Arduino cursus/Dag 2

Input: sensoren

Signalen en events

We hebben te maken met verschillende soorten inputs: signalen en events.

Een signaal is continu: het heeft op elk moment een waarde. Meestal is dit een weergave ("spoor") van een fysisch proces..

Enkele voorbeelden van signalen: geluid; elektrisch signaal van de hartslag; lichtniveau (via LDR); temperatuur; snelheid; versnelling;

Periodieke signalen

Sommige signalen bestaat uit een herhalend patroon. We spreken dan over een periodiek signaal; de periode is de duur van het (kleinste) deel dat steeds herhaald wordt.

Enkele voorbeelden van periodieke signalen: sinus (toon); PWM-signaal (bijvoorbeeld voor het aansturen van een LED of van een motor);

Discretiseren van een signaal (bemonstering)

Een signaal is continu: voor het werken met een signaal in een computer moet je dit discreet maken, door middel van bemonstering. Dit betekent dat je periodiek de waarde van het signaal meet via een A/D omzetter: het resultaat van zo'n meting is een getal. Een signaal beschrijf je dan door een reeks getallen. Als je zo'n bemonstering vaak genoeg doet, kun je deze reeks waarden beschouwen als een betrouwbare benadering van het oorspronkelijke signaal.

Hoe vaak is "vaak genoeg"? Dat hangt van het signaal af. Als een signaal snel verandert (met andere woorden: als het signaal hoge frequenties bevat), dan zul je dit sneller moeten bemonsteren. Voor een periodiek signaal geldt dat je dit tenminste tweemaal in een periode moet bemonsteren; in de praktijk doen we dat meestal iets vaker.

• voorbeeld: de temperatuur in een kamer hoeven we niet elke 1/10 seconde te bemonsteren: zo snel verandert deze niet. In een vriezer of in een koelkast zal de temperatuur nog minder snel veranderen (door de isolatie).
• Hoorbaar geluid heeft frequenties tot ca. 15 kHz; dit zul je dan met tenminste 30 kHz moeten bemonsteren.

Events

Een event is een gebeurtenis die op een bepaald moment plaatsvindt. In onze aanpak speelt de duur van een event geen rol: een event is "momentaan".

Voorbeelden van events: het indrukken van een toets; een muisklik; het aflopen van een kookwekker; een val; een stap; een hartslag;

Ook events kunnen (semi-)periodiek zijn: denk bijvoorbeeld aan de stappen van iemand die loopt; of aan een reeks opeenvolgende hartslagen. In deze voorbeelden kan er een kleine variatie in de periode tussen de opeenvolgende events zitten.

Een event is soms een gebeurtenis die in een signaal herkend kan worden: bijvoorbeeld, in een electrocardiogram (ECG: hartsignaal) kunnen we de hartslagen herkennen. Of in het signaal van een 3D-versnellingsopnemer (accellerometer) kunnen we de stappen herkennen.

Een eenvoudig voorbeeld hiervan: in het signaal van een drukknop kunnen we de overgang L->H herkennen: dit komt overeen met het indrukken van de drukknop.

Sensoren

Sommige sensoren meten een signaal:

• temperatuursensor
• lichtsensor (LDR)
• potmeter (potentiometer)
• versnellingsopnemer (accellerometer)
• microfoon
• afstandssensor

Andere sensoren detecteren een event:

• bewegingsmelder
• deursensor (openen/sluiten van een deur)
• brandmelder

Soms gebruiken we een stukje programma om een event in een signaal te herkennen:

• indrukken van een toets
• hartslag in een hartsignaal

Voorbeelden van deze sensoren - voor signalen en events - behandelen we in de opdrachten verderop.

Signalen: van input(sensor) naar output(actuator)

Sensoren met een signaal als output kun je koppelen aan actuatoren met een signaal als input. Soms moet je het signaal daarvoor aanpassen - bijvoorbeeld door middel van schaling (map-functie), filtering, of andere berekeningen. De tabel hieronder geeft voorbeelden van sensoren en actuatoren die je op een dergelijke manier direct kunt koppelen. Sommige combinaties zijn nuttig, andere vooral creatief.

in (signaal)	bewerking	output (signaal)
input = analogRead(pin);	map(in, inFrom, inTo, outFrom, outTo)	analogWrite(pin, out);
potmeter	...filter...	buzzer (toonhoogte)
LDR (lichtniveau)	...	LED (helderheid)
temperatuursensor	...	RGB-LED (kleur)
kracht/gewichtsensor		display (waarde)
oriëntatiesensor (kompas)		motor (snelheid)
versnellingopnemer		servo (hoek)
geluidsniveausensor		...
afstandssensor		...
...		timer (periode)
...		-> tikker, enz.
...		...

De Arduino-code voor deze directe koppeling van input- en outputsignalen kan er als volgt uitzien:

  input = analogRead(sensorPin);
  output = map(input, inFrom, inTo, outFrom, outTo);
  digitalWrite(output);

Dit kunnen we nog directer weergeven:

  digitalWrite(map(analogRead(sensorPin), inFrom, inTo, outFrom, outTo));

Opdrachten - van sensorsignaal naar actuator-input

input (sensor)	output (actuator)	opdracht(en)	library	voorkennis
analoge temperatuursensor	serial plotter; display	Arduino cursus/Analoge temperatuursensor	(met schaling)	display
digitale temperatuursensor	serial plotter; display	Arduino cursus/Digitale temperatuursensor	(met schaling)	display
afstandssensor	serial monitor; display;	Arduino cursus/Afstandssensor		display
hartslagsensor	serial plotter; LED	Arduino cursus/Hartslagsensor
LDR (lichtsensor)	serial plotter; buzzer (tone)
potmeter	servo	Arduino cursus/Servo-0

Nog wat ideeën:

• afstandssensor met buzzer (kliksnelheid - vgl. parkeersensor?)
• afstandssensor met servo
• afstandssensor met buzzer (tone)
• potmeter met RGB-LED (kleur)

Events en event-detection

Een event is een momentane gebeurtenis. Een voorbeeld is het indrukken van een button. Dit kunnen we herkennen in het (digitale) ingangssignaal, aan de overgang LOW->HIGH. Om deze te detecteren, hebben we zowel de vorige waarde van de input nodig, als de huidige. Deze vorige waarde van de input bewaren we in een globale variabele. De structuur van event-detectie en de verwerking daarvan heeft de volgende vorm:

  if (event) {
    eventAction;
  }

In het voorbeeld van de button wordt dit:

  prevInput = input;
  input = digitalRead(buttonPin);
  if (prevInput == LOW && input == HIGH) {
    switchLedState();
  }

input (event)		output (event)
button (indrukken)		digitalWrite(...)
timer		LED aan/uit
bewegingsdetector		motor aan/uit; richting
		relais aan/uit

Sensor	detectie	output (event)	opdracht(en)	library	voorkennis
button	indrukken van button	omschakelen van een LED	Arduino cursus/Button-event
bewegingsdetector	beweging	omschakelen van een LED	Arduino cursus/Bewegingsdetector
hartslagsensor	hartslag (signaalniveau)	knipperen van een LED	Arduino cursus/Hartslagsensor
directe koppeling met beslissing	temperatuursensor met LED-indicatie		analoge input; schaling;
bewegingsdetector met lichtschakelaar (LED)	veiligheidsverlichting		timers; LDR; (eventueel: relais/MosFET)

Meerdere taken "tegelijk"

We hebben tot nu toe steeds gewerkt met een enkele taak - zoals het knipperen van een LED, of het aannsturen van een servo met een potmeter. In een realistische toepassing wil je meerdere taken kunnen uitvoeren. Elke taak heeft daarbij zijn eigen tijdseisen: de LED moet op tijd knipperen, de aansturing van de servo vanuit de potmeter moet "direct" zijn. Computers zijn snel genoeg om meerdere taken "tegelijk" uit te voeren, dat wil zeggen: door snel te wisselen tussen de verschillende taken lijkt het alsof deze tegelijk uitgevoerd worden. Dit noemen we multitasking.

Om snel te kunnen wisselen tussen de deelacties van de verschillende taken is het van belang dat deze deeltaken niet te lang duren: anders kunnen de andere taken niet aan hun tijdseisen voldoen. Voorbeelden van deelacties die lang kunnen duren, en daarmee de voortgang kunnen blokkeren:

• delay(t) - blokkeert de processor gedurende t milliseconden;
• wachten op de invoer van een sensor, van de host, e.d.

Een voorbeeld van het gebruik van delay hebben we gezien bij Blink: het knipperen van een LED. Een voorbeeld van het (langdurig) wachten op de input van een sensor zien we bij de digitale temperatuursensor: het kan 750 msec. duren voordat het meetresultaat beschikbaar is.

Een gevolg van het gebruik dan delay bij Blink is dat we geen andere taken tegelijk kunnen uitvoeren. We kunnen bijvoorbeeld niet een tweede LED tegelijk laten knipperen, met een andere frequentie. Dit probleem kunnen we wel oplossen als we timers gebruiken, in plaats van delay: een timer is een soort kookwekker: als deze afloopt, voeren we de uitgestelde actie uit. Terwijl de timer loopt kunnen we andere acties uitvoeren.

Timers

Een timer is een soort kookwekker: je start een timer met een bepaalde duur; als de timer afloopt, voer je een uitgestelde actie uit. Een timer kan ook periodiek zijn, om met een vaste regelmaat een actie uit te voeren. Timers kunnen zowel in hardware als in software uitgevoerd zijn. We behandelen hier een software timer: daarbij maken we gebruik van de "systeemklok": de functie millis() die het aantal milliseconden telt sinds de laatste reset van de Arduino.

We geven hier het voorbeeld van een knipperende LED met behulp van een timer. Dit is een vereenvoudigde versie van "Blink without delay", zie Bestand->Voorbeelden->02. Digital->BlinkWithoutDelay.

const int ledPin = LED_BUILTIN;
int ledState = LOW;

unsigned long timerPeriod = 1000L;
unsigned long timerStart = 0;

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  unsigned long now = millis();
  if (now - timerStart >= timerPeriod) {
    timerStart = now;
    // timer action:
    if (ledState == LOW) {
      ledState = HIGH;
    } else {
      ledState = LOW;
    }
    digitalWrite(ledPin, ledState);
  }
}

Voor de timer is het volgende van belang:

Een timer heeft de volgende onderdelen:

• timerStart - een variabele met het begintijdstip van de timer
• timerPeriod - een variabele met de periode van de timer
• een conditionele actie, uitgevoerd als de timer afloopt:

  if (millis() - timerStart >= timerPeriod) {
    timerStart = millis(); // restart timer
    .... // timer action
  }

• gebruik unsigned long voor alle waarden en berekeningen met software timers
  • het bereik van int is -32768..32767; van 0..4294967295
• de test heeft altijd de vorm: millis() - start >= period
  • deze conditie werkt ook bij "overflow" van de milliseconden-teller.
• de opdracht timerStart = now; start een volgende periode van de timer.
• je stop de timer met de opdracht timerPeriod = infinity, met const unsigned long infinity = 4294967295

Nog enkele opmerkingen:

• een herstartende timer is een periodiek signaal - dit kun je gebruiken voor het genereren van andere periodiek signalen;
• het verschil start + periode - millis() geeft de resterende tijd van de timer aan. Dit kun je bijvoorbeeld gebruiken als PWM-parameter, om een LED geleidelijk te laten dimmen.

Opdrachten

Omschrijving	opdracht	voorkennis
knipperende LED (duty cycle 50%))	Arduino cursus/Blink met timer-0	Blink (LED)
knipperende LED (duty cycle instelbaar)	Arduino cursus/Blink met timer-1	Blink (LED)
twee onafhankelijk knipperende LEDs	Arduino cursus/Blink-2-LEDs	Blink met timer-0
tikker (met instelbare periode)	Arduino cursus/Tikker	Blink met timer-0

Automaten

Om meerdere taken "tegelijk" uit te kunnen voeren moet elke taak in stukken opgeknipt worden die voldoende klein zijn om de voortgang van andere taken niet te blokkeren. Een handig model hiervoor is de eindige automaat (finite state machine; meestal kortweg "state machine"/automaat). Een automaat wordt gekenmerkt door:

• een eindig aantal toestanden; we geven elke toestand een naam (of een nummer);
  • één van deze toestanden is de begintoestand van de automaat.
• overgangen tussen de toestanden; een toestand hangt af van invoersymbool (in ons geval: een event).
  • bij een overgang hoort ook vaak een uitvoer: het zetten van een digitale output, of het genereren van een event die elders gebruikt wordt.

Vaak tekenen we een automaat in de vorm van een "ballenplaatje":

Een erg eenvoudig voorbeeld van een eindige automaat is de knipperende LED. Deze heeft 2 toestanden: aan en uit. Het diagram hiervoor ziet er als volgt uit:

We geven de begintoestand van een automaat hier aan door een los inkomend pijltje.

Van diagram naar Arduino-code

We kunnen een dergelijk diagram op een systematische manier vertalen naar Arduino-code:

• we gebruiken een (int) variabele om de toestand vast te leggen.
  • we kunnen hiervoor ook een enum-type gebruiken; zie het verkeerslichten-voorbeeld;
• in de setup-functie geven we deze variabele de waarde van de begintoestand
  • we moeten in de setup ook de uitvoer-actie voor de begintoestand uitvoeren
• voor elke overgang (pijl) van toestand A naar toestand B, met conditie (event) eventCondition, en overgangs-actie transAction krijgen we in de loop-functie:

  if (state == A && eventCondition) {
    state = B;
    transAction;
  }

• de volgorde van deze overgangen-code in de loop is niet van belang: elke overgang is onafhankelijk van de andere overgangen.

Voorbeeld van een automaat: knipperende LED

Voor de knipperende LED wordt dit (zie ook Arduino cursus/Blink met timer-1):

• toestands-variable: int ledState;
  • deze heeft de waarden LOW (0) en HIGH (1).
• begintoestand, in setup

  ledState = LOW;
  digitalWrite(ledPin, ledState);

• de event-conditie voor de overgangen bestaat uit de timer-conditie:

  if (ledState == LOW && now - timerStart >= offPeriod) {
    ledState = HIGH; // invert LED
    digitalWrite(ledPin, ledState);
    timerStart = now;
  }
  if (ledState == HIGH && now - timerStart >= onPeriod) {
    ledState = LOW; // invert LED
    digitalWrite(ledPin, ledState);
    timerStart = now;
  }

Merk op dat we door deze aanpak voor de beide overgangen verschillende condities kunnen kiezen. Dit maakt het mogelijk om de tijd voor de beide periodes onafhankelijk te kiezen.

Voor een groter voorbeeld, zie Arduino cursus/Verkeerslichten

Andere problemen die we met een automaat kunnen oplossen:

• het herkennen van een pincode o.i.d.

Opdrachten

Niet alle combinaties van inputs en outputs zijn geschikt. Sommige zijn nuttig; andere vooral creatief.

		opdracht
software timer	knipperende LED (duty cycle 50%))	Arduino cursus/Blink met timer-0		Blink (LED)
software timer	knipperende LED (duty cycle instelbaar)	Arduino cursus/Blink met timer-1
directe koppeling met schaling	LDR en buzzer (toonhoogte)
directe koppeling met beslissing	temperatuursensor met LED-indicatie		analoge input; schaling;
directe koppeling met schaling	potmeter met kleur		analoge input; schaling
bewegingsdetector met lichtschakelaar (LED)	veiligheidsverlichting		timers; LDR; (eventueel: relais/MosFET)

Automaat - met input

bouwsteen	opdracht(en)	library	voorkennis
button (indrukken als event)
bewegingsdetector			LED
hartslagsensor detecteren van hartslag			display; LED
(software) timer	Blink without delay		Blink (LED)
directe koppeling met schaling	LDR en buzzer (toonhoogte)
directe koppeling met beslissing	temperatuursensor met LED-indicatie		analoge input; schaling;
directe koppeling met schaling	potmeter met kleur		analoge input; schaling
bewegingsdetector met lichtschakelaar (LED)	veiligheidsverlichting		timers; LDR; (eventueel: relais/MosFET)

Timers en multitasking

bouwsteen	opdracht(en)	library	voorkennis
timer	LED: symmetrisch knipperen
timer	LED: PWM (o.a. voor dimmer)		LED
timer: oneshot (delay)	LED (voorbereiding nachtlamp) - met button		Button
tikker(met buzzer)	Arduino cursus/Tikker		timer
(mini-project)	bewegingsdetector (en evt. LDR) met LED-schakelaar/timer		timer (one-shot); evt. LDR;
(mini-project)	afstandssensor met tikker

NB: we hebben zowel simpele opdrachten - om een bouwsteen te leren kennen; met enkele variaties, ook voor een beter begrip. En we hebben (mini)projecten waarin we enkele bouwstenen combineren.

In latere projecten zullen we meerdere bouwstenen combineren.

Projecten

• verkeerslichten