第 12 章 - 時間參數的應用

上次更新日期 2023/01/04

有玩過 arduino 搭配感測器的朋友大概會知道，許多的感測器讀取，其實是需要花費時間的！舉例來說，溫溼度計 (dht11) 的讀取，就可能得要花費個數秒鐘。此時，如果使用 delay 的函數，那麼除了讀取的時間之外，還得要額外延遲數秒鐘，所以，跟我們預期的固定秒數顯示，可能會有些許的落差。所以，比較好的程式寫法，可能需要用到實際 arduino 的規範時間較佳！另外，這組時間參數，其實會過期 (overflow)...所以，定期將 arduino 重新開機 (reset)，可能也是個不錯的思考方向！

學習目標：

了解 arduino 時間參數限制
使用 arduino 實際時間做迴圈限制

12.1： arduino 時間參數與應用
12.2：重新開機的方法
12.3：參考資料

12.1： arduino 時間參數與應用

過去因為簡單的應用，因此我們在設計迴圈時，通常會使用 delay(毫秒數) 來進行延遲的規範。不過，當程式碼進入 delay 時，由於是一個停止的指令，所以此時 arduino 上面如果有其他資訊要處理，那麼這些動作就會被延遲到下一輪的迴圈內！而沒有辦法立即動作！這就造成許多的困擾！因為程式會卡住啊！真討厭！

arduino 紀錄的時間

實際上， arduino 因為小而美，所以大部分的記憶體與珍貴的儲存空間，都用在處理主要程式碼部份，因此，時間參數就只能使用到少少的資訊量。即便如此，arduino 還是使用了 millis() 函數，紀錄了從 arduino 開機到當下的時間點！使用的單位是毫秒～回傳的格式為 unsigned long 整數，數值會從 0~4294967295 之間！這是因為 long 格式使用了 32 位元，因此 2^32 就得到 4294967296，數值由 0 開始，就得到這個數據。而這個數據轉成天數，計算： 4294967295/1000/(60*60*24) 就得到 49.71 左右，因此，這個值大概在 50 天內，就會溢位 (overflow)。也因為如此，如果你的 arduino 強大到超過 50 天不用關機，那使用到 millis() 的程式碼，還是可能會掛掉...所以才需要防呆！

另外，除了毫秒的 millis 之外，其實還有個 32 位元的微秒函數，也就是 micros() 這個函數，這個函數數值也是從 0~4294967295，只是到達 4294967296 時，會自動歸零～所以沒有溢位的問題！只是因為是微秒，因此需要 micros()/1000000 才會是秒鐘，所以，計算之下 4294967295/10000/(60) 大概是 71.58 分鐘，亦即每隔 72 分鐘左右，這個數據會歸零的意思！如果短時間內要使用時間參數，似乎這個數值比較準確一點點。

應用方式

基本上，在工作最後面，加入一個時間刻度紀錄，然後都用實時時間與剛剛紀錄的刻度時間做比較，如果超過一定時間時，才進行實際工作。舉例來說，我們將 code-led-2 程式碼抓出來，先給改成如下的模樣，增加時間輸出，看看資料變化：

int led[] ={5, 6, 7, 8};
int i;
int j = 0;
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  for (i=0; i<=3; i++) {
    pinMode(led[i], OUTPUT);
  }
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  for ( i=0; i<=3; i++ ) {
    digitalWrite(led[i], LOW);
  }
  digitalWrite(led[j],HIGH);
  j=j+1;
  if ( j>=4 ){
    j = 0;
  }
  delay(1000);
  Serial.println(millis());
}

開始執行之後，你會發現到時間參數會漸漸改變，雖然不至於一口氣增加太多問題，這是因為我們的程式碼太過簡單，所以時間延遲不太會有問題的緣故。鳥哥擷取剛開始的數據給大家參考一下：

11:15:28.108 -> 999
11:15:29.136 -> 1999
11:15:30.113 -> 3000
11:15:31.136 -> 3999
11:15:32.114 -> 5000
11:15:33.133 -> 6000
11:15:34.113 -> 7001
11:15:35.141 -> 8001
11:15:36.126 -> 9000
11:15:37.143 -> 10001
11:15:38.122 -> 11001
11:15:39.149 -> 12002
11:15:40.132 -> 13002
11:15:41.111 -> 14002
11:15:42.123 -> 15002

現在，將剛剛的檔案另存新檔成為 code-millis-1，之前的版本是每點亮一顆燈，就會延遲 1 秒鐘！現在，我們用底下的方式來改寫：

int led[] ={5, 6, 7, 8};
int i;
int j = 0;
long Time = millis();
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  for (i=0; i<=3; i++) {
    pinMode(led[i], OUTPUT);
  }
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  if ( millis() - Time >= 1000 ) {
    for ( i=0; i<=3; i++ ) {
      digitalWrite(led[i], LOW);
    }
    digitalWrite(led[j],HIGH);
    j=j+1;
    if ( j>=4 ){
      j = 0;
    }
    Time = millis();
    Serial.println(millis());
  }
}

如前所述，我們在工作的結尾增加時間刻度紀錄，然後開頭使用 millis() 進行時間判斷而已，輸出的秒數就非常準確！這樣才有特定迴圈的記憶功能感覺啊～而不是透過 delay 啊！

延遲比較大的 dht11 測試

上述的程式碼時間誤差你可能覺得沒什麼！那我們來看看 dht11 這個感測器的使用好了！先將 code-dht-1 程式碼拿出來，增加幾個資訊成為如下：

#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <DHT.h>
#include <DHT_U.h>
#define DHTPIN 7
#define DHTTYPE    DHT11     // DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN, DHTTYPE);
uint32_t delayMS;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  dht.begin();
  Serial.println(F("DHTxx Unified Sensor Example"));
  sensor_t sensor;
  dht.temperature().getSensor(&sensor);
  Serial.println(F("------------------------------------"));
  Serial.println(F("Temperature Sensor"));
  Serial.print  (F("Sensor Type: ")); Serial.println(sensor.name);
  Serial.print  (F("Driver Ver:  ")); Serial.println(sensor.version);
  Serial.print  (F("Unique ID:   ")); Serial.println(sensor.sensor_id);
  Serial.print  (F("Max Value:   ")); Serial.print(sensor.max_value); Serial.println(F("°C"));
  Serial.print  (F("Min Value:   ")); Serial.print(sensor.min_value); Serial.println(F("°C"));
  Serial.print  (F("Resolution:  ")); Serial.print(sensor.resolution); Serial.println(F("°C"));
  Serial.println(F("------------------------------------"));
  // Print humidity sensor details.
  dht.humidity().getSensor(&sensor);
  Serial.println(F("Humidity Sensor"));
  Serial.print  (F("Sensor Type: ")); Serial.println(sensor.name);
  Serial.print  (F("Driver Ver:  ")); Serial.println(sensor.version);
  Serial.print  (F("Unique ID:   ")); Serial.println(sensor.sensor_id);
  Serial.print  (F("Max Value:   ")); Serial.print(sensor.max_value); Serial.println(F("%"));
  Serial.print  (F("Min Value:   ")); Serial.print(sensor.min_value); Serial.println(F("%"));
  Serial.print  (F("Resolution:  ")); Serial.print(sensor.resolution); Serial.println(F("%"));
  Serial.println(F("------------------------------------"));
  // Set delay between sensor readings based on sensor details.
  delayMS = sensor.min_delay / 1000;
}

void loop() {
  // Delay between measurements.
  delay(delayMS);
  Serial.print(delayMS);
  Serial.print(";  ");
  Serial.println(millis());
  // Get temperature event and print its value.
  sensors_event_t event;
  dht.temperature().getEvent(&event);
  if (isnan(event.temperature)) {
    Serial.println(F("Error reading temperature!"));
  }
  else {
    Serial.print(F("Temperature: "));
    Serial.print(event.temperature);
    Serial.println(F("°C"));
  }
  // Get humidity event and print its value.
  dht.humidity().getEvent(&event);
  if (isnan(event.relative_humidity)) {
    Serial.println(F("Error reading humidity!"));
  }
  else {
    Serial.print(F("Humidity: "));
    Serial.print(event.relative_humidity);
    Serial.println(F("%"));
  }
}

鳥哥測試的結果，跑了 70 秒時，時間誤差就增加 1 秒了！如果用剛剛的方法做設計！那麼時間延遲則幾乎沒有什麼變化！時間資料相當準確呢！

#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <DHT.h>
#include <DHT_U.h>
#define DHTPIN 7
#define DHTTYPE    DHT11     // DHT 11
DHT_Unified dht(DHTPIN, DHTTYPE);
uint32_t delayMS;
long Time = millis();

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  dht.begin();
  Serial.println(F("DHTxx Unified Sensor Example"));
  sensor_t sensor;
  dht.temperature().getSensor(&sensor);
  Serial.println(F("------------------------------------"));
  Serial.println(F("Temperature Sensor"));
  Serial.print  (F("Sensor Type: ")); Serial.println(sensor.name);
  Serial.print  (F("Driver Ver:  ")); Serial.println(sensor.version);
  Serial.print  (F("Unique ID:   ")); Serial.println(sensor.sensor_id);
  Serial.print  (F("Max Value:   ")); Serial.print(sensor.max_value); Serial.println(F("°C"));
  Serial.print  (F("Min Value:   ")); Serial.print(sensor.min_value); Serial.println(F("°C"));
  Serial.print  (F("Resolution:  ")); Serial.print(sensor.resolution); Serial.println(F("°C"));
  Serial.println(F("------------------------------------"));
  // Print humidity sensor details.
  dht.humidity().getSensor(&sensor);
  Serial.println(F("Humidity Sensor"));
  Serial.print  (F("Sensor Type: ")); Serial.println(sensor.name);
  Serial.print  (F("Driver Ver:  ")); Serial.println(sensor.version);
  Serial.print  (F("Unique ID:   ")); Serial.println(sensor.sensor_id);
  Serial.print  (F("Max Value:   ")); Serial.print(sensor.max_value); Serial.println(F("%"));
  Serial.print  (F("Min Value:   ")); Serial.print(sensor.min_value); Serial.println(F("%"));
  Serial.print  (F("Resolution:  ")); Serial.print(sensor.resolution); Serial.println(F("%"));
  Serial.println(F("------------------------------------"));
  // Set delay between sensor readings based on sensor details.
  delayMS = sensor.min_delay / 1000;
}

void loop() {
  // Delay between measurements.
  if ( millis() - Time >= delayMS ){
    Serial.print(delayMS);
    Serial.print(";  ");
    Serial.println(millis());
    Time = millis();
    // Get temperature event and print its value.
    sensors_event_t event;
    dht.temperature().getEvent(&event);
    if (isnan(event.temperature)) {
      Serial.println(F("Error reading temperature!"));
    }
    else {
      Serial.print(F("Temperature: "));
      Serial.print(event.temperature);
      Serial.println(F("°C"));
    }
    // Get humidity event and print its value.
    dht.humidity().getEvent(&event);
    if (isnan(event.relative_humidity)) {
      Serial.println(F("Error reading humidity!"));
    }
    else {
      Serial.print(F("Humidity: "));
      Serial.print(event.relative_humidity);
      Serial.println(F("%"));
    }
  }
}

如此一來，時間幾乎不會有誤差！當然啦，還是得要依據你的工作流程會花費的時間來進行規劃才行！

12.2：重新開機的方法

如前所述，基本上，arduino 會有時間溢位的問題。如果不處理，那麼超過 50 天之後，可能會發生一些小意外。那，有沒有辦法直接對 arduino 強迫重新開機呢？如果 arduino 可以定時自動重新開機，那當然就沒有時間溢位的問題！因為在溢位之前，arduino 自動重新開機，當然時間就歸零～也就沒有了溢位的問題。

那如何進行重新開機呢？基本上，有兩種方法，一種是透過 arduino 上面的 reset 腳位，另一種則是直接透過軟體程式撰寫來處理。

使用 reset (RST) 腳位處理

仔細看 arduino 的板子，你會發現到有個腳位會寫上 RST (Reset)，明明開發板上面就有 reset 按鈕，為何還需要這個 Reset 腳位呢？基本上，在程式碼當中，預設的情況系， Reset 腳會會是 HIGH，如果你傳個 LOW 過去，那麼板子就會重新開機呢！只是，你得要將某個腳位與 Reset 連結在一起。

我們拿 code-millis-1 來修改，同時將 D10 與 RST 連結在一起，你沒看錯！可以使用雙母杜邦線直接連在一起就好！如果沒有雙母杜邦線，也可以拿兩條杜邦線安插到同一組麵包板上面即可。然後將 code-millis-1 修改這樣：

int led[] ={5, 6, 7, 8};
int i;
int j = 0;
long Time = millis();
int rst = 10;
long limitTime = 30 * 1000;

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  digitalWrite(rst, HIGH);
  pinMode(rst,OUTPUT);
  for (i=0; i<=3; i++) {
    pinMode(led[i], OUTPUT);
  }
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  if ( millis() - Time >= 1000 ) {
    for ( i=0; i<=3; i++ ) {
      digitalWrite(led[i], LOW);
    }
    digitalWrite(led[j],HIGH);
    j=j+1;
    if ( j>=4 ){
      j = 0;
    }
    Time = millis();
    Serial.println(millis());
  }
  if ( millis() >= limitTime ) {
    digitalWrite(rst,LOW);
  }
}

燒錄上傳之後，你打開終端機，可以確實發現，arduino 開機 30 秒之後，就會自動重新開機！只是，這個範例有點奇怪，當第二次要重複燒錄這個程式時，系統會說燒錄失敗耶！我覺得很奇怪！拔掉 reset 腳位，重新燒錄就可以成功！燒錄成功再將 reset 接回去就好。只是，這樣就很麻煩！超奇怪的！雖然是真的可以用啦！

使用系統程式重新開機

arduino 有提供一個方式讓你重新啟動開發板！使用的方式相當簡單，我們同樣舉上面的範例來處理：

int led[] ={5, 6, 7, 8};
int i;
int j = 0;
long Time = millis();
long limitTime = 30 * 1000;
void (* resetFunc) ( void ) = 0;

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  for (i=0; i<=3; i++) {
    pinMode(led[i], OUTPUT);
  }
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  if ( millis() - Time >= 1000 ) {
    for ( i=0; i<=3; i++ ) {
      digitalWrite(led[i], LOW);
    }
    digitalWrite(led[j],HIGH);
    j=j+1;
    if ( j>=4 ){
      j = 0;
    }
    Time = millis();
    Serial.println(millis());
  }
  if ( millis() <= limitTime ) {
    resetFunc();
  }
}

這個方法也很炫～你不用重新處理硬體連線，只要在 IDE 程式碼裡面加上全域變數宣告的 resetFunc 函數，然後同樣使用 millis() 的方式去計算出需要重新開機的時間，那麼 arduino 就會主動幫你進行重新開機的行為了！

12.3：參考資料

蔡董 arduino 文件：時間控制
http://interact.vexp.idv.tw/int10/img28.html
對你的 arduino 做 reset 動作：
https://www.theengineeringprojects.com/2015/11/reset-arduino-programmatically.html