Принципы работы с микроконтроллером ардуино: Аrduino для начинающих. Пошаговое руководство.

В книге рассмотрены:

• Общие сведения о микроконтроллерах
• Программирование микроконтроллера на платах Arduino/Freeduino
• Разработка и тестирование собственных приложений
• Более 80 практических проектов: настройка и применение микросхемы-адаптера FT232RL, задержка включения и выключения, реле температуры, измеритель емкости, школьные часы, 6-канальный цифровой вольтметр, управление вентилятором, обмен данными между компьютером и платой Arduino, сенсорный датчик, запись данных с помощью программы построения графиков Stamp PLOT, цифровой осциллограф с памятью, сигнализация с датчиком перемещения, выключатель уличного освещения, свет свечи, музыкальный проигрыватель, графопостроитель, последовательный ввод/вывод данных, эксперименты с ЖК-дисплеями и многое другое.

Комплектация

6 лучших микроконтроллеров, альтернативных Arduino Несмотря на потрясающие возможности, официальные платы Arduino немного дороги.

1. NodeMCU: дешевая альтернатива Arduino

NodeMCU — это крошечная, но универсальная плата, часто используемая в проектах умного дома своими руками. Подобная по размеру Arduino Nano и Pro Mini, эта плата обладает несколькими дополнительными преимуществами, которые выделяют ее.

NodeMCU (основанный на системе-на-чипе ESP8266) может работать на знакомой архитектуре Arduino. Что делает его более универсальным, так это возможность программировать на Lua прямо на плате. Объедините это со встроенным Wi-Fi и расположением контактов, аналогичным платам Arduino, и вы поймете, почему многие считают эти миниатюрные микроконтроллеры мощной альтернативой.

Наряду с этой дополнительной функциональностью реальным преимуществом здесь является цена. Они являются доступной альтернативой большей части линейки Arduino. NodeMCU станет идеальным союзником почти во всех проектах по созданию электроники своими руками. Вы можете увидеть эту плату в действии в нашем домашнем мониторе энергии DIY.

2. Teensy 4: быстрая альтернатива Arduino

Говоря о быстрых альтернативах Arduino, трудно найти что-то лучше, чем линейка плат Teensy. Теперь на итерации 4.1 эти небольшие платы похожи по форме на меньшие платы Arduino Nano и Arduino Micro, но обладают скрытым преимуществом.

Последняя версия Teensy 4.1 использует процессор ARM Cortex-M7 с тактовой частотой 600 МГц, обеспечивающий поразительный уровень вычислительной мощности для своего размера. Teensy 4.1 поставляется со встроенным слотом для карт памяти microSD для дополнительной встроенной памяти. Платы Teensy также являются жизнеспособной альтернативой с точки зрения стоимости: Teensy 4.1 стоит чуть более 30 долларов.

Мощный встроенный процессор можно разогнать, что еще больше увеличит скорость этой чудо-платы размером с пинту. Эти платы стали популярными у многих мастеров, поскольку они совместимы с Arduino IDE с использованием библиотеки Teensyduino. Это работает в тандеме с собственным программным обеспечением-загрузчиком Teensy, чтобы сделать написание и загрузку кода знакомым всем, кто работал с платами Arduino.

Teensy также работает как устройство USB HID, как и Arduino Pro Micro. Это делает его идеальным для сборок, которые требуют, чтобы плата распознавалась таким образом. Ассортимент досок Teensy быстро набирает популярность. Как только вы поймете, сколько классных проектов вы можете построить с доской Teensy, вы поймете, почему!

3. Панель запуска MSP430: маломощная альтернатива Arduino

Хотя цена и скорость являются важными факторами для большинства сборок своими руками, энергопотребление также является постоянной проблемой. Устройства регистрации, предназначенные для того, чтобы оставаться на месте в течение некоторого времени, могут с трудом поддерживать свою функцию. Даже с современными мощными батареями!

Решение этой проблемы можно найти в линейке плат MSP430. В течение почти 20 лет рассматриваемая как альтернатива с низким энергопотреблением, многие пользователи сообщают о потреблении рабочего тока в три раза ниже, чем у сопоставимых плат Arduino.

Наконец, микросхемы, поставляемые с этими платами, не требуют большого количества компонентов для работы в ваших проектах в качестве автономных микроконтроллеров. Это означает, что любую макетную плату в этом диапазоне можно использовать для загрузки поведения в чип перед его размещением в ваших проектах, что сокращает пространство и расширяет возможности использования.

Если вы учитываете энергопотребление в своих проектах «сделай сам», обратите внимание на MSP430 Launchpad!

4. STM32: многофункциональный инструмент

В то время как почти все Arduino-подобные платы для разработки имеют широкий спектр применения, одна из новичков получает приз как самая универсальная. Платы STM32, также известные в просторечии как Blue Pill (или Black Pill), по размеру аналогичны Arduino Nano и Pro Micro.

Поскольку они совместимы с Arduino IDE, они покажутся знакомыми всем, кто раньше играл с платами Arduino.

Как видно из приведенного выше видео, эти доски предоставляют еще несколько возможностей для начинающих мастеров, но это еще не все. Наряду со стандартными платами STM32 ST также производит линейку Nucleo.

В основе всех этих микроконтроллеров лежит микросхема STM32, но существует множество различных опций. Ищете ли вы производительность, которая может конкурировать с платой Teensy, или вариант с низким энергопотреблением для устройств с батарейным питанием, STM32 идеально подходит для вашего проекта. Полный список доступных плат задокументирован на веб-сайте ST.

Добавьте к этому множество экранов, очень похожих на те, что установлены на платах Arduino, и вы получите швейцарский армейский микроконтроллер практически на все случаи жизни!

5. PocketBeagle: альтернатива Linux

Хотя платы Arduino идеально подходят для простых интерфейсов и физических взаимодействий, иногда вам нужно немного больше. Вот тут-то и появляется PocketBeagle на базе Linux.

Вы можете задаться вопросом, почему эта плата вообще находится в этом списке, учитывая, что у нее гораздо больше общего с Raspberry Pi Zero, чем с любой платой Arduino. Хотя это правда, у PocketBeagle есть некоторые преимущества, которые делают его соперником.

PocketBeagle имеет пять аналоговых входов, 44 контакта GPIO и слот microSD. Эта крошечная плата Linux невероятно универсальна и поддерживает как Arduino, так и Raspberry Pi.

Если вам нужен микроконтроллер, который работает как Arduino, но имеет все преимущества полноценной встроенной операционной системы, вам может подойти PocketBeagle.

6. Сделай сам: самодельная альтернатива

Если вы ищете по-настоящему индивидуальную альтернативу Arduino, подумайте о том, чтобы создать ее с нуля. Следующим вашим проектом «сделай сам» может быть сборка доски «сделай сам»!

Этот метод определенно не для новичков, и получившемуся контроллеру по-прежнему потребуется кабель FTDI USB-последовательный интерфейс для программирования чипа. Плата «сделай сам» идеальна, если вы хотите узнать, как работают платы Arduino, или если ваш проект требует, чтобы оборудование помещалось в очень конкретное пространство.

Создание собственного Arduino также сэкономит деньги по сравнению с ценой официальной платы Arduino. Но, поскольку есть гораздо более дешевые альтернативы и клоны Arduino, вам действительно нужно захотеть сделать свой собственный, чтобы оправдать это!

Arduino — не единственный вариант

Хотя платы Arduino, безусловно, по-прежнему лидируют среди одноплатных микроконтроллеров, существует множество других отличных плат микроконтроллеров, из которых вы можете выбирать. С момента запуска первого Arduino было много вариаций формы и много дискуссий о том, какой тип микроконтроллера является королем.

Поскольку мир технологий микроконтроллеров продолжает развиваться, в настоящее время существует несколько альтернативных микроконтроллеров, которые могут обеспечить аналогичные возможности и производительность. Сейчас существует так много вариантов самодельных проектов электроники, что почти наверняка найдется что-то идеальное для ваших нужд. И самое главное, чтобы весело провести время!

Что такое Ардуино? Руководство для начинающих, чтобы понять это

Содержание

Если вы студент инженерного факультета или профессионал, вы, возможно, слышали о платформе Arduino. В последнее время это имя стало модным словечком среди студентов-электронщиков.

Что такое Ардуино? Ну, раньше для работы с электроникой требовалось сильное понимание математики, физики и других понятий. Но с появлением технологий различные инструменты и оборудование изменили рабочую модель электроники, так что огромные знания больше не требуются.

Одним из таких новаторских устройств является «Arduino», который помогает студентам понять концепции электроники на раннем этапе их карьеры. У вас может возникнуть много вопросов, например, для чего используется Arduino и какой язык использует Arduino?

Вскоре мы узнаем все об электронике Arduino.

Эта статья знакомит вас со значением Arduino и его историей. Он также охватывает все доступные типы плат Arduino, микропроцессоры Arduino, зачем использовать Arduino, компоненты Arduino UNO, а также ограничения и приложения Arduino.

Начнем.

Arduino — это платформа с открытым исходным кодом, которая помогает разработчикам схем создавать электронные проекты. Он состоит как из аппаратного, так и из программного обеспечения. Аппаратное обеспечение Arduino представляет собой программируемую печатную плату, называемую микроконтроллером. Программное обеспечение Arduino представляет собой IDE (интегрированную среду разработки), с помощью которой разработчики пишут и загружают код в микроконтроллер.

Мы можем передать программу с набором инструкций на плату Arduino, которая может выполнять простые и сложные задачи. Традиционные программируемые печатные платы требуют отдельного оборудования для загрузки кода на плату. Но Arduino устраняет необходимость в оборудовании; вместо этого он использует простой USB-кабель для загрузки кода на плату Arduino.

Плата Arduino позволяет разработчикам запускать программу на упрощенной версии языка C++, что упрощает обучение и программирование.

Аппаратная часть Arduino — это программируемая печатная плата. Возможно, в своей работе вы сталкивались с различными платами Arduino, но наиболее часто используемой платой Arduino является Arduino UNO. Все платы Arduino имеют микроконтроллер, известный как небольшой компьютер, который является сердцем Arduino.

Итак, изучая Arduino, важно узнать о микроконтроллерах и о том, как их использовать. Микроконтроллер Arduino отвечает за считывание различных входов и управление выходами.

Программное обеспечение Arduino называется Arduino IDE. Вы можете загрузить программное обеспечение на свой компьютер и запрограммировать платы Arduino для выполнения различных задач соответственно.

IDE похожа на текстовый редактор, где вы пишете инструкции для платы Arduino.

Помимо аппаратного и программного обеспечения, третьим наиболее важным аспектом Arduino является код, также известный как эскиз. Вы можете написать код в Arduino IDE и загрузить его на плату.

Возможно, вам интересно, какой язык использует Arduino для написания кода. У Arduino есть родной язык, аналогичный C++, который называется языком программирования Arduino. Любая программа, разработанная с использованием языка программирования Arduino, называется эскизом и сохраняется в файле с расширением .ino.

Чтобы писать инструкции для плат Arduino, вы должны обладать базовыми знаниями языков программирования C и C++.

Вместе аппаратное обеспечение, программное обеспечение и код составляют Arduino.

Arduino шаг за шагом: начало работы

С помощью Arduino можно создавать различные платы, каждая из которых имеет дополнительные возможности. Это аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом, позволяющее любому вносить изменения и создавать различные производные от плат Arduino. Эти изменения позволяют добавить несколько функций.

Ниже приведены некоторые распространенные типы Arduino, которые могут использовать даже новички в компьютерах:

UNO — один из самых доступных вариантов для начала работы в области электроники. . Он зависит от микроконтроллера на базе ATmega328P и имеет следующие характеристики:

• 14 цифровых контактов ввода/вывода
• 6 контактов для ШИМ
• 6 контактов для аналоговых входов
• кнопка сброса
• a USB-соединение

Arduino UNO (R3) имеет все необходимое для поддержки микроконтроллера. Все, что вам нужно сделать, это подключить его к компьютеру с помощью USB-кабеля и предоставить блок питания с адаптером переменного тока в постоянный или аккумулятором, чтобы он заработал.

Эта плата имеет соединения, аналогичные UNO, но основана на микроконтроллерах ATmega328P и ATmega628. Эта небольшая, гибкая и надежная плата с мини-USB отлично подходит для создания проектов.

Эта плата поставляется с 8 аналоговыми контактами, 14 цифровыми контактами с контактом ввода-вывода, 6 контактами питания и 2 контактами RST (сброс).

Этот тип Arduino имеет микроконтроллер на базе ATmega32U4 с 20 наборами контактов, 7 из которых предназначены для ШИМ, и 12 контактов аналогового ввода. Arduino Micro также поставляется с разъемом ICSP, кнопкой RST, небольшим разъемом USB и кварцевым генератором с частотой 16 МГц.

Миниатюра платы Leonardo, этот Arduino Micro имеет встроенный разъем USB.

Плата Lily Pad Arduino разработана по технологии электронного текстиля. Это оборудование расширено Лией «Бючли» и разработано «Лей и SparkFun». Каждая доска разработана с прочными соединительными площадками, имеющими гладкую заднюю часть, которую можно вшить в одежду с помощью токопроводящей нити. Этот Arduino имеет платы ввода-вывода, питания и датчиков. Приятным бонусом является то, что эту плату Arduino можно даже мыть!

Для программирования этой платы можно использовать mini-b USB. Эта доска плоская сзади, как и предыдущая Lilypad, что упрощает размещение. Вы можете эффективно использовать эту плату с Windows 8 без изменения настроек. Кроме того, вам просто нужно подключить эту плату к вашей системе и написать код для загрузки на плату. Вы можете управлять этой платой с помощью разъема бочонка вместе с кабелем USB.

Arduino Mega R3 представляет собой расширенную версию Arduino UNO и поставляется с цифровым выводом ввода-вывода. Он также имеет 14 контактов, которые работают как PWM o/ps, 6 контактов для аналоговых входов, кнопку сброса, разъем питания и USB-соединение.

Для связи с компьютером можно использовать USB-кабель. Эта плата Arduino идеально подходит для разработки проектов, требующих значительных цифровых входов и выходов.

Эта плата Arduino была представлена ​​как первая плата для разработки с одним микроконтроллером и USB. Это самый простой и дешевый тип Arduino, что делает его чрезвычайно подходящим для новичков.

Среди всех плат Arduino, доступных на рынке, самой простой и часто используемой платой является Arduino UNO. Некоторые из этих плат могут иметь другой внешний вид, но все они имеют некоторые стандартные компоненты. Итак, давайте обсудим его основные компоненты здесь.

Это простая и часто используемая макетная плата, подходящая даже для начинающих, чтобы разобраться с электроникой. Будучи основным, каждому разработчику электроники важно знать его различные компоненты.

UNO поставляется с микроконтроллером ATmega328P. Он имеет два варианта: один со сквозным подключением микроконтроллера, а другой – с поверхностным монтажом. В сквозной модели можно заменить его чип на новый в случае какой-либо ошибки.

Arduino UNO — это 8-битный микроконтроллер с архитектурой AVR, предлагающий различные функции и возможности.

UNO поставляется с 14 контактами цифрового ввода-вывода (I/O), которые можно использовать как вход или выход. Из этих 14 контактов вы можете использовать шесть контактов для генерации ШИМ-сигналов. Каждый контакт на этой плате работает при напряжении 5 В и имеет ток 20 мА.

• Нам всегда нужен источник питания, чтобы плата работала. Вы можете питать эту плату с помощью USB-подключения к компьютеру, а также можете использовать настенный блок питания, который подключается к разъему в виде цилиндра. На изображении выше (1) указывает на USB, а (2) указывает на гнездо для бочонка.

Вы даже можете загрузить код через USB-соединение на плату Arduino.

На изображении выше показано следующее:

• GND (3): GND означает «земля», которая используется для заземления цепи.
• 5 В (4) и 3,3 В (5): Контакт 5 В может использоваться для подачи питания 5 В, а контакт 3,3 В может использоваться для подачи питания 3,3 В.
• Аналоговый (6): Эти контакты, помеченные от (A0 до A5), известны как аналоговые контакты. Они преобразуют аналоговый датчик в цифровой.

В правом верхнем углу изображения выше выделены 14 контактов ввода-вывода, которые могут выполнять определенные функции, как указано ниже:

• С помощью контактов 0 и 1 вы можете осуществлять последовательную связь для приема и передачи последовательных данных.
  Вы можете использовать их для программирования платы Arduino и связи с пользователем через последовательный монитор.

   

• С контактами 2 и 3 можно обеспечить внешние прерывания. Эти выводы вызывают внешнее событие.
  
• Шесть контактов (3-11) используются для 8-битного выхода ШИМ.

   

• Контакты 10, 11, 12 и 13 предназначены для SS, MOSI, MISO и SCK соответственно, особенно для связи SPI.

   

• Контакт 13 имеет встроенный разъем для подключения светодиодов. Когда этот вывод установлен в состояние HIGH, светодиод включается, а когда он находится в состоянии LOW, светодиод выключается.

   

• AREF расшифровывается как Analog Reference, используется для установки внешнего опорного напряжения (0–5 Вольт).
   

• В левом верхнем углу изображения выше (10) обозначает кнопку сброса. Эта кнопка соединяет контакт сброса с землей и перезапускает загруженный код. Нажатие кнопки сброса в случае сбоя позволит вам протестировать код несколько раз.

   

• Число (11) указывает на светодиодный индикатор питания, который загорается при подаче питания на Arduino от источника.

• На изображении выше (12) обозначает светодиоды TX RX, где TX означает передает и RX для получает . Они используются для последовательной связи. Эти светодиоды обеспечивают визуальную индикацию при приеме или передаче данных с помощью Arduino.

   

• (13) определяет интегральную схему, также известную как мозг Arduino. Вы можете увидеть тип IC, упомянутый в верхней части IC.

   

• (14) определяет регулятор напряжения, который помогает контролировать величину напряжения, подаваемого на плату Arduino. Он действует как привратник, предотвращая попадание дополнительного напряжения в цепь. Кроме того, он имеет некоторые ограничения, поэтому не подключайте Arduino к напряжению более 20 вольт.

Сегодня многие используют Arduino. Он прост в использовании и программировании, что делает его более популярным среди начинающих и опытных пользователей. Вы можете подключить Arduino к нескольким платформам, таким как Mac, Windows и Linux. Кроме того, вы можете использовать его для создания недорогих научных инструментов.

Arduino дает вам возможность поиграть с микроконтроллерами. Ниже приведены некоторые важные причины для использования Arduino.

• Дешево: платы Arduino доступны по цене. Если вы знаете, вы даже можете собрать Arduino вручную или использовать предварительно собранные модули Arduino, которые стоят менее 50 долларов.

   

• Кроссплатформенность: Плату Arduino можно подключить к любой платформе, например к операционным системам Windows, Mac и Linux.

   

• Простая среда программирования: IDE Arduino Software проста и легка в освоении, поскольку поставляется с простой версией C++.

Несмотря на различные причины использования Arduino, вам необходимо понять его ограничения, прежде чем работать с ним.

• Память : У Arduino недостаточно памяти для хранения программ и переменных. Также к нему нельзя добавить внешнюю память. ATmega32 и ATmega128 можно использовать для внешней памяти, но вы не можете использовать функции ввода-вывода для этих контактов.

Платы Arduino не могут поддерживать внешнюю память из-за их основных конструктивных допущений. Важно помнить, что Arduino — это недорогой одноплатный компьютер на базе процессора Intel, который не предназначен для замены полноценной компьютерной системы с высокими системными требованиями.

• Скорость : Тактовая частота процессора Arduino составляет от 8 до 20 МГц — это намного медленнее, чем на большинстве платформ. Вы можете выполнять несколько инструкций в каждом тактовом цикле, и между каждым импульсом приходится обрабатывать много доступной активности ЦП.

   

• Электрическая мощность : При работе с аппаратным обеспечением Arduino необходимо учитывать параметры напряжения, поскольку некоторые устройства имеют ввод-вывод 3,3 В, а другие — 5 В. Если вы подключите транзисторно-транзисторную логику на 5 В к устройству на 3,3 В, это повлияет на аппаратное обеспечение и может повредить ваш Arduino.

   

Ниже приведены некоторые типичные области применения Arduino:

• Робототехника : Arduino подходит как для проектов робототехники начального, так и среднего уровня. Вы можете дать ему основные команды, чтобы заставить робота работать, даже с ограниченными ресурсами. Некоторыми хорошо известными примерами роботов, разработанных с использованием Arduino, являются робот K’Nex, следующий за стеной, и робот-манипулятор SCARA.

   

• Аудио : От Hi-Fi до наушников, все зависит от качества звука. К сожалению, Arduino не подходят для аудио, но вы можете использовать их для добавления аудиоэлемента в свои проекты.

   

• Инструменты : Вы можете проектировать такие устройства, как печатные фермы, 3D-принтеры, станки с ЧПУ, лазерные граверы и т. д., используя Arduino.

   

• Сеть : Большинство плат Arduino предлагают встроенные сетевые возможности, обычно в виде порта Ethernet. Вы можете использовать эту возможность в различных проектах, таких как IoT и проекты регистрации данных.

   

• GPS: Вы можете использовать Arduino для отслеживания устройств и транспортных средств и создания одного из самых впечатляющих приложений, использующих GPS.

Что ж, нет предела его применению, но мы упомянули лишь некоторые из них.