Arduino — введение в самодельные микроконтроллерные устройства

В наши дни Ардуин может превратить что угодно в компьютер. Если вы видите светодиод или ЖК-дисплей с клавиатурой, возможно, кто-то поместил в это устройство ноутбук. Некоторые из этих вещей даже содержат шесть, семь или более небольших компьютеров, называемых микроконтроллерами.

Внутри них, из которых наиболее популярен Arduino. Если вы планируете создать свое электронное устройство со встроенным компьютером, вы должны понимать, что это такое и как оно работает.

Только после этого вы можете пойти и купить несколько комплектов в магазине печатных плат и начать свои проекты.

Что такое Arduino?

Эти небольшие микроконтроллерные компьютеры обычно называют либо встроенными контроллерами, либо микроконтроллерными блоками (MCU). Это полные компьютерные системы со всем, что вы можете себе представить, что входит в компьютер. Все они имеют центральный процессор для выполнения программ, временное хранилище RAM, постоянные системы хранения и порты для периферийных устройств и аксессуаров.

Микроконтроллеры — это просто компьютеры индивидуального назначения, созданные и предназначенные для выполнения лишь нескольких конкретных задач. В большинстве случаев эти устройства запускают только одну программу, хранящуюся в некотором ПЗУ. Впрочем, к ним можно подключить и внешнее хранилище. Так или иначе, они считаются маломощными устройствами, и в этом их прелесть. Вы можете использовать его полностью на батареях.

Arduino — это просто версия микроконтроллера с открытым исходным кодом. Он представляет собой плату для разработки аппаратного обеспечения, которую вы можете использовать для разработки и создания собственных устройств. Arduino идеально подходит для мастеров, любителей и производителей, относится как к определенному типу конструкции платы, так и к компании, которая их производит, и сообществу разработчиков, которые их используют. Поэтому вы можете найти их почти в каждом магазине или каталоге электроники или запчастей для печатных плат.

Платформа представляет собой физическую программируемую печатную плату, сам микроконтроллер и программное обеспечение или IDE (интегрированная среда разработки), которые вы используете для создания программы, которую запускает устройство. Популярный среди новых разработчиков, Arduinos не требует отдельного программатора, что делает его гораздо более удобным для пользователя, чем другие наборы микроконтроллеров на рынке. Он даже использует упрощенную версию языка программирования C++, что упрощает программирование.

1.1 Из чего состоит Arduino?

Платы Arduino поставляются с несколькими компонентами и интерфейсами, предварительно установленными на одной печатной плате (PCB) в виде комплекта микроконтроллера. Эти компоненты задают стандартный форм-фактор, который делает микроконтроллер более доступным.

Основные компоненты

Несмотря на то, что с годами дизайн менялся, базовый комплект Arduino включает следующие компоненты:

Коннекторы контактов

Существует два типа контактов:расположенные по определенному шаблону, эти контакты позволяют вам подключать MCU к другим частям платы вашего пользовательского устройства. Они также позволяют подключать к устройству дочернюю дополнительную плату, называемую «защитой».

Цифровой – Разъемы ввода-вывода (I/O) с одним состоянием, которые можно включить или отключить. Большинство Arduino имеют 14 цифровых контактов.

Аналоговый – Коннекторы с несколькими состояниями, которые могут считывать диапазон значений. Вы можете использовать их для более тонкого контроля. Обычно их шесть.

Земля – Эти три контакта с маркировкой GND позволяют заземлить устройство.

Мощность – Четыре 5-вольтовых и пять 3-вольтовых контактов подают сигналы питания на надстройки и другие навесные устройства.

Широкоимпульсная модуляция (ШИМ) — восемь цифровых контактов используются как разъемы ШИМ. Они могут имитировать аналоговые выходные сигналы для таких приложений, как затемнение светодиодов

Аналоговый справочник (AREF) — иногда используется для регулирования внешнего напряжения, но эти девять контактов используются редко.

Разъем питания

Этот разъем питает устройство и создает питание низкого напряжения для светодиодов, датчиков и других устройств. Вы можете использовать разъем либо с адаптером переменного тока, либо с небольшой батареей.

Главный процессор

ЦП микроконтроллера является сердцем платформы. Это позволяет Arduino выполнять команды и принимать решения на основе различных входных данных и запущенных программ. Одна и та же микросхема будет различаться в зависимости от типа Arduino, но большинство комплектов поставляются с наборами микросхем Atmel с различной встроенной памятью. Стандартные модели процессоров включают:

• ATmega8
• ATmega168
• ATmega328
• ATmega1280
• ATmega2560

Последовательный разъем

Большинство плат Arduino поставляются со стандартным портом USB, который позволяет подключать микроконтроллер к компьютеру для загрузки новых программ. На некоторых платах порт USB также служит разъемом питания.

Кнопка сброса

Платы Arduino также содержат кнопку сброса. Нажатие кнопки приводит к срабатыванию штифта сброса. Он перезапускает любой запущенный в данный момент код. Идеально подходит, когда вы хотите что-то протестировать, но ваша программа не имеет функции перезапуска.

Светодиодный индикатор питания

Некоторые микроконтроллеры Arduino поставляются со светодиодным индикатором питания, который показывает, включено ли устройство. Как правило, светодиод загорается при подключении команды к источнику питания. Если этот индикатор не загорается, велика вероятность, что что-то не так.

Индикаторы передачи и приема сигнала

Маркировка как TX (передача) и RX (прием); эти светодиоды показывают активность последовательной связи. Они обеспечивают тонкую визуальную подсказку, когда устройство получает или передает данные.

Регулятор напряжения

Хотя платы Arduino не программируются пользователем, они поставляются с регулятором напряжения. Регулятор контролирует величину напряжения, проходящего через плату. Конечно, у него есть ограничения, но в большинстве проектов напряжение не превышает 20 вольт.

1.2 Надстройки и аксессуары для Arduino

Вышеуказанные компоненты поставляются со всеми микроконтроллерами Arduino, но это не единственные электронные компоненты, которые можно использовать с платформой. Платы соответствуют всем стандартам IEEE и ISO. Таким образом, вы можете использовать любые готовые детали, чтобы сделать ваш проект Arduino стоящим. Однако спецификация платформы Arduino требует некоторых надстроек, совместимых с платформой. Из-за этого большинство поставщиков Arduinos также имеют некоторые датчики и экраны Arduino. Без них также не обходится ни один проект Arduino.

Датчики

Вы можете использовать небольшой код, чтобы Arduinos управляла серией датчиков и взаимодействовала с ними.

Большинство поставщиков Arduino предлагают датчики для измерения:

• Легкий
• Температура
• Степень гибкости
• Давление
• Близость
• Ускорение
• Угарный газ
• Радиоактивность
• Влажность
• Барометрическое давление

Макетная плата Arduino

Вы также можете получить макетную плату без пайки для своего проекта. Эта плата позволяет вам создавать прототипы и экспериментировать с вашими схемами и компоновками без постоянной пайки компонентов на печатной плате. Вы можете экспериментировать и проверять свои макеты и дизайнерские идеи. Макетная плата не имеет адаптера питания. Таким образом, было бы лучше, если бы вы использовали перемычки для питания через материнскую плату.

Щиты

Последние части головоломки Arduino — это щиты Arduino. Эти предварительно собранные дочерние платы устанавливаются поверх основной платы Arduino и предлагают дополнительные возможности.

Некоторые стандартные функции щита включают

Управление двигателями

Подключение к Интернету

Мобильные и сотовые сети и связь

Контроллеры ЖК-экрана

Разработчики Arduino использовали официальную интегрированную среду разработки Arduino (IDE) для написания своих программ Arduino. IDE с открытым исходным кодом на основе Java работает на всех платформах под управлением Windows, Mac и Linux. Это дает вам уникальную среду для написания и тестирования кода, написанного на языке программирования Processing, перед его загрузкой на ваше устройство.

Arduino Uno — самый популярный Arduino

Поскольку нет двух одинаковых проектов, группа Arduino выпустила спецификации для некоторых типов плат Arduino. Один из самых популярных типов плат — Arduino Uno.

Arduino Uno MCU за 22 доллара — отличный выбор для начинающих. Он поставляется только с основными компонентами, но позволяет вам разработать свой проект по-своему. При весе 25 грамм эта печатная плата размером 68,5 на 53,4 мм достаточно легкая, чтобы поместиться в корпусе.

Текущая версия Arduino Uno R3 поставляется с:

• Микропроцессор ATmega328P
• 14 цифровых входных/выходных контактов
  • 6 выходов ШИМ
  • Встроенный светодиод (подключен к контакту 13)
  • 5 В, 3,3 В и вывод заземления

• Шесть аналоговых контактов
• USB-порт
• Разъем питания
• Кнопка сброса
• Рабочее напряжение 5 В
• 32 КБ флэш-памяти
• 2 КБ SRAM и 1 КБ EEPROM

Uno может быть не первой платой Arduino, но она используется наиболее активно. Это также наиболее документированный форм-фактор с множеством руководств по проектам и форумов по всему Интернету.

Arduino Mega — микроконтроллер для БОЛЬШИХ проектов

Фактически четыре микроконтроллера Uno в одном, Arduino Mega — это плата для ваших масштабных проектов. Благодаря чипу Atmel ATmega2560, Mega предлагает четыре последовательных порта с отдельным портом USB для питания и интерфейсов с компьютерами. Он даже может похвастаться выделенным процессором ATmega16U2 только для дополнительного USB-порта. Вы также можете питать MCU от батареи.

Мега имеет:

• 54 цифровых входа/выхода (I/O) с 14 PWM-совместимыми контактами
• 16 аналоговых контактов ввода-вывода
• USB-порт
• Разъем питания
• Кнопка сброса

Большое количество контактов Mega делает доску. Вы можете использовать их в проектах, требующих большого количества подключений цифрового ввода-вывода, светодиодов или кнопок.

Остальная часть мощности Mega MCU исходит от его процессора. Микропроцессор ATmega2560 может делать все, что вы можете ему предложить. Он имеет тактовую частоту 16 МГц, 256 КБ флэш-памяти, 8 КБ SRAM и 4 КБ EEPROM. Все это делает Arduino Mega идеальной платой для 3D-принтеров и робототехники.

Arduino ESP8266 делает ваши проекты беспроводными

Ни одна плата Arduino не поставляется с беспроводной сетью на самой плате. Вы не найдете его ни на одном из доступных щитов. Вам нужен модуль Wi-Fi Arduino ESP8266, если вы хотите сделать свой проект беспроводным.

Хотя есть и более новые модули, ESP2866 является оригинальным. Возможно, он не предназначен для работы в качестве автономного микроконтроллера, но он необходим вашему проекту на современном рынке мобильных устройств.

Тем не менее, он предлагает приличную беспроводную связь. Плата поставляется с выводами питания, заземления, передачи и приема для подключения этих функций к вашему центральному Arduino, а также выводом «вкл-выкл», «отключение питания, управляемое микросхемой» (CH_PD). У вас также есть сброс и два контакта данных GPIO.

Есть один минус. Для ESP8266 требуется 5-вольтовый сигнал питания. Он не будет работать со стандартным напряжением 3,5 В для Arduino.

Подсистема и структура ШИМ

5.1 ШИМ Arduino

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) имитирует аналоговый сигнал, используя сигналы прямоугольной формы с различными частотами и амплитудами. Платформа Arduino использует эти сигналы для управления аналоговыми цепями с помощью своих цифровых выходов.

Платформа Arduino PWM не является отдельным аппаратным обеспечением. Все платы Arduino поставляются со встроенными системными вызовами. Вам нужно написать программу, которая их использует. Команда создает прямоугольную волну через совместимый вывод.

5.2 Arduino Nano — идеально подходит для небольших устройств и проектов

Будучи самой миниатюрной версией платформы Arduino, Arduino Nano предлагает те же функции, что и Uno, но в гораздо меньшем корпусе, оснащенном процессором ATmega328P и сопроцессором Atmega168. Он использует то же программное обеспечение Arduino IDE, что и другие платы Arduino.

Нано поставляется с:

• 14 контактов цифрового ввода/вывода с 6 контактами, совместимыми с PWN
• Восемь аналоговых контактов
• Рабочее напряжение 5 В
• Кнопка сброса
• USB-порт
• Последовательный порт
• 32 КБ флэш-памяти
• 8 КБ SRAM
• 1 КБ EEPROM

Несмотря на свой размер, Nano отлично работает со следующими типами проектов:

• Встроенные системы
• Автоматизация
• Робототехника
• Системы управления
• Инструментарий

Почему Arduino лучше Raspberry Pi?

Платформа Arduino — не единственный микроконтроллер на рынке. Многие другие микроконтроллеры предлагают те же функции, что и Arduino, включая Raspberry Pi. Однако PI — это совсем другой продукт, чем Arduino.

Во-первых, Raspberry PI — это целый компьютер. Ардуино нет. Микрокомпьютер — это всего лишь один небольшой компонент, из которого состоит компьютер. Из-за этого платформа Arduino предоставляет лишь небольшую часть того, что может предложить PI. Например, он может запускать только небольшие приложения, а не полноценную компьютерную операционную систему.

6.1 Сильные и слабые стороны

Это не значит, что Arduino бесполезен. Он идеально подходит для проектов в области электроники, для работы которых не требуется весь компьютер. Вы можете подключить его напрямую к своим компонентам и датчикам, и все будет работать сразу после установки с минимальной настройкой или вообще без нее.

Arduino может сделать это из-за того, как работает прошивка Arduino. Прошивка — это основное программное обеспечение, на котором работает линейка плат Arduino. Он также связывается с вашим компьютером через USB, чтобы предоставить вам доступ ко всем его программируемым функциям. Хотя вы всегда можете заменить прошивку, вам никогда не придется этого делать. Вам даже не нужно перезагружать его. Как только вы загрузите свой код, вы можете сразу же запустить его где угодно. Нет необходимости в клавиатуре, дисплее или средствах выбора приложения. Доска будет выполнять ту работу, которую вы ей поручите.

6.2. Raspberry Pi — полноценный компьютер

Напротив, Raspberry Pi — полнофункциональный компьютер. Для работы требуется операционная система, которая требует перезагрузки для продолжения работы. Плата также не имеет встроенной памяти. Было бы полезно, если бы вы предоставили внешний микро-SD для хранения программ, которые вы хотите запустить. Хотя у него есть встроенный Ethernet, вы можете обновить программное обеспечение, не извлекая карту.

Pi работает на процессоре Broadcom Arm-v6 с памятью и графическим процессором HDMI. Плата также отлично работает с клавиатурой и мышью, что позволяет вам загрузить вариант Linux и использовать его так, чтобы никто не мог сказать, что вы использовали такую ​​крошечную машину для управления всем. Вот насколько это мощно. Это идеальная платформа для проектов, требующих полной интерактивности пользователя и всей вычислительной мощности.

Однако эта мощность делает Pi плохо подходящим для небольших проектов. Например, вам нужно подключить светодиод к плате Arduino, чтобы он загорелся, написав всего восемь строк кода. Для начала Pi потребуются дополнительные библиотеки в дополнение к вашему коду, и это в том случае, если у вас уже установлена ​​операционная система на плате.

Это не означает, что вы не можете использовать Raspberry Pi и Arduino для проектов одного типа. Вы можете установить библиотеки фреймворков, которые предоставят Pi те же функции, что и Arduino. Просто использование Pi в проекте требует гораздо больше времени и усилий.

Arduino также имеет большое сообщество разработчиков. Как самая популярная платформа для проектов в области электроники, Arduino предлагает множество руководств для начинающих, которые помогут вам начать работу.

В любом случае, вам никогда не придется выбирать между этими двумя досками. Они отлично работают вместе. При правильном подключении ваш Arduino может стать дочерней платой расширения для вашего Raspberry Pi, предоставляя обеим картам доступ к функциям друг друга.

Заключение

Arduino — это семейство платформ микроконтроллеров, разработанных специально для проектов электроники «Сделай сам». Эти одноразовые доски поставляются со всем необходимым для автоматизации вашей задачи, а затем и с некоторыми другими. Вы должны подключить его к своему компьютеру, создать код и просто запустить его. Он сделает все остальное.

Чтобы получить тот или иной компонент для ваших проектов, немедленно свяжитесь с нами. Наши представители разбираются в Arduino и готовы помочь вам решить, какая плата и надстройки вам подходят. Мы даже можем помочь вам получить детали, необходимые для подключения вашего Arduino к Raspberry Pi, чтобы вывести ваши устройства на новый уровень.