Устройства на базе Arduino: как собрать своими руками

Время чтения: 38 минут

Arduino (или допустимо Ардуино) — это целая экосистема, в состав которой входят:

Замечательной чертой Ардуино является открытый исходный код: схемы и прошивки открыты для изучения и модификации под лицензией open-source, что разрешает разработчикам модифицировать их под себя и делиться своими проектами с другими участниками сообщества. В результате этого появилось много клонов иных производителей. Поскольку название «Arduino» зарегистрировано торговой маркой, клоны называют иначе, нередко добавляя концовку «duino» для характеристической маркировки. Например: CraftDuino, Freeduino, Seeeduino и т. п. Поэтому ардуинщики часто используют слово «duino», когда в общем говорят об Ардуино и его клонах.

Причины популярности платформы среди новичков и профессионалов:

Таким образом, Ардуино предоставляет радиолюбителям и профессионалам обширные перспективы для обучения, реализации своих идей и разработки передовых продуктов. Независимо от уровня подготовки, эта отладка помогает воплощать ваши проекты в жизнь, будь то создание примитивного датчика температуры или разработка сложного промышленного контроллера.

Ардуино помогает создавать электронные поделки с помощью несложных аппаратных средств и ПО. Она массово используется как начинающими радиолюбителями, так и профессионалами в различных областях. Смотрим почему.

*«Умный дом» позволяет контролировать освещение, безопасность и климат, интегрируя требуемые датчики с модулями, автоматизировать их работу и управлять ими.

Это одно из главных преимуществ Arduino. Прототипирование — это процесс организации предварительной версии продукта, помогающий оценить его идеи и функции до начала полноценной разработки.

В чём здесь плюсы:

Благодаря этому разработчики могут больше времени уделять решению задач, а не распыляться на технические детали

Это ещё одно серьёзное преимущество, за счёт которого популярность Ардуино постоянно растёт. В данное время существует немалое количество различных шилдов и датчиков, которые легко соединяются с главной платой.

Доступность позволяет разработчикам легко находить необходимые компоненты и быстро интегрировать их в свои проекты.

Arduino предоставляет интуитивно понятную среду разработки (IDE), которая позволяет быстро освоить кодировку скетчей даже начинающим радиолюбителям. Язык *duino основан на C++: он узнаваемый и доступный для тех, кто уже имеет минимальный опыт в программировании.

Преимущества IDE Arduino:

IDE предоставляет все необходимые инструменты для продуктивной работы и профессионалам, и начинающим DIY-энтузиастам.

При выборе Ардуино-основы необходимо обращать внимание на особенности задач, цели применения и доступные ресурсы. От этого зависит не только успех вашего проекта, но и удобство разработки, возможности масштабируемости и даже общая цена. Вот как это делается.

Спрос на недорогой и многофункциональный Arduino-контроллер привёл к появлению большого разнообразия его типов, разных по цене и решаемым задачам. Как подобрать то, что нужно как раз мне и сейчас?

Масштабно платформы делятся на два класса: 8- и 32-битные. Первые — это такие, как Uno, Mega, Nano. Вторые — это ESP32, ESP8266, Zero, MKR. Первые дешевле, но функционально вполне отвечают на большинство запросов как от начинающих ардуинщиков, так и от профессионалов в мире прототипирования. Рассмотрим некоторые типы 8-битных контроллерных *duino-плат.

Заметка. Arduino и Geduino — это разные бренды, по сути, одного и того же продукта. Продукция под первым брендом реализуется в США, в остальном же мире используется второй.

Рассмотрим, пожалуй, самые узнаваемые среди как начинающих радиолюбителей, так и профессионалов.

UNO — старшая в линейке модель, при этом не является устаревшей, так как претерпела немало изменений с момента создания. Малая цена при достаточной функциональности сделал её выбором среди образовательных учреждений и профессионалов, а также тех, для кого электроника является хобби.

Миниатюрный форм-фактор удобен для действующих моделей и игровых изделий. Но, несмотря на малый размер, функционально такие отладки практически не уступают своим старшим прототипам. Серьёзным достоинством является возможность непосредственной установки на Breadboard (без соединительных проводов). Также поддержка питания от батареек повышает их привлекательность для домашних поделок.

Mega — это многофункциональная Arduino-отладка на базе МК ATmega2560, оснащённая 54 цифровыми портами. Из них четырнадцать могут использоваться для ШИМ, а 16 — аналоговые. Увеличенные постоянная память — 256 КБ и оперативная — 8 КБ.

Леонардо собран на MCU Atmega32U4, вследствие чего на плате имеются независимые USB/UART-контроллеры, что создаёт дополнительные возможности для связи с ПК. Например, организация HID-устройств (эмуляция клавиатуры или мыши).

Для расширения возможностей вашего проекта на платформе *duino можно использовать различные дополнительные модули и компоненты. Рассмотрим некоторые из них.

При поиске компонентов нужно принимать в расчёт специфику вашего проекта. Вот несколько советов:

Эти рекомендации помогут малоопытным радиолюбителям найти соответствующее оборудование для своих проектов.

Театр начинается с вешалки. Но это театр. А у нас электроника. Здесь всё по-другому. Электроника начинается с её «мозга» — контроллера и его программирования. Скачать программную среду IDE можно с официального сайта. Установка несложная, и не рассматривается в этой статье.

Коды для *duino называются «скетчами» (по-русски «эскизами»). При первом открытии IDE или создании нового скетча на программном поле появляются два заголовка. Первый «void setup» означает раздел инициализации, вызывается один раз при запуске программы. Второй «void loop» — рабочий блок, который выполняется непрерывно всё время работы.

Быстро создадим тестовую программу, убедимся, что всё работает, и приступим к делу.

В IDE инсталлированы различные примеры скетчей. Выберем самый простой: мигание светодиода (можно встретить названия «LED-элемент», «LED-диод»). Практически на каждой плате *duino находится контрольный светодиод, который часто используется для тестовых задач. Вот его и задействуем. Для этого в строке IDE выбираем: Файл—Примеры—01.Basics—Blink, и на экране увидим следующее:

Открываем сайт форума Arduino.ru в разделе Программирование, и знакомимся с синтаксисом языка. Узнаём следующее:

И, наконец, не забываем о точке с запятой (;) в конце выражения!

Далее:

И так LED-диод будет мигать с периодом 2с (или с частотой 0,5Гц) до принудительной остановки.

Теперь сделаем скетч удобнее:

С таким скетчем, с чем нельзя не согласиться, работать удобнее!

Что же, вдохновились полученным результатом, поверили в свои силы, теперь приступим к серьёзной работе. Создадим прототип электронного термометра.

«Ubi incipere?» — говорили древние римляне, или с чего начать?

Со структурной схемы!

Теперь понятно, что для создания электронного термометра нужны:

ПК уже есть. Платформу выбрали. Например, вот эту:

Почему эту? Потому что у меня она есть, это раз. Второе. Когда я выбирал себе платформу, мне было важно, чтобы были раздельные независимые serial-интерфейсы USB и UART.

Это позволяет взаимодействовать с компьютерами в качестве HID (Human Interface Device), например, клавиатуры или мыши. Если у вас другая платформа, например, Uno, это никак не повлияет на данный проект. Нужно только правильно выбрать её на IDE.

Термодатчики бывают двух типов: аналоговые и цифровые. В чём разница:

Основываясь на изложенном, выбираем цифровой термодатчик DS18B20.

Из даташита (datasheet) на DS18B20 находим схему подключения и номинал резистора R = 4,7кОм.

Маркировка резисторов бывает буквенно-цифровой или цветовой. Декодирование цифровой маркировки можно сделать на специальном калькуляторе, которых можно много найти в Сети. Например, такой Калькулятор цветовой маркировки резисторов.

Для удобства начинающим (и не только) схему предварительно составить и опробовать можно на симуляторе, например, на Wokwi:

Массовый интерес пользователей к *duino объясняется насыщенностью библиотеками для решения конкретных задач, которые можно подключать к проектам для упрощения и ускорения программирования.

Например, в даташите на датчик указано:

Протокол обмена данными: 1-Wire.

Этот протокол создаётся и обрабатывается программным способом. Чтобы не отвлекаться на его изучение и программную реализацию, сделан специальный модуль: библиотека OneWire.

С той же целью создана библиотека обработки сигнала с датчика DS18B20: DallasTemperature.

Для использования их нужно загрузить с источника:

OneWire
DallasTemperature-3.9.0
и подключить к библиотекам IDE.

Для подключения zip-архивы помещаются в отдельную папку, не распаковывая. Затем в IDE:

Открываем скачанный zip-архив.

Библиотека подключена.

Приступаем к программе.

Запишем её в симулятор и проверим работу:

Переходим к созданию прототипа

Для этого ещё понадобится некоторый инструмент:

Пинцет для манипуляции с проводниками и мелкими радиотехническими деталями. Один из таких, например:

Принадлежности для установки и соединений комплектующих

Мультиметр для проверки номиналов резистора и контроля напряжения питания. В примере различные по цене и функционалу. Для таких проектов достаточно дешёвых моделей.

Кстати, в моей практике был случай, когда значения сопротивления из набора в коробке отличались от маркировки в 1000 раз! Доверяй, но проверяй.

Светодиод тоже легко проверить мультиметром. Для этого нужно установить режим проверки диодов (значок ). Подсоединяем щупы мультиметра к выводам светодиода, и попеременно их меняем. В одном положении сопротивление бесконечно, а в другом имеет некоторое значение и светодиод слегка подсвечивает.

Вот таким получился макет электронного термометра.

Кабель от отладки к ПК подключить не забыли?

Для загрузки скетча можно использовать метод «Copy-paste»: скопировать текст программы прямо из окна симулятора, и вставить его в окно IDE. Но при этом преднамеренно сделаю ошибку для проверки работы компилятора: уберу знак «;» в конце оператора DallasTemperature ds(&oneWire).

В левом верхнем углу окна ПО нажимаю на кнопку проверки в виде «галочки», и через некоторое время появляется сообщение:

После успешной загрузки нажимаем на кнопку со значком в виде лупы в правом верхнем углу окна IDE — открываем монитор порта. В нижней части видим дополняющийся каждую секунду список с температурными значениями.

Всё работает как надо. Аплодисменты!

И всё? Нет, зачем же всё? Не останавливаемся! Подключим сигнализацию превышения какой-нибудь температуры. В дальнейшем эти знания помогут, например, для разработки термостата.

Приступаем!

В качестве сигнализации термопорога можно использовать звуковую или световую индикацию. Мы создадим световую на LED-диоде. Превысила температура заданное значение — светодиод загорелся. Вернулась в допустимое — погас.

Корректируем структурную схему:

Подбираем комплектующие для сигнализации:

Сопротивление балластного резистора

где R – сопротивление балластного резистора, Ом
U – напряжение питания схемы, В
Uhl – падение напряжения на светодиоде, В
Ihl – ток, текущий через светодиод, А
k – коэффициент надёжности, от 1 до 1,4
Мощность балластного резистора

Более подробно о светодиодах можно прочитать в справочнике А. М. Юшина «Светодиоды».

Пишем программу

Смотрим на симуляторе. Устанавливаем T <25 °C

Устанавливаем T >25 °C

Дополняем наш прототип светодиодом с балластным резистором:

Загружаем программу в IDE:

Нагреваем датчик (я просто подышал на него):

И светодиод загорелся!

Первый шаг к созданию термостата сделан. Далее нужно задать гистерезис — «запаздывание» по-русски. Значения включения сигнализации и её выключения разносятся на несколько градусов, чтобы не было мельканий. Например, включается сигнализация при 50 °C, а отключается при 47 °C. Если для светодиода это не катастрофично, то в случае управления мощными нагревателями частые коммутации могут привести к аварии.

В заключение ролик работы прототипа сигнализатора превышения температуры на собранном макете на скорую руку:

Демонстрация.mp4

А что ещё?

А ещё… Ещё можно использовать облачные сервисы, чтобы контролировать температуру дистанционно. И не только её. С помощью датчиков газа, влажности, параметров электросети можно удалённо следить за общим состоянием жилья с места работы или отдыха. А исполнительные механизмы, подключённые к Сети, автоматически или по командам удалённого оператора вовремя перекроют водоснабжение, отключат газ или электроэнергию в аварийной ситуации.

Это называется «Умным Домом» на основе концепции интернета вещей (Internet of Things). И здесь *duino справляется с поставленными задачами. Для этого используются либо специализированные платформы типа D1 UNO R3 на основе ESP-8266 EX с Wi-Fi модулем на борту, либо обычные типа Uno или Leonardo с подключённым модулем ESP8266.

Но об этом уже в следующих статьях.

Несмотря на кажущуюся лёгкость, сборка Arduino-устройств может таить в себе ряд подводных камней, способных поставить в тупик даже опытных спецов. Рассмотрим самые распространённые ошибки и сложности, с которыми вы можете столкнуться.

Это одна из самых часто встречающихся проблем, с которыми сталкиваются разработчики. Даже опытные профессионалы иногда испытывают трудности при подключении компонентов.

Типичные проблемы совместимости:

Ошибки в коде — это распространённая проблема, даже среди опытных программистов. Часто они возникают из-за неаккуратного написания кода или недопонимания логики работы платформы.

Часто встречающиеся ошибки:

Отладка — необходимая часть разработки. Даже небольшие проекты могут неожиданно начать работать нестабильно, и важно уметь выявлять причины таких неполадок.

Рекомендации по отладке: