Конструктор Arduino: как быстро научиться работать с электронными схемами
Обсудить 1
Очень многие люди в деталях представляют себе, как устроен автомобиль. Многие даже строят собственные машины, игрушечные и настоящие, сделав это своим хобби. Достаточно один раз разобрать автомобильный двигатель, чтобы увидеть (и навсегда запомнить) клапаны, через которые цилиндр наполняется топливом и воздухом, камеру сгорания, в которой воспламеняется смесь, шатуны и коленчатый вал, которые заставляют вращаться маховик.
Если вы разберете пульт от телевизора, вы увидите микросхемы и электронные компоненты. Их внешний вид мало что расскажет вам о том, как все это работает. Примерно так же в разобранном виде выглядят компьютерная мышь, мобильный телефон или аудиоплеер. Чтобы самостоятельно собирать, а тем более проектировать современную электронику, нужно обладать глубокими познаниями в области электротехники, уметь на все лады склонять закон Ома, разбираться в программировании и дружить с паяльником. Поэтому хобби, связанные с электроникой, как правило, остаются уделом людей со специальным образованием.
Набор под названием «Матрешка Z» от компании «Амперка» призван в кратчайшие сроки ликвидировать электронную безграмотность пользователя и научить его обращаться с универсальным контроллером Arduino.
Доска для прототипирования
Чтобы попробовать в деле только что придуманную электронную схему и поэкспериментировать с подбором компонентов, вовсе не обязательно каждый раз браться за паяльник.
Для быстрой и надежной сборки схем существует доска для прототипирования, или монтажная доска. Она состоит из многочисленных разъемов, соединенных определенным образом. По правому и левому краю доски идут две пары рельс питания. Все эти контакты соединены по вертикали и служат для подключения компонентов к источнику тока. Если рельсы питания напоминают столбцы таблицы, то все остальные контакты объединены в строчки, по горизонтали. На них располагаются электронные компоненты: микросхемы, транзистры, резисторы, конденсаторы. Все они соединяются в нужную схему с помощью перемычек. Набор перемычек разной длины также входит в комплект.
Умный чип
Контроллер — это миниатюрный компьютер с набором входов и выходов, работающий по заранее написанной программе. Микросхема-контроллер обязательно присутствует в вышеупомянутых телефоне, плеере и пульте, равно как в практически любом современном электронном устройстве.
Контроллер — вещь сама по себе универсальная. Ко входам можно подключить как обычные кнопки (пульт), так и температурные датчики (кондиционер), модули беспроводной связи (телефон) и даже электрогитару (цифровой процессор эффектов). Выходы также могут управлять чем угодно. Задача контроллера — измерять электрическое напряжение на входах и подавать напряжение на выходы в соответствии с программой.
Контроллер Arduino Uno
Arduino Uno — базовый контроллер семейства Arduino, идеально подходящий для решения большинства задач.
У него есть 14 контактов, которые могут служить и входами, и выходами, serial-интерфейс для подключения к компьютеру, USB-порт. Для более специфических задач могут подойти другие платы. Arduino Mega содержит большее количество входов, выходов и serial-портов. Arduino Nano — аналог Uno в ультракомпактном исполнении. Бесчисленные платы расширения готовы превратить ваш Arduino в Wi-Fi-роутер, мобильный телефон, музыкальный инструмент или робота.
Arduino — один из самых распространенных контроллеров. Он чрезвычайно удобен для постройки прототипов электронных устройств и поэтому пользуется популярностью среди любителей, студентов и вполне серьезных изобретателей по всему миру. На то есть несколько веских причин.
Резисторы. Arduino — универсальный контроллер, способный работать практически с любыми электронными компонентами. Каждый компонент рассчитан на свой ток и напряжение. Набор учит нас применять резисторы по нескольким типичным схемам. Схема делителя напряжения, состоящая из пары резисторов, позволяет управлять напряжением в любой точке схемы. Токоограничивающий резистор защищает маломощные компоненты от перегрева. Кроме того, применяются стягивающие и подтягивающие резисторы, которые отводят наводки и помехи в землю от входов контроллера во избежание случайных срабатываний.
Во-первых, Arduino действительно универсален. С помощью специальных плат расширения его можно обучить общению с другими устройствами по Wi-Fi, Bluetooth иGPRS, принимать SMS-сообщения и телефонные звонки. Встроенные библиотеки протоколов позволяют Arduino общаться с сервоприводами и сенсорами, распространенными в современной робототехнике. Открытая архитектура софта и железа позволяет более продвинутым пользователям с легкостью настроить его под любые нужды.
Конденсатор можно представить как маленький аккумулятор, который очень быстро заряжается и разряжается. Конденсаторы применяются для стабилизации напряжения питания — постоянно заряжаясь и разряжаясь, они сглаживают шумы. Фильтрующий конденсатор позволяет отделить изменяющуюся составляющую сигнала от постоянной, к примеру, если в цепь с источником питания включен электретный микрофон.
Во-вторых, Arduino использует несколько упрощенный язык программирования, с которым легко освоиться даже начинающим пользователям. Контроллер представляет собой не просто микросхему, а плату с готовой схемой питания и интерфейсами для подключения к компьютеру, входным и выходным компонентам.
Наконец, Arduino дешев. Не настолько, чтобы использовать его в оптовом промышленном производстве (для этого лучше применять отдельные чипы), но как раз настолько, чтобы любой изобретатель, дизайнер или программист, у которого есть оригинальная идея, мог приобрести контроллер и создать на его основе действующий прототип.
Провода. «Резать красный или зеленый» — вот главный вопрос всей жизни для любого сапера. На самом деле, какого цвета провода использовать в схеме — исключительно дело вкуса. Так что никогда не ставьте на цвет провода свою жизнь.
Интенсивный курс
Продажей Arduino в России занимается компания «Амперка». Продукт этот полезный и нужный, но не простой: чтобы начать им пользоваться, нужно разбираться в схемотехнике и программировании. Чтобы помочь всем творческим энтузиастам освоиться с контроллером, «Амперка» выпускает ознакомительные наборы, один из которых и попал нам в руки. Помимо самого Arduino в набор входит монтажная доска, всевозможные радиодетали, блок питания, интерфейсный кабель, комплект проводов — в общем, все необходимое, чтобы построить несколько простых схем и начать ставить собственные эксперименты.
Еще одна важная часть обучающей системы — видеоуроки от выпускника Корнеллского университета Джереми Блюма, в которых инженер шаг за шагом демонстрирует сборку схем и программирование контроллера, подробно объясняя, как именно все это действует.
Первое, чему учит нас Джереми, — это работа с монтажной доской. Оказывается, чтобы экспериментировать с электроникой, вовсе не обязательно постоянно дымить паяльником.
Источники сигнала. Контроллер управляет потребителями тока по команде, а команда должна откуда-то поступить. Для управления схемами в комплект входит несколько кнопок и переменный резистор. Есть компоненты и поинтереснее: термистор изменяет собственное сопротивление в зависимости от температуры, а фоторезистор реагирует на количество падающего на него света.
Второй важнейший урок — это практическое применение закона Ома. Постоянные читатели помнят, что мы и раньше сталкивались с контроллерами — в конструкторе Lego Mindstorms и роботе Robonova. Эти контроллеры предназначены для работы с фиксированным набором компонентов (сервоприводы и датчики для роботов), которые идеально подобраны и подходят друг к другу. Arduino — универсальный контроллер, его можно использовать с любыми компонентами, каждый из которых рассчитан на собственное напряжение и ток. Джереми просто и наглядно объясняет, как с помощью резисторов доставить ровно необходимое количество электричества в любую точку схемы.
Адаптер питания. В комплект входит универсальный адаптер питания с переключателем напряжения и исчерпывающим набором разъемов. При работе с Arduino адаптер может потребоваться в двух случаях. Во‑первых, если вы хотите, чтобы чип работал по заранее написанной программе без участия компьютера. Во‑вторых, если мощность потребителей схемы слишком велика, чтобы USB-разъем компьютера мог ее предоставить. Классический пример прожорливого потребителя — электродвигатель или сервопривод.
К основам схемотехники относится и решение задачи об устранении помех и наводок, которые Arduino может ошибочно принять за управляющие сигналы. Мы учимся использовать стягивающие резисторы и стабилизирующие конденсаторы, чтобы поведение схемы было контролируемым. Упражняясь в программировании, первым делом создаем простые схемы: ночник, управляемый уровнем освещения в комнате, электродвигатель, совершающий движения по заданному алгоритму. В более сложных примерах мы учимся принимать данные с компьютера и управлять им с помощью Arduino — к примеру, создаем некое подобие джойстика, способного менять цвет монитора. Подробные уроки по подключению к чипу более сложных устройств, таких как текстовые экраны, модули беспроводной связи, сервоприводы, можно найти на сайтах сообщества Arduino.
В следующий раз, увидев на киноэкране управляемую эсэмэсками бомбу замедленного действия, собранную безумным ученым в классическом образе, вы будете отлично представлять себе, как именно она устроена. При желании вы даже сможете собрать такую сами. В ближайших номерах «Популярной механики» мы обязательно продемонстрируем, как с помощью Arduino можно сконструировать что-нибудь полезное.
