Arduino uno: распиновка, схема подключения и программирование

Плата Arduino UNO

Плата Arduino UNO хорошо подходит для отладки программ на стадии разработки и настройки конструкций. Но для множества практических приложений возможности Arduino UNO избыточны, ее размер для установки в готовые изделия может оказаться слишком большим. Кроме этого к Arduino UNO внешние устройства подключаются без пайки – с помощью разъемов. Со временем разъем может выпасть от вибрации или его контакты окислятся, что нарушит нормальный контакт, с очевидными последствиями для изготовленного устройства.

Для использования в готовых изделиях выпускаются платы ArdinoNano и ArdinoMini, они имеют меньшие физические размеры, и несколько меньшую стоимость. Эти платы совместимы программно с Arduino UNO, но не позволяют непосредственно подключать к ним шилды. ArdinoNano – плата уменьшенного размера, имеет разъем для непосредственной связи с компьютером, выводы позволяют использовать более надежное паяное соединение. ArdinoMini – еще более уменьшена, по сравнению с ArdinoNano, на плате отсутствует разъем для прямого подсоединения к компьютеру, для программирования требуется специальный переходник.

Если возможностей Arduino UNO недостаточно, можно применить расширенную версию ArdinoMega. Эта плата имеет расширенные возможности 54 цифровых порта из них 15 поддерживают ШИМ,16 — аналоговых портов, 128 кб (в поздних версиях 256 кб) — флэш-памяти для программ, 8 кб оперативной памяти.

Перечень различных вариантов аппаратной реализации Ardino этим платами не ограничивается, но подобные устройства ориентированы на специалиста достаточно высокой квалификации и для первоначального изучения подходят мало. Более подробно различные варианты плат описаны тут.

Основной стандарт плат Arduino, тоже изменялся со временем. Более подробно с различными версиями плат можно познакомиться на сайте разработчика. На данный момент самым современным вариантом является Arduino Leonardo

Однако на данный момент Arduino UNO распространена наиболее широко, так что в дальнейшем остановим свое внимание именно на Arduino UNO

Надо отметить, что конструктивно Arduino не очень сложна и вполне доступна для самостоятельного изготовления, во всяком случае, если речь идет о подготовленном радиолюбителе-конструкторе. На сайте разработчика имеется вся необходимая документация для самостоятельного изготовления Arduino.

Вообще проект Ардуино полностью открытый, авторским правом охраняется только сам термин «Arduino», поэтому множество сторонних производителей выпускают свои конструкции: Freeduino, Japanino, Seeeduino, CraftDuino, Diavolino и т.п. Существуют платы, как полностью повторяющие оригинальные, так и собственные разработки, часть из которых совместима с Arduino только программно, из-за того, что платы имеют отличную конфигурацию. В целом, на современном уровне производства электронных устройств, платы Arduino не содержат в себе каких-то действительно высоких технологий, поэтому приемлемый для любителя уровень качества способны обеспечить не только производители оригинальных устройств, но и малоизвестные фирмы, которые предлагают аналогичные конструкции по существенно более низким ценам.

Если плата заявлена как копия Arduino UNO, то, скорее всего, все сказанное о Arduino UNO будет относиться и к ней, хотя конечно за конкретного китайского производителя поручиться нельзя. Собственно конкретная плата, которая использовалась автором, обозначена просто UNO, слово «Arduino» отсутствует, так что это плата безвестного азиатского производителя, который уважает авторское право разработчиков оригинального проекта. Не смотря на сомнительное происхождение, ни каких нареканий к качеству самой платы автор предъявить не может. С вами был Denev.

   Обсудить статью ARDUINO UNO ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ

Как МК и компьютер видят друг друга

Для корректного функционирования Arduino UNO R3 драйвер для него должен быть установлен на компьютере, что работает с платой. Выбор драйвера зависит от операционной системы. Существует отдельное ПО для Arduino UNO R3: драйвер Windows 7, Windows Vista и XP. То есть с помощью любой аппаратуры, на которую установлены эти операционные системы, можно работать с печатной платой. Arduino UNO R3 совместим со всеми компьютерамы, выпущенными с нулевых.

Почти все видимые выводы соединены напрямую с микроконтроллером. Часть из них может быть как доступной для подключения, так и задействована во внутренней схеме. Вывод USB может использоваться для подачи питания напряжением 5 В, а также для обмена информацией с компьютером, который в таком случае распознаёт устройство как неодновременный последовательный порт.

С технической стороны, для микроконтроллера компьютер и «общение» с ним – это тоже асинхронный последовательный порт, посредством которого идёт обмен данными. Подключить Arduino UNO R3 своими руками несложно, тут основная заковыка – понять, как происходит сам процесс обмена данными, каковы его особенности. Про это вы сможете прочитать далее.

Шаг 4. Создаем печатную плату

Как только схема завершена, пришло время сделать печатную плату. Мы использовали веб-сайт JLCPCB (ссылка), чтобы сделать печатную плату. Эти ребята являются одними из лучших в производстве печатных плат в последние дни.

После завершения проектирования схемы преобразуйте ее в печатную плату и спроектируйте печатную плату на веб-сайте easyEDA (ссылка). Будьте терпеливы. Ошибка на этом шаге испортит вашу печатную плату. Проверьте несколько раз перед генерацией файла gerber. Вы также можете проверить 3d модель вашей платы здесь. Нажмите на создание файла gerber и оттуда вы можете напрямую заказать эту плату через JLCPCB. Загрузите файлы gerber, выберите правильную спецификацию, ничего не меняйте в этом разделе. Оставьте как есть. Это достаточно хорошие настройки для старта. Разместите заказ. Вы получите его через 1-2 недели.

Arduino UNO: прошивка, память

Arduino UNO программирование для начинающих

Программирование платы происходит в бесплатной среде Arduino IDE на русском, которую можно скачать на официальном сайте. Для подключения устройств и модулей используются коннекторы («папа-папа» и «папа-мама»), которые подключаются к портам Ардуино. Чтобы начать работать с платформой, перейдите в раздел Arduino uno r3 «Уроки для начинающих» , где представлены подробные инструкции с примерами.

Плата поддерживает три типа памяти:

Flash – память объемом 32 кБ, используется для хранения программы. Когда контроллер прошивается скетчем через USB, он записывается именно во Flash – память. Чтобы очистить память Arduino UNO следует загрузить пустой скетч.

SRAM память — это оперативная память Ардуино объемом 2 кБ. Здесь хранятся переменные и объекты, создаваемые в скетче. SRAM память энерго-зависимая, при отключении источника питания от платы, все данные удалятся.

EEPROM — это энергонезависимая память объемом 1кБ. Сюда можно записывать данные, которые при выключении питания не исчезнут. Минус EEPROM в ограничении циклов перезаписи — 100 000 раз по утверждениям производителя.

О плате

Ардуино Нано — это аналог Arduino Uno, которая также работает на чипе ATmega328P, но отличается формфактором платы, которая в 2-2,5 раза меньше, чем Уно (53 х 69 мм). Размеры подобны пачке сигарет, и позволяют легко собирать сложные схемы навесным монтажом, но после стадии создания макета идёт сборка действующих экземпляров, а для этого лучше подходит как раз Нано.

Размер Arduino Nano: 19 x 43 мм

Сравнение плат Arduino Uno и Arduino Nano

Отличие такой миниатюрной платы, заключается в отсутствии вынесенного гнезда для внешнего питания, но вместо него с легкостью можно подключиться напрямую к пинам. В плате используется чип FTDI FT232RL для USB-Serial преобразования и примененяется mini-USB кабель для связи с ардуино вместо стандартного. Связь с различными устройствами обеспечивают UART, I2C и SPI интерфейсы.

В остальном, способы взаимодействия и характеристики чипов совпадают с базовой моделью Уно, которая больше подходит для экспериментов, чем для реальных проектов. Нет более насущной проблемы для любителя электроники, чем желание красиво и компактно оформить своё устройство.

Платформа имеет контакты в виде пинов, поэтому ее легко устанавливать на макетную плату. Arduino Nano используется там где важна компактность, а возможностей Mini либо не хватает, либо не хочется заниматься пайкой.

Смотрите по теме: Индикатор уровня воды c помощью Arduino Nano

Определение UART

UART означает Универсальный асинхронный приемник/передатчик. Это аппаратное устройство (или схема), используемое для последовательной связи между двумя устройствами.

Ниже мы обсудим, что такое соединение UART и как оно работает. Мы также напишем простой эскиз, чтобы показать, как использовать UART-интерфейс Arduino Uno.

Из Википедии: Универсальный асинхронный приёмопередатчик (УАПП, англ. Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, UART) — узел вычислительных устройств, предназначенный для организации связи с другими цифровыми устройствами. Преобразует передаваемые данные в последовательный вид так, чтобы было возможно передать их по одной физической цифровой линии другому аналогичному устройству.

Шаг 4. Настройка соединения

После того, как все настроено, вы заметите, что ваш ESP8266 Wifi будет доступен в радиусе действия вашего телефона.

1. Скачать TCP Client для Android

Вы можете скачать любой TCP-клиент, доступный в Play Store, но я использовал TCP-клиент от Sollae Systems

2. Со своего телефона подключитесь к вашему ESP8266 Wifi

Если ваш Wi-Fi ESP8266 не отображается в доступных сетях Wi-Fi, убедитесь, что ваш Arduino работает и все подключено правильно. Если нет, устраните неполадки вашего ESP, следуя документации модуля.

Обычно имя wifi / ssid начинается в ESP после его названия версии, у меня ESP11.

3. После подключения получите статический IP-адрес.

Важно! Вы можете проверить IP-адрес ESP, зайдя в настройки Wi-Fi своего телефона и щелкнув информацию о сети.

IP-адрес по умолчанию в режиме AP — 192.168.4.1.

Вы можете изменить статический IP-адрес, следуя этой Wifi.config() ссылке.

4. Откройте TCP Client, который вы загрузили ранее.

Создайте соединение, нажав кнопку «Подключить», добавьте IP-адрес ESP и порт 80 следующим образом:

80 — это порт, который я использовал для нашего сервера ESP, но вы можете изменить его, заменив 80 на любой номер порта из нашего кода в строке 23.

5. Подождите, пока на консоли TCP появится сообщение «Подключено».

Скетч

После подготовки и сборки компонентов, мы готовы программировать наши платы. Для этого проекта обе платы будут иметь одинаковые скетчи.

Сначала, мы устанавливаем режим контакта 8 (кнопка) в , режим контакта 13 (светодиод) в и устанавливаем начальное состояние контакта 13 в состояние (светодиод выключен).

Как всегда, Arduino позволяет нам легко использовать встроенное оборудование UART с помощью объекта serial. Последовательный serial объект имеет необходимые функции для простого использования UART-интерфейса Arduino.

Serial.begin()

Для связи через UART-интерфейс необходимо сначала его настроить. Самый простой способ настроить UART Arduino — это использовать функцию . Параметр («Скорость») — это скорость передачи данных, с которой мы хотим запустить UART. С помощью этой функции остальные параметры UART будут установлены на значения по умолчанию:

• Data length = 8 (длина данных)
• Parity bit = 1 (бит четности)
• Number of Stop Bits = None (количество стоп-битов = нет)

Если настройки по умолчанию для вас не работают, используйте функцию вместо . Дополнительный параметров используется для изменения настроек длины блока данных, бита четности, количества стоповых битов. Определенные значения для конфигурирования параметра можно найти здесь.

Нижеприведенный код добавляет внутри для инициализации Arduino Uno UART со скоростью 9600 бит/с и другими параметрами, установленными по умолчанию.

Следующая часть кода — это чтение и сохранение значения, полученного из последовательного интерфейса. Для этого мы будем использовать функцию вместе с оператором , чтобы проверить, не получены ли данные. Затем мы вызовем для получения одного байта полученных данных и сохраним значение в переменную . Значение управляет включением/выключением встроенного светодиода.

Serial.available()

Для проверки наличия данных, ожидающих чтения в буфере UART (или в последовательном интерфейсе), воспользуемся функцией . возвращает количество байт, ожидающих чтения в буфере.

Serial.read()

Для чтения данных, ожидающих в последовательном буфере, будем использовать функцию . Эта функция возвращает один байт данных, считанных из буфера.

Serial.write()

Для отправки данных через контакты Arduino TX0 мы будем использовать функцию . Параметр — это байт (или серия байтов), который будет отправлен.

В нашем скетче мы будем посылать значение в зависимости от состояния контакта 8. Мы отправим значение char ‘1’, если пин 8 HIGH, или значение char ‘0’, если пин 8 LOW.

Характеристики

В основе платы лежит процессор ATmega 328. Кроме него на плате находится модуль USB для связи с компьютером и прошивки. Этот модуль называется «USB-TTL преобразователь». На фирменных платах Arduino Uno для этой целей используется дополнительный микроконтроллер ATmega16U2.

Особенность этого чипа заключается в аппаратной поддержке USB, что позволяет организовывать связь без дополнительных преобразователей. В то время как ATmega328 не поддерживает такой функции, поэтому 16u2 выступает в роли преобразователя данных из USB в последовательный порт для МК AVR. В него залита программа для выполнения этой задачи.

Однако так происходит не всегда: в более мелких платах, таких как Arduino Nano, используют преобразователи уровней на базе различных микросхем, например FT232, CP21XX, Ch340g и подобных. Это решение является более дешевым и не требует прошивки дополнительного связывающего контроллера, как описано выше.

Внимание! Не всё так однозначно с DCcduino UNO r3 на ch340g. В ней как раз и использован более дешевый, чем в оригинале, вариант преобразователя USB-TTL.. На плате есть выход 3.3 В, он нужен для подключения периферии и некоторых датчиков, его пропускная способность по току равна 50 мА

На плате есть выход 3.3 В, он нужен для подключения периферии и некоторых датчиков, его пропускная способность по току равна 50 мА.

ATmega328 работает на частоте 16 МГц. Она фиксирована кварцевым резонатором, который вы можете, по желанию, заменить, тем самым ускорив работу Uno r3.

Важно! После замены кварцевого резонатора функции, связанные со временем, такие как Delay, не будут соответствовать введенным значениям. Это функция задержки времени, по умолчанию её аргументом является требуемое время задержки в мс

Функция прописана в библиотеках Ардуино, с учетом стандартной тактовой частоты в 16 МГц. Поэтому после замены кварца заданное время не будет соответствовать написанному. Для этого нужно либо подбирать опытным путем и устанавливать зависимости, либо править файлы библиотек.

Схема Arduino Nano ISCP

Наконец, надо сказать о подключении программатора. Для программирования контроллеров Atmel, на котором собран модуль Arduino, используется интерфейс ICSP. Для Arduino Nano icsp распиновка выглядит выглядит следующим образом (см. верхнюю часть предыдущего рисунка):

1. MISO (ведущий принимает от ведомого);
2. +5V (питание);
3. SCK (тактовый импульс);
4. MOSI (ведущий передает ведомому);
5. RESET (сброс);
6. GND (земля).

Первый пин 6-контактного разъема имеет в основании форму квадратика и нумеруется по часовой стрелке, если смотреть сверху. Чтобы не возникало сомнений по порядку нумерации выводов коннектора, ниже приводится фрагмент принципиальной схемы платы Ардуино:

Этот разъем подключается к программатору с интерфейсом SPI (интерфейс последовательного программирования контроллеров Atmel). Кроме того, прошивка контроллера может меняться из среды программирования через кабель USB, так что приобретать программатор становится необязательным (он нужен только в том случае, если отсутствует программа загрузчика).

Описание пинов платы

Микроконтроллер имеет 14 цифровых пинов, они могут быть использованы, как вход или выход. Из них 6 могут выдавать ШИМ-сигнал. Они нужны для регулировки мощности в нагрузке и других функций.

Вызов ШИМ-сигнала осуществляется через команду AnalogWrite (номер ножки, значение от 0 до 255). Для работы с аналоговыми датчиками присутствует 6 аналоговых входов/выходов.

Их тоже можно использовать, как цифровые.

Аналоговый сигнал обрабатывается 10 битным аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), а при чтении микроконтроллер выдаёт численное значение от 0 до 1024. Это равно максимальному значению, которое можно записать в 10 битах. Каждый из выводов способен выдать постоянный ток до 40 мА.

Принципиальная схема платы выглядит так (нажмите для увеличения):

Заключение

Arduino Nano одна из самых маленьких полноценных версий плат Ардуино. По сути своей, она с точностью повторяет Arduino Uno, но имеет два главных отличия:

1. Размеры платы.
2. Связь платы UNO с компьютером осуществляется с помощью USB serial преобразователя на базе микроконтроллера типа Atmega8u.

На нано-плате использован преобразователь на базе ft232, однако более дешевые китайские версии используют другой способ связи с ПК Arduino Nano CH341. По сути, эти микросхемы являются основой для USB-UART конвертера.

Конструктор Arduino создан для любителей электроники и робототехники начального уровня, чтобы помочь им обойти сложности низкоуровнего программирования микроконтроллеров, где требуются знания инженера-профи и опыт. Да и монтажника высокого разряда тоже, особенно для новой версии платы.

Паковать крупные платы в большие корпуса в последние десятилетия стало моветоном. Микроконтроллеры слегка улучшили ситуацию тем, что схемы с их использованием стали значительно компактнее, к тому же повысилась простота повторения результата или конструкции.

Вместе с тем активное распространение Ардуино-плат для освоения разработки и проектирования устройств на микроконтроллерных системах породило новый виток в вопросе качества и эргономики.

Всего выпущено несколько платформ Arduino, Nano является одной из них, в миниатюрном исполнении

В то же время сохраняется легкость подключения при помощи разъемов с шагом выводов 2,54 мм, что важно для любительских экспериментов. Для программирования используется Arduino IDE (среда разработки) и язык высокого уровня, похожий на Си, а фактически это и есть C/C++, просто структура программы немного изменена

Вместо функции main() используются две другие: setup() и loop(). Компилятор сам создает из них остальное)

Достоинства. Функциональная маленькая плата Arduino Nano, ничуть не уступающая по функциям большой UNО, – дешевле, удобнее для монтажа и сборки миниатюрных устройств.

Конечно, нельзя забывать, что это все та же 8-битная Атмега, которая имеет свой потенциал, и нельзя возлагать на неё невозможное – используйте её там, где ей место, а именно в малой автоматизации без особых прецизионных задач.

Разработчику программы для Arduino приходится также иметь дело со схемотехникой подключаемых устройств. Он должен знать уровни допустимых токов и напряжений, обеспечивать защиту электроники при использовании деталей с большой индуктивностью (моторов, катушек реле). Ардуино объединяет две области знаний: электронику и программирование, основу для построения роботов (здесь немного не хватает еще механики).

Раз уж тут объединены программирование и электроника, то ключевой вещью в использовании модуля становится спецификация его выводов, или распиновка, как еще принято говорить. Выводы модуля можно классифицировать разными способами, поскольку их функции зависят от программной конфигурации контроллера. Кроме того, поскольку есть две версии модулей, один из них использует чип ATmega168, а другой ATmega328, то появляется вопрос, есть ли у них различия в подключении.

В каждом конкретном проекте назначение каждого пина конфигурируется программой пользователя. При запуске контроллера сначала выполняется инициализация регистров конфигурации. Поэтому беспокойства по поводу функций выводов в отлаженном устройстве быть не должно.

Конечно, наборы Ардуино (Arduino) не предназначены для разработки встраиваемых приложений, работающих с большой скоростью в ответственных случаях, поэтому при их использовании возможны косяки, тем более что пользователи еще только учатся.