Введение в Arduino: 15 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Arduino - это плата для разработки микроконтроллеров с открытым исходным кодом. Говоря простым языком, вы можете использовать Arduino для считывания показаний датчиков и управления такими вещами, как двигатели и освещение. Это позволяет вам загружать программы на эту доску, которые затем могут взаимодействовать с вещами в реальном мире. Благодаря этому вы можете создавать устройства, которые реагируют на окружающий мир в целом.

Например, вы можете считать датчик влажности, подключенный к горшечному растению, и включить автоматический полив, если он станет слишком сухим. Или вы можете создать автономный чат-сервер, подключенный к вашему интернет-маршрутизатору. Или вы можете сделать так, чтобы он твитнул каждый раз, когда ваша кошка проходит через дверь для домашних животных. Или вы можете поставить чашку кофе, когда будильник сработает утром.

По сути, если есть что-то, что каким-либо образом контролируется электричеством, Arduino может каким-то образом взаимодействовать с этим. И даже если он не управляется электричеством, вы, вероятно, все равно можете использовать вещи, которые (например, двигатели и электромагниты), чтобы взаимодействовать с ним.

Возможности Arduino практически безграничны. Таким образом, невозможно, чтобы одно руководство могло охватить все, что вам когда-либо могло понадобиться. Тем не менее, я сделал все возможное, чтобы дать базовый обзор фундаментальных навыков и знаний, необходимых для запуска и работы Arduino. По крайней мере, это должно послужить трамплином для дальнейших экспериментов и обучения.

Шаг 1: разные типы Arduinos

Есть несколько различных типов Arduinos на выбор. Это краткий обзор некоторых наиболее распространенных типов плат Arduino, с которыми вы можете столкнуться. Полный список поддерживаемых в настоящее время плат Arduino можно найти на странице оборудования Arduino.

Ардуино Уно

Самая распространенная версия Arduino - это Arduino Uno. Именно об этой плате говорят большинство людей, когда они ссылаются на Arduino. На следующем этапе будет более полное изложение его возможностей.

Arduino NG, Diecimila и Duemilanove (устаревшие версии)

Унаследованные версии линейки продуктов Arduino Uno состоят из NG, Diecimila и Duemilanove. В отношении устаревших плат важно отметить, что в них отсутствует какая-либо особенность Arduino Uno. Некоторые ключевые отличия:

• Diecimila и NG используют чипы ATMEGA168 (в отличие от более мощного ATMEGA328),
• И Diecimila, и NG имеют перемычку рядом с USB-портом и требуют ручного выбора либо USB, либо питания от батареи.
• Arduino NG требует, чтобы вы удерживали кнопку отдыха на плате в течение нескольких секунд перед загрузкой программы.

Ардуино Мега 2560

Arduino Mega 2560 - вторая наиболее часто встречающаяся версия семейства Arduino. Arduino Mega похожа на более мощного старшего брата Arduino Uno. Он может похвастаться 256 КБ памяти (в 8 раз больше, чем у Uno). Он также имел 54 входных и выходных контакта, 16 из которых являются аналоговыми контактами, а 14 из которых могут выполнять ШИМ. Тем не менее, все дополнительные функции достигаются за счет платы немного большего размера. Это может сделать ваш проект более мощным, но это также увеличит ваш проект. Посетите официальную страницу Arduino Mega 2560 для получения более подробной информации.

Arduino Mega ADK

Эта специализированная версия Arduino - это, по сути, Arduino Mega, которая была специально разработана для взаимодействия со смартфонами Android. Это тоже теперь устаревшая версия.

Ардуино Юн

Arduino Yun использует чип ATMega32U4 вместо ATmega328. Однако, что действительно отличает его, так это добавление микропроцессора Atheros AR9331. Этот дополнительный чип позволяет этой плате работать под Linux в дополнение к обычной операционной системе Arduino. Если всего этого было недостаточно, он также имеет встроенный Wi-Fi. Другими словами, вы можете запрограммировать плату так, как если бы вы делали это с любым другим Arduino, но вы также можете получить доступ к Linux-стороне платы для подключения к Интернету через Wi-Fi. Затем стороны Arduino и Linux могут легко обмениваться данными друг с другом. Это делает эту доску чрезвычайно мощной и универсальной. Я едва касаюсь того, что вы можете с этим сделать, но чтобы узнать больше, посетите официальную страницу Arduino Yun.

Ардуино Нано

Если вы хотите быть меньше стандартной платы Arduino, Arduino Nano для вас! Эта версия Arduino, основанная на микросхеме ATmega328 для поверхностного монтажа, была уменьшена до небольшого размера, способного поместиться в ограниченном пространстве. Его также можно вставить прямо в макет, что упрощает создание прототипа.

Arduino LilyPad

LilyPad был разработан для носимых устройств и электронного текстиля. Он предназначен для пришивания к ткани и соединения с другими сшиваемыми компонентами токопроводящей нитью. Эта плата требует использования специального кабеля последовательного программирования FTDI-USB TTL. Для получения дополнительной информации страница Arduino LilyPad является хорошей отправной точкой.

(Обратите внимание, что некоторые ссылки на этой странице являются партнерскими ссылками. Это не влияет на стоимость товара для вас. Я реинвестирую все полученные мной доходы в создание новых проектов. Если вам нужны какие-либо предложения по альтернативным поставщикам, пожалуйста, позвольте мне знать.)

Шаг 2: Возможности Arduino Uno

Некоторые думают, что вся плата Arduino - это микроконтроллер, но это неточно. Плата Arduino на самом деле представляет собой специально разработанную печатную плату для программирования и прототипирования с микроконтроллерами Atmel.

Плата Arduino хороша тем, что она относительно дешевая, подключается прямо к USB-порту компьютера и чрезвычайно проста в настройке и использовании (по сравнению с другими платами для разработки).

Некоторые из ключевых особенностей Arduino Uno включают в себя:

• Дизайн с открытым исходным кодом. Преимущество его открытого исходного кода заключается в том, что он имеет большое сообщество людей, использующих его и устраняющих неполадки. Это позволяет легко найти кого-нибудь, кто поможет вам отладить ваши проекты.
• Простой интерфейс USB. Микросхема на плате подключается прямо к вашему USB-порту и регистрируется на вашем компьютере как виртуальный последовательный порт. Это позволяет вам взаимодействовать с ним, как с последовательным устройством. Преимущество такой настройки заключается в том, что последовательная связь - это чрезвычайно простой (и проверенный временем) протокол, а USB делает подключение к современным компьютерам действительно удобным.
• Очень удобное управление питанием и встроенная регулировка напряжения. Вы можете подключить внешний источник питания до 12 В, и он будет регулировать его как до 5 В, так и 3,3 В. Его также можно запитать напрямую от USB-порта без какого-либо внешнего питания.
• Легкодоступный и очень дешевый микроконтроллерный «мозг». Чип ATmega328 продается на Digikey примерно за 2,88 доллара. Он имеет бесчисленное количество хороших аппаратных функций, таких как таймеры, выводы ШИМ, внешние и внутренние прерывания и несколько режимов сна. Ознакомьтесь с официальной таблицей данных для получения более подробной информации.
• Часы 16 МГц. Это делает его не самым быстрым микроконтроллером, но достаточно быстрым для большинства приложений.
• 32 КБ флэш-памяти для хранения вашего кода.
• 13 цифровых контактов и 6 аналоговых контактов. Эти контакты позволяют подключать внешнее оборудование к Arduino. Эти контакты являются ключевыми для расширения вычислительных возможностей Arduino в реальном мире. Просто подключите свои устройства и датчики к гнездам, соответствующим каждому из этих контактов, и все готово.
• Разъем ICSP для обхода порта USB и непосредственного взаимодействия с Arduino как с последовательным устройством. Этот порт необходим для перезагрузки вашего чипа, если он поврежден и больше не может взаимодействовать с вашим компьютером.
• Встроенный светодиод, подключенный к цифровому контакту 13, для быстрой и легкой отладки кода.
• И наконец, что не менее важно, кнопка для сброса программы на чипе.

Чтобы получить полное изложение всего, что может предложить Arduino Uno, обязательно посетите официальную страницу Arduino.

Шаг 3: IDE Arduino

Прежде чем вы сможете начать что-либо делать с Arduino, вам необходимо загрузить и установить Arduino IDE (интегрированную среду разработки). С этого момента мы будем называть Arduino IDE программатором Arduino.

Программатор Arduino основан на среде Processing IDE и использует разновидности языков программирования C и C ++.

Вы можете найти самую последнюю версию Arduino Programmer на этой странице.

Шаг 4: Подключите его

Подключите Arduino к USB-порту вашего компьютера.

Обратите внимание, что хотя Arduino подключается к вашему компьютеру, это не настоящее USB-устройство. На плате есть специальный чип, который позволяет отображать его на вашем компьютере как виртуальный последовательный порт, когда он подключен к USB-порту. Вот почему так важно подключить плату. Когда плата не подключена, виртуальный последовательный порт, на котором работает Arduino, не будет присутствовать (поскольку вся информация о нем хранится на плате Arduino).

Также полезно знать, что каждый Arduino имеет уникальный адрес виртуального последовательного порта. Это означает, что каждый раз, когда вы подключаете к компьютеру другую плату Arduino, вам нужно будет перенастроить используемый последовательный порт.

Для Arduino Uno требуется штекерный кабель USB A - штекер USB B.

Шаг 5: настройки

Прежде чем вы сможете начать что-либо делать в программаторе Arduino, вы должны установить тип платы и последовательный порт.

Чтобы установить доску, перейдите к следующему:

Платы для инструментов

Выберите версию платы, которую вы используете. Поскольку у меня подключен Arduino Uno, я, очевидно, выбрал «Arduino Uno».

Чтобы установить последовательный порт, перейдите к следующему:

Инструменты Последовательный порт

Выберите последовательный порт, который выглядит так:

/dev/tty.usbmodem [случайные числа]

Шаг 6: создание эскиза

Программы Arduino называются эскизами. Программист Arduino поставляется с множеством предварительно загруженных скетчей. Это здорово, потому что даже если вы никогда в жизни ничего не программировали, вы можете загрузить один из этих скетчей и заставить Arduino что-то сделать.

Чтобы светодиод, привязанный к цифровому контакту 13, мог мигать, давайте загрузим пример мигания.

Пример мигания можно найти здесь:

Примеры файлов Основы Blink

Пример мигания в основном устанавливает вывод D13 в качестве выхода, а затем мигает тестовый светодиод на плате Arduino каждую секунду.

Как только пример мигания открыт, его можно установить на микросхему ATMEGA328, нажав кнопку загрузки, которая выглядит как стрелка, указывающая вправо.

Обратите внимание, что светодиодный индикатор состояния поверхностного монтажа, подключенный к контакту 13 на Arduino, начнет мигать. Вы можете изменить частоту мигания, изменив продолжительность задержки и снова нажав кнопку загрузки.

Шаг 7: последовательный монитор

Монитор последовательного порта позволяет вашему компьютеру последовательно подключаться к Arduino. Это важно, потому что он принимает данные, которые ваш Arduino получает от датчиков и других устройств, и отображает их в реальном времени на вашем компьютере. Эта способность бесценна для отладки кода и понимания того, какие числовые значения фактически получает чип.

Например, подключите центральную развертку (средний контакт) потенциометра к A0, а внешние контакты, соответственно, к 5 В и земле. Затем загрузите эскиз, показанный ниже:

Примеры файлов 1. Basics AnalogReadSerial

Нажмите кнопку, чтобы включить монитор последовательного порта, который выглядит как увеличительное стекло. Теперь вы можете видеть числа, считываемые аналоговым выводом на последовательном мониторе. Когда вы поворачиваете ручку, числа будут увеличиваться и уменьшаться.

Числа будут находиться в диапазоне от 0 до 1023. Причина этого в том, что аналоговый вывод преобразует напряжение от 0 до 5 В в дискретное число.

Шаг 8: Цифровой вход

Arduino имеет два разных типа входных контактов: аналоговый и цифровой.

Для начала давайте посмотрим на контакты цифрового входа.

Контакты цифрового входа имеют только два возможных состояния: включено или выключено. Эти два состояния включения и выключения также называются:

• ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ
• 1 или 0
• 5В или 0В.

Этот вход обычно используется для определения наличия напряжения при размыкании или замыкании переключателя.

Цифровые входы также могут использоваться в качестве основы для бесчисленных протоколов цифровой связи. Создавая импульс 5 В (HIGH) или импульс 0V (LOW), вы можете создать двоичный сигнал, который является основой всех вычислений. Это полезно для общения с цифровыми датчиками, такими как ультразвуковой датчик PING, или для связи с другими устройствами.

Для простого примера использования цифрового входа подключите переключатель от цифрового контакта 2 к 5 В, резистор 10 кОм ** от цифрового контакта 2 к земле и выполните следующий код:

Примеры файлов 2. Цифровая кнопка

** Резистор 10 кОм называется понижающим резистором, потому что он соединяет цифровой вывод с землей, когда переключатель не нажат. Когда переключатель нажат, электрические соединения в переключателе имеют меньшее сопротивление, чем резистор, и электричество больше не подключается к земле. Вместо этого электричество течет между 5 В и цифровым выводом. Это потому, что электричество всегда выбирает путь наименьшего сопротивления. Чтобы узнать больше об этом, посетите страницу цифровых пинов.

Шаг 9: аналоговый вход

Помимо цифровых входных контактов, Arduino также может похвастаться рядом аналоговых входных контактов.

Контакты аналогового входа принимают аналоговый сигнал и выполняют 10-битное аналого-цифровое преобразование (АЦП), чтобы преобразовать его в число от 0 до 1023 (с шагом 4,9 мВ).

Этот тип входа удобен для считывания показаний резистивных датчиков. Это в основном датчики, которые обеспечивают сопротивление цепи. Они также подходят для считывания сигнала переменного напряжения от 0 до 5 В. Это полезно при взаимодействии с различными типами аналоговых схем.

Если вы следовали примеру на шаге 7 для включения последовательного монитора, вы уже пробовали использовать аналоговый входной вывод.

Шаг 10: цифровой выход

Вывод цифрового выхода может быть установлен на ВЫСОКИЙ (5 В) или НИЗКИЙ (0 В). Это позволяет вам включать и выключать вещи.

Помимо включения и выключения (и включения мигания светодиодов), эта форма вывода удобна для ряда приложений.

В частности, это позволяет вам общаться в цифровом формате. Быстро включая и выключая контакт, вы создаете двоичные состояния (0 и 1), которые распознаются бесчисленным множеством других электронных устройств как двоичный сигнал. Используя этот метод, вы можете общаться, используя ряд различных протоколов.

Цифровая связь - это сложная тема, но чтобы получить общее представление о том, что можно сделать, посетите страницу «Интерфейс с оборудованием».

Если вы следовали примеру шага 6, чтобы заставить светодиод мигать, вы уже пробовали использовать цифровой выходной контакт.

Шаг 11: аналоговый выход

Как упоминалось ранее, Arduino имеет ряд встроенных специальных функций. Одна из этих специальных функций - широтно-импульсная модуляция, с помощью которой Arduino может создавать аналоговый выход.

Широтно-импульсная модуляция, или сокращенно ШИМ, работает путем быстрого переключения вывода ШИМ на высокий (5 В) и низкий (0 В) сигнал для имитации аналогового сигнала. Например, если вы достаточно быстро включите и выключите светодиодный индикатор (около пяти миллисекунд каждый), то яркость будет усреднена и будет получаться только половина мощности. С другой стороны, если бы он мигал в течение 1 миллисекунды, а затем мигал в течение 9 миллисекунд, светодиод выглядел бы на 1/10 яркости и принимал бы только 1/10 напряжения.

ШИМ является ключевым для ряда приложений, включая создание звука, управление яркостью света и управление скоростью двигателей.

Для более подробного объяснения ознакомьтесь с секретами страницы PWM.

Чтобы опробовать ШИМ самостоятельно, подключите светодиод и резистор 220 Ом к цифровому выводу 9, последовательно с землей. Выполните следующий пример кода:

Примеры файлов 3. Аналоговое затухание

Шаг 12: напишите свой собственный код

Чтобы написать свой собственный код, вам необходимо изучить базовый синтаксис языка программирования. Другими словами, вы должны научиться правильно формировать код, чтобы программист мог его понять. Вы можете думать об этом как о понимании грамматики и пунктуации. Вы можете написать целую книгу без правильной грамматики и пунктуации, но никто не сможет ее понять, даже если она на английском языке.

При написании собственного кода следует помнить о некоторых важных вещах:

Программа Arduino называется скетчем

Весь код в скетче Arduino обрабатывается сверху вниз

Эскизы Arduino обычно разбиваются на пять частей

1. Эскиз обычно начинается с заголовка, в котором объясняется, что делает эскиз и кто его написал.
2. Затем он обычно определяет глобальные переменные. Часто именно здесь постоянные имена присваиваются различным контактам Arduino.
3. После того, как начальные переменные установлены, Arduino начинает процедуру настройки. В функции настройки мы устанавливаем начальные условия переменных, когда это необходимо, и запускаем любой предварительный код, который мы хотим запустить только один раз. Здесь инициируется последовательная связь, необходимая для работы монитора последовательного порта.
4. От функции настройки мы переходим к подпрограмме цикла. Это основная процедура скетча. Это не только то место, где идет ваш основной код, но он будет выполняться снова и снова, пока скетч продолжает работать.
5. Под процедурой цикла часто перечислены другие функции. Эти функции определяются пользователем и активируются только при вызове в программе настройки и цикла. Когда эти функции вызываются, Arduino обрабатывает весь код в функции сверху вниз, а затем возвращается к следующей строке в скетче, где он остановился при вызове функции. Функции хороши тем, что они позволяют запускать стандартные процедуры - снова и снова - без необходимости писать одни и те же строки кода снова и снова. Вы можете просто вызывать функцию несколько раз, и это освободит память на микросхеме, потому что подпрограмма функции записывается только один раз. Это также упрощает чтение кода. Чтобы узнать, как создавать свои собственные функции, посетите эту страницу.

При этом единственные две части скетча, которые являются обязательными, - это процедуры Setup и Loop

Код должен быть написан на языке Arduino, который примерно основан на C

Почти все операторы, написанные на языке Arduino, должны заканчиваться на;

Условные выражения (например, операторы if и циклы for) не нуждаются в;

У условных операторов есть свои правила, и их можно найти в разделе «Структуры управления» на странице языка Arduino

Переменные - это отсеки для хранения чисел. Вы можете передавать значения в переменные и из них. Переменные должны быть определены (указаны в коде), прежде чем их можно будет использовать, и с ними должен быть связан тип данных. Чтобы узнать о некоторых из основных типов данных, просмотрите страницу языка

Хорошо! Итак, допустим, мы хотим написать код, который считывает фотоэлемент, подключенный к выводу A0, и использовать показания, которые мы получаем от фотоэлемента, для управления яркостью светодиода, подключенного к выводу D9.

Во-первых, мы хотим открыть скетч BareMinimum, который можно найти по адресу:

Примеры файлов 1. Basic BareMinimum

Скетч BareMinimum должен выглядеть так:

void setup () {

// поместите сюда свой установочный код для однократного запуска:} void loop () {// поместите сюда ваш основной код для повторного запуска:} Затем давайте поместим заголовок в код, чтобы другие люди знали о том, что мы делаем, почему и на каких условиях.

/*

Светодиодный диммер от Genius Arduino Programmer 2012 Управляет яркостью светодиода на контакте D9 на основе показаний фотоэлемента на контакте A0 Этот код находится в общедоступном домене * / void setup () {// поместите здесь свой код настройки, чтобы запустить once:} void loop () {// поместите сюда ваш основной код, чтобы запускать его повторно:} Как только это все решено, давайте определим имена контактов и установим переменные.

/*

Светодиодный диммер от Genius Arduino Programmer 2012 Управляет яркостью светодиода на выводе D9 на основе показаний фотоэлемента на выводе A0. Этот код находится в открытом доступе * / // имя аналогового вывода 0 постоянное имя const int analogInPin = A0; // присвоить цифровому выводу 9 имя константы const int LEDPin = 9; // переменная для чтения фотоэлемента int photocell; void setup () {// поместите сюда ваш установочный код, чтобы запустить его один раз:} void loop () {// поместите сюда ваш основной код, чтобы запускать его повторно:} Теперь, когда переменные и имена контактов установлены, давайте напишем фактический код.

/*

Светодиодный диммер от Genius Arduino Programmer 2012 Управляет яркостью светодиода на выводе D9 на основе показаний фотоэлемента на выводе A0. Этот код находится в открытом доступе * / // имя аналогового вывода 0 постоянное имя const int analogInPin = A0; // присвоить цифровому выводу 9 имя константы const int LEDPin = 9; // переменная для чтения фотоэлемента int photocell; void setup () {// здесь сейчас ничего нет} void loop () {// считываем аналоговый вывод и устанавливаем показание для переменной фотоэлемента photocell = analogRead (analogInPin); // управление выводом светодиода с помощью значения, считанного фотоэлементом analogWrite (LEDPin, photocell); // приостановить код на 1/10 секунды // 1 секунда = 1000 delay (100); } Если мы хотим увидеть, какие числа аналоговый вывод фактически считывает с фотоэлемента, нам нужно будет использовать последовательный монитор. Давайте активируем последовательный порт и выведем эти числа

/*

Светодиодный диммер от Genius Arduino Programmer 2012 Управляет яркостью светодиода на выводе D9 на основе показаний фотоэлемента на выводе A0. Этот код находится в открытом доступе * / // имя аналогового вывода 0 постоянное имя const int analogInPin = A0; // присвоить цифровому выводу 9 имя константы const int LEDPin = 9; // переменная для чтения фотоэлемента int photocell; void setup () {Serial.begin (9600); } void loop () {// считываем аналоговый вывод и устанавливаем показание для переменной фотоэлемента photocell = analogRead (analogInPin); // выводим значение фотоэлемента в серийный монитор Serial.print ("Photocell ="); Serial.println (фотоэлемент); // управление выводом светодиода с помощью значения, считанного фотоэлементом analogWrite (LEDPin, photocell); // приостанавливаем код на 1/10 секунды // 1 секунда = 1000 delay (100); }Для получения дополнительной информации о формулировании кода посетите страницу «Основы». Если вам нужна помощь с языком Arduino, страница языков - это то, что вам нужно.

Кроме того, страница примера эскиза - отличное место, чтобы начать возиться с кодом. Не бойтесь что-то менять и экспериментировать.

Шаг 13: щиты

Щиты - это платы адаптера расширения, которые подключаются поверх Arduino Uno и наделяют его специальными функциями.

Поскольку Arduino - это открытое оборудование, любой желающий может создать щит Arduino для любой задачи, которую он хочет выполнить. Из-за этого в дикой природе существует бесчисленное количество щитов Arduino. Вы можете найти постоянно растущий список щитов Arduino на игровой площадке Arduino. Имейте в виду, что будет больше щитов, чем вы найдете на этой странице (как всегда, Google - ваш друг).

Чтобы дать вам некоторое представление о возможностях щитов Arduino, ознакомьтесь с этими руководствами о том, как использовать три официальных щита Arduino:

• Беспроводной SD-экран
• Ethernet-экран
• Моторный щит

Шаг 14: построение внешнего контура

По мере того, как ваши проекты становятся более сложными, вам нужно будет создавать свои собственные схемы для взаимодействия с Arduino. Хотя вы не научитесь электронике в одночасье, Интернет - невероятный ресурс для электронных знаний и принципиальных схем.

Чтобы начать работу с электроникой, посетите Руководство по основам электроники.

Шаг 15: выход за рамки

Отсюда остается только сделать несколько проектов. В Интернете есть бесчисленное множество замечательных ресурсов и руководств по Arduino.

Обязательно посетите официальную страницу и форум Arduino. Приведенная здесь информация бесценна и очень полна. Это отличный ресурс для отладки проектов.

Если вам нужно вдохновение для веселых проектов для начинающих, ознакомьтесь с руководством «20 невероятных проектов Arduino».

Для обширного листинга или проекта Arduino канал Arduino - отличное место для начала.

Вот и все. Ты сам по себе.

Удачи и удачного взлома!

Вы нашли это полезным, развлечением или развлечением? Подпишитесь на @madeineuphoria, чтобы увидеть мои последние проекты.