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.
Питание микроконтроллеров Ардуино Нано (Arduino Nano)
Данный раздел имеет довольно таки большую значимость, если делать что то не так, как написано здесь, можно получить сгоревшую плату или глюки, причины которых не так очевидны и отследить их очень трудно. Если вы ожидали увидеть здесь советы по энергосбережению и режимам сна – они находятся в отдельном уроке про энергосбережение. Перейдем к питанию платы: есть три способа питать Ардуино и вообще Ардуино-проект в целом, у каждого есть свои плюсы/минусы и особенности:
- Бортовой USB порт
- “Сырой” вход на микроконтроллер 5V
- Стабилизированный вход Vin
Что касается земли (пины GND) то они все связаны между собой и просто продублированы на плате, это нужно запомнить. Пины 3.3V, 5V и GND являются источником питания для датчиков и модулей, но давайте рассмотрим особенности.
Питание от USB
Питание от USB – самый плохой способ питания ардуино-проекта. Почему? По линии питания +5V от USB стоит диод, выполняющий защитную функцию: он защищает порт USB компьютера от высокого потребления тока компонентами ардуино-проекта или от короткого замыкания (КЗ), которое может произойти по случайности/криворукости любителей ковырять макетные платы. КЗ продолжительностью менее секунды не успеет сильно навредить диоду и всё может обойтись, но продолжительное замыкание превращает диод в плавкий предохранитель, выпускающий облако синего дыма и спасающий порт компьютера от такой же участи.
К слову, ардуинки от производителя Robotdyn имеют самовосстанавливающийся предохранитель вместо такого костыля с диодом-смертником.
Слаботочный диод имеет ещё одну неприятную особенность: на нём падает напряжение, причем чем больше ток потребления схемы, тем сильнее падает напряжение питания. Пример: голая ардуина без всего потребляет около 20 мА, и от 5 Вольт на юсб после диода нам остаётся примерно 4.7 Вольт. Чем это плохо: опорное напряжение при использовании АЦП крайне нестабильно, не знаешь, что измеряешь (да, есть способ измерения опорного напряжения, но делать это нужно вручную). Некоторые железки чувствительны к напряжению питания, например LCD дисплеи: при питании от 5V они яркие и чёткие, при 4.7 вольтах (питание от юсб) они уже заметно теряют яркость. Если подвигать сервоприводом или включить реле – на диоде упадет ещё больше и дисплей практически погаснет. При коротких мощных нагрузках (выше 500-600ма) микроконтроллер перезапустится, так как напряжение упадет ниже плинтуса.
Вы наверное предложите заменить диод перемычкой, чтобы питать схему от USB большим током, например от powerbank’а. Так делать тоже нельзя, потому что дорожки на плате не рассчитаны на большие токи (дорожка 5V очень тонкая и идёт через всю плату). Я думаю, что можно будет снять 1-2 Ампера с пина 5V, но, скорее всего, напряжение просядет. Также при КЗ вы скорее всего попрощаетесь с дорожкой вообще. Питайте силовую часть схемы либо отдельно, либо от того же источника питайте Arduino.
Питание в Vin
Питание в пин Vin (и GND) – более универсальный способ питания ардуино-проекта, этот пин заводит питание на бортовой стабилизатор напряжения ардуино, на китайских платах обычно стоит AMS1117-5.0. Это линейный стабилизатор, что имеет свои плюсы и минусы. Он позволяет питать ардуино и ардуино-проект от напряжения 7-12 Вольт (это рекомендуемый диапазон, так то питать можно от 5 до 20 Вольт). Стабилизатор устроен так, что он выдает хорошее ровное напряжение с минимальными пульсациями, но всё лишнее напряжение превращает в тепло. Если питать плату и один миниатюрный сервопривод от 12 Вольт, то при активной работе привода стабилизатор нагреется до 70 градусов, что уже ощутимо горячо. По некоторым расчетам из даташита можем запомнить некоторые цифры:
- При напряжении 7 Вольт (таких блоков питания я не встречал) в Vin можно снять с пина 5V до 2A, больше – перегрев. Отлично сработают два литиевых аккумулятора
- При 12 Вольтах на Vin можно снять с пина 5V не более 500мА без риска перегрева стабилизатора.
Питание в пин Vin возможно только в том случае, если в Ардуино проекте (имеется в виду плата Ардуино и железки, подключенные к 5V и GND) не используются мощные потребители тока, такие как сервоприводы, адресные светодиодные ленты, моторчики и прочее. Что можно: датчики, сенсоры, дисплеи, модули реле (не более 3 одновременно в активном состоянии), одиночные светодиоды, органы управления. Для проектов с мощной 5 Вольтовой нагрузкой для нас есть только третий способ.
Элементы платы
Arduino Nano состоит из множества элементов, в числе которых:
- микросхемы;
- пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, диоды);
- разъемы;
- регуляторы.
Микросхема платы FT232R
Микросхема позволяет подключать плату через USB. Чип, установленный в AN, не может работать напрямую с USB-интерфейсом, поэтому FT232R преобразует его в UART-интерфейс.
Сердце платформы — микроконтроллер ATmega328P
ATmega328P — главный элемент управления платой. В него загружается написанный программистом скетч, и контроллер рассылает команды различным элементам платы. Например, микроконтроллер заставляет диоды мигать, реле — переключаться, а пьезоэлемент — издавать звуки.
Светодиодная индикация
В плату встроено 4 светодиода, у каждого из которых свое назначение:
- RX- и TX-светодиоды мигают, когда происходит передача данных по UART.
- L-диод зажигается, когда на него подается высокий уровень сигнала, и гасится при низком уровне.
- ON-светодиод горит при наличии питания на плате.
Дополнительно практически на любой пин микроконтроллера можно завести другие светодиоды, 7-сегментные индикаторы или даже дисплеи.
Разъем mini-USB
С помощью разъема mini-USB плату можно подключить к персональному компьютеру. Также AN может получать через этот интерфейс питание от внешних источников.
Линейный понижающий регулятор напряжения 5 В
В качестве регулятора используется микросхема LM1117MPX-5.0. Она обеспечивает преобразование сигнала питания AN в сигнал питания микроконтроллера ATmega и других логических элементов, которые не поддерживают питание более 5 В. Например, элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) запитываются от сигнала такой величины.
Питание в 5V
Питание в пин 5V (и GND) – самый лучший вариант питать плату и ардуино-проект в целом, но нужно быть аккуратным: пин идёт напрямую на микроконтроллер, и на него действуют некоторые ограничения:
- Максимальное напряжение питания согласно даташиту на микроконтроллер – 5.5V. Всё что выше – с большой вероятностью выведет МК из строя;
- Минимальное напряжение зависит от частоты, на которой работает МК. Вот строчка из даташита: 0 – 4 MHz @ 1.8 – 5.5V, 0 – 10 MHz @ 2.7 – 5.5V, 0 – 20 MHz @ 4.5 – 5.5V. Что это значит: большинство Arduino-плат имеют источник тактирования на 16 MHz, то есть Arduino будет стабильно работать от напряжения
4 Вольта (20 МГц – 4.5V, 16 МГц – около 4V). Есть версии Arduino на 8 МГц, они будут спокойно работать от напряжения 2.5V.
Важно: напряжение питания в пин 5V не должно превышать 5.5V. Минимальное напряжение: 4V для плат на 16 МГц (на моей практике работало стабильно от 3.5V), 2.5V для плат на 8 МГц.
Самый популярный вариант – USB зардяник от смартфона, их легко достать, диапазон токов от 500ма до 3А – справится практически с любым проектом. Отрезаем штекер и паяем провода на 5V и GND, предварительно определив, где плюс/минус при помощи мультиметра или по цвету: красный всегда плюс, чёрный – земля, при красном плюсе земля может быть белого цвета. При чёрной земле плюс может быть белым, вот так вот. Точно туда же паяем все датчики/модули/потребители 5 Вольт. Да, не очень удобно это паять, но при известной схеме можно аккуратно собрать всё питание в отдельные скрутки и припаять уже их. Пример на фото ниже. Источником питания там является отдельное гнездо micro-usb, зелёная плата сразу над дисплеем.
Выключение компонентов микроконтроллера
Этот метод подойдет в случаях, когда микроконтроллер длительное время должен выполнять ряд определенных действий с одной и той же периферией.
Любой микроконтроллер представляет из себя набор различных модулей, и для всех модулей предусмотрена возможность включения и отключения питания.
Для того чтобы воспользоваться данным методом необходимо подключить библиотеку power.h:
После этого нам будет доступен ряд функций для включения и отключения отдельных модулей периферии микроконтроллера:
| Функция выключения | Функция включения | Описание модуля |
| power_aca_disable() | power_aca_enable() | Аналоговый компаратор порта А. |
| power_adc_disable() | power_adc_enable() | АЦП. |
| power_adca_disable() | power_adca_enable() | АЦП порта А. |
| power_evsys_disable() | power_evsys_enable() | Модуль EVSYS |
| power_hiresc_disable() | power_hiresc_enable() | Модуль HIRES порта C. |
| power_lcd_disable() | power_lcd_enable() | Модуль LCD. |
| power_pga_disable() | power_pga_enable() | Усилитель с программируемым коэффициентом усиления. |
| power_pscr_disable() | power_pscr_enable() | Контроллер пониженной мощности. |
| power_psc0_disable() | power_psc0_enable() | 0 Контроллер уровня мощности. |
| power_psc1_disable() | power_psc1_enable() | 1 Контроллер уровня мощности. |
| power_psc2_disable() | power_psc2_enable() | 2 Контроллер уровня мощности. |
| power_ram0_disable() | power_ram0_enable() | SRAM блок 0. |
| power_ram1_disable() | power_ram1_enable() | SRAM блок 1. |
| power_ram2_disable() | power_ram2_enable() | SRAM блок 2. |
| power_ram3_disable() | power_ram3_enable() | SRAM блок 3. |
| power_rtc_disable() | power_rtc_enable() | Модуль часов реального времени. |
| power_spi_disable() | power_spi_enable() | Интерфейс SPI |
| power_spic_disable() | power_spic_enable() | Интерфейс SPI порта C |
| power_spid_disable() | power_spid_enable() | Интерфейс SPI порта D |
| power_tc0c_disable() | power_tc0c_enable() | Таймер/счетчик 0 порта C |
| power_tc0d_disable() | power_tc0d_enable() | Таймер/счетчик 0 порта D |
| power_tc0e_disable() | power_tc0e_enable() | Таймер/счетчик 0 порта E |
| power_tc0f_disable() | power_tc0f_enable() | Таймер/счетчик 0 порта F |
| power_tc1c_disable() | power_tc1c_enable() | Таймер/счетчик 1 порта C |
| power_twic_disable() | power_twic_enable() | Интерфейс I2C порта C |
| power_twie_disable() | power_twie_enable() | Интерфейс I2C порта E |
| power_timer0_disable() | power_timer0_enable() | Таймер 0 |
| power_timer1_disable() | power_timer1_enable() | Таймер 1 |
| power_timer2_disable() | power_timer2_enable() | Таймер 2 |
| power_timer3_disable() | power_timer3_enable() | Таймер 3 |
| power_timer4_disable() | power_timer4_enable() | Таймер 4 |
| power_timer5_disable() | power_timer5_enable() | Таймер 5 |
| power_twi_disable() | power_twi_enable() | Интерфейс I2C |
| power_usart_disable() | power_usart_enable() | Интерфейс USART |
| power_usart0_disable() | power_usart0_enable() | Интерфейс USART 0 |
| power_usart1_disable() | power_usart1_enable() | Интерфейс USART 1 |
| power_usart2_disable() | power_usart2_enable() | Интерфейс USART 2 |
| power_usart3_disable() | power_usart3_enable() | Интерфейс USART 3 |
| power_usartc0_disable() | power_usartc0_enable() | Интерфейс USART 0 порта C |
| power_usartd0_disable() | power_usartd0_enable() | Интерфейс USART 0 порта D |
| power_usarte0_disable() | power_usarte0_enable() | Интерфейс USART 0 порта E |
| power_usartf0_disable() | power_usartf0_enable() | Интерфейс USART 0 порта F |
| power_usb_disable() | power_usb_enable() | Интерфейс USB |
| power_usi_disable() | power_usi_enable() | Интерфейс USI |
| power_vadc_disable() | power_vadc_enable() | Модуль напряжения АЦП |
| power_all_disable() | power_all_enable() | Все модули |
Доступность данных функций будет определяться типом используемого микроконтроллера, и тем какая периферия в нем присутствует. Для того чтобы не изучать документацию на каждый конкретный контроллер, можно отключать при запуске всю периферию контроллера с помощью функции power_all_disable(), а затем отдельно включать необходимые модули.
Для примера давайте добавим в нашу первую программу отправку данных через Serial порт, а всю остальную периферию микроконтроллера отключим:
#include #include #include long int i = 0; void setup() < power_all_disable(); //отключаем всю периферию power_usart0_enable(); //включаем USART0 для Arduino Mega power_timer0_enable(); //включаем таймер 0 (он необходим для нормальной работы USART) Serial.begin(9600); //устанавливаем скорость Serial в 9600 бод pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); >void loop() < i++; Serial.println(i); //Отправляем данные в Serial порт delay(10); //Ждем пока завершится отправка данных через USART, иначе контроллер перейдет в режим сна до того как данные успеют отправиться полностью digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); wdt_enable(WDTO_1S); WDTCSR |= (1
Питать мощный потребитель от USB через плату нельзя, там стоит диод, да и дорожки питания тонкие: