Лабораторна робота №1 Тема. Принцип роботи Arduino і сервісом Autodesk circuits.

Лабораторна робота №1

Тема.  Принцип роботи Arduino і сервісом Autodesk circuits.

Мета: ознайомитися з основними принципами роботи Arduino; навчитися складати алгоритм програми та аналізувати діяльність сервісу Autodesk circuits.

Обладнання та програмне забезпечення: персональні комп’ютери, програмне забезпечення для роботи з платформою Arduino, роздатковий дидактичний матеріал, мультимедійні навчальні елементи.

Теоретичні відомості

Arduino – це зручна платформа швидкої розробки електронних пристроїв призначена для різного рівня користувачів. Платформа користується величезною популярністю в усьому світі завдяки зручності і простоті мови програмування, а також відкритої архітектури і програмного коду. Пристрій програмується через USB без використання програматорів.

Arduino дозволяє комп'ютеру вийти за рамки віртуального світу в фізичний і взаємодіяти з ним. Пристрої на базі Arduino можуть отримувати інформацію про навколишнє середовище за допомогою різних датчиків, а також можуть управляти різними пристроями [2].

Мікроконтролер на платі програмується за допомогою мови Arduino (заснований на мові Wiring) і середовища розробки Arduino (заснована на середовищі Processing). Проекти пристроїв, засновані на Arduino, можуть працювати самостійно, або ж взаємодіяти з програмним забезпеченням на комп'ютері (напр .: Flash, Processing, MaxMSP). Плати можуть бути зібрані користувачем самостійно або куплені в зборі. Програмне забезпечення є для безкоштовного скачування. Вихідні креслення схем (файли CAD) є загальнодоступними, користувачі можуть застосовувати їх на свій розсуд.

Апаратна частина

Плата Arduino складається з мікроконтролера Atmel AVR (ATmega328 і ATmega168 в нових версіях і ATmega8 в старих) та елементної обв'язки для програмування та інтеграції з іншими схемами. На кожній платі обов'язково присутні лінійний стабілізатор напруги 5 В і 16 МГц кварцовий генератор (в деяких версіях керамічний резонатор). У мікроконтролер попередньо прошитий завантажувач, тому зовнішній програматор не потрібен [1].

Рис.1. Плата Arduino

На концептуальному рівні, все плати програмуються через RS-232 (послідовне з'єднання), але реалізація цього способу відрізняється від версії до версії. Поточні плати, на зразок Uno, програмуються через USB, що здійснюється завдяки мікросхемі конвертера USB-to-serial. У деяких варіантах, таких як Arduino Mini або неофіційною Boarduino, для програмування потрібне підключення окремої плати USB-to-serial або кабелю[3].

Плати Arduino дозволяють використовувати більшу частину I/O виходів мікроконтролера в зовнішніх схемах. Наприклад, в платі Uno є 14 цифрових входів / виходів (рівні «LOW» -0В і «HIGH» -5В), 6 з яких можуть видавати ШІМ сигнал, і 6 аналогових входів (0-5В). На ринку доступні кілька зовнішніх плат розширення, відомих як «shields».

Програмне забезпечення

Інтегроване середовище розробки Arduino - це кроссплатформлений  додаток на Java, що включає в себе редактор коду, компілятор і модуль передачі прошивки в плату.

Рис.2. Інтегроване середовище розробки Arduino

Середовище розробки засноване на мові програмування Processing і спроектоване для програмування початкового рівня, які не знайомі близько з розробкою програмного забезпечення. Програми обробляються за допомогою препроцесора, а потім компілюється за допомогою AVR-GCC [4].

Autodesk Circuits

Кілька років тому, компанія Autodesk представила новий онлайн сервіс 123D Circuits. Це web-додаток призначений для проектування електронних схем і друкованих плат, яке дозволяє у візуальному режимі прямо з браузера редагувати код і будувати схеми без паяльника і проводів, що досить зручно.

123D Circuits пропонує цілий ряд  можливостей для роботи в області схемотехніки. Після внесення даних облікового запису користувачеві на вибір пропонується: створення нових схем, додавання компонентів або імпорт ланцюгів з програми Eagle. Розміри плат тут можна вибирати за власним бажанням, підтримується вільне розміщення тексту, метод шовкографії. Однак основною особливістю 123D Circuits є імітація платформи Arduino з підтримкою плат введення / виводу і можливістю редагування програмного коду з браузера в візуальному режимі [2].

Працювати над схемами можна спільно з іншими користувачами, використовуючи бібліотеку компонентів. У візуальному режимі можна накидати дроти і різні компоненти на макетну плату і підключати до віртуальної Arduino. Крім того є можливість проведення діагностики, аналізу та інтерактивної імітації роботи схеми в режимі реального часу.

Рис.3. Пристрій макетної плати зсередини

Хід виконання

1. Для початку роботи з сервісом потрібно перейти по посиланню   https://circuits.io та зареєеструватись. Реєстрація та подальше використання сервісу є безкоштовною. Всі створені вами проекти є загальнодоступними. Платна версія використовується для приватного макетування.
2. Після реєстрації, повертаємося на головну сторінку,   пропонується відкрити Electronics Lab Hub, Circuit Scribe Hub, PCB Design Hub і MESH Hub. Відкрийте електронну лабораторію (Electronics Lab Hub). Саме в лабораторії можливо почати працювати зі схемами.

Рис.4. Електрона лабораторія

3. У лабораторії розпочинаємо свій новий проект, або ознайомитися з проектами інших користувачів. При бажанні можна вибрати проект іншого користувача і тоді ви потрапите в його лабораторію. Для того щоб створити свій проект, потрібно натиснути на кнопку New Electronics Lab. Також тут будуть зберігається ваші попередні проекти.

Рис.5. Початкове вікно лабораторії

4. Після відкриття лабораторії , де перед нами чистий аркуш, вірніше, чиста макетна плата. Спочатку переміщуємо в просторі робочого столу. Натиснувши лівою кнопкою миші (ЛКМ) на об'єкті. Для переміщення об'єкта, його потрібно вибрати і не відпускаючи ЛКМ, пересувати по екрану. Якщо натиснути на вільну зону екрану, то можна пересувати сам стіл, залишаючи предмет нерухомим. Є можливість масштабування за допомогою обертання коліщатка мишки.

Рис.6. Макетна плата

5. Для наочності розглянемо приклад підключення світлодіода:

• Для виконання цього завдання потрібно додати необхідні елементи. Сервіс добре імітує і моделює збірку схем. Всі елементи в даному середовищі виглядають і функціонують так само, як в реальному житті. З переваг перед реальною робототехнікою можна назвати необмежену кількість цих елементів і відсутність небезпеки що-небудь спалити при неправильному підключенні. При натисканні на кнопку Add Components з'являється меню, що випадає знизу мене зі стартовим набором радіотехнічних елементів.
• Для даної роботи необхідні такі компоненти: LED - Світлодіод, Плата Arduino UNO, Resistor - Резистор.

• Знаходимо необхідні компоненти в меню компонентів. Їх можна просто перетягувати на робочий стіл. Важливо, що Arduino Uno потрібно помістити так що б вона не перекривала доступ до макетної платі. Світлодіод потрібно помістити на макетну плату так, щоб він потрапив в отвори на платі. Якщо це відбувається, то його ніжка підсвічується.

Рис.7. Світлодіод на макетній платі

• З підключенням резистора все складніше. Тому що спочатку він йде вертикальним, необхідно його перевернути на 90 градусів за допомогою повороту світлодіода кнопкою Rotate, яка знаходиться у верхньому меню зліва . Необхідно, щоб резистор потрапив однією ніжкою в той же ряд, що і світлодіод, а другий - у вільний отвір. Наступний важливий момент - це номінал резистора. Щоб отримати доступ до налаштувань елементів, потрібно натиснути на них ЛФМ,  в меню Resistor, яке обведено зеленим кружком, можна дати ім'я резистору і призначити його номінал. При цьому будуть змінюватися смужки на резисторі.

Рис.8. Резистори 10 кОМ та 1кОМ

В результаті збірки схема повинна виглядати приблизно так.

Рис.9.Вигляд схеми

• Далі найважливіша частина. Підключення світлодіода до Arduino Uno, для  потрібно  скористатися проводами. Проводів немає в компонентах, тому що вони додаються відразу натисканням ЛКМ на отвір, де провід починається, а після - з чим його потрібно з'єднати. Для тренування можна з'єднати між собою місце, вільне від елементів. Зеленими колами об'єднані контакти, які будуть з'єднані. Після підключення на провід можна натиснути і змінити його колір.

Рис.10. Підключення світлодіода до Arduino Uno

• Провід можна з'єднувати будь-яким необхідним чином, а після, для більшої зручності, їх можна фарбувати в різні кольори. Для видалення непотрібних елементів, наприклад, цих проводів, можна виділити провід і клавішею Delete видалити його. Ще є можливість відкотити назад дію сполучення клавіш Ctrl + Z.

Рис.11. Видалення необхідних елементів

• На рис.12. показано яким чином потрібно підключити світлодіод до живлення, а саме його пряму ніжку до мінуса, а резистор до плюса. За загальноприйнятими стандартами схемотехніки до мінуса ведемо чорний дріт, до плюса – червоний.

Рис.12. Підключення світлодіода до живлення

• Забарвлення проводів від Arduino відповідає їх призначенню. Від піна 13 червоний провід до плюса. Від піна GND - чорний до землі. Такими маніпуляціями відбувається апаратне підключення світлодіодів до плати Arduino Uno. Перша складова завдання виконано, друга – це  програмування.

Рис.13. Апаратне підключення світлодіода

• Для початку програмування потрібно натиснути кнопку Code Editor. Після цього в нижній частині екрана з'явиться консоль для роботи.
• Після чого можна скопіювати нижче наведений код в консоль.( Містить коментарі, що дозволяє розібратися, як працює ця система).

Код

void setup()

{

// налаштовуємо пін №13 в режим виходу,

   // тобто в режим джерела напруги

   pinMode (13, OUTPUT);

}

void loop ()

{

   // подаємо на пін 13 «високий сигнал» (англ. «High»), тобто

   // видаємо 5 вольт. Через світлодіод проходить струм.

  // Це змусить його світитися

   digitalWrite (13, HIGH);

// затримуємо (англ. «Delay») мікроконтролер в цьому

  // стані на 1000 мілісекунд

   delay (1000);

   // подаємо на пін 13 «низький сигнал» (англ. «Low»), тобто

  // видаємо 0 вольт або, точніше, прирівнюємо пін 13 до землі

  // В результаті світлодіод згасне

   digitalWrite (13, LOW);

   // завмираємо в цьому стані на 1000 мілісекунд

   delay (1000);

   // після «розморожування» loop відразу ж почне виконуватися

  // знову, і з боку це буде виглядати так, ніби

   // світлодіод блимає раз в 1000 мс +1000 мс = 2000 мс = 2 сек

}

Після натискання кнопки Start спостерігаємо роботу пристрою. Світлодіод буде помигувати, експериментуємо з часом включення і виключення, тобто змінюємо цифри в коді.

Вимоги до виконання лабораторної роботи

Звiт про виконання лабораторної роботи обов`язково повинен мiстити:

• номер лабораторної роботи;
• тему лабораторної роботи;
• мету роботи;
• теоретичну частину;
• завдання для виконання роботи;
• хід виконання лабораторної роботи;
• результати виконання;
• висновки.

Оформленi таким чином роботи повиннi бути захищенi у визначенi викла­дачем строки. При захисті студент повинен знати відповідний теоретичний матеріал та вміти розв’язувати задачі.

Контрольні запитання

1. Що собою являє платформа Arduino?
2. Назвіть основні компоненти плати Arduino?
3. На якому  середовищі розробки засноване середовище Arduino?
4. Назвіть основні компоненти програмного забезпечення для платформи Arduino?
5. Охарактеризуйте переваги та недоліки сервісу Autodesk circuits?

Використанні джерела

1. Вікі Амперка: [Електронний ресурс] / Амперка, 2010-2016. - Режим доступу: http://wiki.amperka.ru
2.  Курс «Arduino для початківців»: Цікава робототехніка, 2014-2016. - Режим доступу: http://edurobots.ru/kurs-arduino-dlya-nachinayushhix/
3. Arduino Products: [Електронний ресурс] / Arduino, 2016. - Режим доступу:  https://www.arduino.cc/en/Main/Products/
4. Download the Arduino Software: [Електронний ресурс] / Arduino, 2016. - Режим доступу:   https://www.arduino.cc/en/Main/Software