Arduino ploča izrađena vlastitim rukama: 8 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:34

Dizajniranjem vlastite Arduino ploče naučit ćete neke nove komponente i elektroničke sklopove, uključujući neke napredne teme poput napajanja, vremenskog kruga i uporabe ATmega IC (integriranog kruga).

U budućnosti će vam pomoći pri stvaranju vlastitih projekata poput meteorološke stanice, štita za kućnu automatizaciju itd.

Prednost vlastitog Arduina je u tome što ima nisku potrošnju energije i osigurava da projekt može dugo raditi na bateriji.

Osim toga, ploču možete proširiti dodavanjem proširenja za digitalne ili analogne portove ili nekim komunikacijskim modulima.

Pribor

Hardver

Za izradu minimalističkog Arduina trebat će vam sljedeći hardver:

1x mikrokontroler ATmega328P-PU s Arduino pokretačkim programom

1x linearni regulator napona 7805 (5v izlaz, maksimalni ulaz 35v)

1x matična ploča (koristim ploču s 830 iglica)

Razne spojne žice

1x 16 MHz kristalni oscilator

1x 28 -polna IC utičnica

1x 1 μF, 25 V elektrolitički kondenzator

1x 100 μF, 25 V elektrolitički kondenzator

2x 22 pF, 50 V keramički kondenzatori

2x 100 nF, 50 V keramički kondenzatori

2x otpornika od 330 Ohma (R1 i R2)

1x 10 kOhm otpornik (R3)

2x LED diode po vašem izboru (LED1 i LED2)

1x tipkalo

Opcionalno 2x 6-pinsko zaglavlje i 3x 8-pinsko zaglavlje

1x kopča za bateriju tipa PP3

1x 9 V baterija tipa PP3

1x adapter za programiranje FTDI

Korak 1: Linearni regulator napona 7805

Linearni regulator napona sadrži jednostavan krug koji pretvara jedan napon u drugi. Regulator 7805 može pretvoriti napon između 7 i 30 volti u fiksnih 5 volti, sa strujom do 1 pojačalo, što je savršeno za našu Arduino ploču.

Počet ćemo s stvaranjem kruga napajanja koji sadrži regulator napona 7805 u obliku TO-220 i dva kondenzatora sa po 100 μF.

Kada gledate prednji dio čipa 7805 - pin s lijeve strane služi za ulazni napon, središnji pin se spaja na GND, a desni pin je 5 V izlazni priključak. Ja bih preporučio postavljanje hladnjaka, jer kada krug izvuče najviše 1 amp struje, čip 7805 bit će tiho vruć (možete opeći vrh prsta kada ga dodirnete).

Postavite kondenzator od 100 μF između IN regulatora i mase i kondenzator od 100 μF na desnu tračnicu između napajanja i tla. Morate biti oprezni - elektrolitički kondenzator je polariziran (srebrna traka na kondenzatoru označava uzemljenje) i mora se postaviti točno prema shemi.

Dodajte žice za napajanje i uzemljenje za mjesto na kojem će se nalaziti vaš regulator napona, povezujući svaku šinu u sredini i na desnom dijelu ploče. Na ovaj način imamo napajanje od 5 V s gornje i donje tračnice ploče. Dodatno ćemo uključiti crvenu LED lampicu koja svijetli kada je napajanje uključeno, na taj način uvijek možemo vidjeti kada je naša ploča napajana.

LED dioda je dioda i dopušta protok električne struje samo u jednom smjeru. Električna energija trebala bi teći u dugi krak i izlaziti iz kratkog. Katoda LED diode također ima jednu blago spljoštenu stranu, što odgovara kratkoj, negativnoj nozi LED -a.

Naš krug ima napajanje od 5 volti, a crvena LED dioda ima nazivnu vrijednost od 1,5 do 2 volta. Da bismo smanjili napon, moramo otpornik spojiti uzastopno sa LED diodom koja ograničava količinu struje koja teče kako bi se spriječilo uništavanje LED diode. Dio napona će upotrijebiti otpornik, a samo odgovarajući dio će se primijeniti na LED. Umetnite otpornik između kratkog kraka LED diode i reda s crnom žicom s desne strane čipa (GND).

Crvena i crna žica s lijeve strane regulatora napona bit će priključene na napajanje. Crvena žica je za POWER, a crna za masu (GND).

NAPOMENA: Možete priključiti samo izvor napajanja između 7-16V. Sve niže i nećete dobiti 5V iz vašeg regulatora, a veći napon od 17 V oštetit će vaš čip. Prikladna je 9V baterija, 9V DC napajanje ili 12V DC napajanje.

A za još neka unaprijed navedena kola možete postaviti regulator napona s podesivim naponom. Na ovaj način možete dodati neke 3,3 V senzore na ploču ili napajati motor od 9 V DC.

Više o linearnim regulatorima napona -

www.instructables.com/id/Introduction-to-Linear-Voltage-Regulators

Korak 2: Mikrokontroler ATmega328P-PU

Za izradu Arduina na matičnoj ploči potreban vam je mikrokontroler ATmega328P-PU koji je mozak naše vlastite Arduino ploče. Postavite ga kako je prikazano na shemama i budite oprezni - noge se mogu slomiti ako ih pritisnete ili možete upotrijebiti 28 -polnu IC utičnicu. IC treba postaviti s rezom u obliku mjeseca orijentiranom lijevo od ploče (pinovi su numerirani od 1 do 28 u smjeru suprotnom od kazaljke na satu).

NAPOMENA: Ne sadrže svi ATmega IC Arduino bootloader (softver koji mu omogućuje tumačenje skica napisanih za Arduino). Kada tražite mikrokontroler za svoj vlastiti Arduino, svakako odaberite onaj koji već uključuje bootloader.

Evo malo teorije mikrokontrolera

Mikrokontroler je maleno računalo s procesorom koji izvršava upute. Ima različite vrste memorije za čuvanje podataka i uputa iz našeg programa (skica); ATmega328P-PU ima tri vrste memorije: 32 kB ISP (programiranje u sustavu) flash memorija u kojoj se spremaju skice, 1 kB EEPROM-a (električno izbrisiva programibilna memorija samo za čitanje) za dugoročno pohranjivanje podataka i 2 kB SRAM-a (statička memorija sa slučajnim pristupom)) za spremanje varijabli dok se skica izvodi.

NAPOMENA: Važno je znati da se podaci u flash memoriji i EEPROM -u zadržavaju kada se napajanje mikrokontrolera isključi.

Mikrokontroler ima 13 digitalnih ulazno/izlaznih linija opće namjene (GPIO) i šest 10-bitnih (vrijednosti između 0 i 1023) analognih GPIO linija digitalnog pretvarača (ADC) za pretvaranje napona na pinu u digitalnu vrijednost. Postoje tri brojača s dva 8-bitna mjerača vremena s vrijednostima između 0 i 255 i jednim 16-bitnim mjeračem vremena s vrijednostima između 0 i 65535, koje koristi funkcija delay () u skici ili modulacija širine impulsa (PWM).

Postoji pet softverskih načina za uštedu energije, a mikrokontroler radi između 1,8 V i 5,5 V. Sliku možete koristiti kao referencu za raspored pinova ATmega328P-PU.

Postoje tri skupine priključaka: PB, PC i PD sa 8, 7 i 8 pinova, plus dva uzemljenja (GND), 5V pin (VCC) s naponom napajanja (AVCC) i analogni referentni napon (AREF) pinovi za analogno-digitalni pretvarač (ADC).

Korak 3: ATmega328P-PU međusobna veza

Nakon postavljanja IC -a, spojite pinove 7, 20 i 21 ATmege na tračnicu s pozitivnom snagom na ploči, a pinove 8 i 23 na negativne tračnice napajanja, upotrijebite kratkospojne žice za povezivanje pozitivnih i GND naponskih tračnica s obje strane ploču, kao što je prikazano na slici.

Pin 7 - Vcc - Digitalni napon napajanja

Pin 8 - GND

Pin 22 - GND

Pin 21 - AREF - Analogni referentni pin za ADC

Pin 20 - AVcc - Napon napajanja za ADC pretvarač. Mora se spojiti na napajanje ako se ADC ne koristi kao u našem primjeru. Ako ga želite koristiti u budućnosti, mora se napajati putem niskopropusnog filtra (kako bi se smanjila buka).

Nakon toga postavite četrnaestosmjerni pin zaglavlja-bit će sličan Arduino GPIO-ima.

Korak 4: Gumb za resetiranje

Dodajte mali taktilni prekidač kako biste mogli resetirati Arduino i pripremiti čip za postavljanje novog programa. Kratkim pritiskom na ovaj prekidač čip će se resetirati.

Gumb za resetiranje umetnut ćemo u svoj krug kao što je prikazano na slici, kada ga pritisnemo, električni krug će se skratiti na GND zaobilazeći otpornik od 1 kOhm i spojiti ATmega pin 1 na GND. Zatim dodajte žicu s donje lijeve strane prekidača na RESET pin ATmega čipa i žicu s gornje lijeve noge prekidača na tlo.

Dodatno, dodajte 10 k Ohm pull-up otpornik na +5V iz RESET pina kako biste spriječili resetiranje čipa tijekom normalnog rada. Ovaj otpornik bit će spojen na napajanje od 5 volti, "povlačeći" pin 1 do 5 volti. A kad spojite Pin 1 na 0V bez otpornika, čip će se ponovno pokrenuti. Na ponovnom pokretanju mikrokontrolera potražite novi program koji se učitava (pri uključivanju ako se ne pošalje ništa novo, on pokreće zadnji poslani program).

Otpornik ima četiri boje. Čitanje smeđe = 1, crno = 0, narančasto = 3 daje nam broj 103. Otpor u Ohmima počinje '10' s 3 nule nakon - 10 000 Ohma ili 10 kilo Ohma, a zlatna pruga je tolerancija (5 %).

Za nadogradnju našeg kruga - možemo postaviti 'odvojni' kondenzator '. Postavite keramički kondenzator od 100 nF (nano Farad). To je mali disk s dvije žice s oznakom '104', a ova vrsta kondenzatora nije polarizirana i može se postaviti u bilo kojem smjeru.

Ovaj kondenzator za odvajanje izglađuje električne udarce, pa se signal ponovnog pokretanja koji se šalje na pin 1 pouzdano detektira. Brojke 104 prikazuju njegov kapacitet u pico Faradu u znanstvenim zapisima. Posljednja brojka '4' govori nam koliko nula treba dodati. Kapacitet počinje '10', a zatim se nastavlja s daljnje 4 nule - 100 000 piko Farada, a budući da je 1000 piko Farada 1 nano Farada, postoji 100 nano Farada (104).

Umetnite kondenzator između gornje lijeve noge čipa (iglica 1, obrnuto od kazaljke na satu od oblika polumjeseca)

Korak 5: Kristalni oscilator

Sada ćemo napraviti sat za IC. Radi se o kvarcu od 16 Mhz i dva keramička kondenzatora od 22 pF (piko Farad). Kristalni oscilator stvara električni signal s vrlo točnom frekvencijom. U ovom slučaju frekvencija je 16 MHz, što znači da mikrokontroler može izvršiti 16 milijuna procesorskih uputa u sekundi.

Kristal od 16 MHz (brojka) omogućuje Arduinu izračunavanje vremena, a kondenzatori služe za uglađivanje napona napajanja.

Noge od kristala kvarca su iste - ne možete ih spojiti unatrag. Spojite jednu nogu kristala na pin 9 na čipu ATmega, a drugu nožicu na pin 10. Spojite nogice jednog od 22 pF diskovnih kondenzatora na pin 9 i GND, a drugi kondenzator diska na pin 10 i GND, kao prikazano na slici.

Napomena: disk kondenzatori su nepolarizirani i mogu se umetnuti na bilo koji način.

Vrijedno je spomenuti da duljine žica između kondenzatora od 22 pF moraju biti jednake duljine i trebaju biti što bliže kontroleru kako bi se izbjegle interakcije s drugim dijelovima krugova.

Korak 6: Dodavanje LED diode na pin 13

Sada ćemo dodati zelenu LED diodu (digitalni pin 13 na Arduinu).

Umetnite dugačku nogu sa LED diodama u red ispod crvene žice (s desne strane čipa - napajanje ili 5 volti) i kratku nogu u prvi prazan red ispod mikrokontrolera.

Ovaj otpornik od 330 ohma spojen je serijski sa LED diodom, čime se ograničava količina struje koja teče kako bi se spriječilo uništavanje LED dioda.

Umetnite otpornik između kratkog kraka LED diode i reda koji sadrži crnu žicu s desne strane čipa (GND ili 0 volti)

Svi analogni, digitalni i drugi pinovi dostupni na normalnoj Arduino ploči dostupni su i u našoj verziji matične ploče. Kao referencu možete koristiti shemu i pin tablicu ATmega.

Korak 7: USB na serijski konektor

Mikrokontroler ATmega 328P-PU pruža tri komunikacijska načina: serijski programabilni USART (univerzalni sinkroni i asinkroni prijamnik-odašiljač), SPI (serijsko periferno sučelje) serijski port i dvožilno serijsko sučelje. USART uzima bajtove podataka i prenosi pojedinačne bitove uzastopno, što zahtijeva prijenosne (TX) i prijemne (RX) komunikacijske linije. SPI koristi četiri komunikacijske linije: master-out slave-in (MOSI), master-in slave-out (MISO) i serijski sat (SCK) s zasebnom linijom za odabir slave (SS) za svaki uređaj. I2C komunikacijska sabirnica s dvije žice (TWI) koristi dvije signalne linije: serijske podatke (SDA) i serijski sat (SCL).

Za povezivanje naše ploče s računalom s Arduino IDE -om za preuzimanje skice, upotrijebit ćemo USB do serijsko UART sučelje, poput FT232R FTDI.

Prilikom kupnje FTDI kabela provjerite je li to 5 V model jer model od 3,3 V neće raditi ispravno. Ovaj kabel (prikazan na slici) ima USB priključak na jednom kraju i utičnicu sa šest žica na drugom.

Kad povezujete kabel, provjerite je li strana utičnice s crnom žicom spojena na GND pin na iglama zaglavlja ploče. Nakon što je kabel spojen, on također napaja krug, baš kao što bi to učinila normalna Arduino ploča.

Zatim ćemo povezati naš FTDI s našom vlastitom Arduino pločom; za referencu možete koristiti tablicu i shemu.

Elektrolitski kondenzator od 0,1μF spojen je između pina DTR (Data Terminal Ready) na USB -u za serijsko UART sučelje i Reset mikrokontrolera, koji resetira mikrokontroler za sinkronizaciju s USB -om na serijsko sučelje.

NAPOMENA: Jedan dio računala je da RX pin mikrokontrolera mora biti spojen na TX USB -a na serijski adapter, a isto s TX -om jednog uređaja na RX drugog.

CTS (Clear to Send) pin na USB -u za serijsko UART sučelje nije spojen na mikrokontroler.

Za preuzimanje skice na mikrokontroler u Arduino IDE -u na izborniku Alati ➤ Port odaberite odgovarajući komunikacijski (COM) port, a na izborniku Alati ➤ Ploča odaberite Arduino/Genuino Uno. Skica se sastavlja u Arduino IDE -u i zatim učitava u mikrokontroler s USB -om na serijsko UART sučelje. Kad se skica preuzme, zelena i crvena LED dioda USB-serijskog UART sučelja TXD i RXD trepere.

USB na serijsko UART sučelje može se ukloniti i 5V napajanje spojiti na mikrokontroler. LED i 220 kΩ otpornik spojeni su na pin 19 mikrokontrolera, što je ekvivalentno Arduino pinu 13, kako bi se izvršila skica treptanja.

Korak 8: Prijenos skice ili instaliranje pokretačkog programa

Ako nemate USB u serijski pretvarač-možete upotrijebiti drugi Arduino (u mom slučaju Arduino UNO) za postavljanje skice ili pokretačkog programa na samostalno napravljenu ploču.

Mikrokontroleri ATmega238P-PU zahtijevaju pokretački program za učitavanje i pokretanje skica iz Arduino IDE-a; kada se napajanje uključi na mikrokontroler, pokretački program utvrđuje hoće li se učitati nova skica, a zatim učitava skicu u memoriju mikrokontrolera. Ako imate ATmega328P-PU bez pokretačkog programa, tada možete učitati pokretački program pomoću SPI komunikacije između dvije ploče.

Evo kako učitati pokretački program za učitavanje na ATmega IC.

Prvo počnimo s konfiguriranjem našeg Arduino UNO -a kao ISP -a, to je učinjeno jer želite da Arduino UNO učita skicu na ICme ATmega, a ne na sebe.

Korak 1: Konfiguriranje našeg Arduino UNO -a kao ISP -a

Nemojte spajati ATmega IC dok je dolje pokrenut prijenos.

• Priključite arduino na računalo
• Otvorite arduino IDE
• Odaberite odgovarajuću ploču (Alati> Ploča> Arduino UNO) i COM port (Alati> Port> COM?)
• Otvorite> Primjeri> ArduinoISP
• Učitaj skicu

Nakon toga možete spojiti vlastitu ploču na Arduino UNO slijedeći krug kako je prikazano na shemi. U ovoj fazi nema potrebe za napajanjem vlastite ploče jer bi Arduino osigurao potrebnu snagu.

Korak 2: Prijenos skice ili pokretačkog programa

Sa svim spojenim otvorite IDE iz mape koju ste upravo stvorili (kopija).

• Odaberite Arduino328 iz Alati> Ploča
• Odaberite Arduino kao ISP iz Alati> Programer
• Odaberite Burn Bootloader

Nakon uspješnog snimanja dobit ćete "Gotovo učitavanje bootloada gotovo".

Bootloader je sada učitan na mikrokontroler, koji je spreman za primanje skice nakon promjene COM porta u izborniku Alati ➤ Port.