Урок 4. Микроконтроллеры. Плата Arduino UNO WiFi R4. Плата Easy Module shield. Проводники и плата прототипирования
Микроконтроллеры — это электронные устройства, содержащие процессор, память и другие компоненты, которые используются для автоматизации процессов и управления различными устройствами. Они стали прорывом в электронике благодаря своей компактности, универсальности и способности выполнять сложные задачи. Они оптимизированы для выполнения узкоспециализированных задач, таких, как управление бытовой техникой, двигателями и датчиками. Преимущества микроконтроллеров включают низкое энергопотребление, возможность работы в онлайн-режиме и поддержку различных периферийных устройств.
Контроллеры семейства Arduino являются одними из самых популярных для начинающих.
Преимущества контроллеров Arduino:
Проект Arduino начался как создание инструмента для студентов Института интерактивного дизайна города Ивреа в Италии еще в 2005 году. Целью этого проекта было предоставить начинающим студентам и любителям недорогое и простое в использовании аппаратное и программное обеспечение для создания простых проектов с использованием датчиков и исполнительных механизмов. Arduino – это аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом, проекты которого распространяются по лицензии Creative Commons и находятся в свободном доступе. Единственный момент заключается в том, что разработчикам клонов предлагается зарезервировать имя Arduino для официального продукта и не использовать его для аналогов без разрешения.
Одной из приятных особенностей серии Arduino является то, что на встроенном процессоре используется предварительно запрограммированный загрузчик. Пользователи могут разрабатывать свои программы с помощью официальной среды разработки Arduino IDE, а затем загружать свои программы в плату контроллера Arduino посредством этой программы-загрузчика. Контакты ввода-вывода доступны в гнездовых разъемах, расположенных по обе стороны платы. Это значительно упрощает разработку аппаратного обеспечения, поскольку для подключения к плате можно использовать гибкие перемычки.
Самая популярная плата семейства Arduino – Arduino UNO R3. Но рынок микроконтроллеров развивается очень быстро, и требуются платы с гораздо более широким функционалом и быстродействием. В конце июня 2023 года были анонсированы две новые версии Arduino: Arduino UNO R4 Minima и Arduino UNO R4 WiFi. В этой книге вы будете разрабатывать проекты, используя как Arduino UNO R4 WiFi. Эта плата похожа на популярную плату Arduino UNO R3, но они были во многом переработаны и расширен функционал.
Контроллеры семейства Arduino являются одними из самых популярных для начинающих.
Преимущества контроллеров Arduino:
- Универсальность и модульность: Arduino можно использовать для автоматизации различных систем и процессов, а также для создания сложных систем управления.
- Невысокая цена: контроллеры Arduino доступны по сравнению с другими микроконтроллерами.
- Возможность самостоятельной сборки: Arduino можно собрать самостоятельно из компонентов, доступных на рынке.
- Простота разработки и отладки: Arduino предлагает множество ресурсов, включая обучающие ролики, обзоры и пошаговые инструкции, что упрощает процесс разработки и отладки систем.
- Большое сообщество: пользователи Arduino могут получать поддержку и ответы на свои вопросы в многочисленных сообществах и форумах.
- Доступность дополнительного оборудования: Arduino предлагает широкий выбор датчиков, модулей и аксессуаров, которые облегчают взаимодействие контроллера с внешним миром.
Проект Arduino начался как создание инструмента для студентов Института интерактивного дизайна города Ивреа в Италии еще в 2005 году. Целью этого проекта было предоставить начинающим студентам и любителям недорогое и простое в использовании аппаратное и программное обеспечение для создания простых проектов с использованием датчиков и исполнительных механизмов. Arduino – это аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом, проекты которого распространяются по лицензии Creative Commons и находятся в свободном доступе. Единственный момент заключается в том, что разработчикам клонов предлагается зарезервировать имя Arduino для официального продукта и не использовать его для аналогов без разрешения.
Одной из приятных особенностей серии Arduino является то, что на встроенном процессоре используется предварительно запрограммированный загрузчик. Пользователи могут разрабатывать свои программы с помощью официальной среды разработки Arduino IDE, а затем загружать свои программы в плату контроллера Arduino посредством этой программы-загрузчика. Контакты ввода-вывода доступны в гнездовых разъемах, расположенных по обе стороны платы. Это значительно упрощает разработку аппаратного обеспечения, поскольку для подключения к плате можно использовать гибкие перемычки.
Самая популярная плата семейства Arduino – Arduino UNO R3. Но рынок микроконтроллеров развивается очень быстро, и требуются платы с гораздо более широким функционалом и быстродействием. В конце июня 2023 года были анонсированы две новые версии Arduino: Arduino UNO R4 Minima и Arduino UNO R4 WiFi. В этой книге вы будете разрабатывать проекты, используя как Arduino UNO R4 WiFi. Эта плата похожа на популярную плату Arduino UNO R3, но они были во многом переработаны и расширен функционал.
Рис. 4.1. Плата Arduino UNO R4 WiFi
Плата Arduino UNO R4 оснащена центральным процессором Renesas RA4M1,представляющим собой 32-битный процессор ARM Cortex-M4, работающий на частоте 48 МГц. UNO R3 имела процессор ATmega328P с тактовой частотой всего 16 МГц, что дает трехкратное увеличение тактовой частоты по сравнению с UNO R3. Кроме того, UNO R4 имеет 32 Кбайта SRAM памяти по сравнению с 2 Кбайта на UNO R3. Объем флеш-памяти R4 составляет 256 Кбайт по сравнению с 32 Кбайта у UNO R3. В результате с помощью UNO R4 можно разрабатывать более сложные проекты, требующие большего объема памяти. Arduino UNO R4 предоставляет интерфейс CAN-шины, позволяющий подключать и программировать CAN-устройства. Количество интерфейсов шины SPI и I2C увеличено с 1 до 2.
На UNO R4 разрешение аналого-цифрового преобразователя (АЦП) увеличено с 10 до 14 бит. Кроме того, UNO R4 включает в себя настоящий 12-битный ЦАП. Для упрощения использования ЦАП была добавлена библиотека AnalogWave. Генерировать синусоидальный, пилообразный или прямоугольный сигнал можно простым вызовом библиотечной функции.
Плата UNO R4 WiFi оснащена модулем WiFi Espressif S31, что делает плату идеальной для сетей Интернета вещей (IoT) и приложений Bluetooth BLE, а также для приложений, требующих подключения к интернету. Дополнительно на плате установлена светодиодная матрица 128×8.
Плата Arduino UNO R4 оснащена центральным процессором Renesas RA4M1,представляющим собой 32-битный процессор ARM Cortex-M4, работающий на частоте 48 МГц. UNO R3 имела процессор ATmega328P с тактовой частотой всего 16 МГц, что дает трехкратное увеличение тактовой частоты по сравнению с UNO R3. Кроме того, UNO R4 имеет 32 Кбайта SRAM памяти по сравнению с 2 Кбайта на UNO R3. Объем флеш-памяти R4 составляет 256 Кбайт по сравнению с 32 Кбайта у UNO R3. В результате с помощью UNO R4 можно разрабатывать более сложные проекты, требующие большего объема памяти. Arduino UNO R4 предоставляет интерфейс CAN-шины, позволяющий подключать и программировать CAN-устройства. Количество интерфейсов шины SPI и I2C увеличено с 1 до 2.
На UNO R4 разрешение аналого-цифрового преобразователя (АЦП) увеличено с 10 до 14 бит. Кроме того, UNO R4 включает в себя настоящий 12-битный ЦАП. Для упрощения использования ЦАП была добавлена библиотека AnalogWave. Генерировать синусоидальный, пилообразный или прямоугольный сигнал можно простым вызовом библиотечной функции.
Плата UNO R4 WiFi оснащена модулем WiFi Espressif S31, что делает плату идеальной для сетей Интернета вещей (IoT) и приложений Bluetooth BLE, а также для приложений, требующих подключения к интернету. Дополнительно на плате установлена светодиодная матрица 128×8.
Arduino UNO R4 – это гигантский шаг вперед для Arduino, поскольку это действительно замечательная плата, которая поднимет ваш опыт работы с микроконтроллерами на новый уровень.
Рис. 4.2. Схема назначения контактов Arduino UNO R4 WiFi
В наборе также присутствует плата Easy Module shield v1.0. Это многофункциональная плата расширения, выполненная в виде шилда для установки на Arduino UNO R3, полностью подходит для UNO R4.
В наборе также присутствует плата Easy Module shield v1.0. Это многофункциональная плата расширения, выполненная в виде шилда для установки на Arduino UNO R3, полностью подходит для UNO R4.
Рис. 4.3. Плата Easy Module shield v1.0.
На плате установлены следующие датчики и устройства:
- цифровой датчик температуры и влажности DHT11 (подключен к D4);
- аналоговый датчик температуры LM35 (A2);
- аналоговый датчик освещенности (A1);
- приемник ИК сигналов с пульта (D6);
- динамик для генерации простейших звуковых сигналов (D5);
- две кнопки (D2, D3);
- потенциометр (A0);
- cветодиод синий D13;
- cветодиод красный D12;
- RGB светодиод (D9, D10, D11).
Кроме того выведены разъемы для подключения еще одного аналогового датчика (контакт A3) и нескольких цифровых (контакты D7, D8). Также есть возможность подключать устройства с интерфейсом UART и интерфейсом I2C.
При сборке схем мы будем использовать также макетную плату (breadboard), которая позволяет осуществлять быстрый монтаж различных соединений и компонентов без необходимости использовать паяльник,
На рисунке 14 показан общий вид платы. Разным цветом обозначены шины-проводники. Синий цвет – это "-" схемы, красный – "+" , зелёный – это проводники, которые вы можете использовать по своему усмотрению для соединений частей электрической схемы, собираемой на макетной плате. Обратите внимание, что центральные отверстия соединены параллельными рядами поперёк макетной платы, а не вдоль, в отличие от шин питания, которые размещены по краям макетных плат. На нашей макетной плате имеется несколько пар шин питания, что позволяет при необходимости подавать на плату разные напряжения, например, 5 В и 3,3 В. Группы поперечных проводников разделены широкой бороздкой. Благодаря этому углублению на макетную плату можно ставить микросхемы в DIP-корпусах. Цифры и буквы на макетной плате нужны для того, чтобы вы легче могли ориентироваться на плате.
На плате установлены следующие датчики и устройства:
- цифровой датчик температуры и влажности DHT11 (подключен к D4);
- аналоговый датчик температуры LM35 (A2);
- аналоговый датчик освещенности (A1);
- приемник ИК сигналов с пульта (D6);
- динамик для генерации простейших звуковых сигналов (D5);
- две кнопки (D2, D3);
- потенциометр (A0);
- cветодиод синий D13;
- cветодиод красный D12;
- RGB светодиод (D9, D10, D11).
Кроме того выведены разъемы для подключения еще одного аналогового датчика (контакт A3) и нескольких цифровых (контакты D7, D8). Также есть возможность подключать устройства с интерфейсом UART и интерфейсом I2C.
При сборке схем мы будем использовать также макетную плату (breadboard), которая позволяет осуществлять быстрый монтаж различных соединений и компонентов без необходимости использовать паяльник,
На рисунке 14 показан общий вид платы. Разным цветом обозначены шины-проводники. Синий цвет – это "-" схемы, красный – "+" , зелёный – это проводники, которые вы можете использовать по своему усмотрению для соединений частей электрической схемы, собираемой на макетной плате. Обратите внимание, что центральные отверстия соединены параллельными рядами поперёк макетной платы, а не вдоль, в отличие от шин питания, которые размещены по краям макетных плат. На нашей макетной плате имеется несколько пар шин питания, что позволяет при необходимости подавать на плату разные напряжения, например, 5 В и 3,3 В. Группы поперечных проводников разделены широкой бороздкой. Благодаря этому углублению на макетную плату можно ставить микросхемы в DIP-корпусах. Цифры и буквы на макетной плате нужны для того, чтобы вы легче могли ориентироваться на плате.
Рис. 4.4. Расположение шин контактов на макетной плате
Для сборки схем с помощью макетной платы, будем использовать проводники MM (штырь-штырь), MF(штырь-гнездо) (рис. 4.5) и перемычки (рис. 4.6).
Для сборки схем с помощью макетной платы, будем использовать проводники MM (штырь-штырь), MF(штырь-гнездо) (рис. 4.5) и перемычки (рис. 4.6).
Рис. 4.5. Проводники MF.
Рис. 4.6. Набор перемычек