Arduino-W dzisiejszych czasach możesz zamienić wszystko w komputer. Jeśli widzisz diodę LED lub LCD z klawiaturą, ktoś prawdopodobnie umieścił laptopa wewnątrz tego urządzenia. Niektóre z tych rzeczy zawierają nawet sześć, siedem lub więcej małych komputerów, zwanych mikrokontrolerami.
W ich wnętrzu znajdują się mikrokontrolery, z których najpopularniejszym jest Arduino. Jeśli masz wizje stworzenia swojego urządzenia elektronicznego z wbudowanym komputerem, musisz zrozumieć, czym one są i jak działają.
Tylko wtedy możesz pójść i kupić kilka zestawów w sklepie z płytkami drukowanymi i rozpocząć swoje projekty.
Co to jest Arduino?
Te małe komputery z mikrokontrolerami są zwykle określane albo jako kontrolery wbudowane, albo jednostki mikrokontrolerów (MCU). Są to kompletne systemy komputerowe ze wszystkim, co można sobie wyobrazić, że trafi do komputera. Wszystkie mają centralną jednostkę obliczeniową do wykonywania programów, tymczasową pamięć RAM, stałe systemy pamięci masowej oraz porty dla urządzeń peryferyjnych i akcesoriów.
Mikrokontrolery to właśnie komputery indywidualnego przeznaczenia, zbudowane i zaprojektowane do wykonywania tylko kilku konkretnych zadań. W większości przypadków urządzenia te uruchamiają tylko jeden program zapisany na jakiejś pamięci ROM. Choć można do nich dołączyć także zewnętrzną pamięć masową. Tak czy inaczej, są one uważane za urządzenia o niskiej mocy, i to jest ich urok. Możesz uruchomić jeden całkowicie na bateriach.
Arduino to po prostu open-source'owa wersja mikrokontrolera. Jest dostarczane jako płytka rozwojowa, którą możesz wykorzystać do projektowania i budowania własnych urządzeń. Idealne dla majsterkowiczów, hobbystów i twórców, Ar duino odnosi się zarówno do konkretnego typu płytki, jak i firmy, która je produkuje oraz społeczności deweloperów, którzy z nich korzystają. Z tego powodu można je znaleźć w prawie każdym sklepie z elektroniką lub katalogiem części PCB.
Platforma składa się z fizycznej płytki programowalnej, samego mikrokontrolera oraz oprogramowania lub IDE (zintegrowanego środowiska programistycznego), którego używasz do tworzenia programów uruchamianych przez urządzenie. Popularny wśród początkujących programistów Arduinos nie wymaga osobnego urządzenia programującego, co czyni go znacznie bardziej przyjaznym dla użytkownika niż inne zestawy mikrokontrolerów dostępne na rynku. Używa nawet uproszczonej wersji języka programowania C++, dzięki czemu jest również łatwy i prosty w programowaniu.
1.1 Co składa się na Arduino?
Jako zestaw mikrokontrolerów, Arduino posiada kilka komponentów i interfejsów zainstalowanych na pojedynczej płytce drukowanej (PCB). Te komponenty tworzą standardowy współczynnik kształtu, który sprawia, że mikrokontroler jest bardziej dostępny.
Podstawowe komponenty
Chociaż konstrukcja zmieniała się na przestrzeni lat, podstawowy zestaw Ar duino zawiera następujące elementy:
Złącza pinowe.
Ułożone w określonym wzorze, te piny pozwalają podłączyć MCU do innych płytek i części urządzenia. Pozwalają one również na dołączenie do urządzenia płytki dodatkowej, zwanej "shield". Istnieją dwa rodzaje pinów:
Cyfrowe - Jednostanowe złącza wejścia/wyjścia (I/O), które możesz ustawić na włączone lub wyłączone. Większość Ar duino posiada 14 cyfrowych pinów
Analogowe - Wielostanowe złącza, które mogą odczytywać zakres wartości. Możesz ich użyć do bardziej szczegółowej kontroli. Zazwyczaj jest ich sześć.
Uziemienie - Oznaczone jako GND, te trzy piny pozwalają na uziemienie urządzenia.
Zasilanie - cztery piny 5 V i pięć 3 V dostarczają sygnałów zasilania do dodatków i innych elementów.
Pulse-width Modulation (PWM) - Osiem z cyfrowych pinów pełni funkcję złączy PWM. Mogą one symulować analogowe sygnały wyjściowe dla takich zastosowań jak ściemnianie diod LED.
Analog Reference (AREF) - Czasami używane do regulacji zewnętrznych napięć, ale te dziewięć pinów jest rzadko używanych.
Złącze zasilania
To złącze zasila urządzenie i tworzy niskie napięcie dla komponentów takich jak diody LED, czujniki i inne. Do złącza można użyć zarówno zasilacza AC, jak i małej baterii.
Główny procesor
Procesor mikrokontrolera jest sercem platformy. Pozwala Arduino wykonywać polecenia i podejmować decyzje na podstawie różnych danych wejściowych i uruchomionych programów. Dokładny czit będzie się różnił pomiędzy różnymi typami Ar duino, ale większość zestawów dostarcza chipsety Atmel z różnymi pamięciami na pokładzie. Popularne modele procesorów obejmują:
ATmega8
ATmega168
ATmega328
ATmega1280
ATmega2560
Złącze szeregowe
Większość płytek Arduino jest wyposażona w standardowy port USB, który umożliwia podłączenie MCU do komputera w celu załadowania nowych programów. W niektórych płytkach port USB służy również jako złącze zasilania.
Przycisk Reset
Płytki Arduino zawierają również przycisk reset. Naciśnięcie przycisku wyzwala pin reset. Jest to idealne rozwiązanie, gdy chcesz coś przetestować, ale twój program nie posiada funkcji restartu.
Wskaźnik LED zasilania
Niektóre MCU Ar duino posiadają diodę LED, która wskazuje czy urządzenie jest włączone. Generalnie, dioda zapala się po podłączeniu urządzenia do źródła zasilania. Jeśli dioda ta nie zapala się, istnieje duże prawdopodobieństwo, że coś jest nie tak.
Diody LED nadawania i odbierania sygnału
Oznaczone jako TX (nadawanie) i RX (odbieranie), te diody LED pokazują aktywność komunikacji szeregowej. Zapewniają one subtelną wizualną wskazówkę, kiedy urządzenie odbiera lub nadaje dane.
Regulator napięcia
Płyty Ar duino nie są programowalne przez użytkownika, ale są wyposażone w regulator napięcia. Regulator kontroluje ilość napięcia przechodzącego przez płytkę. Ma on oczywiście ograniczenia, ale w większości projektów napięcie nie będzie przekraczać 20 V.
1.2 Dodatki i akcesoria do Arduino
Powyższe komponenty są dostarczane ze wszystkimi MCU Ar duino, ale nie są to jedyne elementy elektroniczne, których możesz używać z platformą. Płytki są zgodne z wszystkimi standardami IEEE i ISO. Możesz więc użyć dowolnych części dostępnych na rynku, aby uczynić swój projekt Arduino użytecznym. Specyfikacja platformy Arduino wymaga jednak pewnych dodatków zgodnych z platformą. Z tego powodu większość dostawców Arduino ma w swojej ofercie również czujniki i tarcze Arduino. Bez nich żaden projekt Arduino nie będzie kompletny.
Czujniki
Możesz użyć odrobiny kodu, aby Twoje Arduino kontrolowało i współdziałało z serią czujników.
Większość dostawców Arduino oferuje czujniki do pomiaru:
Światła
Temperatura
Stopień wygięcia
Ciśnienie
Bliskość
Przyspieszenie
Tlenek węgla
Radioaktywność
Wilgotność
Ciśnienie barometryczne
Płyta główna Arduino
Możesz również zaopatrzyć się w bezlutową deskę chlebową do swojego projektu. Ta płyta pozwala na prototypowanie i eksperymentowanie z projektami obwodów i układami bez stałego lutowania komponentów do PCB. Możesz eksperymentować i testować swoje pomysły na układy i projekty. Płytka nie posiada zasilacza. Musisz więc użyć zworki aby zasilić ją poprzez płytę główną.
Tarcze
Ostatnim elementem układanki Arduino są tarcze Arduino. Są to gotowe płytki pochodne, które montuje się na głównej płytce Arduino, aby zaoferować dodatkowe możliwości.
Niektóre popularne funkcje shieldów to
Kontrolowanie silników
Łączność z Internetem
Sieci komórkowe i komunikacja
Kontrolery ekranów LCD
Programiści Arduino używali oficjalnego zintegrowanego środowiska programistycznego (IDE) do pisania swoich programów Arduino. Open-source'owe IDE oparte na Javie działa na wszystkich platformach z systemem Windows, Mac i Linux. Daje unikalne środowisko do pisania i testowania kodu, napisanego w języku programowania Processing przed wgraniem go do urządzenia.
Arduino Uno - najpopularniejsze Arduino
Ponieważ nie ma dwóch takich samych projektów, grupa Arduino opublikowała specyfikacje dla niektórych typów płytek Arduino. Jednym z najpopularniejszych typów płytek jest Arduino Uno.
Jako doskonały wybór dla początkujących, Arduino Uno MCU za 22$ jest płytką typu bare-bones. To tylko pochodzi z podstawowych elementów, ale pozwala na projektowanie projektu swój sposób. Przy wadze 25 gramów, ta płytka PCB o wymiarach 68,5 na 53,4 milimetra jest wystarczająco lekka, aby zmieścić się w obudowie.
Obecna wersja, Arduino Uno R3, wyposażona jest w:
Mikroprocesor ATmega328P
14 cyfrowych pinów wejścia/wyjścia
6 wyjść PWM
Wbudowaną diodę LED (podłączoną do pinu 13)
Wyjście napięcia 5 V, 3,3 V i masa
Sześć pinów analogowych
Port USB
Gniazdo zasilania
Przycisk resetowania
Napięcie robocze 5 V
32 KB pamięci flash
2 KB SRAM i 1 KB EEPROM
Uno może nie jest pierwszą płytką Arduino, ale jest zdecydowanie najczęściej używaną. Jest to również najbardziej udokumentowana forma, z mnóstwem tutoriali i forów internetowych.
Arduino Mega - MCU dla dużych projektów
Arduino Mega jest płytką do masowych projektów, w których występują cztery Uno MCU w jednym. Zasilane przez układ Atmel ATmega2560, Mega przynosi cztery porty szeregowe do stołu z oddzielnym portem USB do zasilania i interfejsów z komputerami. Może się nawet pochwalić dedykowanym procesorem ATmega16U2 tylko dla dodatkowego portu USB. Można zasilać MCU również za pomocą baterii.
Mega posiada:
54 cyfrowe piny wejścia/wyjścia (I/O), w tym 14 zgodnych z PWM
16 analogowych pinów IO
Port USB
Gniazdo zasilania
Przycisk Reset
Duża liczba pinów sprawia, że Mega jest płytką. Można je wykorzystać w projektach, które wymagają wielu połączeń cyfrowych I/O, diod LED lub przycisków.
Pozostała część mocy MCU Mega pochodzi z jego procesora. Mikroprocesor ATmega2560 potrafi zrobić wszystko, co mu rzucisz. Posiada on częstotliwość taktowania 16 MHz, 256 KB pamięci flash, 8 KB pamięci SRAM i 4 KB pamięci EEPROM. Wszystko to sprawia, że Arduino Mega jest idealnym rozwiązaniem dla drukarek 3D i robotyki.
Arduino ESP8266 sprawia, że Twoje projekty są bezprzewodowe
Żadna płytka Arduino nie jest wyposażona w sieć bezprzewodową na samej płytce. Nie znajdziesz jej również na żadnej z dostępnych tarcz. Jeśli chcesz uczynić swój projekt bezprzewodowym, potrzebujesz modułu Wi-Fi Arduino ESP8266.
Chociaż istnieją nowsze moduły, ESP2866 jest oryginałem. Może nie jest on zaprojektowany do pracy jako samodzielny MCU, ale Twój projekt potrzebuje go na dzisiejszym rynku mobilnym.
Oferuje on jednak przyzwoitą łączność bezprzewodową. Płytka posiada piny zasilania, uziemienia, nadawania i odbioru, aby podłączyć te funkcje do głównego Arduino, jak również włączony pin "chip-controlled power down" (CH_PD). Masz także reset i dwa piny danych GPIO.
Jest jeden minus. ESP8266 wymaga 5 V sygnału zasilania. Nie będzie działał ze standardowym dla Arduino 3,5 V.
Podsystem i ramy PWM Arduino
5.1 PWM Arduino
Modulacja szerokości impulsu (PWM) to sposób symulacji sygnału analogowego za pomocą sygnałów fali kwadratowej o zmiennej częstotliwości i amplitudzie. Platforma Arduino wykorzystuje te sygnały do regulacji obwodów analogowych za pomocą swoich wyjść cyfrowych.
Platforma PWM Arduino nie jest osobnym elementem sprzętowym. Wszystkie płytki Arduino dostarczane są z wbudowanymi wywołaniami systemowymi. Musisz napisać program, który je wykorzystuje. Polecenie tworzy falę kwadratową poprzez kompatybilny pin.
5.2 Ar duino Nano - idealne do małych urządzeń i projektów
Jako najmniejsza wersja platformy Arduino, Arduino Nano oferuje
Nano wyposażone jest w:
14 cyfrowych pinów I/O z 6 pinami kompatybilnymi z PWN
Osiem pinów analogowych
Napięcie robocze 5 V
Przycisk Reset
Port USB
Port szeregowy
32kb pamięci flash
8 kb SRAM
1 kb EEPROM
Pomimo swoich rozmiarów, Nano doskonale sprawdza się w następujących typach projektów:
Systemy wbudowane (Embedded Systems)
Automatyka
Robotyka
Systemy sterowania
Oprzyrządowanie
Dlaczego warto wybrać Ar duino zamiast Raspberry Pi?
Platforma Arduino nie jest jedynym MCU na rynku. Wiele innych MCU oferuje te same funkcje co Arduino, w tym Raspberry Pi. Jednak PI jest zupełnie innym produktem niż Arduino.
Po pierwsze, Raspberry PI jest w pełni komputerem. Arduino nim nie jest. Mikrokomputer to tylko jeden mały komponent, który składa się na komputer. Z tego powodu platforma Arduino zapewnia tylko niewielki podzbiór tego, co PI ma do zaoferowania. Na przykład, może uruchomić tylko małe aplikacje, a nie pełny system operacyjny komputera.
6.1 Mocne i słabe strony Ar duino
Nie oznacza to, że Arduino jest bezużyteczne. Jest ono idealne do projektów elektronicznych, które nie wymagają pełnego komputera do działania. Możesz podłączyć je bezpośrednio do swoich komponentów i czujników i mieć wszystko gotowe do pracy bez żadnych ustawień.
Arduino jest w stanie to zrobić dzięki temu, jak działa firmware Arduino. Firmware to podstawowe oprogramowanie, które obsługuje płytki Arduino. Komunikuje się również z Twoim komputerem przez USB, aby dać Ci dostęp do wszystkich programowalnych funkcji. Chociaż zawsze możesz wymienić firmware, nigdy nie będziesz musiał tego robić. Nie musisz go nawet restartować. Po wgraniu kodu, można go natychmiast uruchomić w dowolnym miejscu. Nie ma potrzeby korzystania z klawiatury, wyświetlacza, czy środków do wyboru aplikacji. Płytka wykona jedno zadanie, które jej dasz.
6.2 Raspberry Pi to pełny komputer
W przeciwieństwie do tego, Raspberry Pi jest w pełni funkcjonalnym komputerem. Do działania potrzebuje systemu operacyjnego, który wymaga restartu, aby pozostać sprawnym. Płyta nie ma też wewnętrznej pamięci masowej. Musisz dostarczyć zewnętrzny micro-SD opieki do przechowywania programów, które chcesz uruchomić. Chociaż, to ma wbudowany Ethernet, więc można zaktualizować oprogramowanie bez konieczności usuwania karty.
Pi działa na procesorze Broadcom Arm-v6 w komplecie z pamięcią i procesorem graficznym HDMI. Płyta działa również świetnie z klawiaturą i myszką, pozwalając załadować wariant Linuksa i mieć go tak, że nikt nie może powiedzieć, że użyłeś tak małej maszyny do napędzania wszystkiego. To jest właśnie to, jak potężne jest to urządzenie. Jest to doskonała platforma dla projektów wymagających pełnej interaktywności użytkownika i całej tej mocy obliczeniowej.
Jednak ta moc sprawia, że Pi nie nadaje się do mniejszych projektów. Na przykład, aby podłączyć diodę LED do płytki Arduino, aby zapalić ją tylko 8 linii kodu. Pi będzie wymagał dodatkowych bibliotek oprócz Twojego kodu tylko po to, aby zacząć działać, i to jeśli masz już system operacyjny zainstalowany na płytce.
Nie oznacza to, że nie możesz używać Raspberry Pi i Arduino do tych samych typów projektów. Możesz zainstalować biblioteki ramowe, które dadzą Pi te same funkcje, co Arduino. Po prostu użycie Pi w projekcie wymaga znacznie więcej czasu i wysiłku.
Arduino ma również większą społeczność programistów. Jako najpopularniejsza platforma do projektów elektronicznych, Arduino ma wiele samouczków dla początkujących, które pomogą Ci zacząć.
Niezależnie od tego, nigdy nie musisz wybierać między tymi dwoma płytami. Świetnie ze sobą współpracują. Z odpowiednim przystawieniem, Twoje Arduino może stać się płytą rozszerzenia córki dla Twojego Raspberry Pi, dając obu kartom dostęp do wzajemnych funkcji.
Podsumowanie
Ar duino to rodzina platform mikrokontrolerów zaprojektowanych specjalnie dla projektów elektronicznych typu "zrób to sam". Te jednorazowe płyty pochodzą z wszystkim, czego potrzebujesz, aby zautomatyzować swój projekt, a następnie niektóre. Musisz podłączyć je do komputera, stworzyć jakiś kod i po prostu go uruchomić. To zrobi resztę.
Aby zdobyć jeden lub dowolny inny komponent do swoich projektów, skontaktuj się z nami natychmiast. Nasi przedstawiciele rozumieją Ar duino i są gotowi pomóc Ci zdecydować, która płytka i dodatki są dla Ciebie odpowiednie. Możemy nawet pomóc Ci zdobyć części potrzebne do podłączenia Ar duino do Raspberry Pi, aby przenieść Twoje urządzenia na wyższy poziom.