Mokomasis Elektronikos Rinkinys – Išmaniosios Grandinės su ARDUINO

Pristatome elektronikos rinkinį „Išmaniosios grandinės su Arduino™“. Jame rasite viską, kas reikalinga norint susipažinti su Arduino, elektronika ir programavimu. Jūsų laukia kelionė per 17-ka išmaniųjų grandinių, kurias išbandę galėsite įvaldyti Arduino mikrovaldiklio galias, kurti interaktyvius ir nuotaikingus projektus. Rinkinyje rasite visas būtinas priemones ir elektronikos komponentus. Arduino kelionėje Jus palydės rinkinio knyga lietuvių kalba. Knygoje, informacija, nuoseklios instrukcijos, schemos pateiktos vaizdžia ir aiškia kalba.

„Išmaniosios grandinės su Arduino™“ – tai Arduino pradžiamokslis kiekvienam – pradedančiąjam ir pažengusiam. Arduino – mažas kompiuteriukas, įgalinantis valdyti įvairius elektronikos komponentus ir prietaisus. Jo dėka daiktai tarsi atgyja, vykdo mūsų nurodytas komandas, reaguoja į aplinkos pokyčius. Surinkdami ir išbandydami pateiktas išmaniąsias grandines, galėsime nuosekliai susipažinti su Arduino mikrovaldiklio panaudojimo galimybėmis:

GRND – 01. Pradžia – Mirksintis šviesos diodas

Mes pradėsime mūsų pažintį su Arduino atlikdami labai paprastą eksperimentą, kuris yra vadinamas mirksintis LED. Šio eksperimento metu padarysime, kad Arduino, pasveikindamas mus, pamirksėtų šviesos diodu. Taip, taip, jūs neapsigirdote, jis padarys tai, nes turime visus šio mažo, bet labai galingo kompiuteriuko, įgaliojimus. Paprasčiausia programa valdysime šviesos mirksėjimo dažnį.

GRND – 02. Sukiojame rankenėles – Potenciometrai

Šiame eksperimente, mes dirbsime su potenciometru. Potenciometrai paprastai naudojami norint koreguoti parametrus, tokius kaip garsumą ar šviesumą. Jūs išmoksite, kaip naudojant potenciometrą, kontroliuoti LED šviesumą su Arduino. Programa rodo analoginės įėjos veikimą. Keičiant potenciometro rankenėlės padėtį keisis ir LED mirksėjimo dažnis.

GRND – 03. Spalvota šviesa – RGB šviesos diodas

Trispalvis šviesos diodas gali šviesti visomis vaivorykštės spalvomis! Žinoma, tai yra daug įdomiau nei mirksintis šviesos diodas. Tiesą pasakius, trispalvis LED – trys šviesos diodai (raudonas, žalias ir mėlynasi) viename korpuse. Kai mes Arduino skaitmeniniame išėjime, nustatome įvairius spalvos ryškumo ir intensyvumo parametrus, gauname naujas spalvas.

GRND – 04. Šokantys LED – Daugiau šviesos diodų

Nuostabu. Pirmojoje pamokoje išmokėme šviesos diodą mirksėti, trečiojoje – trispalvis šviesos diodas sutvisko visomis vaivorykštės spalvomis! Atėjo metas kiek apsunkinti grandinę ir prijungti prie Arduino net aštuonis LED. Taip pat, naudojant Arduino, bus sukurti įvairūs apšvietimo efektai. Liepsime aštuoniems šviesos diodams šokti. Grandinė pakankamai didelė ir įdomi. Šiame eksperimente, jūs pradėsite kurti savo programas ir suprasite, kaip veikia Arduino.

GRND – 05. Spaudžiame mygtukus – Mygtukai

Iki šiol mes viską darėme vien su išėjimais. Dabar mes ketiname, pažvelgti iš kitos pusės, ir „pažaisti“ su įėjimais. Šiame eksperimente, kaip jutiklį, mes panaudosime mygtukus. Tai paprasčiausias ir aiškiausias būdas, parodantis kaip Arduino gali gauti informaciją. Mūsų sąlyga – jei kuris nors mygtukų bus nuspaustas, šviesos diodas įsižiebs, bet jei bus nuspausti abu mygtukai, LED neįsižiebs.

GRND – 06. Kai krinta šviesa – Fotorezistorius

Antroje pamokoje sužinojote, kaip veikia potenciometras, kurio varža kinta priklausomai nuo rankenos – stiebo pasukimo. Dabar jūs išmoksite naudoti fotorezistorių, puslaidininkinį prietaisą kaip jutiklį, kuris keičia savo varžą, priklausomai nuo to, kiek šviesos patenka ant jo paviršiaus. Naudojant fotorezistorių, kaip šviesos jutiklį, kontroliuosime šviesos diodo šviesumą.

GRND – 07. Išmatuokime temperatūrą – Jutiklis TMP35

Išmoksime naudoti temperatūros jutiklį su Arduino. Arduino IDE derinimo langą nustatysime temperatūros pokyčių rodymui. Naudojant „prievado ekraną“ (Serial Monitor), nuskaitysime temperatūros jutiklio parodymus. TMP35 yra paprastas temperatūros jutiklis, kuris keičia savo išvado įtampą proporcingai aplinkos temperatūrai. Juos galima naudoti visoms automatikos užduočių rūšims, kur būtina nuo temperatūros pokyčių priklausoma parametrų kaita. Informacijos perdavimas iš Arduino į kompiuterių yra dar įdomesnė tema nei ankstesni eksperimentai – pradėsime naudoti Arduino nuoseklųjį prievadą. Iki šiol mes apsiribojome paprastų diodų naudojimu parodant bet kokius pokyčius. Įsitikinsime, kad Arduino gali ne tik signalizuoti apie pokyčius aplinkoje, bet, jei būtina, lengvai bendrauti su kompiuteriu ir rodyti visas teksto ir duomenų rūšis bet kuriame terminale.

GRND – 08. Pasukame kampu – Servo mechanizmas

Servo mechanizmas, sutrumpintai „servo“ – variklis, kurį sudaro elektroninė grandinė su atgaliniu ryšiu. Arduinui yra sukurta „Servo.h“ biblioteka, kuri gali dirbti su įvairių tipų servo varikliais. Servo varikliai idealiai tinka elektronikoje ir automatikoje – pasižymi didele sparta ir geba tiksliai nustatyti norimą padėtį, ko negalima su įprastiniais varikliais. Juos pakankamai paprasta valdyti, naudojant kintamo impulso trukmę. Šiame eksperimente, jūs išmoksite kaip naudoti PWM (impulso pločio moduliacija) servo variklio valdymui.

GRND – 09. Kai skamba muzika – Pjezo signalizatorius

Vėl bandysime įveikti spragą tarp skaitmeninio ir analoginio pasaulio. Mes naudosime pjezo signalizatorių, kuris sukelia mažą „spragtelėjimą“, kai trumpam priliečiame jo kontaktus prie 5 voltų maitinimo. Išbandykite tai! Žinoma, tai nėra labai įdomu, tačiau jei prijungsite įtampą ir tuopat atjungsite, ir taip 100 kartų per sekundę greičiu, signalizatorius pradės pypsėti. Surinkus šimtus eilučių tonų kartu – užgros muzika!

GRND – 10. Muzikinis sintezatorius – Jungiame potenciometrą

Sukurkime pjezo sintezatorių. Mes galime naudoti pjezo signalizatorių generuoti garsus. Jis konvertuoja elektros dažnius į garso bangas. Skirtingos garso bangos yra gaminamos greitai įjungiant ir išjungiant įtampą (impulsą). Programos tekstas apdoroja du parametrus, kurie yra nuskaitomi iš dviejų potenciometrų. Vienas potenciometras nustato pikio lygį, kitas – pasikartojančio ciklo trukmę.

GRND – 11. Sukame variklį – Tranzistorius ir variklis

Anksčiau susipažinome su servo varikliu, kurį valdėme Arduinu? Dabar pažvelgsime į nuolatinės srovės variklio sukimąsi. Tam prireiks tranzistoriaus, kuris gali komutuoti, t.y. perjungti (tranzistorius veikia kaip jungiklis) daug didesnę srovę nei Arduino. Naudojant tranzistorių reikia įsitikinti, kad jo parametrai yra tinkami tam tikrai įrangai. Tranzistorius, kurį mes naudosime šioje grandinėje – TIP120, gali susidoroti su 60 V įtampa ir 200 mA srove, kas puikiai tinka mūsų varikliui!

GRND – 12. Įjunkime didesnę apkrovą – Rėlės

Dabar išmoksime valdyti rėles, Arduino suteikiant daugiau galių! Veikiau Arduino išmokisime valdyti rėlę. Relė yra elektra valdomas, mechaninis jungiklis. Plastikinio korpuso viduje yra galingas elektromagnetas. Kai jis gauna energijos krūvį, suveikia relė – inkaras pritraukiamas elektromagneto ir kontaktų grupė sujungia arba atjungia apkrovos maitinimo grandinę.

GRND – 13. Daugiau šokančių šviesos diodų – Postūmio registras 74HC595

Galiausiai pasiekėme integrinius grandynus (IG). Dabar naudojant postūmio registro integrinį grandyną valdysime 8 išėjimus pasitelkus tik tris Arduino kontaktus. Postūmio registras 74HC595 yra integrinis grandynas, kuris turi aštuonis skaitmeninius išėjimus. Norėdami juos panaudoti, mes pasitelksime naują sąsają, pavadintą SPI (angl. serial peripheral interface), t.y. nuosekli periferinė sąsaja, kurią naudosime perduoti duomenis į Arduino. Vienas postūmio registras pridės Arduinui papildomus 8 išėjimus ir užims tik tris jo kontaktus. Tokių grandynų galime prijungti labai daug. Pasekoje gausime daugybę papildomų išvadų, užimančiu tuos pačius tris Arduino kontaktus.

GRND – 14. Atgimstančios figūros – 8×8 šviesos diodų modulis

Mūsų sekančiame projekte, kaip vaizduoklį, naudosime 64 šviesos diodų matricos modulį.

Kadangi šie moduliai kaip valdiklį naudoja MAX7219 integrinį grandyną, galėsime įjungti ir išjungti kiekvieną iš 64 LED, naudodami tik 3 mūsų Arduino kontaktus. Tai paprastas ir pigus būdas kontroliuoti 64 šviesos diodus ir kurti įvairiausias animacijas. Be to galime sujungti kelis modulius kartu ir taip valdyti dar daugiau šviesos diodų. Mūsų programoje bus naudojima LedControl biblioteka. Atsisiųskite ir įkelkite ją į Arduino IDE: C:\Program Files (x86)\Arduino\libraries aplanką. Tada iš naujo paleiskite IDE programinę įrangą. Kurkite daugiau animacijų naudodami generatorių: http://www.pial.net/tools/.

GRND – 15. Suskaičiuokime – 7 segmentų indikatorius

Pagrindinis šviesos diodų privalumas yra tai, kad būdami mažo dydžio, kai kurie iš jų gali būti sujungti į vieną mažą ir kompaktišką paketą ir sudaryti tai, kas paprastai vadinama 7 segmentų rodytuvu. 7-ių segmentų rodytuvas susideda iš septynių šviesos diodų išdėstytų stačiakampyje atitinkama tvarka (žr. apačioje). Kiekvienas iš septynių LED vadinamas segmentu. Skirtingi išjungtų ir įjungtų septynių segmentų deriniai leidžia atvaizduoti skaitines reikšmes nuo 0 iki 9. Kiekvieno segmento vieta ir išvadai (PIN) yra pažymėti raidėmis nuo A iki G (žr. apačioje). 7-ių segmentų LED rodytuvai būna dviejų tipų: bendro anodo ir bendro katodo. Rodytuvas su numeriu 5101AS atspausdintu ant šono yra bendro katodo tipo rodytuvas.

GRND – 16. Labas pasauli – LCD ekranas

Šioje pamokoje išmoksime, kaip prie Arduino prijungti LCD ir jame rodyti visus duomenis. Skystųjų kristalų ekranas (LCD, anglų k. „Liquid Crystal Display“) yra sudėtingas elektroninis modulis, kurį galime naudoti teksto arba skaitinių duomenų rodymui. Ekranas yra įstatytas į montažo plokštę, PCB. Jis turi dvi eilutes po 16 simbolių ir pašvietimą, naudojimui tamsiu paros laiku. Buvome pasitelkę nuosekliojo duomenų išvedimo prievado ekraną (Serial Monitor). Pamatysite jo panašumą į LCD ir įsitikinsite, jog didelis kompiuteris nėra būtinas.

GRND – 17. Žaidžiame – Reakcijos žaidimas

Dabar, kai atlikome visus projektus ir sužinojome visas pagrindines komponentų valdymo su Arduino sąlygas, metas sukurti kažką įdomaus. Ši grandinė parodys jums, kaip sukurti savo Simon Says žaidimą. Su Arduino UNO, naudodami LED, mygtukus, signalizatorių, keletą rezistorių, galite sukurti šį ir kitus įdomius žaidimus. Kaip tai veiks? Kai įkelsime kodą, signalizatorius kelis kartus pyptels ir visi keturi diodai pradės mirksėti. Žaidimas prasidės, kai paspausime bet kurį iš keturių mygtukų. Tada sumirksės atsitiktinis šviesos diodas. Reikės greitai spausti mygtuką, susijusį su tos spalvos LED, taip atkartojant modelį. Sėkmingai atspėjus, modelis vėl bus pakartotas, tik šį kartą prie jo pridedant kitą atsitiktinį LED. Žaidėjas turi sekti modelį kiek įmanoma ilgiau. Su kiekvienu sėkmingai atspėtu modeliu, prie pagrindinio modelio prisidės papildomas sudėtingumo lygmuo.

Rinkinio projektai:

1. PRADŽIA – įvadas į tai, kaip viskas veikia.
2. SUKIOJAME RANKENĖLES – kaip naudojant potenciometrą kontroliuoti LED šviesumą su Arduino pagalba.
3. SPALVOTA ŠVIESA – trispalviai diodai, kaip išgauti naujas spalvas.
4. ŠOKANTYS LED – pridėsime daugiau šviesos diodų ir su Arduino juos šokdinsime.
5. SPAUDŽIAME MYGTUKUS – paprasčiausiu jutikliu perduosime informaciją Arduinui.
6. KAI KRINTA ŠVIESA – naudojant fotorezistorių, kaip šviesos jutiklį, kontroliuosime šviesos diodo šviesumą.
7. IŠMATUOKIME TEMPERATŪRĄ – naudosime temperatūros jutiklį su Arduino.
8. PASUKAME KAMPU – pasuksime servo naudodami PWM (impulso pločio moduliacija).
9. KAI SKAMBA MUZIKA – su Arduino kursime melodijas ir jas sugrosime.
10. MUZIKINIS SINTEZATORIUS – prie signalizatoriaus prijungsime potenciometrą ir kursime kosminius garsus.
11. SUKAME VARIKLĮ – tranzistoriaus pagalba suksime variklį.
12. ĮJUNKIME DIDESNĘ APKROVĄ – valdysime rėles.
13. DAUGIAU ŠOKANČIŲ ŠVIESOS DIODŲ – naudojant postūmio registro integrinį grandyną valdysime 8 išėjimus pasitelkus tik tris Arduino kontaktus.
14. ATGIMSTANČIOS FIGŪROS – kursime įvairias figūras pasitelkus 8×8 šviesos diodų modulį.
15. SUSKAIČIUOKIME – kai reikia išvesti skaičius.
16. LABAS PASAULĮ – prie Arduino prijungsime LCD ir jame rodysime visus duomenis.
17. ŽAIDŽIAME – reakcijos žaidimas, kai viską susijungiame į vieną.