2016年7月2日 星期六

Scicore製作多功能sensor （三）韌體篇

我一條程式都不會寫，只會複製貼上人家的東西，所以這東西搞的我超級辛苦的。以下就記錄一下我這個菜鳥的心路歷程。這個我超不懂，整個隔行如隔山的感覺，所以只能憑自己的經驗寫下不專業的心得。

首先先學會驅動每一個sensor，例如
壓力： http://jjpaid.blogspot.tw/2016/06/mpx4115.html
溫度：http://jjpaid.blogspot.tw/2015/12/arduino.html

要做到每一個單一sensor都可以運作不難，就是搜尋那個 sensor的名稱，通常就可以找到別人接線的方式和寫好的程式。照著接，然後程式複製貼上，該下載的library下載安裝一下，大概就贏了。

每一個sensor都會動之後，就可以保證每一個需要的library都有了，接著就是要組合了。首先看一下每一個程式大概就是分成幾個部分

1.呼叫一些library和定義腳位

2.設定

3.反覆執行的部份

以DHT11為例程式碼如下(來源）

  1. #include <dht.h>   
  2.   
  3. #define dht_dpin 2 //定義訊號要從Pin A0 進來  
  4.   
  5. dht DHT;   
  6.   
  7. void setup(){   
  8. Serial.begin(9600);   
  9. delay(300);             //Let system settle   
  10. Serial.println("Humidity and temperature\n\n");   
  11. delay(700);             //Wait rest of 1000ms recommended delay before   
  12.                         //accessing sensor   
  13. }
  14.   
  15. void loop(){   
  16. DHT.read11(dht_dpin);   //去library裡面找DHT.read11  
  17. Serial.print("Humidity = ");   
  18. Serial.print(DHT.humidity);   
  19. Serial.print("% ");   
  20. Serial.print("temperature = ");   
  21. Serial.print(DHT.temperature);   
  22. Serial.println("C ");   
  23. delay(1000);            //每1000ms更新一次   
  24. }  

從01~05 就是在呼叫library, 定義腳位等等的。

從void setup後面到void loop() 也就是07~12這一段，就是一些設定

從15~24就是反覆執行的部份，例如每隔多少時間，就要輸出一次什麼樣的數據之類的。

各種sensor的寫法大概都差不多。所以我要做的事情很簡單，把每一個sensor的1, 2 3三個部分分別抓出來，所有sensor的1就集中在一起，2集中在一起，3也集中在一起。


這樣的話，就變成一個程式碼可以驅動所有的sensor啦。然後一次就把所有sensor的訊息全部都顯示出來。當然要注意一下腳位的問題，每個地方抓到的程式碼，腳位都不一定，如果遇到重複的部份，就要避開換另一個腳位。

這樣雖然可以驅動全部的sensor，但是顯然跑出來的訊息太多了，所以就要想辦法用電腦或平板告訴arduino，我想要看什麼訊息，讓arduino顯示我想要的。（參考資料）

這部份就要先用一個serial.avalible() 去判定有沒有資料輸入，然後把輸入的資料用Serial.read()丟給一個預先設定好的變數。然後再用if判斷變數的數值，就能用這個條件判斷來告訴arduino我現在想看什麼。不過這個數值進位方式不同，假設你輸入1, 其實它讀到的是49, 輸入2，讀到的是50，依此類推，所以判斷的時候要注意這個事情。雖然概念是這樣，但是我中間卡關卡了好多次。大多出於對於程式碼的概念不熟悉。像是 ＝和 ＝＝傻傻分不清楚; 各種() {} 要放哪邊這類的事，就搞掉我好多時間。

所以這邊的寫法就變成，setup loop() 裡面，共同重複的部份，例如要提取什麼變數，那就放到if判斷式的外面。 if判斷式只要負責 serial.monitor和lcd上要顯示的數值就好。我一開始是這樣想的，不過後來吃了大苦頭...


這些程式碼都解決了之後，基本上sensor都可以運作了，可是又出了一個怪問題，就是明顯每個sensor都delay太久才收數據。我原本想，環境數據不需要太快重複收，一秒收一次已經很快了。運動學部分，0.1秒收一個數據是差不多的；單擺的實驗，就得要更快，我直接設定1毫秒要收一個數據。

但是執行的結果，每個都大約一秒才收一個數據。找了非常非常久，把寫好的程式碼又拆了重組了好幾次才發現，DS18b20溫度計的讀取要經過requestTemperature和getTempByIndex這些指令，本身就會延遲時間。

因為我在兩個地方都有用到DS18b20來讀溫度數據，所以我本來把這些指令放到if判斷式外面，也就是不管我輸入什麼數字，這些事情都會一直loop重複做。結果就變成不管我輸入什麼數字，每一次這些指令的執行都造成延遲。

所以解決方法很簡單，就把這些東西通通搬進if裡面就好。



以下是完整程式碼
  2. #include <Wire.h>  // Arduino IDE 內建
  3. // LCD I2C Library，從這裡可以下載：
  4. // https://bitbucket.org/fmalpartida/new-liquidcrystal/downloads
  5. #include <LiquidCrystal_I2C.h>
  6. // Set the pins on the I2C chip used for LCD connections:
  7. //                    addr, en,rw,rs,d4,d5,d6,d7,bl,blpol
  8. LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE);  // 設定 LCD I2C 位址
  9. //以上是驅動LCD的部分

  11. int va1 = 1; //用來設定選單的變數,預設為1 讓最開始就直接顯示環境變數

  13. #include <dht.h>   //抓溫溼度計的資料庫
  14. #define dht_dpin 3 //定義訊號要從Pin D3 進來
  15. dht DHT;

  17. // 匯入程式庫標頭檔
  18. //from http://playground.arduino.cc/Learning/OneWire
  19. #include <OneWire.h>

  21. //from https://github.com/milesburton/Arduino-Temperature-Control-Library
  22. #include <DallasTemperature.h>
  23. #include <Wire.h>

  25. // from http://arduino-info.wikispaces.com/file/view/LiquidCrystal_I2C1602V1.zip

  27. // Arduino數位腳位2接到1-Wire裝置
  28. #define ONE_WIRE_BUS 4

  30. // 運用程式庫建立物件
  31. OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
  32. DallasTemperature sensors(&oneWire);

  34. // HCSR04Ultrasonic/examples/UltrasonicDemo/UltrasonicDemo.pde
  35. #include <Ultrasonic.h>
  36. #define TRIGGER_PIN  12
  37. #define ECHO_PIN     13
  38. Ultrasonic ultrasonic(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN);

  40. //運動學

  42. int x0=0;//一開始的位置
  43. int v0=0;//初速
  44. float temp=20.0;//溫度
  45. float c=(331.5+0.6*temp)/10000;//單位是每微秒幾公分
  46. float intervaltime=100;  //每幾毫秒測量一次
  47. float duration, distance,velocity,acceleration;

  49. //pH meter
  50. #define SensorPin A2            //pH meter Analog output to Arduino Analog Input 2
  51. #define Offset 0.00            //deviation compensate
  52. #define LED 11                  //不知道幹嘛用的腳位
  53. #define samplingInterval 20
  54. #define printInterval 800
  55. #define ArrayLenth  40    //times of collection
  56. int pHArray[ArrayLenth];   //Store the average value of the sensor feedback
  57. int pHArrayIndex=0;  


  60. void setup(){
  61. Serial.begin(9600);
  62. Serial.println("1.enviroment data");              //弄個選單出來
  63. Serial.println("2.temperature and pressure");
  64. Serial.println("3.Super sonic reflection time and distance");
  65. Serial.println("4.dynamic experiment");
  66. Serial.println("5.pendulum");
  67. Serial.println("6.pH meter");
  68. pinMode(TRIGGER_PIN, OUTPUT);      //超音波的輸出腳位
  69. pinMode(ECHO_PIN, INPUT);         //超音波的輸入腳位
  70. pinMode(LED,OUTPUT);               //這是給pH meter用的，但我不知道功能
  71. lcd.begin(16, 2);                  //起始lcd
  72. sensors.begin();                    //起始ds18b20溫度計
  73. }

  75. void loop(){
  76.      
  77.     DHT.read11(dht_dpin);   //去library裡面找DHT.read11
  78.  
  79.     float pressure = readPressure(A1);
  80.     float millibars = pressure/100;
  81.  
  82.  
  83. if (Serial.available() >0) {
  84.   va1 = Serial.read();
  85. }
  86. if (va1 == 49){
  87.     Serial.print("temperature = ");
  88.     Serial.print(DHT.temperature);
  89.     Serial.println("C ");
  90.     Serial.print("Humidity = ");
  91.     Serial.print(DHT.humidity);
  92.     Serial.print("% ");
  93.     Serial.print("  Pressure = ");
  94.     Serial.print(pressure/101300);
  95.     Serial.println(" atm");

  97.     lcd.clear();
  98.     lcd.setCursor(0, 0);
  99.     lcd.print("T=");
  100.     lcd.print(DHT.temperature);
  101.     lcd.print("C ");
  102.     lcd.print("H=");
  103.     lcd.print(DHT.humidity);
  104.     lcd.print("% ");
  105.     lcd.setCursor(0, 1);
  106.     lcd.print("P=");
  107.     lcd.print(pressure/101300);
  108.     lcd.print(" atm");
  109.     delay(1000);
  110. }
  111. if (va1 == 50){
  112.     sensors.requestTemperatures();               //這東西會吃很多時間，所以要擺進if裡面
  113.     float T1=sensors.getTempCByIndex(            //這東西會吃很多時間，所以要擺進if裡面
  114.     float T2=sensors.getTempCByIndex(1);         //這東西會吃很多時間，所以要擺進if裡面
  115.     Serial.print("  Pressure = ");
  116.     Serial.print(pressure);
  117.     Serial.println(" pascals");
  118.     Serial.print("T1:");
  119.     lcd.clear();
  120.     lcd.setCursor(0, 1);
  121.     lcd.print("P= ");
  122.     lcd.print(pressure);
  123.     lcd.print("pa");
  124.     lcd.setCursor(0, 0);
  125.     lcd.print("T1:");
  126.     if (T1 == -127)
  127.  
  128.     {Serial.print ("N/A");
  129.     lcd.print("N/A");
  130.     }
  131.     else
  132.     {
  133.       Serial.print(T1);
  134.       Serial.print(" C");
  135.       lcd.print(T1);
  136.       lcd.print("C");
  137.     }
  138.     Serial.print(" T2:");
  139.     lcd.print(" T2:");
  140.     if (T2 == -127)
  141.     {Serial.print ("N/A");
  142.     lcd.print ("N/A");
  143.     }
  144.     else
  145.     {
  146.       Serial.print(T2);
  147.       Serial.print(" C");
  148.       lcd.print(T2);
  149.       lcd.print("C");
  150.     }
  151. }

  153. if (va1 == 51){
  154.     sensors.requestTemperatures();               //這東西會吃很多時間，所以要擺進if裡面
  155.     float T1=sensors.getTempCByIndex(0);         //這東西會吃很多時間，所以要擺進if裡面
  156.     float T2=sensors.getTempCByIndex(1);         //這東西會吃很多時間，所以要擺進if裡面
  157.    float cmMsec;
  158.    long microsec = ultrasonic.timing();
  159.    cmMsec = ultrasonic.convert(microsec, Ultrasonic::CM); // 計算距離，單位: 公分
  160.   Serial.print("t=");
  161.   Serial.print(microsec);
  162.   Serial.print("ms   ");
  163.   Serial.print("distance=");
  164.   Serial.print(cmMsec);
  165.   Serial.print("cm  ");
  166.   lcd.clear();
  167.   lcd.setCursor(0 ,0);
  168.   lcd.print("t=");
  169.   lcd.print(microsec);
  170.   lcd.print("ms ");
  171.   lcd.print("D=");
  172.   lcd.print(cmMsec);
  173.   lcd.print("cm");
  174.   lcd.setCursor(0, 1);
  175.   lcd.print("T:");
  176.   Serial.print("T:");
  177.   if (T1 == -127)
  178.     {Serial.println ("N/A");
  179.     lcd.print("N/A");
  180.     }
  181.     else
  182.     {
  183.       Serial.print(T1);
  184.       Serial.println(" C");
  185.       lcd.print(T1);
  186.       lcd.print("C");
  187.     }

  189. }
  190. if (va1 == 52){
  191.   digitalWrite(TRIGGER_PIN, HIGH);
  192.     delayMicroseconds(1000);
  193.     digitalWrite(TRIGGER_PIN, LOW);
  194.     duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);//超音波來回經過的時間，單位是微秒
  195.     distance = (duration/2) *c;//單位是公分
  196.     velocity=(distance-x0)/(intervaltime/1000);//每秒速度
  197.     acceleration=(velocity-v0)/(intervaltime/1000);//每秒加速度
  198.     x0 = distance;
  199.     v0 = velocity;
  200.   Serial.print(distance);
  201.   Serial.print(",");
  202.   Serial.print(velocity);
  203.   Serial.print(",");
  204.   Serial.println(acceleration);
  205.   lcd.clear();
  206.   lcd.print("D=");
  207.   lcd.print(distance);
  208.   lcd.print(" cm");
  209.   delay(intervaltime);
  210. }

  212. if (va1 == 53){
  213.   unsigned long time;
  214.   time=millis();
  215.   float cmMsec, inMsec;
  216.   long microsec = ultrasonic.timing();
  217.   cmMsec = ultrasonic.convert(microsec, Ultrasonic::CM); // 計算距離，單位: 公分
  218.   if (cmMsec < 5)                          //只要距離小於五公分就把累計的秒數ㄒ出來
  219.   {
  220.     Serial.println(time);
  221.     lcd.clear();
  222.     lcd.setCursor(0,0);
  223.     lcd.print(time);
  224. }}

  226. if(va1 ==54){
  227.   static unsigned long samplingTime = millis();
  228.   static unsigned long printTime = millis();
  229.   static float pHValue,voltage;
  230.   if(millis()-samplingTime > samplingInterval)
  231.   {
  232.       pHArray[pHArrayIndex++]=analogRead(SensorPin);
  233.       if(pHArrayIndex==ArrayLenth)pHArrayIndex=0;
  234.       voltage = avergearray(pHArray, ArrayLenth)*5.0/1024;
  235.       pHValue = 3.5*voltage+Offset;
  236.       samplingTime=millis();
  237.   }
  238.   if(millis() - printTime > printInterval)   //Every 800 milliseconds, print a numerical, convert the state of the LED indicator
  239.   {
  240.   Serial.print("E");
  241.   Serial.print(" pH=");
  242.   Serial.println(pHValue,2);
  243.   lcd.clear();
  244.   lcd.print("pH= ");
  245.   lcd.print(pHValue,2);
  246.   digitalWrite(LED,digitalRead(LED)^1);
  247.   printTime=millis();
  248.   }
  249. }
  250. }
  251. //以下是pH meter的程式碼，要放在if外面，我也不知道是啥東西
  252. double avergearray(int* arr, int number){
  253.   int i;
  254.   int max,min;
  255.   double avg;
  256.   long amount=0;
  257.   if(number<=0){
  258.     Serial.println("Error number for the array to avraging!/n");
  259.     return 0;
  260.   }
  261.   if(number<5){   //less than 5, calculated directly statistics
  262.     for(i=0;i<number;i++){
  263.       amount+=arr[i];
  264.     }
  265.     avg = amount/number;
  266.     return avg;
  267.   }else{
  268.     if(arr[0]<arr[1]){
  269.       min = arr[0];max=arr[1];
  270.     }
  271.     else{
  272.       min=arr[1];max=arr[0];
  273.     }
  274.     for(i=2;i<number;i++){
  275.       if(arr[i]<min){
  276.         amount+=min;        //arr<min
  277.         min=arr[i];
  278.       }else {
  279.         if(arr[i]>max){
  280.           amount+=max;    //arr>max
  281.           max=arr[i];
  282.         }else{
  283.           amount+=arr[i]; //min<=arr<=max
  284.         }
  285.       }//if
  286.     }//for
  287.     avg = (double)amount/(number-2);
  288.   }//if
  289.   return avg;
  290. }
  291. //以下是MPX4115的程式碼，要放在if外面，我也不知道是啥東西
  292. /* Reads pressure from the given pin.
  293. * Returns a value in Pascals
  294. */
  295. float readPressure(int pin){
  296.     int pressureValue = analogRead(pin);
  297.     float pressure=((pressureValue/1024.0)+0.095)/0.000009;
  298.     return pressure;
  299. }
    300.   

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