Ардуино один из популярнейших микроконтроллеров на сегодняшний день. Описывать все плюсы этой сборки мы не будем, ведь если вы зашли сюда, то явно не просто так, а видимо поняли, что без него вам не обойтись. Мы догадываемся и о том, что вас мучает совсем другой вопрос… Можно ли питать Ардуино напряжением 12 вольт? Ведь когда мы работаем с компьютером от USB, то Ардуино питается от того же компьютера — 5 вольтами. Здесь все хорошо, все согласовано и нет никаких проблем! Но как только Ардуино «отправляется на службу», ее питание по проводу от компьютера прерывается словно пуповина у новорожденного, а кормиться должны все:) Здесь и приходиться что-то мудрить. Так вот, как можно запитать Ардуино?
Большинство плат требует наличие питания в диапазоне от 4.5 до 9 вольт через разъем внешнего питания и 4.5-5 вольт через USB. Однако в инструкции написано 7-12 вольт, то есть будем считать, что оптимальным вариант это 9 вольт.
На самом деле из 9 вольт на плате получается 5 и 3,3 вольта. Для каждой цепочки питания на 5 и на 3.3 в на плате установлен свой стабилизатор напряжения. Вот как скажем на фото это lm1117 стабилизатор для 5 вольт, а далее на 3,3 вольта. Нас будет интересовать именно стабилизатор на 5 вольт, так как именно на нем будет гаситься напряжение, а значит рассеиваться мощность при подаче завышенного напряжения. Давайте прикинем что и как.
Распиновка платы Arduino Nano
По обеим сторонам платы располагаются контакты пинов, с каждой стороны по 15 штук.
Назначение контактов:
- 1, 2: работа с UART-интерфейсом;
- 3, 28: сброс микроконтроллера;
- 4, 29: общий провод;
- 5: внешнее прерывание;
- 6: внешнее прерывание / создание сигнала с широтно-импульсной модуляцией;
- 7: работа с I2C-интерфейсом / таймер-счетчик 0;
- 8: работа с I2C-интерфейсом / создание ШИМ-сигнала / таймер-счетчик 1;
- 9, 12: создание ШИМ-сигнала;
- 10, 11: цифровые пины ввода/вывода, специальных функций нет;
- 13, 14, 15: работа с SPI-интерфейсом / создание ШИМ-сигнала;
- 16: подключение светодиода / работа с SPI-интерфейсом;
- 17: питание 3,3 В;
- 18: опорное напряжение для АЦП;
- 19-26: аналоговые входы (AP) для АЦП;
- 27: питание 5 В;
- 30: входной сигнал VIN 7-12 В.
У Arduino Nano 14 цифровых портов (DP) и 8 AP.
Ардуино питание от 12 вольт
Здесь опять же два варианта где взять 12 вольт, это либо БП, либо аккумулятор. Да, да Ардуино довольно активно используется в автомобилях, а там 12-14 вольт — везде! Именно на автомобилистов и будем ориентироваться. Итак 14 вольт, сколько же надо погасить lm1117. Несложно посчитать 14-5=9 вольт. Считаем сколько надо рассеять.
P=U*I=9*0.25= 2.25 Вт. Здесь рассеиваемая мощность подлетела аж в 2,5 раза, все в общем-то пропорционально напряжению. Здесь вопрос уже о том, выдержит ли lm1117 или нет. Если заглянуть в даташит это малышки, то там выходной ток 0,8 А, но на напряжении 1,2 в, то есть она выдает мощность 1,2*0,8=0,96 Вт. Конечно, мощность возможная рассеиваемая и возможная выходная это все же разные вещи, но как-то все же эти величины должны сопоставляться… Кроме того, напряжение с которыми работает lm1117 до 13,8 вольт. Что может спасти, так это реализованная защита от перегрева и КЗ в микросхеме. По крайней мере в корпусе SOT-223 как у нас, подключать к 14 вольтам lm1117 не стоит. Все это на ваш страх и риск, а если уж сильно хочется, то с током не более чем на 1-2 светодиода, то есть 70-80 мА.
Как же подключить все-таки к 12 вольтам, получив 7-9 вольт и запитав Ардуино? Лучше всего использовать преобразователь или микросхему стабилизатор напряжения с более развитым корпусом скажем применяем микросхему lm7809 или КРЕН9, что одно и тоже. Корпус ТО-220, да еще лучше посадить на радиатор 5-10 кв. см из алюминия. Ток в этом случае до 2 А. Такой микросхемы с радиатором должно хватить! Далее приведена схема подключения для 7805, но 7809 подключается один в один!
Само собой ставим эту сборку до разъема питания. В итоге рассеиваемая мощность на падение напряжения в 2,25 Вт будет рассеиваться частично на lm7809 и часть в самой Ардуино lm1117.
Технические характеристики платы
| Питание | 5 В |
| Входной сигнал | 7-12 В (DC) |
| Количество DP | 14 (6 для ШИМ) |
| Количество AP | 8 |
| Максимальный ток DP | 40 мА |
| Память формата Flash | 16 / 32 Кб |
| Оперативная память | 1 / 2 Кб |
| Память формата EEPROM | 512 байт / 1 Кб |
| Тактовая частота работы микроконтроллера | 16 МГц |
| Габариты | Ширина — 19 мм, длина — 42 мм |
| Вес | 7 г |
Подробный обзор возможностей платы приведен в Datasheet — технической документации. Там же указаны детальные характеристики и описание AN.
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.
Внимание! Не всё так однозначно с DCcduino UNO r3 на ch340g. В ней как раз и использован более дешевый, чем в оригинале, вариант преобразователя USB-TTL.
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.
Важно! После замены кварцевого резонатора функции, связанные со временем, такие как Delay, не будут соответствовать введенным значениям. Это функция задержки времени, по умолчанию её аргументом является требуемое время задержки в мс. Функция прописана в библиотеках Ардуино, с учетом стандартной тактовой частоты в 16 МГц. Поэтому после замены кварца заданное время не будет соответствовать написанному. Для этого нужно либо подбирать опытным путем и устанавливать зависимости, либо править файлы библиотек.
Схема электрическая
Важнейшими элементами платы Arduino Nano являются программатор (ISCP-разъем) и микроконтроллер (ATmega328P). Знать их структурные, принципиальные схемы и назначение контактов необходимо каждому, кто собирается работать с данной платой.
Схема ISCP «Ардуино Нано»
ISCP-разъем (или SPI) — программатор, через который скетч (код для микроконтроллера платы) загружается в ATmega328P. У него 6 контактов. Отверстие первого из них выполнено в форме квадрата для удобства отсчета.
Распиновка разъема:
- MISO: вход ведущего, выход ведомого при передаче данных.
- +VCC: напряжение питания.
- SCK: последовательный тактовый сигнал.
- MOSI: выход ведущего, вход ведомого при передаче данных.
- Reset: сброс.
- GND: общий провод.
Принципиальная схема контроллера платы
Контроллер платы — ATmega328P. Ядро микросхемы — CPU, к которому идут 2 шины (шина данных и шина ввода/вывода данных), элементы управления (например, пин Reset, ответственный за сброс микроконтроллера) и памяти.
Типы памяти в контроллере:
- SRAM;
- Flash;
- EEPROM.
К шине данных идут следующие элементы:
- Сторожевой таймер.
- АЦП.
- Внешнее прерывание.
- Первый и второй таймеры-счетчики.
- USART и I2C (у Atmel этот интерфейс называется TWI).
К шине ввода/вывода данных подключены:
- Порты ввода/вывода.
- Нулевой таймер-счетчик.
- SPI-интерфейс.
Контроллер может быть выполнен как в MLF-, так и в PDIP-корпусе. В Arduino Nano установлен MLF-вариант микроконтроллера.
Варианты питания Ардуино Нано
Три варианта питания Ардуино Нано
Через USB плата получает питание от компьютера при отладке программы или от Power Bank. Питание USB это 5 вольт (примерно, мне встречалось 4.6 — 5.1 В). Насколько понимаю, эти 5 вольт сразу «проваливаются» на ножку 5V. То есть можно считать (хотя вопрос спорный), что питание от USB особо не отличается от подачи напряжения с соответствующих проводков кабеля USB на ножку 5V.
Ножка Vin обслуживает внешнее питание более высоким чем 5 вольт напряжением. Верхнее значение иногда указывается 12 вольт, а иногда 9. Нижнее значение должно быть с некоторым запасом более 5 вольт. Внешнее напряжение проходит через «понижайку», микросхему с обвязкой, которая делает из более высокого напряжения 5 вольт. Опять-таки можно считать, что эти преобразованные пять вольт оказываются на ножке 5V. Расположена эта микросхема с обратной стороны платы.
Ножка 5V самая загадочная, поскольку с первого взгляда выглядит как выход (вывод) напряжения с платы для питания внешних модулей, таких как цифровые индикаторы, датчики и т.п. Тем более, что при запитывании всего проекта через Vin так оно и есть.
На самом деле правильнее считать, что ножка 5V это основной вход для питания Ардуино. То есть, при питании от USB входное напряжение подсоединяется к этой ножке и от него питается и чип Ардуино и подключенные внешние устройства. При питании через Vin происходит то же самое, но через встроенную «понижайку». А при поступлении питания прямо от ножку 5V все происходит совсем естественно. В описании платы на этот счет мне показалось недостаточно ясности, поэтому приводить его не буду
