Ардуино для чайников- иллюстрированное практическое руководство

История Ардуино

Основателями компании, которая начала создавать платы Ардуино, являются итальянцы Массимо Банци, Девида Куартиллье, Тома Иго, Джанлука Мартино и Девида Меллиса. Такой была первоначальная команда создателей.

А название они позаимствовали у итальянского бара, который, в свою очередь, был назван в честь короля Италии.
Фрагмент портрета Ардуина из Ивреи. Замок Мазино. Картина пьемонтской школы около 1700 года.

Ардуин был итальянским дворянином, который был королем Италии с 1002 по 1014 год. В 990 году Ардуин стал маркграфом Ивреи, а в 991 году графом Священного дворца Латеранского в Риме.

Стоит также сказать, что для Соединенных Штатов Америки используется другое название — Genuino.

Что такое Ардуино?

Arduino – это инструмент для проектирования электронных устройств (электронный конструктор) более плотно взаимодействующих с окружающей физической средой, чем стандартные персональные компьютеры, которые фактически не выходят за рамки виртуальности. Это платформа, предназначенная для «physical computing» с открытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современной средой для написания программного обеспечения.

Arduino применяется для создания электронных устройств с возможностью приема сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков, которые могут быть подключены к нему, и управления различными исполнительными устройствами. Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно или взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере (напр.: Flash, Processing, MaxMSP). Платы могут быть собраны пользователем самостоятельно или куплены в сборе. Среда разработки программ с открытым исходным текстом доступна для бесплатного скачивания.

Язык программирования Arduino является реализацией Wiring, схожей платформы для «physical computing», основанной на мультимедийной среде программирования Processing.

Почему Arduino?

Существует множество микроконтроллеров и платформ для осуществления «physical computing».  Parallax Basic Stamp, Netmedia’s BX-24, Phidgets, MIT’s Handyboard и многие другие предлагают схожую функциональность. Все эти устройства объединяют разрозненную информацию о программировании и заключают ее в простую в использовании сборку.  Arduino, в свою очередь, тоже упрощает процесс работы с микроконтроллерами, однако имеет ряд преимуществ перед другими устройствами для преподавателей, студентов и любителей:

Низкая стоимость – платы Arduino относительно дешевы по сравнению с другими платформами. Самая недорогая версия модуля Arduino может быть собрана в ручную, а некоторые даже готовые модули стоят меньше 50 долларов.

Кросс-платформенность – программное обеспечение Arduino работает под ОС Windows, Macintosh OSX и Linux. Большинство микроконтроллеров ограничивается ОС Windows.

Простая и понятная среда программирования – среда Arduino подходит как для начинающих пользователей, так и для опытных. Arduino основана на среде программирования Processing, что очень удобно для преподавателей , так как студенты работающие с данной средой будут знакомы и с Arduino.

Программное обеспечение с возможностью расширения и открытым исходным текстом – ПО Arduino выпускается как инструмент, который может быть дополнен опытными пользователями. Язык может дополняться библиотеками C++. Пользователи, желающие понять технические нюансы, имеют возможность перейти на язык AVR C на котором основан C++. Соответственно, имеется возможность добавить код из среды AVR-C в программу Arduino.

Аппаратные средства с возможностью расширения и открытыми принципиальными схемами – микроконтроллеры ATMEGA8 и ATMEGA168 являются основой Arduino.  Схемы модулей выпускаются с лицензией Creative Commons, а значит, опытные инженеры имеют возможность создания собственных версий модулей, расширяя и дополняя их. Даже обычные пользователи могут разработать опытные образцы с целью экономии средств и понимания работы.

Что умеет Ардуино

С технической точки зрения, Ардуино умеет принимать и отправлять сигналы в соответствии с инструкциями в прошивке. Звучит весьма скромно, но на практике это позволяет получать и обрабатывать информацию с сенсоров и передавать команды исполнительным механизмам или другим устройствам. Например: микроконтроллер может получать данные с датчиков температуры, давления, влажности и выводить сводную информацию на дисплей.

Этих возможностей хватает для реализации сложных устройств, таких как беспилотные летательные аппараты, 3D-принтеры, роботизированные манипуляторы, радиоуправляемые машинки, лодки, вездеходы и т. д. Возможности Ардуино ограничены только воображением. Если вам будет не хватать возможностей Ардуино, то существуют более мощные микроконтроллеры такие как Ардуино Мега, NodeMCU, STM32, Wemos, Raspberry Pi, Orange Pi.

Характеристики Arduino Nano

• Микроконтроллер
• Atmel ATmega168 или ATmega328

Рабочее напряжение (логическая уровень)	5 В
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12 В
Входное напряжение (предельное)	6-20 В
Цифровые Входы/Выходы	14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
Аналоговые входы	8
Постоянный ток через вход/выход	40 mAh с одного вывода и 500 mAh со всех выводов
Флеш-память	16 Кб (ATmega168) или 32 Кб (ATmega328) при этом 2 Кб используются для загрузчика
ОЗУ	1 Кб (ATmega168) или 2 Кб (ATmega328)
EEPROM	512 байт (ATmega168) или 1 Кб (ATmega328)
Тактовая частота	16 МГц
Размеры	1.85 см x 4.2 см

В первую очередь в разговоре о характеристиках нужно отметить, что Нано выпускается в различных версиях и самые распространённые:

• Nano v.2;
• Nano v.3.

Главное отличие – в самом микроконтроллере. Младшая версия использует Atmega168, Atmega328. Основные отличия чипов – это объём Flash-памяти:

• mega 328: Flash-память – 32 кб, ПППЗУ – 1024 и ОЗУ – 2 кб;
• mega 168: Flash-память – 16 кб, ПППЗУ – 512 и ОЗУ – 1 кб.

ПППЗУ — это перепрограммируемые запоминающее устройство.

Главный конкурент Arduino Nano по размеру – это Arduino Micro. В целом они похожи, но у «микро» интерфейс SPI разведен на другие пины, как и шина I2C, а также изменено количество выводов прерываний. В целом, платы похожи размерами, но различны соотношения сторон, а также некоторые схемотехнические нюансы.

Arduino Nano имеет 8 аналоговых входов, они могут использоваться как цифровой выход, 14 цифровых из которых 6 могут работать как широтно-импульсный модулятор (ШИМ), еще два задействованы под I2C и 3 под SPI.

В противоположном конце платы от разъёма микро-юсб расположена колодка Arudino ICSP для прошивки микроконтроллера.

ШИМ выходы и транзисторы помогут вам: регулировать обороты двигателя, яркость светодиодов, мощность нагревателей и многое другое. А аналоговые входы позволят читать значения с аналоговых датчиков, таких как:

• фоторезисторы;
• терморезисторы;
• термопары;
• измерители влажности;
• датчики давления и другие.

Выходы Digital 2 и 3 могут быть использованы для внешних прерываний. Это такие сигналы, которые сообщают микроконтроллеру о каком-либо важном событии. По этим сигналам вызывается программа обработки прерывания и выполняются необходимые действия, например, выход из режима энергосбережения и выполнение вычислений.

На базе платы Nano получится отличный миниатюрный программатор Arduino ISP, для прошивки целого ряда контроллеров.

Схема Arduino Nano ISCP

Наконец, надо сказать о подключении программатора. Для программирования контроллеров Atmel, на котором собран модуль Arduino, используется интерфейс ICSP. Для Arduino Nano icsp распиновка выглядит выглядит следующим образом (см. верхнюю часть предыдущего рисунка):

• MISO (ведущий принимает от ведомого);
• +5V (питание);
• SCK (тактовый импульс);
• MOSI (ведущий передает ведомому);
• RESET (сброс);
• GND (земля).

Первый пин 6-контактного разъема имеет в основании форму квадратика и нумеруется по часовой стрелке, если смотреть сверху. Чтобы не возникало сомнений по порядку нумерации выводов коннектора, ниже приводится фрагмент принципиальной схемы платы Ардуино:

Этот разъем подключается к программатору с интерфейсом SPI (интерфейс последовательного программирования контроллеров Atmel). Кроме того, прошивка контроллера может меняться из среды программирования через кабель USB, так что приобретать программатор становится необязательным (он нужен только в том случае, если отсутствует программа загрузчика).

Язык программирования

Язык программирования Ардуино довольно прост в освоении, так как основной целевой аудиторией его применения являются любители. Однако считается одним из самых лучших языков для программирования микроконтроллеров.

Внимание! Для начала работы необходимо установить среду программирования Arduino IDE.

Arduino IDE является бесплатной программой, скачать которую может любой желающий. На нашем сайте вы можете скачать любую подходящую для вас версию среды. Также доступ к скачиванию IDE предоставлен на официальном сайте компании, а при желании, разработчиков можно отблагодарить, сделав денежный перевод.

Программу, написанную на языке программирования Ардуино называют скетчем. Готовые скетчи записываются на плату для их выполнения.

Среда IDE поддерживается такими операционными системами, как Windows, MacOs и Linux. На официальном сайте компании указанно, что данный язык программирования написан на Wiring, но на самом деле его не существует и для написания используется C++ с небольшими изменениями.

Что необходимо для начала работы с Arduino IDE?

Для начала нам потребуются следующие вещи:

• платы Arduino;
• кабель USB;
• компьютер с установленной на него программой Arduino IDE.

Имея этот набор, можно начинать экспериментировать с имеющимися у вас платами, записывая на них ваши первые скетчи.

Как настроить Ардуино на компьютере?

Делается это просто. Необходимо выполнить следующие действия:

• необходимо подключить собранное вами изделие к компьютеру посредством USB кабеля;
• в диспетчере устройств необходимо проверить, к какому порту подключен ваш микроконтроллер. Если он не отображается или написано, что устройство не опознано – значит, вы не правильно установили драйвер или ваша плата нуждается в диагностике;
• следующим шагом будет запуск нашего языка программирования Arduino IDE. В меню необходимо выбрать вкладку инструменты. При ее нажатии откроется список, в котором необходимо выбрать пункт – порт. Там надо выбрать порт, указанный в диспетчере устройств;
• конечным пунктом является выбор платы, которую мы будем использовать для загрузки скетчей.

Важно! При подключении вашей платы к другому USB порту все настройки будет необходимо произвести заново.

Подготовка и бесконечность

В любой про­грам­ме для Arduino есть две прин­ци­пи­аль­ные части: под­го­то­ви­тель­ная часть и основ­ной цикл.

В под­го­то­ви­тель­ной части вы гово­ри­те желе­зу, чего от вас ожи­дать: какие пор­ты настро­ить на вход, какие на выход, что у вас как назы­ва­ет­ся. Напри­мер, если у вас дат­чик под­клю­чён ко вхо­ду 10, а лам­поч­ка к выхо­ду 3, то вы може­те обо­звать эти вхо­ды и выхо­ды как вам удоб­но, а даль­ше в коде обра­щать­ся не к деся­то­му вхо­ду и тре­тье­му выхо­ду, а по-человечески: к дат­чи­ку или лам­поч­ке. Вся часть с под­го­тов­кой выпол­ня­ет­ся один раз при стар­те кон­трол­ле­ра. Кон­трол­лер всё запо­ми­на­ет и пере­хо­дит в основ­ной цикл.

Основ­ной цикл — это то, что про­ис­хо­дит в функ­ции loop(). Арду­и­но берёт отту­да коман­ды и выпол­ня­ет их под­ряд. Как толь­ко коман­ды закон­чи­лись, он воз­вра­ща­ет­ся в нача­ло цик­ла и повто­ря­ет всё. И так до бесконечности.

В основ­ном цик­ле мы опи­сы­ва­ем все полез­ные вещи, кото­рые дол­жен делать кон­трол­лер: счи­ты­вать дан­ные, мигать лам­па­ми, включать-выключать мото­ры, кор­мить кота и т. д.

Что можно и чего нельзя

Арду­и­но рабо­та­ет на одно­ядер­ном и не шиб­ко шуст­ром про­цес­со­ре. Его так­то­вая часто­та — 16 мега­герц, то есть 16 мил­ли­о­нов про­цес­сор­ных опе­ра­ций в секун­ду. Это не очень быст­ро, плюс ядро толь­ко одно, и оно испол­ня­ет одну коман­ду за другой.

Вот какие огра­ни­че­ния это на нас накладывает.

Нет насто­я­щей мно­го­за­дач­но­сти. Мож­но симу­ли­ро­вать мно­го­за­дач­ность с помо­щью при­ё­ма Protothreading, но это ско­рее костыль. Нель­зя, напри­мер, ска­зать: «Когда нажмёт­ся такая-то кноп­ка — сде­лай так». Вме­сто это­го при­дёт­ся в основ­ном цик­ле писать про­вер­ку: «А эта кноп­ка нажа­та? Если да, то…»

Нет поня­тия фай­лов (без допол­ни­тель­ных при­мо­чек, биб­лио­тек и желе­за). На кон­трол­лер нель­зя ниче­го сохра­нить, кро­ме управ­ля­ю­щей им про­грам­мы. К сча­стью, есть пла­ты рас­ши­ре­ния, кото­рые поз­во­ля­ют немнож­ко рабо­тать с фай­ла­ми на SD-карточках.

Ана­ло­гич­но с сетью: без допол­ни­тель­ных плат и биб­лио­тек Арду­и­но не может ни с чем общать­ся (кро­ме как включать-выключать элек­три­че­ство на сво­их выходах).

Полег­че со слож­ной мате­ма­ти­кой: если вам нуж­но что-то слож­ное типа три­го­но­мет­ри­че­ских функ­ций, будь­те гото­вы к тому, что Арду­и­но будет счи­тать их доволь­но мед­лен­но. Для вас это одна строч­ка кода, а для Арду­и­но это тыся­чи опе­ра­ций под капо­том. Пощадите.

Если серьёз­но, то перед зали­вом про­грам­мы на кон­трол­лер ком­пи­ля­тор про­ве­рит код и най­дёт в нём опе­чат­ки или про­бле­мы с типа­ми дан­ных. Но на этом всё: если у вас слу­чай­но полу­чи­лась бес­ко­неч­ная пет­ля в коде или при каких-то обсто­я­тель­ствах вы пове­си­те про­цес­сор деле­ни­ем на ноль — жми­те пере­за­груз­ку и исправ­ляй­те код.

Плюсы Ардуино

Самый главный плюс плат Arduino для начинающих, как я уже упомянул выше, — это то, что нам не нужно использовать паяльник и не нужно ничего паять.

На платах Ардуино сделаны удобные контакты, которые можно соединять удобными перемычками с любыми сторонними модулями, дисплеями, сенсорами и многим другим.
Пример сборки устройства с помощью перемычек

Кроме того, чтобы плата заработала всего лишь достаточно подключить её к компьютеру через USB.

Дополнительные плюсы я перечислю ниже, но не пугайтесь, если какие-то термины вы не поймете, со временем вы с ними разберетесь:

1. Плата обладает встроенным программатором (не нужен компилятор);
2. Использование языка программирования близкого к C/C++, что делает её простой в использовании и изучении;
3. Наличие множества библиотек для модулей, сенсоров, дисплеев и т.п., доступных для свободного использования;
4. Для сбора устройства не требуется пайка, компоненты соединяются при помощи специальной макетной платы, перемычек и проводов;
5. Возможность автономной работы, т.е. использование батареек или аккумуляторов;
6. Наличие версии для работы с популярной мобильной операционной системой Android;
7. Огромное количество различных модулей, сенсоров, дисплеев, датчиков и т.п..
8. Наличие большого количества плат расширения — shields или «шилды».

Есть еще один очень существенный плюс Arduino — просто невероятно огромное сообщество любителей этих плат и любителей посоздавать различные устройства на ее основе своими руками.

Также замечу, что можно создать устройство как стационарным, так и автономным или переносным.

Наличие портативных аккумуляторов и беспроводных источников передачи данных способствуют созданию ряда интересных проектов.

Официальный сайт Ардуино

Изначально команда преподавателей, разработавших ардуино, открыли сайт arduino.cc. Но из-за разногласий, в коллективе произошел раскол в 2008 году. Отделившаяся часть создала другой сайт arduino.org. Это повлекло путаницу, из-за одинаковых названий для разных Ардуинок, программ и прошивок.

Только в 2017 году конфликт разрешился полностью. Так остался только один официальный сайт arduino.cc.

Официальный сайт Arduino на русском

Arduino — полностью открытая платформа. Разработчиком и производителем может стать абсолютно любой человек. А значит официальных сайтов существует не мало.

Базовые проектына Arduino

Простая сборка и легкие программы для начинающих. Данные проекты очень легко освоить и трудно ошибиться, легко модернизировать под индивидуальные задачи.

• Проект 1. Метеостанция (температура, давление, влажность)
• Проект 2. Кухонный таймер
• Проект 3. Автоматический полив растений
• Проект 4. Детектор протечек воды
• Проект 5. Детектор дыма
• Проект 6. Детектор шума
• Проект 7. Сигнализация
• Проект 8. Автоматическая кормушка для рыбок
• Проект 9. Климат-контроль на рабочем месте
• Проект 10. Сейф (кодовый замок)
• Проект 11. Часы
• Проект 12. Часы Фишера (шахматные часы)
• Проект 13. Автоматическое управление светом
• Проект 14. Автоматическое управление светом в аквариуме
• Проект 15. Игра «Simon» говорит

Самый простой проект для начинающих

Рассмотрим несколько простых и интересных проектов Ардуино uno, которые под силу сделать даже новичкам в этом деле — система сигнализации.

Мы уже делали урок по этому проекту — Датчик движения с Arduino, HC-SR04 и светодиодом (LED). Вкратце о то, что делается и как.

В этом проекте используется датчик движения для обнаружения движений и излучений высокого тона, а также визуальный дисплей, состоящий из мигающих светодиодных индикаторов. Сам проект познакомит вас с несколькими дополнениями, которые входят в комплект для начинающих Arduino, а также нюансами использования NewPing.

Он является библиотекой Arduino, которая помогает вам контролировать и тестировать ваш датчик расстояния сонара. Хотя это не совсем целая защита дома, она предлагает идеальное решение для защиты небольших помещений, таких как спальни и ванные комнаты.

Для этого проекта вам понадобятся:

1. Ультразвуковой датчик «пинг» – HC-SR04.
2. Пьезо-зуммер.
3. Светодиодная лента.
4. Автомобильное освещение посредством ленты RGB. В этом руководстве по проекту Arduino вы узнаете, как сделать внутреннее освещение автомобиля RGB, используя плату Arduino uno.

Многим автолюбителям нравится добавлять дополнительные огни или модернизировать внутренние лампочки до светодиодов, однако на платформе Arduino вы можете наслаждаться большим контролем и детализацией, управляя мощными светодиодами и световыми полосками.

Вы можете изменить цвет освещения с помощью устройства Android (телефон или планшет) с помощью приложения «Bluetooth RGB Controller» (Dev Next Prototypes), которое вы можете бесплатно загрузить с Android Play Store. Также вы можете найти схему электронной EasyEDA или заказать свою собственную схему на основе Arduino на печатной плате.

Особенности программирования плат Arduino

Именно язык, на котором базируется система, и является главной особенностью Ардуино программирования.

Ведь при том, что сама плата и работа с ней достаточно просты, с низким порогом вхождения, чтобы освоить низкоуровневый язык программирования и в совершенстве владеть им, потребуется несколько лет.

У программирования на Ардуино имеются как свои достоинства, так и недостатки, и вам стоит изучить обе стороны вопроса, чтобы понимать, с чем вы имеете дело и чего ожидать от микроконтроллера в принципе, во время работы с ним. Среди достоинств Ардуино, пользователи отмечают:

1. Низкий порог вхождения. Этот пункт будет и в недостатках, так как из-за простоты системы и отсутствия требований к базису по программированию в сети гуляет множество библиотек, написанных ужасным образом. На то, чтобы разобраться, как они работают, уйдёт больше времени, чем на создание своей собственной. А стандартных функций от разработчиков не хватает для серьёзных задач.
2. Обширное комьюнити. Это главное достоинство Ардуино перед его конкурентами, ведь вы найдёте пользователей, занимающихся созданием проектов на нём, как русскоязычных, так и англоязычных. Но если вы хотите получать действительно ценные советы и погрузиться в работу комьюнити, следует всё же изучить английский язык. Так как большая часть проблем, что вам встретятся, уже давно решены в Гугле, но, зачастую, ответы на английском.
3. Большое количество библиотек, под разные случаи. Но, как уже описано чуть выше, у этого есть и свои недостатки.

Имеется у программирования на Ардуино и ряд весомых минусов:

1. Низкая планка для вхождения превращает большую часть библиотек, коими наполнена сеть, в полностью бесполезный мусор. Ведь какие-то из них работают просто медленно и написаны без каких-либо знаний основ алгоритмизации, а часть – вовсе не работает, и непонятно, зачем авторы их создавали. Чтобы найти подспорье под конкретный проект, необходимо перелопатить несколько англоязычных форумов или же самостоятельно создать функции с нуля.
2. Сложности программирования на С++. На деле – это один из сложнейших языков мультипарадигмального программирования, для создания прошивок и низкоуровневых задач. Однако, если вы имели опыт работы с ним и знаете хотя бы основные алгоритмы, а также работали хоть с одним другим мультипарадигмальным ЯП, тем более используя объектно-ориентированное программирование, вам будет значительно проще освоиться.
3. Низкая скорость отклика самих чипов и их слабые характеристики. Да, микроконтроллеры Ардуино можно подстраивать под конкретную задачу, докупать компоненты и датчики, но это играет с ними злую шутку. Так как разработчики не знают, для чего будут использовать их детище, они усредняют все показатели, чтобы значительно уменьшить стоимость конечного продукта. В результате люди, создающие простейшие поделки, переплачивают за ненужную мощность, а тем, кто занимается робототехникой или автоматизацией каких-то процессов, приходится докупать и паять множество дополнительных плат.

Как вы можете заметить, Ардуино имеет множество нюансов, и не столь дружелюбна для новичков, как выглядит на первый взгляд. С другой стороны, если вы имеете малейший опыт работы с языками программирования, вам будет куда проще освоиться.

Самые простые проекты с использованием Arduino

Примеров простых проектов с Ардуино множество, например, вы можете:

1. Создать датчик освещённости, который будет подстраивать специальные LED лампы под ту яркость, которая необходима в комнате.
2. Автоматизация любых вещей в вашем доме. Например, включения-выключения света, открытия дверей и прочее.
3. Автоматизация оранжереи.

Хотя это и звучит достаточно страшно, на большую часть этих проектов, благодаря обилию информации по ним в интернете, вы не потратите много времени и сил.

Российские наборы Ардуино

Рынок наборов и конструкторов для образовательной робототехники на платформе Ардуино достаточно обширен и представлен в широком разнообразии готовыми комплектами как отечественных, так и зарубежных производителей.

Arduino – это универсальный электронный конструктор. Он позволяет, благодаря удобной платформе, разрабатывать и создавать электронные устройства на основе работы микроконтроллеров, имеет открытую архитектуру и не требует знания сложного языка программирования.

На основе Ардуино можно собрать самые разнообразные электронные приборы и устройства, а некоторые производители предлагают уже готовые решения, укомплектованные определенными модулями для решения конкретных задач.