Микроконтроллеры: Arduino, порты, прерывания

Устройство микроконтроллера, работа с портами ввода-вывода, чтение аналоговых датчиков, ШИМ, прерывания и таймеры, опрос против прерываний, типовая схема стенда.

Курсовые по автоматизации и микроконтроллерам чаще всего делают на Arduino: дешёвая плата, простая среда и наглядный результат, который можно принести на защиту в собранном виде.

Что внутри микроконтроллера

Цифровые входы и выходы

const uint8_t LED_PIN = 13;
const uint8_t BTN_PIN = 2;

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  pinMode(BTN_PIN, INPUT_PULLUP);   // встроенная подтяжка к питанию
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // При INPUT_PULLUP кнопка, соединяющая вход с землёй, даёт LOW
  bool pressed = (digitalRead(BTN_PIN) == LOW);
  digitalWrite(LED_PIN, pressed ? HIGH : LOW);
}

Без подтягивающего резистора вход «висит в воздухе» и ловит наводки — показания случайны. Режим INPUT_PULLUP включает резистор внутри контроллера, поэтому внешний не нужен: кнопку достаточно соединить с землёй.

Дребезг контактов

unsigned long lastPress = 0;
const unsigned long DEBOUNCE_MS = 50;
bool lastState = HIGH;

void loop() {
  bool state = digitalRead(BTN_PIN);
  if (state != lastState && millis() - lastPress > DEBOUNCE_MS) {
    lastPress = millis();
    lastState = state;
    if (state == LOW) counter++;      // сработало один раз на нажатие
  }
}

Аналоговые измерения

АЦП на 10 разрядов: 0…1023 отсчёта на диапазон 0…5 В

  Напряжение: U = отсчёт · 5,0 / 1023
  Разрешение: 5 В / 1024 ≈ 4,9 мВ на единицу

Пример с делителем напряжения для измерения до 15 В:
  R1 = 20 кОм, R2 = 10 кОм → коэффициент деления 3
  U_вх = (отсчёт · 5,0 / 1023) · 3

const uint8_t SENSOR = A0;

float readVoltage() {
  // Усреднение подавляет шум измерения
  uint32_t sum = 0;
  for (uint8_t i = 0; i < 16; i++) {
    sum += analogRead(SENSOR);
    delayMicroseconds(200);
  }
  float code = sum / 16.0;
  return code * 5.0 / 1023.0;
}

// Термистор или LM35: 10 мВ на градус
float readTemperature() {
  return readVoltage() * 100.0;
}

ШИМ

Широтно-импульсная модуляция: среднее напряжение задаётся
долей времени включённого состояния

  U_ср = U_пит · D,   где D = t_вкл / T — коэффициент заполнения

analogWrite(pin, 0…255):  128 соответствует D = 0,5, то есть 2,5 В при 5 В питания
Частота ШИМ на Arduino Uno ≈ 490 Гц (или 980 Гц на выводах 5 и 6)

const uint8_t MOTOR = 9;      // вывод с поддержкой ШИМ

void setMotorSpeed(uint8_t percent) {
  analogWrite(MOTOR, map(percent, 0, 100, 0, 255));
}

// Плавный разгон
for (uint8_t p = 0; p <= 100; p += 5) {
  setMotorSpeed(p);
  delay(100);
}

Управлять двигателем напрямую с вывода нельзя: линия отдаёт максимум 40 мА, а мотору нужны сотни. Между ними ставят транзистор или драйвер (L298N, IRF540) — это обязательный элемент схемы в курсовой.

Прерывания

volatile uint32_t pulseCount = 0;   // volatile обязательно!

void countPulse() {                 // обработчик прерывания
  pulseCount++;                     // только самое необходимое
}

void setup() {
  pinMode(2, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), countPulse, FALLING);
}

void loop() {
  noInterrupts();
  uint32_t count = pulseCount;      // атомарное чтение копии
  interrupts();
  Serial.println(count);
  delay(1000);
}

• Переменная, изменяемая в обработчике, обязана быть volatile — иначе компилятор закэширует её в регистре и основной код не увидит изменений.
• В обработчике нельзя вызывать delay() и Serial.print() — они сами используют прерывания.
• Обработчик должен быть максимально коротким: увеличить счётчик, поднять флаг. Вся обработка — в основном цикле.
• Чтение многобайтной переменной нужно защищать от прерывания, иначе можно поймать половину старого и половину нового значения.

Опрос или прерывания

Работа без delay

// delay() блокирует всё: за это время контроллер ничего не делает
unsigned long lastRead = 0, lastBlink = 0;
bool ledState = false;

void loop() {
  unsigned long now = millis();

  if (now - lastRead >= 500) {          // датчик — раз в 500 мс
    lastRead = now;
    Serial.println(readTemperature());
  }

  if (now - lastBlink >= 1000) {        // индикатор — раз в секунду
    lastBlink = now;
    ledState = !ledState;
    digitalWrite(LED_PIN, ledState);
  }

  handleButton();                       // кнопка опрашивается постоянно
}

Что включить в курсовую

1. Схема электрическая принципиальная с указанием номиналов и типов элементов.
2. Расчёт токоограничивающих резисторов и делителей напряжения.
3. Алгоритм работы: блок-схема или диаграмма состояний.
4. Листинг с комментариями, в приложение — полностью.
5. Таблица испытаний: воздействие, ожидаемая реакция, фактическая.
6. Фотографии собранного стенда и осциллограммы, если требуется.
7. Оценка потребления и выбор источника питания.