Авторский курс по обучению Ардуино для собственного сына

Добавлено 12 февраля 2016 в 18:00

Сохранить или поделиться

Данная статья поможет вам начать работу с Arduino и включает в себя описание различных типов Arduino, как загрузить среду разработки программного обеспечения Arduino, и описывает различные платы и принадлежности, доступные для Arduino, и которые понадобятся вам для разработки проектов на Arduino.

Arduino – это одноплатный контроллер с открытыми исходными кодами, который можно использовать в множестве различных приложений. Это возможно самый простой и самый дешевый вариант из микроконтроллеров для любителей, студентов и профессионалов для разработки проектов на основе микроконтроллеров. Платы Arduino используют либо микроконтроллер Atmel AVR, либо микроконтроллер Atmel ARM, и в некоторых версия имеет интерфейс USB. Они также имеют шесть или более выводов аналоговых входов и четырнадцать или более выводов цифровых входов/выходов (I/O), которые используются для подключения к микроконтроллеру датчиков, приводов и других периферийных схем. Цена на платы Arduino в зависимости от набора функций составляет от шести до сорока долларов.

Типы плат Arduino

Существует множество различных типов плат Arduino, как показано в списке ниже, каждая из которых обладает собственным набором функций. Они отличаются по скорости обработки, памяти, портам ввода/вывода и подключению, но основная составляющая их функционала остается неизменной.

• Arduino Uno
• Arduino Leonardo
• Arduino Due
• Arduino Yún
• Arduino Tre
• Arduino Micro
• Arduino Robot
• Arduino Esplora
• Arduino Mega
• Arduino Mini
• LilyPad Arduino
• Arduino Nano
• Arduino Fio
• Arduino Pro
• Arduino Ethernet

На разнообразие плат Arduino и их технические описания можно посмотреть в подразделе «Arduino» раздела «Купить» данного сайта.

Инструкция по Arduino для новичков. Первые шаги.

Введение. Впервые это вижу.

Привет друзья, меня зовут Алексей, и от имени и по поручению команды профессионалов Giant4 я решил написать небольшой курс статей — инструкций по использованию платы Arduino Nano и так называемой адресной лентой, на основе светодиодов ws2812b.

Давайте сначала поговорим о том, что Arduino из себя представляет в общем. Данное понимание просто необходимо, особенно если Вы в данном деле новичок. В этой серии статей мы преследуем цель обеспечить простой и безболезненный старт новичку, поэтому я намерен давать простые и понятные для восприятия термины и определения. Итак, поехали!

Arduino

Для начала нам необходимо разобраться, что же такое Arduino. Если вы почитаете в интернете, то найдете множество разных определений, но я дам Вам свое, в корне отличающееся от остальных. Arduino – это платформа, предназначенная для простой и понятной разработки. Arduino позволит легко разрабатывать свои собственные устройства, не имея ни малейшего понятия об архитектуре микроконтроллера (МК), не имея каких-то серьезных навыков программирования и даже не зная основ электротехники. Arduino – это не программа для написания кода, не интерпретатор, не компилятор, не программатор и даже не сама плата, на которой находится микроконтроллер. Arduino – это все перечисленное выше, но и одновременно нечто гораздо большее. Это целая система, это философия, это то, что объединяет крутейшие идеи ведущих инженеров мира. Это комплекс программных и аппаратных решений. Но при всем при этом, Arduino считается детской игрушкой, с которой справится даже первоклассница. Arduino – это то, что может показаться неоправданно дорогим и то, что составляет конкуренцию мировым лидерам по разработке и производству электроники, как в вопросе себестоимости, так и в функционале. И то, чем будет Arduino в Ваших руках, зависит только от Вас.

Возможно, я написал немало громких слов и немного запутал Вас. Тем не менее, все написанное выше чрезвычайно важно, и если Вы продолжите заниматься разработкой электроники с Arduino, то обязательно поймете это. А пока давайте вернемся к началу и сформулируем внятное определение. Arduino – это платформа, платформа для разработки электроники, позволяющая с минимальными затратами и усилиями программировать МК.

Arduino Nano

На фото изображена та самая плата к которой мы пишем инструкцию, она и называется Arduino Nano. Это уже готовая плата, в основе которой лежит МК ATmega328, а также вся необходимая обвязка, превращающая популярный микроконтроллер в полноценное, самостоятельное устройство. Тут у нас и кварцевый резонатор, позволяющий МК работать на стабильной частоте, и стабилизатор напряжения, и микросхема, связывающая компьютер и устройство (для ее программирования). Также имеется кнопочка сброса программы, индикация в виде светодиодов. Ну и несколько простейших радиокомпонентов, без которых устройство не заработает. В общем, все организовано таким образом, чтобы можно было просто подключить плату к компьютеру (по USB проводу) и начать работать. Как по мне, это очень здорово, при том что Nano имеет небольшой размер и выводы, предназначенные для впаивания в них гребенки с контактами. Имея данные контакты и провода под них, можно даже не пользоваться паяльником.

Подделка или оригинал

Дальше следует упомянуть о том, что плата, которая лежит у меня на столе, — это не совсем оригинал, это китайская реплика или даже можно сказать подделка. Она значительно дешевле оригинала. Но стоит отнестись к данной информации объективно. Во-первых, весь функционал такой же, как и в оригинале. Во-вторых, не потеряно удобство работы с данной платой. В-третьих, итальянцы действительно слишком дорого просят за оригинал и невольно задумываешься об их чрезмерных аппетитах. Если интересно, сравните стоимость Arduino Nano из Китая со стоимостью такой же платы из официального магазина Arduino, и сами все поймете. В общем, смысл простой: если есть возможность и желание переплатить, то можно поддержать разработчиков платформы, все-таки они подарили миру по-настоящему крутое решение. Но при желании сэкономить Вы ничего не теряете. Также если Вы будете читать статьи других авторов, то в них часто можно увидеть упоминания подобного рода: «У Китая, конечно, дешево, но они постоянно глючат, ломаются и требуют «танцев с бубном». Вам это нужно? Вот если взять оригинал, то проблем не будет…» И Вы в растерянности будете думать: «Почему мнения расходятся? Почему объясняют по-разному?» Ответ, как правило, очень простой: в этих же статьях Вы наткнетесь на ссылки, ведущие в официальный магазин Arduino, то есть эти статьи писали не авторы, а продавцы, участвующие в реферальной программе. Как правило, данные статьи частично или полностью скопированы у настоящих авторов и доверять им не стоит, так как велик шанс того, что они только запутают Вас.

Подключение
Arduino
Nano

Давайте разберемся, как подключать нашу плату, чтобы ее использовать. Прежде всего следует обратить внимание на то, что все выводы на плате подписаны. Давайте начнем с электропитания. Самый простой способ подключить Arduino Nano – это подключить ее по USB проводу к компьютеру. В этом случае плата сразу же будет запитана и появится связь с компьютером для ее программирования. Но этот способ используется, как правило, только для программирования и отладки работы. Согласитесь, будет не удобно таскать компьютер вслед за МК.

Зато на нашей плате имеются специальные выводы питания МК от внешнего источника. Подписаны они как: «+5», «VIN», «GND». Если источник питания от 4,5В до 5,5В, то смело используем «+5» и «GND», если источник питания от 7-12В, то используем «VIN» и «GND». Сразу хочу оговориться: во многих статьях указанно, что напряжение питания на «VIN» возможно подавать 6-20В, но я бы не советовал подключать больше 12в, так как понижающий стабилизатор может не справиться. Так как мы будем рассматривать Ардуино в связке с адресной лентой, нам больше и не потребуется.

Теперь давайте поговорим о других выводах платы. И сразу же ремарка: мы не будем говорить обо всех возможностях, а поговорим только конкретно о тех, что нам необходимы. На Arduino Nano имеются 14 контактов, начинающихся на букву «D». Это цифровые входы и выходы. В зависимости от нашей программы, каждый из этих контактов может быть либо входом, либо выходом.

Объясняю, что это значит. Если, к примеру, вывод «D4» объявлен как выход, тогда своей программой мы можем подать на него напряжение (+5В) или же снять напряжение, и на нем будет общий (GND). Полностью физически отключить вывод (на сленге — «ногу») не получится, так как у нас внутри не выключатель, но это нам и не нужно.

А если вывод «D4» объявлен как вход, то программа может определить, подано напряжение извне или нет. Это можно использовать для внешних элементов управления платой, к примеру, кнопок.

Также хочу сказать, что для простоты понимания мы с Вами, в рамках данного курса, не будем оперировать выводами «D0» и «D1», там есть нюансы, которые только запутают нас на данном этапе.

WS2812

B

И, наконец-то, пришло время поговорить об адресной светодиодной ленте на основе светодиодов ws2812b. Суть в том, что можно зажечь на данной ленте любой отдельный светодиод, любым цветом. Управление светодиодами происходит достаточно быстро и при должной сноровке можно организовывать целые световые шоу.

Каждый светодиод в ленте мы будем называть пикселем. Потому что один пиксель имеет внутри себя 3 светодиода разных цветов: красный, зеленый, синий. И, конечно же, пиксель «пляшет» от системы кодирования цветов RGB (red, green, blue). Также в каждом пикселе имеется микросхема, которая управляет степенью яркости того или иного цвета по средству ШИМ. То есть, три ШИМ сигнала с микросхемы, расположенной внутри пикселя, управляют яркостью каждого светодиода по отдельности. Каждый из трех ШИМ сигналов может принимать 0 до 255 значений, то есть 8 бит. Из этого можно сделать вывод, что каждый пиксель на ленте кодируется 24 битами, а это, в свою очередь, 16 777 216 различных цветов, которые можно получить с одного пикселя. С нашей точки зрения, это очень круто?

А теперь небольшое разоблачение: на самом деле пиксели в адресной светодиодной ленте не имеют адресов. Данное название пошло скорее от народа. Работает это примерно так: пиксель, начиная с первого, получает пакет из 24 бит, начинает работать согласно инструкции, а получив за первым пакетом второй, передает его следующему пикселю, — и так до конца. Чтобы прервать этот цикл и начать заполнение с начала, необходимо выдержать временную паузу, причем эта пауза очень мала, а сами биты отправляются на достаточно большой частоте. Но если говорить честно, то мы не будем работать с битами напрямую, всю работу на себя возьмёт программная библиотека (которых, кстати, для Arduino огромное множество).

У нашей светодиодной ленты имеются три контакта: «+5V», «GND» и «D». Причем с одной стороны от светодиода у нас промаркировано «DO», а с другой «DIN». «D» — это как раз линия, по которой идут команды. Команды могут идти только в одном направлении. «DIN» — дискретный вход, «DO» — дискретный выход. И, как правило, направление команд отмечено стрелочками.

Заключение

В этой вводной статье мы познакомились, в общих чертах, с чем собираемся работать в дальнейшем. Как я и говорил, теперь мы имеем общее представление и в следующей статье приступим к практике с большей уверенностью и пониманием дела.

Программное обеспечение (IDE)

Программное обеспечение, используемое для программирования Arduino, представляет собой интегрированную среду разработки Arduino IDE. IDE представляет собой Java приложение, которое работает на множестве различных платформ, включая системы PC, Mac и Linux. Она разработана для начинающих, которые не знакомы с программированием. Она включает в себя редактор, компилятор и загрузчик. Также в IDE включены библиотеки кода для использования периферии, например, последовательных портов и различных типов дисплеев. Программы для Arduino называются «скетчами», и они написаны на языке, очень похожем на C или C++.

Самые простые проекты с использованием Arduino

Примеров простых проектов с Ардуино множество, например, вы можете:

1. Создать датчик освещённости, который будет подстраивать специальные LED лампы под ту яркость, которая необходима в комнате.
2. Автоматизация любых вещей в вашем доме. Например, включения-выключения света, открытия дверей и прочее.
3. Автоматизация оранжереи.

Хотя это и звучит достаточно страшно, на большую часть этих проектов, благодаря обилию информации по ним в интернете, вы не потратите много времени и сил.

Программирование

Программирование Arduino легко: сначала вы используете редактор кода IDE для написания программы, а затем компилируете и загружаете её одним кликом.

Программа для Arduino включает в себя две основные функции:

• setup()
• loop()

Вы можете использовать функцию setup() для инициализации настроек платы. Эта функция выполняется только один раз, при включении платы.

Функция loop() выполняется после завершения функции setup(), и в отличие от функции setup() она работает постоянно.

Расширение возможности на Ардуино

Одной из возможностей умного дома является визуализация состояния автоматики и проходящих в системе процессов. Для этого рекомендуется применять отдельный сервер, обеспечивающий обработку состояний (может применяться программа Node.js).

Упомянутая программная технология применяется для решения интернет-задач, поэтому для визуализации «Умного дома» используется язык Java Script (именно с его помощью создается обработчик и сервер). Результаты можно увидеть на экране компьютера или ПК.

Для реализации задуманного подойдет ноутбук, обычный ПК или Raspberry Pi. Применение такой системы позволяет увеличить ее возможности. Так, если на плате Ардуино имеется небольшой объем памяти, на сервере такие ограничения отсутствуют. Программа пишется таким образом, чтобы обеспечить полное управление платформой.

При желании можно задать алгоритм, который будет фиксировать факт нахождения человека в доме, и собирать эту информацию. Если владелец ежедневно возвращается где-то к 17.30, за час может быть включен бойлер или отопительные устройства. По приходу домой человек попадает в теплое здание с горячей водой.

Программа может запомнить время, когда владелец ложится отдыхать и отключать нагрев воды. Таких нюансов, которые при необходимости вносятся в программу, множество. Именно наличие внешнего ПК дает большие возможности контроллеру на Ардуино.

Функции программ

Ниже приведен список наиболее часто используемых функции при программировании Arduino:

• pinMode – устанавливает вывод в режим входа или выхода;
• analogRead – считывает аналоговое напряжение на аналоговом входном выводе;
• analogWrite – записывает аналоговое напряжение в аналоговый выходной вывод;
• digitalRead – считывает значение цифрового входного вывода;
• digitalWrite – задает значение цифрового выходного вывода в высокий или низкий уровень;
• Serial.print – пишет данные в последовательный порт в виде удобочитаемого текста ASCII.

Общение с Ардуино

Чтобы узнать, какие действия осуществлять, процессор должен получить соответствующую команду. Общение производится с помощью специального языка, который адаптирован под работу с Ардуино и достаточно прост. При желании в нем легко работаться даже при отсутствии навыков программирования.

Оформление и отправка сообщения контроллеру называется программированием. Чтобы упростить процесс, разработана среда Arduino IDE, в состав которой входит множество программ. Их изучение позволяет получить массу полезной информации о работе с Ардуино.

Библиотеки Arduino

Библиотеки Arduino представляют собой коллекции функций, которые позволят вам управлять устройствами. Вот некоторые из наиболее широко используемых библиотек:

• EEPROM – чтение и запись в «постоянно» хранилище;
• Ethernet – для подключения к интернету, используя плату Arduino Ethernet Shield;
• Firmata – для связи с приложениями на компьютере, используя стандартный последовательный протокол;
• GSM – для подключения к сети GSM/GRPS с помощью платы GSM;
• LiquidCrystal – для управления жидкокристаллическими дисплеями (LCD);
• SD – для чтения и записи SD карт;
• Servo – для управления сервоприводами;
• SPI – для связи с устройствами, используя шину SPI;
• SoftwareSerial – для последовательной связи через любые цифровые выводы;
• Stepper – для управления шаговыми двигателями;
• TFT – для отрисовки текста, изображений и фигур Arduino TFT экранах;
• WiFi – для подключения к интернету, используя плату Arduino WiFi shield;
• Wire – двухпроводный интерфейс (TWI/I2C) для передачи и приема данных через сеть устройств или датчиков.

Разработка проекта

На современном рынке представлено множество устройств Arduino, имеющих различную комплектацию. Но универсального решения «на все случаи жизни» не существует. В зависимости от поставленной задачи каждый комплект подбирается в индивидуальном порядке. Чтобы избежать ошибок, требуется разработка проекта.

Какие проекты можно создавать на Arduino?

Ардуино позволяет создавать множество уникальных проектов. Вот лишь некоторые из них:

• Сборка кубика Рубика (система справляется за 0,887 с);
• Контроль влажности в подвальном помещении;
• Создание уникальных картин;
• Отправка сообщений;
• Балансирующий робот на двух колесах;
• Анализатор спектра звука;
• Лампа оригами с емкостным сенсором;
• Рука-робот, управляемая с помощью Ардуино;
• Написание букв в воздухе;
• Управление фотовспышкой и многое другое.

Составление проекта для умного дома

Рассмотрим ситуацию, когда необходимо сделать автоматику для дома с одной комнатой.

Такое здание состоит из пяти основных зон — прихожей, крыльца, кухни, санузла, а также комнаты для проживания.

При составлении проекта стоит учесть следующее:

• КРЫЛЬЦО. Включение света производится в двух случая — приближение хозяина к дому в темное время суток и открытие дверей (когда человек выходит из здания).
• САНУЗЕЛ. В бойлере предусмотрен выключатель питания, который при достижении определенной температуры выключается. Управление бойлером производится в зависимости от наличия соответствующей автоматики. При входе в помещение должна срабатывать вытяжка, и загорается свет.
• ПРИХОЖАЯ. Здесь требуется включение света при наступлении темноты (автоматическое), а также система обнаружения движения. Ночью включается лампочка небольшой мощности, что исключает дискомфорт для других жильцов дома.
• КОМНАТА. Включение света производится вручную, но при необходимости и наличии датчика движения эта манипуляция может происходить автоматически.
• КУХНЯ. Включение и отключение света на кухне осуществляется в ручном режиме. Допускается автоматическое отключение в случае продолжительного отсутствия перемещений по комнате. Если человек начинает готовить пищу, активируется вытяжка.

Отопительные устройства выполняют задачу поддержания необходимой температуры в помещении. Если в доме отсутствуют люди, нижний предел температуры падает до определенного уровня.

После появления людей в здании этот параметр поднимается до прежнего значения. Рекуперация воздуха осуществляется в случае, когда система обнаружила присутствие владельца. Продолжительность процесса — не более 10 минут в час.

Стоит обратить внимание, что если в доме планируется установка умных розеток, то для управления ими лучше использовать приложения на мобильных устройствах, WIFI или через SMS сообщения.

Визуальное программирование для Arduino можно осуществлять с помощью специального приложения FLProg, которое можно скачать с официального сайта https://flprog.ru/.

Этапы настройки Arduino

1. Во-первых, установите IDE. Вы можете скачать IDE с сайта Arduino.

2. Установите программное обеспечение на свой компьютер.
3. Теперь запустите .exe файл Arduino IDE. IDE выглядит так:

4. Напишите в редакторе кода свою программу и загрузите её в Arduino. Чтобы сделать это, необходимо подключить Arduino к компьютеру, используя USB кабель.

5. В IDE выберите тип Arduino, который вы используете, через меню Tools (Инструменты) → Boards (Платы).

6. Теперь проверьте свой код, нажав на значок «галки» вверху окна IDE, затем нажмите на соседний значок «стрелка вправо», чтобы скомпилировать и загрузить код в Arduino.

Внимание: возможно, вам понадобится установить драйвера, если ваша система не обнаружит Arduino.

Как настроить Ардуино?

Одним из главных преимуществ конструктора является его безопасность относительно настроек пользователя. Ключевые настройки, потенциально опасные для Arduino, являются защищенными и будут недоступны.

Поэтому даже неопытный программист может смело экспериментировать и менять различные опции, добиваясь нужного результата. Но на всякий случай очень рекомендуем прочитать три важных материала по тому как не испортить плату:

• Как уберечь Arduino и другие платы от кривых рук
• 10 способов «убить» микроконтроллер Arduino
• Как безопасно подключать внешние устройства к микроконтроллеру?

Алгоритм классической настройки программы Arduino выглядит так:

• установка IDE, которую можно загрузить ниже или здесь или с сайта производителя;
• установка программного обеспечения на используемый ПК;
• запуск файла Arduino;
• вписывание в окно кода разработанную программу и перенос ее на плату (используется USB кабель);
• в разделе IDE необходимо выбрать тип конструктора, который будет использоваться. Сделать это можно в окне «инструменты» — «платы»;
• проверяете код и жмете «Дальше», после чего начнется загрузка в Arduino.

Комплектующие и принадлежности

Ниже приведен список всех комплектующих и принадлежностей, обычно используемых совместно с Arduino для разработки проектов:

• Макетная плата
• USB кабель
• Батарея 9В
• светодиоды
• кнопки
• конденсаторы
• регуляторы напряжения
• датчики (IR, температуры и т.д.)
• Перемычки
• Резисторы
• Потенциометр
• Двигатели (двигатели постоянного тока, сервоприводы, BLDC)
• LCD
• Матричная клавиатура 4×4
• Платы расширения Arduino

Всё, что необходимое для макетирования, вы можете найти в подразделе Макетирование раздела сайта Купить

Оригинал статьи:

• Editorial Team. Beginner’s Guide to the Arduino

Настраиваем Temboo и Dropbox аккаунты

Перед тем как приступать к разработке приложения, надо настроить аккаунты в веб-приложениях, которые мы будем использовать.

Первое приложение, в котором вам надо завести аккаунт — Temboo. Temboo будет связующим звеном между вашим Arduino Yun и Dropbox. Ссылка на сервис Temboo.

Вам предложат создать аккаунт и ваше первое приложение. Запишите имя аккаунта, название приложения и ваш API ключ. Они вам пригодятся в дальнейшем. Еще одна вещь, которая вам понадобится с вебсайта Temboo: Temboo Python SDK. Немного позже мы используем его для загрузки фотографий в Dropbox. .

После загрузки, распакуйте архив на вашу microSD карту. Теперь переходим к вашему Dropbox аккаунту. Перейдите на сайт Dropbox.

После создания аккаунта, вам надо создать приложение (app), которое даст возможность Arduino Yun загружать снимки в папку в Dropbox. Для создания приложения, перейдите в раздел разработчика в Dropbox.

После этого нажмите “Create app” и выберите какой тип приложения вы хотите создать (в нашем проекте это будет Dropbox API app):

После этого выберите «Files and datastores»:

Сейчас надо получить все ключи (keys), которые имеют отношение к вашему Dropbox приложению, чтобы в дальнейшем вы могли использовать их в нашем проекте. На этом этапе нужны App Key и App Secret, которые отображаются на той же странице, что и ваш проект.

После этого нам надо получить Token Key и Token Secret key. Для того, чтобы к ним добраться, надо перейти в InitialiseOAuth Choreo на вебсайте Temboo.

Здесь надо ввести App Key и App Secret. В результате сгенерируется дополнительная информация вроде callback ID, и temporary token secret. Вам также предложат посетить Dropbox для подтверждения аутентификации. В конце попадаете на страницу FinalizeOAuth. Вас попросят ввести ваши App Key, App Secret, callback ID и temporary token secret.

После этого вы получите окончательный Token Key и Token Secret. Запишите их, в дальнейшем они вам пригодятся.

Вам также понадобится Google аккаунт для стрима видео Youtube. Для этого просто создайте его на этой странице.

Выводы и идеи для дальнейшего развития

В этом гайде мы разобрались как подключить USB камеру к вашему Arduino Yun и реализовать два интересных и полезных проекта. Первый — это камера системы безопасности, которая автоматически загружает фотографии на Dropbox при обнаружении движения в зоне чувствительности датчика движения. Второй проект — стрим видео с камеры на Youtube в режиме реально времени, благодаря чему вы можете отслеживать состояние вашего двора/дома/комнаты и т.п. Из любой точки мира.

Конечно же, на основании этого проекта можно разработать и другие крутые приложения. Например, можно не использовать датчик движения, а просто настроить систему таким образом, что камера будет делать фотографии через определенные, установленные промежутки времени и загружать их в облако. Можно расширить проект, добавив больше Yun и видеокамер и создать полноценную систему мониторинга вашего дома!

Оставляйте Ваши комментарии, вопросы и делитесь личным опытом ниже. В дискуссии часто рождаются новые идеи и проекты!