Arduino platformasi va elektron ijodkorlik. O’quv qo’llanma

Muharrir Ibratjon Xatamovich Aliyev

Muharrir Sa'lim Madraximovich Otajonov

Illustrator Boxodir Xoshimovich Karimov

Illustrator Ra'noxon Mukaramovna Aliyeva

Illustrator Asilbek Raxmonaliyevich To'xtasinov

Редактор Boxodir Xoshimovich Karimov

Muqova dizayni Ibratjon Xatamovich Aliyev

Taqrizchi, fizika-matematika fanlari doktori, Farg'ona Davlat Universiteti fizika-texnika fakulteti "Texnologik ta'lim" kafedrasi professori Salim Madraximovich Otajonov

Taqrizchi, fizika-matematika fanlari doktori, Farg'ona Politexnika Instituti "Fizika" kafedrasi professori Nomonjon Sultonov

Tuzatuvchi Boxodir Xoshimovich Karimov

Tuzatuvchi Ibratjon Xoshimovich Aliyev

© Boxodir Xoshimovich Karimov, 2024

© Axliddin Mirzoxidovich Qo'chqorov, 2024

© Mirzxodjon Murodjonovich To'xtasinov, 2024

ISBN 978-5-0062-8440-1

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Tavsiya etilgan o’quv qo’llanmasi avtomatizasiya va robototexnikada bo’yicha loyihalarda mikrokontrollerlarni tashqi muhit bilan aloqada bo’lishidan foydalanib, dasturlashga kiruvchi talabalarga yo`naltirilgan.

O’quv qo’llanmasi Arduino IDE muhitida Arduino platasini programmalashtirish tili yoritilgan bo’lib, amaliyotda qo’llaniluvchi amaliy loyihalar keltirilgan. Qo’llanmada amaliyotda qo’llaniladigan, yechimi tugallangan Arduino asosidagi ko’plab amaliy loyihalar yoritilgan. Qo’llanmada keltirilgan loyihalardan o’quv jarayoni, sanoat, qishloq xo’jaligi, meditsina va boshqa sohalarda qo’llash imkonlari keltirilgan.

Arduino-havaskorlar va professionallar uchun dasturiy va texnik ta’minotlar yig‘indisidan iborat bo‘lgan platforma. Arduino – bir nechta texnologiyani birlashtirgan bo‘lib, uning yordamida aqlli qurilmalar yaratish va o‘quv jarayoniga tadbiq etish mumkin.

Arduino platasi o‘zida maxsus mikrokontroller va boshqa elektronika qurilmalarni mujassamlashtirgan qurilma. Ularning ishlatilish maqsadiga qarab, NANO, UNO, MEGA va boshqalardan foydalaniladi. O‘quv qo‘llanma asosan, Arduino UNO platasining texnik parametrlari va u yordamida programmalar yozish, yuklash, sxema yig‘ish hamda loyihani ishlatish bo‘yicha ma’lumotlar keltirilgan.

O«quv qo‘llanmada 10dan ortiq loyihalar keltirilgan.

Talabalar ushbu o‘quv qo‘llanmadan foydalanib, loyihalarni amalga oshirish natijasida fizika qonunlari, avtomatizatsiya va robototexnika bo‘yicha bilimlarini boyitadi. Shu bilan birga mustaqil ravishda o‘zlarining loyihalarini yaratadi.

Talabalar ma’ruza mavzusi bilan tanishgandan so‘ng, o‘quv qo‘llanmada keltirilgan kichik loyihalarni mustaqil bajarib ko‘radi. Loyihalarni bajarishda mustaqil programma yozadi yoki internet orqali murakkab loyihalar uchun kerak bo‘lgan dasturlar yuklab olinadi.

O’quv qo’llanmasidan talabalar, havaskorlar, o’qituvchilar va professionallar foydalanishlari mumkin.

KIRISH

Birinchi mikrokontrollerning yaratilishi mikroprotsessor texnikasining rivojlanishiga katta turtki bo‘ldi. Mikrokontrollerda ko‘plab sistema qurilmalari bo‘lganligi sababli, odatiy kompyuter deb qarash mumkin. Adabiyotlarda ularni bir krisstalli mikroEXM deb ataladi. Mikrokontrollerni odatiy kompyuter sifatida amaliy qo‘llashda bir qator qiyinchiliklar bor edi. Mikrokontrollerda qurilma yig‘ish uchun sxemotexnika asoslari, bironta jarayon uchun qurilma va ishlash prinsipini, assembler tilida programmalashtirish hamda elektron qurilmalarni tayyorlashni bilish kerak. Shu bilan birga programmatorlar, sozlash ishlari va boshqa yordamchi qurilmalar talab etiladi. Bu esa katta bilim va qimmatli qurilmalarsiz natijaga erishib bo‘lmas edi. Ko‘plab havaskorlar uchun mikrokontrollerni o‘z loyihalarida ishlatish imkoni yo‘q edi. Hozirda mikrokontroller asosidagi qurilmalarni paydo bo‘lishi natijasida, jiddiy material baza va maxsus fanlar bo‘yicha bilimga ega bo‘lmasdan ham loyihalar yaratilish imkoni yuzaga keldi.

Bunga misol qilib, Italiyalik ixtirochilar tomonidan loyihalangan Arduino platformasini olish mumkin.

Arduino va uning klonlari tayyor elektron blok va programma ta’minotidan iborat bo‘lgan to‘plamdan iborat. Elektron blok – Arduino ishlashi uchun mikrokontroller o‘rnatilgan pechat platasi va minimum elementlardan tashkil topgan.

Arduinoning elektron bloki hozirgi zamonaviy kompyuterning «Ona» platasini analogi hisoblanadi. Unda tashqi qurilmalarni ulash uchun uyachalar (razyomlar) va mikrokontrollerni programmalashtirish uchun kompyuter bilan bog‘lovchi ulovchi USB kabel mavjud.

Atmel firmasi tomonidan chiqarilgan ATmega mikrokontrolleri maxsus programmalar talab qilmasdan programmalashtiriladi. Yangi elektron qurilmani yaratish uchun Arduino platasi, ulovchi kabel va kompyuter talab qilinadi. Loyihaning ikkinchi qismida boshqariluvchi programmani hosil qilish uchun, programmalashtirish ta’minoti zarur. U o‘zida oddiy ishlab chiqish muhiti va mikrokontrollerni С++ variantidagi programmalashtirish tili birlashtirgan. Unga programmalarni yaratishda apparat qismini o‘rganish zarur bo‘lmagan elementlar qo‘shilgan. Arduino bilan ishlash uchun С++ programmalashtirish asoslari bo‘yicha bilimga ega bo‘lish talab etiladi. Arduinoda turli qurilmalarni ishlatish uchun, kodlardan tashkil topgan, ko‘plab kutubxonalar mavjud.

Arduinoning qulayligi. Foydalanuvchilar zamonaviy kompyuterda ishlashda, shaxsiy kompyuterning ayrim qismlarining funksiyalarini bilishi shart emas. Arduino tarmoqqa ulab programma ishga tushiriladi, natijada sxema ishlashni boshlaydi. Xuddi shunday Arduinoda ham, uning tuzilishi va ishlash prinsipini o‘rganmasdan, o‘quvchi, talaba va yoshlar o‘zining loyihalari ustida ishlaydi. Shu bilan birga tugallangan plata va modulni yaratishga xojat qolmaydi. Ixtirochi tayyor kengaytirilgan platadan foydalanishi yoki kerakli detallarni to‘g‘ridan – to‘g‘ri Arduinoga ulashi mumkin. Qolgan kuchni loyihalash va boshqaruvchi programmani sozlashga sarf qilinadi. Natijada mikroprotsessorda loyihalar yaratish professionallar emas, balki havaskorlar ham loyihalash imkoni yaratiladi. Tayyor modullar va programmalar bibliotekasi bo‘lishi, havaskorlarga o‘zlarining ishlovchi qurilmalarini loyihalash va ishlatish imkonini berdi. Arduino platformasidan foydalanib, elektron qurilmalar yaratish, o‘quv jarayonida qo‘llash, robortlar yaratish imkonini beradi.

Arduinoni yaratilish tarixi. 2002 – yili Italiyalik programmist Massimo Bansi (Massimo Banzi) Ivera (Interaction Design Institute Ivrea, IDII) shahridagi loyihalash institutiga dotsent lavozimiga ishga qabul qilindi. Uning maqsadi yangi interaktiv loyihalar usulini yaratishdan iborat edi. Biroq uning mablag‘i kamligi va laboratoriyaga kirishga ruhsati yo‘qligi hamda vaqti kamligi sababli, uning imkoniyati cheklangan edi.

Bansi o‘zining loyihalarida Koliforniya Parallax kompaniyasi ishlab chiqargan kichik plataga o‘rnatilgan ta’minlash manbasi, xotiraga ega bo‘lgan mikrokontroller, turli xil qurilmalarga ulashga mo’ljallangan kirish va chiqish portlari ega bo‘lgan BASIC Stamp qurilmasidan foydalangan. Mikrokontrollerni programmalashtirish BASIC tilida amalga oshirilgan. BASIC Stampda ikkita muammo bor edi: birinchidan uning hisoblash quvvati kam va nisbatan qimmat 100 dollor edi. Bu talabalarga qimmatlik qilar edi.

Bansi mustaqil ravishda yuqoridagi shartlarga javob beruvchi platani yaratishga qaror qildi. Bansi o‘zining xodimlari bilan sodda, ochiq va talaba va yoshlar cho‘ntagiga bob 30 dollor atrofidagi qurilma yaratishni maqsad qilib qo‘ydi. Ular boshqa ishlab chiqaruvchilardan farqli, chiqiqlarni iqtisod qilmasdan ularni ko‘paytirdi va rangini odatiy yashil rangdan farqli ko‘k rangda qilishga qaror qildi. Ular tomonidan tayyorlangan qurilma arzon va ko‘plab topiluvchi komponentlardan iborat bo‘lib, ATmega328 mikrokontrolleri bazasida tayyorlangan. Ularning asosiy maqsadlaridan biri foydalanuvchi plug-and-play prinsipiga ko‘ra qurilmani qutidan olib, kompyuterga ulagan zamon ishga tushishi kerak edi. Birinchi prtotatipi 2005 yili tayyorlanib, oddiy dizaynga ega bo‘lib Arduino deb nomlandi. Keyinchalik Massimo Bansi Ivrea shahrida joylashgan o‘zining bari nomiga qurilmani «Arduino» deb nomladi. «Arduino» brendi hech qanday reklamasiz va marketingni talab qilmasdan internet orqali ommabop bo‘ldi.

Boshlanishda 250 mingta Arduino komplekti sotildi. Dunyoda Arduino mahsuloti bilan katta kompaniyalar SparkFun Electronicsdan tortib to kichik kompaniyalar shug‘ullanuvchilar distribyutorlar soni 200dan ortiq. Hozirda Arduino platformasi bitta bo‘lmasdan, bir qator oilasi mavjud. O’zlarining loyihalarida Arduino UNO, yangi quvvatli muhitga ega bo‘lgan modellardan, Arduino Mega, kompat modeli Arduino Nano, suv o‘tkazmaydigan qutiga joylashtirilgan – LilyPad Arduino, Cortex – M3 ARM 32 razryad protsessorli Arduino Due yangi versiyalari mavjud.

Arduinoda loyihalar yaratishda Processing tilidan va Wiring platformasidan foydalandi. Arduino platformasi yaratilishi natijasida foydalanuvchi uchun qulay muhit yaratildi. Arduino yaratilgungacha mikrokontrollerni programmalashtirish uchun ko‘plab mehnat qilish kerak edi. Arduino yaratilishi natijasida elektron qurilmalar bo‘yicha tajribaga ega bo‘lmasdan ham, elektronika olamiga kirish mumkin. Havaskor ko‘p vaqt sarf qilmasdan qisqa vaqt ichida ishchi holatdagi qurilmalarni loyihalashi va ishlatishi mumkin.

Massimo Bansi fikricha 50 yil oldin programmani yozish uchun oq holatdagi bir qator programmistlardan iborat bo‘lgan komanda va elektron lampalarni biluvchi mutaxasislar kerak edi. Arduino yaratilishi natijasida, ko‘plab insonlar uchun mustaqil holda loyihalarini yaratish imkoni yuzaga keldi. Elektronikaga qiziqqan inson Arduino platformasi yordamida o‘zining yangi loyiha va qurilmalarini yaratish imkoni yuzaga keldi.

I -bob. ARDUINO PLATASINING VERSIYALARI

1.1. ProMini Arduinosi

Arduino Pro Mini (1.1-rasm) ATmega168 mikrokontrolleri asosida tayyorlangan.

1.1-rasm. Pro Mini Arduino platasi

1.1-jadvalda Pro Mini Arduino platasining xarakteristikalari keltirilgan.

Arduino Pro Mini FTDI kabel orqali ta’minlanadi, yoki VCC chiqiq orqali

3,3V yoki 5V kuchlanish bilan va RAW chiqiq orqali boshqarilmaydigan manba orqali ta’minlanadi.

Ta’minlash chiqiqlari:

1. RAW – boshqarilmaydigan kuchlanish orqali ulash;

2. VCC – 3,3V yoki 5V boshqariladigan kuchlanishni ulash;

3. GND – yerga ulash chiqiqlari.

1.2.Nano Arduinosi

ATmega168 (Arduino Nano2.x) mikrokontrolleri Nano platformasi (1.2-rasm), ATmega 328 (ArduinoNano 3.0) yoki asosida tuzilgan, bo‘lib kichik o‘lchamga va u laboratoriya ishlarida qo‘llaniladi. Nano Arduino platasi kompyuterga ulangan USB Mini orqali kuchlanish olinishi mumkin yoki boshqarilmaydigan 6—20V (30 chiqiq) yoki boshqariluvchi 5V (27 chiqiq), tashqi ta’minlash manbasidan olinadi. Yuqori kuchlanshli manba avtomatik tanlanadi.

1.2-rasm. Nano Arduino platasi

Nano Arduino platasining xarakteristikalari 1.2-jadvalda keltirilgan.

1.3. UNO Arduinosi

UNO Arduino platformasi ATmega328 (1.3-rasm) mikrokontrolleri asosida tuzilgan. Kompyuter bilan aloqa qilish uchun FTDI USB mikrokontroller USB orqali ulanadi. Yangi UNO Arduinsida ATmega8U2 mikrokontrollerdan foydalaniladi.

1.3-rasm. UNO Arduino platasi

UNO Arduino platasining xarakteristikalari 1.3-jadvalda keltirilgan.

1.4. Mega Arduinosi

Mega Arduinosi Atmega 2560. (1.4-rasm) mikrokontrolleri asosida tuzilgan.

1.4-rasm. Mega Arduino platasi

Mega Arduino platasining xarakteristikalari 1.4-jadvalda keltirilgan.

2-bob. ARDUINO PROGRAMMALARI VA DRAYVERLARINI YUKLASH

2.1. IDE Arduino ishlash muhitini yuklab oling

Arduino-elektron konstruktor bo‘lib, professionallar va havaskorlarga elektron qurilmalarni tezda yaratish uchun qulay platforma. Platformani keng tarqalishiga sabab, uning programmalashtirish tilining qulayligi, arxitektura hamda programmalashtirish kodining ochiqligi. Programmalashtirsh programmatorsiz amalga oshiriladi.

Arduino platasi chiroyli ko‘k rangda. Arduino kichik shaxsiy kompyuter bo‘lib, virtual olamdan fizik olamga chiqib, muhit bilan ta’sirlashadi. Arduino bazasidagi qurilmalar turli xil datchiklar orqali tashqi muhitdan informatsiya oladi, shu bilan birga bajaruvchi qurilmalar bilan bajariladi.

Arduino asosidagi loyihalar mustaqil ishlaydi yoki kompyuterining programmasi bilan o‘zaro ta’sirlashadi.

O«quv qo‘llanmasida keng tarqalgan Arduino versiyalari (Nano, UNO, Mega) bilan tanishamiz.

Arduino UNO bir qator asosiy ishlab chiqilgan platalardan bo‘lib, (Mega, Nano va h.z.), ATmega328 mikrokontrolleri asosida tayyorlangan. Uning asosiy yutuqlaridan biri, uning keng tarmoqlarni qo‘llab quvvatlashi hamda universalligidir.

2.1-rasm. Kompyuterlarning operatsion sistemalari

Arduino UNO 14 kirish va chiqish raqamli portlari mavjud bo‘lib, undan oltitasidan SHIM signallari olinadi Shu bilan birga oltita kirish analog portlari mavjud. 16 MGsli generator, USB port, ta’minlash manbasining uyasi (raz’yomi), tashlab yuborish knopkasi, ICSP raz’yomi mavjud.

Arduino bilan ishlash uchun IDE Arduino muhitini yuklab olinadi. Buning uchun Arduino.cc saytiga kirib Download ver 1.8.19. IDE Arduino programmasini yuklab oling.

Kompyuterdagi operatsion sistema aniqlashtiriladi. Ixtiyoriy brauzer orqali quyidagi adres qatorini kiriting:

UNO Arduino platsini USB kabel orqali kompyuterga ulang.

2.2. Drayverlarni o‘rnatish

Kompyuterga qanday operatsion sistema o‘rnatilishiga qarab, drayverlarni o‘rnatish usulini tanlang.

Quyida UNO Arduino platasiga drayverlarni o‘rnatish usuli va ssilkasi keltirilgan.

*Drayverov tanlash va o‘rnatishda etiborli bo‘ling

Windows uchun o‘rnatish

Windows operatsion sistemali kompyuterga drayverlarni o‘rnatish qo‘llanmasi

uchun qo‘yidagi ssilkaga kiriladi.

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

Macintosh OS X uchun o‘rnatish

Mac OS uchun qo‘shimcha drayverlarni o‘rnatish talab etilmaydi. Qo‘yidagi ssilkaga kirib qo‘yish maqsadga muvofiq.

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

Linux: 32 bit / 64 bit uchun o‘rnatish

Linux operatsion sistemali kompyuterga drayverlarni o‘rnatish qo‘llanmasi uchun qo‘yidagi ssilkaga kiring.

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

IDE Arduino programmalarining interfeysi: kompyuteringizdagi o‘rnatilgan IDE Arduino muhitini programmalashtirish oynasi 2.2—rasmdagidek bo‘ladi. IDE Arduino muhitini programmalashtirish interfeysi bilan tanishaylik. Programma yuklab olingandan so’ng Arduino platasi tanlanadi. Buning uchun plata USB kabel orqali kompyuterga ulanadi 2.3-rasm.

2.2-rasm. IDE Arduino muhitini programmalashtirish oynasi

2.3-rasm. USB kabelni kompyuterga ulanash

2.4-rasm. Arduino Nano platasini tanlash

«Инструменты» ga kirilib, kursor orqali «Плата» kiriladi va kerakli Arduino platasi (2.4-rasm) tanlanadi.USB kabel uchun CH340G drayveri yuklab olinadi.

«Инструменты» ga kirilib, kursor orqali «Пort"ga kiriladi va kerakli port (2.5-rasm) tanlanadi.

2.5-rasm. Arduinoda portni tanlash

2.6-rasm. Arduinoda COM 7 portni tanlash 2.7-rasmda Loyihalarni ishlatish uchun Arduino IDE menyusidagi uchta asosiy buyruqlar keltirilgan

2.7-rasm. Arduino IDE menyusidagi uchta asosiy buyruq

3.BOB. ARDUINOUNO PLATASI VA BUTLOVCHI MATERIALLAR

3.1. Elektr zanjirlar, butlovchi jihozva radiodetallar

Arduino platasida sxema tuzish va programma yozib, loyihani ishlatish uchun butlovchi material va radiodetallar bilan tanishish zarur. Tanishish uchun oddiy elektr zanjirini ko‘rib chiqaylik.

3.1-rasm. Elektr zanjiri

Elektr zanjiri – bu uzliksiz yo‘l bo‘lib, elektr toki boshlang‘ich holatdan oxirgi nuqta, masalan plyusdan minus tomon oqadi. Elektr zanjiri rezistorlar, diodlar, tranzistorlar mikrosxemalar, motorlar va boshqalardan iborat. Sxema yuqoridagi ko‘plab elemenlarda iborat. Odatda sxema uchta kotegoriyaga – analog sxema, raqamli sxema va aralash signalli sxemalarga bo‘linadi. Ushbu qo‘llanmada keltirilgan uchala sxemadan foydalanamiz.

Hayotimizda elektron sxemalardan keng foydalanamiz. Qo‘l telefoni, kompyuter, noutbuk va boshqa qurilmalar elektr zanjir hamda elektron sxemalardan iborat. O‘quv qo‘llanmada bir qator tajribalar uchun sxemalar va elektron komponentlarning ishlash prinsipi keltirilgan. 3.2-rasmda Elektr zanjirlarining qo‘llanilishi keltirilgan.

3.2-rasm. Elektr zanjirlarining qo‘llanilishi

3.2-rasm. Elektr zanjirlarining qo‘llanilishi

3.2-rasm. Elektr zanjirlarining qo‘llanilishi

3.3-rasmda Arduinoda keng qo’llaniladigan asosiy butlovchi detallar-ulovchi simlar, LED svetodiodlari, rezistorlar, potensiometr, diod, fotorezistor, tranzistor, yetti segmentli element, knopka, servo motor, rele, ultrasonik, maket platasi va boshqalar keltirilgan (3.7-rasm).

3.2. Arduino va maket platasi

3.4 va 3.5-rasmlarda SMS va DIP komponenti asosida Arduino UNO platasi keltirilgan. 3.6-rasmda Arduino UNO platasining portlari ko’rsatilgan.

3.4-rasm. SMS komponenta asosida Arduino UNO platasi

3.5-rasm. DIP komponenta asosidagi Arduino UNO platasi

3.6 – rasm. Arduino UNO portlari

3.7-rasm. a) Maket platasining umumiy ko‘rinishi

3.7-rasm. b) ichki tamondan ko‘rinish

3.4 va 3.5-rasmlarda SMS va DIP komponenti asosida Arduino UNO platasi keltirilgan. 3.6-rasmda Arduino UNO platasining portlari ko’rsatilgan.

4.BOB. ARDUINO PLATFORMASI ASOSIDAGI LOYIHALAR

4 – bobda Arduino platasi bilan ishlovchi o‘ndan ortiq loyihalarning sxemasi, butlovchi jihoz va radiodetalar, programmani yuklash hamda ishlatish bo‘yicha ma’lumotlar keltirilgan.

4.1-rasmda loyiha sxemasini yig‘ish, programma yozish va yuklash jarayoni ko’rsatilgan.

4.1-rasm. Sxemani yig‘ing, programma yozing va yuklang

4.1. ARDUINO VA MILTILLOVCHI SVETODIOD

LED inglizchasiga (light-emitting diodes) bo‘lib, o‘zbekchasiga yorug‘lik diodi, ko‘plab qurilmalarda qo‘llaniladi. Arduino UNO asosida birinchi miltillovchi yorug‘lik diodi asosida tajribani ko‘rib chiqamiz. Ko‘p loyihalarni bajarish mumkin bo‘lgan Arduino UNO platasida yorug‘lik diodini vaqt bo‘yicha miltillashini tajribada bajaramiz. Tajriba uchun detallarni tanlaymiz va ishga kirishamiz. 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 – rasmlarda birinchi tajribaning prinsipial sxemasi, radiodetallarning joylashishi, sxemaga detallarni ulanishi keltirilgan.

4.2-rasm. Birinchi tajribaning prinsipial sxemasi