講習会 Arduino

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ありみちたにしき
5 years ago
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1 講習会 Arduino 12 回目最後センサー入力

2 目的 3 回目ディジタル入力と出力と 4 回目アナログ入力と出力を応用してセンサーの値を入力 Arduino の処理として利用する入手したセンサー値から適切な処理を行う

3 センサー自然現象や人工物の機械的電磁気的熱的音響的化学的性質あるいはそれらで示される空間情報時間情報を何らかの科学的原理を応用して人間や機械が扱い易い別媒体の信号に置き換える装置のことをいいセンサを利用した計測判別を行うことをセンシングという検知器とも呼ばれる世の中には数多くのセンサーがあり人間に目や耳鼻もセンサーとして考えることができる

4 原理による分類機械量加速度加速度センサ力ストレインゲージ ( ひずみゲージ ) ロードセル ( 荷重による変位量がわかっている物体とひずみゲージを組み合わせた荷重センサ ) 半導体圧力センサ振動音波 - マイクロフォン超音波

5 熱温度接触式サーミスタ抵抗測温体熱電対非接触式放射温度計

6 光放射線光光センサ光電素子フォトダイオード赤外線放射線

7 電気電場電流電圧電力

8 磁気磁気センサ

9 化学においイオン濃度ガス濃度

10 時空間による分類時間時計

11 位置光位置センサ (PSD) リミットスイッチ

12 距離超音波距離計静電容量変位計光学式測距電磁波式測距

13 変位差動トランスリニアエンコーダ

14 速度レーザードップラー振動速度計レーザドップラー流速計

15 回転角ポテンショメータ回転角センサ

16 回転数タコジェネレータロータリエンコーダ

17 角速度ジャイロセンサ

18 一次元画像リニアイメージセンサ

19 二次元画像 CCD イメージセンサ CMOS イメージセンサ

20 用途による分類液漏液センサ ( リークセンサ ) ( 読み : ろうえき ) 液検知センサ ( レベルセンサ ) 硬度湿度流量傾斜地震センサ

21 このように数多くのセンサーによって世の中の機械は動いているセンサーがないと機械を制御することはできない例えばボリュームとかでもアナログ値を読んで処理をしているという意味ではセンサーであるスイッチでも押した押さないを判別して処理をするためセンサーである

22 マイコンカーにあるセンサー例ポテンショメータ抵抗値から角度を測定ロータリーエンコーダ回転量から速度や距離を測定反射型デジタルセンサ白線の有無を測定

23 使い方が簡単なセンサースイッチデジタル式の測距センサこれらは digitalread で入力処理が可能ポテンショメータ ( ボリューム ) analogread で入力処理が可能

24 デジタル入力での簡単な方法 void setup() { pinmode(2,input); pinmode(12,output); } void loop() { if(digitalread(2) == HIGH){ digitalwrite(12,high); } else{ digitalwrite(12,low); } }

25 スイッチを押すと LED が点灯するスイッチが入力装置であり LED が出力装置スイッチが押されたのかを判断しているためセンサーの役割を持つことが分かる

26 アナログ入力での簡単な方法 void setup() { pinmode(13,output); } void loop() { if(analogread(a0) > 500){ digitalwrite(13,high); } else{ digitalwrite(13,low); } }

27 ボリュームを回して半分を超えたら LED が点灯ボリュームが入力装置であり LED が出力装置ボリュームでの電圧降下から残った電位を判断しているためセンサーの役割を持つことが分かる

29 動画

30 ポテンショメータの例 2 int check; int check2; int test; void setup(){ Serial.begin(9600); check = analogread(a0); } void loop(){ check2 = analogread(a0); test = check2 - check; Serial.println(test); }

31 始めの抵抗値を読んでそこを基準とするそれ以降ボリュームを左右に傾けると数値が増減してどのくらいズレているのか分かるボリュームが入力装置である基準を 0 として正負の値が出力される

33 動画

34 Arduino ではデジタルアナログの入力処理が非常に簡単であるためすぐに使えるようになると思われるしかしこのままでは順番に読んでいるので優先順位とかがない読み飛ばしが起こる可能性があるためセンサーの入力に外部からの割り込み処理を入れることができる一応紹介するが確信を得ていない

35 関数紹介 ( 外部割り込み ) attachinterrupt() detachinterrupt()

36 attachinterrupt() attachinterrupt の 1 番目の引数は割り込み番号である通常デジタルピンを割り込み番号に変換するには digitalpintointerrupt(pin) を利用する必要がある例えば 3 番ピンを利用するときには digitalpintointerrupt(3) を attachinterrupt() の 1 番目の引数に指定する

37 ボード割り込みに利用可能なデジタルピン Uno Nano Mini 他の328ベースのボード 2 3 Mega Mega2560 MegaADK Micro Leonardo 他の32u4ベースのボード Zero 4 番ピン以外のすべてのデジタルピン Due すべてのデジタルピン

38 注意指定した関数の中では delay() は動作せずまた millis() によって返却される値も増加しないその関数の実行中に受信したシリアルデータはなくなる可能性がある指定した関数の中で変更する変数は volatile 変数として宣言するべきである下記の ISR を参照のこと

39 割り込みの利用マイクロコントローラのプログラム中で自動的に何かを行おうとしたときに割り込みは有用でありタイミング問題を容易に解決する割り込みを使うよい例にはロータリーエンコーダの読み込みやユーザ入力の監視などがあるプログラムがロータリーエンコーダからの信号を欠落することなく常に補足することを保証したいと思ったら発生した信号を捕捉するためにプログラムは常にエンコーダがつながっているセンサーを監視しなければならないので ( 割り込みを使わない場合は ) 何をするにもとても巧妙なプログラムを書く必要があるクリックを捕捉するための音センサや硬貨が落ちるのを捕捉する赤外線センサといった他のセンサーもインタフェースに関する同様の問題をもっているこれらの全ての状況において割り込みを利用することで呼び鈴が鳴ったことの検出を失敗することなく他の作業をマイクロコントローラに自由に実行させることができる

40 ISR(Interrupt Service Routine: 割り込みサービスルーチン ) について ISR は他の多くの関数が持っていない特徴を持つ特別な関数である ISR は引数をとることができず戻り値もない一般に ISR はできる限り短くかつ速くなければならないスケッチ内に複数の ISR があっても同時には一つだけが実行される他の ISR は現在の ISR の終了後優先度に応じた順序で実行される millis() の計測は割り込みに依存しているので他の ISR の実行中には増加しない delay() の動作には割り込みが必要なので ISR の中から呼ばれても動作しない micros() は最初は動作するが 1~2 秒後には乱れてしまう delaymicroseconds() は ( 割り込みに依存する ) カウンタを利用しないので通常通り動作する一般的に ISR とメインプログラムとのデータのやり取りにはグローバル変数を利用する ISR とメインプログラムで共有する変数が確実に更新されるためにはその変数を volatile として宣言する必要がある

41 attachinterrupt(interrupt, function, mode); interrupt 割り込みの番号 digitalpintointerrupt() を利用する function 割り込みが発生したときに呼び出す関数へのポインタこの関数は引数も返り値も持たない割り込みサービスルーチンと呼ばれることもある mode いつ割り込みサービスルーチンを呼び出すかを指定する以下に示す4つの定数が定義されている LOW ピンがLOWのときに割り込みサービスルーチンを呼び出す CHANGE ピンの値が変わった時に割り込みサービスルーチンを呼び出す RISING ピンがLOWからHIGHになった時に割り込みサービスルーチンを呼び出す FALLING ピンがHIGHからLOWになった時に割り込みサービスルーチンを呼び出す

42 例 int pin = 13; volatile int state = LOW; void setup() { pinmode(pin, OUTPUT); attachinterrupt(digitalpintointerrupt(pin), blink, CHANGE); } void loop() { digitalwrite(pin, state); } void blink() { state =!state; }

43 const byte ledpin = 13; const byte interruptpin = 2; volatile byte state = LOW; void setup() { pinmode(ledpin, OUTPUT); pinmode(interruptpin, INPUT_PULLUP); attachinterrupt(digitalpintointerrupt(interruptpin), blink, CHANGE); } void loop() { digitalwrite(ledpin, state); } void blink() { state =!state; }

44 割り込み番号通常割り込み番号を直接スケッチに記述するのではなく digitalpintointerrupt(pin) を利用すべきであるピン番号と割り込み番号のマッピングはボードにより異なる割り込み番号を直接書くのは簡単に見えるが他のボードで利用するときの互換性に問題があるしかし古いスケッチではしばしば割り込み番号を直接記述している 0( デジタルピン 2 番 ) と 1( デジタルピン 3 番 ) がよく使われている次の表に各ボードでのピンと割り込み番号の関係を示す

45 ボード int.0 int.1 int.2 int.3 int.4 int.5 Uno, Ethernet 2 3 Mega u4ベース (Leonard Microなど ) Due Zero ( 下記参照 ) Arduino Due は強力な割り込み能力を持っているすべてのピンに割り込みサービスルーチンを割り当てることができる attaachinterrupt() でピン番号を直接指定可能である Arduino Zero では 4 番ピン以外のピンに割り込みサービスルーチンを割り当てることができる attaachinterrupt() でピン番号を直接指定可能である

46 detachinterrupt() 指定した割り込みを抑制する detachinterrupt(interruptnum); interrupt 割り込みを抑制する割り込みの番号 digitalpintointerrupt(pin) を利用する

47 外部割込みの例次の例はスタートゲートタイマーを作った際に書いたプログラムの外部割込み部分である合っているかは分からない

48 volatile int sens1; volatile int sens2; void Sensor1() {//1 if (digitalread(sensor1) == HIGH) { sens1 = 1; } if (digitalread(sensor1) == LOW) { sens1 = 0; } } void Sensor2() {//2 if (digitalread(sensor3) == HIGH) { sens2 = 1; } if (digitalread(sensor3) == LOW) { sens2 = 0; } }

49 void setup(){ pinmode(sensor1, INPUT_PULLUP); pinmode(sensor3, INPUT_PULLUP); attachinterrupt(0, Sensor1, CHANGE);//D2 attachinterrupt(1, Sensor2, CHANGE);//D3 }

50 関数紹介 ( 割り込み ) interrupts() nointerrupts()

51 interrupts() (nointerrupts() によって禁止された後 ) 割り込みを許可する割り込みによってバックグラウンドである種の重要なタスクが起動する割り込みはデフォルトでは許可されている割り込みが禁止されているときには動作しない関数があるまた外部からの受信したデータは無視される割り込みはプログラムが実行されるタイミングに少し悪影響を与える特にプログラムのクリティカルセクションでは割り込みを禁止することがある

52 void interrupts(void)

53 例 void setup() {} void loop(){ nointerrupts(); // critical, time-sensitive code here interrupts(); // other code here }

54 nointerrupts() 割り込みを禁止する禁止した割り込みは interrupts() で再度許可することができる割り込みによってバックグラウンドである種の重要なタスクが起動する割り込みはデフォルトでは許可されている割り込みが禁止されているときには動作しない関数があるまた外部からの受信したデータは無視される割り込みはプログラムが実行されるタイミングに少し悪影響を与える特にプログラムのクリティカルセクションでは割り込みを禁止することがある

55 void nointerrupts(void)

56 例 void setup() {} void loop(){ nointerrupts(); // クリティカルでリアルタイム性の高いコード interrupts(); // ほかのコード }

57 クリティカルセクションクリティカルセクション (Critical section) とは計算機上において単一のリソースに対して複数の処理が同時期に実行されると破綻をきたす部分を指すクリティカルセクションにおいては排他制御を行うなどしてアトミック性を確保する必要があるリソースの同一性が保証されなくなる可能性がある場合はクリティカルセクションでは常に排他制御を行う必要があるクリティカルセクションの排他制御ではデッドロックに注意する必要がある

58 今回は触れていないが細かい例が以下のサイトに書いている

59 最後に今回のセンサー入力に関する内容を持って Arduino 講習会は終わりとなる今まで話した内容は自分の経験談を含めているので実際に利用されているものとは異なるものが多いと思われる複数のサイトを参考に作っている内容もあるのでネットや本を参考に新しく調べてみると面白いと思われる

60 試験について 3 月 23 日金曜日の午後から今までの確認試験を行う範囲は Arduino の 1 回目から 12 回目まで全般を出す予定だが出さない部分もあるかもしれない偏りがある筆記 ( 穴埋め )50 点説明 2 問 20 点実技 (TinkerCAD によるシミュレーション )3 問 30 点の予定 100 点満点 60 点以上が合格筆記は口頭で文章を読むから何の説明かもしくは開いている部分を答える ( ホワイトオードに書いてその場で採点する ) 説明はお題を PP で表示するから 1 人 10 分くらいで説明 ( ホワイトボードを使ってよい ) 実技はお題を PP で表示するから TinkerCAD を使って回路とプログラムを組んでシミュレーションする実際に動作すれば点が入る

61 課題アナログ入力とデジタル入力で LED の点灯をしてみるアナログ入力で得た数値をシリアルモニタで表示してみる割り込み処理をしてみる ( 応用 )

スライド 1

スライド 1 2013 年 6 月 10 日 : 草稿 2013 年 7 月 19 日 : 初稿マイコンをはじめようセンサを使おう徳島大学大学院ソシオテクノサイエンス研究部技術専門職員辻明典連絡先 : 770-8506 徳島市南常三島町 2-1 TEL/FAX: 088-656-7485 E-mail::a-tsuji@is.tokushima-u.ac.jp センサを使おう第 3 回 2013/8/3(Sat)