مقدمة إلى الدوائر الكهربائية وArduino

في هذه الوحدة ننتقل من البرمجة على الكمبيوتر إلى برمجة نظام يتفاعل مع مكونات إلكترونية حقيقية.

بنهاية الوحدة، يُتوقع القدرة على:

• فهم فكرة الحوسبة الفيزيائية.
• التعرف على مكونات الدائرة الكهربائية الأساسية.
• استخدام Breadboard في بناء دائرة بسيطة.
• التعرف على أجزاء ومنافذ Arduino UNO R3.
• استخدام Arduino IDE ورفع البرامج.
• فهم setup() وloop().
• التحكم في LED باستخدام Arduino.

في البرامج التقليدية نتعامل غالبًا مع:

Keyboard → Program → Screen

أما باستخدام Arduino فيمكن للبرنامج التعامل مع العالم الحقيقي:

Sensor → Arduino → Actuator

فيستطيع البرنامج قراءة البيئة ومعالجة البيانات وتنفيذ تأثير فيزيائي.

الحوسبة الفيزيائية تعني استخدام البرمجة والإلكترونيات لبناء أنظمة تتفاعل مع العالم الحقيقي.

النموذج الأساسي:

Input → Processing → Output

يتكون الجهاز التفاعلي عادة من ثلاثة أجزاء:

• Sensor: يقرأ شيئًا من العالم الحقيقي.
• Microcontroller: يعالج البيانات وينفذ البرنامج.
• Actuator: ينفذ تأثيرًا في العالم الحقيقي.

Arduino ليست اسم اللوحة فقط.

تتكون المنصة من جزأين رئيسيين:

• Hardware: لوحة Arduino والمكونات المتصلة بها.
• Software: Arduino IDE والبرامج والمكتبات المستخدمة معها.

تتميز Arduino بأنها:

• مناسبة للتعلم وبناء النماذج الأولية.
• سهلة الربط مع المكونات الإلكترونية.
• مفتوحة المصدر Open Source.
• تحتوي على مكتبات وأمثلة كثيرة.
• مدعومة بمجتمع كبير من المطورين والهواة.

لا نحاول بناء المشروع كاملًا من البداية.

الأفضل:

• ابدأ بأبسط نموذج يعمل.
• اختبر النتيجة.
• أضف وظيفة واحدة في كل مرة.
• غيّر شيئًا واحدًا عند البحث عن الخطأ.
• كرر التجربة بعد كل تعديل.

الجهد Voltage

فرق الجهد بين نقطتين، ويقاس بالفولت V.

التيار Current

معدل تدفق الشحنة الكهربائية، ويقاس بالأمبير A.

المقاومة Resistance

تحد من مقدار التيار، وتقاس بالأوم Ω.

يربط قانون أوم بين:

• الجهد V
• التيار I
• المقاومة R

V = I × R

ومنها:

I = V / R

عند ثبات الجهد، تؤدي زيادة المقاومة في المسار إلى تقليل التيار.

يسمى البرنامج الذي نكتبه لـ Arduino:

Sketch

تتم كتابة برامج Arduino باستخدام:

C / C++

مع دوال ومكتبات تسهّل التعامل مع العتاد.

لذلك سنستخدم كثيرًا مما تعلمناه في الوحدة الأولى.

دورة التطوير الأساسية:

Write Sketch
↓
Compile
↓
Upload
↓
Run
↓
Observe Result
↓
Edit
↓
Upload Again

بشكل مبسط:

Sketch
↓
Compiler
↓
Machine Code
↓
Upload
↓
Microcontroller
↓
تشغيل البرنامج

البنية الأساسية:

void setup()
{
}

تنفذ setup() مرة واحدة عند:

• تشغيل اللوحة.
• الضغط على Reset.
• بدء البرنامج بعد رفعه.

تستخدم عادة لتهيئة النظام.

void loop()
{
}

بعد انتهاء setup() يبدأ تنفيذ loop() بصورة مستمرة:

setup()
↓
loop()
↓
loop()
↓
loop()
↓
...

INPUT

يقرأ Arduino إشارة قادمة من الخارج.

Sensor → Arduino

OUTPUT

يتحكم Arduino في إشارة خارجة.

Arduino → LED

سنبدأ في هذه الوحدة بالمخرجات.

تحدد وظيفة المنفذ.

الصيغة:

pinMode(pin, mode);

مثال:

pinMode(8, OUTPUT);

تعني:

تهيئة المنفذ رقم 8 ليعمل كمخرج.

تستخدم للتحكم في المستوى المنطقي للمنفذ الرقمي.

digitalWrite(pin, value);

مثال:

digitalWrite(8, HIGH);

ومثال:

digitalWrite(8, LOW);

توقف تنفيذ التعليمات التالية لمدة محددة بالمللي ثانية.

delay(milliseconds);

مثال:

delay(1000);

يعني:

1000 ms = 1 second

أما التأخير بالميكروثانية فتوجد له دالة أخرى:

delayMicroseconds()

pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

تهيئة LED المدمجة كمخرج.

digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);

تشغيل LED.

delay(1000);

الانتظار لمدة ثانية.

digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);

إطفاء LED.

Blink ليس مجرد مثال برمجي.

يمكن استخدامه للتأكد من:

• أن اللوحة تعمل.
• أن Board صحيحة.
• أن Port صحيح.
• أن Upload يعمل.
• أن البرنامج ينفذ على اللوحة.

عدل برنامج Blink بحيث:

• تعمل LED لمدة نصف ثانية.
• تنطفئ لمدة ثانية ونصف.

استخدم:

delay()

لتحديد الزمن المناسب.

اكتب برنامجًا ينفذ نمطًا خاصًا بك يحتوي على:

• ثلاث مرات تشغيل.
• ثلاث مرات إطفاء.
• أزمنة مختلفة.

ويجب أن يتكرر النمط باستمرار.

بعد Upload يتم تخزين البرنامج في ذاكرة غير متطايرة داخل المتحكم.

لذلك يستطيع Arduino تشغيله بعد:

• فصل الكمبيوتر.
• إعادة توصيل الطاقة.
• الضغط على Reset.

أما القيم المؤقتة الموجودة في RAM أثناء التشغيل فتفقد عند فصل الطاقة.

إذا فشل رفع البرنامج، تحقق من:

• اختيار Board الصحيحة.
• اختيار Port الصحيح.
• استخدام كابل USB يدعم البيانات.
• سلامة اتصال USB.
• عدم وجود أخطاء في الكود.
• عدم وجود برنامج آخر يستخدم Serial Port.
• عدم وجود توصيلات تسبب مشكلة على D0/RX وD1/TX.

منافذ Arduino مخصصة للإشارات والتحكم، وليست لتشغيل الأحمال الكبيرة مباشرة.

في UNO R3 نستخدم:

20mA

كتيار تشغيل تصميمي لكل منفذ I/O ضمن الحدود الموصى بها.

لا نوصل مباشرة:

• Motor.
• Relay Coil.
• مصباح عالي التيار.
• أي حمل يحتاج تيارًا مرتفعًا.

هذه الأحمال تحتاج دائرة قيادة مناسبة.

قبل تشغيل أي دائرة:

• افحص التوصيلات جيدًا.
• لا توصل 5V مع GND مباشرة.
• استخدم مقاومة مع LED.
• انتبه إلى قطبية المكونات.
• لا تستخدم جهدًا غير مناسب.
• لا تشغل الأحمال الكبيرة من المنافذ مباشرة.
• يفضل فصل الطاقة أثناء إعادة بناء الدائرة.

قم ببناء دائرة LED خارجية على منفذ تختاره بنفسك.

المطلوب:

• اختيار Digital Pin مناسب.
• توصيل LED مع مقاومة.
• كتابة البرنامج.
• تشغيل LED لمدة ثانية.
• إطفاؤها لمدة ثانيتين.

أمامك برنامج لا يعمل كما هو متوقع.

ابحث عن الأخطاء وصححها:

void setup()
{
    pinMode(8, OUTPUT)
}

void loop()
{
    digitalWrite(7, HIGH);
    delay(1000);

    digitalWrite(7, LOW);
    delay(1000);
}

افترض أن LED موصلة بالمنفذ رقم 8.

راجعنا في هذه الوحدة:

• الحوسبة الفيزيائية ومفهوم Input → Processing → Output.
• أساسيات الدائرة الكهربائية وBreadboard وLED.
• أجزاء ومنافذ Arduino UNO R3.
• Arduino IDE وSketch وUpload.
• setup() وloop().
• pinMode() وdigitalWrite() وdelay().
• التحكم في LED داخلية وخارجية.
• الأخطاء الشائعة وأساسيات السلامة.

في الوحدة القادمة ننتقل من المخرجات الرقمية إلى المدخلات الرقمية والأزرار.