Уроки по Arduino: Урок 1

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

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.

Для сборки схем, мы будем использовать 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.

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.

Рис. 3 — Резистор

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.

Рис. 4 — Светодиод

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.

Тактовые кнопки