Arduino UNO R3
Легендарная платформа для прототипирования
и изучения микроэлектронных устройств
Что такое Arduino?
Arduino UNO является самым популярным продуктом компании Arduino Software. Сразу после выхода, платформа стала продаваться сотнями тысяч штук, завоевав любовь миллионов юных радиолюбителей и породив тысячи интересных проектов.
Основой начинки платформы является микроконтроллер ATmega 328, представляющий собой логическую микросхему обработки данных с тактовой частотой 16 МГц. От нее на плату выведены 14 цифровых и 6 аналоговых портов общего назначения, а также все самые популярные интерфейсы: I2C, UART и SPI.
Основными достоинствами флагмана стали:
Arduino в цифрах
Год релиза платформы Arduino
Продуктов продается ежедневно
Различных видов платформ
Пользователей в сообществе
Технические характеристики
Микроконтроллер
Atmel ATmega328 с тактовой частотой 16 МГц
Питание платформы
Цифровые порты
14 портов ввода-вывода, 6 из которых имеют возможность вывода ШИМ сигнала
Аналоговые входы
6 шт., каждый с разрешением 10 бит (от 0 до 1024 усл. значений)
Цифровые интерфейсы
1 x I2C, 1 x SPI, 1 x UART, 1 x ICSP
Размер памяти
32Кб Флеш-памяти, 2Кб ОЗУ, 1Кб EEPROM
Размеры платы
Физические габариты платы 69 x 53 мм, вес 25г
Варианты питания
Через разъем питания, через разъем USB, через разъем Vin на контактной линейке
Токовая защита
Встроенная защита USB порта от короткого замыкания и перенапряжений
За счет открытой архитектуры и программного обеспечения с открытым исходным кодом, компании Arduino удалось выпустить инструмент, способный показать, насколько легким может стать изучение микроэлектроники, схемотехники и программирования.
Схемы платформы
Ниже представлены ссылки на скачивание всех схем Arduino UNO:
Принципиальная схема, файлы EAGLE и распиновка платы
Принципиальная схема
Контактная распиновка платы
Datasheet для ATmega328
Распиновка Arduino UNO
Если вы или ваш ребенок хочет изучить основы микроэлектроники, робототехники или интернета вещей, Arduino — идеальное начало!
Подключение платы
При покупке официальной версии, подключение Arduino UNO к компьютеру выполняется автоматически.
При использовании китайских аналогов или других arduino-совместимых платформ, во время подключения следует учесть несколько важных моментов.
Подключение официальной платы
1. Скачивание и установка среды разработки
При использовании Windows на русском языке, программа автоматически выставит в интерфейсе тоже русский язык.
В открывшемся окне следует нажать на кнопку «JUST DOWNLOAD«.
2. Первый запуск среды разработки
После того, как вы скачаете и установите Arduino IDE, вам необходимо подключить Arduino UNO в любой свободный порт компьютера и осуществить первичную настройку.
После того, как вы подключили вашу плату к компьютеру, Windows сообщит об обнаружении нового устройства и автоматически выполнит установку всех необходимых драйверов для работы с ней. После того, как вы увидели сообщение «Устройство установлено и готово к использованию», переходите к настройке программы.
3. Настройка подключения платы
Инструменты Плата Arduino/Genuino Uno
После выбора платы, нам необходимо выбрать порт. Переходим ко вкладке Инструменты Порт.
Если вы уже подключили свою ардуино к компьютеру, то у вас должны отобразиться все занятые на текущий момент COM-порты. Выбираем любой из доступных и проверяем, правильный-ли порт мы выбрали.
4. Проверка работоспособности платы
Из верхнего меню открываем: Файл Примеры 01.Basics Blink
В новом окне у вас должен открыться код программы, которая мигает светодиодом. Для того, чтобы загрузить ее в вашу плату, необходимо нажать кнопку «загрузка».
В нижней части программы (в черном окне) показывается процесс загрузки прошивок в плату. Если все прошло нормально, вы увидите сообщение «загрузка успешно завершена».
Подключение неофициальных плат
1. Скачивание и установка среды разработки
При использовании Windows на русском языке, программа автоматически выставит в интерфейсе тоже русский язык.
В открывшемся окне следует нажать на кнопку «JUST DOWNLOAD«.
2. Первый запуск среды разработки
После того, как вы скачаете и установите Arduino IDE, вам необходимо подключить Arduino UNO в любой свободный порт компьютера и осуществить первичную настройку.
После того, как вы подключили вашу плату к компьютеру, Windows сообщит об обнаружении нового устройства.
Если все произошло именно так, как мы описали выше, приступаем к установке драйверов по этой инструкции: Инструкция по установке CH340G
После того, как вы увидите сообщение «Устройство установлено и готово к использованию», переходите к настройке программы.
3. Настройка подключения платы
Инструменты Плата Arduino/Genuino Uno
После выбора платы, нам необходимо выбрать порт. Переходим ко вкладке Инструменты Порт.
Если вы уже подключили свою ардуино к компьютеру, то у вас должны отобразиться все занятые на текущий момент COM-порты. Выбираем любой из доступных и проверяем, правильный-ли порт мы выбрали.
4. Проверка работоспособности платы
Из верхнего меню открываем: Файл Примеры 01.Basics Blink
В новом окне у вас должен открыться код программы, которая мигает светодиодом. Для того, чтобы загрузить ее в вашу плату, необходимо нажать кнопку «загрузка».
В нижней части программы (в черном окне) показывается процесс загрузки прошивок в плату. Если все прошло нормально, вы увидите сообщение «загрузка успешно завершена».
Фотографии разных версий платформы
Ниже представлены фотографии Arduino разных версий и от разных производителей.
Многие интересуются, чем китайская версия отличается от оригинала? Можем с уверенностью сказать, что основное отличие официальных платформ от аналогов заключается только в цене и упаковке платы. В разных версиях нет никаких функциональных отличий, все платформы работают абсолютно одинаково хорошо: будь это китайская, американская или итальянская плата.
Arduino Uno R3 на базе процессора ATmega328
Arduino UNO плата построена на микроконтроллере Atmega AVR для обучения, разработки, создания рабочих макетов устройств.
Размеры Уно
Arduino Uno R3 – самая популярная плата, построенная на базе процессора ATmega328. В зависимости от конкретной модели платы этой линейки используются различные микроконтроллеры, на момент написания статьи самой распространённой является версия именно R3.
Плату используют для обучения, разработки, создания рабочих макетов устройств. Ардуино, по своей сути, – это AVR микроконтроллер с возможностью упрощенного программирования и разработки. Это достигнуто с помощью специально подготовленного загрузчика, прошитого в память МК, и фирменной среды разработки.
Плата Ардуино Уно
Размеры платы представлены на схеме ниже. Общие размеры Уно составляют 53,4 мм на 68,6 мм.
Характеристики
В основе платы лежит процессор ATmega 328. Кроме него на плате находится модуль USB для связи с компьютером и прошивки. Этот модуль называется «USB-TTL преобразователь». На фирменных платах Arduino Uno для этой целей используется дополнительный микроконтроллер ATmega16U2.
| Характеристики | Arduino Uno R3 |
|---|---|
| Микроконтроллер | ATmega328 |
| Рабочее напряжение | 5В |
| Напряжение питания (рекомендуемое) | 7-12В |
| Напряжение питания (предельное) | 6-20В |
| Цифровые входы/выходы | 14 (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов) |
| Аналоговые входы | 6 |
| Максимальный ток одного вывода | 40 мА |
| Максимальный выходной ток вывода 3.3V | 50 мА |
| Flash-память | 32 КБ (ATmega328) из которых 0.5 КБ используются загрузчиком |
| SRAM | 2 КБ (ATmega328) |
| EEPROM | 1 КБ (ATmega328) |
| Тактовая частота | 16 МГц |
Особенность этого чипа заключается в аппаратной поддержке USB, что позволяет организовывать связь без дополнительных преобразователей. В то время как ATmega328 не поддерживает такой функции, поэтому 16u2 выступает в роли преобразователя данных из USB в последовательный порт для МК AVR. В него залита программа для выполнения этой задачи.
Однако так происходит не всегда: в более мелких платах, таких как Arduino Nano, используют преобразователи уровней на базе различных микросхем, например FT232, CP21XX, Ch340g и подобных. Это решение является более дешевым и не требует прошивки дополнительного связывающего контроллера, как описано выше.
На плате есть выход 3.3 В, он нужен для подключения периферии и некоторых датчиков, его пропускная способность по току равна 50 мА.
ATmega328 работает на частоте 16 МГц. Она фиксирована кварцевым резонатором, который вы можете, по желанию, заменить, тем самым ускорив работу Uno r3.
Память Ардуино Уно
Микроконтроллер Arduino Uno содержит 32 кб флэш-памяти, из которой пользователю доступно 31.5 кб, потому как 0.5 занимает загрузчик.
Как осуществляется питание платы?
Чтобы включить плату, нужно на неё подать питание либо от USB порта, можно прямо от ПК, либо от внешнего источника питания – от 7 до 15 Вольт. На плате установлен линейный стабилизатор, типа L7805, или же LDO. Он нужен для того, чтобы на микроконтроллер подавалось стабилизированное напряжение 5 В.
При этом приоритетно выбирается внешний источник питания, а не ЮСБ-порт. Внешнее питание подключается к выводу с пометкой «Vin» в разделе Power на плате.
Расположение выводов, распиновка
Разработчики платы Arduino очень удобно и логично расположили выводы платы. Дело в том, что при разработке на «чистых» МК АВР приходилось обращаться к выводу порта, для этого нужно было запомнить название каждой ножки на чипе. Здесь это гораздо проще. На самой плате указано название каждого из пинов. Удобства добавляет и то, что пины разбиты на 3 группы:
При этом в разделе Digital пины, которые могут выдавать ШИМ-сигнал (PWM), помечены тильдой «
». Для служебных целей и проверки работоспособности контроллера на плате установлен светодиод, который подключен к 13-му выводу, а из среды разработки Arduino IDE к нему можно обращаться через встроенную директиву LED_BUILTIN. Такие схемы расположения пинов называются «Arduino UNO pinout», при этом, вместо UNO, может быть указано название другой платы, которая вас интересует.
Описание пинов платы
Микроконтроллер имеет 14 цифровых пинов, они могут быть использованы, как вход или выход. Из них 6 могут выдавать ШИМ-сигнал. Они нужны для регулировки мощности в нагрузке и других функций.
| Пин ардуино | Адресация в скетче | Специальное назначение | ШИМ |
|---|---|---|---|
| Цифровой пин 0 | 0 | RX | |
| Цифровой пин 1 | 1 | TX | |
| Цифровой пин 2 | 2 | Вход для прерываний | |
| Цифровой пин 3 | 3 | Вход для прерываний | ШИМ |
| Цифровой пин 4 | 4 | ||
| Цифровой пин 5 | 5 | ШИМ | |
| Цифровой пин 6 | 6 | ШИМ | |
| Цифровой пин 7 | 7 | ||
| Цифровой пин 8 | 8 | ||
| Цифровой пин 9 | 9 | ШИМ | |
| Цифровой пин 10 | 10 | SPI (SS) | ШИМ |
| Цифровой пин 11 | 11 | SPI (MOSI) | ШИМ |
| Цифровой пин 12 | 12 | SPI (MISO) | |
| Цифровой пин 13 | 13 | SPI (SCK) К выходу дополнительно подсоединен встроенный светодиод |
Вызов ШИМ-сигнала осуществляется через команду AnalogWrite (номер ножки, значение от 0 до 255). Для работы с аналоговыми датчиками присутствует 6 аналоговых входов/выходов.
| Пин | Адресация в скетче | Специальное назначение |
|---|---|---|
| Аналоговый пин A0 | A0 или 14 | |
| Аналоговый пин A1 | A1 или 15 | |
| Аналоговый пин A2 | A2 или 16 | |
| Аналоговый пин A3 | A3 или 17 | |
| Аналоговый пин A4 | A4 или 18 | I2C (SCA) |
| Аналоговый пин A5 | A5 или 19 | I2C (SCL) |
Их тоже можно использовать, как цифровые.
Аналоговый сигнал обрабатывается 10 битным аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), а при чтении микроконтроллер выдаёт численное значение от 0 до 1024. Это равно максимальному значению, которое можно записать в 10 битах. Каждый из выводов способен выдать постоянный ток до 40 мА.
Принципиальная схема платы выглядит так (нажмите для увеличения):
Микроконтроллер ATMega 328
Как мы написали выше, ATmega328 работает на частоте 16 МГц. Распиновка микроконтроллера ниже (нажмите на изображение для увеличения):
Работа в комплексе с другими системами
Самое первое, с чем вы можете познакомиться, даже без приобретения дополнительных устройств для разработки – это связь по последовательному порту. Он активируется по команде Serial.begin (скорость, например 9600). Подробно о каждой команде вы можете прочитать в обучающем разделе на официальном сайте проекта Arduino.ru. Вы можете обмениваться с компьютером информацией. Плата, в зависимости от программного кода, может вам присылать данные, а вы их, через монитор портов в Arduino IDE, можете читать.
Кроме последовательного порта, в ардуино UNO реализована поддержка таких интерфейсов:
Через них можно осуществлять «общение» между несколькими платами, а также подключать разную периферию: датчики и дисплеи.
Платы расширения
В магазинах, специализирующихся на робототехнике и микроконтроллерах, можно встретить слово «шилд». Это специальная плата, которая напоминает Arduino Uno. Совпадает она с ней не только по форме, но и по количеству выводов.
Шилд устанавливается в клеммные колодки, при этом часть их них задействуется под функции шилда, а другая часть остаётся свободной для использования в проекте. В результате вы можете получить такой себе многоэтажный «бутерброд» из плат, которые реализуют множество функций.
Одним из самых популярных является Arduino Ethernet Shield. Он нужен для связи с Ардуино по обычному сетевому кабелю, витой паре. На нём расположен разъём rj45.
С подобным шилдом можно управлять вашим микроконтроллером по сети через веб-интерфейс, а также считывать параметры с датчиков, не отрываясь от компьютера. Существуют проекты с использованием такого комплекта в домашнем облачном хранилище, с ограничением по скорости, всё-таки Атмега328 слабовата для таких задач, и для этого лучше подойдут одноплатные компьютеры типа Raspberry pi.
Как преодолеть аппаратные ограничения
Большинство распространённых плат имеют аналогичные характеристики, среди них:
Но с развитием ваших навыков разработки в этой среде появляется проблема нехватки мощности и быстродействия этой платформы. Первым шагом для преодоления ограничений является использование языка C AVR.
С его помощью вы ускорите на порядок скорость обращения к портам, частоту ШИМ и размер кода. Если вам и этого недостаточно, то вы можете воспользоваться мощными моделями с аналогичным подходом к разработке. Для этого подойдёт плата Arduino Mega2560. Еще более мощная – модель Due. В противном случае вам стоит ознакомиться с разновидностями одноплатных компьютеров и STM микроконтроллеров.
Ардуино Uno R3 – отличная плата для большинства проектов, которая служит для изучения устройств цифровой электроники.
Всё об Ардуино: что это, области применения и полезные компоненты
Сегодняшняя статья будет посвящена Ардуино. В двух словах – это семейство электронных конструкторов, предназначенных для создания простых систем автоматики. Каждый из них состоит из печатной платы с микроконтроллером и из периферийных блоков – всевозможных датчиков, индикаторов, шаговых моторов и всего остального. А теперь обо всем по порядку.
Что такое Ардуино – давайте рассмотрим поближе
Несмотря на то, что в Ардуино имеется микроконтроллер, он рассчитан на непрофессиональных пользователей. Это позволяет освоить его и взрослым, далеким от основ электроники, и детям школьного возраста. У оболочки для программирования достаточно низкий порог вхождения. Программирование очень простое и интуитивно понятное. Оно не требуют каких-то особых знаний, не предполагает вникание в работу регистров микропроцессора и в прочую «черную магию».
Но при всей простоте Arduino богатый набор его периферии позволяет построить на нем достаточно интересные решения, которые можно использовать в робототехнике, всевозможных штуковинах системы «умный дом», да и просто для развлечения.
Где можно применить Arduino
Помимо простоты использования есть еще один важный момент. Комплектующие Arduino стоят очень дешево, поэтому конструктор стал достаточно популярным. Он часто используется в клубах юных техников для занятий с детьми, для проведения студенческих лабораторных работ. А для многих вполне зрелых и состоявшихся людей программирование Arduino стало хобби.
Заказал целый набор компонентов
Из-за этой массовости в сети появилось большое количество уроков и подробно описанных примеров, поэтому любой желающий, только получив в руки плату, может сразу же начать с ней работу и получить видимый результат. Для детей Ардуино это очень важно. Они видят, что у них все получается, что на их действие сразу же есть реакция. Можно просто включить-выключить светодиод, можно сделать это в определенной последовательности, можно что-нибудь написать или изобразить на дисплее.
Практически мгновенный результат приводит в восторг, поэтому занятия с Arduino быстро становятся не просто приятным времяпровождением, а полноценным хобби, которое развивает интерес к электронике. Кто знает, но дальнейшем такое хобби вполне может превратиться в интересную работу.
Комплектов Arduino достаточно много. Это и оригинальные конструкторы Arduino, и совместимые с семейством китайские клоны. Все они различного размера, комплектации и, соответственно, возможностей. Рассмотрим некоторые из них. Кстати, по качеству не уступает оригиналам.
Комплект для начинающих Ардуино UNO R3
Если нужно все и сразу, но без излишеств, то, наверное, это самый подходящий вариант. В набор входит плата с микроконтроллером, макетная плата типа Breadboard с комплектом проводов, позволяющая производить соединения без пайки, 4-разрядный семисегментный индикатор, LCD-дисплей, кнопочная панель, матрица светодиодов 8×8 элементов, джойстик, сервопривод с драйвером, реле, ИК-пульт и комплект светодиодов, кнопок, конденсаторов и резисторов россыпью.
Также в набор входят отдельные платки с датчиками:
Комплект позволяет поочередно освоить работу микропроцессора, его взаимодействие с индикаторами и с датчиками. Позволяет на своей основе построить такие интересные проекты, как дубликатор ключей от домофона, систему управления освещением, сделать игрушечный светофор или анимированную рекламную доску, организовать систему полива комнатных растений и многое другое.
Продвинутый набор Arduino UNO R3
Этот комплект отличается от предыдущего наличием дополнительных модулей расширения. Среди них ультразвуковой датчик расстояния, электронный гироскоп, электродвигатель постоянного тока вместе с микросхемой-драйвером, шаговый мотор и дополнительная макетная плата. Эти датчики могут оказаться полезными в качестве дополнения при управлении простыми роботами.
Еще одной особенностью этого набора является наличие большего числа «рассыпухи». Например, в комплекте можно найти сотню резисторов различных номиналов от 10 Ом до 1 МОм, диоды, пять видов транзисторов и несколько конденсаторов различных номиналов. Это дополнение предназначено для использования уже опытными людьми, освоившими базовые навыки построения электронных модулей и умеющих читать принципиальные схемы.
Обучающий набор Ардуино для детей и взрослых
Комплект-конкурент предыдущему набору. Внешний вид платы контроллера и плат датчиков несколько отличается, но их функциональность остается идентичной. Число составных элементов несколько большее. Например, имеется даже держатель для пальчиковых батареек.
Также имеются дополнительные датчики:
Дополнительные датчики позволяют построить с помощью конструктора некое подобие охранной сигнализации и продемонстрировать ее работу. На прилагающемся диске имеется руководство пользователя на английском языке и примеры проектов.
Оригинальный Arduino UNO R3
Это даже не набор, а просто одна плата UNO R3 с микроконтроллером, плюс USB-кабель и коробочка. Плата та же самая, какая использовалась в описанных выше комплектах.
Ее приобретение будет логичным, если в дополнительных датчиках и элементах россыпью необходимости нет. Например, если используются детали от других наборов, причем не обязательно Arduino.
Или если предполагается использовать платку в составе какой-то отдельной штуки со своей периферией. В общем, если нужен отдельно контроллер, то такая возможность тоже есть.
Самый дешёвый Arduino Nano
В случае, когда плата Ардуино UNO R3 избыточна, например, если не нужны лишние светодиоды, и элементы питания, или, если плата с контроллером должна быть меньших размеров, то решением может быть плата Nano. В отличие от UNO размером 69×54 мм, Nano занимает площадь всего в 19×42 мм. Кстати, стоит она тоже примерно в два-три раза дешевле.
Нюансом является то, что у используемого на плате Nano микропроцессора вдвое меньший объем флеш-памяти и оперативной памяти по сравнению с микропроцессором на UNO R3. Хотя, для большинства проектов, особенно, если это касается проектов начинающих, это не важно. Также в комплект не входит USB-кабель.
Комплект проводов для работы плат Ардуино
Опытные пользователи могут обратить внимание, что для реализации нескольких проектов одновременно на одной плате имеющихся в базовых наборов проводников может не хватать. Особенно это касается длинных проводов.
Но, что называется, трагедии нет – провода вполне достаются отдельно, причем именно те, которые нужны. Например, в этот набор на выбор можно скомплектовать проводники длинной 10 см, 20 см или 30 см. Доступны провода со штыревым и с гнездовым соединениями.
Сервоприводы
В базовые наборы Arduino входит по одному сервоприводу. Если одной штуки оказывается недостаточно, то недостающие гаджеты вполне можно скомплектовать отдельно. На выбор имеются как базовые SG90, так и более мощные MG90S.
Последняя модель отличается тем, что у нее редуктор сделан не из пластмассы, как у SG90, а с использованием металлических шестеренок. Это позволяет использовать механизм в системах, где предполагается большее усилие, а, значит, и большие нагрузки. Управление же и тем и другим сервоприводом одинаковое.
Модуль для беспроводного управления 433 МГц
Стандартный набор состоит из приемника и передатчика на 433 МГц, либо только из приемника или только из передатчика – на выбор. Штука оказывается полезной для организации беспроводной связи между разными платами. Например, одна может управлять другой, или передавать по радио данные с датчиков.
На основе этого модуля вполне можно организовать радиоуправление простенькой игрушкой. На одну плату ставится джойстик и передатчик, на другую двигатели и приемник. Можно организовать работу и по-другому, все зависит только личной от фантазии.
Wi-Fi модуль
Управление платой Arduino можно организовать и с помощью смартфона. Для этого понадобится расширение в виде Wi-Fi приемопередатчика. Платка-расширение очень простая и компактная.
Занимает всего 14×25 мм. А необходимые библиотеки для взаимодействия с ней главной платы Arduino вместе с примерами доступны в интернете, поэтому ее подключение также не составляет труда.
Модули реле
Для построения систем «умный дом» или для использования Arduino в составе автомобильной электросети важным элементом является реле. Этот элемент позволяет управлять системами с напряжением, большим, чем напряжение питания Arduino и сильноточными электрическими цепями без вреда плате. Без этого элемента не обойтись при управлении мощными электродвигателями или освещением.
На выбор доступны несколько модулей. С одним реле, точно таким же, какой входит в базовые комплекты UNO R3, с одним реле и индикационными светодиодами, с двумя реле, с четырьмя или с восемью. Каждое из них управляется сигналами напряжением 5 вольт, но рассчитано на коммутацию электрических цепей напряжением до 250 вольт при токе 10 ампер или до 125 вольт при токе 15 ампер.
