Ардуино и электронное творчество. Учебное пособие

В первой главе рассмотрена появление первых микроконтроллеров, преимущество Arduino, история создания и развитие платформы Arduino.

1.1. Arduino – что это?

Появление первых микроконтроллеров ознаменовало начало новой эры в развитии микропроцессорной техники. Наличие в одном корпусе большинства системных устройств сделало микроконтроллер подобным обычному компьютеру. В литературе они называются однокристальными микро-ЭВМ. Соответственно и желание использовать микроконтроллеры как обычные компьютеры появилось практически с их появлением. Но желание это сдерживалось многими факторами. Например, чтобы собрать устройство на микроконтроллере, необходимо знать основы схемотехники, устройство и работу конкретного процессора, уметь программировать на ассемблере и изготавливать электронную технику. Потребуются также программаторы, отладчики и другие вспомогательные устройства. В итоге без огромного объема знаний и дорогостоящего оборудования не обойтись. Такая ситуация долго не позволяла многим любителям использовать микроконтроллеры в своих проектах. Сейчас, с появлением устройств, дающих возможность работать с микроконтроллерами без наличия серьезной материальной базы и знания многих предметов, все изменилось. Примером такого устройства может служить проект Arduino итальянских разработчиков.

Arduino и его клоны представляют собой наборы, состоящие из готового электронного блока и программного обеспечения. Электронный блок здесь – это печатная плата с установленным микроконтроллером и минимумом элементов, необходимых для его работы. Фактически электронный блок Arduino является аналогом материнской платы современного компьютера. На нем имеются разъемы для подключения внешних устройств, а также разъем для связи с компьютером, по которому и осуществляется программирование микроконтроллера. Особенности используемых микроконтроллеров ATmega фирмы Atmel позволяют производить программирование без применения специальных программаторов. Все, что нужно для создания нового электронного устройства, – это плата Arduino, кабель связи и компьютер. Второй частью проекта Arduino является программное обеспечение для создания управляющих программ. Оно объединило в себе простейшую среду разработки и язык программирования, представляющий собой вариант языка С/С++ для микроконтроллеров. В него добавлены элементы, позволяющие создавать программы без изучения аппаратной части. Так что для работы с Arduino практически достаточно знания только основ программирования на С/С++. Создано для Arduino и множество библиотек, содержащих код, работающий с различными устройствами.

1.2. Преимущество Arduino!

Пользователь современного компьютера не задумывается о функционировании отдельных частей ПК. Он просто запускает нужные программы и работает с ними. Точно так же и Arduino позволяет пользователю сосредоточиться на разработке проектов, а не на изучении устройства и принципов функционирования отдельных элементов. Нет надобности и в создании законченных плат и модулей. Разработчик может использовать готовые платы расширения или просто напрямую подключить к Arduino необходимые элементы. Все остальные усилия будут направлены на разработку и отладку управляющей программы на языке высокого уровня. В итоге доступ к разработке микропроцессорных устройств получили не только профессионалы, но и просто любители что-то сделать своими руками. Наличие готовых модулей и библиотек программ позволяет непрофессионалам в электронике создавать готовые работающие устройства для решения своих задач. А варианты использования Arduino ограничены только возможностями микроконтроллера и имеющегося варианта платы, ну и, конечно, фантазией разработчика.

1.3. История создания Arduino

В 2002 году программист Массимо Банци (Massimo Banzi) был принят на работу в должности доцента в Институт проектирования взаимодействий города Ивреа (Interaction Design Institute Ivrea, IDII) для продвижения новых способов разработки интерактивных проектов. Однако крошечный бюджет и ограниченное время доступа к лабораторной базе сводили его усилия практически нет. В проектах Банци использовал устройство BASIC Stamp, разработанное калифорнийской компанией Parallax. Stamp представлял собой небольшую печатную плату с размещенными на ней источником питания, микроконтроллером, памятью и портами ввода/вывода для соединения с различной аппаратурой. Программирование микроконтроллера осуществлялось на языке BASIC. BASIC Stamp имел две проблемы: недостаток вычислительной мощности и достаточно высокую цену – плата с основными компонентами стоила около 100 долларов. И команда Банци решила самостоятельно создать плату, которая удовлетворяла бы всем их потребностям. Банци и его сотрудники поставили себе целью создать устройство, представляющее собой простую, открытую и легкодоступную платформу для разработки, с ценой – не более 30 долларов – приемлемой для студенческого и молодёжного кармана. Хотели они и выделить чем-то свое устройство на фоне прочих. Поэтому в противовес другим производителям, экономящим на количестве выводов печатной платы, они решили добавить их как можно больше, а также сделали свою плату синей, в отличие от обычных зеленых плат. Продукт, который создала команда, состоял из дешевых и доступных компонентов – например, базировался он на микроконтроллере ATmega328. Но главная задача состояла в том, чтобы гарантировать работу устройства по принципу plug-and- play, – чтобы пользователь, достав плату из коробки и подключив к компьютеру, мог немедленно приступить к работе.

Первый прототип платы был сделан в 2005 году, она имела простейший дизайн и еще не называлась Arduino. Чуть позже Массимо Банци придумал назвать ее так – по имени принадлежащего ему бара, расположенного в городе Ивреа. Бренд «Arduino» без какой – либо рекламы и привлечения средств маркетинга быстро приобрел высокую популярность в Интернете. С начала распространения продано более 250 тыс. комплектов Arduino, и это не учитывая множества клонов. В мире насчитывается более двухсот дистрибьюторов продукции Arduino – от крупных фирм, таких как SparkFun Electronics, до мелких компаний, работающих на местный рынок. На сегодня платформа Arduino представлена не одной платой, а целым их семейством. В дополнение к оригинальному проекту, называемому Arduino Uno, новые модели, имеющие на плате более мощные средства, носят название Arduino Mega, компактные модели – Arduino Nano, платы в водонепроницаемом корпусе – LilyPad Arduino, а новая плата с 32-разрядным процессором Cortex-M3 ARM – Arduino Due.

Своим успехом проект Arduino обязан существовавшим до него языку Processing и платформе Wiring. От этих проектов Arduino унаследовал одну сильную черту – удобную для пользователя среду разработки. До появления Arduino программирование микроконтроллеров требовало сложного и рутинного предварительного обучения. А с Arduino даже те, кто не имеет опыта работы с электронными устройствами, теперь могут приобщиться к миру электроники. Начинающим уже не приходится тратить много времени на изучение сопутствующего материала – они могут быстро разработать прототип, который будет полноценно рабочим.

По словам Массимо Банци, пятьдесят лет назад, чтобы написать программное обеспечение требовалась команда людей в белых халатах, которые знали все об электронных лампах. Теперь же, с появлением Arduino, множество людей получили возможность создавать электронные устройства самостоятельно. Как утверждает один из членов команды Банци, инженер по телекоммуникациям Дэвид Куартилльз, философия Arduino как раз и состоит в том, что желающий разобраться в электронике, может сразу же приступить к ее изучению, вместо того чтобы сначала учиться алгебре.

В главе 2 приведены обзор контроллеров семейства Аrduino, рисунки и технические параметры.

Основные версии плат Arduino представлены следующими моделями:

· Due – плата на базе 32-битного ARM микропроцессора Cortex-M3 ARM SAM3U4E;

· Leonardo – плата на микроконтроллере ATmega32U4;

· Uno – самая популярная версия базовой платформы Arduino;

· Duemilanove – плата на микроконтроллере ATmega168 или ATmega328;

· Diecimila – версия базовой платформы Arduino USB;

· Nano – компактная платформа, используемая как макет. Nano подключается к компьютеру при помощи кабеля USB Mini-B;

· Mega ADK – версия платы Mega 2560 с поддержкой интерфейса USB-host для связи с телефонами на Android и другими устройствами с интерфейсом USB;

· Mega2560 – плата на базе микроконтроллера ATmega2560 с использованием чипа ATMega8U2 для последовательного соединения по USB-порту;

· Mega – версия серии Mega на базе микроконтроллера ATmega1280;

· Arduino BT – платформа с модулем Bluetooth для беспроводной связи и программирования;

· LilyPad – платформа, разработанная для переноски, может зашиваться в ткань;

· Fio – платформа разработана для беспроводных применений. Fio содержит разъем для радио XBee, разъем для батареи LiPo и встроенную схему подзарядки;

· Mini0 – самая маленькая платформа Arduino;

· Pro – платформа, разработанная для опытных пользователей, может являться частью большего проекта;

· Pro Mini – как и платформа Pro, разработана для опытных пользователей, которым требуется низкая цена, меньшие размеры и дополнительная функциональность.

2.1. Arduino Pro Mini

Arduino Pro Mini (рис. 2.1) построена на микроконтроллере ATmega168.

Рис. 2.1. Плата Arduino Pro Mini

Характеристики платы Arduino Pro Mini представлены в табл. 2.1.

Arduino Pro Mini может получать питание: через кабель FTDI, или от платы – конвертера, или от регулируемого источника питания 3,3 В или 5 В (зависит от модели платформы) через вывод VCC, или от нерегулируемого источника через вывод RAW.

Выводы питания:

· RAW – для подключения нерегулируемого напряжения;

· VCC – для подключения регулируемых 3,3 В или 5 В;

· GND – выводы заземления.

2.2. Arduino Nano

Платформа Nano (рис. 2.2), построенная на микроконтроллере ATmega 328 (Arduino Nano 3.0) или ATmega168 (Arduino Nano 2.x), имеет небольшие размеры и может использоваться в лабораторных работах.

Рис. 2.2. Плата Arduino Nano

Рис. 2.2. Плата Arduino Nano

Arduino Nano может получать питание через подключение USB Mini-B, или от нерегулируемого 6 – 20 В (вывод 30) или регулируемого 5В (вывод 27), внешнего источника питания. Автоматически выбирается источник с самым высоким напряжением.

Характеристики платы Arduino Nano представлены в табл. 2.2.

2.3. Arduino Uno

Контроллер Arduino Uno (рис. 2.3) построен на микроконтроллере ATmega328. В отличие от всех предыдущих плат, использовавших для связи по USB микроконтроллер FTDI USB, новый Arduino Uno использует микроконтроллер ATmega8U2.

Рис. 2.3. Плата Arduino Uno

Характеристики платы Arduino Uno представлены в табл. 2.3.

2.4. Arduino Mega2560

Arduino Mega (рис. 2.4) построена на микроконтроллере ATmega2560.

Рис. 2.4. Плата Arduino Mega2560

Характеристики платы Arduino Mega2560 представлены в табл. 2.4.

3.1. Загрузка программы Arduino IDE

Arduino – это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов. Платформа стала популярной во всем мире благодаря удобству языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Программируется через USB без использования программаторов.

Сине-зеленая плата это и есть Arduino. По своей сути Arduino это маленький персональный компьютер, который позволяет выйти за рамки виртуального мира в физический и взаимодействовать с ним. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами.

Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно, либо взаимодействовать с программным обеспечением компьютера.

Рассмотрим самые популярные версии Arduino (Nano, UNO, Mega,) используемые в работе.

Arduino UNO – плата разработчиков, одна из нескольких (Mega, Nano и пр.), основана на микроконтроллере ATmega328. Он популярен, главным образом, из – за обширной сети поддержки и универсальности.

У Arduino UNO есть 14 цифровых портов ввода – вывода, шесть из которых умеют выдавать ШИМ. Еще есть 6 входящих аналоговых портов. Есть генератор 16 мГц, USB порт, разъем питания, кнопка сброса, и разъем ICSP.

Для того, чтобы начать работу с Arduino вам необходимо зайти на сайт arduino.cc и скачать программу Arduino IDE из раздела Download ver 1.8.19, совершенно бесплатно.

Рис.3.1. Операционной системы компьютеров

Предварительно уточните, тип операционной системы на вашем компьютере. С помощью любого браузера, внести следующее в адресную сроку:

Подсоедините Плату Arduino Uno к компьютеру используйте USB кабель, входящий в комплект набора, соедините плату Arduino с одним из USB 2.0 разъемов вашего компьютера.

3.2. Установка драйверов

В зависимости от того, какая операционная система установлена на вашем компьютере, вам необходимо выбрать способ установки драйвера.

Ниже даны ссылки и методы установки для платы Arduino Uno.

*Вы должны очень внимательно отнестись к выбору и установке драйверов.

Установка для Windows

Пройдите по ссылке ниже для доступа к инструкциям по установке на компьютер с операционной системой Windows.

http://arduino.cc/en/Guide/Windows

Установка для Macintosh OS X

Для Mac OS не требуется устанавливать дополнительные драйвера, но вы можете посетить страничку «быстрый старт».

http://arduino.cc/en/Guide/MacOSX

Пройдите по ссылке ниже для доступа к инструкциям по установке на компьютер с операционной системой Linux.

http://www.arduino.cc/playground/Learning/Linux

Интерфейс программы Arduino IDE:

Так выглядит среда программирования Arduino IDE, запущенная на вашем компьютере. Мы начинаем знакомство с её интерфейсом. Сейчас мы не будем касаться кода, а расскажем лишь о назначении функциональных клавиш в меню программы.

Ниже показана самые важные команды, используемые в новых проектах, таких как проверка, загрузка, новый, открыть, сохранить, сериал монитор порт, имя скетча, опасть кода и область сообщений. Скетчи новых проектов проверяется, если правильно загружается. После этого схема должен заработать. Если скетч и схема неправильно, то неисправность устраняется. После всего схема должен заработать.

Рис.3.2. Среда программирования Arduino IDE

3.3. Графический интерфейс пользователя и самые важные команды

Рис 3.3. Графический интерфейс пользователя

Рис 3.4. Три самые важные команды в меню Arduino IDE