Arduino pre úplných začiatočníkov

Napsal Luboslav Lacko, 3.6.2020

Pre začiatočníkov je jednou z najvhodnejších dosiek na riadenie čohokoľvek Arduino. Je to osvedčená vývojová doska, ktorá má za sebou už dlhú históriu a existuje pre ňu tisícky publikovaných riešení, takže v mnohých prípadoch netreba všetko programovať úplne od začiatku, stačí prispôsobiť vhodný existujúci projekt. Predovšetkým pre začiatočníkov je dôležitá motivácia a hlavne potrebujú návod ako jednoducho začať.

Predstavenie možností platformy Arduino a rozširovacích dosiek

UNO, Leonardo, ESPLORA, MEGA, ZERO, DUE, MINI, MICRO, NANO, M0, M0 PRO, YÚN, GEMMA, TIAN, INDUSTRIAL 101, MATERIA 101… to sú len niektoré z dosiek Arduino. Podľa zložitosti a scenárov použitia sú dosky Arduino rozdelené do šiestich kategórií: Entry level, Enhanced Features, Internet of Things, Education, Wearable a 3D Printing. Oficiálnych zariadení sa predalo viac než milión, no rôznych klonov a amatérskych konštrukcií bude oveľa viac. Na doskách sú osadené rôzne jednočipové mikrokontroléry počnúc Atmel ATmega328p na doske Arduino UNO, ktorý beží na pomerne nízkej taktovacej frekvencii 16 MHz a má k dispozícii 32 kB flash pamäte a 2 kB pamäti SRAM. Nie je to tlačová chyba, skutočne sa bavíme o pamäťovej kapacite kilobajtov a nie megabajtov.

Príklady variant prototypových dosiek Arduino

Postupne predstavíme viac vývojových dosiek z rodiny Arduino. Začneme najjednoduchšou, dalo by sa povedať základnou doskou Arduino UNO.Je cenovo dostupná, na internete ju zoženiete za 10, prípadne bez USB kábla aj pod 7 Eur a má jednu veľkú výhodu, že integrovaný obvod mikrokontroléra je v pätici takže v prípade potreby sa dá jednoducho vymeniť. Arduino je Open source projekt, takže všetko vrátane schém a vývojového prostredia je k dispozícii zdarma.

Predstavíme možnosti zbernice dosky, ktorá je rovnaká pre všetky Arduino dosky klasickej veľkosti. Zbernica má 14 digitálnych pinov (D0 až D13) Každý z nich môžete podľa potreby nastaviť ako vstupný (INPUT), alebo výstupný (OUTPUT), podľa toho ako je zapojený hardvér. Ak nastavíte OUTPUT tak ako hodnota HIGH, čiže logická 1 bude na porte nastavené napätie približne 5V, v opačnom prípade pri nastavenej hodnote LOW bude napätie na pine blízke 0V. Maximálny prúd, ktorý môže tiecť cez LED diódu je 10 – 20 mA, preto ak na pin pripájate LED diódu je potrebné do série s diódou zapojiť obmedzovací rezistor, pre 5V logiku môžete použiť rezistor s odporom 220 – 330 Ohm.

: Digitálne vstupy a výstupy

: Analógové vstupy

Okolitý svet je však analógový, preto má zbernica Arduino aj analógové vstupy. Piny A0-A5 ako analógové vstupy. Programovo je možné zistiť hodnoty na týchto pinov v rozmedzí 0V – 5V Takýmto spôsobom je možné napríklad zosnímať uhol natočenia potenciometra zapojeného ako delič napätia, hodnotu z termistoru, fotorezistoru a podobne. Aby sme boli presní, aj tieto porty sa dajú použiť ako digitálne vstupy a výstupy, to že fungujú ako analógový vstup je len ich alternatívna funkcia. Takže v ak potrebujete, spolu máte 14+6 digitálnych vstupov a výstupov.

Pre zaujímavosť zoznam alternatívnych funkcií pinov mikroprocesora Atmel ATmega328p

Jedným z obmedzení dosky Arduino je, že nemá ani jeden analógový výstup. Napriek tomu môžete regulovať analógové veličiny, napríklad meniť jas LED diódy. Ak si pozriete označenie pinov 3, 5, 6, 9, 10 a 11, tak vedľa čísla pinu je symbol vlnovky. Tento symbol označuje piny, ktoré je možné ako PWM výstupy. PWM znamená Pulse Width Modulation, čiže pulzne – šírková modulácia, ktorá umožňuje meniť výstupné napätie na pine nie analógovo, ale prostredníctvom premenlivej šírky pulzov.

PWM. Vľavo nižší a vpravo vyšší výkon daný šírkou impulzov v úrovni logická 1

Na výstupe sú impulzy s amplitúdou 5V s premenlivým pomerom medzi časom zapnutia a vypnutia. Ak na PWM výstup pripojíte LED diódu, maximálny jas sa dosiahne ak je na výstupe trvalo hodnota HIGH. Ak má byť hodnota napätia polovičná, pomer impulzov zapnuté/vypnuté je 50: 50. Ak potrebujete štvrtinový jas, pomer zapnuté/vypnute je 25:75 Pri tomto princípe regulácie, ktorá sa mimochodom využíva aj na reguláciu jasu podsvietenia lacnejších monitorov LED diódy nesvietia kontinuálne, ale blikajú mnohokrát za sekundu a čím je doba ich zopnutia kratšia, tým je nižšia intenzita podsvietenia.

K dispozícii je množstvo rozširujúcich dosiek, pomocou ktorých je možné dosiahnuť požadovanú funkcionalitu. Niektoré dosky majú konektory na obidvoch stranách plošného spoja, takže sa do nich dajú zhora zasunúť ďalšie dosky. Dosky s displejmi majú zmysel, len ak sú úplne hore.