Введение в Arduino
Arduino – это инструмент для проектирования
электронных устройств (электронный конструктор)
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.
Проекты устройств, основанные на Arduino, могут
работать самостоятельно или взаимодействовать с
программным обеспечением на компьютере
3. Платформа Arduino
Электронный конструктор и удобная
платформа быстрой разработки
электронных устройств для новичков и
профессионалов
– Среда разработки
– Платы
4. Области использования МК
Промышленность
Медицина
Транспорт
Робототехника
Бытовая техника, умный дом
Игрушки
5. Основные платы
• Uno
–
–
–
–
–
–
базовая платформа Arduino
14 цифровых входов/выходов (из них 6 ШИМ)
6 аналоговых входов
1 последовательный порт UART
программируется через USB с токовой защитой
дополняется платами расширения
• Mega2560
–
–
–
–
–
54 цифровых входа/выхода (из них 14 ШИМ)
16 аналоговых входов
4 последовательных порта UART
дополняется платами расширения
программируется через USB
• Nano
–
–
–
14 цифровых входов/выходов (6 могут использоваться как
выходы ШИМ)
8 аналоговых входов
программируется через Mini-USB
6. Плата Arduino Uno
ЗЕМЛЯ
ЦИФРОВЫЕ ВЫВОДЫ (ШИМ ~)
РАЗЪЕМ USB
5В
КНОПКА
ПЕРЕЗАГРУЗКИ
МК
ATmega328
РАЗЪЕМ ПИТАНИЯ 7-12В
ЦЕНТР +
ВЫХОД
3.3В + ВЫХОД
5В +
АНАЛОГОВЫЕ ВХОДЫ
ЗЕМЛЯ
+
7. Широтно-импульсная модуляция
Микроконтроллеры
обычно
не
могут
выдавать
произвольное
напряжение. Они могут выдать
либо
напряжение
питания
(например, 5 В), либо землю (т.е. 0 В)
Но
уровнем
напряжения
управляется многое: например,
яркость светодиода или скорость
вращения мотора. Для симуляции
неполного
напряжения
используется
ШИМ
(ШиротноИмпульсная
Модуляция,
англ.
Pulse Width Modulation или просто
PWM)
8. Скважность
Отношение времени включения и выключения называют
скважностью (англ. duty cycle).
Не любой порт Arduino поддерживает широтно-импульсную
модуляцию, если вы хотите регулировать напряжение, вам
подойдут пины, помеченные символом тильда «~». Для
Arduino Uno это пины 3, 5, 6, 9, 10, 11
9. Hello, world!
– Предложить схему для мигания
светодиодом
– Написать программу, которая мигает
светодиодом
– Скомпилировать программу
– Загрузить программу в Arduino
– Программа выполняется = светодиод
мигает
10. Макетная плата
11. Готовая сборка
12. Светодиод
13. Резистор (сопротивление)
14. Код
15. Модернизация
Недостаток программы: если мы захотим поменять вывод №13 на другой,
мы должны внести исправления в нескольких местах.
Решение: введем глобальную переменную, хранящую номер вывода
Arduino. Язык программирования 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.
3. Для чего?
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.
Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать
самостоятельно или взаимодействовать с программным
обеспечением на компьютере. Платы могут быть собраны
пользователем самостоятельно или куплены в сборе. Среда
разработки программ с открытым исходным текстом доступна
для бесплатного скачивания.
4. Язык программирования
• Язык программирования Arduino является реализацией
Wiring, схожей платформы для «physical computing»,
основанной на мультимедийной среде программирования
Processing.
• Processing представляет собой программное приложение, которое
позволяет создавать, изменять, компилировать и запускать Java-код.
Это Java-подобный язык программирования, созданный в MIT Media
Lab с открытым исходным кодом и одновременно среда
разработки.Processing позволяет очень быстро создавать визуальные
интерактивные интерфейсы пользователей.
• PC – это подход к изучению общения в системе человек-компьютеркомпьютер-человек, в основе которого лежит попытка понимания
способов физического самовыражения людей.
5. Достоинства
Arduino упрощает процесс работы с микроконтроллерами и
имеет ряд преимуществ перед другими устройствами:
• Низкая 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 10 долларов.
• Кросс-платформенность – программное обеспечение Arduino
работает под ОС Windows, Macintosh OSX и Linux. Большинство
микроконтроллеров ограничивается ОС Windows.
6.
• Простая и понятная среда программирования – среда Arduino подходит как для
начинающих пользователей, так и для опытных. Arduino основана на среде
программирования Processing.
• Программное обеспечение с возможностью расширения и открытым исходным
текстом – ПО Arduino выпускается как инструмент, который может быть дополнен
опытными пользователями. Язык может дополняться библиотеками C++.
Пользователи, желающие понять технические нюансы, имеют возможность
перейти на язык AVR C на котором основан C++. Соответственно, имеется
возможность добавить код из среды AVR-C в программу Arduino.
• 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.
7. Arduino UNO
8. Технические характеристики
• Arduino Uno контроллер построен на ATmega328. Платформа имеет 14 цифровых
вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых
входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем 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, использовавших FTDI USB микроконтроллер
для связи по USB, новый Ардуино Uno использует микроконтроллер ATmega8U2.
• «Uno» переводится как один с итальянского и разработчики тем самым намекают на
грядущий выход Arduino 1.0. Новая плата стала флагманом линейки плат Ардуино.
Для сравнения с предыдущими версиями можно обратиться к полному списку плат
Arduino.
9. Основные параметры
Микроконтроллер
Рабочее напряжение
Входное напряжение (рекомендуемое)
ATmega328
5В
7-12 В
Входное напряжение (предельное)
6-20 В
Цифровые Входы/Выходы
14 (6 из которых могут использоваться как
выходы ШИМ)
Аналоговые входы
Постоянный ток через вход/выход
6
40 мА
Постоянный ток для вывода 3.3 В
50 мА
Флешпамять
32 Кб (ATmega328) из которых 0.5 Кб используются для
загрузчика
ОЗУ
2 Кб (ATmega328)
EEPROM
Тактовая частота
1 Кб (ATmega328)
16 МГц
10. Питание
• Arduino Uno может получать питание через подключение USB или от
внешнего источника питания. Источник питания выбирается автоматически.
• Внешнее питание (не USB) может подаваться через преобразователь
напряжения AC/DC (блок питания) или аккумуляторной батареей.
Преобразователь напряжения подключается посредством разъема 2.1 мм с
центральным положительным полюсом. Провода от батареи подключаются
к выводам Gnd и Vin разъема питания.
• Платформа может работать при внешнем питании от 6 В до 20 В. При
напряжении питания ниже 7 В, вывод 5V может выдавать менее 5 В, при
этом платформа может работать нестабильно. При использовании
напряжения выше 12 В регулятор напряжения может перегреться и
повредить плату. Рекомендуемый диапазон от 7 В до 12 В.
11.
Выводы питания:
• VIN. Вход используется для подачи питания от внешнего источника (в
отсутствие 5 В от разъема USB или другого регулируемого источника
питания). Подача напряжения питания происходит через данный
вывод.
• 5V. Регулируемый источник напряжения, используемый для питания
микроконтроллера и компонентов на плате. Питание может
подаваться от вывода VIN через регулятор напряжения, или от разъема
USB, или другого регулируемого источника напряжения 5 В.
• 3V3. Напряжение на выводе 3.3 В генерируемое встроенным
регулятором на плате. Максимальное потребление тока 50 мА.
• GND. Выводы заземления.
12. Память
Микроконтроллер ATmega328 располагает 32 кБ флэш памяти,
из которых 0.5 кБ используется для хранения загрузчика, а также 2
кБ ОЗУ (SRAM) и 1 Кб EEPROM.(которая читается и записывается с
помощью библиотеки EEPROM).
13. Назначение контактов
• Каждый из 14 цифровых выводов Uno может настроен как вход или
выход, используя функции pinMode(), digitalWrite(), и digitalRead(), .
Выводы работают при напряжении 5 В. Каждый вывод имеет
нагрузочный резистор (по умолчанию отключен) 20-50 кОм и может
пропускать до 40 мА. Некоторые выводы имеют особые функции:
• Последовательная шина: 0 (RX) и 1 (TX). Выводы используются для
получения (RX) и передачи (TX) данных TTL. Данные выводы
подключены
к
соответствующим
выводам
микросхемы
последовательной шины ATmega8U2 USB-to-TTL.
• Внешнее прерывание: 2 и 3. Данные выводы могут быть
сконфигурированы на вызов прерывания либо на младшем значении,
либо на переднем или заднем фронте, или при изменении значения.
Подробная
информация
находится
в
описании
функции
attachInterrupt().
14.
• ШИМ: 3, 5, 6, 9, 10, и 11. Любой из выводов обеспечивает ШИМ с
разрешением 8 бит при помощи функции analogWrite().
• SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Посредством данных выводов
осуществляется связь SPI, для чего используется библиотека SPI.
• LED: 13. Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу 13.
Если значение на выводе имеет высокий потенциал, то светодиод горит.
• На платформе Uno установлены 6 аналоговых входов (обозначенных как A0 ..
A5), каждый разрешением 10 бит (т.е. может принимать 1024 различных
значения). Стандартно выводы имеют диапазон измерения до 5 В
относительно земли, тем не менее имеется возможность изменить верхний
предел посредством вывода AREF и функции analogReference(). Некоторые
выводы имеют дополнительные функции:
• I2C: 4 (SDA) и 5 (SCL). Посредством выводов осуществляется связь I2C (TWI),
для создания которой используется библиотека Wire.
15.
Дополнительная пара выводов платформы:
• AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов. Используется
с функцией analogReference().
• Reset. Низкий уровень сигнала на выводе перезагружает
микроконтроллер. Обычно применяется для подключения кнопки
перезагрузки на плате расширения, закрывающей доступ к
кнопке на самой плате Arduino.
16. Связь
• На платформе Arduino Uno установлено несколько устройств для осуществления связи с
компьютером, другими устройствами Arduino или микроконтроллерами. ATmega328
поддерживают последовательный интерфейс UART TTL (5 В), осуществляемый выводами 0
(RX) и 1 (TX). Установленная на плате микросхема ATmega8U2 направляет данный интерфейс
через USB, программы на стороне компьютера «общаются» с платой через виртуальный
COM порт. Прошивка ATmega8U2 использует стандартные драйвера USB COM, никаких
стороних драйверов не требуется, но на Windows для подключения потребуется файл
ArduinoUNO.inf. Мониторинг последовательной шины (Serial Monitor) программы Arduino
позволяет посылать и получать текстовые данные при подключении к платформе.
Светодиоды RX и TX на платформе будут мигать при передаче данных через микросхему
FTDI или USB подключение (но не при использовании последовательной передачи через
выводы 0 и 1).
• Библиотекой SoftwareSerial возможно создать последовательную передачу данных через
любой из цифровых выводов Uno.
• ATmega328 поддерживает интерфейсы I2C (TWI) и SPI. В Arduino включена библиотека Wire
для удобства использования шины I2C.
17.
• Платформа программируется посредством ПО Arduino. Из меню Tools >
Board выбирается «Arduino Uno» (согласно установленному
микроконтроллеру). Подробная информация находится в справочнике
и инструкциях.
• Микроконтроллер ATmega328 поставляется с записанным загрузчиком,
облегчающим запись новых программ без использования внешних
программаторов. Связь осуществляется оригинальным протоколом
STK500.
• Имеется возможность не использовать загрузчик и
запрограммировать микроконтроллер через выводы ICSP
(внутрисхемное программирование).
Знакомство с Arduino.
Tinkercad Arduino – лучший онлайн симулятор ардуино на русском.
Arduino — это комбинация аппаратной и программной частей для простой разработки электроники. Аппаратная часть включает в себя большое количество видов плат Arduino со встроенными программируемыми микроконтроллерами, а так же дополнительные модули. Программная часть состоит из среды разработки (программы для написания скетчей и прошивки микроконтроллеров Ардуино), упрощенного языка программирования, огромного множества готовых функций и библиотек.
Ардуино создавалось преподавателями для большего вовлечения студентов в электротехнику. Идея имела огромный успех и Arduino пошло гораздо дальше. Благодаря открытой архитектуре производить данные микроконтроллеры, дополнять модельный ряд, писать программы может кто угодно. Все схемы и исходный код программ есть в открытом доступе.
После того, как Arduino получило более широкое распространение, многие производители электроники начали выпускать собственные платы на базе микроконтроллеров ардуино. Когда к производству подключились китайские производители, Ардуино стало гораздо доступнее и получило еще большую аудиторию. Платы микроконтроллеров Ардуино в китайских интернет магазинах стоят от 70 рублей.
Официальный сайт Ардуино
Изначально команда преподавателей, разработавших ардуино, открыли сайт arduino.cc. Но из-за разногласий, в коллективе произошел раскол в 2008 году. Отделившаяся часть создала другой сайт arduino.org. Это повлекло путаницу, из-за одинаковых названий для разных Ардуинок, программ и прошивок.
Только в 2017 году конфликт разрешился полностью. Так остался только один официальный сайт arduino.cc.
Официальный сайт Arduino на русском
Arduino — полностью открытая платформа. Разработчиком и производителем может стать абсолютно любой человек. А значит официальных сайтов существует не мало.
Для чего нужно Arduino
Ардуино создавалось для обучения студентов и школьников электротехнике, программированию, радиоэлектронике, системам автоматизации. С помощью микроконтроллеров можно делать не только учебные проекты, но и действительно полезные устройства. На Arduino создаются проекты автоматизации, устройства умного дома, портативные метеостанции, роботизированные манипуляторы и множество других полезных устройств.
Первоначальная цель Ардуино — это обучение. Детям гораздо интереснее учиться, если они могут сразу применять новые знания на практике, да еще и увидеть и потрогать плоды своих трудов. Гораздо интереснее обучаться экспериментируя, а не слушая сухую теорию.
Что умеет Ардуино
С технической точки зрения, Ардуино умеет принимать и отправлять сигналы в соответствии с инструкциями в прошивке. Звучит весьма скромно, но на практике это позволяет получать и обрабатывать информацию с сенсоров и передавать команды исполнительным механизмам или другим устройствам. Например: микроконтроллер может получать данные с датчиков температуры, давления, влажности и выводить сводную информацию на дисплей.
Этих возможностей хватает для реализации сложных устройств, таких как беспилотные летательные аппараты, 3D-принтеры, роботизированные манипуляторы, радиоуправляемые машинки, лодки, вездеходы и т. д. Возможности Ардуино ограничены только воображением. Если вам будет не хватать возможностей Ардуино, то существуют более мощные микроконтроллеры такие как Ардуино Мега, NodeMCU, STM32, Wemos, Raspberry Pi, Orange Pi.
Начало работы с Ардуино
Для того, что бы начать использовать Arduino необходимо приобрести плату Arduinoили стартовый набор Arduino. Я советую выбрать стартовый комплект ардуино, так как он включает в себя не только микроконтроллер ардуино, но и беспаечную макетную плату, соединительные провода, кнопки, светодиоды и дополнительные детали. С таким набором вы сможет выполнить примеры из уроков по Arduino для начинающих. Это позволит вам быстро разобраться с принципами работы с Arduino.
После прохождения уроков вы будите знать как программировать Arduino, как обмениваться сигналами с другими модулями и устройствами. Вы сможете проектировать, а так же создавать ваши собственные устройства.
Arduino IDE
Для начала работы с Ардуино вам понадобится специальное программное обеспечение. Это среда для разработки прошивок Arduino IDE. В этой программе легко и удобно писать скетчи и загружать их на ваш микроконтроллер Ардуино. В среде разработки уже предустановленно большое количество примеров и дополнительных библиотек.
Ссылки на скачивание, инструкции по установке и настройке среды разработки есть на странице Arduino IDE.
Микроконтроллеры, модули и сенсоры
Микроконтроллеров Arduino существует несколько вариантов. Большинство плат ардуино мы собрали на этой странице. Там есть вся необходимая информация о конкретных моделях плат Arduino. Еще вы найдете требования к питанию, характеристики, назначения контактов конкретной платы ардуино. Самая распространенная ардуино — микроконтроллер Arduino Uno.
Arduino Uno
Подробное описание характеристик этого микроконтроллера вы сможете найти здесь. Эта плата прекрасно подходит для большинства задач, в том числе для обучения. Именно для этой платы создано большинство плат расширения (Shield). Они помогают с легкостью расширить функционал платы микроконтроллера ардуино. Характеристик самой Arduino Uno достаточно для большинства проектов. Для создания законченных устройств лучше подходят более маленькие представители семейства Ардуино. Это такие платы как Arduino Nano или Arduino Pro Mini.
Проекты Ардуино
Проектов на Ардуино огромное множество. Их можно разделить на категории:
- Устройства умного дома
- ЧПУ (CNC) станки
- Бытовые приборы
- Охранные системы
- Игрушки
- Информативные устройства
- Декоративные проекты
- Гаджеты и носимые устройства
Для Ардуино есть огромное количество инструкций и готовых скетчей. Вы легко сможете повторить любой проект, доработать его или адаптировать под свои нужны. Все необходимое есть в открытом доступе. С помощью Ардуино можно создать собственные аналоги устройств и сэкономить на этом. Системы умного дома стоят не малых денег, но с помощью ардуино вы легко сможете сделать такую же систему в разы дешевле.
Интересная информация из разных источников.
Что такое Arduino: первые шаги в электронике
Что можно сделать на Ардуино и зачем это нужно? Разбираемся с популярной и дружелюбной платформой, которая позволяет быстро создавать умные электронные устройства своими руками.
Самодостаточная начинка
Arduino — это небольшая управляющая плата с собственным процессором и памятью. Помимо них на плате есть пара десятков контактов, к которым можно подключать всевозможные компоненты: светодиоды, датчики, моторы, чайники, роутеры, магнитные дверные замки и вообще всё, что работает от электричества.
В процессор Ардуино можно загрузить программу, которая будет управлять всеми этими устройствами по заданному алгоритму. Таким образом можно создать бесконечное количество уникальных классных гаджетов, сделанных своими руками и по собственной задумке.
Чтобы понять общую идею, взгляните на иллюстрацию. Она не отражает и миллионной доли всех возможностей, но всё же даёт первичное представление.
Простота и доступность
Платформа Arduino приобрела бешеную популярность благодаря простоте и дружелюбности. Даже полный ноль в программировании и схемотехнике может освоить основы работы с Ардуино за пару часов. Этому способствуют тысячи публикаций, учебников, заметок в интернете и отличная серия видеоуроков по Arduino на русском языке.
Программы для Ардуино 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.
Для удобной работы с платами Ардуино существует бесплатная официальная среда программирования Arduino IDE, работающая под Windows, Mac OS и Linux. С помощью неё загрузка новой программы в контроллер становится делом одного клика, только лишь подключите плату к компьютеру через USB. Хотя для более пытливых умов возможна работа и через Visual Studio, Eclipse, другие IDE или командную строку, а новичкам подойдёт визуальная среда программирования XOD IDE.
Вам не понадобится паяльник. Полноценные устройства можно собирать, используя специальную макетную доску, перемычки и провода абсолютно без пайки. Прототипирование ещё не было таким быстрым и простым, поэтому ардуинки быстро прижились в школах и кружках робототехники.
Принцип бутерброда
Ещё одной отличительной особенностью Arduino является наличие плат расширения под названием Shield. Эти «шилды» ставятся поверх ардуинки подобно слоям бутерброда и дают ей новые дополнительные возможности. Например, существуют платы расширения для подключения к локальной сети и интернету (Ethernet Shield), для управления мощными моторами (Motor Shield), для получения координат и времени со спутников GPS (приёмник GPS/ГЛОНАСС) и многие другие.
В итоге
Arduino — это сердце конструктора, в котором нет конечного, строго определённого набора деталей, и нет ограничений в разнообразии того, что вы можете из него собрать. Всё ограничено лишь вашей фантазией. Это новый мир, убойное хобби и отличный подарок. Свыше 10 миллионов людей в мире уже поняли это.
Взгляните лишь на несколько примеров того, что можно сделать на Ардуино. Ведь это грандиозно!
Картонный бот-очаровашка
Робот-паук
Генератор мыльных пузырей
Светодиодный куб
Графический эквалайзер
Система полива дачного участка
С чего начать
Вам понадобится сама плата. Например, Arduino Uno — самая популярная модель в настоящий момент. Для начала экспериментов её хватит с головой. Хотя если брать «на вырост», можно рассмотреть более мощную Arduino Mega 2560.
Также вам понадобится USB-кабель, макетная доска, перемычки, резисторы, транзисторы… и ещё десяток подручных вещей. Чтобы не утомлять себя поисками необходимого, возьмите всё, что потребуется, в виде одного из готовых наборов. Например, в наборах «Матрёшка Y» или «Матрёшка Z» мы собрали всё, что нужно для комфортного старта.