Учебник по "программированию на Arduino"

Что может Arduino

Эта платформа дает простор для самовыражения талантливым и способным разработчикам. Arduino используется для создания интерактивных проектов в области умного дома, робототехники, автоматизации производства, медиаинсталляций, измерительных приборов, игр и многих других. Рассмотрим возможности «Ардуино» на конкретных примерах:

Умный дом. Arduino можно использовать для автоматизации освещения и системы безопасности. С ее помощью можно создать собственные устройства для управления домашними приборами и интегрировать их с платформами умного дома.

Робототехника. С помощью Arduino можно строить роботов, начиная от простых мобильных и заканчивая сложными манипуляторами. Платформа программируется для управления движением, считывания данных с датчиков и обработки информации.

Измерительные приборы. Сбор данных с датчиков температуры, влажности, освещения, давления и других.

Игры. Arduino используется для создания примитивных консолей. Подключайте кнопки, джойстики, датчики движения и другие компоненты.

Автоматизация и контроль. Уход за рассадой и даже сельское хозяйство, промышленность или автомобильная отрасль можно автоматизировать с помощью Arduino. Создавайте системы контроля и управления для различных задач: от автоматического полива растений до управления производственными процессами.

Кроме того, платформа поддерживает подключение множества дополнительных модулей и сенсоров, что расширяет ее функциональность и позволяет адаптировать для использования в самых разных проектах. Это открытая платформа: схемы и дизайны плат доступны для свободного использования и модификации.

Компоненты

Платформа состоит из физической платы с микроконтроллером и программного обеспечения (IDE), используемого для написания и загрузки программ на плату.

Микроконтроллер на плате — главный компонент. Он отвечает за управление различными внешними устройствами: светодиодами, датчиками и моторами. Платформа Arduino поддерживает простой и понятный язык программирования, основанный на C/C++.

Для начала рассмотрим, как работает «Ардуино». Создание проекта можно свести к пяти шагам:

Написание программы на языке программирования Arduino в интегрированной среде разработки. На этом этапе определяется, какие действия должны выполняться микроконтроллером.

Загрузка программы после написания. Готовый код загружается в микроконтроллер на плате по USB. Программа сохраняется во внутренней памяти микроконтроллера.

Интерпретация и выполнение программы. Микроконтроллер поочередно выполняет инструкции из загруженной программы. Он читает входные данные от подключенных датчиков или других устройств, обрабатывает эту информацию в соответствии с программой и управляет подключенными устройствами (светодиодами, моторами или дисплеями) на основе заданных инструкций.

Взаимодействие с внешними устройствами. Если через разъемы ввода-вывода установлены внешние устройства (например, сенсоры, дисплеи и другие компоненты), то на данном этапе Arduino взаимодействует с ними.

Циклическое выполнение программы. После выполнения всех инструкций программы Arduino возвращается к началу и повторяет цикл, продолжая считывать данные, обрабатывать их и управлять подключенными устройствами в соответствии с программой.

Это основные шаги, которые выполняет система Arduino. В зависимости от сложности проекта этапы могут дополняться новыми действиями.

Теперь рассмотрим основные компоненты Arduino. Начнем с того, что такое плата Arduino.

Плата

Платы Arduino — это физические электронные платы, на которых установлен микроконтроллер и другие обязательные для работы платформы компоненты. Без них создать электронный проект просто невозможно. Существует множество моделей Arduino с уникальными особенностями и функциональностью. Рассмотрим строение платы на примере самой популярной: Arduino Uno — одной из самых распространенных и широко используемых моделей. Она оснащена достаточным количеством цифровых и аналоговых входов/выходов, USB-портом, поэтому считается отличным выбором для начинающих.

Ее основные элементы:

Микроконтроллер (на фото вверху — 1): Arduino Uno оснащена микроконтроллером ATmega328P. Это специальная интегральная микросхема, которая выполняет программу, управляет внешними устройствами и обрабатывает данные.

USB-порт (2): необходим для подключения к компьютеру для загрузки программы на микроконтроллер.

Разъем для подачи питания (4): возможно питание платы через USB-порт компьютера или внешний источник питания через этот разъем. Плата поддерживает широкий диапазон напряжения. Имеется заземление.

Входы/выходы (14): цифровые и аналоговые входы/выходы (или I/O, от английских слов: input и output). Цифровые пины могут быть настроены на работу как в качестве входов, так и выходов, аналоговые пины могут считывать аналоговые значения, например, напряжение.

Разъемы для подачи питания на внешние компоненты (11) — сенсоры, дисплеи, моторы и т. п.

LED-индикаторы (3): несколько светодиодных индикаторов, которые отображают состояние работы платы и отладки программы; один из них — настраиваемый.

Кварцевый резонатор (12): используется для генерации точного тактового сигнала, необходимого для работы микроконтроллера.

Кнопка Reset (13), служащая для остановки программы и сброса.

Помимо Arduino Uno, существуют и другие платы, например:

Arduino Due — основана на более мощном микроконтроллере ARM Cortex-M3. Отличается высокой производительностью, большим объемом памяти и поддержкой более сложных вычислений. Подходит для проектов, требующих высокой производительности и обработки данных.

Arduino Mega — имеет большее количество входов/выходов, включая дополнительные серийные порты, аналоговые входы/выходы и расширенную память. Подходит для более сложных проектов, требующих большего количества портов.

Arduino Leonardo — имеет микроконтроллер с функцией виртуальной клавиатуры и мыши. Подходит для проектов, где требуется эмуляция ввода с клавиатуры или мыши.

Arduino Nano — компактная версия с меньшими размерами, но с достаточными возможностями для создания множества проектов. У нее маленький размер и низкое энергопотребление. Она хорошо подходит для встраиваемых систем или проектов с ограниченным пространством.

Особенность платформы в ее гибкости, доступности и открытости. Это позволяет другим производителям выпускать свои платы Arduino. Например, разработчики используют:

Adafruit Feather — серию компактных плат, включая беспроводные модули (например, Wi-Fi или Bluetooth), встроенные аккумуляторы и датчики. Платы Feather отличаются небольшими размерами и хорошо подходят для мобильных и встраиваемых проектов.

SparkFun RedBoard — альтернативная версия Arduino Uno с аналогичными характеристиками, но измененным дизайном и дополнительными возможностями. RedBoard часто используется в учебных целях и проектах электроники.

Seeeduino — эти платы имеют дополнительные интерфейсы: например, Ethernet, LoRa или GSM, что делает их подходящими для разработки проектов связи и интернета вещей.

ESP32 Dev Board — эта плата основана на микроконтроллере ESP32 и предлагает поддержку Wi-Fi и Bluetooth. Ее часто используют в проектах, связанных с интернетом вещей и беспроводными коммуникациями.

Модули

Модули Arduino — это дополнительные компоненты, которые могут быть подключены к плате для расширения ее функциональности и возможностей. Это небольшие электронные устройства, которые обычно имеют свои собственные микроконтроллеры и предназначены для выполнения специфических задач, например:

Беспроводная связь — Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee или LoRa. Такие датчики позволяют плате Arduino взаимодействовать с другими устройствами или подключаться к интернету.

Датчики — температурные, влажностные, световые, газовые и многие другие. С их помощью плата Arduino получает данные из физического окружения.

Актуаторы (сервоприводы, моторы, реле или светодиоды) — с их помощью Arduino может контролировать физические действия и изменять окружающую среду. Например, роботизированная рука может схватить какой-то предмет.

Хранение данных — SD-карты или EEPROM-модули, которые могут быть использованы для сохранения и чтения информации на долгосрочное хранение или для обмена данными с другими устройствами.

Дисплеи — позволяют отображать информацию на экране, например текст, графику или числа. Это может быть текстовый LCD-, OLED- или даже сенсорный дисплей.

Прочие модули — например, звуковые, GPS или распознавания голоса.

Как и в случае с платами, модули Arduino производятся официальными разработчиками и сторонними. Примеры официальных модулей:

Arduino Ethernet Shield позволяет плате Arduino подключаться к Ethernet по витой паре и обмениваться данными по сети.

Arduino WiFi Shield дает возможность подключаться к Wi-Fi.

Arduino Motor Shield предназначен для управления двигателями и позволяет плате Arduino контролировать скорость и направление вращения моторов.

Arduino LCD Shield содержит LCD-дисплей и кнопки для удобного отображения информации и взаимодействия с пользователем.

Arduino Proto Shield предоставляет макетную плату для создания прототипов проектов, позволяя легко подключать и тестировать различные компоненты и датчики.

Существуют также множество модулей от сторонних производителей, например DFRobot Gravity, Adafruit FeatherWing, Grove и SparkFun.

Программные возможности

Arduino считается простым конструктором, с помощью которого можно собрать как незатейливый электронный прибор (например переключатель чего-либо), так и нечто сложное (роботизированную руку или систему автоматического полива). Одновременно платформа предлагает и широкие возможности для проявления навыков программирования. Для этого используются:

Arduino IDE — простой и понятный интерфейс для создания и загрузки программного кода. Поддерживает функции редактирования кода, компиляции, загрузки и мониторинга последовательного порта.

Язык программирования Arduino на основе упрощенного варианта языка C/C++, который содержит библиотеки и функции, специально разработанные для работы с платами Arduino.

Стандартные библиотеки, которые упрощают работу с различными компонентами и модулями — подробнее о них ниже.