Что такое Ардуино и зачем оно нужно

Платы для разработки электронных устройств «Ардуино» становятся настолько популярными, что на их основе организуются детские кружки и специальные классы робототехники в школе. Для реализации собственного проекта или начала обучения робототехнике стоит не только понимать, что такое «Ардуино», но и представлять его возможности.

что такое ардуино
Внешний вид ардуино.

Понятие «Ардуино»

Arduino представляет собой устройство, состоящее из одной печатной платы, оснащенное контроллером. Оно позволяет передавать и получать сигналы, управлять датчиками, внешними устройствами: освещением, электродвигателями.

Условно его разделяют на мозг и руки. В качестве мозга выступает микроконтроллер AVR семейства ATmega, чаще всего ATmega328.

«Ардуино» предоставляет такие же возможности, как и любая другая классическая плата с микроконтроллером, но управление реализовано гораздо проще, поэтому устройство доступно начинающим. На плате есть все, что необходимо для управления контроллером: тактирующее устройство, питание, сброс, различные подтяжки.

«Руками» служат электрические выводы. Их разное количество в зависимости от модели ардуино. Выводы бывают цифровыми и аналоговыми, назначение которых различается: на цифровой вывод подается логическая единица (3-5 В) или ноль (0-1,5 В), а аналоговые могут принимать сигнал с любым напряжением от 0 до 5 В и измерять его. Работают они по принципу 10-разрядного АЦП, разбивая диапазон на 1024 цифровых значения. Это позволяет измерять сигналы с аналоговых датчиков (термопары, фотодиода и т. д.) и осуществлять управление с плавной регулировкой.

Популярность устройства

«Ардуино» — универсальная система, позволяющая при минимальном наборе навыков создать множество электронных устройств.

Она дает возможность делать это:

  • без глубоких знаний в области программирования;
  • без создания печатной платы;
  • без необходимости пайки;
  • без создания сложных драйверов управления и преобразования аналогового сигнала.
Составные элементы Ардуино.

Подобная система подходит:

  • всем, кто интересуется робототехникой;
  • студентам и преподавателям в технических вузах и училищах;
  • специалистам для возобновления утраченных навыков.

Работа с «Ардуино» помогает непрофессионалу создать умную систему управления домом, самостоятельно сконструировать робота, быстро изучить основы программирования, а студентам — создать дипломный проект.

Простота в работе дала возможность появиться тысячам готовых проектов, уроков на русском языке. Доступны видеоинструкции, которые упрощают обучение.

Что можно создать

Благодаря дополнительным модулям и выбору плат, можно создать почти любое электронное устройство.

Чаще всего «Ардуино» применяется для конструирования:

  • учебных проектов, не претендующих на практическое использование;
  • проектов для автоматизации сельского хозяйства;
  • роботов;
  • умного дома или отдельных элементов управления домашней инфраструктурой;
  • развлекательных, креативных проектов и др.

Как общаться с «Ардуино»

Чтобы микроконтроллер понял, что необходимо сделать, нужно написать программу. Для этого был разработан специальный язык программирования, основанный на С++.

Инструкции работы платформы пишется в программной среде Arduino IDE. В ней уже есть рабочие примеры, изучив которые, можно получить базовое представление о том, как общаться с Arduino.

Существуют и специальные среды программирования, которые дают возможность не писать текст. Речь идет о визуальном программировании, графических средах для управления платами «Ардуино». Наиболее распространенные из них — Scratch, ArduBlock, FLProg.

Начало работы

Чтобы начать работать с «Ардуино», понадобятся:

  • плата с USB-кабелем;
  • провода и монтажная плата;
  • комплект электронных компонентов для базовых задач и источник питания;
  • предварительно установленная на компьютер среда для программирования.
Плата
Еще одна плата Ардуино.

Основные этапы

Прежде всего нужно выбрать контроллер. Для первого проекта подойдет модель Uno, которая имеет оптимальные характеристики: возможность подключения расширений, достаточное количество памяти, средний размер, небольшую цену.

Далее следует приобрести макетную плату и электронные компоненты. Их список меняется в зависимости от проекта.

Со сборкой устройства проблем не возникает. Однако важно не перепутать питание и землю. Быстро нагревающееся устройство говорит об этом. В остальном достаточно следовать инструкции.

Для программирования необходимо скачать специальную среду разработки. Если есть готовое устройство, то достаточно перенести в него программный код. Если речь идет о самостоятельной разработке, то придется разобраться в принципах программирования, синтаксисе и функциях, встроенных в «Ардуино».

После этого нужно скомпилировать программу и загрузить ее в контроллер.

Платы и модули для функционала

Существует много плат Arduino, описание которых говорит о различиях в объеме памяти, портах, питании, тактовой частоте и др. Одни предназначены для решения простых задач, другие — для решения более сложных.

К популярным платам относятся следующие виды:

  1. Arduino Uno.
    Наиболее распространенная плата. Есть большой выбор уроков. Плата допускает замену контроллера. Оснащена 14 цифровыми вводами-выводами (6 ШИМ), 6 аналоговыми входами, флеш-памятью 32 Кб (ATmega328), из которых 0,5 Кб использует загрузчик.
  2. Arduino Mega 2560.
    Создана на базе микроконтроллера ATmega2560. Флеш-память — 256 Кб, из которых 8 Кб использует загрузчик. Имеет 54 цифровых вводов-выводов (14 ШИМ), 16 аналоговых входов, 8 Кб оперативной памяти. Среди всех плат «Ардуино» у этой самый большой размер.
  3. Arduino Due.
    Оснащена 54 цифровыми вводами-выводами (12 ШИМ), 12 аналоговыми входами (2 выходами). Создана на базе микроконтроллера AT91SAM3X8E с рабочим напряжением 3,3 В и флеш-памятью 512 Кб.
  4. Arduino Pro Mini 3.3V.
    Самая миниатюрная плата в семействе Arduino. Напряжение — 3,3 В. Требует использования внешнего программатора. Память данных составляет 2 Кб. Создана на базе микроконтроллера ATmega328P. Количество цифровых выводов — 14 линий (6 из которых — ШИМ), аналоговых — 6.
  5. Arduino Pro Mini 5V.
    Аналог предыдущей модели с напряжением 5 В.
  6. Arduino Nano V3.0.
    Создана на базе ATmega328. Сдержит 32 Кб памяти, из которых 2 Кб использует загрузчик. Имеет 14 цифровых вводов-выводов (6 ШИМ), 6 аналоговых входов, встроенный порт USB. Напряжение — 5 В.
  7. Arduino Micro.
    Разновидность платы c возможностью имитировать различные USB-устройства при подключении к ПК. Оснащена 20 цифровыми вводами-выводами (7 ШИМ), 12 аналоговыми входами.

Кроме того, существуют дополнительные модули и датчики с нужными ответвлениями:

  1. Датчики.
    Системы, считывающие, отправляющие и обрабатывающие информацию. Расширяют аппаратные функции проекта.
  2. Модули.
    Дополнения, которые позволяют расширить вычислительные мощности проекта. К ним относят карты памяти, вспомогательные процессы.

Датчики можно разделить на категории:

  1. Устройства получения информации.
    Датчики и сканеры, позволяющие получить сведения об окружающей среде: давлении, температуре, влажности, расстоянии до объектов. Есть возможность вводить параметры, зависящие от этих показаний. С помощью датчика расстояния можно создавать роботы-пылесосы, которые передвигаются по комнате, избегая препятствий.
  2. Устройства обработки информации.
    Реализуются отдельно или совместно с предыдущими датчиками. Используются для совершения промежуточных операций.
  3. Устройства вывода информации.
    Это ЖК-экраны, светодиодные индикаторы, сенсорные экраны, динамики и т. д.

Среди наиболее популярных модулей «Ардуино» можно выделить:

  1. Ультразвуковой дальномер HC-SR04.
    Датчик, позволяющий с помощью ультразвука измерить расстояние от 2 см до 4 м.
  2. Инфракрасный дальномер Sharp.
    Измеряет расстояние от 20 см до 1,5 м посредством инфракрасного излучения.
  3. Модуль температуры и влажности DHT11.
    Измеряет температуру в диапазоне от 0 до +50°C и влажность от 20 до 90%. Используется для теплиц или в качестве комнатного термометра. Часто приобретается для умного дома.
  4. Датчик влажности почвы FC-28.
    Измеряет влажность почвы или другой среды. Нужен для автоматизированного полива растений.
  5. Bluetooth HC-06.
    Помогает организовать беспроводную связь с другими устройствами.

Критерии выбора

В основном на «Ардуино» создают 2 типа проектов: разрабатываемые самостоятельно и готовые.

Во втором случае лучше выбрать устройство, для которого и был сделан проект. Это будет проще и надежнее. Есть аналоги, которые выпускаются под другими торговыми марками, в том числе продаются в китайских интернет-магазинах. Не все они совместимы с оригинальными устройствами.

Если проект разрабатывается самостоятельно или плата покупается для различных экспериментов, то стоит брать более универсальные модели. В этом плане зарекомендовало себя устройство Arduino Uno.

Также при выборе стоит обратить внимание на такие параметры:

  1. Количество выводов. Их не всегда хватает при подсоединении большого количества датчиков и внешних устройств. Например, для подключения простого ЖК-экрана может понадобиться от 6 выводов.
  2. Память. Загрузчик занимает заданный объем памяти контроллера. В отдельных случаях ее недостаточно (если программа громоздкая). То же касается ОЗУ.
  3. Питание. Есть платы с низким энергопотреблением и питанием (от 3,3 В), со стандартными показателями (5 В) или с возможностью подключения источника до 12 В (например, для автомобиля).
  4. Тактовую частоту, размер платы, наличие USB-порта.
Проект
Новая плата от Ардуино.

Преимущества устройства

Основное преимущество «Ардуино» — простота работы. Благодаря широкому применению во всем мире, создается все больше уроков и интересных проектов.

К достоинствам устройства также относятся:

  1. Цена.
    Плата «Ардуино» в сборке стоит ненамного дороже отдельных электронных компонентов, которые использовались при ее изготовлении. Arduino Nano есть возможность купить по цене не дороже 1000 руб.
  2. Универсальность.
    Среда разработки для «Ардуино» работает со всеми распространенными операционными системами, включая Linux.
  3. Простота среды разработки.
    Программная оболочка будет удобна даже для новичков, которые раньше не собирали электронных устройств. При этом она подходит и для большинства продвинутых пользователей, благодаря гибкости.
  4. Открытый исходный код.
    Активные пользователи расширяют функции программы, которая написана на языке C++.
  5. Помощь в обучении.
    На примере «Ардуино» студенты и школьники начинают изучение языка программирования С++, основы схемотехники.
  6. Возможность не использовать программатор для большинства устройств.
    Собрать первый проект можно за минуты через USB.

Профессионалам или любителям такое устройство может не показаться универсальным. Но в отдельных проектах и экспериментальных моделях выбор оправдан.

Ссылка на основную публикацию