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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Arduino. Conhecido. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Designer de rádio amador Provavelmente chega um momento na vida de qualquer radioamador iniciante em que ele não está mais satisfeito com os dispositivos eletrônicos mais simples. Há um desejo de projetar algo praticamente útil. Contudo, é difícil esperar que dispositivos baseados em um par de transistores resolvam problemas mais ou menos complexos. Por outro lado, um programador novato pode querer que os programas que ele escreve controlem algum tipo de robô autônomo ou outro dispositivo semelhante. Uma coisa é quando um programa simplesmente funciona com informações na memória do computador, e outra bem diferente é quando um robô, obedecendo a um programa escrito, faz uma “viagem” pela sala ou um microcontrolador programado se torna parte de algum dispositivo útil. Ao mesmo tempo, nem um radioamador novato nem um programador ainda possuem conhecimentos e habilidades suficientes para replicar, muito menos redesenhar, um dispositivo microcontrolador. Afinal, em essência, um microcontrolador é um computador muito pequeno e simples, mas ainda assim um computador. É necessário conhecer detalhadamente a arquitetura de um microcontrolador específico e estudar a linguagem assembly específica dele. A maneira mais fácil de resolver esse problema é usar um kit pronto para a criação de robôs, como os do mais famoso fabricante de todos os tipos de conjuntos de construção infantis - Lego. Este kit contém todos os componentes necessários para a fabricação de um robô: unidade microcontroladora, motores elétricos, sensores. A vantagem indiscutível de tal kit é que é possível construir um robô baseado nele de forma muito simples e rápida. Todo o software necessário acompanha o kit e possui uma interface intuitiva. A documentação técnica foi projetada para os mais jovens entusiastas da tecnologia. Porém, segundo o autor, por um conjunto não muito grande de sensores e atuadores, bem como por um conjunto de peças plásticas padrão, você terá que pagar uma quantia excessivamente grande. No entanto, isto não nega o facto de tais conjuntos de construção serem mais adequados para a faixa etária mais jovem. Apesar do alto custo de designers especializados, a própria ideia de usar um número relativamente pequeno de unidades funcionais padrão para criar um dispositivo complexo parece bastante sensata. Este é exatamente o caminho percorrido pelos desenvolvedores da placa Arduino com o microcontrolador da série AVR e diversas placas de expansão para ele. A versão mais comum desta placa hoje é o Arduino UNO. Para criar programas customizados, existe um ambiente de desenvolvimento especializado, o Arduino IDE, no qual a programação é realizada em uma linguagem baseada na amplamente utilizada linguagem C++. A grande vantagem do Arduino é sua abertura quase total. No site oficial do desenvolvedor você pode baixar gratuitamente o ambiente de desenvolvimento [1,2]. Ao iniciá-lo, o mostrado na Fig. 1 janela na qual você pode inserir um programa, traduzi-lo em código de máquina, carregá-lo no microcontrolador da placa Arduino e executá-lo para execução.
Deve-se notar que a empresa de desenvolvimento Arduino se dividiu em duas empresas independentes, Arduino LLC e Arduino SRL, que continuam a produzir produtos sob a mesma marca, o que cria confusão. No entanto, o software é atualizado regularmente; existem versões para Windows, Linux e MacOS. Além do software fornecido pelos desenvolvedores de placas, existem muitos outros ambientes de desenvolvimento, por exemplo, [3]. É melhor colocar a pasta com o software na pasta raiz da unidade C. Junto com o editor de texto e compilador do programa, contém subpastas com exemplos de programas padrão e um conjunto de bibliotecas para solução de problemas padrão, o que simplifica muito a vida de um programador novato. Ao conectar a placa Arduino pela primeira vez ao computador, o sistema operacional detectará um novo dispositivo e exigirá a instalação do driver, que também está disponível na pasta do software. Após instalar o driver, você precisa reiniciar o computador. Como resultado de uma instalação bem-sucedida, uma porta COM adicional será exibida no Gerenciador de Dispositivos do Windows. Usar uma linguagem de alto nível simplifica o desenvolvimento e reduz bastante os requisitos de qualificação do programador, mas, por outro lado, o programa resultante não será ideal em termos de uso de memória e velocidade de execução. Um programa escrito em uma linguagem de baixo nível (linguagem assembly) ocuparia significativamente menos espaço de memória e seria executado mais rapidamente. Mas em desenvolvimentos amadores isto pode ser negligenciado. Naturalmente, em casos críticos, o Arduino deve ser usado com extremo cuidado. No entanto, é fundamentalmente possível usar o Arduino em uma ampla variedade de dispositivos: desde o mais simples termostato até veículos aéreos não tripulados. Por exemplo, a empresa aeroespacial russa Lin Industry [4], que projeta veículos de lançamento ultraleves, criou uma unidade de registro de parâmetros de voo (Fig. 2) para seu foguete experimental baseado em Arduino (Fig. 3). E cientistas do Instituto Indiano de Pesquisa e Educação Científica (Trivandrum) usaram o Arduino em um radiotelescópio educacional [5].
Um programa especial de bootloader é pré-gravado no microcontrolador instalado na placa Arduino. Com sua ajuda, um programa aplicativo desenvolvido em um computador é gravado na memória de programa do microcontrolador. O próprio bootloader ocupa parte dessa memória (de um a quatro kilobytes, dependendo da versão), mas graças a essa organização da interação com o computador, é difícil para o usuário colocar o microcontrolador em estado inoperante usando comandos incorretos . A placa Arduino UNO (Fig. 4) contém um microcontrolador ATmega328P, que possui 2 KB de RAM e 32 KB de memória de programa. A frequência de clock do microcontrolador de 16 MHz é definida por um ressonador de quartzo. O Arduino UNO não precisa de um programador separado, a placa pode ser conectada diretamente ao conector USB de um computador, para o qual possui um conector USB-BF e um conversor de interface de microcontrolador USB para serial. Em outras versões de placas Arduino, um conector micro-USB pode ser usado para conectar a um computador. Em placas desatualizadas e caseiras você também pode encontrar uma porta COM normal.
A placa Arduino UNO conectada ao computador é alimentada pelo conector USB. E para funcionar sem computador é necessário alimentá-lo com tensão de 7...12 V de fonte externa, para a qual existe um conector especial na placa. Graças ao regulador de tensão integrado, o Arduino UNO não possui nenhum requisito especial para a qualidade da tensão de alimentação. Portanto, sua fonte pode ser quase qualquer fonte de alimentação de pequeno porte cuja tensão de saída esteja na faixa necessária, e até mesmo uma bateria galvânica de 9 V, por exemplo, uma Krona (6F22) ou duas baterias 3336 conectadas em série (3R12). Para comunicação com atuadores externos, bem como recuperação de informações dos sensores, existem 14 linhas de entrada/saída digital, denominadas D0-D13. Seis deles podem ser gerados por um microcontrolador com pulsos de ciclo de trabalho controlados por software (PWM). Eles estão marcados no quadro com sinais “~”. Além disso, existem seis linhas de entrada analógica A0-A5. As entradas analógicas são conectadas a um conversor analógico-digital de dez bits embutido no microcontrolador, mas se necessário também podem ser usadas como linhas de E/S digitais adicionais D14-D19. Deve-se observar que de versão para versão da placa muda o número de linhas de entrada analógica e linhas capazes de operar em modo PWM. Por exemplo, a placa Arduino Leonardo e sua cópia doméstica Iskra Neo possuem 12 linhas analógicas e sete linhas PWM. Como regra, todas as linhas de E/S nas placas são marcadas, portanto não é difícil entendê-las. A placa Arduino UNO possui quatro LEDs: um indicador de energia (ON), um LED permanentemente conectado à linha D13 (L), e dois LEDs para indicar troca de informações com um dispositivo externo através da porta serial (TXi RX), além de um botão para trazer o microcontrolador ao estado inicial. Uma das vantagens do Arduino é uma ampla gama de placas adicionais, as chamadas “shields”. Eles permitem conectar motores elétricos e outras cargas poderosas ao Arduino, fornecer trabalho em redes de computadores via protocolos Ethernet e WiFi, transmitir informações pela rede celular GSM, trabalhar com som, etc. bibliotecas, tanto oficiais como aquelas escritas por autores terceiros. A placa Arduino UNO é adequada para depuração de programas na fase de desenvolvimento e configuração de projetos. Mas para muitas aplicações práticas, os recursos do Arduino UNO são redundantes e seu tamanho pode ser grande demais para ser instalado em um produto acabado. As placas Arduino Nano e Arduino Mini destinam-se ao uso em projetos acabados. Em termos de parâmetros, são quase idênticos ao Arduino UNO, mas possuem design simplificado, dimensões menores e são um pouco mais baratos. Se as capacidades do Arduino UNO não forem suficientes, você pode usar a placa Arduino Mega com grande quantidade de memória e número de linhas de E/S. A lista de opções de placas Arduino não se esgota aqui, mas outras opções são menos adequadas para o estudo inicial. Apenas o próprio nome Arduino é protegido por direitos autorais, por isso muitos fabricantes produzem suas próprias versões sob os nomes Free-duino, Craft Duino, Funduino, Diavolino, etc. como seus próprios desenvolvimentos, que são compatíveis com o original às vezes em questão. Porém, via de regra, dispositivos de diferentes fabricantes são padronizados, portanto, se a placa for declarada como uma cópia do Arduino UNO, então tudo o que foi dito sobre o Arduino UNO se aplica a ela, embora, é claro, você não possa garantir cada fabricante. Um nível de qualidade aceitável para um amador pode ser fornecido não apenas pelos fabricantes de dispositivos originais, mas também por empresas pouco conhecidas que oferecem designs semelhantes a um preço muito mais baixo. A placa Arduino não é muito complicada e é bastante acessível para autoprodução; a documentação para isso pode ser encontrada no site oficial do fabricante [6]. A descrição de uma placa caseira, parte da família Arduino, também foi publicada na revista Radio [7]. Graças a essas vantagens, o Arduino se tornou uma espécie de padrão entre os entusiastas da eletrônica. O uso de blocos funcionais completos e bibliotecas de programas simplifica muito e, portanto, acelera o desenvolvimento. Na verdade, os escudos do Arduino são “caixas pretas”. É importante como uma determinada unidade reage a certos sinais e influências, mas a sua estrutura interna não é fundamental. Existem publicações impressas em russo que descrevem o Arduino, mas, francamente, não estão nas prateleiras de todas as livrarias ou bibliotecas. Como exemplo podemos citar o livro [8], e entre os periódicos podemos notar uma série de artigos na revista “Levsha” (suplemento da revista “Jovem Técnico”). Aí, a partir de Nº 6 de 2012, são publicados artigos mensais dedicados ao uso do Arduino [9]. Porém, na Internet você pode encontrar diversos recursos, tanto totalmente dedicados ao Arduino [10-12], quanto sites com enfoque científico e técnico mais amplo, que possuem seções correspondentes [13-16]. Concluindo, você pode ver que para facilitar o trabalho com o Arduino, você pode fazer vários dispositivos simples. Por exemplo, não é muito conveniente conectar as pontas desencapadas dos fios nos soquetes dos conectores. Para este propósito, existem aqueles mostrados na Fig. 5 fios de conexão especiais com pontas, que vêm em pinos e soquetes. É fácil fazer você mesmo fios semelhantes usando contatos de conectores. E para conectar dispositivos externos rapidamente, é melhor usar fios de conexão semelhantes aos mostrados na Fig. 6, em uma extremidade do qual é soldado um conector crocodilo e, na outra, um contato de pino.
Muitas vezes é necessário conectar vários fios a um pino da placa, por exemplo, para fornecer energia a vários sensores. Aqui você pode usar soquetes PBS ou similares, cujos terminais precisam ser conectados entre si e soldados a um fio de conexão, na extremidade oposta do qual há um contato de pino. Para montagem rápida de dispositivos simples sem o uso de ferro de solda, placas de ensaio especiais são adequadas. A aparência de um deles é mostrada na Fig. 7, e o diagrama está na Fig. 8.
Os cabos rígidos das peças são inseridos nos soquetes de mola dessas placas, e as conexões que faltam entre elas são feitas com jumpers de fio ou com os fios descritos acima. Assim, a principal vantagem do Arduino, por um lado, é a presença de capacidades bem desenvolvidas e flexíveis para se tornar a base de projetos bastante complexos, por outro lado, a quantidade de conhecimento inicial necessária para começar não. na verdade, vão além dos cursos escolares de física e ciência da computação. Literatura
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