LEREN PROGRAMMEREN MET DWENGO BLOCKS. Francis Wyffels, Peter Bertels, Karel Bruneel, Tim Waegeman, Geraldine Heyerick en Barbara Vernaeve

Transcriptie

1 LEREN PROGRAMMEREN MET DWENGO BLOCKS Francis Wyffels, Peter Bertels, Karel Bruneel, Tim Waegeman, Geraldine Heyerick en Barbara Vernaeve

2 Copyright 2012 Dwengo vzw ISBN D/2012/Dwengo/1 NUR 980, 257 We willen graag dat zoveel mogelijk mensen kennis kunnen maken met microcontrollers of leren programmeren met Dwengo Blocks. Daarom brengen we dit boek uit onder Creative Commons: De gebruiker mag: het werk kopiëren, verspreiden en doorgeven remixen afgeleide werken maken Onder de volgende voorwaarden: Naamsvermelding: de gebruiker dient bij het werk steeds Dwengo vzw te vermelden (maar zonder de indruk te wekken dat Dwengo vzw instemt met je werk of jouw gebruik van het werk). Niet- commercieel: de gebruiker mag het werk niet voor commerciële doeleinden gebruiken. Gelijk delen: indien de gebruiker het werk bewerkt, kan het daaruit ontstane werk uitsluitend krachtens dezelfde licentie als de onderhavige licentie of een gelijksoortige licentie worden verspreid. info@dwengo.org

3 Voorwoord In dit boekje maak je kennis met de wereld van ingebedde systemen. En met de microcontrollers die erin zitten. Je leert hoe algoritmes werken. Stap voor stap zetten we een algoritme om in een blokschema en uiteindelijk in een programma. Op het einde van dit boekje kan je zelf programma s schrijven. Een computer en internet, meer heb je daarvoor niet nodig. Experimenteren met microcontrollers kan zowel thuis als in de klas. Dit boekje is in de eerste plaats bedoeld voor leerkrachten die in het kader van hun lessen omgaan met informatica, elektronica of techniek. Maar jongeren kunnen dit boekje ook zelfstandig ontdekken. Dat maakt hun leer- ervaring nog intenser. De industrie smeekt al jaren om mensen met een goede kennis van techniek. Dwengo vzw biedt jongeren de kans om techniek op een aangename en vooral praktische manier te ontdekken. Dit boekje vormt daarbij een eerste stap. Veel succes!

4

5 microcontrollers sturen ons dagelijks leven Microcontrollers zijn overal. Ze zitten in bijna elk elektronisch apparaat dat we elke dag gebruiken. Maak zelf maar een lijstje en som alle toestellen op waar jij aan denkt. Kom je ook aan 10? Enkele voorbeelden. Het begint al s morgens als jouw wekkerradio afgaat en jij nog even op de snooze- knop drukt. Een microcontroller zorgt er dan voor dat je 10 minuten later nog eens wordt gewekt. In de badkamer zet je de thermostaat wat hoger en poets je je tanden. Ook die thermostraat en de timer van jouw elektrische tandenborstel worden gestuurd vanuit een microcontroller. En zo gaat het de hele dag door. Wist je trouwens dat er in de meeste auto s zelfs meer dan 50 microcontrollers zitten? Wanneer je zelf microcontrollers kan programmeren, gaat een nieuwe wereld open waarin je nieuwe mogelijkheden kan ontdekken.

6

7 Wat is een microcontroller? Een microcontroller is een programmeerbare digitale chip. Hij voert de taken uit die vastgelegd zijn in zijn programma. De microcontroller vormt het hart van een elektronisch toestel. Hij bevat alle elementen om zelfstandig zijn taken te kunnen uitvoeren. Centraal zit de CPU, de central processing unit, die de berekeningen doet. Er is geheugen voor het bijhouden van het programma (ROM, read- only memory). Hij heeft ook een datageheugen (RAM, random access memory) waarin hij gegevens kan opslaan die nodig zijn voor het programma. De microcontroller is verbonden met alle onderdelen van het toestel en met de buitenwereld. Dat is het blok input/output op het schema hiernaast. Via sensoren, aangesloten op de input- poorten, blijft de microcontroller op de hoogte van wat er in en rond het apparaat gebeurt. Als het nodig is, kan de microcontroller bijsturen via verschillende uitgangen. Een voorbeeld: in een thermostaat, is de microcontroller verantwoordelijk voor het opmeten van de temperatuur. Als het te koud is, zet de microcontroller de verwarming aan. Is het te warm, dan kan hij eventueel de airco inschakelen.

8

9 Dwengobord met Microcontroller Met een microcontroller alleen, kan je eigenlijk weinig doen. Hij moet minstens verbonden zijn met een voeding, anders doet hij helemaal niks. Maar je kan best ook een aantal sensoren aansluiten op zijn ingangen of motoren/actuatoren op zijn uitgangen. Zo kan je zien wat de microcontroller aan het doen is. Dwengo vzw heeft een experimenteerbord ontwikkeld rond een PIC- microcontroller van het bedrijf Microchip. Naast de microcontroller zit er een schermpje op, enkele LED s, een paar knopjes en aansluitingen voor zowel analoge als digitale ingangen. Via de seriële poort of via USB kan je het experimenteerbord laten communiceren met een computer of zelfs met een ander Dwengo- bord. Je kan ook rechtstreeks twee LEGO- motoren aansluiten. Heel handig als je zelf een robot wil bouwen. Via het Dwengo- breadboard kan je zelf een elektronische schakeling maken en combineren met de programmeermogelijkheden van de microcontroller. Je kan bijvoorbeeld een temperatuursensor op het breadboard plaatsen en zo een thermostaat maken.

10 #include <dwengobo #include <dwengolc void main(void) { initboard(); initlcd(); initservo(); backlighton(); while (TRUE) { printstringtol printstringtol

11 De weg van algoritme naar HEX Programmeren start altijd met het opstellen van een algoritme. Dat is een reeks van stappen die achtereenvolgens moeten worden uitgevoerd om vanuit een begintoestand een bepaald eindresultaat te bereiken. Bijvoorbeeld: wie een pizza wil opwarmen, volgt deze stappen: haal de pizza uit de doos; open de microgolfoven en leg de pizza erin; kies het juiste programma (ontdooien, bakken pizza, ); wacht tot de timer akloopt; open de microgolfoven en haal de pizza eruit. Microcontrollers werken ook zo. Zij voeren stap voor stap hun programma uit. Dit programma is de vertaling van een algoritme in een taal die de microcontroller begrijpt (HEX- codes). Dat gaat in verschillende stappen, zoals je hiernaast kan zien: de programmeur vertaalt het algoritme naar een blokschema; het blokschema kan je herschrijven in een tekstuele vorm, en dan krijg je een computerprogramma in de programmeertaal C; een compiler vertaalt C naar HEX- codes voor de microcontroller.

12

13 blokschema maken en simuleren Op de website vind je een grakische programmeeromgeving voor het Dwengo- bord. Je kan er blokschema s tekenen. Via de online simulator kan je onmiddellijk zien of jouw programma correct werkt. Surf met Google Chrome naar Wie klikt op Demo krijgt een voorbeeld van een blokschema. Het begint helemaal bovenaan bij de blauwe bol. Het volgt de blauwe lijn langs alle blokjes tot het eindigt bij de groene bol. Merk op dat er twee verschillende soorten blokken zijn. Rechthoekige blokken vormen een opdracht of instructie voor de microcontroller. Bij ruitvormige blokken nemen beslissingen over hoe het programma verder loopt. Het programma kan bij de ruit verschillende kanten op. Rechts in beeld zie je een tekening van het Dwengo- bord. Via de knoppen bovenaan kan je het programma simuleren en zien hoe het werkt. Tip: met C wordt het middelste knopje bedoeld. Laat de simulatie stap- voor- stap lopen. Probeer alle knoppen van de simulator: play, pause, step en code. Waarvoor dienen ze?

14 Microgolfoven als voorbeeld We gaan nu zelf een eenvoudige microgolfoven programmeren op het Dwengo- bord. Hiervoor koppelen we instructies van het algoritme aan de verschillende onderdelen van het Dwengo- bord. De Dwengo- microgolfoven heeft twee kookprogramma s P1 en P2. Programma P1 voor ontdooien: kan je kiezen via drukknop SW_W; 30 seconden op een vermogen van 250 Watt (2 LED s branden); en de schotel draait traag (servo- motor 1). Programma P2 voor bakken: kan je kiezen via drukknop SW_E; 15 seconden op een vermogen van 1000 Watt (8 LED s branden); en de schotel draait zeer snel (servo- motor 1). Terwijl de oven werkt, toont het LCD- scherm hoe lang het nog duurt. Aan het eind van een programma, wordt het vermogen op 0 gezet. Tegelijkertijd verschijnt op het LCD- scherm eet smakelijk. Stap- voor- stap bouwen we nu een blokschema voor deze oven.

15 Stap I. toon menu op het scherm Surf met Google Chrome naar om aan het blokschema te beginnen. Jouw programma zal lopen van de blauwe bol tot aan de groene bol. Links op het scherm staan alle bouwblokken die je kan gebruiken. Met de muis kan je ze eenvoudig in het programma slepen. Bij het begin van het programma moeten we het menu met 2 kook- programma s op het scherm tonen. Dit kan met een geel functie- blok. Kies de functie printstringtolcd en stel de juiste parameters in. Menu P1 moet op de eerste lijn van het scherm komen. Daarom kiezen we line 0 en position 0. De message is P1 ontdooien (W), zoals op de kiguur. Simuleer het programma en kijk wat er gebeurt. Als het goed werkt, kan je een tweede functieblok toevoegen voor P2 bakken (E) op de tweede lijn. Test wat de functie backlighton doet.

16

17 Stap ii. keuze van het juiste menu Akhankelijk van de knop die de gebruiker drukt (W of E), moet programma P1 of P2 starten. Bij een lichtblauw selectie- blok kan het verloop van het programma twee kanten op. Dit hangt af van een voorwaarde. Als die vervuld is, dan gaat het programma verder langs de yes- kant. In het andere geval, volgt het programma de no- tak. Voor elk van de 5 knoppen, is er een functie die kan controleren of de knop wel of niet is ingedrukt. Voor de W- knop is dat ispressedsw_w, voor de E- knop ispressedsw_e. Er bestaat geen enkele functie die tegelijk alle knoppen kan uitlezen. Daarom moet je twee selectie- blokken combineren, zoals je hiernaast kan zien. Als dit duidelijk is, teken dezelfde constructie dan in het blokschema. Klik op?? in het selectie- blok om de voorwaarde op te bouwen. Sleep de f (van functie) naar het midden zoals op de kiguur. Daarna krijg je een menu waarin je kan kiezen voor ispressedsw_w. Plaats op de juiste plaats functie- blokken om het scherm te wissen (clearlcd) en daarna het gekozen programma P1 of P2 te tonen.

18 Het blokschema ziet er nu zo uit. Als je het programma stap voor stap simuleert, dan zal je zien dat het perfect werkt. Je moet echter beseffen dat de microcontroller zeer snel door het programma loopt. Elke stap duurt in het echt een fractie van een seconde. Het resultaat daarvan kan je zien als je het programma met de play- knop in 1 keer helemaal uitvoert. In dat geval komt er niks op het scherm. Je krijgt immers niet de tijd om op de knop te drukken.

19 Stap iii. herhaling, herhaling... We hebben gezien dat het programma zeer snel van de blauwe bol bovenaan naar de groene bol onderaan loopt. Een microgolfoven moet uiteraard voortdurend blijven kijken of er op een knop wordt gedrukt. De oven moet eigenlijk oneindig lang blijven werken. Of minstens zo lang als de stroom aan staat. Hiervoor kunnen we de paarse ruit gebruiken: een voorwaardelijke herhaling. Met dit blok maken we een lus in het programma. Als de microcontroller in de paarse ruit komt, controleert hij de voorwaarde die daarin staat. Als de voorwaarde vervuld is, doorloopt hij de hele lus. Dit blijft hij herhalen. Het stopt pas als de voorwaarde niet meer vervuld is. Voeg nu een oneindige lus toe. Neem daarvoor TRUE als voorwaarde. Sleep alle blokken die je tot nu toe had, mee in de lus. Voeg op het einde van elke tak (voor P1 en P2), een functie- blok toe met delay_ms(5000). Het programma zal dan 5 seconden pauzeren.

20 Dit is het blokschema na stap 3. Binnen de oneindige lus wordt het menu op het scherm getoond. Na het indrukken van een knop start het juiste kookprogramma. Na 5 seconden wordt de lus herhaald.

21 Stap iv. alles over functies De microgolfoven heeft twee programma s die verschillen in tijdsduur en in vermogen, maar die verder bijna identiek zijn. Ze moeten allebei de juiste tijd aftellen, de ovenschotel laten draaien en het juiste vermogen genereren. Twee keer hetzelfde programmeren zou dom zijn. Daarom maken goede programmeurs zelf nieuwe functies die vanuit het hoofd- programma main worden opgeroepen. Neem bijvoorbeeld de functie printstringtolcd( abc, 0, 1). Dit is een standaardfunctie van Dwengo. Door de naam van de functie, printstringtolcd, weet de microcontroller wat hij moet doen. Tekst op het scherm plaatsen. Tussen de haakjes staan parameters die vertellen welke tekst en waar die op het scherm moet staan. De functie printstringtolcd heeft drie parameters: message, line en position. De functie is zo geprogrammeerd dat de microcontroller exact weet wat hij moet doen. De parameters zijn getallen of tekst die in het geheugen worden opgeslagen om ze nadien te gebruiken.

22 Naast de standaardfuncties van Dwengo, kan je ook zelf functies dekiniëren. Voor de microgolfoven heb je een functie nodig die een kookprogramma kan uitvoeren. We noemen deze functie koken. Voeg deze functie toe in het blokschema. koken krijgt twee parameters: het nummer van het programma en de tijds- duur van het programma (15 of 30 sec). De functie koken is nog leeg en doet dus niks. Voeg er een bouwblok in dat het nummer van het programma toont op het scherm: Bezig met P1 of Bezig met P2. Gebruik daarvoor printstringtolcd en printinttolcd. Tot nu toe vulden we bij de parameters van functies altijd een vast getal of een vast stuk tekst in. Deze keer mag je de parameter programma invullen als waarde voor het getal van printinttolcd. Om te kunnen testen of de functie werkt, moeten we ze aanroepen vanuit het hoofdprogramma. Voeg in main op de juiste plaats de functies koken(1,15) en koken(2,30) toe. Controleer hiernaast of jouw blokschema juist is. Start de simulator met de play- knop en check of ook de juiste tekst op het scherm komt.

23

24

25 Stap v. aftellen op het scherm In deze stap voegen we op de tweede lijn de resterende tijd toe. Elke seconde moet die tijd aftellen tot het programma afgelopen is. Tellen kunnen we doen door een combinatie te maken van een voorwaardelijke lus en een groen berekening- blok. Het is de bedoeling dat we de lus exact even veel keer doorlopen als er seconden zijn in het kookprogramma. We weten exact hoeveel seconden er nodig zijn. Dat zit namelijk in duur, de parameter van functie koken die we maakten in stap 4. In het berekening- blok gebruiken we duur als een variabele. Dat is een getal dat in het geheugen is opgeslagen. Elke keer we de lus doorlopen, trekken we 1 af van duur. Het resultaat van die berekening steken we opnieuw in de variabele duur. Op die manier moet de lus lopen zolang duur groter is dan 0. Gebruik printinttolcd om de resterende tijd (= de variabele duur) op de tweede lijn van het scherm te tonen.

26 Stap VI. temperatuur stijgt en ovenschaal draait rond De oven is bijna klaar. Je kan een kookprogramma kiezen en starten. De seconden tellen af. Nog twee dingen ontbreken: het vermogen instellen (250 of 1000 Watt) en het ronddraaien van de ovenschotel. Het vermogen gaan we tonen op de LED s. Voor P1 gebruiken we 250 W en branden enkel LED0 en LED1. Programma P2 is 1000 W. Hiervoor moeten alle LED s branden. LED s kan je instellen met de functie setledpattern. De schotel laten we draaien via een servomotor. Dat is een motor waarvan je de hoek precies kan instellen. Hiervoor gebruiken we een getal van 0 tot is een ene uiterste positie, 255 is de andere. De functie waarmee we de hoek instellen is setposition. Deze functie heeft twee parameters: servo en position. Het Dwengo- bord heeft twee servomotoren. Voor de microgolfoven gebruiken we enkel de eerste servomotor. Zet de parameter servo dus op 1.

27 De parameter position stelt de juiste hoek in. Die hoek moet elke seconde een beetje aangepast worden. Hiervoor hebben we een nieuwe variabele nodig. Klik op de blauwe bol van koken en voeg een variabele hoek toe. Voeg nu in de lus die de seconden aftelt setposition(1,hoek) toe. Maak een berekening- blok dat hoek elke seconde verhoogt met 10. Test of de servo- motor ronddraait. Je hebt nu een ovenschotel met een vaste snelheid. Voeg een parameter snelheid toe aan de functie koken. Vervang in het berekening- blok de vaste snelheid 10 door de parameter snelheid: hoek = hoek + snelheid. In het hoofdprogramma main moet je de functie koken nu ook aanpassen en een getal invullen voor snelheid. Hiernaast staat het correcte blokschema van de functie koken. De oven is klaar! Het volledige voorbeeld kan je vinden op

28

29 Stap VII. de microgolfoven programmeren op het Dwengobord Het blokschema van de microgolfoven is nu klaar. Met de play- knop kan je in de simulator zien hoe het werkt. Maar dat is nog niet alles. Met Dwengo Blocks kan je blokschema s ook onmiddellijk compileren tot een werkend programma in hex- formaat. De hex- codes kan je rechtstreeks programmeren op het Dwengo- bord. Dat gaat snel via deze drie stappen: Klik op de HEX- knop en download het hex- bestand. Sluit het Dwengo- bord en de programmer aan op de computer. Start de programmeersoftware op jouw computer. Een link naar de juiste software staat op

30

31 Voor wie de microbe te pakken heeft In dit boekje leerde je grakisch programmeren met Dwengo Blocks. Uiteraard stopt het hier niet. Je kan nog veel verder experimenteren met microcontrollers. Dwengo vzw wil je daar graag bij helpen. Met Dwengo Blocks zie je al meteen de link tussen blokschema en de programmeertaal C. Je kan C compileren met MPLAB X. En vanuit C kan je verder ontdekken. Hiervoor kan je onze tutorials gebruiken die stap- voor- stap alle functies van het Dwengo- bord uitleggen. Je kan ze lezen en proberen op Voor C- programmeurs is er een kant- en- klare bibliotheek met handige functies voor het Dwengo- bord en de Dwengo- robot. Je leest er alles over op library Verder vind je op onze site ook nog: Technische informatie: info Voorbeeld- projecten: Je kan ook zelf een super- mega- cool project posten op onze blog! Forum voor al jouw vragen:

32 "Met Dwengo Blocks kan ik zelf leren programmeren zonder eerst een volledige cursus te moeten bestuderen! Bjorn, 5de jaar Elektriciteit- Elektronica, Erasmusatheneum Deinze De samenwerking tussen RTC en Dwengo vzw was zonder meer positief. Dwengo maakt leerlingen nieuwsgierig en motiveert hen om te experimenteren met microcontrollers. Een thema dat voorheen nogal abstract werd toegelicht in de klas, kreeg met deze toepassingen een veel tastbaardere uitwerking. Leuk voor zowel de leerkracht als de leerlingen! Emmanuel Depoortere, RTC Oost- Vlaanderen