Samostojno izdelana plošča Arduino: 8 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Z oblikovanjem lastne plošče Arduino boste spoznali nekaj novih komponent in elektronskih vezij, vključno z nekaterimi naprednimi temami, kot so napajanje, časovno vezje in uporaba ATmega IC (integrirano vezje).

V prihodnosti vam bo pomagal pri ustvarjanju lastnih projektov, kot so vremenska postaja, ščitniki za avtomatizacijo doma itd.

Prednost samostojnega Arduina je, da ima nizko porabo energije in zagotavlja, da lahko projekt dolgo deluje na bateriji.

Poleg tega lahko ploščo razširite z dodajanjem razširitve digitalnih ali analognih vrat ali nekaterih komunikacijskih modulov.

Zaloge

Strojna oprema

Za izdelavo minimalističnega Arduina potrebujete naslednjo strojno opremo:

1x mikrokrmilnik ATmega328P-PU z zagonskim nalagalnikom Arduino

1x linearni regulator napetosti 7805 (5v izhod, največ 35v vhod)

1x plošča (uporabljam ploščo 830 pin)

Različne povezovalne žice

1x 16 MHz kristalni oscilator

1x 28 -polna IC vtičnica

1x 1 μF, 25 V elektrolitski kondenzator

1x 100 μF, 25 V elektrolitski kondenzator

2x 22 pF, 50 V keramični kondenzatorji

2x 100 nF, 50 V keramični kondenzatorji

2x 330 ohmski upori (R1 in R2)

1x 10 kOhm upor (R3)

2x LED po vaši izbiri (LED1 in LED2)

1x gumb

Izbirno 2x 6-polna glava in 3x 8-polna glava

1x pritrditev na baterijo tipa PP3

1x 9 V baterija tipa PP3

1x adapter za programiranje FTDI

Korak: 7805 Linearni regulator napetosti

Linearni regulator napetosti vsebuje preprosto vezje, ki pretvarja eno napetost v drugo. Regulator 7805 lahko pretvori napetost med 7 in 30 voltov v fiksnih 5 voltov s tokom do 1 ampera, kar je kot nalašč za našo Arduino ploščo.

Začeli bomo z ustvarjanjem napajalnega vezja, ki vsebuje regulator napetosti 7805 v obliki TO-220 in dva kondenzatorja s po 100 μF.

Ko gledate sprednji del čipa 7805 - zatič na levi je za vhodno napetost, se osrednji zatič poveže z GND, desni zatič pa je 5 V izhodni priključek. Priporočam namestitev hladilnega telesa, ker bo vezje 7805, ko vezje porabi največ 1 amper toka, tiho vroče (ko se ga dotaknete, lahko opečete konico prsta).

Kondenzator 100 μF postavite med IN regulatorja in ozemljitvijo ter kondenzator 100 μF na desni tirnici med napajanjem in tlemi. Bodite previdni - elektrolitski kondenzator je polariziran (srebrni trak na kondenzatorju označuje ozemljitev) in ga je treba namestiti natančno v skladu s shemo.

Dodajte napajalne in ozemljitvene žice, kjer bo vaš regulator napetosti, in povežite vsako tirnico na sredini in na desnem delu plošče. Na ta način imamo 5 -voltno napajanje z zgornje in spodnje tirnice plošče. Poleg tega bomo vključili rdečo LED, ki sveti, ko je napajanje vklopljeno, na ta način lahko vedno vidimo, kdaj je naša plošča napajana.

LED je dioda in dovoljuje, da električni tok teče samo v eno smer. Električna energija bi morala priti v dolg krak in iz njega. Katoda LED ima tudi eno rahlo sploščeno stran, ki ustreza kratki, negativni nogi LED.

Naše vezje ima 5 voltno napajanje, rdeča LED pa je ocenjena na 1,5 - 2 volta. Za zmanjšanje napetosti moramo upor zaporedno priključiti z LED, ki omejuje količino električne energije, da prepreči uničenje LED. Nekaj napetosti bo uporabil upor, le ustrezen delež pa bo porabljen na LED. Upor vstavite med kratko LED diodo in vrstico s črno žico na desni strani čipa (GND).

Rdeče in črne žice levo od regulatorja napetosti so tam, kjer bo priključen vaš napajalnik. Rdeča žica je za POWER, črna žica pa za ozemljitev (GND).

OPOMBA: Napajalnik lahko priključite samo med 7-16V. Vse nižje in iz regulatorja ne boste dobili 5V, višja napetost 17 V pa bo poškodovala vaš čip. Primerna je 9V baterija, 9V DC napajalnik ali 12V DC napajalnik.

Za še nekaj predhodnih vezij lahko postavite regulator napetosti z nastavljivo napetostjo. Na ta način lahko na ploščo dodate nekaj 3,3 V senzorjev ali vklopite 9 V DC motor.

Več o linearnih regulatorjih napetosti -

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

Korak: Mikrokrmilnik ATmega328P-PU

Za izdelavo Arduina na plošči potrebujete mikrokrmilnik ATmega328P-PU, ki je možgani naše samostojne plošče Arduino. Postavite ga, kot je prikazano na shemah, in bodite previdni - noge se lahko zlomijo, če jih prisilite, ali pa uporabite 28 -polno IC vtičnico. IC je treba postaviti z izrezom lune, usmerjenim levo od plošče (zatiči so oštevilčeni od 1 do 28 v nasprotni smeri urinega kazalca).

OPOMBA: Vsi ATmega IC ne vsebujejo zagonskega nalagalnika Arduino (programska oprema, ki mu omogoča razlago skic, napisanih za Arduino). Ko iščete mikrokrmilnik za lastno izdelani Arduino, izberite tistega, ki že vsebuje zagonski nalagalnik.

Tu je nekaj teorije mikrokrmilnika

Mikrokrmilnik je majhen računalnik s procesorjem, ki izvaja navodila. Ima različne vrste pomnilnika za shranjevanje podatkov in navodil iz našega programa (skica); ATmega328P-PU ima tri vrste pomnilnika: 32kB ISP (programiranje v sistemu) flash pomnilnik, kjer so shranjene skice, 1kB EEPROM (električno izbrisljiv programabilni pomnilnik samo za branje) za dolgoročno shranjevanje podatkov in 2kB SRAM (statični pomnilnik z naključnim dostopom)) za shranjevanje spremenljivk, ko se izvaja skica.

OPOMBA: Pomembno je vedeti, da se podatki v bliskovnem pomnilniku in EEPROM -u ohranijo, ko se mikrokrmilniku izklopi napajanje.

Mikrokrmilnik ima 13 digitalnih vhodno/izhodnih (GPIO) linij za splošno uporabo in šest 10-bitnih (vrednosti med 0 in 1023) analognih linij GPIO za digitalni pretvornik (ADC) za pretvorbo napetosti na pinu v digitalno vrednost. Obstajajo trije časovniki z dvema 8-bitnima merilcema časa z vrednostmi med 0 in 255 ter en 16-bitni časovnik z vrednostmi med 0 in 65535, ki jih uporablja funkcija delay () v skici ali s širino impulzne modulacije (PWM).

Obstaja pet programsko izbranih načinov varčevanja z energijo, mikrokrmilnik pa deluje med 1,8 V in 5,5 V. Sliko lahko uporabite kot referenco za razporeditev zatičev ATmega328P-PU.

Obstajajo tri skupine vrat: PB, PC in PD z 8, 7 in 8 zatiči, plus dva zemeljska (GND) zatiča, 5V zatič (VCC) z napajalno napetostjo (AVCC) in analogna referenčna napetost (AREF) zatiči za analogno-digitalni pretvornik (ADC).

Korak: Povezava ATmega328P-PU

Ko namestite IC, priključite zatiče 7, 20 in 21 ATmega na vodilo pozitivne moči na plošči, zatiče 8 in 23 pa na negativne tirnice, s pomočjo mostičnih žic povežite pozitivne in GND napajalne tirnice na obeh straneh ploščo, kot je prikazano na sliki.

Pin 7 - Vcc - Digitalna napajalna napetost

Pin 8 - GND

Pin 22 - GND

Pin 21 - AREF - Analogni referenčni pin za ADC

Pin 20 - AVcc - Napajalna napetost pretvornika ADC. Če se ADC ne uporablja, kot je v našem primeru, ga je treba priključiti na napajanje. Če ga želite uporabljati v prihodnosti, ga morate napajati prek nizkoprepustnega filtra (za zmanjšanje hrupa).

Po tem postavite štirinajststopenjski zatič glave-podoben bo Arduino GPIO.

4. korak: Gumb za ponastavitev

Dodajte majhno taktilno stikalo, da lahko ponastavite Arduino in pripravite čip za nalaganje novega programa. S hitrim pritiskom na to stikalo se čip ponastavi.

Gumb za ponastavitev bomo v svoje vezje vstavili, kot je prikazano na sliki, ko ga pritisnemo, se bo električni tokokrog skrajšal na GND, mimo upora 1 kOhm in priključek ATmega Pin 1 na GND. Nato dodajte žico iz spodnje leve noge stikala na zatič RESET čipa ATmega in žico iz zgornje leve noge stikala na tla.

Poleg tega dodajte 10 k Ohm vlečni upor na +5V iz zatiča RESET, da preprečite, da bi se čip ponastavil med normalnim delovanjem. Ta upor bo priključen na 5 -voltno napajalno enoto, ki bo "potegnila" pin 1 do 5 voltov. Ko priključite Pin 1 na 0V brez upora, se bo čip znova zagnal. Pri ponovnem zagonu mikrokrmilnika poiščite nov program, ki se nalaga (ob vklopu, če ni poslano nič novega, zažene zadnji poslani program).

Upor ima štiribarvno črto. Če beremo rjava = 1, črna = 0, oranžna = 3, dobimo številko 103. Odpornost v ohmih se začne '10' s 3 ničlami po - 10 000 Ohmov ali 10 kilo ohmov, zlati trak pa je toleranca (5 %).

Za nadgradnjo našega vezja - lahko namestimo „nevezani“kondenzator. Postavite keramični kondenzator 100 nF (nano Farad). To je majhen disk z dvema žicama z oznako 104 in ta tip kondenzatorja ni polariziran in ga je mogoče postaviti v katero koli smer.

Ta "nevezani" kondenzator gladi električne konice, zato je signal za ponovni zagon, poslan na pin 1, zanesljivo zaznan. Številke 104 prikazujejo njegovo kapacitivnost v pico Faradu v znanstvenem zapisu. Zadnja številka "4" nam pove, koliko ničel je treba dodati. Kapaciteta se začne „10“in nato nadaljuje z nadaljnjimi 4 ničlami - 100 000 piko Faradov, in ker je 1000 piko Faradov 1 nano Faradov, je 100 nano Faradov (104).

Kondenzator vstavite med zgornjo levo nogo čipa (nožica 1, v nasprotni smeri urinega kazalca od oblike polmeseca)

5. korak: Kristalni oscilator

Zdaj bomo naredili uro za IC. Gre za 16 MHz kremenčev in dva keramična kondenzatorja po 22 pF (piko Farad). Kristalni oscilator ustvarja električni signal z zelo natančno frekvenco. V tem primeru je frekvenca 16 MHz, kar pomeni, da lahko mikrokrmilnik izvede 16 milijonov procesorskih navodil na sekundo.

16 MHz kristal (slika) omogoča Arduinu izračun časa, kondenzatorji pa služijo za izravnavo napajalne napetosti.

Noge iz kremenovega kristala sta enake - ne morete jih povezati nazaj. Eno nogo kristala povežite z nožico 9 na čipu ATmega, drugo pa z nožico 10. Noge enega od 22 pF diskovnih kondenzatorjev priključite na nožici 9 in GND, drugi diskovni kondenzator pa na pin 10 in GND, kot prikazano na sliki.

Opomba: diskovni kondenzatorji so nepolarizirani in jih je mogoče vstaviti na kakršen koli način.

Omeniti velja, da morajo biti dolžine žic med kondenzatorji 22 pF enake dolžine in morajo biti čim bližje krmilniku, da se izognemo interakcijam z drugimi deli vezja.

Korak 6: Dodajanje LED na pin 13

Zdaj bomo dodali zeleno LED (digitalni pin 13 na Arduinu).

V vrsto pod rdečo žico (na desni strani čipa - napajanje ali 5 voltov) vstavite dolgo nogo LED in kratko nogo v prvo prazno vrstico pod mikrokrmilnikom.

Ta 330 ohmski upor je serijsko povezan z LED, kar omejuje količino električne energije, ki preprečuje uničenje LED.

Upor vstavite med kratko nogo LED in vrstico s črno žico na desni strani čipa (GND ali 0 voltov)

Vsi analogni, digitalni in drugi zatiči, ki so na voljo na običajni plošči Arduino, so na voljo tudi v naši različici. Kot referenco lahko uporabite shemo in pin tabelo ATmega.

Korak 7: USB v serijski priključek

Mikrokrmilnik ATmega 328P-PU ponuja tri komunikacijske načine: serijsko programabilni USART (univerzalni sinhroni in asinhroni sprejemnik-oddajnik), serijska vrata SPI (serijski periferni vmesnik) in dvožični serijski vmesnik. USART vzame bajte podatkov in zaporedno prenaša posamezne bite, kar zahteva oddajne (TX) in sprejemne (RX) komunikacijske linije. SPI uporablja štiri komunikacijske linije: master-out slave-in (MOSI), master-in slave-out (MISO) in serijsko uro (SCK) z ločeno linijo za izbiro slave (SS) za vsako napravo. I2C komunikacijsko vodilo za dvožični vmesnik (TWI) uporablja dve signalni liniji: serijske podatke (SDA) in serijsko uro (SCL).

Za povezavo naše plošče z računalnikom z Arduino IDE za prenos skice bomo uporabili vmesnik USB za serijski UART, kot je FT232R FTDI.

Pri nakupu kabla FTDI se prepričajte, da je model 5 V, ker model 3,3 V ne bo deloval pravilno. Ta kabel (prikazan na sliki) ima vtič USB na enem koncu in vtičnico s šestimi žicami na drugem.

Ko priključujete kabel, se prepričajte, da je stran vtičnice s črno žico povezana z zatičem GND na zatičih glave matične plošče. Ko je kabel priključen, napaja tudi vezje, tako kot to počne običajna plošča Arduino.

Nato bomo naš FTDI povezali z našo lastno izdelano ploščo Arduino; za referenco lahko uporabite tabelo in shemo.

Elektrolitski kondenzator 0,1μF je priključen med pin DTR (Data Terminal Ready) na vmesniku USB do serijskega UART in Reset mikrokrmilnika, ki ponastavi mikrokontroler za sinhronizacijo z USB -jem v serijski vmesnik.

OPOMBA: En del jedra je, da mora biti pin RX mikrokrmilnika priključen na TX USB na serijski adapter in enako s TX ene naprave na RX druge.

Pin CTS (Clear to Send) na USB vmesniku serijskega UART ni povezan z mikrokrmilnikom.

Za prenos skice v mikrokrmilnik v Arduino IDE v meniju Orodja ➤ Vrata izberite ustrezna komunikacijska (COM) vrata in v meniju Orodja ➤ Plošča izberite Arduino/Genuino Uno. Skica je sestavljena v Arduino IDE in nato naložena v mikrokrmilnik z USB na serijski vmesnik UART. Ko prenesete skico, utripata zelena in rdeča LED na vmesniku USB-to-serijski UART TXD in RXD.

Vmesnik USB na serijski UART lahko odstranite in na mikrokrmilnik priključite 5V napajanje. LED in 220 kΩ upor sta priključena na pin 19 mikrokrmilnika, enakovreden Arduino pin 13, za zagon skice utripanja.

8. korak: Nalaganje skice ali namestitev zagonskega nalagalnika

Če nimate pretvornika USB v zaporedni-lahko uporabite drug Arduino (v mojem primeru Arduino UNO), da naložite skico ali zagonski nalagalnik na samostojno izdelano ploščo.

Mikrokrmilniki ATmega238P-PU potrebujejo zagonski nalagalnik za nalaganje in izvajanje skic iz Arduino IDE; ko se mikrokrmilnik napaja, zagonski nalagalnik ugotovi, ali se nalaga nova skica, nato pa skico naloži v pomnilnik mikrokrmilnika. Če imate ATmega328P-PU brez zagonskega nalagalnika, ga lahko naložite z uporabo SPI komunikacije med dvema ploščama.

Tukaj je, kako naložite zagonski nalagalnik v ATmega IC.

Najprej začnimo s konfiguriranjem našega Arduino UNO kot ponudnika internetnih storitev, to je zato, ker želite, da Arduino UNO naloži skico na ICme ATmega in ne sam.

1. korak: Konfiguriranje našega Arduino UNO kot ponudnika internetnih storitev

Ne povezujte vmesnika ATmega IC, medtem ko teče nalaganje spodaj.

• Priključite arduino na računalnik
• Odprite arduino IDE
• Izberite ustrezno ploščo (Orodja> Kartica> Arduino UNO) in vrata COM (Orodja> Vrata> COM?)
• Odprite> Primeri> ArduinoISP
• Naloži skico

Po tem lahko svojo ploščo povežete z Arduino UNO, tako da sledite vezju, kot je prikazano na shemi. Na tej stopnji ni potrebe po napajanju lastne plošče, saj bi Arduino zagotovil potrebno moč.

2. korak: nalaganje skice ali zagonskega nalagalnika

Ko je vse povezano, odprite IDE iz mape, ki ste jo pravkar ustvarili (kopija).

• Izberite Arduino328 iz Orodja> Kartica
• Izberite Arduino kot ISP v Orodja> Programer
• Izberite Burn Bootloader

Po uspešnem zapisovanju bi dobili "Končan zagonski nalagalnik".

Nalagalnik je zdaj naložen na mikrokrmilnik, ki je pripravljen sprejeti skico po spremembi vrat COM v meniju Orodja ➤ Vrata.