Arduino Uno: распиновка, схема подключения и программирование
Arduino Uno — флагманская платформа для разработки на языке программирования С++.
Uno выполнена на микроконтроллере ATmega328P с тактовой частотой 16 МГц. На плате предусмотрены 20 портов входа-выхода для подключения внешних устройств, например плат расширения или датчиков.
Видеообзор
Подключение и настройка
Шаг 1
Подключите плату к компьютеру по USB. Для коммуникации используйте кабель USB (A — B). 
Шаг 2
Установите и настройте интегрированную среду разработки Arduino IDE.
Что-то пошло не так?
Пример работы
В качестве примера повторим первый эксперимент «Маячок» из набора Матрёшка. На плате уже есть встроенный пользовательский светодиод L , подключенный к 13 пину микроконтроллера.
После загрузки программы встроенный светодиод L начнёт мигать раз в секунду.
Это значит, всё получилось, и можно смело переходить к другим экспериментам на Ардуино.
Элементы платы
Микроконтроллер ATmega328P
Сердцем платформы Arduino Uno является 8-битный микроконтроллер фирмы Microchip — ATmega328P на архитектуре AVR с тактовой частотой 16 МГц. Контроллер обладает тремя видами памяти:
Микроконтроллер ATmega16U2
Микроконтроллер ATmega328P не содержит USB интерфейса, поэтому для прошивки и коммуникации с ПК на плате присутствует дополнительный микроконтроллер ATmega16U2 с прошивкой USB-UART преобразователя. При подключении к ПК Arduino Uno определяется как виртуальный COM-порт.
Микроконтроллер ATmega328P общается с ПК через сопроцессор ATmega16U2 по интерфейсу UART используя сигналы RX и TX , которые параллельно выведены на контакты 0 и 1 платы Uno. Во время прошивки и отладки программы, не используйте эти пины в своём проекте.
Светодиодная индикация
| Имя светодиода | Назначение |
|---|---|
| ON | Индикатор питания платформы. |
| L | Пользовательский светодиод на 13 пине микроконтроллера. Используйте определение LED_BUILTIN для работы со светодиодом. При задании значения высокого уровня светодиод включается, при низком – выключается. |
| RX и TX | Мигают при прошивке и обмене данными между Uno и компьютером. А также при использовании пинов 0 и 1 . |
Порт USB Type-B
Разъём USB Type-B предназначен для прошивки и питания платформы Arduino. Для подключения к ПК понадобится кабель USB (A — B).
Разъём питания DC
Коннектор DC Barrel Jack для подключения внешнего источника напряжения в диапазоне от 7 до 12 вольт.
Понижающий регулятор 5V
Понижающий линейный преобразователь NCP1117ST50T3G обеспечивает питание микроконтроллера и другой логики платы при подключении питания через разъём питания DC или пин Vin. Диапазон входного напряжения от 7 до 12 вольт. Выходное напряжение 5 В с максимальным выходным током 1 А.
Понижающий регулятор 3V3
Понижающий линейный преобразователь LP2985-33DBVR обеспечивает напряжение на пине 3V3 . Регулятор принимает входное напряжение от линии 5 вольт и выдаёт напряжение 3,3 В с максимальным выходным током 150 мА.
Кнопка сброса
Кнопка предназначена для ручного сброса прошивки — аналог кнопки RESET обычного компьютера.
ICSP-разъём ATmega328P
ICSP-разъём выполняет две полезные функции:
ICSP-разъём ATmega16U2
ICSP-разъём предназначен для программирования микроконтроллера ATmega16U2. А подробности распиновки читайте в соответствующем разделе.
Проекты на Arduino и их моделирование
Многие из вас уже знакомы с таким весьма интересным и удобным в разработке “конструктором” как — Arduino. Эта статья — один из подходов к разработке и реализации проектов на Arduino.
Эта статья описывает исключительно этап моделирования схемы, проектировка устройства до сборки и программное обеспечение для этого в рамках создания проекта на Arduino.
Основные этапы проекта
Работа над проектом на базе Arduino, как и робота над любым другим проектом включает в себя стандартные этапы.
Основные действия можно описать следующим образом:
| Этап | Описание |
|---|---|
| Идея | На этом этапе нам надо понять какие задачи будет решать наше устройство и что от него нужно. |
| Условия реализации | Сколько ресурсов мы готовы потратить и какая итерационная трата самого устройства нам нужна (расходники, электричество). |
| Элементы | Одна из сложных задач, учитывая большое разнообразие элементной базы, — выбор элементной базы. Облегчается за счет следующего этапа. |
| Моделирование схемы | Создание виртуальной схемы/модели, подбор элементов и нахождения ошибок на этапе моделирования. |
| Скетч | Создание программы, которая будет выполняться микроконтроллером. Одна из двух основных составляющих работы схемы, имеет также подпункт об использовании библиотек и алгоритма работы. |
| Сборка | Окончательная сборка схемы, её настройка и проверка выполнения задач. |
Хочу предупредить, что для выполнения отдельных больших проектов может потребоваться поэтапная разработка. Таким образом, в случае подключения множества элементов имеет место быть последовательное подключение и проверка работы каждого элемента отдельно и вместе, в том числе совместимость и правильность работы кода для Arduino.
Чтобы n-ный раз не повторять других авторов пишущих про Arduino, далее я рассмотрю именно работу с программой Fritzing.
Больше по теме самой Arduino можно почитать тут, тут или на официальном сайте Arduino.
Моделирование схем
Основная проблема в создании проекта — его описание и моделирование на ранних этапах, так вот с Arduino все гораздо легче!
Любую схему можно проверить, воспользовавшись удобным редактором схем, который также может и моделировать саму программу.
Изучая этему создания проектов на Ардуино, я нашел такую программу как — Fritzing!
Удобный интерфейс бесплатной, по сути, альтернативной IDE для Arduino позволяет смоделировать схему любой сложности и с любыми элементами, которые мы бы хотели. Большинство стандартных элементов уже есть в библиотеке программы, >> свинтить нужный нам элемент >>> Profit!»>много создано сообществом или можем создать сами, благо программа позволяет нам это сделать.
Окно «Добро пожаловать»
Содержит информацию об открытых ранее проектах, возможностях новых версий и изменения программы.
Окно «Макетная плата»
Здесь происходит основная работа, а именно сборка и разводка проводов схемы. Так, тут мы выберем (правое меню) элементы, объединим их выводы в соответствии с нужным нам алгоритмом действия и подключения, для удобствам можем поменять цвета проводов (как на схеме). Данную схему можно сохранить в виде изображения.
Экспорт Макетной платы как изображения
Окно «Принципиальная схема»
Пример завершенной автотрассировки
Окно «Печатная плата»
Тут можно создать трассировку дорожек для будущей печатной платы, сделать ее макет и получить на выходе готовый для создания макет.
Окно «Код»
В окне «Код» есть возможность написать скетч для своей платы и протестировать не выходя из программы. Просто подключаем Arduino, выбираем какая именно плата у нас, выбираем порт и загружаем скетч на плату.
Программа также может помочь в загрузке кода (скетч) в Arduino и в моделировании печатной платы (разводка дорожек, размещение элементов и т.д.).
Схема с использыванием модуля RFID
Схема с использованием дисплея и модуля барометра
Заключение
Опробовал эту программу в обучении и создании минимальных проектов на базе Arduino и решил поделиться этой удобной и полезной, фактически, IDE для Arduino. В поисках подходящих комплексных программных решений остановился на этой из-за большого функционала программы. Итог — завершенные 7 проектов на базе Arduino!
Аrduino для начинающих
В этой статье я решал собрать полное пошаговое руководство для начинающих Arduino. Мы разберем что такое ардуино, что нужно для начала изучения, где скачать и как установить и настроить среду программирования, как устроен и как пользоваться языком программирования и многое другое, что необходимо для создания полноценных сложных устройств на базе семейства этих микроконтроллеров.
Тут я постараюсь дать сжатый минимум для того, что бы вы понимали принципы работы с Arduino. Для более полного погружения в мир программируемых микроконтроллеров обратите внимание на другие разделы и статьи этого сайта. Я буду оставлять ссылки на другие материалы этого сайта для более подробного изучения некоторых аспектов.
Что такое Arduino и для чего оно нужно?
Arduino — это электронный конструктор, который позволяет любому человеку создавать разнообразные электро-механические устройства. Ардуино состоит из программной и аппаратной части. Программная часть включает в себя среду разработки (программа для написания и отладки прошивок), множество готовых и удобных библиотек, упрощенный язык программирования. Аппаратная часть включает в себя большую линейку микроконтроллеров и готовых модулей для них. Благодаря этому, работать с Arduino очень просто!
С помощью ардуино можно обучаться программированию, электротехнике и механике. Но это не просто обучающий конструктор. На его основе вы сможете сделать действительно полезные устройства.
Начиная с простых мигалок, метеостанций, систем автоматизации и заканчивая системой умного дома, ЧПУ станками и беспилотными летательными аппаратами. Возможности не ограничиваются даже вашей фантазией, потому что есть огромное количество инструкций и идей для реализации.
проекты на Arduino
Стартовый набор Arduino
Для того что бы начать изучать Arduino необходимо обзавестись самой платой микроконтроллера и дополнительными деталями. Лучше всего приобрести стартовый набор Ардуино, но можно и самостоятельно подобрать все необходимое. Я советую выбрать набор, потому что это проще и зачастую дешевле. Вот ссылки на лучшие наборы и на отдельные детали, которые обязательно пригодятся вам для изучения:
| Базовый набор ардуино для начинающих: | Купить |
| Большой набор для обучения и первых проектов: | Купить |
| Набор дополнительных датчиков и модулей: | Купить |
| Ардуино Уно самая базовая и удобная модель из линейки: | Купить |
| Беспаечная макетная плата для удобного обучения и прототипирования: | Купить |
| Набор проводов с удобными коннекторами: | Купить |
| Комплект светодиодов: | Купить |
| Комплект резисторов: | Купить |
| Кнопки: | Купить |
| Потенциометры: | Купить |
Среда разработки Arduino IDE
Для написания, отладки и загрузки прошивок необходимо скачать и установить Arduino IDE. Это очень простая и удобная программа. На моем сайте я уже описывал процесс загрузки, установки и настройки среды разработки. Поэтому здесь я просто оставлю ссылки на последнюю версию программы и на статью с подробной инструкцией.
| Версия | Windows | Mac OS X | Linux | |||||||||
| 1.8.2 |
| Макетная плата на 800 точек с 2 шинами питания, платой подачи питания и проводами: | Купить |
| Большая макетная плата на 1600 точек с 4 шинами питания: | Купить |
| Макетная плата на 800 точек с 2 шинами питания: | Купить |
| Макетная плата на 400 точек с 2 шинами питания: | Купить |
| Макетная плата на 170 точек: | Купить |
| Соединительные провода 120 штук: | Купить |
Первый проект на Arduino
Давайте соберем первое устройство на базе Ардуино. Мы просто подключим тактовую кнопку и светодиод к ардуинке. Схема проекта выглядит так:
Управление яркостью светодиода
Обратите внимание на дополнительные резисторы в схеме. Один из них ограничивает ток для светодиода, а второй притягивает контакт кнопки к земле. Как это работает и зачем это нужно я объяснял в этом уроке.
Для того что бы все работало, нам надо написать скетч. Давайте сделаем так, что бы светодиод загорался после нажатия на кнопку, а после следующего нажатия гас. Вот наш первый скетч:
В этом скетче я создал дополнительную функцию debounse для подавления дребезга контактов. О дребезге контактов есть целый урок на моем сайте. Обязательно ознакомьтесь с этим материалом.
ШИМ Arduino
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это процесс управления напряжением за счет скважности сигнала. То есть используя ШИМ мы можем плавно управлять нагрузкой. Например можно плавно изменять яркость светодиода, но это изменение яркости получается не за счет уменьшения напряжения, а за счет увеличения интервалов низкого сигнала. Принцип действия ШИМ показан на этой схеме:
ШИМ ардуино
Когда мы подаем ШИМ на светодиод, то он начинает быстро зажигаться и гаснуть. Человеческий глаз не способен увидеть это, так как частота слишком высока. Но при съемке на видео вы скорее всего увидите моменты когда светодиод не горит. Это случится при условии что частота кадров камеры не будет кратна частоте ШИМ.
В Arduino есть встроенный широтно-импульсный модулятор. Использовать ШИМ можно только на тех пинах, которые поддерживаются микроконтроллером. Например Arduino Uno и Nano имеют по 6 ШИМ выводов: это пины D3, D5, D6, D9, D10 и D11. В других платах пины могут отличаться. Вы можете найти описание интересующей вас платы в этом разделе.
Для использования ШИМ в Arduino есть функция analogWrite(). Она принимает в качестве аргументов номер пина и значение ШИМ от 0 до 255. 0 — это 0% заполнения высоким сигналом, а 255 это 100%. Давайте для примера напишем простой скетч. Сделаем так, что бы светодиод плавно загорался, ждал одну секунду и так же плавно угасал и так до бесконечности. Вот пример использования этой функции:
Аналоговые входы Arduino
Как мы уже знаем, цифровые пины могут быть как входом так и выходом и принимать/отдавать только 2 значения: HIGH и LOW. Аналоговые пины могут только принимать сигнал. И в отличии от цифровых входов аналоговые измеряют напряжение поступающего сигнала. В большинстве плат ардуино стоит 10 битный аналогово-цифровой преобразователь. Это значит что 0 считывается как 0 а 5 В считываются как значение 1023. То есть аналоговые входы измеряют, подаваемое на них напряжение, с точностью до 0,005 вольт. Благодаря этому мы можем подключать разнообразные датчики и резисторы (терморезисторы, фоторезисторы) и считывать аналоговый сигнал с них.
Для этих целей в Ардуино есть функция analogRead(). Для примера подключим фоторезистор к ардуино и напишем простейший скетч, в котором мы будем считывать показания и отправлять их в монитор порта. Вот так выглядит наше устройство:
Подключение фоторезистора к Ардуино
В схеме присутствует стягивающий резистор на 10 КОм. Он нужен для того что бы избежать наводок и помех. Теперь посмотрим на скетч:
Вот так из двух простейших элементов и четырех строк кода мы сделали датчик освещенности. На базе этого устройства мы можем сделать умный светильник или ночник. Очень простое и полезное устройство.
Вот мы и рассмотрели основы работы с Arduino. Теперь вы можете сделать простейшие проекты. Что бы продолжить обучение и освоить все тонкости, я советую прочитать книги по ардуино и пройти бесплатный обучающий курс. После этого вы сможете делать самые сложные проекты, которые только сможете придумать.
19 комментариев
Добрый день, господа!
Очень интересный сайт. Много полезной информации и подача материала спокойная.
Мне нравиться.
Вопрос у меня. Чую попал на грамотных спецов.
Приобрел я на Али китайскую чудо технику — лазерный гравировщик-выжигатель (2 Ватт.).
Плата управления Arduino Nano, драйвера на двигатели на красных платках.
Как водится описание слабое, информация. да все по-китайски. Начал разбираться.
Собрал, заработала машина, задымила. Поправил конфигурацию, на одной оси сделал инверсию.
Самое отвратительное — это ПО. Только зайчиков выжигать. Решил сменить.
Залил GRBL v1.1, программу взял LaserGRBL (версия из последних).
Программа увидела девайс, подключилась на СОМ, ожила, тут бы обрадоваться, да нет.
G-код готовится правильно, но команды включения М3 и выключения М5 лазера, которые прописаны в коде, не выполняются.
Лазер включается при включении девайса, и находится включенным все время, даже в остановленном состоянии (G-код еще не запущен, передвижения нет). При быстром передвижении лазера по рисунку он не выключается и все время жгет, рисуя за собой прожженную черту.
Подскажите, пожалуйста, как заставить лазер отключаться согласно G-коду? Как заставить девайс выполнять команды G-кода М3 и М5? Пробовал в конфигурации ставить и $32=1, и $32=0 — никак не реагирует. Жгет без остановки. Перепрошивал v1.1 — бесполезно.
Мне уже 65 отроду. Некогда досконально изучать Arduino. Говорят, что не поступают команды на лазер.
Да тут и ежику понятно. Как это можно исправить? В настройках галочку с ШИМ снял.
Подскажите, пожалуйста.
С уважением Владимир
дело в том, что легче написать новую прошивку, чем разбираться в прошивке, а для этого надо понимать, как работает ваше устройство! т.е. надо работать вместе программист, и пользователь!
иначе никак!
илли 2 способ- изучите программирование, и пишите сами что вам надо!
поверьте- это не так сложно!
Хороший сайт. Спасибо.
Благодарен автору за полезное дело.
Помогать учиться, это самое лучшее занятие для человека.
detector