Modeljernbane elektronik for begyndere...og dem der vil igang med at bygge deres egne dekodere

Transkript

1 2015 Modeljernbane elektronik for begyndere...og dem der vil igang med at bygge deres egne dekodere Dette dokument giver en grundlæggende indføring i standard elektronik komponenter og deres virkemåde, samt hvordan man sætter dem sammen til en dekoder der kan bruges med din digitale modeljernbane. Martin Gertz Bech 08. november 2015

2 Indholdsfortegnelse Indholdsfortegnelse... 2 Introduktion... 5 Lidt om strøm, spænding, modstand, styrke og volt... 6 Ohm's lov... 6 Komponentlære... 8 Modstande... 8 Dioder og lysdioder (LED)... 8 Transistorer... 9 PNP... 9 NPN... 9 MOSFET... 9 Kondensatorer (Kapaciteter)... 9 Kontakter... 9 Ringetryk... 9 Afbrydere... 9 Reed relæer... 9 Relæer... 9 Motorer... 9 Almindelige motorer... 9 Stepmotorer... 9 Servoer... 9 Displays... 9 Spændingsregulatorer... 9 Spoler... 9 Optokoblere... 9 Arduino og andre microprocessorer Hvad er en microprocessor Forskellige Arduino modeller Input og outputs måder du kan brænde din Arduino af Indholdsfortegnelse

3 Metode #1: Kortslutte ind/udgange til stel (GND) Metode #2: Kortslutte en PIN til en anden Metode #3: Tilslutte for høj spænding til en PIN Metode #4: Tilslutte ekstern spænding omvendt til Vin Metode #5: Tilslutte for høj spænding til 5v PIN Metode #6: Tilslutte for høj spænding til 3,3v PIN Metode #7: Kortslutte Vin til GND Metode #8: Tilslutte ekstern 5v forsyning til Vin Metode #9: Tilslutte mere end 13v til reset Metode #10: Brug Arduino til at levere mere end 200 ma totalt Introduktion til programmering Opbygningen af et program void setup() void loop() pinmode() digitalwrite() analogwrite() digitalread() analogread() delay() millis() if... then...else Operatører include() Kommentarer Seriel kommunikation Serial.begin() Serial.print() Serial.println() Eksperimenter Den digitale modeljernbane Vi bygger Vejarbejds advarselslys Indholdsfortegnelse

4 Trafiklys Skiftende lys til belysning af bygninger Signal dekoder Servo dekoder v1 (ren styring af servoer) Servo dekoder v2 (styring af servoer og polarisering af hjertestykker) Tilbagemeldingsmodul til 2 skinne drift ver 1 (LocoNet) Tilbagemeldingsmodul til 2 skinne drift ver 2 (S88) Kun fantasien sætter grænser Tak til Indholdsfortegnelse

5 Introduktion Nu sidder du som læser sikkert og glæder dig til, at komme igang med, at lave din egen elektronik til din modeljernbane. Først lidt om min indgangsvinkel til det hele. Som barn var jeg enormt fascineret af min morfar Svend-Aages modeljernbane. Den var ikke særligt stor, og blev ved særlige lejligheder slået ned oven på hans skrivebord i det lille kammer på Vesterbro. Svend- Aage var radiomekaniker, og som sådan havde han gjort anlægget delvist automatisk - signalerne havde funktion, og togene accellererede og bremsede behørigt. Nuvel måske ikke skala mæssigt korrekt, men stadig var det ikke bare start stop. Samtidig gjorde hans elektronik, at han kunne køre med flere tog på een gang, også på samme strømkredse. Jo det var der interessen blev grundlagt. Siden har jeg så rodet med modeljernbaner on/off i mange år, og har senest startet et projekt, hvor jeg bygger en kopi af Helsingør station anno ca på sigt fuldt digitaliseret, med så meget intelligens som muligt. Og her er jeg så i dag, er begyndt at bruge Arduino efter jeg fik mig et Arduino start kit i fødselsdagsgave, og har med prøveopstillinger formået at lave diverse små projekter - eksempelvis styre en servo motor via min computer, som var forbundet til en DCC central (TwinCenter), som så igen gav strøm til spor og min første hjemmebyggede dekoder. Selvom jeg tester alt af, jeg skriver om her, tager jeg forbehold for fejl og uhensigtsmæssigheder. 5 Introduktion

6 Lidt om strøm, spænding, modstand, styrke og volt For at forstå elektronik, uanset hvilket elektroniske kredsløb vi har med at gøre, skal vi forstå hvilke elementer der er på spil. Grundlæggende handler det om elektroner, og hvordan disse bevæger sig. Nogle har måske hørt nogen sige 12 v strøm, men det er ren volapyk, og det må vi have sat på plads, før vi forstår resten af dette skriv. De to vigtigeste ting er spænding og strøm Spændingen er det samme som volt, og måles i Volt. Strømmen er det samme som ampere, og måles i Ampere. De fleste komponenter har nogle maksimalgrænser for hvor meget spænding og strøm de kan tåle. Eksempelvis en lysdiode der alt efter type kan tåle måske 2,4 v / 2 ma. Får den mere brænder den af, (og lugter ikke for godt), og får den for lidt, lyser den svagt eller slet ikke. Nogle komponenter har også nogle minimums grænser, før de vil fungere, og derfor er det vigtigt at sætte sig ind i, hvilke komponenter det er, man har med at gøre, eller man skal bruge til et givent projekt. For at regulere dette, er der flere begreber, vi må kende. Eksempelvis modstand og forstærkning. Sidsnævnte kommer vi til når vi skriver om blandt andet transistorer i komponentlæren. Grundlæggende har vi altså tre parametre, vi bruger igen og igen i al elektronik: Spænding, strøm og modstand, eller på engelsk voltage, current og resistance. Disse er også grundpillerne i Ohm's lov. Ohm's lov I ohms lov er der forskellige variabler man må kende betydningen af for at kunne bruge den til at lave de udregninger man har behov for. U = Spænding (måles i volt) R = Modstand (måles i ohm) I = Strøm (måles i Ampere) P = Effekt (måles i watt) Kender man bare to af disse parametre, kan man regne de to andre ud. Eksempelvis: Vi vil udregne formodstanden til en lysdiode, som man ved bruger 20 ma og har et spændingsfald (alle dioder fjerner noget spænding, som man så kalder spændingsfaldet - hvor meget kommer an på dioden). 6 Lidt om strøm, spænding, modstand, styrke og volt

7 Så lad os sige vi som udgangspunkt har 16v, og vi vil gerne montere en lysdiode med et spændingsfald på 3,3v og et forbrug på 20 ma, så vil regnestykket se således ud: 20 ma (miliampere) = 0,02 ampere Alt efter hvilken LED vi ønsker at bruge, benytter de forskellig spænding. Som tommelfingerregel kan bruges følgende tabel: IR 1,5v Rød 2,0v orange 2,0v Gul 2,1v grøn 2,2v Rigtig grøn 3,3v blå 3,3v hvid 3,3v UV 3,3v blå (430 nm) 4,6v Hvis vi tager en standard hvid lysdiode, så vil den have et spændingsfald på 3,3v jævnfør tabellen ovenfor. Regnestykket ser så således ud Den spænding vi ønsker at føde med : 16v minus spændingsfaldet på dioden : 3,3v = 12,7v Divideret med forbruget af LED, som i dette tilfælde er 20 ma, og dermed det samme som 0,02 Ampere 12,7 : 0,02 = 635 Ohm formodstand. Det er der ikke en modstand der hedder, men det betyder ikke så meget. De fleste modstande har alligevel en tolerance på 5% så den næste værdi ville være 680 Ohm. Mere om modstande kan du læse i komponentlæren. 7 Ohm's lov

8 De forskellige udregninger i Ohms lov: I eksemplet fra før, tog vi Spændingen U (minus spændingsfaldet over dioden) og dividerede med strømmen i Ampere I, og fik så den nødvendige formodstand R. Hvis man køber en LED inkl. formodstand, vil man oftest få en formodstand på 1000 Ohm, også skrevet som 1kOhm. Denne vil så dække op til ca 20v ved et standard forbrug på 20 ma. Komponentlære Modstande Dioder og lysdioder (LED) Dette er samtidig årsagen til at det ikke er ligegyldigt hvordan du sætter dioder sammen, der skal være spænding og strøm nok til begge dioder, og for at styre dette optimalt er det oftest bedst at have særskilte forbindelser. 8 Komponentlære

9 Transistorer PNP NPN MOSFET Kondensatorer (Kapaciteter) Kontakter Ringetryk Afbrydere Reed relæer Relæer Motorer Almindelige motorer Stepmotorer Servoer Displays Spændingsregulatorer Spoler Optokoblere 9 Komponentlære

10 Arduino og andre microprocessorer Hvad er en microprocessor En microprocessor er i bund og grund en lille computer. Den kræver et styresystem og nogle programmer, for at den skal fungere. En arduino indeholder dog mere end det. Den indeholder nemlig en række forbindelser og komponenter, som selve hjernen (CPU) har behov for for at fungere. Eksempelvis en eller flere krystaller, der kan ses som en slags internt urværk, som fortæller CPU, hvor hurtigt den skal køre. Ofte er det også set, at den indeholder en spændingsregulator, der regulerer spændingen til det komponenterne på printpladen, herunder CPUen, har behov for. Typisk klarer CPU'en enten 3,3v eller 5v alt efter type. Dem, jeg bruger i forbindelse med dette skriv, kører på 5v, men grundet den indbyggede spændingsregulator, kan man give den op til 12 v. Derudover indeholder en Arduino en knap til genstart af enheden, forbindelser til kommunikation med eksempelvis en computer eller en anden enhed, der snakker det, man kalder seriel kommunikation. Man kalder også dette for serielporten, og det er den vi bruger, når vi skal overføre vores program til Arduinoen. Nogle Arduinoer er udstyret med en USB port, som giver mulighed for, at man kan tilslutte sin Arduino direkte til computeren. De Arduinoer, der ikke er udstyret med USB port, kan man få en lille konverteringsenhed, man sætter i mellem computer og Arduinoens seriel port. Det er sidstnævnte, jeg benytter mig af, da de kræver mindre plads. Selve styreprogrammet, eller det der ville svare til operativsystemet, ligger fast i CPU'en. Da selve CPU'en, eller hjernen om du vil, kun forstår digitale signaler, dvs. 1 for tændt eller 0 for slukket, men man ofte har behov for at kunne lave eksempelvis en lysdæmper, så har en Arduino også en lille ekstra komponent, en såkaldt D/A konverter. En D/A konverter konverterer det digitale signal til analogt. Arduinoen er tillige udstyret med det modsatte, nemlig en A/D converter, som kan omdanne en given spænding mellem 0-5v til en digital værdi mellem som kan aflæses af arduinoen. Langt de fleste PINS, eller ben som vi ville kalde dem på dansk, er beregnet til at have to overliggende funktioner: Enten fungere som input, dvs så man kan aflæse en sensor eller måle en spænding, eller en output eller udgang, som bruges som en kontakt, du enten kan tænde eller slukke. Arduinoen indeholder også nogle komponenter til eksempelvis hukommelse, som den gemmer dine programmer eller andre værdier i - men det kommer vi nærmere ind på senere. Så det, vi gør med vores program, kunne altså være eksempelvis aflæse en spænding og udfra det tænde en lampe eller en motor, eller hvad fantasien nu rækker til. 10 Arduino og andre microprocessorer

11 Forskellige Arduino modeller Der findes en lang række forskellige Arduinoer som alle programmeres på samme måde, og som grundlæggende fungerer ens. Der er enkelte forskelle, som i antallet af IO Pins (ind og udgange), samt hvorvidt den har indbygget USB. Standardmodellen, som de fleste starter med, og som er omtalt i de fleste projekter hedder Arduino UNO. Herunder er der en liste over de forskellige Arduino modeller, samt de interessante parametre. UNO'en som er markeret med grøn baggrund, er som sagt standard i de fleste projekter, og et godt sted at starte, da den er bygget til eksperimenter. Da vi ofte har begrænset plads i modeljernbane verdenen, og jeg samtidig ofte laver andre prints, hvor jeg kan fast montere mine arduinoer, benytter jeg normalt den, market med blå baggrund, Arduino Mini Pro i 5v/16 mhz udgaven. Som du samtidig vil kunne se er forskellen på en Arduino UNO og en Mini PRO USB tilslutningen, samt lidt med størrelsen på dens hukommelse (hvor store programmer vi kan lægge i den). Navn Processor / CPU / "hjerne" Spænding på arduino / fødespændin g CPU Hastighe d Analoge ind/udgang e Digitale ind og udgange / Pulse Width Modulatio n udgange EEPRO M [KB] SRA M [KB] Flas h [KB] USB UAR T ArduinoBT ATmega328P 5 V / V 16 MHz 6/0 14/ Due ATSAM3X8E 3.3 V / 7-12 V 84 MHz 12/2 54/ Micro 4 Esplora ATmega32U4 5 V / 7-12 V 16 MHz Micro - Ethernet ATmega328P 5 V / 7-12 V 16 MHz 6/0 14/ Regula r - Fio ATmega328P 3.3 V / V 8 MHz 8/0 14/ Mini 1 Gemma ATtiny V / 4-16 V 8 MHz 1/0 3/ Micro 0 Leonardo ATmega32U4 5 V / 7-12 V 16 MHz 12/0 20/ Micro 1 LilyPad ATmega168V ATmega328P V / V 8MHz 6/0 14/ Arduino og andre microprocessorer

12 LilyPad SimpleSna p ATmega328P V / V 8 MHz 4/0 9/ LilyPad USB ATmega32U4 3.3 V / V 8 MHz 4/0 9/ Micro - Mega 2560 ATmega V / 7-12 V 16 MHz 16/0 54/ Regula r 4 Mega ADK ATmega V / 7-12 V 16 MHz 16/0 54/ Regula r 4 Micro ATmega32U4 5 V / 7-12 V 16 MHz 12/0 20/ Micro 1 Mini ATmega328P 5 V / 7-9 V 16 MHz 8/0 14/ Nano ATmega168 ATmega328P 5 V / 7-9 V 16 MHz 8/0 14/ Mini 1 Pro ATmega168 ATmega328P 3.3 V / V 5 V / 5-12 V 8 MHz 16 MHz 6/0 14/ Pro Mini ATmega328P 3.3 V / V 5 V / 5-12 V 8 MHz 16 MHz 6/0 14/ Uno ATmega328P 5 V / 7-12 V 16 MHz 6/0 14/ Regula r 1 Yùn ATmega32U4 AR9331 Linux 5 V 16 MHz 400MHz 12/0 20/ MB 32 64MB Micro 1 Zero ATSAMD21G V / 7-12 V 48 MHz 6/1 14/ Micro 2 Input og outputs 12 Arduino og andre microprocessorer

13 10 måder du kan brænde din Arduino af. Udover de åbenlyse som at smide Arduino i brændeovnen, benytte en hammer til at montere den, kører den over med din bil, bruge den som rørepind til kaffen, ja så er der en række mere naturlige måder at du kan få din Arduino til at gå i stykker. Jeg vil beskrive nogle af dem herunder: Metode #1: Kortslutte ind/udgange til stel (GND). Hvis du sætter en PIN til at være en udgang med pinmode, og sætter den til at være +5v med digitalwrite eller analogwrite, og så forbinder den til til GND (0v), så vil der ske det at der vil blve brugt ca 200 ma strøm på den PIN. Det er ca 5 gange mere end Arduino kan holde til, hvorfor den vil brænde af. Du vil i de fleste tilfælde kunne benytte de resterende PINS, men du vil ikke kunne reparere skaden på den ødelagte. Metode #2: Kortslutte en PIN til en anden. Hvis du sætter en PIN til at være en udgang, og en anden til at være indgang, forbinder de to, og så sætter den udgangen til at være HIGH (+5v), og indgangen til at være 0v (GND), så vil der ske det samme som i #1, du vil skabe et forhøjet forbrug, som vil få udgangen til at brænde af. Metode #3: Tilslutte for høj spænding til en PIN Hvis du forbinder en spænding på mere end 0,5V over Arduino spændingen, som normalt er 5V, dvs. 5,5V eller derover, så vil du risikere at brænde den interne beskyttelse af, med risiko for at brænde hele "hjernen" / CPU af. Metode #4: Tilslutte ekstern spænding omvendt til Vin Hvis du giver strøm til Arduino via Vin og GND, men har byttet rundt på polaritet (byttet rundt på +5 og 0v), så vil du med stor sandsynlighed brænde flere af kredsene af. Det sker fordi der ikke er nogen beskyttelse mod forkert polarisering af strømmen når man benytter Vin. Metode #5: Tilslutte for høj spænding til 5v PIN Hvis du tilslutter mere end 5V til den PIN der hedder 5V, så vil du brænde selve hjernen af, da den er direkte forbundet. Samtidig kan du risikere, hvis din Arduino er tilsluttet til USB, at ødelægge USB porten i din computer. Metode #6: Tilslutte for høj spænding til 3,3v PIN Hvis du tilslutter mere end 3,6V til den PIN der hedder 3,3V, så vil du brænde selve hjernen af, da den er direkte forbundet. Alle shields der er forbundet med din Arduino vil sandsynligvis også brænde af. Samtidig kan du risikere, hvis din Arduino er tilsluttet til USB, at ødelægge USB porten i din computer. Metode #7: Kortslutte Vin til GND Der er ingen beskyttelse af strømforbrug på Vin, så hvis du kortslutter den ved at forbinde den direkte med GND, så vil der opstå et for stort forbrug, der vil få Arduino til at brænde af måder du kan brænde din Arduino af.

14 Metode #8: Tilslutte ekstern 5v forsyning til Vin Hvis du giver strøm til Arduino via den PIN der hedder 5v, men du allerede har et kredsløb forbundet til Vin, eller har kortsluttet Vin til GND, så vil strømmen gå baglæns gennem 5v regulatoren, og dermed ødelægge den. Metode #9: Tilslutte mere end 13v til reset Da RESET PIN er direkte forbundet til RESET på CPU (hjenen), så vil en spænding på mere end 13v få din Arduino til at brænde af. Metode #10: Brug Arduino til at levere mere end 200 ma totalt Selvom det er genialt med Arduino til at lave en masse avanceret styring, så er en Arduino ikke beregnet til at give de store mængder strøm til diverse komponenter. Derfor må man ikke trække mere end 200 ma igennem en Arduino totalt. Den lette løsning hvad meget angår, er at vende det om, så du ikke giver + til dine tilsluttede komponenter, men derimod giver stel, da en mikroprocessor kan holde til at få mere strøm end den kan give måder du kan brænde din Arduino af.

15 Introduktion til programmering Desværre er de fleste programmeringssprog ikke danske, men engelske. Det kan være en hindring for nogle, men det behøver det ikke at være langt hen ad vejen. Da det er de samme ting, man laver igen og igen, er det nogle relativt få ord, man skal lære at kende, så jeg anser det som overskueligt for de fleste. Grundlæggende er Arduino programmering mere eller mindre det samme som C/C++ programmering, så har man stiftet bekendtskab med det tidligere, vil man have en let tilgang til programmeringen. For at komme igang med programmering af Arduino, skal man have et programmerings-værktøj; et program du kører på din computer, hvor du kan skrive din programmering ind og overføre til Arduinoen. Programmet kan man hente gratis på Arduinos hjemmeside: Opbygningen af et program Et arduino program er bygget op af tre hovedsektioner: - Struktur Strukturen er det, som definerer, hvad Arduinoen gør, henholdsvis når den starter op, og når den er startet op og bare kører. Ofte set som defineret i den del, der hedder void Setup(), der køres een gang når man tænder for arduinoen, og void loop(), som kører igen og igen, så mange gange i sekundet som programmet du har skrevet tillader. (De fleste arduinoer kører ved 16 Mhz, dvs. teoretisk set kan den håndtere 16 mio. ting per sekund!) 15 Introduktion til programmering

16 Fig 1. Sådan ser et tomt programmerings-vindue ud klar til at skrive dit arduino program. Som man kan se, indeholder den en void setup() funktion og en void loop(), som beskrevet i teksten ovenfor. 16 Introduktion til programmering

17 Fig 2. Et standard eksempel på en blink-funktion, der får en lysdiode på pin 13 til at blinke med en frekvens, der hedder 1 sekund tændt, 1 sekund slukket. Setup-delen fortæller, at vi vil benytte PIN (forbindelse) 13 som udgang. 17 Introduktion til programmering

18 - Variabler og konstanter Variabler og konstanter gør din programmering, og ikke mindst fejlsøgning, lettere. En variabel kunne eksempelvis bruges til at identificere en PIN (ind/udgang) på Arduinoen. Som eksempel kan vi tage udgangspunkt i koden i Fig. 2. Hvis vi skrev den lidt om for at lave plads til fremtidige tilføjelser i koden, ville jeg nok vælge at skrive den således: //inititialisering af variabler int MinLEDudgang = 13; // Setup koeres hvergang du saetter strøm til din arduino eller trykker på reset. void setup() { // initialize digital pin 13 as an output. pinmode(13, OUTPUT); // Loop funktionen koerer efter setup, og gentages igen og igen void loop() { digitalwrite(minledudgang, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level) delay(1000); // wait for a second digitalwrite(minledudgang, LOW); delay(1000); // wait for a second // turn the LED off by making the voltage LOW Som det ses ovenfor, har jeg tilføjet en variabel der hedder MinLEDudgang. Hvad jeg kalder den, er fuldstændigt underordnet, sålænge jeg kun bruger bogstaver fra det engelske alfabet, og sålænge det giver mening for mig selv. Hvis jeg senere får behov for at flytte min LED fra en PIN til en anden, er det nok bare at skifte værdien i variablen, fremfor at skulle finde alle steder i koden hvor den bliver brugt. Nu vil du sikkert spørge dig selv, hvorfor brugte jeg en variabel her, og ikke en konstant, og hvad er egentlig forskellen? En konstant får sin værdi een gang, og ændres ikke derefter, mens en variabel kan ændres løbende. Hvis du ikke ved, om du får behov for at ændre værdien senere i din kode, så brug en variabel, ellers en konstant. Kodemæssigt kan forskellen vises således: //foerst definerer vi en konstant med vaerdien 5 #define MinKonstant 5 //saa definerer vi en variabel med vaerdien 5 int MinVariabel = 5; 18 Introduktion til programmering

19 // nu forsoeger vi saa at manipulere vaerdierne MinKonstant = MinKonstant+1; //Denne vil fejle, da man ikke kan aendre en konstant MinVariabel = MinVariabel+5; //Denne vil give MinVariabel værdien den havde + 5, altså Funktioner En funktion defineres med et navn (kun med karakterer fra det engelske alfabet), et sæt paranteser umiddelbart efter, og et sæt væltede tuborg klammer, der omkranser selve funktionens kode. Nogle funktioner skal bare udføre en opgave, mens andre funktioner bruges til at manipulere eller hente data, og returnere slutresultatet. Når man skriver selve funktionen med dens kode, kaldes dette at definere funktionen, og når du skal bruge den andetsteds, hedder det at kalde funktionen med eller uden parametre. En parameter er en (eller flere), værdier du kan sende med til funktionen som den skal arbejde med. int MinRegneMaskine(int x, int y){ return x+y; Ovenstående har jeg defineret en funktion der er af typen integer (heltal), hedder MinRegneMaskine, og tager to heltal som parametre. I selve funktionen står koden så, hvor den siger returnér værdien af x lagt sammen med y. Når jeg vil bruge funktionen andet sted, kunne jeg så eksempelvis skrive Serial.print(MinRegneMaskine(2,3)); Som så ville skrive resultatet af 2+3 ud, altså 5. Når man programmerer til en Arduino er der to funktioner der ALTID skal være i koden. setup og loop. Disse er defineret med et void foran, da de ikke behøver at returnere en værdi, men eksempelvis bare kunne indeholde koden der fik en LED til at blinke. 19 Introduktion til programmering

20 void setup() Dette er funktionen der indeholder alt den kode der skal køre lige når man tænder for Arduino, eller lige har trykket på reset knappen. Funktionen setup() er den første af de to nødvendige funktioner i et Arduino program. Typisk er det her man fortæller Arduino hvilke PINs (BEN), man vil benytte, og om man vil benytte dem som indgang eller udgang. Man kan også sige det på en anden måde, nemlig at setup indeholder al den kode der kun skal bruges een gang, når Arduino tændes. Et eksempel fra et projekt: void setup() { Serial.begin(9600); pinmode(dccackpin, OUTPUT); digitalwrite(dccackpin, LOW); Allerførst defineres funktionen med void setup(). Det betyder at vi ikke forventer at der bliver returneret noget fra denne funktion, og funktionen ikke tager nogle parametre. { betyder at nu begynder vi på koden til funktionen Serial.begin(9600); er en funktion til at starte seriel kommunikation pinmode(dccackpin,output); er måden at fortælle hvordan vi skal benytte en PIN (ben), i dette tilfælde som udgang digitalwrite(dccackpin, LOW); er måden hvorpå man fortæller en PIN (ben), hvilken værdi den skal have, i dette tilfælde skal den være slukket. betyder at nu er funktionens programmering afsluttet. 20 Introduktion til programmering

21 void loop() loop() funktionen er den anden nødvendige funktion i et Arduino program, og er funktionen der startes første gang når setup() er færdig, og kører så i ring, igen og igen, så hurtigt den kan (og det er ret hurtigt). Der er dog ting som kan sløve afviklingen, og alt efter hvad man skal bygge, kan det have betydning. // setup funktionen koeres en enkelt gang naar arduino taendes eller der bliver trykket paa reset void setup() { // Saetter pin 13 til at vaere udgang pinmode(13, OUTPUT); // Loop funktionen koerer igen og igen void loop() { digitalwrite(13, HIGH); // Taend for LED (HIGH er spaendingsniveauet) delay(1000); digitalwrite(13, LOW); delay(1000); // vent et sekund, som er det samme som 1000 milisekunder // sluk for LED ved at saette spaendingsniveauet til LOW // vent et sekund Resultatet vil være at LED på PIN 13 vil først tænde, så vente et sekund, før den slukker, så vente et sekund, og starte forfra. Når vi senere kommer til at kigge på at bygge dekodere, vil vi bruge denne funktion til kontinuerligt at "lytte" efter om der kommer et signal som vores dekoder skal reagere på. Det er ikke nok at lytte efter sådan et signal een gang,, det må man lytte efter kontinuerligt, igen og igen - og derfor kommer vi til at benytte loop funktionen. Eller et andet eksempel: Vi kommer til at lave et trafiklys, det kører jo også i "ring" eller i loop. int ROED = 13; int GUL = 12; int GROEN = 11; void setup(){ //de naeste 3 linier fortaeller at vi vil bruge PIN 11,12 og 13 til henholdsvis GROEN,GUL,ROED pinmode(roed,output); pinmode(gul,output); pinmode(groen,output); 21 Introduktion til programmering

22 // Loop funktionen koerer igen og igen - trafiklys udgave void loop() { digitalwrite(roed, HIGH); // Taend for ROEDT LYS delay(5000); // vent fem sekunder, som er det samme som 5000 milisekunder digitalwrite(gul, HIGH); // Taend for GULT LYS delay(3000); // vent tre sekunder, som er det samme som 3000 milisekunder digitalwrite(roed, LOW); // sluk for ROEDT LYS digitalwrite(gul, LOW); // sluk for GULT LYS digitalwrite(groen, HIGH); // Taend for GROENT LYS delay(5000); // vent fem sekunder, som er det samme som 5000 milisekunder digitalwrite(groen, LOW); // SLUK for GROENT LYS digitalwrite(gul, HIGH); // Taend for GULT LYS delay(3000); // vent tre sekunder, som er det samme som 3000 milisekunder digitalwrite(gul, LOW); // SLUK for GULT LYS //dette var en hel sekvens, saa nu kan loop starte forfra 22 Introduktion til programmering

23 pinmode() Funktionen pinmode bruges til at fortællle Arduino hvordan de forskellige PINs (BEN), skal bruge. Skal den bruges som udgang, eller indgang. Vi behøver kun at definere de PINs (ben), som vi rent faktisk benytter os af i en opstilling. pinmode(10,output); fortæller at digital ben 10 skal være en udgang - og altså give enten 0v (LOW) eller 5v (HIGH). Dette kan vi bruge direkte sammen med en modstand til at få en LED eller andet elektronik til at tænde eller slukke, eller generere et impulsstyret signal. pinmode(a0,input); fortæller os at den analoge port A0 skal benyttes som indgang. Det kunne eksempelvis være fra en knap, eller aflæse værdien af et potentiometer (variabel modstand). pinmode(11,input_pullup); giver os mulighed for at sige at hvis der ikke er noget signal på PIN (ben), 11 i dette tilfælde, så vil den være HIGH, altså +5v. Eksempelvis kan vi bruge den til at forbinde et ringetryk mellem PIN 11, og GND. Når så der skabes forbindelse igennem ringetrykket, vil PIN 11 blive LOW (0v). Hvorfor bruger man så INPUT_PULLUP? Jo, hvis man ikke gør, men skal aflæse værdien af en PIN, kan man ikke være sikker på om aflæsningen returnere et HIGH eller LOW signal, mens man ved at bruge INPUT_PULLUP kan sikre at den altid er i enten HIGH eller LOW stadie. Et eksempel kan ses på dette diagram. Fig. 3 En arduino forbundet med et ringetryk til VCC (5v) til PIN 11 (Arduinoens PIN 11, men "hjernens" ben 14). Denne løsning vil ikke altid give korrekt værdi på PIN 11, da den kan komme til at fejlregistrere et input. 23 Introduktion til programmering

24 Fig. 4 Hvis man i stedet havde ladet ringetrykket være forbundet til stel, og så mellem PIN 11 og ringetrykket trukket en forbindelse ud til en modstand (eksempelvis på 10 kohm), som så igen er forbundet til VCC (5v), så har man så lavet en PULL UP, så signalet vil gå HIGH når ringetrykket ikke er aktiveret, og LOW når den er aktiveret. I stedet for at lave opstillingen i Fig.4, er Arduino udstyret med interne pullup modstande, som man kan aktivere ved at sætte pinmode til INPUT_PULLUP - og dermed spare en modstand og en forbindelse. 24 Introduktion til programmering

25 digitalwrite() Når du skal fortælle en digital udgang om den skal være HIGH (+5v) eller LOW (0v), skal du bruge funktionen digitalwrite(). Den er faktisk utroligt simpel, og bruges eksempelvis således pinmode(11,output); digitalwrite(11,high); //Saetter PIN 11 til +5v digitalwrite(11,low); //Saetter PIN 11 til 0v. Det kan sammenlignes lidt med en elektronisk kontakt til en lampe som du tænder og slukker for. Denne udgang kan så styre andre ting, men må maksimalt belastes med 40 ma. Bemærk dog at hele Arduino må maksimalt belastes med 200 ma, dvs 5 PINs hvor du trækker 40mA - og så intet andet. Men bruger du mindre end 40 ma, eksempelvis kun 10 ma per PIN, kan du i teorien bruge 20x10mA. Eksempelvis kunne en udgang styre en transistor, som så kunne aktivere et relæ, en motor eller kaffemaskinen - bare for inspirationens skyld. analogwrite() Når vi skriver analogwrite ville det være naturligt at forvente vi kan skrue op og ned for spændingen på en udgang. Det kan man ikke, men noget der er næsten ligeså godt. Vi kan udnytte at Arduinoen er så super hurtig, så den kan kan skifte fra HIGH til LOW til HIGH hurtigere end du blinke med øjnene. Denne tænd sluk fuktionalitet kan udnyttes til noget man kalder Pulse Width Modulation eller PWW. I sin enkelthed går det ud på at at signalet skifter så hurtigt mellem HIGH og LOW, at det opfattes som en mindre spænding. Værdierne til analogwrite angives med eller ville oversat simulere en spænding mellem 0v og 5v med 0,02v intervaller. Eksempelvis analogwrite(testpin,127); //vil halvdelen af tiden vaere taendt og halvdelen af tiden vaere slukket, og dermed simulere en spaending paa ca 2,49v Vi kan bruge analogwrite når vi eksempelvis vil langsomt tænde eller slukke for en LED, eller hastigheden på en motor. 25 Introduktion til programmering

26 digitalread() Med denne funktion kan du aflæse en digital indgang for at se om det er HIGH (+5v) eller LOW (0v). Dette kan eksempelvis bruges til aflæse et ringetryk, eller andet elektronik. Vi skal dog være opmærksomme på at har vi ikke noget forbundet til den PIN som vi forsøger at aflæse, kan vi ikke være sikre på resultatet, og kan således få fejlaflæsninger. Derfor er det en fordel af bruge eksempelvis en PULLUP modstand som beskrevet under pinmode(). Typisk vil man sætte en variabel til værdien af et digitalread, eksempelvis således: define MININDGANG 11; int MinMaaling1 = 0; void setup() { pinmode(minindgang,input); void loop() { MinMaaling1 = digitalread(minindgang); 26 Introduktion til programmering

27 analogread() Som omtalt tidligere er en Arduino udstyret med en A/D konverter der kan måle spændingen på en given analog PIN. Hvor mange analoge PINs der er, afhænger lidt af Arduino modellen. Standard er der 6 kanaler, eller PINs om du vil, og 10 bits. Det betyder at for hver af de analoge ben, kan Arduino måle 1024 værdier (fra 0 til 1023). Hver værdi repræsenterer så 0,0049V (4,9mV). Så hvis man har 1,3V på PIN, så vil analogread måle Arduino kan lave en analogread på ca 0,0001 sekund, eller gange på et sekund. Det bliver derfor ofte benyttet sammen med en variabel modstand, eksempelvis et potentiometer, som igen eksempelvis kunne være en fart regulator til din modeljernbane. Eksemplet herunder minder meget om digitalread: define MININDGANG A0; int MinMaaling1 = 0; void setup() { pinmode(minindgang,input); void loop() { MinMaaling1 = analogread(minindgang); 27 Introduktion til programmering

28 delay() Hvis du ønsker dit program skal holde pause, kan du bruge funktionen delay(), den får programmet til at gå i stå i X antal millisekunder. Eksempelvis: delay(500); // saetter programmet paa pause i 0,5 sekund, der er det samme som 500 milisekunder. Til de helt simple programmer kan det være fint at bruge delay, men det er lidt et sidespor at komme ud på, da det sætter hele programmet på pause, og vi dermed ikke kan kontrollere andre ting i den periode hvor delay() kører. Hvis du har bygget et kredsløb som indeholder en form for kontakt, eksempelvis et ringetryk, så kan denne ikke aktiveres, hvis dit program er midt i en delay() sekvens. Der er det meget smartere at bruge millis() millis() Din arduino har en (eller for nogle flere), indbygget timer der tæller millisekunder siden du tændte den. Det kan vi udnytte til eksempelvis at lave et program, hvor vi kan styre flere ting uafhængigt af hinanden. Her vil vi lave en kode der blinker en lysdiode (LED), men uden at bruge delay() const int ledpin = 13; den PIN vi vil benytte // Her defineres en konstant (en vaerdi der ikke aendres undervejs), til at angive // Variable der vil aendres undervejs i programmet : int ledstatus = LOW; // Er LED taendt eller slukket - denne variabel gemmer stadiet LED er i // Generelt skal du bruge "unsigned long" for variabler der skal indeholde tid. // Vaerdien vil hurtigt blive for stor til at int kan indeholde den. unsigned long tidligeremillis = 0; // vil gemme det sidste tidspunkt LED stadie ændrede sig. // Konstant - aendres ikke undervejs : const long interval = 1000; // hvor lang tids interval der skal vaere mellem blink (millisekunder) void setup() { // SET LED pin til at vaere en udgang: pinmode(ledpin, OUTPUT); 28 Introduktion til programmering

29 void loop() { // Her er koden der skal koere igen og igen // Se om det er tid til at skifte status paa LED, ved at checke // differencen mellem den nuvaerende tid nuvaerendemillis og sidst der blev aendret status tidligeremillis unsigned long nuvaerendemillis = millis(); //vi gemmer hvor mange millisekunder der er gaaet siden Arduino blev taendt. if (nuvaerendemillis - tidligeremillis >= interval) { //hvis nuvaerende tid minus tidligere er stoerre end intervallet, saa skal vi aendre status paa LED // gem nuvaerende tidspunkt som tidligeremillis, så vi kan checke igen naeste gang tidligeremillis =nuvaerendemillis; // Hvis LED er slukket, saa taend, og vice versa: if (ledstatus == LOW) { ledstatus = HIGH; else { ledstatus = LOW; // Saet LED til ny status digitalwrite(ledpin, ledstatus); Som du kan se, er der ikke noget i ovenstaeende kode der afholder arduino for bare at koere igen og igen, og dermed kan man begynde at checke for eksempelvis input fra ringetryk eller andet. 29 Introduktion til programmering

30 if... then...else En af de allermest brugte funktioner er funktionen if(), der direkte oversat betyder hvis. Når man programmerer logikken, kommer man næsten ikke udenom denne funktion, da det er den man bruger til at checke hvorvidt en speciel situation er tilstede, eller det modsatte. Et eksempel kunne være at checke om et ringetryk var aktiveret. Groft oversat kan man sige at if funktionen, i sin simpleste form, er bygget op således: hvis(betingelse er opfyldt) { goernoget; Man har dog også mulighed for at udbygge den lidt, så man samtidig bruger else, som direkte oversat betyder ellers. Et pseudo eksempel på hvordan det ville fungere kunne vaere: hvis(betingelse er opfyldt){ goernoget; ellers { goernogetandet; Sidst men ikke mindst kan man sammenbygge if then else funktionen til man har noget der passer ens behov. I pseudo kode kunne et eksempel se således ud: hvis(betingelse1 er opfyldt){ goernoget; ellers hvis(betingelse1 ikke er opfyldt men betingelse2 er){ goernogetandet; ellers { goernogettredie; //hvis hverken betingelse1 eller betingelse2 er opfyldt Hvis vi kigger engang på rigtig kode i stedet for pseudo-koden ovenfor, så kunne et program, der tænder en LED ved tryk på et ringetryk, se således ud (næste side): 30 Introduktion til programmering

31 /* Knap Taender og slukker en LED forbundet til PIN 13, når et ringetryk på PIN 2 bliver aktiveret. Kredsloebet: * LED inkl formodstand er forbundet til PIN 13 fra GND (0v) * Ringetryk er forbundet til PIN 2 fra +5v. * en 10 kohm modstnd er forbundet fra GND (0v) til PIN 2, altså samme sted hvor ringetrykket er forbundet. Vi har foer omtalt PULLUP, i dette tilfaelde goer vi det modsatte, og laver en PULL DOWN, hvor hvis ikke ringetrykket er forbundet, traekker vi signalet til GND (0v), hvormed PIN2 bliver LOW. *Bemaerk at paa de fleste Arduinoer er der allerede en LED forbundet til PIN 13 direkte paa Arduino printet. */ // Konstanter, vaerdier der ikke aendres. // ofte brugt til at definere hvad der sidder paa hvilke pins: const int buttonpin = 2; const int ledpin = 13; // Hvilken PIN er ringetrykket forbundet til // Hvilken PIN er LED forbundet til // Variabler vil aendre sig efter behov: int buttonstate = 0; eller ej. // Variable for at aflaese hvorvidt at ringetrykket er aktiveret void setup() { // Lav LED pin til en udgang pinmode(ledpin, OUTPUT); // Lav ringetrykkets PIN som indgang pinmode(buttonpin, INPUT); void loop() { // Laes status paa ringetrykket - er det aktiveret eller ej og gem resultatet i variablen buttonstate: buttonstate = digitalread(buttonpin); 31 Introduktion til programmering

32 // Check om ringetrykket er aktiveret. // hvis den er, er variablen buttonstate HIGH: if (buttonstate == HIGH) { // Hvis buttonstate er HIGH, saa taend LED digitalwrite(ledpin, HIGH); else { // ellers (hvis buttonstate ikke er HIGH ( saa maa den vaere LOW)), sluk LED digitalwrite(ledpin, LOW); Operatører Når man bruger if then else, så skal man lave nogle betingelser der kan testes på. Det gør man ved hjælp af operatører. De mest grundlæggende er her: == Er lig med if(vaerdi1==vaerdi2)!= Er forskellig fra if(vaerdi1!=vaerdi2) < Er mindre end if(vaerdi1<vaerdi2) > Er større end if(vaerdi1>vaerdi2) <= Er mindre eller lig med if(vaerdi1<=vaerdi2) >= Er større eller lig med if(vaerdi1>=vaerdi2) && Og if(vaerdi1==vaerdi2&&vaerdi2==vaerdi3) // begge udsagn skal være opfyldt Eller if(vaerdi1==vaerdi2 vaerdi2==vaerdi3) //bare et af udsagnende er sande er den sand.! Ikke If(!vaerdi1) // hvis værdien af vaerdi1 er 0 eller false Der er også en anden god funktion der hedder switch(), jeg kommer ikke i dybden med den her - du kan det samme med if(), switch() er bare smartere nogle gange ;-) 32 Introduktion til programmering

33 include() I Arduino verdenen er der mange biblioteker man kan bruge til alt muligt. Eksempelvis kommer vi til at bruge færdige biblioteker der kan hjælpe os med at bygge dekodere. Måden du benytter dig af et bibliotek er include("mitbibliotek.h"); Herefter kan du i koden kalde de funktioner der er defineret i den fil du har inkluderet. Kommentarer Generelt behøver man ikke at lægge kommentarer ind i sin kode, men det er dog en yderst god vane at tillægge sig, da det bliver meget lettere at fejlsøge, samt ikke mindst overskue koden for sig selv og andre. I det øjeblik man uploader koden til sin Arduino, bliver alle kommentarer automatisk sorteret fra, så det ikke er noget der fylder i hukommelsen på Arduinoen. Der er to måder at lave kommentarer på, alt efter om du vil lave en kommentar der fylder en enkelt linie, eller flere linier. // bruges når man vil lave en kommentar på en enkelt linie. Alt der kommer efter // og til liniens slutning, opfattes som en kommentar. /* Bruges når man som dette eksempel viser ønsker at lave en kommentar over flere linier - her er det vigtigt at huske at afslutte kommentaren med */ Seriel kommunikation Seriel kommunikation er brugt rigtigt mange steder, også i Arduino verdenen når man skal "tale" med forskellige enheder. Dog er det ikke noget vi kommer til at kigge i dybden på i denne introduktion, da den eneste grund jeg har taget det med, er at det samtidig er et fantastisk værktøj til fejlsøgning. Måden vi benytter seriel kommunikation til fejlsøgning er ved at bruge den indbyggede seriel monitor, som viser os hvilke data der bliver skrevet til serielporten på Arduino. Du starter serielmonitoren fra menuen, eller ved at trykke ctrl+shift+m i Arduino IDE. Serial.begin() Serial.begin(9600); bruges til at starte den serielle kommunikation, i dette tilfælde med en hastighed på 9600 bits per sekund (også kaldet BAUD). Den kaldes fra funktionen setup(), da den kun skal startes een gang. 33 Introduktion til programmering

34 Serial.print() Serial.print() bruges til at udskrive en tekst til seriel monitoren, det kunne eksempelvis være en informativ tekst, eller værdier fra dine variabler, så du ved at de er rigtige. Arduino er rigtigt god til at checke din kode for fejl inden du får lov at uploade, men skulle er alligevel have sneget sig en fejl ind, ville du eksempelvis ved at bruge Serial.print("koden blev afviklet til linie X"); flere steder i koden. så kan du altid se hvor langt den er, når den fejler. Serial.println() Serial.println() gør det samme, men sætter et linieskift bagved, hvilket kan være meget nyttigt, da det hele så bliver så meget mere læsbart. Man kunne eksempelvis også bruge det til at skrive en kort beskrivelse af sin løsning, så hvis en anden koblede arduino ide til, og startede serielmonitoren, så fik de eksempelvis en instruktion til hvordan enheden virkede. Eksempelvis således: setup(){ Serial.println(" "); Serial.println(" MARTINs TEST KREDSLOEB v1.0 "); Serial.println(" "); Serial.println(" Serial.println(" "); Serial.println(" Tryk paa knappen for at faa LED til at lyse"); Naar du slipper knappen vil LED slukke"); Serial.println(" God fornoejelse!"); Serial.println(" "); Du kan også kombinere det, så hvis du eksempelvis vil læse værdien af en sensor loop(){ Serial.print("Min sensor har nu vaerdien: "); Serial.println(minVariabel); /* Her kan det vaere en fordel nogle gange at saette en delay paa, saa man faktisk faar tid til at aflaese vaerdien */ delay(500); 34 Introduktion til programmering

35 Eksperimenter Den digitale modeljernbane Vi bygger Vejarbejds advarselslys Trafiklys Skiftende lys til belysning af bygninger Signal dekoder Servo dekoder v1 (ren styring af servoer) Servo dekoder v2 (styring af servoer og polarisering af hjertestykker) Tilbagemeldingsmodul til 2 skinne drift ver 1 (LocoNet) Tilbagemeldingsmodul til 2 skinne drift ver 2 (S88) Kun fantasien sætter grænser Nu er du kommet igennem denne introduktion, som jeg håber du har fundet interessant og lærerig. Selvom vi kun har skrabet "overfladen", så er principperne vi har gennemgået her, nøjagtigt de samme hvad enten det er en rigtig computer, automatisk styring af hjemmets el-apparater, eller som du har set her, styring og animation af din modeljernbane. Det er kun din fantasi der sætter grænser - hvis ikke den ene arduino model passer til dine ideer, er der sikkert en anden, og ellers kan man jo koble dem sammen. Alt efter hvad det er man ønsker at lave, kan der dog være andre typer ala Arduino som også kunne være interessante at kigge på, og som oftes kan programmeres direkte fra Arduino IDE. 35 Eksperimenter

36 Tak til Bo Holmqvist, for korrektur samt diverse input til dette dokument. Medlemmer i facebook gruppen Modeljernbane elektronik for diverse inspiration. 36 Tak til