Журнал LinuxFormat - перейти на главную

LXF151:Arduino: Начнем знакомство

Материал из Linuxformat
(Различия между версиями)
Перейти к: навигация, поиск
Строка 1: Строка 1:
−
Arduino Освежив в памяти закон Ома, создадим нашу первую умную схему
+
Arduino Освежив в памяти закон Ома, создадим нашу первую умную схему
  
−
Arduino: Начнем знакомство
+
Arduino: Начнем знакомство
 +
 
 +
{{Врезка|Ширина=30%|Заголовок=Наш эксперт|Содержание=Когда LXF только появился, его держали на плаву исключительно скрипты ''Bash'' от Ника Вейча. Потом их заменили «люди», и это, по мнению Ника, стало шагом назад...}}
 +
 
 +
{{Врезка|Ширина=30%|Заголовок=Что нам нужно|Содержание=Для этого урока вам понадобится плата Arduino (сойдет любая), а для первой схемы – фоторезистор (или другой резистивный датчик) и резистор сопротивлением 10 кОм. Для второй схемы пригодятся обычные NPN-транзисторы и хороший набор резисторов. Также нужна последняя версия IDE Arduino.}}
  
 
''Создать полезное устройство с Arduino проще, чем вы думали. '''Ник Вейч''' начинает серию статей об Arduino с добавления датчиков к устройствам.''
 
''Создать полезное устройство с Arduino проще, чем вы думали. '''Ник Вейч''' начинает серию статей об Arduino с добавления датчиков к устройствам.''
Строка 17: Строка 21:
  
 
Сопротивление для всех типов датчиков обычно измеряется косвенно в резисторной сборке (называемой делителем напряжения). В цепочке резисторов отношение падения напряжения на каждом отдельном резисторе к общему напряжению, приложенному к цепочке, равно отношению сопротивления этого резистора к общему сопротивлению цепочки. И если собрать цепочку резисторов, в которую входит датчик, его сопротивление можно определить, измерив напряжение на датчике и сравнив его с общим приложенным напряжением. Во многих случаях точная величина сопротивления даже не нужна: достаточно получать определенный входной сигнал, который изменяется в диапазоне, позволяющем заметить, что изменилось исследуемое свойство.
 
Сопротивление для всех типов датчиков обычно измеряется косвенно в резисторной сборке (называемой делителем напряжения). В цепочке резисторов отношение падения напряжения на каждом отдельном резисторе к общему напряжению, приложенному к цепочке, равно отношению сопротивления этого резистора к общему сопротивлению цепочки. И если собрать цепочку резисторов, в которую входит датчик, его сопротивление можно определить, измерив напряжение на датчике и сравнив его с общим приложенным напряжением. Во многих случаях точная величина сопротивления даже не нужна: достаточно получать определенный входной сигнал, который изменяется в диапазоне, позволяющем заметить, что изменилось исследуемое свойство.
−
 Стоит усвоить основы — и возможно все!
 
  
 
=== Эй, здесь темно ===
 
=== Эй, здесь темно ===
 +
[[Файл:LXF140.rev arduino.ardu fmt.png|thumb|Стоит усвоить основы — и возможно все!]]  
 
Создание схемы, которая включает и выключает свет в зависимости от освещенности – пожалуй, эквивалент «Hello World» в Arduino. Это довольно простая схема, и для нее нужны всего два дополнительных компонента, которые легко доступны – а если у вас их нет, ну, достаньте их.
 
Создание схемы, которая включает и выключает свет в зависимости от освещенности – пожалуй, эквивалент «Hello World» в Arduino. Это довольно простая схема, и для нее нужны всего два дополнительных компонента, которые легко доступны – а если у вас их нет, ну, достаньте их.
  
Строка 180: Строка 184:
 
Хотя здесь мы пользовались обычным фоторезистором, те же принципы справедливы и для любого другого датчика на основе сопротивления, поэтому те же самые схемы подходят и во многих других случаях. Небольшие отличия есть для датчиков температуры – их выходная функция нелинейна, и для получения корректного аналогового значения обычно нужно заглянуть в таблицу или произвести некоторые вычисления – обо всем этом мы обязательно поговорим на следующих уроках.
 
Хотя здесь мы пользовались обычным фоторезистором, те же принципы справедливы и для любого другого датчика на основе сопротивления, поэтому те же самые схемы подходят и во многих других случаях. Небольшие отличия есть для датчиков температуры – их выходная функция нелинейна, и для получения корректного аналогового значения обычно нужно заглянуть в таблицу или произвести некоторые вычисления – обо всем этом мы обязательно поговорим на следующих уроках.
  
−
Наш эксперт
 
−
 
−
Когда LXF только появился, его держали на плаву исключительно скрипты ''Bash'' от Ника Вейча. Потом их заменили «люди», и это, по мнению Ника, стало шагом назад...
 
−
 
−
Что нам нужно
 
  
−
Для этого урока вам понадобится плата Arduino (сойдет любая), а для первой схемы – фоторезистор (или другой резистивный датчик) и резистор сопротивлением 10 кОм. Для второй схемы пригодятся обычные NPN-транзисторы и хороший набор резисторов. Также нужна последняя версия IDE Arduino.
 
  
 
«Код установки инициализирует контакты должными функциями.»
 
«Код установки инициализирует контакты должными функциями.»

Версия 02:43, 19 января 2018

Подписка на печатную версию
Весь 2015 год (12 номеров)
Первое полугодие (6 номеров)
Второе полугодие (6 номеров)
Подписка на электронную версию
Весь 2015 год (12 номеров)
Первое полугодие (6 номеров)
Второе полугодие (6 номеров)
Подшивки старых номеров журнала (печатные версии)
Весь 2014 год (12 номеров)
Первое полугодие (6 номеров)
Второе полугодие (6 номеров) 
Arduino Освежив в памяти закон Ома, создадим нашу первую умную схему

Arduino: Начнем знакомство



Создать полезное устройство с Arduino проще, чем вы думали. Ник Вейч начинает серию статей об Arduino с добавления датчиков к устройствам.

«Никогда не вредно провести расчеты для проверки.»
Признайтесь честно: вы купили макетную плату Arduino, загрузили примеры прошивок и полюбовались мигающими светодиодами, но с тех пор плата вместе с набором компонентов, которые вы приобрели в решимости создать нечто грандиозное, собирает пыль в шкафу.

Здесь нечего стыдиться, но если вы хотите узнать, как с небольшими усилиями сделать удивительные вещи, надеемся, эта серия руководств поможет вам. Да, нас ждет немного арифметики, и кое-что потребуется изучить. Сайтов с планами проектов для Arduino немало, но если вы не понимаете основ работы платы, то никогда не претворите свои великие планы в жизнь.

Мы не только покажем, что можно сделать на базе Arduino, но и ознакомим вас с теоретическими сведениями, лежащими в основе работы платы, и стоящими за ними расчетами – во всяком случае, в той мере, в какой это будет полезно.

На этом уроке мы подключим к Arduino несколько сенсоров и с их помощью будем управлять другими устройствами или просто записывать данные через последовательный порт. Это несложно и займет всего несколько минут, поэтому начнем.

Содержание

Простые датчики

Имеется множество компонентов с переменным сопротивлением, зависящим от условий окружающей среды – давления, температуры, света, звука, магнитного поля и др. Причина в том, что существует масса веществ, чье сопротивление естественным образом зависит от этих условий, а что для нас важнее – сопротивление довольно легко измерить и отреагировать на него в электрической цепи.

Сопротивление для всех типов датчиков обычно измеряется косвенно в резисторной сборке (называемой делителем напряжения). В цепочке резисторов отношение падения напряжения на каждом отдельном резисторе к общему напряжению, приложенному к цепочке, равно отношению сопротивления этого резистора к общему сопротивлению цепочки. И если собрать цепочку резисторов, в которую входит датчик, его сопротивление можно определить, измерив напряжение на датчике и сравнив его с общим приложенным напряжением. Во многих случаях точная величина сопротивления даже не нужна: достаточно получать определенный входной сигнал, который изменяется в диапазоне, позволяющем заметить, что изменилось исследуемое свойство.

Эй, здесь темно

(thumbnail)
Стоит усвоить основы — и возможно все!
 

Создание схемы, которая включает и выключает свет в зависимости от освещенности – пожалуй, эквивалент «Hello World» в Arduino. Это довольно простая схема, и для нее нужны всего два дополнительных компонента, которые легко доступны – а если у вас их нет, ну, достаньте их.

Фоторезистор (LDR, Light Dependent Resistor) как раз и представляет собой резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от падающего на него света. Существуют фоторезисторы различных типов, но самые распространенные имеют ромбовидную форму, около 4 мм в длину, а их сопротивление изменяется от нескольких сот ом (на ярком свету) до примерно 250 кОм (в глухой тьме).

Иногда к ним прикрепляют купола или линзы, чтобы собрать больше света, но обычно они помещаются в плоские эпоксидные корпуса. К счастью, их выходная характеристика весьма близка к линейной, что немного упрощает расчеты, если мы захотим выполнить настоящие измерения.

И, наконец, помните о рассеянии мощности. У всех подобных резисторов есть предельно допустимый ток, по превышении которого они сгорают. На практике в низковольтных схемах постоянного тока, обычно применяемых в Arduino, сжечь фоторезистор сложно, но помните об этом для других компонентов.

В нашей простой цепи мы объединим фоторезистор в цепочку с резистором сопротивлением 10 кОм. Тогда мы не потратим на нашу цепь чересчур много энергии, более чем достаточно защитим фоторезистор и получим приемлемое сравнительное значение в диапазоне сопротивлений фоторезистора.

Чтобы измерить напряжение, нужно лишь подключиться к середине цепочки и соединить ее с одним из аналоговых входов Arduino. Никогда не вредно провести расчеты для проверки, чего нужно ожидать.

При ярком свете измеренное сопротивление нашего фоторезистора составило 220 Ом. В темноте оно поднялось до 250 кОм. Следовательно [ULDR – напряжение на фоторезисторе; Uin – входное напряжение; RLDR – сопротивление фоторезистора, – прим. пер.]:

ULDR = Uin * (RLDR/ RLDR +10000)

ULDR = 5 * (220/10220) = 0,1 В при ярком свете

ULDR = 5 * (250000/260000) = 4,8 В в темноте

В аналоговых входах Arduino используются внутренние аналого-цифровые преобразователи (АЦП) Atmega. Они обладают 10-битной разрядностью сигнала и сравнивают поступающее напряжение с напряжением питания Arduino. Так, значение 1023 соответствует 5 В. На практике это напряжение меньше, особенно при питании через USB.

Но, поскольку сравнение все равно относительное, большой разницы не будет; хотя об этом стоит помнить, если вы пытаетесь провести точные измерения.

Схема, как она есть, приведена на рис. 1 в конце статьи; есть и фотография, чтобы вы смогли посмотреть, как это выглядит на макете. Осталось написать код, включающий свет.

/* Простой датчик освещенности

*/

int LDR = 1; // выбор входного контакта для LDR

int LED = 13; // выбор контакта для LED

int val = 0; // переменная, хранящая показание датчика

void setup() {

pinMode(LDR, INPUT); // объявим LDR как вход - INPUT

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

val = analogRead(LDR); // считываем показание датчика

delay(1000); // небольшая пауза

Serial.print(“Освещенность: “);

Serial.println(val);

}

«Прошивка» (так называется исходный код для Arduino) состоит из трех частей: глобальные определения, код установки и основной цикл. В первой секции определяются переменные, которыми мы собираемся воспользоваться, включая назначение меток контактам, которые мы будем употреблять для ввода и вывода.

Код установки инициализирует контакты должными функциями (это очень важно, так как у контактов есть несколько режимов работы и функций) и инициализирует последовательный ввод/вывод, чтобы впоследствии мы смогли записывать данные.

Основной цикл считывает показание с аналогового контакта и сохраняет результат в переменной, которую мы завели. Затем он просто проверяет, больше или меньше это показание определенного значения, и если «темно», зажигает светодиод.

Измеренное показание также отправляется на последовательный порт (чтобы мы могли следить за его изменениями), и затем нужна небольшая пауза на передышку. Пауза указывается в миллисекундах, так что у нас здесь показание считывается примерно раз в секунду. Если вы планируете разместить различные датчики на различных контактах, позаботьтесь о том, чтобы считывать их значения одновременно.

АЦП в микросхеме Atmega нужно некоторое время, чтобы вернуться в рабочее состояние, поэтому добавьте небольшую задержку между операциями считывания аналоговых значений, если важна точность. 

file:///home/ssr/Downloads/LXF151/lxf151-11f-tut-arduino-web-resources/image/LXF146.sup_php.arduino_opt.jpeg Включите монитор последовательного порта в IDE Arduino и следите за показаниями.

Идем дальше

Если вы просто хотите знать, светло или темно, использование аналогового входа – напрасная трата ресурсов. Поэтому датчики часто применяются только для установки событий – жарко/темно/влажно и т. п., и все, что нам нужно – установить их выход в логическую «единицу» или «ноль».

Можно просто подключить делитель напряжения к цифровому входу, но результаты окажутся не лучшими. Причина – в напряжении переключения: когда напряжение на выводе станет достаточно высоким для отправки логической единицы, вы войдете в состояние почти случайных включений и отключений. Такой способ ненадежен и для управления логическими схемами.

Работаем с Fritzing

ПО Fritzing было разработано специально для работы с Arduino и схемами на макете. Одна из основных возможностей программы – редактор макета, в котором можно разместить компоненты на макете и соединить их. Он преобразует их в схему и даже сможет создать печатные платы, хотя разводит он их неважно. Тем не менее, он прекрасно подходит для составления схем, и с его помощью можно убедиться, что компоненты макета соединены правильно.

file:///home/ssr/Downloads/LXF151/lxf151-11f-tut-arduino-web-resources/image/LXF146.sup_php.fritzin_opt.jpeg 

Fritzing умеет рисовать красивые картинки и проверять схему на макете.

Один из способов получения устойчивого положительного или отрицательного сигнала – воспользоваться транзистором в качестве цифрового переключателя, однако проблемы с непостоянными значениями вблизи напряжения переключения могут сохраниться.

Добавление дополнительного транзистора, впрочем, означает, что можно настроить петлю обратной связи, которая придаст устойчивость выходному сигналу. Напряжение, при котором система переходит в состояние «включено», можно сделать заметно выше, чем напряжение, необходимое для переключения обратно в состояние «выключено», создав таким образом буфер и исключив колебания состояний «включено»/«выключено».

Такая схема называется триггером Шмитта, и это краеугольный камень множества управляющих электронных схем. Для решения нашей задачи можно купить интегральные схемы с большим количеством триггеров Шмитта или добавить схему операционного усилителя, но с парой простых NPN-транзисторов стоимостью около 30 пенсов и несколькими резисторами сделать то же самое гораздо проще.

Расположение компонентов приведено на рис. 2. Мы воспользовались NPN-транзисторами BC547, но на самом деле подойдут любые NPN-транзисторы. Сопротивления резисторов в цепи определяют точки, в которых будет изменяться значение логического выхода. С нашими резисторами оно должно установиться в «единицу» при напряжении около 2,5 В и в «ноль» при напряжении около 1,3 В (при напряжении питания 5 В).

Чтобы получить точки переключения, которые вам нужны, можно изменять значения резисторов или добавить переменный резистор между базой второго транзистора и «заземлением» и с его помощью смещать точку переключения вверх и вниз.

Используем KTechLab

Существует немало приложений для работы с электронными схемами в Linux, но многие из них предназначены для профессионалов и главным образом сосредоточены на разработке микросхем, а не печатных плат или проектов Arduino.

А вот KTechLab подойдет и тем, для кого печатные платы – лишь хобби. Здесь есть функции построения схемы и разводки печатных плат и удобный симулятор электрических цепей, и вы сможете проверить, будут ли работать ваши триггеры Шмитта.

Обширной библиотеки компонентов нет, и – как, похоже, и во всех подобных программах – схему трудно перенести в любое другое приложение; но симулятор – это здорово!

 file:///home/ssr/Downloads/LXF151/lxf151-11f-tut-arduino-web-resources/image/LXF146.sup_php.ktechla_opt.jpeg

KTechlab не безупречен, но симулятор прекрасно справляется с простыми схемами.

Триггер счастлив

На сайте pcbheaven есть прекрасная статья о том, как реализовать триггер Шмитта (http://pcbheaven.com/wikipages/The_Schmitt_Trigger/), а также удобную утилиту для определения сопротивления используемых резисторов (http://pcbheaven.com/drcalculus/index.php?calc=st_tr). 

file:///home/ssr/Downloads/LXF151/lxf151-11f-tut-arduino-web-resources/image/LXF146.sup_php.circui_opt1.jpeg Простая схема вроде этой не потребует особых навыков работы с макетом, но всегда полезно сперва нарисовать ее и проверить соединения.

Код для управления такой цепью тоже довольно прост. Сначала можно использовать сочетание аналогового и цифрового методов, чтобы убедиться в правильной установке точек переключения. Соответствующая прошивка приведена ниже:

/* Датчик освещенности - аналоговый и цифровой

*/

int LDR = 1 // аналоговый контакт для LDR

int ledPin = 13; // выбор контакта для LED

int sensePin =12; // цифровой контакт

int val = 0;

int sense =0;

void setup() {

pinMode(LDR, INPUT); // объявим LDR как вход INPUT

pinMode(ledPin, OUTPUT); // объявим ledPin как выход OUTPUT

pinMode(sensePin, INPUT);

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

val = analogRead(LDR); // считываем показания датчика

sense = digitalRead(sensePin);

if (sense == 1)

digitalWrite(ledPin, LOW); // включаем ledPin

else

digitalWrite(ledPin, HIGH); // выключаем ledPin

delay(1000);

Serial.print(“reading: “);

Serial.println(val);

Serial.print(“sense: “);

Serial.println(sense);

}

Хотя здесь мы пользовались обычным фоторезистором, те же принципы справедливы и для любого другого датчика на основе сопротивления, поэтому те же самые схемы подходят и во многих других случаях. Небольшие отличия есть для датчиков температуры – их выходная функция нелинейна, и для получения корректного аналогового значения обычно нужно заглянуть в таблицу или произвести некоторые вычисления – обо всем этом мы обязательно поговорим на следующих уроках.


«Код установки инициализирует контакты должными функциями.»

 Включите монитор последовательного порта в IDE Arduino и следите за показаниями.

 Простая схема, объединяющая аналоговый сигнал освещенности и цифровой сигнал под управлением триггера Шмитта, на макете.

 Не хотите пропустить номер? Подпишитесь на www.linuxformat.ru/subscribe/!

«Триггер Шмитта – краеугольный камень множества схем.»

Законы надо соблюдать

Чтобы создавать работающие цепи, не нужно знать множество формул и теоретических сведений, но следует ознакомиться с несколькими фундаментальными законами, если вы хотите скорее зажечь светодиод, чем спалить его. Вот несколько самых главных.

1 Закон Ома

U = I * R

Перепишите его в любой форме, но в любой цепи и в любой части цепи напряжение на ней равно произведению тока на сопротивление.

2 Последовательное соединение резисторов

R = R1 + R2 + R3 …

Общее сопротивление цепочки резисторов равно сумме сопротивлений резисторов.

3 Напряжение на отдельном резисторе в цепочке

U1 = U * R1/(R1 + R2 + R3...)

Из двух предыдущих правил ясно, что напряжение на любом заданном резисторе в цепочке пропорционально отношению его сопротивления к сумме сопротивлений всех резисторов.

file:///home/ssr/Downloads/LXF151/lxf151-11f-tut-arduino-web-resources/image/LXF146.sup_php.circuit_opt.jpeg

 Рис. 1. В этой простой схеме мы объединили фоторезистор и резистор сопротивлением 10 кОм.

file:///home/ssr/Downloads/LXF151/lxf151-11f-tut-arduino-web-resources/image/LXF146.sup_php.circui_opt2.jpeg

 Рис. 2. Сопротивления резисторов во второй схеме определяют точки переключения логического выхода.

Источник — «http://wiki.linuxformat.ru/wiki/index.php?title=LXF151:Arduino:_%D0%9D%D0%B0%D1%87%D0%BD%D0%B5%D0%BC_%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE&oldid=15848»
Персональные инструменты
купить
подписаться
Яндекс.Метрика