- Оглавление {:toc}
Всё необходимое я заказывал на AliExpress. Для начала будет очень полезным заказать StarterKit в комплекте идет Arduino Mega которая содержит огромное количество контактов, которых хватит на любой мыслимый проект и много памяти. Немаловажным является совместимость со всеми операционными системами (об этом подробнее ниже).
Магазин магазин специализирующийся на IoT.
-
В комплекте идет электронная книга c 32 проектами (желтая книжечка это просто листок со списком деталей). Не смотря на качество кода, который оставляет желать лучшего, всё работает. Если что-то не заводится нужно просто проверить подключение. Самым главным минусом является отстутствие пояснений к тому, почему это сделано именно так (подробности будут ниже). Где-то с середины я уже старался писать код сам и экспериментировать. Для реальных проектов я использовал заказанные детали, чтобы комплект деталей из кита остался полноценным.
-
Пока шел кит, я купил себе книгу Джереми Блум. Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства после которой некоторые вещи типа устранения дребезга кнопок, pull-up и pull-down резисторов для меня не были открытием.
-
10 Ways to Destroy An Arduino крайне полезная статья про то что не стоит делать с arduino и почему. А еще всегда внимательно прислушивайтесь к запахам: если вовремя выдернуть питание, устройство может не пострадать. После отключения внимательно прощупайте на предмет источника запаха и высокой температуры – это может подсказать какой участок схемы собран неправильно.
- Измеритель потребленной энергии
- Метеостанция на солнечной батарее
- Ардуино на солнечной батарее
- Низкое потребление энергии на ESP32/ESP8266
- Генератор синусоиды на 555
- Измеритель ёмкости на Arduino при помощи RC контура
- Станция для измерения скорости и направления ветра
- Полнодуплексная радиосвязь
| Контроллер | Вольтаж | Пины | Схема | Комментарий |
|---|---|---|---|---|
Arduino Mega  |
5v | 16A 54D |  |
Самый жирный из ардуин, проблем с подключением не было |
Arduino Uno  |
5v | 6A 14D |  |
Средний вариант, китайская версия требует драйвера |
Arduino Nano  |
5v | 8A 22D |  |
Очень миниатюрный, китайская версия требует драйвера (linux работает и так) |
ESP8266 ESP-01  |
3v3 |  |
Простейшая из варриаций ESP-8266, контроллер с WiFi, может понимать AT-команды, очень легко брикнуть, оживляется при помощи USB-TTL. Для прошивки необходимо знать размер флеш-памяти: если чип pn25f08 – это 1MB. Официальная Wiki, на русском | |
micro:bit  |
 |
Детский контроллер, у китайцев нет, программируется как scratch. пример1 пример2 | ||
Circuit Playground Express  |
 |
Детский контроллер, у китайцев нет, программируется как scratch [https://github.com/adafruit/Adafruit_CircuitPlayground](C++ и Arduino) | ||
Onion Omega2  |
D15 |  |
SoC на базе Linux Embedded Development Environment (Open WRT), много разных dock для подключения, в том числе Arduino | |
Adafruit M4 Express  |
Контроллер от Adafruit в формфакторе Arduino | |||
Sino:bit V1.0  |
Китайская версия mirco:bit отличающаяся большим количеством светодиодов в матрице чтобы отображать иероглифы | |||
Teency LC  |
 |
Teensy-LC features an ARM Cortex-M0+ processor at 48 MHz, 62K Flash, 8K RAM, 12 bit analog input & output, hardware Serial, SPI & I2C, USB, and a total of 27 I/O pins. | ||
STM32  |
 |
Более низкоуровневый контроллер, поддерживающий USB-HID и CAN. Огромное количество вариаций. Использует собственный тулкит STMCube и библиотеку HAL а также FreeRTOS |
Подробный разбор различных режимов энергосбережения. В самом простом режиме SLEEP_MODE_IDLE чип проснется через 1 миллисекунду и его необходимо опять усыпить. Мои замеры представлены для Arduino Nano
| Метод | Потребляемый ток mA |
|---|---|
| Blink | 28.8 <-> 29.2 |
| --- | --- |
| Prescale | |
| 1 | 28.2 |
| 2 | 23.6 |
| 4 | 21.0 |
| 8 | 20.0 |
| 16 | 19.2 |
| 32 | 18.7 |
| 64 | 18.5 |
| 128 | 18.4 |
| 256 | 18.3 |
| --- | --- |
| all_disable() | 26.4 |
| --- | --- |
| power idle | 21.4-21.8 |
| power down + watchdog | 14.8-15.0 |
| --- | --- |
| No regulator | 9.6 - 9.8 |
Для экономии энергии и вычислительных ресурсов можно повесить прерывание на таймер или на изменение сигнала на определенном пине. Отслеживается растущий, падающий, высокий, низкий и изменяющиеся сигналы. На один пин можно повесить только одно прерывание. Этот же механизм позволяет считывать длины сигналов через функцию pulseIn для применения в PWM. Про низкоуровеневую работу с прерываниями на примере STM32 https://eax.me/stm32-interrupts-timers-pwm/
Подробное описание таймеров в чипах Atmega328 и то как выводить тактовые генераторы напрямую на пины.
Некоторые версии arduino имеют встроенную поддержку HID, т.е. при подключении к компьютеру они будут определяться как мышь, клавиатура или джойстик. Для версий которые не поддерживают HID можно спаять переходник из трёх резисторов и двух диодов зенера и использовать библиотеку v-usb. Подробная документация по созданию собственных устройств. Работа на примере STM32
Там же больше статей связанных с питанием.
Среда разработки, адаптированная для IoT и чипов ESP8266 и ESP32. Для прошивки необходимо в момент включения подключать GPIO-0 к GND. Обычный запуск работает и так, резисторы не нужны. 
Среда разработки на базе visual stuidio от atmel.
Программа для прошивки чипов при помощи различных программаторов.
Message Queuing Telemetry Transport. Отрытый протокол очереди сообщений, использующийся для IoT. Есть бесплатные брокер от adafruit.
General Purpose Input-Output цифровой порт ввода-вывода, служит для передачи сообщений между цифровыми устройствами.
Аппаратный интерфейс предназначен для подключения сложных цифровых микросхем или устройств уровня печатной платы к стандартной аппаратуре тестирования и отладки.
Pulse width modulation позволяет уменьшать эффективное напряжение на цифровых выходах arduino amperka
Pulse frequency modulation альтернативный вид модуляции. Используется в преобразователях напряжения.
режим обмена данными между устройствами компьютера или же между устройством и основной памятью, в котором центральный процессор (ЦП) не участвует. Так как данные не пересылаются в ЦП и обратно, скорость передачи увеличивается. Например, получать изображение по SPI и сразу выводить его на дисплей. Процессор при этом останется разгруженным
Universal asynchronous receiver-transmitter вариант universal synchronous and asynchronous receiver-transmitter. Обычный последовательный порт для связи между устройствами. Обязательно необходимо согласовать скорость 300; 600; 1200; 2400; 4800; 9600; 19200; 38400; 57600; 115200; 230400; 460800; 921600. arduino Ардуино может иметь аппаратный порт, а может эмулировать. Во втором случае больших скоростей передачи данных не добиться. Можно купить usb-ttl uart adapter для прошивки устройств.
Transistor-transistor logic. Общее наименование подключения между транзисторами и микросхемами.
CAN BUS Controller Area Network
cтандарт промышленной сети, ориентированный, прежде всего, на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи — последовательный, широковещательный, пакетный. настоящее время широко распространён в промышленной автоматизации, технологиях «умного дома», автомобильной промышленности и многих других областях. Стандарт для автомобильной автоматики. В ардуинах нет встроенной поддержки, работает через шилд или контроллер MCP2515 (см. ниже)
Serial Peripheral Interface шина для подключения устройств. Имеются несколько вариантов подключения в простейшем на каждое устройство выделяется по 1 пину для адресации. амперка arduino
Inter-Integrated Circuit шина для подключения низкоскоростных устройств. 7-битная адресация позволяет подключить к шине до 127 устройств. амперка arduino
Inter-IC Sound стандарт для подключения аудио-устройств. Не путать с I2C. Пример использования
LP (LowPower), LoRa (Long Range), LoRaWAN (Высокоуровневый протокол управления доступом к среде, medium access control, MAC)
Стандарт связи для IoT, который за счет низкой скорости (0.3 kbit/s to 50 kbit/s) позволяет охватывать до 10км. wiki. LoRa проприетарный формат модуляции. Используются нелицензируемые частоты 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz, 915 MHz в зависимости от страны. Для России это 433MHz (до 10мВт) и 864-865/868,7-869,2 MHz (до 25мВт). Эти диапазоны хорошо проникают в условиях городской застройки. Длины волн 70 и 35см позволяют применять компактные антенны. 868 MHz используется для станционарных устройств.
Чипы стандарта LoRa: SX1276 (138 - 1020 MHz), SX1277 (138 - 1020 MHz), SX1277 (138 - 510 MHz). RFM69 другая модуляция. aliexpress. Универсальный модуль 433/470/868/915MHz RHF76-052 SX1276 LoRa Module with Ultra Long Distance для всех частот но стоит $13.
SX1276/77/78/79 <-> RFM95/96/97/98(W)
Пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор в устройствах с обратной связью, чтобы управлять переходными процессами. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе — интеграл сигнала рассогласования, третье — производная сигнала рассогласования. Библиотека для Arduino, Подробное описание алгоритма. Реализация на питоне для использования в Omega2
программируемый контроллер — специальная разновидность электронной вычислительной машины. Чаще всего ПЛК используют для автоматизации технологических процессов. В качестве основного режима работы ПЛК выступает его длительное автономное использование, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, без серьёзного обслуживания и практически без вмешательства человека.
нежелательные фазовые и/или частотные случайные отклонения передаваемого сигнала. Возникают вследствие нестабильности задающего генератора, изменений параметров линии передачи во времени и различной скорости распространения частотных составляющих одного и того же сигнала.
FPGA, ПЛИС, программируемая логическая интегральная схема Field-Programmable Gate Array
полупроводниковое устройство, которое может быть сконфигурировано производителем или разработчиком после изготовления; отсюда название: «программируемая пользователем». ППВМ программируются путём изменения логики работы принципиальной схемы, например, с помощью исходного кода на языке проектирования (типа VHDL), на котором можно описать эту логику работы микросхемы. ППВМ является одной из архитектурных разновидностей программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).
График описывающий циклический переход между различными состояниями системы. Используется наряду с PID-контроллерами.
Самый распространенный диод красного цвета, напряжение 1.85v-2.5v, ток 20mA. Короткая нога - (катод), длинная нога + (анод). Соответственно прямой ток от длинной ноги к короткой. даташит. Рассчитать сопротивление резистора можно по формуле:
R = (VS - VL) / I
VS - напряжение источника питания (В).
VL - напряжение питания светодиода (обычно 2 вольта и 4 вольта для голубых и белых светодиодов).
I - ток светодиода (например 10 мА = 0.01 А или 20 мА = 0.02 А)
Следовательно для 5v (5-2)/0.02 = 150 Ohm. Ближайший стандартный резистор 220 Ohm
Погодный датчик BME280
В отличие от DHT11 обладает гораздо большим диапазоном измерения -40…+85 °C, 0…100 % rel. humidity, 300…1100 hPa. Работает по интерфейсу I2C.
Переключается при помощи реле мгновенно, для подавление негативного эффекта, неоходимо использовать гаситель или компенсатор гидроудара (water hammer arrestor) либо медленно закрывающийся клапан anti-waterhammer valve. Редуктор давления тоже помогает. Как и реле бывает двух видов: normally open NO (для закрытия нужно подать ток) и normally close NC (для открытия нужно подать ток). Очень важно обратить внимание на диаметр резьбы: перед покупкой убедитесь, что в сантехнических магазинах есть необходимые адаптеры (в строительных выбор может быть очень ограничен). Соленоиды в клапанах не предназначены для длительной работы, поэтому необходимо либо отводить тепло, либо использовать короткие циклы работы.
Применяется для ограничения напряжения в цепи. Включается обратно по сравнению с обычным диодом. Описание.
Основное отличие – низкое падение напряжение и высокая скорость переключения, но ценой более высокого обратного тока. Описание
Пара элементов состоящая из излучателя и датчика. Применяется для передачи сигналов, разделения высоковольтной части схемы и управляющей. Вики
Объяснение зачем ставят электролитические и емкостные конденсаторы в параллель.
Используется для управления током. Делятся на биполярные и полевые. Амперка
В биполярных транзисторах выводы: База Base, Эмиттер Emitter, Коллектор Collector. В бп-транзисторах ток базы управляет током от эмиттера к коллектору. Делятся на pnp и npn транзисторы. NPN более эффективны и распространены в промышленности. PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток. PNP транзисторы открываются напряжением отрицательной полярности, NPN - положительной. PNP пропускают ток от эмиттера к коллектору, NPN - наоборот. В NPN транзисторах основные носители заряда - электроны, а в PNP - дырки, которые менее мобильны (мобильность - скорость переноса мощности), соответственно NPN транзисторы быстрее переключаются в общем случае.
В полевых транзисторах выводы: Сток Drain, Исток Source, Затвор Gate. В п-транзисторах напряжение затвора управляет током между истоком и стоком. Полевые транзисторы также называются МОП металл-оксид-полупроводник-транзисторами (MOS FET metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). Изолированность затвора обуславливает высокую производительность и энергоэффективность такого типа транзисторов. Делятся на p-channel и n-channel.
Выбор MOSFET для логического уровня: напряжение затвора должно быть Vgs=5v а не (Vgs=10v), Vds(max) и Ids(max) должны удовлетворять переключаемой нагрузке, сопротивление Rds(on) в Vgs=5v достаточно малое так чтобы рассеиваемая мощность I^2 * Rds(on) была достаточно малой, например >5W.
Биполярные низкочастотные pnp транзисторы: Vcbo BD343 -22V BD346 -32V BD348 -45V
Схема включения. Описание принципов усиления.
По протоколу I2C работают DS1307, PCF8563 или DS3231, у DS1302 самопальный протокол поэтому придется задействовать дополнительны пины.
Не пытался подключить. Есть книга на 200 страниц Beginning Arduino ov7670 Camera Development. При этом есть две версии с Framebuffer и без, та которая с буфером помечена как FIFO и стоит в несколько раз дороже. Отличительной особенностью является микросхема Averlogic AL4228-PBF, которая упрощает работу. Поток данных быстро сохраняется в буфер, потом можно медленно считать. Описание подключения к arduino mini без буфера. Еще одно описание.
Работает на расстоянии 2-400cm. Управляется 4 пинами VCC, GND, Trig, Echo. Библиотека
Ёмкостный сенсор MPR121
Позволяет подключить до 12 площадок и управляется по интерфейсу I2C. Инструкция по подключению
Позволяет 5 пинами (4 цифровой для выбора устройства и 1 АЦП для передачи данных) управлять 16-ю устройствами.
Цифровой Синтезатор AD9833/GY-9833 AD9850 DDS/Direct Digital Synthesizer)
Позволяет генерировать прямоугольный/треугольный/синусоиду сигнал до 25МГц (40МГц для варианта 9850) с точностью до 0.1Гц. Описание
Аналоговвый Синтезатор ADF4351 PLL/Phase Locked Loop
Позволяет генерировать частоты в диапазоне 35-4400МГц
Используется для фильтрации переменного тока. Подробная статья. Low-pass filter фильтр нижних частот, отсекает все частоты ниже среза, аналогично high-pass filter отсекает частоты выше среза.
** TODO **
** TODO **
В схемотехнике третье состояние в дополнение к логическому 0 и 1 – высокоимпедансное. Не путать с тернарной логикой. Позволяет убирать весь выход с элемента, чтобы защитить общую шину. Для того чтобы убрать помехи и шум используются pull-up и pull-down резисторы. wiki
Даташит ТР4056 Описание, пример использования с солнечной батареей. Комментарии по поводу одновременной зарядки нескольких ячеек. Заряжает постоянным током, посепенно повышая напряжение до 4.2v, по достижению 4.2v постепенно понижает ток до наступления отсечки, где-то на 4.18v. Такой профиль заряда называется CC/CV (constant current, constant voltage). Альтернативные контроллеры. Больше информации про контроллеры заряда. Обратите внимание, что есть контроллеры с защитой от разряда (overcharge-discharge/surge protection) в этом случае будет 4 выходных контакта пара на аккумулятор и пара на нагрузку. В идеале на кажду ячейку нужен свой регулятор.
Повышающий конвертер на базе mt3608
В поиске DC-DC step-up Boost Converter. На самой микросхеме преобразователя маркировка F16S. Работает в паре с контроллером заряда. Али Вариантов очень много. Для удобства можно отрезать USB порт и подпаяться напрямую к крайним пинам. Принцип работы – LC цепь, при помощи транзистора с обратной связью в LC-контуре идет накачка конденсатора катушкой индуктивности. Если нужно повысить напряжение – повышается частота, на катушке появляется большее напряжение, если наоборот нужно уменьшить, то частота понижается, соотвветственно уменьшается напряжение на катушке. По сути PFM. Принцип работы
Стабилизатор напряжения (понижающий) Voltage Regulator на базе транзисторов L78XX или Linear Power Regulator
В маркировке XX это целевое напряжение, например L7805CV. Принцип работы PWM. В простейшем подключении лишнее напряжение рассеивается в виде тепла, поэтому транзиторам может понадобиться радиатор (heat sink). В даташите представлено большое количество схем подключения для разных видов регуляции. Одной из зарактеристик является падение напряжния, т.е. минимальная разница напряжений на входе и выходе. Например если падение 2V для 5v стабилизатора, то при подаче 5 вольт, напряжение на выходе упадет на 2 вольта. Часто в схему включают два конденсатора: электролитический большой емкости и 1-2 керамических меньшей. Электролитический – более дешевый и запасает большую емкость, а керамический позволяет фильтровать высокие частоты, с которыми не справляется электролитический. Принцип работы. На тех же принципах строятся линейные регулируемые источники тока Power Supply.
Импульсные регуляторы тока Switched-mode power supply LM2678
Более энергоэффективные на больших разницах напряжения, чем линейные регуляторы просто рассеивающие излишнюю мощность. Принцип работы. Очень много подвидов: buck, boost, buck-boost, cuk, charge pump и др. Используется для защиты транзистора используется диод-шоттки.
Драйвер для двигателей TB6612FNG
Библиотека подключение позволяет управлять двумя двигателями током до 1.2А. Вращая двигатели раздельно CW (ClockWise) и CCW (CounterClockWise), тормозя и останавливая. На всё 7 пинов. Вики с библиотекой.
Драйвер для двигателей L298
Сравнение с предыдущими драйверами
Преобразование идет в несколько этапов: сначала катушками индуктивности напряжение понижается до необходимого, затем через диодный мост выпрямляется, после этого сглаживается при помощи конденсаторов. Принцип работы
4 транзистора и два сумматоров генерируют положительную и отрицательную часть синусоиы Принцип работы
Китайский UART встроенный в дешевые arduino, требует установки драйверов. Смотри FT232RL.
Программатор на базе чипа FT232RL от компании FTDI. USB To TTL Serial, UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)
При помощи этого устройства можно программировать чипы на базе CH340, можно собирать специальную схему, но для ручной прошивки достаточно подключить VCC -> VCC, GND -> GND, TX -> RX, RX -> TX. В Arduino IDE выбрать Programmer ArduinoISP, нажать на RST, в Arduino IDE нажать Upload. Как только появится надпись UploTM1637ading тут же отпустить RST. Более сложная версия подключается через конденсатор DTR-RST, эта версия позволяет автоматически сбрасывать и прошивать.
7-сегментные дисплеи это 8 без точки. Описание. Управляется при помощи 4 пинов CLC, DIO, VCC, GND. Библиотека
Драйвер для матриц 16х24 HT1632C
Работает по интерфейсу SPI и позволяется объединать в цепочку до 8 панелей
Описание AT команд
8 bit, 32 Msps Даташит
8 bit, 100 Msps Даташит
Контролллер для CAN шины. Либа
Американский стандарт диаметров проводов таблица. Еще один документ описывающий провода 10 стандартных цветов ul1007/ul1569. В качестве перемычек на борде удобно использовать одножильные AWG22 (0.643mm/0.325mm2) и AWG24 (0.511mm/0.205mm2). Подойдет также КСПВ 4x0.64 Alarm Security Cable Paritet кабель для системы передач с оболочкой из винила.
Бывают круглы и квадратные для распайки на плате, идут комплектами по 40-пинов
Коннекторы с защелками, могут быть очень тугими. Для обжимки используется crimping tool, можно обжать пассатижами. Идут комлпектами от 2 до 5 пинов. Вики перечисление всех серий.
Коннектор применяется для подключения миниатюрных высокочастотных антенн до 6 GHz. Применяется в поверхностном монтаже. Не предназначен для частого использования: до 30 подключений.
Бывает двух основных видов: простые клещи с пазами для соответствующих диаметров, простой общимкой и болторезом. Зажали и дернули. Не очень удобно для маленьких проводов. И автоматическая которая аккуратно снимает изоляцию без необходимости дергать или тянуть. Может быть регулируемый упорт чтобы снимать изоляцию нужного размера. Так же позволяет снять изоляцию в середине кабеля.
Инструкция от SparkFun
С паяльником в комплекте могут идти сменные жала (soldering iron heads). Моей ошибкой было поставить самое тонкое в итоге паять было неудобно, поставил потолще.
Пинцет с очень тонким кончиком (Anti-static Curved/Straight-Tip Forceps/Tweezers), для пайки очень мелких (например smd) деталей.
Вакуумный пинцет для smd монтажа
Для удобства можно использовать канифоль, растворенную в спирте. Пузырек содержит кисточку.
Флюсы для пайки аллюминия можно использовать только в проветриваемом помещении.
Активные флюсы обязательно необходимо смывать иначе кислота разъест место пайки.
Изопропиловый спирт продается в радиотехнических магазинах
Самый простой и дешевый изолятор – цапон-лак. Растворяется ацетоном.
electrical/insulating tape обычная изолента, цвета используются для кодирования проводов.
