Pokud vytváříte jen trochu složitější elektronické zařízení, které ale nejspíš zůstane jen v jednom nebo několika málo exemplářích, není příliš ekonomické navrhovat ho stejným způsobem, jako by se mělo vyrábět ve stovkách či tisících kusů. Zároveň však není vhodné takové zařízení ponechat ve stavu „vrabčího hnízda“, ať už zapojeného na univerzálním plošném spoji nebo dokonce na nepájivém poli, protože spolehlivost a zejména opravitelnost takové realizace se nebezpečně blíží k nule.
Takhle ne!
Se stejnými problémy se budete potýkat, pokud se pokoušíte sestavit školní vědecký experiment, u kterého hledání chyb, vzniklých nedokonalými kontakty nebo drobnou chybou v zapojení zabere nejspíš mnohem více času, než celá ostatní práce. O složitějších nebo trvalejších laboratorních experimentech si samozřejmě můžete nechat jen zdát… Všechno tohle bere potom experimentátorům chuť do další práce.
Mechatronická sada, kterou budeme popisovat, vznikla právě z těchto důvodů.
Už kdysi dávno vznikly desky AXEboard a jejich odvozeniny AXEmotor a AXEstepper, určené pro mikrokontroléry PICAXE. Tento mikrokontrolér je už ale za zenitem, takže bylo nutno přistoupit k dalšímu vývoji.
Současná mechatronická sada má vytyčeny tyto meze:
- Jednotné (v mezích možností) napájení – přednostně nejběžnějších 12 V.
- Jednotné (v mezích možností) konektory pro připojení vnějších zařízení i rozložení jednotlivých pinů
- Ochrana proti nejhrubším chybám uživatele – třeba přepólování napájení nebo tvrdý zkrat
- Možnost rozšiřování, které není vázáno na speciální součástky nebo na jediného dodavatele.
- Možnost samostatného použití jednotlivých dílů sady
- Rozměrová kompatibilita s mechanickými stavebnicemi Merkur, Totem, Eitech a pod., která ovšem nenaznačuje, že by sada byla přednostně určena pro hračky, ale spíše že upevňovací otvory v centimetrové rozteči se snadněji rozměřují. Kdo se někdy snažil přidělat Arduino jinak než tavnou pistolí nebo lepící páskou nám dá jistě za pravdu.
Řídící jednotky:
Arduino Nano
je v současné době ze všech Arduin asi nejpopulárnější. Všechny porty tohoto Arduina jsou vyvedeny na samostatné konektory, na nichž je zároveň přítomno též napájecí napětí a zem. V signálové cestě jsou sériově zařazeny rezistory 220R, které chrání porty předpoškozením zkratem nebo nadproudem (oblíbený žertík začátečníků – zapojení LED bez předřadného rezitoru). Napětí je přímo na každém konektoru filtrováno keramickým kondenzátorem 100 nF. Napájecí napětí odpovídá běžnému arduinu, tedy 7 až 12 V.
Arduino Nano GRBL
Program GRBL, který využívá hardwarovou platformu Arduina je určen k současnémů řízení tří krokových motorů G-kódy, které se používají u profesionálních strojích. Deska Nano GRBL je přizpůsobena snadnému připojení driverů pro tyto motory i pro připojení ostatních potřebných periferních zařízení, které vyžadují jistý stupeň odrušení. Což jsou především koncové spínače. Napájení tohoto modulu je zajišťěno DC-DC měničem s výstupním napětím 9 V (interně stabilizováno na 5 V), jehož rozsah vstupních napětí je 11 až 32 V.
Raspberry Pi Pico
Letošní novinka si začíná získávat popularitu nejen kvůli výkonu, ale i kvůli nízké ceně. Jeho zapojení do obvodu je – pokud z výše uvedených důvodů nechceme použít jen nepájivé pole – poněkud problematické. Nejinak je tomu i s napájením, které může být v rozsahu 1,8 až 5,5 V. Oba problémy řeší I/O adaptér, který vyvádí všechny piny Pica na konektory – v tomto případě po dvojicích s jednou společnou zemí a napájecím napětím 3,3 V. Napájení Pica je vyřešeno DC-DC měničem a může se pohybovat v rozsahu 5 až 28 V, takže nic nebrání i v použití v (polo)profesionálních zařízeních.
Micro:bit
Platforma micro:bit je velice populární ve školství, ovšem jakmile se rozhodneme k této malé destičce cokoli připojit zvenku, nastává problém…
Krokosvorky nejsou příliš spolehlivým způsobem připojení
Takže opět nastupuje I/O adaptér – tentokrát dvoudílný, který většinu problémů dokáže elegantně vyřešit.
I/O adaptér má piny na konektoru kvůli zpětné kompatibilitě rozloženy stejně jako deska KIT-5601B od firmy Pimoroni. Napájení micro:bitu zajišťuje DC-DC měnič s výstupním napětím 3,3 V, napájecí napětí adaptéru může být v rozsahu 5 až 28 V. Měnič dodává proud až 500 mA a řeší tak potíže s připojením miniaturních RC serv nebo dlouhého řetězu digitáních LED. V signálových cestách jednotlivých I/O pinů jsou zařazeny rezistory 100R pro ochranu před přetížením, na které je micro:bit dost háklivý, protože výstupní proud jeho pinů by neměl přesáhnout 5 mA.
Konektorová deska je jen rozvodná, takže každý signál micro:bitu je vyveden na samostatný konektor, na kterém je přítomna také zem a napětí 3 V, opět filtrované keramickým kondenzátorem. Vyjímkou je jen poslední konektor ve spodní řadě, na který je vyvedeno jen napájení, protože na něj už žádný signál nezbyl :-).
S procesorovou deskou je ta konektorová spojena čtyřicetižilovým plochým kabelem se samořeznými dvouřadovými konektory (ano, tím, kterým se připojovaly staré harddisky). Rozdělení na dvě desky umožňuje nechat nenechavé ruce děcek trápit jen ty konetory a vlastní micro:bit od nich trochu vzdálit. A – samozřejmě – to dovoluje zkonstruovat v budoucnu i jiné moduly, než ty konektorové nebo micro:bit připojit k nepájivému poli a experimentovat podle libosti. V plánu už je modul s driverem pro řízení dvou stejnosměrných motorů a měničem, kterým bude možno napájet periferní zařízení, vyžadující 5 V.
Raspberry Pi
Pro tento mikropočítač je k dispozici konektorový HAT, který opět vyvádí všechny datové piny Raspberry na konektory. Rozložení je stejné jako v případě I/O desky pro Raspberry Pi Pico, datové piny jsou tedy dva na jednom konektoru a k nim je přidružena zem a napájecí napětí 3,3 V.
Pro napájení je v tomto případě nutno použít stabilizovaných 5 V, HAT tedy úplně nezapadá do celkové koncepce Mechatronické sady. Na omluvu je nutno uvést, že byl vyvíjen na zakázku a už je v přípravě druhá varianta, která bude mít standardní napájecí zdroj.
Arduino UNO
Podobný shield pro Arduino Uno je už staršího data a podrobně jsme se mu věnovali zde.
Příště se podíváme na periferní zařízení.