Описание Arduino uno

Arduino Uno — печатная плата с программируемым микроконтроллером. Это устройство было разработано итальянской компанией Arduino Software в 2005 г. Данная платформа позволяет управлять различными электронными приборами в автономном режиме или при помощи ПК.

Arduino Uno

Описание и распиновка платы «Ардуино Уно»

Плата Arduino Uno состоит из 6 входов и 14 выводов, предназначенных для преобразования аналогового сигнала в цифровую последовательность. Аналоговые пины обозначаются буквой A, цифровые — символом D. На плате расположены кнопки перезагрузки, кварцевый генератор, разъемы USB и ISP, предназначенные для связи платы с блоком питания. Контроллер «Ардуино Уно» изготовлен на основе процессора ATmega 328 (тактовая частота составляет 16 МГц). Благодаря открытой архитектуре системы, пользователь может модернизировать плату и подсоединять к ней периферийные комплектующие.

Распиновка (pinout) Arduino Uno выглядит следующим образом:

  1. Шины №0 (RX) и №1 (TX) используются для получения и передачи информации.
  2. Выводы №2 и №3 применяются для внешнего прерывания.
  3. Выводы под номерами 3-11 необходимы для широтно-импульсной модуляции — процесса регулирования мощностей электронных устройств.
  4. Контакты №10 (SS), №11 (MOSI), №12 (MISO) и №13 (SCK) связывают периферийные устройства и микроконтроллер при помощи SPI (последовательного синхронного стандарта передачи данных).
  5. Вывод №13 питает подключенные полупроводниковые приборы — светодиоды.
  6. Входы A0-A5 предназначены для подключения аналоговых устройств. Они имеют разрешение в 10 бит и соединены с десятиразрядным аналого-цифровым преобразователем.
  7. Вывод AREF изменяет верхние пределы напряжения при помощи функции Analog Reference.
  8. Выводы №4 (SDA) и №5 (SCL) связывают интегральные схемы посредством шины I2C и электронной библиотеки Wire.
  9. Вывод Reset перезагружает микроконтроллер.

Распиновка платы

С помощью «Ардуино Уно» можно разрабатывать электротехнические устройства. Для ознакомления с аппаратом и принципом работы платы была составлена программа, включающаяся несколько учебных проектов для начинающих разработчиков. В образовательной программе описаны методы сборки электронных приборов с мигающими светодиодами, датчиками, приспособлениями для регистрации информации, машинами с шаговыми двигателями и устройствами с системой GPS.

Профессиональные разработчики с помощью Arduino Uno могут проектировать умные дома, автономных роботов и элементы управления инфраструктурой небольшого предприятия. При подключении датчика DHT11 можно создать автоматические поливочные системы.

Приобретя плату расширения CNC Shield, пользователи смогут разрабатывать небольшие станки с ЧПУ.

Основные характеристики

Плата Arduino Uno версии R3 обладает следующими характеристиками:

  1. Максимальная величина выходного тока пина с напряжением 5V: 0,8 А.
  2. Тактовая частота кварцевого процессора: 16 МГц.
  3. Количество аналоговых и цифровых портов ввода-вывода: 20.
  4. Число портов, поддерживающих широтно-импульсную модуляцию: 6.
  5. Разрядность аналого-цифрового преобразователя: 10 бит.
  6. Максимально допустимая величина тока с пина ввода-вывода: 0,04 А.
  7. ОЗУ микроконтроллера: 2 КБ.
  8. Флэш-память: 32 КБ (0.5 КБ которых отведены под bootloader).
  9. Размерные параметры устройства: 6,9×5,3 см.
  10. Допустимое входное напряжение на разъеме питания: 7-12 В.
  11. Электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ EEPROM: 1 кб.
  12. Количество встроенных светодиодов: 1 (расположен на 13 порту).

Для платы разрабатываются дополнительные модификации, повышающие ее технические характеристики. Последний пакет обновлений был выпущен 15 марта 2019 г.

Плата Arduino Uno

Схемы платы

Arduino Uno является открытой платформой, поэтому пользователи могут собрать ее своими руками при помощи принципиальных электронных схем. Они размещены в свободном доступе на официальном сайте компании Arduino Software. На схемах указываются способы подключения устройства к ПК и местоположение всех элементов платы.

Для сборки необходимо приобрести процессор ATmega328, микросхему FT232R, печатную плату, светодиод, резисторы и конденсаторы марки SMD с типоразмером 0805 и номиналом 0,1 мкф. Детали продаются в магазинах электроники или на торговых площадках в интернете. Средняя стоимость комплектующих составляет 160-220 руб.

Для устранения неполадок в работе программного обеспечения Arduino Uno нужно прошивать плату. Для повторной прошивки устройства требуется программатор. Методы подключения «Ардуино Уно» к этому прибору также указаны на официальных электронных схемах платы. Установить новое ПО можно при помощи программ для программирования микроконтроллеров AVR.

Создавать электронные схемы платы можно при помощи программы Proteus. Разработчику предоставляют возможность предварительно смоделировать макет Ардуино Уно, указав местоположение основных компонентов. «Протеус» является платной программой.

Бесплатная ознакомительная версия обладает полным набором функций, но не может сохранять файл проекта.

Размеры платы

Длина и ширина Arduino Uno составляет 69 и 53 мм. Силовой разъем и порт USB выступают за границы устройства на 0,2 см. Дистанция между пинами ввода и вывода равняется 1 дюйму (0,254 см). Эта величина является номинальной и соответствует международным стандартам. Исключением является расстояние между контактами №7 и №8, составляющее 0,4 см.

Размеры платы

Пины «Ардуино»

Пины Arduino Uno подразделяются на 4 группы:

  1. Power Pins (Vin и GND) — непрограммируемые порты, выдающие стабилизированное напряжение, величиной 5V или 3,3V.
  2. PWM Pins — порты, поддерживающие широтно-импульсную модуляцию. Пользователь может изменить их режим работы при помощи функции pinMode. К этому виду относятся пины под номерами 2, 5, 6, 9, 10, 11.
  3. Analog in — аналоговые порты, принимающие входящие сигналы от датчиков. При недостатке портов общего назначения их можно использовать в качестве цифровых пинов. К этой группе относятся контакты A0, A1, A2, A3, A4, A5.
  4. Digital in — цифровые порты, используемые для принятия сигналов 2 типов: LOW и HIGH. К ним относятся контакты под номерами 2-13. Пины №2 и №3 поддерживают аппаратные прерывания.

На плате присутствуют 2 дополнительных контакта: AREF ил RESET. Порт AREF выдает опорные напряжения аналоговых входов для встроенного АЦП. Пин RESET подает сигналы низкого уровня, производя аппаратную перезагрузку микроконтроллера.

Интерфейсы и порты ввода/вывода

В Arduino Uno присутствует 2 интерфейса:

  1. SPI: используется для подключения периферийных устройств и их высокоскоростного сопряжения с микроконтроллером. Позволяет синхронно передавать большие объемы данных в режиме полного дуплекса.
  2. I2C: применяется для подключения внешних цифровых приборов и синхронизации информации. Он работает с помощью протокола I2C, что обеспечивает целостность передаваемых данных.

Для работы с такими интерфейсами применяется среда Arduino IDE. В нее встроены электронные библиотеки, где содержатся файлы с программным кодом.

Интерфейсы и порты ввода/вывода

Для передачи различных видов данных используются следующие порты ввода/вывода:

  1. Цифровые пины: применяются для подачи команд к внешним устройствам. К этим контактам по умолчанию подключаются подтягивающие резисторы, активируемые при помощи программы.
  2. АЦП: комплекс, состоящий из 6 аналоговых портов. Передача данных осуществляется в виды 10-битного числа.
  3. TWI/I2C: пины для связи платы с периферией при помощи синхронного протокола I2C. К ним относятся порты SDA и SCL.
  4. SPI пины: контакты для связи по интерфейсу Serial Peripheral Interface. В эту группу входят порты SS, MOSI, MISO и SCK.
  5. UART пины: предназначены для подключения платы к компьютеру. К ним относятся контакты RX и TX. Порты соединены с выводами микроконтроллера, выполняющего функции преобразователя USB-UART.

Многие пины ввода/вывода обладают 5-вольтной логикой. Они выводят напряжение 5V. Максимальная сила тока в этом случае составляет 40 мА.

Способы индикации

Для индикации, откладки и проверки правильности написания программного кода Arduino Uno используется встроенный светодиод. При подаче сигнала высокого уровня на контакт №13, светодиод включается, загораясь красным цветом. При подаче низкого сигнала устройство выключается. При обмене данных между платой и ПК светодиод мигает. Этот способ индикации позволяет быстро фиксировать и исправлять ошибки в программном коде.

Способы индикации

Подключение питания

Плата «Ардуино Уно» питается следующими способами:

  1. От внешнего источника. Рекомендуемое напряжение составляет от 7 до 12 В. В противном случает плата может перегреться и повредиться.
  2. При помощи USB-порта, подсоединяемого к системному блоку ПК.
  3. С помощью пина 5V. Электродвижущая сила 5 В подается на порт. При превышении допустимых значений плата может полностью сломаться.

Для передачи электродвижущей силы применяются следующие порты вывода:

  1. 3.3V: на него подается напряжение 3,3 В от внутреннего стабилизатора.
  2. GND: отвечает за заземление.
  3. IREF: информирует периферийные устройства о рабочей электродвижущей силе платы.
  4. 5V: применяется для питания внешних приборов.

При превышении допустимых значений электродвижущей силы может возникнуть короткое замыкание. Для его предотвращения используются стабилизаторы напряжения, на плате они подключаются к встроенным датчикам. Индикаторы определяют величину электродвижущей силы. При превышении допустимых значений устройство понижает силу тока, стабилизируя работу платы.

Связь с внешними устройствами

Для подключения внешних устройств к Arduino Uno необходимо подсоединить USB-порт к контактам RX и TX. Они передают данные от контроллера к ПК при помощи последовательного интерфейса UART. Для взаимодействия с компьютером программным способом необходимо использовать среду Arduino IDE. Контроль качества соединения платы с ПК производится при помощи приложения Serial Monitor.

Датчики, светодиоды и иные дополнительные модули необходимо подключать к цифровым и аналоговым контактам платы. При подсоединении используются 3 порта для питания и принятия сигнала. Многие модули производятся сторонними компаниями и не поддерживаются компьютерами с операционной системой Windows в автоматическом режиме. Для их стабильной работы необходимо устанавливаться дополнительные драйверы.

Связь с внешними устройствами

Особенности программирования

Написание кода для Arduino Uno осуществляется в среде программирования Arduino IDE. Ее можно скачать на официальном сайте Arduino Software. Интерфейс программы полностью переведен на русский язык. После установки Arduino IDE нужно в настройках выбрать необходимую платформу.

Для этого необходимо выполнить следующий алгоритм действий:

  1. В верхнем меню найти меню «Инструменты».
  2. Открыть вкладку «Плата».
  3. Из предложенного списка нужно выбрать Arduino Uno.

После настройки среды программирования пользователь может создать новый проект, писать и компилировать код. Загружать программу в плату необходимо при помощи USB-порта. Для этого необходимо подсоединить ПК к плате и нажать кнопку «Загрузить». Для экономии времени можно загрузить дополнительные библиотеки с готовыми программами для Arduino IDE.

Установка драйверов

При подключении платы от официального производителя компьютер на платформе Windows самостоятельно загрузит драйверы при помощи установщика.

Если при открытии ZIP-архива устройство не было распознано, то необходимо выполнить следующие действия:

  1. Зайти в меню «Пуск» и открыть панель управления.
  2. Найти вкладку «Система и безопасность».
  3. Открыть диспетчер устройств.
  4. В графе «Порты (COM и LPT)» найти порт, используемый для «Ардуино Уно», и нажать на него правой кнопкой мыши.
  5. Открыть вкладку «Обновить драйверы» и выбрать файл с наименованием «Arduino UNO.inf».

Компьютер самостоятельно выполнит загрузку необходимых драйверов. После окончания процесса загрузки нужно нажать на кнопку «Завершить».

Перезагрузка «Ардуино»

При подключении платы к ПК с операционной системой Windows, MacOS и Linux плата автоматически перезагружается. Эта процедура длится несколько секунд. Во время перезагрузки происходит отправка информации от ПК к плате. Первые байты информации передаются с задержкой, что позволяет избежать получения некорректных данных. Для отключения автоматической перезагрузки устройство необходимо удалить линию RESET-EN или подключить резистор с сопротивлением 110 ОМ рядом с линией 5V.

Сравнение с другими платами

В отличие от Arduino Nano, плата «Ардуино Уно» подключается к ПК при помощи USB-кабеля с портом TYPE-B. «Ардуино Нано» подсоединяется к компьютеру с помощью кабеля с разъемом Mini или Micro USB. В плате Uno присутствует дополнительный порт DC, что обусловлено большими габаритами устройства.

В плате Arduino Mega присутствует 54 цифровых и 16 аналоговых портов. У этой модели больше контактов, поддерживающих аппаратные прерывания. Также данные устройства различаются по объему внутренней памяти. Arduino Uno является одной из самых недорогих плат. Дешевле этого устройства стоит платформа «Ардуино Про Мини». Но она обладает меньшим количеством контактов и дополнительных модулей.

Ссылка на основную публикацию