Проекты ардуино для начинающих

Улучшенные функции

Ниже сравнительная таблица плат Ардуино с улучшенным функционалом.

Платы

Платы (продолжение)

Модули

Лучшие книги по Ардуино

1. Джереми Блум «Изучаем Arduino». Именно эту книгу советуют прочесть в первую очередь и даже в обязательном порядке. В ней описываются основы программирования платформы, дается детальное пояснение всех процессов и материалов. Стоимость в книжном магазине будет около 500 рублей. Однако если тщательно поискать, то эту Aрдуино книгу можно скачать удаленно, на русском языке.
2. Петин В.А. «Проекты с использованием контроллера Arduino». Это издание поможет разобраться в создании собственных проектов, подойдет больше тем, кто уже имеет первоначальные навыки работы с системой. Стоимость – также в пределах 500 рублей.
3. Саймон Монк «Программируем Arduino». Книга рассказывает только о программировании, но во всех нюансах. После освоения данного материала можно самостоятельно писать прошивки и подключать сложные системы устройств. В магазинах цена варьируется от 450 до 650 рублей, в зависимости от издания.
4. Виктор Петин «Arduino и Raspberry Pi в проектах Internet of Things». В этой книге идет речь о создании несложных устройств с помощью контроллера и компьютера Raspberry Pi. Подробно изложены технические тонкости и особенности взаимодействия. Цена – около 450 рублей.
5. Петин В.А., Биняковский А.А. «Практическая энциклопедия Arduino». Книга состоит из описания 33 экспериментов, которые может повторить любой желающий. На их примерах разбираются основы и принципы работы платформы. Ее цена – около 800 рублей.

Краткие сведения о протоколе CAN

CAN (Controller Area Network – сеть контролеров) представляет собой протокол (стандарт) последовательной связи, разработанный для промышленных и автомобильных приложений. Это ориентированный на обмен сообщениями протокол, используемый для связи между множеством (несколькими) устройств. Когда различные CAN устройства соединены между собой как показано на следующем рисунке, они формируют сеть, которая работает наподобие центральной нервной системы человека и позволяет любому устройству общаться с любым другим устройством в этой сети.

CAN-сеть состоит из двух проводников (CAN High и CAN Low) и обеспечивает двунаправленную передачу данных. На практике под CAN-сетью обычно подразумевается сеть топологии «шина» с физическим уровнем в виде дифференциальной пары. Передача ведется кадрами, которые могут принимать все узлы сети. Для доступа к такой шине выпускаются специализированные микросхемы (модули) – драйверы CAN-шины.

Обычно скорость передачи по CAN-шине варьируется от 50 Кбит/с до 1 Мбит/с, а дальность связи лежит в диапазоне от 40 метров (на скорости 1 Мбит/с) до 1000 метров (на скорости 50 Кбит/с).

Формат CAN сообщений

В CAN-сети данные передаются в виде сообщений определенного формата. Этот формат состоит из большого числа сегментов, но двумя основными сегментами является идентификатор (identifier) и данные (data), которые и позволяют передавать и принимать сообщения по CAN-шине.

Идентификатор (Identifier) – также известен под именами CAN ID и PGN (Parameter Group Number). Он используется для идентификации CAN устройств в CAN-сети. Длина идентификатора составляет 11 или 29 бит в зависимости от того какой тип протокола CAN используется:

• Standard (стандартный) CAN: 0-2047 (11-bit);
• Extended (расширенный) CAN: 0-229-1 (29-bit).

Data – это данные, которые необходимо передать от одного устройства другому. Длина данных может составлять от 0 до 8 байт.

Data Length Code (DLC) (длина поля данных): может принимать значения от 0 до 8 в зависимости от количества байт для передачи.

Проводники, используемые в CAN

CAN протокол работает по двум проводникам, именуемыми CAN_H и CAN_L, для передачи и приема информации. Оба проводника работают как дифференциальная линия, что означает что CAN сигнал (0 или 1) представляет собой разность потенциалов между CAN_L и CAN_H. Если эта разность положительна и больше определенного минимального уровня напряжения, то это 1, а если эта разность отрицательна – то это 0.

Обычно в протоколе CAN используется кабель с витыми жилами. Как показано на выше приведенном рисунке, на обоих концах CAN-сети включается 120-омный резистор для обеспечения баланса в линии.

Сравнение CAN с SPI и I2C

На нашем сайте мы ранее уже рассматривали использование в платах Arduino протоколов SPI и I2C, поэтому давайте сравним данные протоколы с протоколом CAN.

По скорости стандарт CAN не в лидерах, но его главным «козырем» является высокая надежность связи.

Применения CAN протокола

1. В связи с чрезвычайно высокой надежностью и устойчивостью CAN протокола он широко применяется в автомобилях, промышленных механизмах, сельском хозяйстве, медицинском оборудовании и т.д.
2. В связи с небольшим количеством используемых проводников CAN протокол исключительно удобен для применения в автомобилях.
3. Устройства на основе CAN протокола отличаются низкой стоимостью.
4. В CAN-сеть (шину) легко добавлять и удалять новые устройства.

Использование протокола CAN в Arduino

Поскольку платы Arduino не имеют в своем составе встроенного CAN порта, то для реализации связи между ними по данному протоколу мы будем использовать внешние CAN модули MCP2515. Эти модули подключаются к плате Arduino по интерфейсу SPI.

Схема макетной платы

Чтобы знать, как пользоваться макетной платой, следует понять принцип ее устройства. Он достаточно прост.

Схема макетной платы

Макетная плата имеет пластиковое основание с множеством отверстий (стандартное расстояние между ними составляет 2,54 мм). Внутри конструкции расположены ряды металлических пластин. На каждой пластине имеются клипсы, которые спрятаны в пластиковой части установки.

Включение проводов выполняется именно в эти клипсы. При подключении проводника к одному из отдельных отверстий, контакт одновременно подключается и ко всем остальным контактам отдельного ряда. Следовательно, подключая контакты других устройств к остальным клипсам, мы связываем их проводником – рельсом с клипсами.

Стоит обратить внимание, что одна рельса содержит 5 клипс. Это общий стандарт для всех макетных плат

То есть, к каждому рельсу можно подсоединить до пяти элементов, и они будут соединены между собой.

Следует отметить, что хотя в каждом ряду расположены десять отверстий, они  все-таки разделены на две изолированные части, по пять в каждой. Между ними расположен рельс без пинов. Такая конструкция необходима для изоляции пластин друг от друга, и позволяет просто подключать микросхемы, выполненные в DIP-корпусах.

Подключение микросхемы к макетной плате

Для упрощения ориентации на макетную плату также нанесены цифровые и буквенные обозначения, которыми можно руководствоваться, создавая, например, инструкцию для подключения.

Некоторые макетные платы включают также по две линии питания с каждой из сторон. Обычно «красная линия» используется для подачи «+» напряжения, «синяя» – для «-».  За счет наличия двух шин питания на плату могут подаваться два различных уровня напряжения.

Внимание! Макетные платы абсолютно недопустимо использовать с напряжением 220В!

Если плата большая, то линии питания “разрываются” посередине. Это позволяет использовать большее количество вариантов подключения. Например, вы сможете собрать на одной плате устройства с питанием 3 и 5 Вольт.

Подключение Arduino Shields

Для подключения шилда нужно просто аккуратно «надеть» его на основную плату. Обычно контакты шилда типа гребенки (папа) легко вставляются в разъемы платы ардуино. В некоторых случаях требуется аккуратно подправить штырки, если сама плата спаяна неаккуратно. Тут главное действовать аккуратно и не прилагаться излишней силы.

Как правило, шилд предназначен для вполне конкретной версии контроллера, хотя, например, многие шилды для Arduino Uno вполне нормально работают с платами Arduino Mega. Распиновка контактов на меге выполнена так, что первые 14 цифровых контактов и контакты с противоположной стороны платы совпадают с расположением контактов на UNO, поэтому  в нее легко становится шилд от ардуино.

Работа с Arduino IDE

Для работы платы и вашего будущего проекта необходимо написать и загрузить на Andruno скетч. Скетч (sketch) – программа, написанная специально для Adruno. Для выполнения данного пункта вам понадобятся:

• Ардуино;
• USB-кабель Type-A;
• Устройство, работающее на ОС Windows.

Скачайте бесплатную среду разработки для Ардуино с официального сайта производителя. Вместе с программой автоматически установятся драйвера для определения девайса при подключении к USB-порту. Если же Ардуино не определится – произведите ручную установку необходимых компонентов.

На схеме должен загореться зелёный светодиод при подключении к USB. Запустите приложение и приступайте к созданию собственного скетча. Проверка работоспособности и совместимости Arduino с ПО можно проверить при помощи встроенного скетча «LED». Запуск данного процесса должен вызвать мигание светодиода.

В меню Tool – Board выберите используемую плату. Далее следует загрузка скетча в Arduino при помощи кнопки «Upload». Успешное завершение данной операции подтверждается миганием светодиода оранжевого цвета на плате. Для подробного изучения Arduino IDE создано множество англоязычных и отечественных ресурсов, где рассказывается что такое Ардуино и как с ним работать.

Среда разработки оснащена стандартным менеджером добавления библиотек в виде исходного кода на языке C++. Данная возможность расширяет применение компонентов, добавляя новый функционал.

Плата Arduino Mega 2560

Устройство Arduino Mega 2560 собрано на микроконтроллере ATmega 2560 (datasheet), является обновлённой версией Arduino Mega.

Для осуществления преобразования USB–UART-интерфейсов используется новый микроконтроллер ATmega 16U2 ( либо ATmega 8U2 для версий плат R1 или R2).

Состав платы следующий:

• количество цифровых входов/выходов составляет 54 (15 из них можно использовать в роли выходов-ШИМ);
• число аналоговых входов – 16;
• реализация последовательных интерфейсов производится посредством 4 аппаратных приёмопередатчиков UART;
• 16 МГц – кварцевый резонатор;
• USB-разъём;
• питающий разъём;
• внутрисхемное программирование осуществляется через ICSP-разъём;
• кнопка для сброса.

В устройстве Mega 2560 R2-версии добавлен специальный резистор, подтягивающий HWB-линию 8U2 к земле, что позволяет значительно упростить переход Arduino в DFU-режим, а также обновление прошивки. Версия R3 незначительно отличается от предыдущих. Изменения в устройстве следующие:

• добавлены четыре вывода – SCL, SDA, IOREF (для осуществления совместимости по напряжению различных расширительных плат) и ещё один резервный вывод, пока не используемый;
• повышена помехоустойчивость по цепи сброса;
• увеличен объём памяти;
• ATmega8U2 заменён на микроконтроллер ATmega16U2.

Выводы Arduino Mega 2560R3 предназначаются для следующего:

1. Имеющиеся цифровые пины могут служить входом-выходом. Напряжение на них – 5 вольт. Каждый пин обладает подтягивающим резистором.
2. Аналоговые входы не оснащены подтягивающими резисторами. Работа основана на применении функции analog Read.
3. Количество выводов ШИМ составляет 15. Это цифровые выводы №2 – №13, №44 – №46. Использование ШИМ производится через функцию analog Write.
4. Последовательный интерфейс: выводы Serial: №0 (rx), №1 (tx); выводы Serial1: №19 (rx), №18 (tx); выводы Serial2: №17 (rx), №16 (tx); выводы Serial3: №15 (rx), №14 (tx).
5. Интерфейс SPI оборудован выводами №53 (SS), №51 (MOSI), №50 (MISO), №52 (SCK).
6. Вывод №13 – встроенный светодиод.
7. Пины для осуществления связи с подключаемыми устройствами: №20 (SDA), №21 (SCL).
8. Для внешних прерываний (низкий уровень сигнала, другие изменения сигнала) используются выводы №2 , №3, №18, №19, №20, №21.
9. Вывод AREF задействуется командой analog Reference и предназначается для регулирования опорного напряжения аналоговых входных пинов.
10. Вывод Reset. Предназначен для формирования незначительного уровня (LOW), что приводит к перезагрузке устройства (кнопка сброса).

Проекты Arduino для начинающих

Если посмотреть  на все проекты ардуино, информация о которых доступна в интернете, то можно их разделить на несколько основных групп:

Начальные учебные проекты, не претендующие на какое-то важное практическое использование, но помогающие разобраться в разных аспектах платформы.Мигающие светодиоды – маячок, мигалка, светофор и другие.
Проекты с датчиками: от простейших аналоговых до цифровых, использующих разнообразные протоколы для обмена данными.
Устройства регистрации и отображения информации.
Машины и устройства с сервоприводами и шаговыми двигателями.
Устройства с использованием различных беспроводных видов связи и GPS.

Проекты для автоматизации жилья – умные дома на Arduino, а также отдельные элементы управления домашней инфраструктурой.
Разнообразные автономные машины и роботы.
Проекты для исследования природы и автоматизации сельского хозяйства
Необычные и креативные – как правило, развлекательные проекты.

По каждой из этих групп можно найти множество самых разнообразных материалов в книгах и на сайтах. В этой статье мы начнем знакомство с описанием наиболее простых проектов, с которых рекомендуется стартовать начинающим.

Как создавать проект на ардуино

Проект Ардуино – это всегда сочетание электронной схемы, некоторых связанных друг с другом аппаратных и механических устройств, системы питания и программного обеспечения, управляющего всем этим хаосом. Поэтому приступая к работе, вы должны твердо понимать, что создавая устройство в одиночестве, вы должны будете стать и программистом, и электронщиком, и конструктором.

Если речь идет не об учебном проекте, то вы обязательно столкнетесь со следующими этапами реализации с такими вот задачами:

• Придумать что-то, что будет полезно и (или) интересно для окружающих. Даже самый простой проект несет какую-то пользу – как минимум, он помогает изучать новые технологии.
• Собрать схему, подключить модули друг к другу и к контроллеру.
• Написать скетч (программу) в специальной среде и загрузить ее в контроллер.
• Проверить, как все работает вместе, и исправить ошибки.
• После тестирования – готовиться к созданию готового устройства. Это означает, нужно собрать устройство в каком-то пригодном для эксплуатации корпусе, предусмотреть систему питания, связи с окружающей средой.
• Если вы собираетесь распространять созданные вами устройства, то придется также заняться дизайном, системой транспортировки, задуматься о безопасности использования необученными пользователями и обучением этих самых пользователей.
• Если ваше устройство работает, оно протестировано и обладает какими-то преимуществами перед другими решениями, то можно попытаться сделать из вашего инженерного уже бизнес-проект, попробовать привлечь инвестиции.

Каждый из этих этапов создания проекта достоин отдельной статьи

Но мы уделим главное внимание этапам сборки электронных схем (основы электроники) и программирования контроллера

Электронные схемы

Электронные схемы обычно собираются с применением макетных плат, скрепляющих элементы друг с другом без пайки и скрутки. О том, как работают модули и схемы подключения можно узнать на нашем сайте. Обычно в описании проекта указаны способы монтажа деталей. Но для большинства популярных модулей есть уже десятки готовых схем и примеров в интернете.

Программирование

Создание и прошивка скетчей производится в специальной программе  – среде программирования.  Наиболее популярной версией такой среды является Arduino IDE. На нашем сайте вы сможете найти информацию о том, как скачать, установить и настроить эту программу.

Плата Arduino Mega 2560

Устройство Arduino Mega 2560 собрано на микроконтроллере ATmega 2560 (datasheet), является обновлённой версией Arduino Mega.

Для осуществления преобразования USB–UART-интерфейсов используется новый микроконтроллер ATmega 16U2 ( либо ATmega 8U2 для версий плат R1 или R2).

Состав платы следующий:

• количество цифровых входов/выходов составляет 54 (15 из них можно использовать в роли выходов-ШИМ);
• число аналоговых входов – 16;
• реализация последовательных интерфейсов производится посредством 4 аппаратных приёмопередатчиков UART;
• 16 МГц – кварцевый резонатор;
• USB-разъём;
• питающий разъём;
• внутрисхемное программирование осуществляется через ICSP-разъём;
• кнопка для сброса.

В устройстве Mega 2560 R2-версии добавлен специальный резистор, подтягивающий HWB-линию 8U2 к земле, что позволяет значительно упростить переход Arduino в DFU-режим, а также обновление прошивки. Версия R3 незначительно отличается от предыдущих. Изменения в устройстве следующие:

• добавлены четыре вывода – SCL, SDA, IOREF (для осуществления совместимости по напряжению различных расширительных плат) и ещё один резервный вывод, пока не используемый;
• повышена помехоустойчивость по цепи сброса;
• увеличен объём памяти;
• ATmega8U2 заменён на микроконтроллер ATmega16U2.

Выводы Arduino Mega 2560R3 предназначаются для следующего:

1. Имеющиеся цифровые пины могут служить входом-выходом. Напряжение на них – 5 вольт. Каждый пин обладает подтягивающим резистором.
2. Аналоговые входы не оснащены подтягивающими резисторами. Работа основана на применении функции analog Read.
3. Количество выводов ШИМ составляет 15. Это цифровые выводы №2 – №13, №44 – №46. Использование ШИМ производится через функцию analog Write.
4. Последовательный интерфейс: выводы Serial: №0 (rx), №1 (tx); выводы Serial1: №19 (rx), №18 (tx); выводы Serial2: №17 (rx), №16 (tx); выводы Serial3: №15 (rx), №14 (tx).
5. Интерфейс SPI оборудован выводами №53 (SS), №51 (MOSI), №50 (MISO), №52 (SCK).
6. Вывод №13 – встроенный светодиод.
7. Пины для осуществления связи с подключаемыми устройствами: №20 (SDA), №21 (SCL).
8. Для внешних прерываний (низкий уровень сигнала, другие изменения сигнала) используются выводы №2 , №3, №18, №19, №20, №21.
9. Вывод AREF задействуется командой analog Reference и предназначается для регулирования опорного напряжения аналоговых входных пинов.
10. Вывод Reset. Предназначен для формирования незначительного уровня (LOW), что приводит к перезагрузке устройства (кнопка сброса).

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:

Другие идеи проектов

Проекты умного дома на Ардуино

Проекты умного дома являются одним из примеров того, как перейти от «игрушек» и тренажеров к реальным системам, помогающими и облегчающим жизнь. Как правило, с помощью ардуино невозможно создать полноценные автономные решения, но отдельные компоненты сделать вполне реально.

При этом нужно понимать, что сталкиваясь с реальными  инфраструктурными объектами, мы должны соблюдать особую предусмотрительность при работе с электричеством, отоплением, водопроводом под давлением, канализацией. Любые эксперименты здесь нужно проводить обязательно под контролем профессионала.

Что может являться прототипом умного дома на ардуино:

• Системы освещения с автоматическим включением и отключением в зависимости от показателей датчиков. Наиболее популярнее варианты – использовать датчик освещенности, PIR датчик движения или датчик звука.
• Дистанционно управляемые электрические приборы. Например, включение или выключение системы отопления в зависимости от температуры или умное управление освещением в помещениях. Здесь вам понадобятся различные виды реле и один из механизмов обеспечения беспроводной связи: WiFi, GPRS, Bluetooth или радиоканал. Управлять устройствами можно через Web-интерфейс (через браузер) или с использованием соответствующего мобильного приложения (можно написать самому или выбрать одну из готовых платформ).
• Всевозможные системы учета: воды, тепла, электроэнергии. Начинающим доступны любительские датчики напора воды, температуры, влажности, силы тока. Можно использовать и профессиональные приборы, взаимодействуя с ними по одному из промышленных протоколов. Полученные данные можно собирать локально или отправлять в облако для последующего анализа.
• Охранные системы и контролирование внештатных ситуаций. Здесь понадобится различные датчики присутствия, движения, звука, магнитные датчики Холла и другие. Естественно, не обойтись без коммуникаций и возможности быстрой передачи информации владельцу через интернет.

Каждое из этих направлений может содержать в себе десятки разных проектов. Вы можете без труда найти себе подходящий вариант в интернете или в одной из наших статей.

Проекты «Зеленой робототехники»

Юные ардуинщики, живущие в небольших городах и сельской местности, где много природы и не очень много «цивилизации», могут с успехом использовать ардуино для исследования и охраны природы, а также автоматизации сельского хозяйства. Вот некоторые из идей проектов, которые можно реализовывать своими силами на уровне прототипов и готовых решений:

• Умная теплица
• Полив растений
• Умный инкубатор
• Умный улей
• Антигрызуны
• Умный агроном
• Умный ошейник для животных
• Расширенная метеостанция
• Робот – сеяльщик
• Счетчик муравьев

Проекты с дронами: аэрофотосъемка, внесение удобрений.

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине