Arduino. Знакомство. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

Комментарии к статье

Вероятно, в жизни любого начинающего радиолюбителя наступает момент, когда его перестают устраивать простейшие электронные устройства. Возникает желание сконструировать что-то практически полезное. Однако от устройств на паре транзисторов трудно ожидать решения более-менее сложных задач. С другой стороны, начинающий программист может захотеть, чтобы написанные им программы управляли каким-нибудь автономным роботом или иным подобным устройством. Одно дело, когда программа просто работает с информацией в памяти компьютера, и совсем другое, когда робот, подчиняясь написанной программе, отправляется в "путешествие" по комнате или запрограммированный микроконтроллер становится частью какого-нибудь полезного устройства.

При этом ни начинающий радиолюбитель, ни программист не обладают еще достаточными знаниями и навыками для того, чтобы повторить, а тем более сконструировать заново микро-контроллерное устройство. Ведь, по сути, микроконтроллер - это совсем маленький и простой, но все же компьютер. Необходимо детально знать архитектуру конкретного микроконтроллера, изучить язык специфичного для него ассемблера.

Самый простой способ решить эту проблему - применить готовый комплект для создания роботов вроде тех, что делает известнейший производитель всевозможных конструкторов для детей - фирма Lego. Такой комплект содержит все необходимые компоненты для изготовления робота: блок микроконтроллера, электродвигатели, датчики. Несомненное достоинство подобного набора в том, что сконструировать робот на его основе можно очень просто и быстро. Все необходимое программное обеспечение прилагается к набору и имеет интуитивно понятный интерфейс. Техническая документация рассчитана на самых юных любителей техники.

Однако, по мнению автора, за не очень большой набор датчиков и исполнительных механизмов, а также комплект стандартных пластмассовых деталей придется отдать неоправданно большую сумму. Впрочем, это не отменяет того факта, что подобные конструкторы лучше всего подходят для младшей возрастной группы.

Несмотря на дороговизну специализированных конструкторов, сама идея использовать для создания сложного устройства относительно небольшой ряд стандартных функциональных узлов выглядит довольно здраво. Именно по такому пути пошли разработчики платы Arduino с микроконтроллером серии AVR и множества плат расширения к ней. Самая распространенная сегодня версия этой платы - Arduino UNO. Для создания пользовательских программ существует специализированная среда разработки Arduino IDE, в которой программирование ведется на языке, основанном на широко распространенном языке C++.

Большое достоинство Arduino - практически полная открытость. На официальном сайте разработчика можно бесплатно скачать среду разработки [1,2]. При ее запуске откроется изображенное на рис. 1 окно, в которое можно ввести программу, транслировать ее в машинный код, загрузить в микроконтроллер платы Arduino и запустить на исполнение.

Рис. 1. Окно ввода программы

Следует заметить, что компания-разработчик Arduino разделилась на две независимые компании Arduino LLC и Arduino SRL, которые продолжают выпускать продукцию под одной торговой маркой, что создает путаницу. Тем не менее программное обеспечение регулярно обновляется, имеются версии для Windows, Linux, MacOS. Кроме программного обеспечения, поставляемого разработчиками платы, существует немало других сред разработки, например, [3].

Папку с программным обеспечением лучше всего поместить в корневую папку диска С. Вместе с редактором текста программы и компилятором в ней имеются подпапки с примерами типовых программ и набором библиотек для решения стандартных задач, что очень упрощает жизнь начинающего программиста. При первом соединении платы Arduino c компьютером операционная система обнаружит новое устройство и потребует установить его драйвер, который также имеется в папке с программным обеспечением. После установки драйвера нужно - перезагрузить компьютер. В результате успешной установки в диспетчере устройств Windows будет отображен дополнительный COM-порт.

Использование языка высокого уровня упрощает разработку и сильно снижает требования к квалификации программиста, но, с другой стороны, полученная программа не будет оптимальной по занятой памяти и скорости исполнения. Программа, написанная на языке низкого уровня (языке ассемблера), заняла бы значительно меньше места в памяти и работала бы быстрее. Но в любительских разработках этим можно пренебречь.

Естественно, в ответственных случаях использовать Arduino нужно с крайней осторожностью. Однако принципиально возможно использовать Arduino в самых разных устройствах: от простейшего термостата до беспилотных летательных аппаратов. Например, российская аэро космическая компания "Лин Индастри ал" [4], занимающаяся конструированием сверхлегких ракет-носителей, создала на основе Arduino блок регистрации параметров полета (рис. 2) для своей экспериментальной ракеты (рис. 3). А ученые из Индийского института исследований и естественнонаучного образования (г. Тривандрам) применили Arduino в учебном радиотелескопе [5].

Рис. 2. Блок регистрации параметров полета

Рис. 3. Экспериментальная ракета

В установленный на плате Arduino микроконтроллер предварительно записана специальная программа-загрузчик. С его помощью происходит запись разработанной на компьютере прикладной программы в программную память микроконтроллера. Сам загрузчик занимает некоторую часть этой памяти (от одного до четырех килобайт в зависимости от версии), но благодаря такой организации взаимодействия с компьютером пользователю сложно довести микроконтроллер до нерабочего состояния с помощью неверных команд.

На плате Arduino UNO (рис. 4) установлен микроконтроллер ATmega328P, имеющий 2 Кбайт оперативной памяти и 32 Кбайт памяти программ. Тактовую частоту микроконтроллера 16 МГц задает кварцевый резонатор. Arduino UNO не нуждается в отдельном программаторе, плату можно напрямую подключить к разъему USB компьютера, для чего на ней имеются разъем USB-BF и преобразователь интерфейса USB в последовательный интерфейс микроконтроллера. В других вариантах плат Arduino для подключения к компьютеру может служить разъем micro-USB. На устаревших и самодельных платах можно встретить и обычный COM-порт.

Рис. 4. Плата Arduino UNO и микроконтроллер

Питается плата Arduino UNO, подключенная к компьютеру, от разъема USB. А для работы без компьютера на нее нужно подать напряжение 7...12 В от внешнего источника, для чего на плате имеется специальный разъем. Благодаря встроенному стабилизатору напряжения Arduino UNO не предъявляет особых требований к качеству питающего напряжения. Так что его источником может быть почти любой малогабаритный блок питания, выходное напряжение которого лежит в требуемом интервале, и даже гальваническая батарея на 9 В, например, "Крона" (6F22) или две последовательно соединенные батареи 3336 (3R12).

Для связи с внешними исполнительными устройствами, а также съема информации с датчиков имеются 14 цифровых линий ввода-вывода, которые называются D0-D13. На шесть из них микроконтроллером могут быть выведены импульсы с программно управляемым коэффициентом заполнения (ШИМ). Они помечены на плате знаками "~". Кроме того, имеются шесть аналоговых линий ввода A0-A5. Аналоговые входы подключены к встроенному в микроконтроллер десятиразрядному аналого-цифровому преобразователю, но при необходимости их можно использовать и в качестве дополнительных цифровых линий ввода-вывода D14-D19.

Следует заметить, что от версии к версии платы число линий аналогового ввода и линий, способных работать в режиме ШИМ, изменяется. Например, плата Arduino Leonardo и ее отечественная копия Iskra Neo имеет 12 аналоговых линий и семь линий с ШИМ. Как правило, все линии ввода-вывода на платах промаркированы, так что разобраться в них не составляет труда.

На плате Arduino UNO установлены четыре светодиода: индикатор питания (ON), светодиод, постоянно подключенный к линии D13 (L), и два светодиода для индикации обмена информацией с внешним устройством через последовательный порт (ТХи RX), а также кнопка для приведения микроконтроллера в исходное состояние.

Одно из достоинств Arduino - широкий набор дополнительных плат, так называемых "шилдов" (англ. shield - щит). Они позволяют подключать к Arduino электродвигатели и другие мощные нагрузки, обеспечивают работу в компьютерных сетях по протоколам Ethernet и WiFi, передают информацию по сети сотовой связи GSM, работают со звуком и т. д. Обеспечивают работу с шилдами немало готовых программных библиотек, как официальных, так и написанных сторонними авторами.

Плата Arduino UNO хорошо подходит для отладки программ на стадии разработки и налаживания конструкций. Но для множества практических приложений возможности Arduino UNO избыточны, а ее размеры могут оказаться слишком большими для установки в готовое изделие. На использование в готовых конструкциях ориентированы платы Arduino Nano и Arduino Mini. По параметрам они практически идентичны Arduino UNO, но имеют упрощенную конструкцию, меньшие габариты и несколько дешевле. Если же возможностей Arduino UNO недостаточно, можно применить плату Arduino Mega с большим объемом памяти и числом линий ввода-вывода. Перечень вариантов плат Arduino этим не исчерпывается, но другие варианты для первоначального изучения подходят хуже.

Авторским правом охраняется только само название Arduino, поэтому множество производителей выпускают свои варианты под названиями Free-duino, Craft Duino, Funduino, Diavolino и пр. Среди всего этого многообразия есть конструкции, как полностью повторяющие оригинальные, так и собственные разработки, совместимость которых с оригиналом иногда под вопросом. Впрочем, как правило, устройства разных производителей стандартизованы, так что если плата заявлена как копия Arduino UNO, то все сказанное об Arduino UNO относится и к ней, хотя за каждого производителя поручиться, конечно, нельзя.

Приемлемый для любителя уровень качества способны обеспечить не только производители оригинальных устройств, но и малоизвестные фирмы, которые предлагают аналогичные конструкции по гораздо меньшей цене. Плата Arduino не очень сложна и вполне доступна для самостоятельного изготовления, документацию для этого можно найти на официальном сайте производителя [6]. Описание самодельной платы, входящей в семейство Arduino, было опубликовано и в журнале "Радио" [7].

Благодаря перечисленным достоинствам в среде любителей электроники Arduino фактически стала своеобразным стандартом. Применение законченных функциональных блоков и библиотек программ очень сильно упрощает и, следовательно, ускоряет разработку. Фактически шилды Arduino - "черные ящики". Важно, как тот или иной блок реагирует на определенные сигналы и воздействия, но не принципиально его внутреннее устройство.

Печатные издания на русском языке, посвященные описанию Arduino, существуют, но, прямо сказать, не лежат на полке каждого книжного магазина или библиотеки. В качестве примера можно привести книгу [8], а среди периодических изданий можно отметить цикл статей в журнале "Левша" (приложение к журналу "Юный техник"). Там, начиная с

№6 за 2012 г., ежемесячно публикуют статьи, посвященные использованию Arduino [9]. Впрочем, в сети Интернет можно найти немало ресурсов, как полностью посвященных Arduino [10-12], так и сайтов более широкой научно-технической направленности, имеющих соответствующие разделы [13-16].

В заключение можно заметить, что для облегчения работы с Arduino можно изготовить несколько простых приспособлений. Например, не очень удобно втыкать зачищенные концы проводов в гнезда разъемов. Для этого существуют показанные на рис. 5 специальные соединительные провода с наконечниками, которыебывают как штырями, так и гнездами. Аналогичные провода несложно изготовить самостоятельно, используя контакты от разъемов. А для быстрого подключения внешних устройств лучше использовать соединительные провода, подобные показанному на рис. 6, на одном конце которых припаян разъем "крокодил", а на другом - штыревой контакт.

Рис. 5. Соединительные провода с наконечниками

Рис. 6. Соединительный провод, на концах которого разъем "крокодил" и штыревой контакт

Часто требуется подключить к одному выводу платы несколько проводов, например, чтобы подать питание на несколько датчиков. Здесь можно использовать гнездовые колодки PBS или аналогичные, все выводы которых нужно соединить вместе и припаять к соединительному проводу, на противоположном конце которого имеется штыревой контакт.

Для быстрой сборки несложных устройств без применения паяльника хорошо подходят специальные макетные платы. Внешний вид одной из них показанна рис. 7, а схема - на рис. 8.

Рис. 7. Макетные платы

Рис. 8. Схема макетных плат

Жесткие выводы деталей вставляют в пружинные гнезда таких плат, а недостающие соединения между ними выполняют проволочными перемычками или описанными выше проводами.

Итак, главное достоинство Arduino, с одной стороны, в наличии хорошо развитых и гибких возможностей для того, чтобы стать основой довольно сложных конструкций, с другой - объем первоначальных знаний, необходимых для начала работы, фактически не выходит за пределы школьных курсов физики и информатики.

Литература

1. Download the Arduino Software. - URL: arduino.cc/en/Main/Software/.
2. Arduino Software. - URL: arduino.org/software.
3. Глушенко С. FLProg - система визуального программирования для Arduino. - Радио, 2015, № 10, с. 27-30.
4. Официальный сайт компании "Лин Индастриал". - URL: spacelin.ru.
5. Mandal P. и др. Everyday Radio Telescope. - URL: arxiv.org/abs/1601. 02982.
6. Arduino Single-Sided Serial Board (version 3). - URL: arduino.cc/en/ Main/ArduinoBoardSerialSingleSided3.
7. РюмикО. Микроконтроллерный модуль "InterDuino". - Радио, 2010, № 10, с. 27-30.
8. Блум Д. ИзучаемArduino: инструменты и методы технического волшебства. Пер. с англ. - СПб.: БХВ-Петербург, 2015.
9. Холостов К. Не удивляйтесь: робот - это просто. - Левша, 2012, № 7, с. 12-14; 12-14.
10. Сайт "Робокрафт". - URL: robocraft.ru.
11. Официальный российский сайт Arduino. - URL: arduino.ru.
12. Официальный украинский сайтArduino (на русском языке). - URL: arduino.ua/ru.
13. Сайт "Роботоша", рубрика Arduino. - URL: robotosha.ru/category/arduino.
14. Сайт "technopage". Статьи. Arduino. - URL: tehnopage.ru/arduino.
15. Сайт "Интеркот". Робототехника. - URL: interkot.ru/category/blog/robototechnika/.
16. Курс Arduino для начинающих. - URL: edurobots.ru/kurs-arduino-dlya-nachinayushhix/.

Автор: Д. Лекомцев

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Ферроэлектрики научились выдерживать более 10 миллиардов циклов перезаписи 11.10.2026

Энергонезависимая память должна не только быстро записывать и сохранять информацию без постоянного питания, но и выдерживать огромное количество циклов перезаписи. Одним из перспективных вариантов такой технологии считаются ферроэлектрические материалы, однако их практическое применение долгое время ограничивалось сравнительно быстрым разрушением. Исследователям удалось установить механизм этого процесса на атомном уровне и предложить способ, который значительно увеличивает срок службы таких материалов. Работу выполнила группа ученых из Университета электронной науки и техники Сианя (Xidian University) совместно с коллегами из Гонконгского университета и Фуданского университета. Особый интерес специалистов вызвали ферроэлектрики со структурой вюрцита, в частности нитрид алюминия-скандия (AlScN). Эти материалы способны сохранять информацию благодаря изменению направления электрической поляризации на атомном уровне и хорошо совместимы с современными технологиями производства микросхем ...>>

Электромобиль VENTRA с системой очистки воздуха 11.10.2026

Даже автомобили без двигателя внутреннего сгорания не являются полностью безвредными для окружающей среды. При движении любой автомобиль изнашивает шины и тормозные элементы, в результате чего в воздух и на дорожное покрытие попадают мельчайшие частицы. Студенты Эйндховенского технологического университета решили обратить внимание именно на этот мало заметный источник загрязнения и создали концептуальный электромобиль VENTRA, способный собирать часть таких загрязняющих веществ непосредственно во время движения. Проект разработала команда TU/ecomotive, которая оснастила VENTRA специальной системой улавливания частиц, образующихся при износе шин и торможении. Авторы концепта считают, что переход на электрическую тягу сам по себе не решает проблему автомобильных выбросов. Более тяжелые электромобили дополнительно нагружают шины, а их электродвигатели способны обеспечивать очень быстрое ускорение, что также может способствовать повышенному износу резины. Собранные около колес частицы си ...>>

Лазерное переключение магнитов 10.10.2026

Технологии хранения данных постоянно стремятся уменьшить размеры элементов памяти и одновременно увеличить скорость записи информации. Один из возможных путей связан с использованием света, который способен переносить энергию с огромной скоростью и воздействовать на очень небольшие области материала. Инженеры Университета Калифорнии в Сан-Диего (UC San Diego) продемонстрировали необычный способ управления магнитным состоянием вещества, при котором внешнее магнитное поле вообще не требуется. В обычных жестких дисках информация записывается в виде последовательности крошечных магнитных областей, соответствующих значениям 1 и 0. Для изменения их состояния обычно необходимо внешнее магнитное поле, однако такой способ требует значительных энергетических затрат и ограничивает скорость записи. Исследователи UC San Diego предложили альтернативу - так называемое оптическое переключение, при котором магнитное состояние изменяется под воздействием лазерного излучения. По оценкам специалистов, ...>>

Случайная новость из Архива Управление вещами силой мысли 09.06.2022 Сейчас телекинез, перемещение предметов силой мысли на расстоянии, является в представлении многих чем-то из области научной фантастики. Но китайские ученые активно работают над тем, чтобы это явление стало реальностью. Ученые из Инженерного университета ВВС Китая в ходе нового исследования сделали первый шаг к удаленному управлению метаматериалами с помощью мозговых волн человека. Метаматериалы - это искусственно созданные материалы, которые имеют необычные физические свойства, в том числе электромагнитные свойства, которые не встречаются в природе. Двумерным аналогом метаматериалов являются метаповерхности, которые обладают беспрецедентной свободой в управлении электромагнитными волнами. По словам ученых, можно создать программируемые метаповерхности с разными функциями, которыми можно управлять удаленно с помощью человеческого разума. Хорошо известно, что мозг человека создает мозговые волны в процессе мышления. Ученые предположили, что с помощью мозговых волн, которые можно использовать как сигналы, можно управлять и контролировать своим разумом метаповерхности. В ходе исследования китайским ученым удалось добиться удаленного управления метаповерхностью через передачу мозговых волн человека на специальный приемник. Ученые хотели убедиться в том, что человек сможет управлять электромагнитной реакцией программируемой метаповерхности. И им удалась достичь этого, продемонстрировав управление пользователем режимом рассеивания электромагнитных волн метаповерхности. Результаты эксперимента показали, что с помощью мозговых волн человек более эффективно управлял функциями метаповерхности на расстоянии, чем с помощью приборов вручную. Теперь же ученые планируют и дальше проводить подобные эксперименты с целью улучшения качества контроля за метаповерхностью с помощью человеческого разума. Ученые считают, что управление разумом на расстоянии реально применять к разным метаповерхностям, в том числе этот способ контроля и управления можно применить для мониторинга состояния здоровья человека, для передачи данных в поколениях связи 5G и 6G и других областях.

Другие интересные новости:

▪ Карманный принтер LG Pocket Photo 2

▪ Щитовые элементы управления и индикации RMQ-Titan от EATON

▪ Твердотельные накопители Micron 9300

▪ Опиоидное обезболивающее без побочных эффектов

▪ LG тоже будет торговать музыкой

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Молниезащита. Подборка статей

▪ статья Динамит. История изобретения и производства

▪ статья Каким видом мусора городские птицы отпугивают паразитов в своих гнездах? Подробный ответ

▪ статья Содержание производственных и вспомогательных помещений

▪ статья Ремонт блока зажигания бензопилы. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Кольца и три шпаги. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026