Иванов Константин Игоревич

Уроки по Arduino: Урок 1

Урок 1: Управление светом

План:

1. Общие сведения об Arduino.

2. Электричество.

3. Breadboard.

4. Светодиод.

5. Резистор.

6. Кнопка.

7. Начало работы с S4A.

 

 


 

Теоретическая часть

дизайн

 

1. Общие сведения об Arduino

На первом уроке мы познакомимся с платформой Arduino и научимся с её помощью создавать различные виды светильников.

Платформа Arduino - это контроллер, с помощью которого Вы можете собирать и обрабатывать информацию  с датчиков, а также управлять различными устройствами: двигатели, дисплеи, светодиоды и т.д.

Существует большое разнообразием моделей Arduino, мы будем использовать платформу Funduino UNO.
Внешний вид Funduino UNO изображен на рисунке где:
1. USB порт для подключения Arduino к компьютеру и питания 5В.
2. Разъем для подключения дополнительного питания 9В.
3. Микроконтроллер - производит все вычислительные операции, сбор и обработку информации, управляет внешними устройствами.
4. Кнопка Reset - перезагрузка. Запускает программу сначала.
5. Встроенный светодиод - подключен к 13 порту.

Рисунок 1 - Funduino UNO


Внешние устройства подключаются к пронумерованным портам(пинам).

 

2. Электричество.

Все пользуются электричеством, в кармане у каждого есть мобильный телефон, приходя домой, мы включаем свет, включаем чайник, микроволновую печь, компьютер, телевизор. Все эти приборы, как и робот, работают за счет электричества. Все знают, что ток течет по проводам, но как же это все-таки происходит?
Чтобы просто представить себе электрический ток, проведем аналогию водопроводной трубой и водой в ней. Вода течет по трубе(проводнику) из области высокого давления в области низкого. Поток воды назовем электрическим током. Электрический ток так же возникает между точками проводника, имеющими разный электрический потенциал. Разность потенциалов называется напряжением. При уменьшении диаметра трубы поток воды (электрический ток) уменьшается. Влияние, которое препятствует движению воды, называется сопротивлением или нагрузкой.
Итак, водный поток можно принять за электрический ток, протекающий через нагрузку. С помощью этой аналогии вы, наверное, можете самостоятельно определить, как изменится ток при увеличении напряжения (повышения давления воды в трубе).
Материалы, не позволяющие току течь, называются диэлектриками, позволяющие - проводниками, позволяющие про одних условиях и не позволяющие при других - полупроводниками.
В электрической цепи сопротивление электрическому току оказывают различные устройства, например, обычная лампочка - электроны, движущиеся под действием напряжения, разгоняются и приобретают кинетическую энергию, которую они отдают атомам кристаллической решетки спирали лампочки при соударениях. Атомы приходят в колебательное движение, повышается внутренняя энергия вещества, что внешне проявляется как нагрев проводника и излучение света.
Потенциал и напряжение (обозначается буквой U или V) измеряется в вольтах; сила тока (обозначается буквой I) - в амперах (А). В электронике обычно используются напряжение от долей вольт до десятков вольт и силы тока от долей миллиампер (мА) до сотен миллиампер.
По договорённости считается, что ток течёт в направлении от плюса к минусу. По аналогии как вода течёт из области высокого давления к пустому концу трубы (разность потенциалов). Когда ток течет постоянно в одном направлении, его называют постоянным.
Точку возврата/слива отработавших зарядов в электрических цепях называют землёй (Ground, GND). Не нужно понимать «землю» в буквальном смысле. Ей может быть и отрицательный полюс батарейки, и корпус автомобиля, и, действительно, планета Земля. Для удобства считают, что земля - это потенциал в 0В. Все остальные потенциалы считают относительно неё.
Итак, три величины - сила тока (обозначается буквой I), напряжение (U) и сопротивление (R) - тесно связаны между собой в определенном соотношении. Это соотношение обнаружил знаменитый немецкий физик Георг Ом. Поэтому это соотношение называется закон Ома. В упрощенном виде оно выглядит следующим образом: сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление. Чем больше напряжение и чем меньше сопротивление, тем больше сила тока.
I=U/R
С основами разобрались, в дальнейшем будем рассматривать более углубленно. Итак, мы узнали, что такое ток, напряжение, сопротивление. Есть энергия, питающая нашего робота. Теперь давайте рассмотрим, через что проходит это ток в роботе. Ток питает энергией микроконтроллер, который производит вычислительные и логические операции, используя такие же маленькие краники, которые мы рассматривали выше. Краники (логические элементы), связанны в определенной последовательности (по схеме) и закрываются или открываются в зависимости от программы.
Часто электрической схемой называют электронное устройство, состоящее из радиоэлементов и платы с проводниками, которые связывают эти элементы. Схемой также можно назвать упрощенное изображение на бумаге этого устройства, показывающее, как его элементы между собой связаны.
Итак, микроконтроллер по программе управляет подключенными к нему согласно схеме электрическими устройствами, например лампочкой или двигателем в роботе. В дальнейшем мы узнаем, как с помощью контроллера можно собирать и анализировать параметры окружающей среды, принимать управляющие сигналы и использовать эти данные в управлении внешними устройствами.

 

3. Breadboard

Для сборки схем, мы будем использовать breadboard

Breadboard

Рис. 2 - Breadboard


По краям располагаются по две шины для подключения плюса и минуса. Все разъемы на шине соединены горизонтально по всей длине бредборда. Для удобства, на бредборде шина плюса графически обозначена красной прямой, а шина минуса синей, но конструктивных отличий между шинами нет. Принято выводить плюс и минус на шины с соответствующими обозначениями, но на практике Вы можете на любую шину вывести или плюс или минус, независимо от ее обозначения. В центре находится два блока основных разъемов. Как видно из рисунка, разъемы одного блока соединены между собой вертикально, по 5 разъемов.


4. Резистор

Мы уже рассматривали, что такое сопротивление и как оно влияет на ток. Но иногда сопротивления в проводнике недостаточно, и ток течет слишком сильный. Чтобы ограничить течение тока, мы используем дополнительное искусственное сопротивление, которое называется резистором. Резистор уменьшает силу тока, преобразуя в тепло лишнюю энергию.
Резисторы имеют разное внутреннее сопротивление (номинал). Чтобы их различать используется цветовая маркировка. Цветовая маркировка в данном случае более практична, чем цифро-буквенное обозначение, т.к. не требует увеличения и различима при стирании части рисунка. Для определения номинала по маркировке можно пользоваться справочниками, специальными онлайн калькуляторами, либо измерять сопротивление мультиметром. Мы будем использовать резисторы с сопротивлением 220 Ом, 1 кОм и 10 кОм.

 Резисторы

Рис. 3 - Резистор

 

5. Светодиод

Светодиод - это электроэлемент, который светится при прохождении через него электрического тока. Собственное его сопротивление очень маленькое, поэтому при подключении светодиода необходимо последовательно с ним включать резистор, иначе диод может перегореть. Светодиодов встречается большое разнообразие. Они бывают разных цветов свечения, размеров, форм, яркости. Для определения направления движения тока, ножки светодиода выполнены разной длины. Ток подается к длинной ножке (анод, плюс), земля подключается к короткой (катод, минус). Ниже изображен пример светодиода.

Светодиод

Рис. 4 - Светодиод

 


6. Кнопка

Очень часто необходимо управлять роботом или устройством посредством подачи импульсов. Рассмотрим обыкновенную компьютерную клавиатуру. У нее каждая клавиша выполнена в виде тактовой кнопки. Это чаще всего разомкнутый контакт, который практически мгновенно замыкается при нажатии. Этот вид кнопки имеет два состояния "замкнуто" и соответственно "разомкнуто". Кнопка практически мгновенно возвращается в исходное положение, размыкая контакт за счет пружинки при снятии с нее прижимающего усилия (пальца). Кнопка имеет четыре вывода, они соединены попарно между собой. Один подключается к земле, другой к любому цифровому выводу на Аrduino.

Arduino

Тактовые кнопки


7. Начало работы с S4А.

Для быстрого и удобного создания программы для Аrduino существует среда визуального программирования S4А, основанная на SКRЕТСН - визуальной объектно-ориентированной среде программирования для обучения школьников младших и средних классов. Она позволяет не писать код, а собирать программу из блоков. Скачать программу можно на сайте Б4а.са1 или в вашем личном кабинете.


Arduino

 

Внешний вид программы S4A

Большое поле в середине экрана называется областью скриптов. Это та область, в которой будет собираться программа. В левой части окна содержатся все блоки, из которых будет строиться программа. Блоки поделены на 8 функциональных групп:
- движение;
- контроль;
- внешность;
- сенсоры;
- звук;
- операторы;
- перо;
- переменные;
Рассмотрим основные блоки, которыми мы будем пользоваться при создании программ для Аrduino.

 

Группа Движение

 

Значение датчика, подключенного к заданному аналоговому входу (может принимать значения от 0 до 1023). Изменить номер входа можно, нажав на черный треугольник возле имени входа.
Значение датчика, подключенного к заданному дискретному (цифровому) входу. Может принимать значение HIGH и LOW (TRUE и FALSE).
Передает на заданный дискретный выход значение HIGH.
Передает на заданный дискретный выход значение LOW.
Передает на заданный аналоговый выход значение от 0 до 255.
Блок, который начинает выполнение программы при нажатии на зеленый флажок. Ставится в начале программы.
Внутри блока “всегда” располагается последовательность действий, которая будет выполняться постоянно, пока включено питание платы.
Задержка заданной длины
Внутри блока располагается последовательность действий, которые выполняются, если выполняется условие.

 

Группа Переменные

 

Переменная - объект, который имеет имя и хранит в себе значение. Значение можно использовать и изменять.

 

Присвоить выбранной переменной какое- либо значение. Сначала нужно создать переменную, нажав на кнопку "Создать переменную", которая находится в элементах этой же функциональной группы.

 

Блоки можно, подцепив мышкой, перенести в среднее окно - область скриптов. Именно в этой области из блоков, как из кирпичиков, будет формироваться программа. Стоит обратить внимание, что блоки соединяются между собой как детали в конструкторе, иногда это может служить подсказкой. Если какие-то блоки не соединяются между собой, значит вы, что-то делаете неправильно.

 

 


 

Практическая часть

дизайн

 

1. Помигать встроенным, в плату светодиодом.

 Для начала напишем простейшую программу, которая зажигает встроенный светодиод, подключенный к 13 пину. Рассмотрим этот процесс по шагам:
 Шаг 1. Подключить Аrduino к компьютеру, используя Ш 13-кабель.
 Шаг 2. Вытащить на область скриптов блоки «Когда щелкнут по» и «Всегда», которые обычно образуют стандартную структуру программы.

 Шаг 3. Для того чтобы тринадцатый светодиод засветился, в блок «Всегда» поместить блок «Цифравой 13 вкл.».

 Шаг 4. Для того чтобы светодиод мигал с периодичностью 1с, необходимо его сначала зажечь, затем через 1с потушить и подождать еще 1с перед тем, как зажечь его снова.

 

2. Зажечь внешний светодиод.

 Шаг 1. Соберем схему на макетной плате. Катод (короткую ножку) подключаем к земле (порт СКО на Аrduino), анод к плюсу (цифровому порту). Он будет светиться, когда на цифровом порту возникнет напряжение. Включаем в цепь резистор на 220 Ом. Резистор может находиться как со стороны земли, так и со стороны плюса.

 Шаг 2. Для того чтобы мигал светодиод, который мы подключили к 12 выводу, меняем в программе номер порта.

 3. Реализовать светильник, который светится, когда удерживается кнопка.
 Шаг 1. Собрать схему. Т.к. и кнопка и светодиод подключаются к земле, мы, для удобства, вывели землю на общую шину.

 Шаг 2. Рассуждаем следующим образом: если нажата кнопка, то посылаем на 12 порт значение вкл., иначе посылаем значение выкл.. Состояние кнопки получаем с помощью блока «сенсор Digital2 нажат?» (датчик, подключенный ко второму цифровому порту, нажат?). Для того чтобы выполнить определенные действия при выполнении условия используется блок «Если». Если в случае невыполнения условия необходимо выполнить другие действия, используется блок «Если ... или». Получаем программу следующего вида:

 

4. Реализовать светильник, который загорается и гаснет при нажатии кнопки.

 Шаг 1. Т.к. в этом проекте используются те же элементы, что и в предыдущем, то схему оставляем неизменно.
 Шаг 2. Введем переменную «состояние Светодиода» («ledStatus»), которая будет равна или 0 или 1 и будет определять состояние светодиода. Ее значение будет изменяться при нажатии кнопки. В начале выполнения программы поставим переменную в значение 0 (в будущем будем использовать фразу «присвоим переменной значение...»). Это действие должно выполниться только один раз, поэтому ставим соответствующий блок над блоком «Всегда». Далее проверяем значение порта, к которому подключена кнопка. Как только кнопка была нажата, меняем значение переменной «состояниеСветодиода». 

 Шаг 3. В предыдущем шаге мы организовали изменение значения переменной каждый раз, когда нажимается кнопка. Теперь необходимо изменить состояние светодиода, в зависимости от значения переменной. Для этого используем блок «Если ... или». Также добавляем небольшую задержку перед началом следующей проверки.

 

 

 

 

 


0
Комментировать
Введите код: