Arduino Uno

Arduino Uno – это устройство на основе микроконтроллера ATmega328 (datasheet). В его состав входит все необходимое для удобной работы с микроконтроллером: 14 цифровых входов/выходов (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов), 6 аналоговых входов, кварцевый резонатор на 16 МГц, разъем USB, разъем питания, разъем для внутрисхемного программирования (ICSP) и кнопка сброса. Для начала работы с уcтройством достаточно просто подать питание от AC/DC-адаптера или батарейки, либо подключить его к компьютеру посредством USB-кабеля.

В отличие от всех предыдущих плат Ардуино, Uno в качестве преобразователя интерфейсов USB-UART использует микроконтроллер ATmega16U2 (ATmega8U2 до версии R2) вместо микросхемы FTDI.

На плате Arduino Uno версии R2 для упрощения процесса обновления прошивки добавлен резистор, подтягивающий к земле линию HWB микроконтроллера 8U2.

Изменения на плате версии R3 перечислены ниже:

• Распиновка 1.0: добавлены выводы SDA и SCL (возле вывода AREF), а также два новых вывода, расположенных возле вывода RESET. Первый – IOREF – позволяет платам расширения подстраиваться под рабочее напряжение Ардуино. Данный вывод предусмотрен для совместимости плат расширения как с 5В-Ардуино на базе микроконтроллеров AVR, так и с 3.3В-платами Arduino Due. Второй вывод ни к чему не подсоединен и зарезервирован для будущих целей.
• Улучшена помехоустойчивость цепи сброса.
• Микроконтроллер ATmega8U2 заменен на ATmega16U2.

“Uno” (в переводе с итальянского – “один”) назван по случаю предстоящего выпуска Arduino 1.0. Совместно с Arduino 1.0 данные устройства будут базовыми версиями Ардуино. Uno – эталонная модель платформы Arduino и является последней в серии USB-плат; для сравнения с предыдущими версиями, см. список плат Arduino.

Характеристики

Схема и исходный проект

Файлы EAGLE: arduino-uno-Rev3-reference-design.zip (ПРИМЕЧАНИЕ: совместимо с версиями Eagle не ниже 6.0)

Примечание: В файлах проекта Ардуино могут фигурировать микроконтроллеры ATmega8, 168 или 328. Например, в последних моделях используется микроконтроллер ATmega328, но на схеме может быть указан микроконтроллер ATmega8. Это не является ошибкой, поскольку все три микросхемы полностью совместимы между собой по выводам.

Питание

Arduino Uno может быть запитан от USB либо от внешнего источника питания – тип источника выбирается автоматически.

В качестве внешнего источника питания (не USB) может использоваться сетевой AC/DC-адаптер или аккумулятор/батарея. Штекер адаптера (диаметр – 2.1мм, центральный контакт – положительный) необходимо вставить в соответствующий разъем питания на плате. В случае питания от аккумулятора/батареи, ее провода необходимо подсоединить к выводам Gnd и Vin разъема POWER.

Напряжение внешнего источника питания может быть в пределах от 6 до 20 В. Однако, уменьшение напряжения питания ниже 7В приводит к уменьшению напряжения на выводе 5V, что может стать причиной нестабильной работы устройства. Использование напряжения больше 12В может приводить к перегреву стабилизатора напряжения и выходу платы из строя. С учетом этого, рекомендуется использовать источник питания с напряжением в диапазоне от 7 до 12В.

Ниже перечислены выводы питания, расположенные на плате:

• VIN. Напряжение, поступающее в Arduino непосредственно от внешнего источника питания (не связано с 5В от USB или другим стабилизированным напряжением). Через этот вывод можно как подавать внешнее питание, так и потреблять ток, когда устройство запитано от внешнего адаптера.
• 5V. На вывод поступает напряжение 5В от стабилизатора напряжения на плате, вне независимости от того, как запитано устройство: от адаптера (7 – 12В), от USB (5В) или через вывод VIN (7 – 12В). Запитывать устройство через выводы 5V или 3V3 не рекомендуется, поскольку в этом случае не используется стабилизатор напряжения, что может привести к выходу платы из строя.
• 3V3. 3.3В, поступающие от стабилизатора напряжения на плате. Максимальный ток, потребляемый от этого вывода, составляет 50 мА.
• GND. Выводы земли.
• IOREF. Этот вывод предоставляет платам расширения информацию о рабочем напряжении микроконтроллера Ардуино. В зависимости от напряжения, считанного с вывода IOREF, плата расширения может переключиться на соответствующий источник питания либо задействовать преобразователи уровней, что позволит ей работать как с 5В, так и с 3.3В-устройствами.

Память

Объем флеш-памяти ATmega328 составляет 32 КБ (из которых 0.5 КБ используются загрузчиком). Микроконтроллер также имеет 2 КБ памяти SRAM и 1 КБ EEPROM (из которой можно считывать или записывать информацию с помощью библиотеки EEPROM).

Входы и выходы

С использованием функций pinMode(), digitalWrite() и digitalRead() каждый из 14 цифровых выводов может работать в качестве входа или выхода. Уровень напряжения на выводах ограничен 5В. Максимальный ток, который может отдавать или потреблять один вывод, составляет 40 мА. Все выводы сопряжены с внутренними подтягивающими резисторами (по умолчанию отключенными) номиналом 20-50 кОм. Помимо этого, некоторые выводы Ардуино могут выполнять дополнительные функции:

• Последовательный интерфейс: выводы 0 (RX) и 1 (TX). Используются для получения (RX) и передачи (TX) данных по последовательному интерфейсу. Эти выводы соединены с соответствующими выводами микросхемы ATmega8U2, выполняющей роль преобразователя USB-UART.
• Внешние прерывания: выводы 2 и 3. Могут служить источниками прерываний, возникающих при фронте, спаде или при низком уровне сигнала на этих выводах. Для получения дополнительной информации см. функцию attachInterrupt().
• ШИМ: выводы 3, 5, 6, 9, 10 и 11. С помощью функции analogWrite() могут выводить 8-битные аналоговые значения в виде ШИМ-сигнала.
• Интерфейс SPI: выводы 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). С применением библиотеки SPI данные выводы могут осуществлять связь по интерфейсу SPI.
• Светодиод: 13. Встроенный светодиод, подсоединенный к выводу 13. При отправке значения HIGH светодиод включается, при отправке LOW – выключается.

В Arduino Uno есть 6 аналоговых входов (A0 – A5), каждый из которых может представить аналоговое напряжение в виде 10-битного числа (1024 различных значения). По умолчанию, измерение напряжения осуществляется относительно диапазона от 0 до 5 В. Тем не менее, верхнюю границу этого диапазона можно изменить, используя вывод AREF и функцию analogReference(). Помимо этого, некоторые из аналоговых входов имеют дополнительные функции:

• TWI: вывод A4 или SDA и вывод A5 или SCL. С использованием библиотеки Wire данные выводы могут осуществлять связь по интерфейсу TWI.

Помимо перечисленных на плате существует еще несколько выводов:

• AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов. Может задействоваться функцией analogReference().
• Reset. Формирование низкого уровня (LOW) на этом выводе приведет к перезагрузке микроконтроллера. Обычно этот вывод служит для функционирования кнопки сброса на платах расширения

Смотрите также соответствие выводов Arduino и ATmega328. Распиновка для микроконтроллеров ATmega8, 168 и 328 идентична.

Связь

Arduino Uno предоставляет ряд возможностей для осуществления связи с компьютером, еще одним Ардуино или другими микроконтроллерами. В ATmega328 имеется приемопередатчик UART, позволяющий осуществлять последовательную связь посредством цифровых выводов 0 (RX) и 1 (TX). Микроконтроллер ATmega16U2 на плате обеспечивает связь этого приемопередатчика с USB-портом компьютера, и при подключении к ПК позволяет Ардуино определяться как виртуальный COM-порт. Прошивка микросхемы 16U2 использует стандартные драйвера USB-COM, поэтому установка внешних драйверов не требуется. На платформе Windows необходим только соответствующий .inf-файл. В пакет программного обеспечения Ардуино входит специальная программа, позволяющая считывать и отправлять на Ардуино простые текстовые данные. При передаче данных через микросхему-преобразователь USB-UART во время USB-соединения с компьютером, на плате будут мигать светодиоды RX и TX. (При последовательной передаче данных посредством выводов 0 и 1, без использования USB-преобразователя, данные светодиоды не задействуются).

Библиотека SoftwareSerial позволяет реализовать последовательную связь на любых цифровых выводах Arduino Uno.

В микроконтроллере ATmega328 также реализована поддержка последовательных интерфейсов I2C (TWI) и SPI. В программное обеспечение Ардуино входит библиотека Wire, позволяющая упростить работу с шиной I2C; для получения более подробной информации см. документацию. Для работы с интерфейсом SPI используйте библиотеку SPI.

Программирование

Arduino Uno программируется с помощью программного обеспечения Ардуино (скачать). Для этого из меню Tools > Board необходимо выбрать “Arduino Uno” с микроконтроллером, соответствующим вашей плате. Для получения более подробной информации см. справку и примеры.

ATmega328 в Arduino Uno выпускается с прошитым загрузчиком, позволяющим загружать в микроконтроллер новые программы без необходимости использования внешнего программатора. Взаимодействие с ним осуществляется по оригинальному протоколу STK500 (описание, заголовочные файлы C).

Тем не менее, микроконтроллер можно прошить и через разъем для внутрисхемного программирования ICSP (In-Circuit Serial Programming), не обращая внимания на загрузчик; более подробно об этом см. соответствующие инструкции.

Исходный код прошивки микроконтроллера ATmega16U2 (или 8U2 на платах версии R1 и R2) находится в свободном доступе. Прошивка ATmega16U2/8U2 включает в себя DFU-загрузчик (Device Firmware Update), позволяющий обновлять прошивку микроконтроллера. Для активации режима DFU необходимо:

• На платах версии R1: замкнуть перемычку на обратной стороне платы (возле изображения Италии), после чего сбросить 8U2.
• На платах версий R2 и выше – для упрощения перехода в режим DFU присутствует резистор, подтягивающий к земле линию HWB микроконтроллера 8U2/16U2.

После перехода в DFU-режим для загрузки новой прошивки можно использовать программное обеспечение Atmel’s FLIP (для Windows) или DFU programmer (для Mac OS X и Linux). Альтернативный вариант – прошить микроконтроллер через разъем для внутрисхемного программирования ISP с помощью внешнего программатора, однако в этом случае DFU-загрузчик затрется. Для получения более подробной информации см. эти инструкции, составленные пользователями.

Автоматический (программный) сброс

Чтобы каждый раз перед загрузкой программы не требовалось нажимать кнопку сброса, Arduino Uno спроектирован таким образом, который позволяет осуществлять его сброс программно с подключенного компьютера. Один из выводов ATmega8U2/16U2, участвующий в управлении потоком данных (DTR), соединен с выводом RESET микроконтроллера ATmega328 через конденсатор номиналом 100 нФ. Когда на линии DTR появляется ноль, вывод RESET также переходит в низкий уровень на время, достаточное для перезагрузки микроконтроллера. Данная особенность используется для того, чтобы можно было прошивать микроконтроллер всего одним нажатием кнопки в среде программирования Ардуино. Такая архитектура позволяет уменьшить таймаут загрузчика, поскольку процесс прошивки всегда синхронизирован со спадом сигнала на линии DTR.

Однако эта система может приводить и к другим последствиям. При подключении Uno к компьютерам, работающим на Mac OS X или Linux, его микроконтроллер будет сбрасываться при каждом соединении программного обеспечения с платой. После сброса на Arduino Uno активизируется загрузчик на время около полсекунды. Несмотря на то, что загрузчик запрограммирован игнорировать посторонние данные (т.е. все данные, не касающиеся процесса прошивки новой программы), он может перехватить несколько первых байт данных из посылки, отправляемой плате сразу после установки соединения. Соответственно, если в программе, работающей на Ардуино, предусмотрено получение от компьютера каких-либо настроек или других данных при первом запуске, убедитесь, что программное обеспечение, с которым взаимодействует Ардуино, осуществляет отправку спустя секунду после установки соединения.

На плате Uno существует дорожка (отмеченная как “RESET-EN”), разомкнув которую, можно отключить автоматический сброс микроконтроллера. Для повторного восстановления функции автоматического сброса необходимо спаять между собой выводы, расположенные по краям этой дорожки. Автоматический сброс также можно выключить, подключив резистор номиналом 110 Ом между выводом RESET и 5В; для получения более подробной информации см. соответствующую ветку форума.

Защита USB от перегрузок

В Arduino Uno есть восстанавливаемые предохранители, защищающие USB-порт компьютера от коротких замыканий и перегрузок. Несмотря на то, что большинство компьютеров имеют собственную защиту, такие предохранители обеспечивают дополнительный уровень защиты. Если от USB-порта потребляется ток более 500 мА, предохранитель автоматически разорвет соединение до устранения причин короткого замыкания или перегрузки.

Физические характеристики

Максимальная длина и ширина печатной платы Uno составляет 6.9 см и 5.4 см соответственно, с учетом разъема USB и разъема питания, выступающих за пределы платы. Четыре крепежных отверстия позволяют прикреплять плату к поверхности или корпусу. Обратите внимание, что расстояние между цифровыми выводами 7 и 8 не кратно традиционным 2.54 мм и составляет 4 мм.

Що можна зробити на Arduino?

Arduino об’єднує апаратно-програмні засоби, за допомогою яких можна будувати системи автоматики і робототехніки. Проекти на базі мікроконтролера Arduino цікаві і дорослим, і дітям.

За допомогою Arduino-пристроїв можна полегшити побут, створити власними руками будь-якого робота або придумати величезну кількість рішень для сучасного розумного будинку. Представляємо вам кілька прикладів.

GSM cигналізація на базі Ардуіно і SIM800L Arduino

Щоб створити домашню охоронну сигналізацію на базі Ардуіно необхідно:

• GSM модуль SIM800L;
• Аrduino Nano (або Uno);
• перетворювач напруги LM2596;
• резистори на 10кОм;
• акумулятор від мобільного телефону.

Для електроніки потрібно знайти відповідний корпус. Монтувати на макетну плату бажано через колодки – при необхідності буде легко замінити модулі. Включатися сигналізація буде завдяки живленню 4,2 вольта. Напруга подається через вимикач на SIM800L і Аrduino Nano.

Коли спрацьовує перший шлейф, система дзвонить на перший номер. Дзвінок скидається і дзвонить на вказаний другий номер. Останній додається на випадок, якщо перший буде поза зоною досяжності. При спрацьовуванні другого, третього, четвертого, і п’ятого шлейфу, відсилаються СМС із зазначенням номера зони, яка спрацювала – також на два номери.

Якщо вам не потрібно 5 шлейфів – з’єднайте контакт 5V Arduino c непотрібними входами. GSM сигналізація на 5 шлейфів з акумулятором, який дозволить пристрою працювати автономно кілька днів, навіть якщо буде відключена електроенергія.

Можна підключити до них будь-які охоронні контактні датчики, реле тощо. Отримаєте недорогий компактний охоронний прилад з передачею повідомлень і дзвоном на два номери. Встановити можна як для охорони будинку, так і дачі, квартири чи гаража.

Робот пилосос

Для створення робота своїми руками вам знадобляться:

• Arduino Pro-mini;
• USB-TTL перехідник Pro mini (в Arduino Nano перехідник вбудований в плату);
• драйвер L298N для керування і реверсування двигунів постійного струму;
• невеликі двигуни з редуктором і колесами;
• шість інфрачервоних датчиків;
• двигун для турбіни;
• турбіна;
• невеликі двигуни для щіток;
• два датчики зіткнення;
• чотири акумулятори 18650;
• два перетворювача постійної напруги (для підвищення і зниження);
• контролер для роботи акумуляторів.

Система стеження за тваринами

Стежити за тим, де гуляють ваші домашні вихованці теж можна за допомогою пристрою, створеного на базі Arduino. Для цього рішення необхідний GPS-маячок.

Автор проекту використовував плату TinyDuino та шилд до неї. Її можна замінити на міні-екземпляри Arduino – mini, micro або nano.

В якості елемента живлення взято Li-ion невеликої ємності. Маленького акумулятора досить на 5-6 годин роботи. Експериментатор помістив всі елементи в баночку з-під Tic-Tac.

Щоб показання датчика були максимально достовірними, необхідно спрямувати антену GPS вгору.

Для домашніх тварин любителі Arduino створили також багато інших проектів. Наприклад, робот, який грає з котом або собакою за допомогою лазерного променя. Ще приклад – автоматизована годівниця для вихованців і камерою для стеження в реальному часі. Можна запрограмувати кількість і час видачі корму.

Універсальний пульт керування зі смартфону

За допомогою Arduino можна створити пульт, який буде керуватися зі смартфону. Для реалізації проекту потрібні:

• Arduino будь-якої моделі;
• інфрачервоний приймач TSOP1138;
• інфрачервоний світлодіод;
• Bluetooth-модуль (HC-05, HC-06).

За допомогою цього рішення можна зчитувати коди з пультів, виготовлених на заводі. Після того, як інформація зчиталася, можна зберегти значення та керувати потрібним пристроєм зі смартфона через Bluetooth.

Поворотний стіл з фоторезисторами на Arduino

Для реалізації даного проекту вам знадобляться:

• Arduino Uno R3 (з мікропроцесором Atmega328);
• блок живлення 5 В для Arduino Uno R3;
• предмет, який стане платформою;
• дроти;
• кроковий двигун NEMA-17, 200 кроків, 12 В, 350 мА;
• Adafruit Motor Shield для Arduino v. 2.3;
• джерело живлення на 12 В для мотор-Шілд (живлення Arduino буде недостатньо);
• макетна плата для монтажу;
• датчики освітлення – фоторезистори.

Після складання мотор-Шілд, встановлюємо його на Arduino і підключаємо до нього джерело живлення. Сділ підготувати два конектори, щоб використовувати їх для підключення адаптера до мотор-Шілд. Далі підключають дроти до відповідних слотів і затягують гвинти на клемах мотор-Шілд та адаптера. Мотор-Шилд готовий до роботи.

Далі слід підключити кроковий двигун. Не сплутавши контакти, підключіть кроковий двигун до клем на Шілд, щоб протестувати його роботу. Тепер треба протестувати датчики освітлення.

Наступний крок – перевірка датчиків освітленості. В даному прикладі для підключення використовуються цифрові виходи Arduino. Але ви можете поекспериментувати і використовувати аналогові контакти.

Автоматичні жалюзі

Для реалізації необхідно:

• кроковий двигун 28BYJ-48 з платою драйвером;
• Arduino nano 3.0;
• фоторезистори 20 штук;

На фото нижче – зібрана робоча схема.

Розумна система для акваріума

Підсвічування в потрібний час доби, відображення часу, управління роботою компресора, фільтрів та показники температури – всі ці функції об’єднуються в одному проекті на базі Ардуіно. Для створення керуючого пристрою необхідні:

• плата Arduino Uno;
• п’єзо-елемент
• RGB-стрічка;
• біла діодна стрічка;
• датчик температури та вологості;
• LCD екран;
• годинник;
• 2 реле;
• ІК-приймач;
• транзистори.

Схеми реалізації такого пристрою є різні.

Система розпізнавання облич

Веб-камера кріпиться на поворотний механізм і підключається до комп’ютера. Програмне забезпечення, яке заздалегідь слід встановити на ПК – OpenCV.

Коли програма виявляє обличчя, починається визначення його центральної точки. Отримані координати передаються на мікроконтролер Arduino, який керує сервомоторами і стежить за обличчям.

Для реалізації проекту будуть потрібні:

• програмне забезпечення Arduino IDE, OpenCV;
• плата Arduino Uno;
• 2 сервомотори;
• веб-камера.

Окей Google, Сезам, відкрий двері

За допомогою даного рішення ви зможете відкривати вхідні двері за допомогою голосових команд. Щоб увійти в приміщення вам досить буде сказати запрограмовану фразу.

Для створення необхідно придбати:

• Arduino Uno;
• серводвигун;
• модуль Bluetooth.

Щоб розблокувати електронний замок потрібно використовувати команди Google Now. Для смартфонів і планшетів є стандартний додаток – «Сезам». Ця програма відправляє команду замку на дверях, реагуючи на слова «О’кей Google, Сезам, відкрийся».

Сервопривод підключається до замка. Модуль Bluetooth очікує команду, а при її отриманні подає сигнал Arduino через serial-порт. Arduino Uno дає команду сервоприводу і двері відкриваються.

Аудіоплеєр

На базі Arduino можна створити аудіопрогравач. Він складається з динаміка, транзистора, micro-sd карти із записаними на неї треками. В якості плати використовується Arduino, додатково можна взяти контролер Seeeduino 2.21 або Garagino на ATmega328.

Для реалізації проекту потрібні:

• контролер;
• карт-рідер;
• динамік;
• друкована плата;
• карта пам’яті з аудіотрек;
• транзистор;
• резистор;
• дроти.

Arduino завантажує файли з розширенням .wav карти пам’яті. Генерується сигнал, який виводиться через динаміки, підключені до піну 9 на платі.

Перетворити аудіотрек в wav-формат можна за допомогою різних онлайн-конвертерів. Музичні файли мають обмеження при відтворенні мелодії. Транзистору для зчитування .wav-файли потрібно перетворити до такого вигляду: 16 кГц в секунду, моно-канал, біт на семпл – 8. Музику записувати на відформатовану карту пам’яті. Назви файлів – максимально прості.

За допомогою платформи Arduino можна реалізувати дуже багато проектів. Ви самі можете фантазувати, ставити реальні завдання та втілювати їх в життя.