Плата Arduino Uno – центр большой империи Arduino, самое популярное и самое доступное устройство. В ее основе лежит чип ATmega – в последней ревизии Ардуино Уно R3 – это ATmega328 (хотя на рынке можно еще встретить варианты платы UNO с ATmega168). Большинство ардуинщиков начинают именно с платы UNO. В этой статье мы рассмотрим основные особенности, характеристики и устройство платы Arduino Uno ревизии R3, требования к питанию, возможности подключения внешних устройств, отличия от других плат (Mega, Nano).
Плата Arduino Uno
Контроллер Uno является самым подходящим вариантом для начала работы с платформой: она имеет удобный размер (не слишком большой, как у Mega и не такой маленький, как у Nano), достаточно доступна из-за массового выпуска всевозможных клонов, под нее написано огромное количество бесплатных уроков и скетчей.
Характеристики Arduino Uno
Изображения плат Ардуино Уно
Оригинальная плата выглядит следующим образом:
Многочисленные китайские варианты выглядят вот так:
Еще примеры плат:
Схема и распиновка платы
Ардуино – это открытая платформа. По сути, любой желающий может скачать схему с официального сайта или одного из популярных форумов, а затем собрать плату на основе контроллера ATmega. Необходимые электронные компоненты можно весьма не дорого купить во множестве интернет-магазинов.
Распиновка платы на базе ATMEGA 328
Принципиальная схема:
Описание элементов платы Arduino Uno R3
Распиновка микроконтроллера ATMega 328
Описание пинов Ардуино
Пины Ардуино используются для подключения внешних устройств и могут работать как в режиме входа (INPUT), так и в режиме выхода (OUTPUT). К каждому входу может быть подключен встроенный резистор 20-50 кОм с помощью выполнения команды pinMode () в режиме INPUT_PULLUP. Допустимый ток на каждом из выходов – 20 мА, не более 40 мА в пике.
Для удобства работы некоторые пины совмещают в себе несколько функций:
- Пины 0 и 1 – контакты UART (RХ и TX соответственно) .
- Пины c 10 по 13 – контакты SPI (SS, MOSI, MISO и SCK соответственно)
- Пины A4 и A5 – контакты I2C (SDA и SCL соответственно).
Цифровые пины платы Uno
Пины с номерами от 0 до 13 являются цифровыми. Это означает, что вы можете считывать и подавать на них только два вида сигналов: HIGH и LOW. С помощью ШИМ также можно использовать цифровые порты для управления мощностью подключенных устройств.
Аналоговые пины Arduino Uno
Аналоговые пины Arduino Uno предназначены для подключения аналоговых устройств и являются входами для встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который в ардуино уно десятиразрядный.
Дополнительные пины на плате
- AREF – выдает опорное напряжения для встроенного АЦП. Может управляться функцией analogReference().
- RESET – подача низкого сигнала на этом входе приведет к перезагрузке устройства.
Подключение устройств
Подключение любых устройств к плате осуществляется путем присоединения к контактам, расположенным на плате контроллера: одному из цифровых или аналоговых пинов или пинам питания. Простой светодиод можно присоединить, используя два контакта: землю (GND) и сигнальный (или контакт питания).
Самый простой датчик потребует задействовать минимум три контакта: два для питания, один для сигнала.
При любом варианте подключения внешнего устройства следует помнить, что использование платы в качестве источника питания возможно только в том случае, если устройство не потребляет больше разрешенного предельного тока контроллера.
Варианты питания Ардуино Уно
Рабочее напряжение платы Ардуино Уно – 5 В. На плате установлен стабилизатор напряжения, поэтому на вход можно подавать питание с разных источников. Кроме этого, плату можно запитывать с USB – устройств. Источник питания выбирается автоматически.
- Питание от внешнего адаптера, рекомендуемое напряжение от 7 до 12 В. Максимальное напряжение 20 В, но значение выше 12 В с высокой долей вероятности быстро выведет плату из строя. Напряжение менее 7 В может привести к нестабильной работе, т.к. на входном каскаде может запросто теряться 1-2 В. Для подключения питания может использоваться встроенный разъем DC 2.1 мм или напрямую вход VIN для подключения источника с помощью проводов.
- Питание от USB-порта компьютера.
- Подача 5 В напрямую на пин 5V. В этом случае обходится стороной входной стабилизатор и даже малейшее превышение напряжения может привести к поломке устройства.
Пины питания
- 5V – на этот пин ардуино подает 5 В, его можно использовать для питания внешних устройств.
- 3.3V – на этот пин от внутреннего стабилизатора подается напряжение 3.3 В
- GND – вывод земли.
- VIN – пин для подачи внешнего напряжения.
- IREF – пин для информирования внешних устройств о рабочем напряжении платы.
Память Arduino Uno R3
Плата Uno по умолчанию поддерживает три типа памяти:
- Flash – память объемом 32 кБ. Это основное хранилище для команд. Когда вы прошиваете контроллер своим скетчем, он записывается именно сюда. 2кБ из данного пула памяти отводится на bootloader- программу, которая занимается инициализацией системы, загрузки через USB и запуска скетча.
- Оперативная SRAM память объемом 2 кБ. Здесь по-умолчанию хранятся переменные и объекты, создаваемые в ходе работы программы. Память эта энерго-зависимая, при выключении питания все данные, разумеется, сотрутся.
- Энергонезависимая память (EEPROM) объемом 1кБ. Здесь можно хранить данные, которые не сотрутся при выключении контроллера. Но процедура записи и считывания EEPROM требует использования дополнительной библиотеки, которая доступна в Arduino IDE по-умолчанию. Также нежно помнить об ограничении циклов перезаписи, присущих технологии EEPROM.
Некоторые модификации стандартной платы Uno могут поддерживать память с большими значениями, чем в стандартном варианте. Но следует понимать, что для работы с ними потребуются и дополнительные библиотеки.
Программирование для платы Uno
Для написания программ (скетчей) для контроллер Ардуино вам нужно установить среду программирования. Самым простым вариантом будет установка бесплатной Arduino IDE, скачать ее можно с официального сайта.
После установки IDE вам нужно убедиться, что выбрана нужная плата. Для этого у Arduino IDE в меню “Инструменты” и подпункте “Плата” следует выбрать нашу плату (Arduino/Genuino Uno). После выбора платы автоматически изменятся параметры сборки проекта и итоговый скетч будет скомпилирован в формат, который поддерживает плата. Подключив контроллер к компьютеру через USB, вы сможете в одно касание заливать на него вашу программу,используя команду “Загрузить”.
Сам скетч чаще всего представляет собой бесконечный цикл, в котором регулярно опрашиваются пины с присоединенными датчиками и с помощью специальных команд формируется управляющее воздействие на внешние устройства (они включаются или выключаются). У программиста Ардуино есть возможность подключить готовые библиотеки, как встроенные в IDE, так и доступные на многочисленных сайтах и форумах.
Написанная и скомпилированная программа загружается через USB-соединение (UART- Serial). Со стороны контролера за этот процесс отвечает bootloader.
Отличие от других плат
Сегодня на рынке можно встретить множество вариантов плат ардуино. Самыми популярными конкурентами Уно являются платы Nano и Mega. Первая пойдет для проектов, в которых важен размер. Вторая – для проектов, где у схема довольно сложна и требуется множество выходов.
Отличия Arduino Uno от Arduino Nano
Современные платы Arduino Uno и Arduino Nano версии R3 имеют, как правило, на борту общий микроконтроллер: ATmega328. Ключевым отличием является размер платы и тип контактных площадок. Габариты Arduino Uno: 6,8 см x 5,3 см. Габариты Arduino Nano: 4,2 см x 1,85 см. В Arduino UNO используются коннекторы типа «мама», в Nano – «гребень» из ножек, причем у некоторых моделей контактные площадки вообще не припаяны. Естественно, больший размер UNO по сравнению с Nano в некоторых случаях является преимуществом, а в некоторых – недостатком. С платой большого размера гораздо удобнее производить монтаж, но она неудобна в реальных проектах, т.к. сильно увеличивает габариты конечного устройства.
На платах Arduino Uno традиционно используется разъем TYPE-B (широко применяется также для подключения принтеров и МФУ). В некоторых случаях можно встретить вариант с разъемом Micro USB. В платах Arduino Nano стандартом является Mini или Micro USB.
Естественно, различия есть и в разъеме питания. В плате Uno есть встроенный разъем DC, в Nano ему просто не нашлось места.
Кроме аппаратных, существуют еще небольшие отличия в процессе загрузки скетча в плату. Перед загрузкой следует убедиться, что вы выбрали верную плату в меню «Инструменты-Плата».
Отличия от Arduino Mega
Плата Mega в полном соответствии со своим названием является на сегодняшний день самым большим по размеру и количеству пинов контроллеров Arduino. По сравнению с ней в Uno гораздо меньше пинов и памяти. Вот список основных отличий:
- Плата Mega использует иной микроконтроллер: ATMega 2560. Но тактовая частота его равна 16МГц, так же как и в Уно.
- В плате Mega большее количество цифровых пинов – 54 вместо 14 у платы Uno. И аналоговых – 16 / 6.
- У платы Mega больше контактов, поддерживающих аппаратные прерывания: 6 против 2. Больше Serial портов – 4 против 1.
- По объему памяти Uno тоже существенно уступает Megа. Flash -память 32/256, SRAM – 2/8, EEPROM – 4/1.
Исходя из всего этого можно сделать вывод, что для больших сложных проектов с программами большого размера и активным использованием различных коммуникационных портов лучше выбирать Mega. Но эти платы дороже Uno и занимают больше места, поэтому для небольших проектов, не использующих все дополнительные возможности Mega, вполне сойдет Uno – существенного прироста скорости при переходе на “старшего” брата вы не получите.
Краткие выводы
Arduino Uno – отличный вариант платы для создания своих первых проектов и умных устройств. 14 цифровых и 6 аналоговых пинов позволяют подключать разнообразные датчики, светодиоды, двигатели и другие внешние устройства. USB-разъем поможет подключиться к компьютеру для перепрошивки скетча без дополнительных внешних устройств. Встроенный стабилизатор позволяет использовать различные элементы питания с широким диапазоном напряжения, от 6-7 до 12-14 В. В Arduino Uno достаточно удобно реализована работа с популярными протоколами: UART, SPI, I2C. Есть даже встроенный светодиод, которым можно помигать в своем первом скетче. Чего еще желать начинающему ардуинщику?