo. Nell espressione for ci sono tre parti, separate da punto e virgola ;. for(int i=0; i<7; i++) // ciclo di ripetizione per 8 differenti valori dell array analogwrite(ledpin, blink[i]); // setta l uscita con il valore letto dall array delay(200); // pausa di 200ms Ad ogni iterazione del ciclo, viene testata la condizione i<7. Se la condizione rimane vera, le istruzioni che seguono vengono eseguite e la condizione viene verificata nuovamente. Quando la condizione diventa falsa, il ciclo termina. L'esempio successivo inizializza la variabile i come numero intero a partire dal valore 0, verifica se è ancora inferiore a 20 e se è vero, incrementa di 1 ed esegue le istruzioni racchiuse tra le parentesi: for (int x=0; x<20; x++) // dichiarazione della variabile x con partenza // dal valore 0 fino a raggiungere il valore intero 19 con un incremento // unitario (+1), quindi in totale vengono eseguiti 20 interazioni ovvero // il blocco delle istruzioni tra le parentesi graffe verra eseguito per 20 volte digitalwrite(13, HIGH); // forza un livello ALTO (HIGH) sul pin 13 delay(250); // pausa di 1/4 secondi = 250 msec digitalwrite(13, LOW); // forza un livello BASSO (LOW) sul pin 13 delay(250); // pausa di 1/4 secondi = 250 msec Nota: Nel linguaggio C l istruzione del ciclo for è molto più flessibile rispetto ad altri cicli che si trovano in alcuni linguaggi di altri computer, compreso il BASIC. Uno o tutti e tre gli elementi di intestazione possono essere omessi, anche se i punti e virgola sono necessari. Anche le dichiarazioni per l'inizializzazione, la condizione e l'espressione può essere qualsiasi istruzione C valida con le variabili indipendenti. 9

10 while (finchè) L istruzione while è un ciclo continuo ( loop ), fino a quando l'espressione contenuta tra le parentesi tonde diventa FALSA. Se la variabile che viene tenuta sotto condizione non cambia all interno del ciclo, non si esce più dal ciclo stesso. Quindi se il numero di iterazioni del ciclo è, ad es. determinato da una condizione esterna, come la tensione acquisita da un sensore, contenuta all interno del ciclo, se non si acquisisce il valore desiderato il ciclo si ripete all infinito. Riassumendo si ricordi che finchè la condizione risulta VERA, cioè finchè l espressione contenuta tra le parentesi tonde è VERA, vengono eseguite tutte le istruzioni presenti tra l apertura della parentesi graffa e la chiusura della parentesi graffa. Appena la condizione dell espressione diventa FALSA viene eseguita la prima istruzione che segue la chiusura della parentesi graffa del ciclo while e si prosegue nel programma. int x = 10; while (x < 200) // finche la condizione e VERA esegui le istruzioni tra le parentesi graffe digitalwrite(13, HIGH); // forza un livello ALTO (HIGH) sul pin 13 delay(250); // pausa di 1/4 secondi = 250 msec digitalwrite(13, LOW); // forza un livello BASSO (LOW) sul pin 13 delay(250); // pausa di 1/4 secondi = 250 msec x++; // incremento unitario della variabile x Nell esempio seguente se la variabile y è inferiore a 200, quindi la condizione è VERA, esegue tutte le istruzioni all'interno delle parentesi graffe e continua fino a quando la variabile y non è più inferiore a 200. int x = 10, y; while (y < 200) // controlla se la variabile y e inferiore a 200 delay(250); // pausa di 1/4 secondi = 250 msec y++; // incremento unitario della variabile y do while (finchè) L istruzione do while è un ciclo (loop) di ripetizione che funziona nello stesso modo come il ciclo while, con l'eccezione che la condizione viene verificata alla fine del ciclo, in modo che l istruzione do while verrà sempre eseguita almeno una volta. int y, x = 10; // assegna alla variabile y il valore 0 e alla x il valore 100 do delay(250); // pausa di 1/4 secondi = 250 msec while (y!= 0); // controlla se la variabile y e diversa da 0, siccome la y vale 0, // quindi la condizione e FALSA, si ottiene che l istruzione delay(250); verra // eseguita una sola volta per passare all istruzione successiva alla parentesi graffa // chiusa che risulta x = x / 2;. x = x / 2; // L'esempio seguente assegna alla variabile x il livello acquisito sul sensore_a, si ferma per 50 millisecondi, poi a tempo indeterminato effettua il ciclo di ritardo fino a quando la 'x' non sarà a livello BASSO (LOW). do x = sensore_a; // assegna alla variabile x la lettura del sensore_a delay (50); // pausa di 50 millisecondi while (x == HIGH); // effettua il ritardo di 50 msec finche la variabile x e VERA // ovvero risulta a livello ALTO (HIGH) Riassumendo l istruzione for si utilizza quando si conosce già il numero di cicli; il while e il do while quando non si conosce a priori il numero di ripetizioni. 10

11 pinmode(pin, mode) Viene utilizzato nella funzione void setup() per configurare il pin specificato come ingresso (INPUT) oppure come uscita (OUTPUT). pinmode(pin, OUTPUT); // stabilisce che la variabile pin è un uscita La scheda Arduino configura di default i pin digitali come ingressi (INPUT), in modo che non devono essere esplicitamente dichiarati come ingressi con l istruzione pinmode(). I pins configurati come ingressi si dice che sono in uno stato di alta impedenza. Internamente al chip del microcontrollore Atmega ci sono dei resistori definiti di pull-up (forzano un livello alto in assenza di segnale all ingresso) da 20 KΩ integrati che risulta possibile attivare con un controllo del software nel seguente modo: pinmode(13, INPUT); // setta il pin 13 come ingresso (input) digitalwrite(13, HIGH); // attiva sul pin 13 il resistore di pullup interno al micro I resistori di pull-up sono normalmente utilizzati per collegare gli ingressi agli interruttori e pulsanti. Si noti che nell'esempio sopra non si può cambiare il pin di uscita, ma è semplicemente un metodo per attivare il resistore di pull-up interno. I pins configurati come uscita (OUTPUT) possiedono uno stato a bassa impedenza che può fornire fino a 40 ma (milliampere) di corrente ad altri dispositivi e/o circuiti. Questa corrente è sufficiente per accendere un diodo LED (non dimenticare la resistenza in serie), ma purtroppo non fornisce abbastanza corrente per controllare la maggior parte dei relè o dei motori. Si consideri che un cortocircuito sui pin della scheda Arduino o la richiesta di una corrente eccessiva può danneggiare e distruggere il pin di uscita o danneggiare l'intera scheda Aruino. È una buona idea utilizzare, per collegare un pin di uscita ad un dispositivo esterno, una resistenza in serie di limitazione della corrente del valore di 470Ω oppure di 1KΩ. digitalread(pin) Legge il valore digitale da un pin specificato con il risultato che potrà essere un livello ALTO (HIGH) oppure BASSO (LOW). Il pin può essere specificato come una variabile o una costante il cui valore numerico deve essere compreso tra 0 e 13. pinmode(13, INPUT); // setta il pin 13 come ingresso (input) sensore_a = digitalread(13); // setta la variabile sensore_a con il livello // del pin 13 che risulta un ingresso (INPUT) digitalwrite(pin, value) Permette di forzare le uscite digitali sia a livello logico ALTO (HIGH) oppure BASSO (LOW). Il pin può essere specificato come una variabile o una costante il cui valore numerico deve essere compreso tra 0 e 13. pinmode(13, OUTPUT); // setta il pin 13 come uscita (output) digitalwrite(13, HIGH); // setta alto (HIGH) il livello del pin 13 Il seguente esempio legge un pulsante collegato ad un ingresso digitale e accende un LED collegato ad una uscita digitale quando il pulsante è stato premuto. int led = 13; // il LED e collegato al pin 13 int pulsante = 7; // il pulsante e collegato al pin 7 int leggi_pulsante = 0; // variable utilizzata per memorizzare lo stato del pulsante 11

12 pinmode(led, OUTPUT); // setta il pin 13 come output pinmode(pulsante, INPUT); // setta il pin 7 come input leggi_pulsante = digitalread(pulsante); // memorizza lo stato del pulsante leggendo // il relativo pin di input digitalwrite(led, leggi_pulsante); // accendi o spegni il led in base al livello // acquisito dall input collegato al pulsante analogread(pin) Legge il valore da un pin analogico specificato convertendo il valore della tensione analogica letta con una risoluzione di 10 bit. Questa funzione è attiva solo sui pin analogici definiti da 0 a 5. I valori restituiti sono un numero intero compreso tra 0 e 1023 (2 10-1). sensore_a = analogread(0); // leggi il pin analogico 0 e memorizza nella variabile // denominata sensore_a la corrispondente conversione // della tensione di ingresso Nota: i pin analogici a differenza di quelli digitali, non hanno bisogno di essere dichiarati come uscita (OUTPUT) oppure come entrata (INPUT). analogwrite(pin, value) L istruzione scrive un valore pseudo-analogico utilizzando la tecnica a modulazione di larghezza di impulso (Pulse With Modulation vedi es. sul PWM) ad un pin di uscita contrassegnato PWM. La più recente scheda di Arduino con il chip ATmega328P lavora sui pin 3, 5, 6, 9, 10 e 11, mentre con schede di Arduino più vecchie ad esempio con un ATmega8 supportano solo i pin 9, 10 e 11. Il valore può essere specificato in una variabile o costante con un valore compreso tra 0 e 255. int led = 125; // utilizza la variabile led con valore di 125 // per variare la luminosita del led analogwrite(11, led); // scrive il valore 125 sull uscita PWM // corrispondente al pin 11 Un valore pari a 0 genera un output costante di 0V (GND) al pin specificato, un valore pari a 255 genera un output costante +5V sul pin specificato. Per valori compresi tra 1 e 254, il pin PWM oscilla periodicamente tra 0V e 5V, considerando che più alto è il valore, più il tempo il pin risulta a livello alto. Ad esempio, un valore di 64 rimane a livello basso (LOW) per tre quarti del tempo e rimane a livello alto (HIGH) per un quarto del tempo, mentre un valore di 128 fornisce un livello basso (0V) per la metà del tempo e a livello alto (+5V) per l altra metà del tempo. Si consideri che questa è una funzione hardware perchè il pin genererà l onda fino a quando non riceve una ulteriore chiamata alla successiva analogwrite. Nota: i pin analogici a differenza di quelli digitali, non hanno bisogno di essere dichiarati prima come uscita oppure come entrata. Nell'esempio seguente viene letto un valore analogico da un pin di ingresso analogico, converte il valore dividendo per 4, e fornisce un segnale PWM su un pin con la caratteristica del PWM. int led = 10; // collega un LED con un resistore da 220 ohm sul pin 10 int potenziometro = 0; // collega un potenziometro con il cursore centrale sul pin // analogico 0 mentre un terminale dovra essere collegato a massa e l altro a +5V int leggi_potenziometro; // variabile per memorizzare il valore della tensione letta // sul pin 0 che risulta collegato al potenziometro 12

13 leggi_potenziometro = analogread(potenziometro); // leggi il valore della tensione // letta sul pin 0 che risulta collegato al potenziometro leggi_potenziometro /= 4; // converti il valore da a (dividendo per 4) analogwrite(led, leggi_potenziometro); // poni in uscita sul pin 10 analogico // il corrispondente valore letto delay(ms) Mette in pausa un programma per la quantità di tempo specificato in millisecondi, dove 1000 è pari a 1 secondo. delay(1000); // aspetta per 1000 millisecondi = 1 secondo millis() Restituisce il numero di millisecondi da quando la scheda Arduino ha iniziato l'esecuzione del programma corrente come un valore di tipo unsigned long. valore_iniziale = millis(); // setta la variabile valore_iniziale uguale // alla funzione millis() Nota: il valore restituito dalla funzione raggiunge il valore massimo ( overflow ovvero viene reimpostato a zero) dopo circa 9 ore. min(x, y) Determina il minimo di due numeri di qualsiasi tipo di dati e restituisce il numero più piccolo. valore_minimo = min(20, 100); // la variabile valore_minimo contiene il numero // piu piccolo tra i due specificati (uguale a 20). max(x, y) Determina il valore massimo di due numeri di qualsiasi tipo di dati e restituisce il numero più grande. valore_massimo = max(20, 100); // la variabile valore_massimo contiene il numero // piu grande tra i due specificati (uguale a 100). randomseed(seed) Imposta un valore come il punto di partenza per la funzione di generazione casuale dei numeri. valore_iniziale = millis(); // setta la variabile valore_iniziale uguale // alla funzione millis() randomseed(valore_iniziale); // setta il valore iniziale da cui partire // a generare i numeri casuali Siccome la scheda Arduino non è in grado di creare un numero veramente casuale, la funzione randomseed permette di inserire una variabile (o una costante o ad un altra funzione) nella funzione random, che aiuta a generare una serie veramente casuale di numeri. Ci sono una varietà di semi diversi, o funzioni, che possono essere utilizzati in questa funzione come le funzioni millis() o anche la funzione analogread() per leggere il rumore elettrico attraverso un pin analogico. random(max) random(min, max) La funzione random permette di restituire dei numeri pseudo-casuali all'interno di una gamma specificata da un valore minimo e uno massimo. valore_random = random(100, 200); // nella variabile denominata valore_random ci sara 13

14 // un numero casuale compreso tra i due valori 100 e 200 Nota: utilizzare questa funzione dopo aver utilizzato la funzione randomseed(). L'esempio seguente crea un valore casuale compreso tra e fornisce un segnale PWM su un pin PWM pari al valore casuale. int numero_casuale; // varibile per memorizzare il numero casuale (random) int led = 10; // collega un LED con un resistore da 220 ohm sul pin 10 randomseed(millis()); // inizializza la funzione randomseed con una //funzione millis() che legge il tempo trascorso in millisecondi numero_casuale = random(255); // genera un numero casuale compreso tra 0 e 255 analogwrite(led, numero_casuale); // poni in uscita PWM il valore casuale delay(500); // pausa di 500 msec = 0,5 secondi Serial.begin(rate) Configura la porta seriale RS232 e imposta il baud rate (velocità di trasmissione dei simboli,può essere diversa dalla bit rate perché un simbolo può essere composto da più bit)) per la trasmissione seriale dei dati. Il valore tipico di trasmissione e ricezione per comunicare con il computer è di 9600 baud, anche se altre velocità sono supportate. Serial.begin(9600); // configura la porta seriale RS232 alla velocita di 9600 baud Nota: Quando si utilizza la comunicazione seriale i pin digitali 0 (RX) e 1 (TX) non possono essere utilizzati contemporaneamente. Serial.println(data) Stampa i dati sulla porta seriale RS232, seguita da un ritorno automatico a capo e avanzamento di riga. Questo comando ha la stessa forma della funzione Serial.print(), ma è più facile per la visualizzazione e lettura dei dati su standard Serial Monitor. Serial.println(analogValue); // trasmetti il valore della variabile analogvalue sulla RS232 Nota: per ulteriori informazioni sulle varie possibili scelte della funzione Serial.println() e Serial.print() occorre fare riferimento al sito web di Arduino. Il semplice esempio che segue utilizza una lettura dal pin analogico 0 e invia i dati al computer ogni 1 secondo. Serial.begin(9600); // setta la seriale a 9600 bps Serial.println(analogRead(0)); // trasmetti sulla RS232 il valore del pin analogico 0 delay(1000); // pausa di 1 secondo 14

15 digital output Questo è il programma di base 'ciao mondo' utilizzato per commutare semplicemente dallo stato acceso a quello spento. In questo esempio, un LED è collegato al pin13 e oscilla una volta al secondo. La resistenza può essere omessa su questo pin in quanto la scheda Arduino prevede una limitazione della corrente massima fornita in uscita. int led = 13; // LED collegato all uscita digitale del pin 13 pinmode(led, OUTPUT); // setta il pin 13 come output per controllare un LED digitalwrite(led, HIGH); // accende il LED (on) delay(1000); // pausa di 1 secondo digitalwrite(led, LOW); // spegne il LED (off) delay(1000); // pausa di 1 secondo digital input Questa è la forma più semplice di ingresso con solo due possibili stati dell interruttore o pulsante: chiuso (on) o aperto (off). Questo esempio legge un semplice interruttore o pulsante collegato al pin 2. Quando l'interruttore è chiuso sul pin di ingresso si avrà un livello ALTO (HIGH) che accende il LED collegato al pin 13 (vedi circuito del programma precedente). int led = 13; // LED collegato all uscita digitale del pin 13 (output) int interruttore = 2; // collegamento all interruttore (switch) pin 2 (input) pinmode(led, OUTPUT); // dichiara il LED come output pinmode(interruttore, INPUT); // dichiara lo switch come input if (digitalread(interruttore) == HIGH) // controlla se l input e a livello HIGH digitalwrite(led, HIGH); // accendi il LED delay(1000); // pausa di 1 secondo digitalwrite(led, LOW); // spegni il LED delay(1000); // pausa di 1 secondo 15

16 high current output A volte è necessario avere una corrente superiore a 40mA, tipica delle uscite presenti sulla scheda Arduino per controllare un dispositivo (ad es. un motore). In questo caso un transistor MOSFET può essere utilizzato per lavorare con carichi di corrente più elevati. L esempio seguente permette la commutazione da on a off del MOSFET con una cadenza di 5 volte ogni secondo. Nota: Lo schema elettrico visualizzato indica la presenza di un diodo di protezione in parallelo al motore per evitare la distruzione del MOSFET dovuta alle sovratensioni di chiusura e apertura quando si utilizzano dei carichi induttivi in presenza di elevate correnti. int motore = 5; // output pin for the MOSFET pinmode(motore, OUTPUT); // sets pin5 as output for (int i=0; i<=5; i++) // effettua un ciclo per 5 volte digitalwrite(motore, HIGH); // attiva il MOSFET (saturazione) delay(250); // pausa di 1/4 secondo digitalwrite(motore, LOW); // disattiva il MOSFET (interdizione) delay(250); // pausa di 1/4 secondo delay(1000); // pausa di 1 secondo pwm output La tecnica Pulse width Modulation (PWM Modulazione a larghezza d impulso) è un modo per simulare una tensione analogica in uscita utilizzando semplicemente un valore digitale ALTO e BASSO in uscita. Al dispositivo viene inviata un onda rettangolare il cui duty cycle (D.T. = T1/T dove 16

17 T1 è la durata della parte alta dell onda e T è il periodo totale) è legato al valore della tensione analogica che si vorrebbe mandare. Il periodo è molto importante e la sua durata dipende dal problema che stiamo trattando, perché se il periodo è troppo lungo, nel caso del led l occhio si accorge che il led si spegne quando l uscita va bassa e, nel caso del motore, questo si ferma. Occorre che il tempo di persistenza dell immagine sulla retina (<20ms) o l inerzia del motore siano più lunghi del periodo. Questa tecnica permette di ridurre o aumentare la luminosità di un LED oppure di controllare la velocità di un motore. Il seguente esempio permette il lento incremento della luminosità di un diodo LED fino al valore massimo e successivamente la progressiva diminuzione della luminosità fino a spegnersi totalmente. int led = 9; // LED collegato all uscita digitale del pin 9 (output PWM) for (int i=0; i<=255; i++) // incremento della luminosita con il contatore i analogwrite(led, i); // settaggio del livello di luminosta sul LED (pin 9) delay(100); // pausa di 100ms for (int i=255; i>=0; i--) // decremento della luminosita con il contatore i analogwrite(led, i); // settaggio del livello di luminosta sul LED (pin 9) delay(100); // pausa di 100ms potentiometer input Utilizzando un potenziometro collegato ad un ingresso analogico della scheda Arduino è possibile convertire la tensione presente tra mass (GND) e l input del pin 0 per leggere il corrispondente valore digitale della conversione (ADC) compreso tra 0 e L'esempio seguente utilizza un potenziometro per il controllo della frequenza di un LED lampeggiante. int potenziometro = 0; // pin 0 di ingresso per il cursore del potenziometro int led = 13; // LED collegato all uscita digitale del pin 13 pinmode(led, OUTPUT); // dichiara la variabile led come OUTPUT digitalwrite(led, HIGH); // accendi il LED delay(analogread(potenziometro) / 4); // pausa del programma dipendente dalla posizione del cursore del potenziometro (cioe // dalla tensione applicata al pin 0 e convertita in digitale da 0 a 1024 che viene // ridotta da 0 a 255 tramite la divisione per 4) digitalwrite(led, LOW); // spegni il LED delay(analogread(potenziometro) / 4); // pausa del programma dipendente dalla posizione del cursore del potenziometro (cioe 17

18 // dalla tensione applicata al pin 0 e convertita in digitale da 0 a 1024 che viene // ridotta da 0 a 255 tramite la divisione per 4) variable resistor input Alcune tipologie di sensori ad esempio foto resistori, termistori, sensori di flessione, etc. possono essere considerate come delle resistenze variabili. In questo esempio si utilizza una funzione per leggere il valore analogico e impostare un tempo di ritardo. Questo controlla la velocità con cui un LED si illumina e cambia di intensità in base al valore letto dal sensore. int led = 9; // PWM pin for the LED int sensore = 0; // resistore variabile (esempio fotoresistenza) sul pin 0 analogico for (int i=0; i<=255; i++) // incremento della luminosita con il contatore i analogwrite(led, i); // settaggio del livello di luminosta sul LED (pin 9) delay(ritardo()); // pausa dipendente dalla funzione ritardo() for (int i=255; i>=0; i--) // decremento della luminosita con il contatore i analogwrite(led, i); // settaggio del livello di luminosta sul LED (pin 9) delay(ritardo()); // pausa dipendente dalla funzione ritardo() int ritardo() int v; // variabile temporanea v = analogread(sensore); // lettura della tensione analogica del sensore v /= 8; // converte il valore nel valore return v; // restituisce il valore finale servo output 18

19 Il servo è un motorino con una parte meccanica in movimento che permette di ruotare da 0 fino a 180. Per effettuare la rotazione serve un impulso di tensione che venga inviato al servo ogni 20 ms. In questo esempio viene utilizzata la funzione servo_impulso per spostare il servo dal 10 º -170 º e viceversa. int servo_pin = 2; // servo collegato al pin 2 digitale int angolo; // angolo del servo circa int larghezza_impulso; // larghezza impulso (funzione variabile) pinmode(servo_pin, OUTPUT); // setta il pin 2 come output void servo_impulso(int servo_pin, int angolo) larghezza_impulso = (angolo * 10) + 600; // calcolo del tempo di ritardo digitalwrite(servo_pin, HIGH); // setta l output del servo ALTA (high) delaymicroseconds(larghezza_impulso); // pausa espressa in microsecondi digitalwrite(servo_pin, LOW); // resetta l output del servo BASSO (low) // valore iniziale del servo = 10 e ruota fino a 170 for (angolo = 10; angolo <= 170; angolo++) servo_impulso(servo_pin, angolo); // trasmetti al pin di output l angolo calcolato delay(20); // ritardo di 20 millisecondi // valore iniziale del servo = 170 e ruota fino a 10 for (angolo = 170; angolo >= 10; angolo--) servo_impulso(servo_pin, angolo); // trasmetti al pin di output l angolo calcolato delay(20); // ritardo di 20 millisecondi 19

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