1.2 Обзор существующих типов платформ Arduino
Arduino – это инструмент для проектирования электронных устройств (электронный конструктор) более плотно взаимодействующих с окружающей физической средой, чем стандартные персональные компьютеры, которые фактически не выходят за рамки виртуальности. Это платформа, предназначенная для «physical computing» с открытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современной средой для написания программного обеспечения.
Arduino применяется для создания электронных устройств с возможностью приема сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков, которые могут быть подключены к нему, и управления различными исполнительными устройствами (рис. 1.6).
Рисунок 1.6 – первичное представление об Arduino
Простота и доступность
Платформа Arduino приобрела бешеную популярность благодаря простоте и дружелюбности. Даже полный ноль в программировании и схемотехнике может освоить основы работы с Arduino за пару часов. Этому способствуют тысячи публикаций, учебников, заметок в интернете и отличная серия видео уроков по Arduino (рис. 1.7).
Рисунок 1.7 – Пример кода на Arduino
Программы для Arduino пишутся на обычном C++, дополненным простыми и понятными функциями для управления вводом-выводом на контактах. Если вы уже знаете C++, Arduino станет дверью в новый мир, где программы не ограничены рамками компьютера, а взаимодействуют с окружающим миром и влияют на него. Если же вы новичок в программировании — не проблема, вы с лёгкостью научитесь, это просто. Кросс-платформенность – программное обеспечение Arduino работает под ОС Windows, Macintosh OSX и Linux. Большинство микроконтроллеров ограничивается ОС Windows. Также стоит отметить низкую стоимость – платы Arduino относительно дешевы по сравнению с другими платформами. Самая недорогая версия модуля Arduino может быть собрана в ручную, а некоторые даже готовые модули стоят меньше 50 долларов.
Аппаратные средства с возможностью расширения и открытыми принципиальными схемами – микроконтроллеры ATMEGA8 и ATMEGA168 являются основой Arduino. Схемы модулей выпускаются с лицензией Creative Commons, а значит, опытные инженеры имеют возможность создания собственных версий модулей, расширяя и дополняя их. Даже обычные пользователи могут разработать опытные образцы с целью экономии средств и понимания работы.
"Голова" Arduino
"Голова" Arduino - это микроконтроллер серии Atmega. Микроконтроллер представляет собой микропроцессор с памятью и различными периферийными устройствами, выполненной на одной микросхеме. По факту это однокристальный микрокомпьютер, который способен выполнять различные задачи. Разные модели из семейства Arduino оснащены разными микроконтроллерами, более и менее мощными и функциональными (рис. 1.8).
Рисунок 1.8 – Микроконтроллер серии Atmega
Команда Arduino выпустила множество плат, с различным функционалом, количеством входов/выходов, тактовой частотой, оперативной памятью, дополнительными функциями и тому подобным. Ниже перечислены актуальные, на данный момент платформы Arduino, такие, как:
Arduino Uno (рис. 1.9) является стандартной платой Arduino и возможно наиболее распространенной. Она основана на чипе ATmega328, имеющем на борту 32 КБ флэш-памяти, 2 Кб SRAM и 1 Кбайт EEPROM памяти. На периферии имеет 14 дискретных (цифровых) каналов ввода / вывода и 6 аналоговых каналов ввода / вывода, это очень разносторонне-полезные девайсы, позволяющие перекрывать большинство любительских задач в области микроконтроллерной техники. Данная плата контроллера является одной из самых дешевых и наиболее часто используемых.
Рисунок 1.9 – Arduino Uno
Arduino UNO имеет следующие характеристики:
микроконтроллер ATmega328;
напряжение питания 5В;
входное напряжение (рекомендуемое) 7-12В;
входное напряжение (предельное) 6-20В;
цифровой ввод-вывод 14 линии (из них 6 поддерживают ШИМ);
аналоговый ввод 6 линий;
постоянный ток на линиях ввода-вывода 40мА;
постоянный ток на линии 3.3В 50мА;
Flash-память 32кб, 0.5 кб из них использованы для загрузчика;
SRAM-память 2кб;
EEPROM-память 1кб;
тактовая частота 16МГц.
Arduino Leonardo (рис. 1.10) - контроллер на базе ATmega32u4. Платформа имеет 20 цифровых вход/выходов (7 из которых могут использоваться как выходы ШИМ и 12 как аналоговые входы), кварцевый генератор 16 МГц, разъем микро-USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC или батареи.
В отличие от всех предыдущих плат ATmega32u4 имеет встроенную поддержку для USB соединения, это позволяет задать как Leonardoбудет виден при подключение к компьютеру, это может быть клавиатура, мышь, виртуальный серийный / COM порт.
Рисунок 1.10 – Arduino Leonardo
Arduino Leonardo имеет следующие характеристики
Микроконтроллер ATmega32u4
Рабочее напряжение 5В
Входное напряжение (рекомендуемое) 7-12 В
Входное напряжение (предельное) 6-20 В
Цифровые Входы/Выходы 20 (7 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
Аналоговые каналы 12
Постоянный ток через вход/выход 40 мА
Постоянный ток для вывода 3.3 В 50 мА
Флеш-память32 Кб (ATmega32u4) из которых 4 Кб используются для загрузчика
ОЗУ 2 Кб (ATmega32u4)
EEPROM 1 Кб (ATmega32u4)
Тактовая частота 16 МГц
Arduino Nano
Arduino Nano (рис. 1.11) – это отладочная плата небольшого размера, которая входит в тройку лидеров по популярности среди радиолюбителей-программистов. Несмотря на свой скромный размер, она практически ничем не уступает нашумевшей - Arduino Uno по функционалу и может использоваться в проектах, где габариты играют существенную роль. Платформа Nano, построенная на микроконтроллере ATmega328 (Arduino Nano 3.0) или ATmega168 (Arduino Nano 2.x), Она имеет схожую с Arduino Duemilanove функциональность, однако отличается сборкой. Отличие заключается в отсутствии силового разъема постоянного тока и работе через кабель Mini-B USB. Nano разработана и продается компанией Gravitech.
Рисунок 1.11 – Arduino Nano
Nano имеет такие характеристики
Микроконтроллер Atmel ATmega168 или ATmega328
Рабочее напряжение (логическая уровень) 5 В
Входное напряжение (рекомендуемое) 7-12 В
Входное напряжение (предельное) 6-20 В
Цифровые Входы/Выходы 14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
Аналоговые входы 8
Постоянный ток через вход/выход 40 мА
Флеш-память 16 Кб (ATmega168) или 32 Кб (ATmega328) при этом 2 Кб используются для загрузчика
ОЗУ 1 Кб (ATmega168) или 2 Кб (ATmega328)
EEPROM 512 байт (ATmega168) или 1 Кб (ATmega328)
Тактовая частота 16 МГц
Размеры 1.85 см x 4.2 см
Arduino Mega
Arduino Mega (рис. 1.12) построена на микроконтроллере ATmega2560. Плата имеет: 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов,4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопка перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC, или аккумуляторной батареей.
Рисунок 1.12 – Arduino Mega
Arduino Mega имеет следующие характеристики
Микроконтроллер: ATmega2560
Тактовая частота: 16 мГц
Напряжение: 5 В
Предельные напряжения: 5-20 В
Рекомендуемое напряжение питания: 7-12 В
Макс. сила тока с одного вывода: 40 мА
Цифровые пины: 54
Цифровые пины с поддержкой ШИМ: 15
Аналоговые входы: 16
Flash-память: 256 КБ (8 из них используются загрузчиком)
SRAM: 8 КБ
EEPROM: 4 КБ
Arduino Mini
Arduino Mini (рис. 1.13) построена на микроконтроллере ATmega168 (технические данные) и предназначена для использования в лабораторных работах и проектах, где пространство является критическим параметром. Платформа содержит 14 цифровых входов и выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 8 аналоговых входов и кварцевый генератор 16 МГц. Программируется при помощи адаптера Mini USB или любого преобразователя USB или RS232 в TTL.
Рисунок 1.13 – Arduino Mini
Характеристики Arduino Mini
Микроконтроллер – ATmega168/328;
Рабочее напряжение – 3.3В/5В;
Напряжение питания – 3.35-12В/5 - 12В;
Цифровые входы/выходы – 14;
Аналоговые входы – 8;
Flash-память – 16/32 КБт;
SRAM – 1/2 КБт;
EEPROM – 512/1024 байт;
Тактовая частота – 8/16 МГц;
Размеры – 33х18 мм;
Вес – 5 г.
1.3 Обзор элементов автоматизации
Для работы любого механического проекта нужны элементы автоматизации. Автоматизация в современном обществе – необходимая мера, в цифровом веке крайне важно исключить человеческий фактор в различных производствах, чтобы стандартизировать и улучшить качество продукции. Существуют и сферы, где человеку просто не подвластно делать то, на что способны роботы, например, производство нано-материалов и микроплат.
Но до глобальной автоматизации человечеству, пока еще далеко и все же взаимодействие между техникой и человеком все так же востребованы, поэтому и существуют устройства как: ввода, различные кнопки, рычаги, так и устройства вывода - световые индикаторы (лампочки), различные звуковые сигнализаторы и наконец дисплеи.
Дисплеи можно разделить на:
семисегментные (такие, как на цифровых часах);
алфавитно-цифровые;
графические;
Своё название семисегментные индикаторы получили в связи с тем, что изображение символа формируется с помощью семи отдельно управляемых (подсвечиваемых светодиодом) элементов - сегментов. Эти элементы позволяют отобразить любую цифру 0..9, а также некоторые другие символы, например: '-', 'A', 'b', 'C', 'd', 'E', 'F' и другие. Это даёт возможность использовать индикатор для вывода положительных и отрицательных десятичных и шестнадцатеричных чисел и даже текстовых сообщений. Обычно индикатор имеет также восьмой элемент - точку, используемую при отображении чисел с десятичной точкой. Сегменты индикатора обозначают буквами a, b, ..., g (a - верхний элемент, далее буквы присваиваются сегментам по часовой стрелке; g - центральный сегмент; dp - точка).
В настоящее время для отображения информации всё чаще используются графические дисплеи, однако, семисегментные индикаторы также не утратили своего значения. Если требуется лишь отображение чисел, то они могут стать более предпочтительным вариантом, т.к. просты в управлении и могут использоваться совместно с любым микроконтроллером с достаточным количеством выводов.
Поэтому семи сегментные индикаторы используют только для отображения простейших сообщений (рис. 1.14).
Рисунок 1.14 – Семисегментный индикатор
Алфавитно-цифровые дисплеи (рис 1.15) представляют собой активные устройства отображения информации, предназначенные для организации диалога оператора с ЭВМ.
По степени сложности и полноте выполняемых функций алфавитно-цифровые дисплеи делятся на простые с аппаратной реализацией основных функций и интеллектуальные дисплеи, в которых функции обработки информации выполняется программно-управляемым дисплейным процессором
Рисунок 1.15 – Алфавита-Цифровой дисплей
Графический дисплей – дисплей, обеспечивающий создание на экранах матриц точек, высвечивающих изображения и тексты.
Графические дисплеи находят широкое применение в системах управления технологическими процессами, контрольно-измерительной, медицинской, телекоммуникационной аппаратуре, устройствах ограничения доступа и многих других приложениях.
Графический дисплей размером 64х16 см. показан на рисунке 1.16
Одна из наиболее популярных бюджетных модификаций графических дисплеев малого размера. Чаще всего монтируется в окне и работает на улицу или же эксплуатируется в торговых помещениях расположенных на крытых рыночных либо выставочных площадях.
Рисунок 1.16 – Графический дисплей
К счастью, инженеры давно уже разработали специализированные микросхемы для управления разного рода индикаторами. В этом проекте я рассмотрел матричный модуль с микросхемой MAX7219.
MAX7219 (рис. 1.17) – микросхема для управления 7-сегментными индикаторами и матрицами 8х8. Благодаря встроенной динамической индикации и настройке тока этот чип в десятки раз упрощает работу и с теми, и с другими
Рисунок 1.17 – Матрица MAX7219
Модуль или адаптер Bluetooth представляет собой миниатюрное (размером не более флешки) электронное устройство, предназначенное для дистанционной передачи информации между компьютерами, внешними устройствами, смартфонами и их аксессуарами. Он часто используется для удалённого управления (например, беспроводными наушниками, телевизором и бытовыми приборами).
На фоне остальных протоколов Bluetooth выделяется, прежде всего, помехоустойчивостью и простотой. От не менее распространённого Wi-Fi, Bluetooth отличается в первую очередь низким энергопотреблением, что делает его доступным для автономных устройств. Благодаря этому Bluetooth получил повсеместное распространение.
Чаще всего для самоделок используются Bluetooth -модули HC-05 и HC-06. Их легко найти в продаже. HC-05 отличается от HC-06 тем, что ему доступны оба режима работы: ведомый (master) и ведущий (slave). А вот HC-06 работает только ведомым, то есть он не способен находить другие устройства и самостоятельно устанавливать с ними связь, один из модулей показан на рисунке 1.18.
Рисунок 1.18 – Bluetooth -модуль HC-05
Также существует аналог Bluetooth - модулю HC-05 и HC-06, это Bluetooth модуль JDY-3. Модуль JDY-31(рис 1.19) позволяют изменять режим работы slave/master с помощью AT-команд, т.е. может работать как ведомым SLAVE, так и MASTER который способен находить другие устройства и самостоятельно устанавливать с ними связь.
Основные характеристики модуля JDY-31:
Рабочая частота: 2.4 GHz
Интерфейс: UART
Напряжение питания: 3.6.. 6V
Ток потребления: 5 мА в режиме поиска,
8 мА в режиме передачи
Логический уровень: 3.3V, но вроде как не боится 5V
Дальность связи: 30м
Версия Bluetooth: 3.0 SPP
Рисунок 1.19 – Модуль JDY-31
В Arduino проектах требуется питать разные устройства разным уровнем напряжения. Если использовать стабилизатор, то при высоких значениях тока схема будет иметь заметно сниженное КПД. А при использовании нескольких источников питания схема приобретёт громоздкий и неэстетичный вид. Именно для этих случаев лучше использовать DC-DC преобразователи напряжения.
Понижающий преобразователь – это важная часть в любом проекте Arduino, поскольку он позволяет добиться заданных значений напряжения для питания любых компонентов, преобразуя различное входное напряжение
Понижающий модуль постоянного тока на базе LM2596S позволяет преобразовать входящее напряжение от 3.6 – 46 В до 1.25 – 35 В с высоким КПД (до 90%). Сила тока на входе — до 3А. Предельная нагрузка – до 15 Вт, его можно посмотреть на рисунке 1.20
Рисунок 1.20 – Понижающий модуль LM2596S
Малые габариты и высокая эффективность преобразования даёт возможность использовать понижающий импульсный преобразователь XL4015 E1 (рис 1.21) в любых проектах Arduino с батарейным питанием для зарядки аккумуляторных сборок с напряжением до 36В. Модуль также может быть полезен для питания схем, где разрыв между входным и выходным напряжением велик.
Рисунок 1.21 – Импульсный преобразователь XL4015 E1
|
Скачать 3.94 Mb.