Цель: получить навыки программирования микроконтроллера, организовывать мигание светодиода с заданными интервалами.
Оборудование: ПК, стартовый комплект устройств Ардуино, программный пакет ARDUINO IDE.
Задачи:
1. Собрать схему подключения светодиода к макетной плате по заданным условиям;
2. Подключить микроконтроллер к ПК;
3. Написать скетч мигания светодиода согласно варианту.
Краткие теоретические сведения
Arduino (ардуино) — популярная аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами которой являются плата ввода-вывода и среда разработки. Arduino может использоваться как для создания автономных интерактивных объектов, роботов, так и подключаться к программному обеспечению, выполняемому на компьютере. Платы имеют аналоговые и цифровые порты, к которым можно подключить практически любое простое устройство: кнопка, датчик, мотор, экран.
Ардуино IDE. Аббревиатура IDE расшифровывается как IntegratedDevelopmentEnvironment, в переводе – интегрированная среда разработки. С помощью этой программы программисты пишут программы, причем делают это гораздо быстрее и удобнее, чем при использовании обычных текстовых редакторов. В рамках платформы Ардуино программа Arduino IDE делает то же – помогает программистам писать программы. С ее помощью скетч, написанный на языке Arduino, проверяется, превращается в C++, компилируется, загружается в Arduino. Как известно, первая программа, которую человек пишет при изучении программирования называется «HelloWorld!». Суть этой программы сводится к тому, чтобы после запуска на экране появилась указанная простая фраза.
В мире микроэлектроники, симметричной задачей смело можно назвать мигание светодиодом. Другими словами, нам необходимо управлять включением и выключением светодиода при помощи микроконтроллера. В нашем случае, таким контроллером станет Ардуино.
Устройство светодиода
Светодиод — это устройство, которое представляет собой полупроводниковый прибор, способный излучать свет при пропускании через него электрического тока в прямом направлении (от анода к катоду). Ниже приведена схема типичного светодиода с линзой (см. Рис.1). 1) Анод светодиода имеет более длинный проводник.2) Со стороны катода, корпус светодиода немного срезан.
Существуют 2-хцветные и 3-х цветные (см. Рис.2) светодиоды. У 3-х цветных светодиодов сразу четыре ноги. Одна — катод, а три другие — аноды для трех разных цветов. Для того чтобы правильно включить светодиод в электрическую цепь, необходимо отличать катод от анода.
В современной микроэлектронике применяются миниатюрные светодиоды для поверхностного монтажа. Такие индикаторы, например, имеются на ArduinoUNO для информирования пользователя о состоянии системы.
Ход работы:
Задание 1. Собрать схему подключения светодиода к макетной плате по заданным условиям;
Инструкция по выполнению:
1) Для подключения мигающего светодиода на Arduino (смотреть теоретический материал) найдитев образовательном конструкторе следующие компоненты:
1. Плата ArduinoUNO(Рис.4)
2. Макетную плату (breadboard)(Рис.5).
3. 2 провода типа «папа-папа» (Рис.6)
4. Светодиоды (Рис.7)
5. Резистор соответствующего номинала. (Правила расчёта номинала резистора смотреть в Примечании) Таблица расчёта приведена на Рис.8 Цветовая кодировка резисторов.
Примечание: Резисторы, в особенности малой мощности — мелкие детали, резистор мощностью 0,125 Вт имеет длину несколько миллиметров и диаметр порядка миллиметра. Прочитать на такой детали номинал с десятичной запятой трудно, поэтому при указании номинала вместо десятичной точки пишут букву, соответствующую единицам измерения (К — для килоомов; М — для мегаомов; E, R или без указания единиц — для единиц Ом). Кроме того, любой номинал отображается максимум тремя символами. Например, 4K7 обозначает резистор сопротивлением 4,7 кОм, 1R0 — 1 Ом, М12 — 120 кОм (0,12 МОм) и т. д. Однако в таком виде наносить номиналы на маленькие резисторы сложно, и для них применяют маркировку цветными полосами.
Для резисторов с точностью 20 % используют маркировку с тремя полосками, для резисторов с точностью 10 % и 5 % — маркировку с четырьмя полосками, для более точных резисторов — с пятью или шестью полосками. Первые две полоски всегда означают первые два знака номинала.
Если полосок 3 или 4, третья полоска означает десятичный множитель, то есть степень десятки, которая умножается на число, состоящее из двух цифр, указанное первыми двумя полосками. Если полосок 4, последняя указывает точность резистора. Если полосок 5, третья означает третий знак сопротивления, четвёртая — десятичный множитель, пятая — точность. Шестая полоска, если она есть, указывает температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Если эта полоска в 1,5 раза шире остальных, то она указывает надёжность резистора (% отказов на 1000 часов работы) (см. Рис.6).
Следует отметить, что иногда встречаются резисторы с 5 полосами, но стандартной (5 или 10 %) точностью. В этом случае первые две полосы задают первые знаки номинала, третья —
множитель, четвёртая — точность, а пятая — температурный коэффициент.
Пример:
Допустим, на резисторе имеются четыре полосы: коричневая, чёрная, красная и золотая.
Первые две полоски дают 1 0, третья 100, четвёртая даёт точность 5 %, итого — резистор сопротивлением 10·100 Ом = 1 кОм, с точностью ±5 %.
Запомнить цветную кодировку резисторов нетрудно: после чёрной 0 и коричневой 1 идёт последовательность цветов радуги. Так как маркировка была придумана в англоязычных странах, голубой и синий цвета не различаются.
Также для облегчения запоминания можно воспользоваться мнемоническим правилом:
«Часто Каждый Красный Охотник Желает Знать, Сколько Фазанов Село в Болоте».
Для облегчения различные разработчики программного обеспечения создают программы, которые определяют сопротивление резистора.
Поскольку резистор — симметричная деталь, может возникнуть вопрос: «Начиная с какой стороны читать полоски?» Для четырёхполосной маркировки обычных резисторов с точностью 5 и 10 % вопрос решается просто: золотая или серебряная полоска всегда стоит в конце. Для трёхполосочного кода первая полоска стоит ближе к краю резистора, чем последняя.
Задание 2. Подключить микроконтроллер к ПК;
Инструкция по выполнению: 1) Установите среду разработкиArduino IDE. Установка среды производится обучающимися строго по приведённому алгоритму.
- Скачайте Arduino IDE.
- Поставите на установку.
- Дождитесь окончания установки.
- Откройте программу Ардуино на рабочем столе.
1)Подключить схему к компьютеру. Подключение выполнять строго в соответствии с алгоритмом:
- Чтобы зажечь светодиод, нам потребуется подключить его к одному из цифровых выводов Ардуино.
- Катод светодиода подключим к минусу (земля), анод же соединим с выводом №8 через токозадающий резистор 150 Ом.
- Собрать схему. Пример подключения схемы приведен на Рис.9:
Задание 3. Написать скетч мигания светодиода.
Инструкция по выполнению:
1) Загрузка программы:
- Чтобы подключить плату к компьютеру необходимо взять USBпровод. Соедините ArduinoUno с компьютером через USB-кабель. Вы увидите, как на плате загорится светодиод «ON», и начнёт мигать светодиод «L». (См.рис 10.) Это означает, что на плату подано питание, и микроконтроллер ArduinoUno начал выполнять прошитую на заводе программу «Blink» (мигание светодиодом).
- Чтобы настроить Arduino IDE на работу с ArduinoUno, нам необходимо узнать, какой номер COM-порта присвоил компьютер ArduinoUno. Для этого нужно зайти в «Диспетчер устройств» Windows и раскрыть вкладку «Порты (COM и LPT)». На экране появится окно Диспетчера устройств (Рис.11):
- Это означает, что операционная система распознала нашу плату ArduinoUno как COM-порт, подобрала для неё правильный драйвер и назначила этому COM-порту номер 7. Если мы подключим к компьютеру другую плату Arduino, то операционная система назначит ей другой номер. Поэтому, если у вас несколько плат Arduino, очень важно не запутаться в номерах COM-портов.
2) Настройка Arduino IDE на работу с ArduinoUno:
- Теперь нам необходимо сообщить Arduino IDE, что плата, с которой ей предстоит общаться, находится на COM-порту «COM7».
- Для этого переходим в меню «Сервис» → «Последовательный порт» и выбираем порт «COM7» (Рис.12). Теперь Arduino IDE знает — что-то находится на порту «COM7». И с этим «чем-то» ей вскоре предстоит общаться.
Чтобы у Arduino IDE не осталось никаких сомнений, необходимо прямо указать: «Мы будем использовать ArduinoUno!». Для этого переходим в меню «Сервис» → «Плата» и выбираем нашу «ArduinoUno» (Рис.13).
3) Загрузка первого проверочного скетча.
Среда настроена, плата подключена. Теперь можно переходить к загрузке скетча. Arduino IDE содержит очень много готовых примеров, в которых можно быстро подсмотреть решение какой-либо задачи.
Немного модифицируем код, чтобы увидеть разницу с заводским миганием светодиода.
Вместо строчки:
delay(1000);
напишем:
delay(100);
теперь светодиод «L» должен загораться и гаснуть на десятую часть секунды. То есть в 10 раз быстрее, чем в заводской версии.
загрузим наш скетч в ArduinoUno и проверим, так ли это? После загрузки светодиод начнёт мигать быстрее. Это значит, что всё получилось.
4). Напишите скетч 8 секундного мигания светодиода, подключенного к 8 цифровому порту (все обучающиеся выполняют одинаковое подключение):
int led = 8;
Void setup() {
pinMode(led, OUTPUT); // установка 8-го контакта в режим вывода
}
voidloop() {
digitalWrite(led, HIGH); // вывод №8 в активное состояние
delay(1000); // пауза 1-секунда
digitalWrite(led, LOW); // вывод №8 в неактивное состояние
delay(1000); // пауза 1-секунда
}
6) Напишите скетч мигания светодиода
Задание 1. Светодиод подключен к 5 цифровому порту, контакт установлен на режим вывода, светодиод горит 5 секунд, пауза 3 секунды.
Задание 2. Светодиод подключен к 1 цифровому порту, контакт установлен на режим вывода, светодиод горит 10 секунд, пауза 4 секунды.
Задание 3. Светодиод подключен к 8 цифровому порту, контакт установлен на режим вывода, светодиод горит 3 секунд, пауза 6 секунды.
Задание 4. Светодиод подключен к 3 цифровому порту, контакт установлен на режим вывода, светодиод горит 20 секунд, пауза 7 секунды
Сохраните результаты выполненной работы (написанные скетчи) в своей рабочей папке. Сформулируйте выводы, оформите отчет о проделанной работе.