Робототехника: практическое введение для детей и взрослых

Александр Вячеславович Фролов, 2020

Эта книга поможет вам быстро освоить основы робототехники и приступить к конструированию собственных роботов, разных систем с микроконтроллерами и даже элементов умного дома. Вам не потребуются знания языков программирования и паяльник. Изучайте микроконтроллеры и робототехнику по нашей книге, и вы сможете быстро освоить современные профессии. Вы научитесь программировать micro:bit версий 1.5 и 2, работать с кнопками, светодиодами, светодиодным и OLED-экраном, измерять температуру, ускорение, напряженность магнитного поля. Используя интерфейс GPIO, вы подключите такие устройства, как моторы, сервоприводы, кнопки, датчики движения, расстояния и многие другие. Данные, полученные от контроллеров, вы сможете передавать на другие контроллеры с помощью радиоканала Bluetooth, а также контроллеров LoRa, способных обеспечить радиосвязь на расстояния, исчисляемые километрами. Мы расскажем о том, как организовать электропитание робота или других конструкций.

3. Работаем с кнопками

Обычная кнопка представляет собой аппаратное устройство, предназначенное для замыкания и размыкания электрической цепи. Когда кнопка нажата, цепь замкнута и по ней идет электрический ток, а когда отжата — цепь разомкнута, ток не идет.

Также вам наверняка знакомы так называемые сенсорные кнопки. Чтобы такая кнопка сработала, достаточно до нее дотронуться.

На рис. 3.1 мы добавили обычную кнопку SA1 в схему подключения светодиода к батарейке. Если нажать кнопку, светодиод загорится, если отпустить — погаснет.

Рис. 3.1. Схема для включения светодиода с помощью кнопки

Различного рода кнопки есть практически везде — в пультах управления телевизором, в мобильных телефонах, в клавиатуре компьютера и во многих других устройствах. Некоторые из них обычные, а некоторые — сенсорные.

В микрокомпьютере micro:bit версии 1.5 есть три кнопки. Одна из них расположена с обратной стороны устройства и предназначена для его сброса. На рис. 3.2 эта кнопка находится в правом верхнем углу, между разъемом микро-USB и разъемом питания.

Рис. 3.2. Кнопка сброса находится на обратной стороне платы micro:bit

Две другие кнопки находятся на лицевой стороне платы микроконтроллера (рис. 3.3). Именно эти две кнопки, обозначенные как A и B, представляют для нас основной интерес.

Рис. 3.3. Программируемые кнопки A и B на лицевой стороне платы micro:bit

Блоки программы, загруженной в память микроконтроллера, могут получать управление, когда нажимается одна из этих кнопок, а также когда они нажимаются вместе.

В микроконтроллере micro:bit версии 2 добавлена еще одна кнопка — сенсорная. Ее роль теперь играет логотип, который раньше представлял собой простой рисунок, расположенный над матрицей светодиодов (рис. 3.3). Теперь этот логотип превратился в сенсорную кнопку.

В конце этой главы будет приведена программа, работающая с сенсорным логотипом.

Если вы создаете дистанционно управляемую модель марсохода (ровера), то сможете использовать кнопки, например, для управления движением. Используйте одну из этих кнопок, например, для включения движения вперед, другую — для включения заднего хода. Одновременное нажатие кнопок пригодится, например, для экстренной остановки моторов ровера.

Задаем действия при нажатии кнопок

Для того чтобы проверить действие кнопок на практике, добавьте в новый проект из палитры Ввод три блока кнопка нажата (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Блоки для обработки событий от кнопок

Текст программы можно загрузить из архива, он записан в файл BoxRover/ch03/microbit-кнопки-влево-и-вправо.hex.

Когда вы нажимаете кнопки A и B, в микроконтроллере возникают так называемые события. Эти события перехватываются блоками кнопка нажата. Если в тело этих блоков добавить другие блоки, то они получат управление при нажатии соответствующей кнопки, или двух кнопок одновременно.

Наша программа выполняет очень простые действия. Если нажать кнопку A, то программа нарисует на экране микроконтроллера стрелку, направленную на запад. Нажатие кнопки B приведет к тому, что будет нарисована стрелка, направленная на восток. И, наконец, если нажать обе кнопки одновременно, на экране будет нарисован значок сердечка (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Значки появляются при нажатии соответствующих кнопок

Обратите внимание, что мы не используем блоки постоянно и при начале. Обработка событий от нажатых кнопок выполняется блоками кнопка нажата независимо от работы блоков постоянно и при начале.

Для перехвата события создается так называемый программный хандлер (handler), или обработчик. Для одного события может быть создан только один обработчик.

Таким образом, вы можете создать только один обработчик для кнопки A, один — для кнопки B, и один для события, которое возникает при одновременном нажатии обеих кнопок.

Устройство, создающее событие, мы будем называть генератором событий. Как вы увидите дальше, помимо кнопок в микроконтроллере micro:bit существуют и другие генераторы событий, например, связанные с передачей данных по радио или через последовательный интерфейс UART.

Счетчик нажатий кнопок

Нашей следующей программой, работающей с кнопками A и B, будет несложный счетчик. Сразу после запуска значение счетчика будет равно нулю. При нажатии кнопки A значение счетчика увеличивается, а при нажатии кнопки B — уменьшается.

Программа счетчика показана на рис. 3.6 (файл BoxRover/ch03/microbit-Счетчик.hex).

Рис. 3.6. Программа счетчика нажатий кнопок

Вначале из палитры Основное мы добавили блок при начале. Кроме этого, в палитре Переменные мы создали переменную с именем Counter, предназначенную для хранения текущего значения счетчика.

В блоке при начале задается исходное значение счетчика Counter, равное нулю. После этого текущее значение счетчика показывается на экране в блоке показать число.

Когда нажимается кнопка A, блок изменить увеличивает значение Counter на единицу. Вслед за этим новое значение счетчика выводится на экран. Аналогично, при нажатии кнопки B значение счетчика нажатий уменьшается, и на экран выводится уменьшенное значение (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Текущее значение счетчика нажатий отображается на мониторе

Обратите внимание, что если числовое значение превысит 9, числа будут показываться на экране micro:bit в режиме бегущей строки. Режим бегущей строки будет включен и для отображения отрицательных чисел.

Проверка состояния кнопки

Предыдущие программы выполняли какое-либо действие, когда мы нажимали кнопки. Но есть и другая возможность — в процессе своей работы программа может проверять текущее состояние кнопок, и в зависимости от результатов проверки изменять свое поведение.

В качестве примера доработаем программу, взятую из раздела Доверимся случаю предыдущей главы, которая зажигает и гасит светодиоды с различной яркостью. Сделаем так, чтобы с помощью кнопки A можно было запускать программу и ставить ее на паузу. А именно, звезды будут зажигаться и гаснуть только если кнопка A нажата. В противном случае вся жизнь в нашей вселенной останавливается.

Код программы показан на рис. 3.8. Вы найдете эту программу в файле microbit-Вселенная-кнопка-А.hex.

Рис. 3.8. Программа работает только при нажатой кнопке A

Здесь мы добавили в постоянно блок если. В качестве условия в блок если мы вставили проверку кнопка нажата. Эта проверка находится в палитре Ввод.

Давайте усложним нашу программу. Пусть теперь звезды зажигаются и гаснут, если кнопка A не нажата, и перестают зажигаться и гаснуть, когда мы нажимаем кнопка A.

Для кнопки B тоже найдется работа. Каждый раз когда мы будем ее нажимать, процесс зажигания и угасания звезд должен замедляться.

Новый вариант программы показан на рис. 3.9, файл microbit-Вселенная-на-паузе.hex.

Рис. 3.9. Новая версия программы управления звездами

В блоке при начале мы задаем в переменной задержка начальное значение задержки, равное 0. При нажатии на кнопку B мы увеличиваем значение задержки на 50 мс.

В блоке постоянно мы использовали цикл если иначе. Как он работает?

В теле условия если ничего нет, поэтому если кнопка A нажата, то никакие блоки не выполняются и бесконечный цикл работает вхолостую. Но если кнопка A не нажата, то в дело включается тело иначе. Здесь у нас находится блоки, управляющие переключением звезд, а также блок паузы.

Как мы уже говорили, по умолчанию значение параметра для блока пауза, которое хранится в переменой задержка, равно нулю. Если вы будете нажимать кнопку B, то это значение будет увеличиваться на 50 мс при каждом нажатии. В результате жизнь наших звезд будет каждый раз замедляться.

Сенсорная кнопка в виде логотипа

В micro:bit версии 2 появилась сенсорная кнопка в виде логотипа (рис. 3.10). Ее можно нажимать, дотрагиваясь пальцем.

Рис. 3.10. Логотип стал сенсорной кнопкой

Для работы с сенсорной кнопкой в виде логотипа в палитре Ввод, в разделе micro:bit (V2) появились блоки on logo и logo is pressed (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Блоки для работы с сенсорной кнопкой в виде логотипа

Блок on logo получает управление, если дотронуться до логотипа пальцем. С помощью блока logo is pressed можно проверить, нажат логотип в настоящее время, или нет.

На рис. 3.12 мы показали простейшую программу microbit2-Сенсорный-логотип.hex, реагирующую на нажатие логотипа.

Рис. 3.12. Обработка событий от логотипа

Если нажать логотип, на экране micro:bit появится галочка. Чтобы она исчезла, нажмите кнопку А.

В блоке on logo можно указать, что событие от логотипа должно возникать только в том случае, если нажимать на него достаточно долго. Такое поведение демонстрирует программа microbit2-Логотип-нажат-долго.hex (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Реагирование на длительное нажатие логотипа

Вы также можете регистрировать события, возникающие в момент отпускания логотипа. Для этого в меню блока on logo выберите строку отжата.

Еще одна несложная программа microbit2-Сенсорный-логотип-2.hex демонстрирует использование блока logo is pressed (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Проверяем нажатие логотипа в цикле

Эта программа проверяет состояние кнопки логотипа в цикле. Пока логотип нажат, программа рисует на экране micro:bit бьющееся сердце. Но как только вы отпустите логотип, сердце исчезает!

Сенсорные контакты

Как мы уже говорили, во многих приборах используются сенсорные кнопки. Такие кнопки служат долго, т.к. в них нет механических движущихся деталей.

Сенсорные кнопки на micro:bit версии 2 могут работать в емкостном и резистивном режиме.

В емкостном режиме используется тот факт, что прикосновение к кнопке равносильно подключению к ней конденсатора.

В резистивном режиме предполагается, что человек касается одновременно кнопки и общего провода (земли, минуса источника питания). При этом изменяется сопротивление между кнопкой и землей от практически бесконечного до значений, исчисляемых единицами или десятками КОм.

Забегая вперед, заметим, что вы можете использовать в качестве сенсорных контактов выводы P0, P1 и P2 в качестве сенсорных кнопок. На рис. 3.11 эти контакты отмечены цифрами 0, 1 и 2. Подробнее мы расскажем о контактах разъема платы micro:bit в 7 и 8 главе нашей книги.

На рис. 3.15 мы показали программу microbit2-Сенсорный-контакт.hex, которая делает то же самое, что и программа microbit2-Сенсорный-логотип-2.hex.

Рис. 3.15. Используем контакт P0 в качестве сенсорной кнопки

В начале своей работы программа устанавливает один из двух возможных режимов работы сенсорного контакта — емкостной или резистивный. Чтобы использовать емкостной режим, в меню блока set P0 to touch mode выберите строку capacitive, а чтобы в резистивном — строку resistive.

Блок set P0 to touch mode находится в палитре Расширенные, Контакты, еще, в разделе micro:bit (v2).

Загрузив программу в микроконтроллер, дотроньтесь пальцем до контакта, обозначенного на плате micro:bit цифрой 0. Пока вы держите палец, на экране micro:bit будет биться сердце.

Домашнее задание

В качестве первого домашнего задания попробуйте самостоятельно доработать программу microbit-Счетчик.hex (рис. 3.6) таким образом, чтобы при нажатии двух кнопок одновременно текущее значение счетчика сбрасывалось в нулевое значение.

Решение вы сможете найти в файле microbit-Счетчик-со-сбросом.hex, загрузив архив программ с сайта автора этой книги http://frolov-lib.ru/books/boxrover/.

В качестве второго самостоятельного задания добавьте к программе microbit-Вселенная-на-паузе.hex (рис. 3.9) код, который сбрасывает задержку к исходному значению при одновременном нажатии кнопок A и B.

Решение этого задания есть в файле microbit-Вселенная-на-паузе-со-сбросом.hex.

В качестве третьего домашнего задания попробуйте сделать кодовый замок. Замок должен работать следующим образом.

Чтобы открыть замок, вам нужно нажать четыре раза кнопку A, и один раз — кнопку B (в любой последовательности). Только эта комбинация должна открыть замок.

Для проверки состояния замка нажмите кнопки A и B одновременно. Если замок открылся, на экране micro:bit должно быть нарисовано сердечко, если нет, то крестик.

Решение третьего задания вы найдете в файле microbit-Секретный-счетчик.hex.

И, наконец, в четвертом домашнем задании попробуйте изменить режим set P0 to touch mode с емкостного на резистивный. Учтите, что это задание нужно выполнять на micro:bit версии 2.

Программа с измененным режимом записана в файле microbit2-Сенсорный-контакт-2.hex. Проверьте, есть ли разница в работе этой программы при изменении режима.

Итоги

Во третьей главе мы познакомились с обработкой событий от кнопок A и B, расположенных на лицевой стороне платы микрокомпьютера micro:bit, а также от сенсорной кнопки micro:bit версии 2, роль который играет логотип. Вы научились проверять текущее состояние кнопок во время работы программы.

Вы научились задавать действия при нажатии кнопок A и B, а также в тех случаях, когда эти кнопки были нажаты одновременно. Кроме того, вы теперь можете использовать контакты P0, P1 и P2 в качестве сенсорных кнопок.

Также вы усложнили программу зажигания звезд на экране микрокомпьютера и сделали так, что ее работа стала зависеть от текущего состояния кнопок.

При выполнении домашних заданий вы доработали программу управления счетчиком и звездами в вашей микро-вселенной, создали кодовый замок и испытали два разных режима работы сенсорных контактов — емкостной и резистивный.