Arduino - Een inleiding tot doe-het-zelf microcontroller-apparaten

Je kunt tegenwoordig met Arduin alles in een computer veranderen. Als je een LED of LCD met een toetsenbord ziet, heeft iemand waarschijnlijk een laptop in dat apparaat gestopt. Sommige van deze dingen bevatten zelfs zes, zeven of meer kleine computers, microcontrollers genaamd.

Daarbinnen, waarvan de Arduino de meest populaire is. Als u zich voorstelt om uw elektronische apparaat te maken met een ingebouwde computer, moet u begrijpen wat ze zijn en hoe ze werken.

Alleen dan kun je een paar kits kopen in een PCB-winkel en je projecten starten.

Wat is Arduino?

Deze kleine microcontroller-computers worden meestal embedded controllers of microcontroller-eenheden (MCU) genoemd. Het zijn complete computersystemen met alles wat je maar kunt bedenken dat in een computer zou passen. Ze hebben allemaal een centrale verwerkingseenheid voor het uitvoeren van programma's, tijdelijke RAM-opslag, permanente opslagsystemen en poorten voor randapparatuur en accessoires.

Microcontrollers zijn slechts individuele computers die zijn gebouwd en ontworpen om slechts een paar specifieke taken uit te voeren. Meestal voeren deze apparaten slechts één programma uit dat op een bepaald ROM is opgeslagen. U kunt er echter ook externe opslag aan koppelen. Hoe dan ook, ze worden beschouwd als apparaten met een laag vermogen, en dit is hun charme. Je kunt er een volledig op batterijen laten werken.

Een Arduino is slechts een open-sourceversie van een microcontroller. Het wordt geleverd als een hardwareontwikkelingsbord dat u kunt gebruiken om uw eigen apparaten te ontwerpen en te bouwen. Arduino is perfect voor knutselaars, hobbyisten en makers en verwijst naar zowel een specifiek type bordontwerp als het bedrijf dat ze maakt, en de gemeenschap van ontwikkelaars die ze gebruiken. Daarom vind je ze in bijna elke elektronica- of PCB-onderdelenwinkel of catalogus.

Het platform wordt geleverd als een fysiek programmeerbare printplaat, de microcontroller zelf en de software of IDE (geïntegreerde ontwikkelomgeving) die u gebruikt om het programma te maken dat het apparaat uitvoert. Populair bij nieuwe ontwikkelaars, de Arduino's hebben geen apart programmeerapparaat nodig, waardoor het veel gebruiksvriendelijker is dan andere microcontrollerkits op de markt. Het gebruikt zelfs een vereenvoudigde versie van de programmeertaal C++, waardoor het gemakkelijk te programmeren is.

1.1 Waaruit bestaat een Arduino?

Arduinos-kaarten worden geleverd met een paar componenten en interfaces die vooraf zijn geïnstalleerd op een enkele printplaat (PCB) als een microcontrollerkit. Deze componenten stellen een standaardvormfactor in die de microcontroller toegankelijker maakt.

De basiscomponenten

Hoewel het ontwerp in de loop der jaren is veranderd, wordt een basis Arduino-kit geleverd met de volgende componenten:

Pinconnectoren

Er zijn twee soorten pinnen:gerangschikt in een specifiek patroon, met deze pinnen kun je de MCU verbinden met de andere borden en delen van je aangepaste apparaat. Ze stellen je ook in staat om een ​​dochter-add-on board, een 'schild' genaamd, aan je apparaat te bevestigen.

Digitaal – Single-state input/output (I/O) connectoren die u aan of uit kunt zetten. De meeste Arduino's hebben 14 digitale pinnen.

Analoog – Multi-state connectoren die een reeks waarden kunnen lezen. U kunt ze gebruiken voor meer fijnmazige controle. Er zijn er meestal zes.

Grond - Gelabeld met GND, met deze drie pinnen kunt u uw apparaat aarden.

Kracht – De vier 5-volt en vijf 3-volt pinnen leveren stroomsignalen aan add-ons en andere hulpstukken.

Pulsbreedtemodulatie (PWM) - Acht van de digitale pinnen verdubbelen als PWM-connectoren. Ze kunnen analoge uitgangssignalen simuleren voor toepassingen zoals het dimmen van LED's

Analoge referentie (AREF) – Soms gebruikt om externe spanningen te regelen, maar deze negen pinnen worden zelden gebruikt.

Stroomaansluiting

Deze connector voedt het apparaat en creëert laagspanningsstroom voor LED's, sensoren en andere. U kunt de connector gebruiken met een AC-adapter of een kleine batterij.

Hoofdprocessor

De microcontroller-CPU is het hart van het platform. Hiermee kan de Arduino opdrachten uitvoeren en beslissingen nemen op basis van verschillende invoer en lopende programma's. Dezelfde chit zal variëren tussen de Arduino-types, maar de meeste kits leveren Atmel-chipsets met verschillend intern geheugen. Standaard processormodellen omvatten:

• ATmega8
• ATmega168
• ATmega328
• ATmega1280
• ATmega2560

Seriële aansluiting

De meeste Arduino-kaarten worden geleverd met een standaard USB-poort waarmee u de MCU op uw computer kunt aansluiten om nieuwe programma's te laden. Op sommige boards doet de USB-poort ook dienst als stroomaansluiting.

Reset-knop

Arduino-boards bevatten ook een resetknop. Door op de knop te drukken wordt de reset-pin geactiveerd. Het herstart elke code die op dit moment actief is, perfect als je iets wilt testen, maar je programma heeft geen herstartfunctie.

Power LED-indicator

Sommige Arduino MCU's worden geleverd met een Power-LED die aangeeft of het apparaat is ingeschakeld. Over het algemeen licht de LED op wanneer u het team aansluit op een stroombron. Als dit lampje niet gaat branden, is de kans groot dat er iets mis is.

Signaal zenden en ontvangen LED's

Label als TX (verzenden) en RX (ontvangen); deze LED's tonen seriële communicatie-activiteit. Ze geven een subtiele visuele aanwijzing wanneer het apparaat gegevens ontvangt of verzendt.

Spanningsregelaar

Hoewel niet door de gebruiker programmeerbaar, worden Arduino-kaarten geleverd met een spanningsregelaar. De regelaar regelt de hoeveelheid spanning die door het bord gaat. Het heeft natuurlijk grenzen, maar de meeste projecten hebben geen spanningen van meer dan 20 volt.

1.2 Arduino-add-ons en accessoires

De bovenstaande componenten worden geleverd met alle Arduino MCU's, maar het zijn niet de enige elektronische componenten die u met het platform kunt gebruiken. De borden voldoen aan alle IEEE- en ISO-normen. U kunt dus alle kant-en-klare onderdelen gebruiken om uw Arduino-project de moeite waard te maken. De platformspecificatie van Arduino vereist echter wel een aantal platformcompatibele add-ons. Daarom hebben de meeste Arduino-leveranciers ook enkele Arduino-sensoren en schilden. Geen enkel Arduino-project is ook compleet zonder hen.

Sensoren

Je kunt een klein beetje code gebruiken om je Arduino's te laten besturen en communiceren met een reeks sensoren.

De meeste Arduino-leveranciers bieden sensoren voor het meten van:

• Licht
• Temperatuur
• Grootte van flex
• Druk
• Nabijheid
• Versnelling
• Koolmonoxide
• Radioactiviteit
• Vochtigheid
• Barometrische druk

Arduino Breadboard

U kunt ook een soldeerloos breadboard krijgen voor uw project. Met dit bord kunt u prototypen maken en experimenteren met uw circuitontwerpen en lay-outs zonder uw componenten permanent aan uw PCB te solderen. U kunt uw lay-out- en ontwerpideeën experimenteren en testen. Het breadboard heeft geen voedingsadapter. Het zou dus helpen als je jumperdraden zou gebruiken om het via het moederbord van stroom te voorzien.

Schilden

De laatste stukjes van de Arduino-puzzel zijn Arduino-schilden. Deze vooraf gebouwde dochterborden passen bovenop het Arduino-hoofdbord om extra mogelijkheden te bieden.

Sommige standaard schildfuncties omvatten

Motoren besturen

Internetverbinding

Mobiele en mobiele netwerken en communicatie

LCD-schermcontrollers

Arduino-ontwikkelaars gebruikten de officiële Arduino Integrated Development Environment (IDE) om hun Arduino-programma's te schrijven. De open-source op Java gebaseerde IDE werkt op alle platforms met Windows, Mac en Linux. Het biedt u een unieke omgeving om code te schrijven en te testen die is geschreven in de programmeertaal Processing voordat u deze naar uw apparaat uploadt.

De Arduino Uno – De meest populaire Arduino

Omdat geen twee projecten hetzelfde zijn, heeft de Arduino-groep specificaties vrijgegeven voor sommige Arduino-bordtypen. Een van de meest populaire van deze bordtypes is de Arduino Uno.

Als een uitstekende keuze voor beginners, is de Arduino Uno MCU van $ 22 een eenvoudig bord. Het wordt alleen geleverd met de essentiële componenten, maar u kunt uw project op uw manier ontwerpen. Met 25 gram is deze PCB van 68,5 bij 53,4 millimeter licht genoeg om ook in een behuizing te passen.

De huidige versie, de Arduino Uno R3, wordt geleverd met:

• ATmega328P-microprocessor
• 14 digitale input/output-pinnen
  • 6 PWM uit
  • Ingebouwde LED (verbonden met pin 13)
  • 5 volt, 3,3 volt en aarde-pin spanning uit

• Zes analoge pinnen
• USB-poort
• Stroomaansluiting
• Reset-knop
• 5 volt Bedrijfsspanning
• 32 KB flash-geheugen
• 2 KB SRAM en 1 KB EEPROM

De Uno is misschien niet het eerste Arduino-bord, maar het wordt het meest actief gebruikt. Het is ook de meest gedocumenteerde vormfactor met talloze projecthandleidingen en forums op internet.

Arduino Mega – De MCU voor GROTE projecten

In feite vier Uno MCU's in één, de Arduino Mega is het bord voor uw enorme projecten. Aangedreven door een Atmel ATmega2560-chip, brengt de Mega vier seriële poorten naar de tafel met een aparte USB-poort voor stroom en interfaces met computers. Het beschikt zelfs over een speciale ATmega16U2-processor, alleen voor de extra USB-poort. Je kunt de MCU ook van stroom voorzien met een batterij.

De Mega heeft:

• 54 digitale input/output (I/O) pinnen met 14 PWM-compatibele pinnen
• 16 analoge IO-pinnen
• USB-poort
• Stroomaansluiting
• Reset-knop

Het grote aantal pinnen van de Mega maakt het bord. U kunt ze gebruiken in projecten die veel digitale I/O-verbindingen, LED's of knoppen vereisen.

De rest van de kracht van de Mega MCU komt van de processor. De ATmega2560-microprocessor kan alles wat je maar kunt bedenken. Het beschikt over een kloksnelheid van 16 MHz, 256 KB flash, 8 KB SRAM en 4 KB EEPROM. Dit alles maakt de Arduino Mega het go-to-board voor 3D-printers en robotica.

Arduino ESP8266 maakt uw projecten draadloos

Geen enkel Arduino-bord wordt geleverd met een draadloos netwerk op het bord zelf. Je zult het ook op geen van de beschikbare schilden vinden. Je hebt een Arduino ESP8266 wifi-module nodig als je je project draadloos wilt maken.

Hoewel er nieuwere modules zijn, is de ESP2866 het origineel. Het is misschien niet ontworpen om te werken als een op zichzelf staande MCU, maar uw project heeft er een nodig in de huidige mobiele markt.

Het biedt echter wel een behoorlijke draadloze connectiviteit. Het bord wordt geleverd met stroom-, aard-, zend- en ontvangstpinnen om deze functies te verbinden met je centrale Arduino, evenals een aan-uit, "chipgestuurde stroomuitval" (CH_PD) pin. Je hebt ook een reset en twee GPIO-gegevenspinnen.

Er is één nadeel. De ESP8266 vereist een 5-volt voedingssignaal. Het werkt niet met de Arduino-standaard 3,5 volt.

PWM-subsysteem en framework

5.1 Arduino PWM

Pulse-Width Modulation (PWM) simuleert een analoog signaal met behulp van blokgolfsignalen met verschillende frequenties en amplitudes. Het Arduino-platform gebruikt deze signalen om analoge circuits te regelen met zijn digitale uitgangen.

Het Arduino PWM-platform is geen apart stuk hardware. Alle Arduino-kaarten worden geleverd met ingebouwde systeemaanroepen. Je moet een programma schrijven dat ze gebruikt. De opdracht maakt de blokgolf via een compatibele pin.

5.2 Arduino Nano – Perfect voor kleine apparaten en projecten

Als de meest miniatuurversie van het Arduino-platform biedt de Arduino Nano dezelfde functies als de Uno in een veel kleiner pakket, aangedreven door een ATmega328P-processor en een Atmega168-coprocessor. Het gebruikt dezelfde Arduino IDE-software als de andere Arduino-kaarten.

De Nano wordt geleverd met:

• 14 digitale I/O-pinnen met 6 PWN-compatibele pinnen
• Acht analoge pinnen
• 5 volt bedrijfsspanning
• Reset-knop
• USB-poort
• Seriële poort
• 32 kb flash-geheugen
• 8 kb SRAM
• 1 kb EEPROM

Ondanks zijn grootte werkt de Nano uitstekend met de volgende projecttypes:

• Ingebouwde systemen
• Automatisering
• Robotica
• Besturingssystemen
• Instrumentatie

Waarom een ​​Arduino verkiezen boven een Raspberry Pi?

Het Arduino-platform is niet de enige MCU op de markt. Veel van de andere MCU's die dezelfde functies bieden, zijn de Arduino, inclusief de Raspberry Pi. De PI is echter een heel ander product dan de Arduino.

Ten eerste is de Raspberry PI een hele computer. De Arduino niet. Een microcomputer is slechts een klein onderdeel waaruit een computer bestaat. Hierdoor biedt het Arduino-platform slechts een kleine subset van wat de PI te bieden heeft. Het kan bijvoorbeeld alleen kleine applicaties draaien en geen volwaardig computerbesturingssysteem.

6.1 Sterke en zwakke punten van de

Dat betekent niet dat de Arduino nutteloos is. Het is perfect voor elektronicaprojecten waarvoor geen volledige computer nodig is om te functioneren. U kunt het rechtstreeks aansluiten op uw componenten en sensoren en alles direct uit de doos laten werken met weinig of geen installatie.

De Arduino kan dit doen vanwege de manier waarop de Arduino-firmware werkt. De firmware is de kernsoftware die de Arduino-reeks boards uitvoert. Het communiceert ook met uw computer via USB om u toegang te geven tot alle programmeerbare functies. Hoewel u de firmware altijd kunt vervangen, hoeft u dit nooit te doen. Je hoeft het niet eens opnieuw op te starten. Nadat u uw code heeft geüpload, kunt u deze meteen overal uitvoeren. Er is geen toetsenbord, beeldscherm of middel nodig om een ​​applicatie te kiezen. Het bord zal het enige werk doen dat u het opgeeft.

6.2 De Raspberry Pi is een volledige computer

Daarentegen is de Raspberry Pi een volledig functionele computer. Het heeft een besturingssysteem nodig om te kunnen werken, dat opnieuw moet worden opgestart om operationeel te blijven. Het bord heeft ook geen interne opslag. Het zou helpen als u externe micro-SD-zorg zou leveren om de programma's die u wilt uitvoeren op te slaan. Hoewel het ingebouwde Ethernet heeft, kunt u de software bijwerken zonder de kaart te verwijderen.

De Pi draait op een Broadcom Arm-v6 CPU, compleet met geheugen en een HDMI grafische processor. Het bord werkt ook geweldig met een toetsenbord en muis, zodat je een Linux-variant kunt laden en het zo hebt dat niemand kan zien dat je zo'n kleine machine hebt gebruikt om alles aan te sturen. Zo krachtig is het. Het is het perfecte platform voor projecten die volledige gebruikersinteractiviteit en al die verwerkingskracht vereisen.

Deze kracht maakt de Pi echter niet geschikt voor kleinere projecten. U moet bijvoorbeeld een LED op een Arduino-bord aansluiten om het op te lichten met slechts acht regels code. De Pi heeft naast je code extra bibliotheken nodig om te beginnen, en dat is als je al een besturingssysteem op het bord hebt geïnstalleerd.

Dat betekent niet dat je de Raspberry Pi en de Arduino niet voor hetzelfde soort projecten kunt gebruiken. U kunt framework-bibliotheken installeren die de Pi dezelfde functies geven als de Arduino. Het kost gewoon veel meer tijd en moeite om een ​​Pi in een project te gebruiken.

De Arduino heeft ook een grotere gemeenschap van ontwikkelaars. Als het meest populaire platform voor elektronicaprojecten heeft de Arduino veel tutorials voor beginners om je op weg te helpen.

Hoe dan ook, je hoeft nooit te kiezen tussen deze twee boards. Ze werken geweldig samen. Met de juiste bevestiging kan je Arduino een dochteruitbreidingsbord worden voor je Raspberry Pi, waardoor beide kaarten toegang krijgen tot elkaars functies.

Conclusie

De Arduino is een familie van microcontrollerplatforms die speciaal zijn ontworpen voor doe-het-zelf-elektronicaprojecten. Deze borden voor eenmalig gebruik worden geleverd met alles wat je nodig hebt om je taak te automatiseren en nog wat. Je moet het op je computer aansluiten, wat code maken en het gewoon uitvoeren. Het doet de rest.

Neem onmiddellijk contact met ons op om een ​​of ander onderdeel voor uw projecten te krijgen. Onze vertegenwoordigers begrijpen Arduino en staan ​​klaar om u te helpen beslissen welk bord en add-ons voor u geschikt zijn. We kunnen je zelfs helpen om de onderdelen te krijgen die je nodig hebt om je Arduino aan te sluiten op een Raspberry Pi om je apparaten naar een hoger niveau te tillen.