Arduino что это и как это работает

Эта вводная статья для тех, кто уже успел распаковать со своим ребенком десяток-другой цветных коробок от конструкторов, построил сотни разнообразных конструкций и заполнил деталями от Лего все доступные емкости в чулане. Если вы готовы перейти на следующий уровень: с электроникой, микроконтроллерами, датчиками и умными устройствами – значит, пришло время для экспериментов с Ардуино!

В этой серии статей мы соберем самое главное, что нужно узнать об Ардуино, чтобы начать заниматься с детьми самостоятельно. Даже если вы никогда не брали в руки паяльник и слова «контроллер» и «контроллёр» для вас имеют примерно схожий смысл, можете быть уверенными – у вас все равно все получится! Мир электроники и робототехники сегодня полон простых и очень удобных решений, позволяющих практически с нуля создавать очень интересные проекты. Наш учебник поможет вам быстро сориентироваться и сделать первые шаги.

Начало работы с Ардуино

Говоря бытовым языком, Ардуино – это электронная плата, в которую можно воткнуть множество разных устройств и заставить их работать вместе с помощью программы, написанной на языке Ардуино в специальной среде программирования.

Чаще всего плата выглядит вот так:

На рисунке показана одна из плат Ардуино – Arduino Uno. Мы изучим ее подробнее на следующих уроках.

В плату можно втыкать провода и подключать множество разных элементов. Чаще всего, для соединения используется макетная плата для монтажа без пайки. Можно добавлять светодиоды, датчики, кнопки, двигатели, модули связи, реле и создавать сотни вариантов интересных проектов умных устройств. Плата Ардуино – это умная розетка, которая будет включать и выключать все присоединенное в зависимости от того, как ее запрограммировали.

Вся работа над проектом разбивается на следующие этапы:

1. Придумываем идею и проектируем.
2. Собираем электрическую схему. Тут нам пригодится макетная плата, упрощающая монтаж элементов. Безусловно, понадобятся навыки работы с электронными приборами и умение пользоваться мультиметром.
3. Подключаем плату Arduino к компьютеру через USB.
4. Пишем программу и записываем ее в плату буквально нажатием одной кнопки на экране в специальной среде программирования Arduino.
5. Отсоединяем от компьютера. Теперь устройство будет работать автономно – при включении питания оно будет управляться той программой, которую мы в него записали.

Программа и среда программирования выглядят вот так:

На экране показана программа (на сленге ардуинщиков текст программы называется “скетч”), которая будет мигать лампочкой, подсоединенной к 13 входу на плате Ардуино UNO. Как видим, программа вполне проста и состоит из понятных для знающих английский язык инструкций. В языке программирования Arduino используется свой диалект языка C++, но все возможности C++ поддерживаются.

Есть и другой вариант написания кода – визуальный редактор. Тут не нужно ничего писать – можно просто перемещать блоки и складывать из них нужный алгоритм. Программа загрузится в подключенную плату одним нажатием кнопки мыши!

Визуальную среду рекомендуется использовать школьникам младших классов, более старшим инженерам лучше сразу изучать “настоящий” Ардуино – это довольно просто, к тому же знания C++ никому не повредят.

В целом все выглядит довольно понятно, не так ли? Осталось разобраться в деталях.

Быстрый старт с Arduino

Для начала давайте поймем, с чем же и чем же мы собираемся заниматься. Что такое Ардуино и как его использовать? Если вы уже знакомы с темой – можете смело перескочить дальше. Если нет – давайте вместе выполним короткое погружение.

Ардуино – это…

Ардуино – это не бренд и не название поставщика конструкторов. Это общее название для целого семейства различных технологий и открытой платформы, в которую входят как аппаратные устройства (платы контроллеров и совместимое оборудование), так и софт, предназначенный для управления железками. По сути своей, Ардуино – это инфраструктура и среда, в которой можно собирать совместимые между собой электронные и механические компоненты в единое устройство, а потом через обычный компьютер за две минуты запрограммировать поведение этих самых железок так, как нам нужно.

Ардуино – это мостик из виртуального компьютерного мира в мир реальных вещей и устройств. Написав программу на обычном компьютере, мы управляем с ее помощью не виртуальными объектами, а вполне себе реальными датчиками, двигателями, экранами. Мы меняем мир вокруг себя – просто программируя на компьютере, используя бесплатный софт и множество уже готовых примеров библиотек.

Создателем Ардуино принято считать преподавателя института IDII итальянского города Ивреи Массимо Банци, который пытался создать удобную платформу для обучения студентов программированию. Выбрав уже готовый микроконтроллер ATMEGA, он просто добавил на плату необходимую для удобной работы обвязку. Собравшаяся затем великолепная команда из инженеров-электронщиков и разработчиков софта смогла создать продукт, который оказался крайне востребован рынком и быстро завоевал популярность. Более подробно об Ардуино можно почитать здесь и здесь.

Свое название технология получила, как это часто бывает, довольно случайно. Источником вдохновения послужил бар, в котором будущие создатели Ардуино любили выпить по кружечке чая. Называлось заведение именно так – Arduino, по имени главной исторической личности города Ивреа, короля Ардуино. Король какого-то яркого следа в истории не оставил и прослыл неудачником, но благодаря команде разработчиков новой платформы обрел новую популярность и сейчас известен миллионам людей по всему земному шару.

Почему Ардуино?

Вся прелесть Ардуино заключается в следующих простых преимуществах:

1. Простота. Да, да – именно простота (хотя Лего и другие игрушки, без сомнения, привычнее, но мы сравниваем не с ними). Для юных разработчиков электроники Ардуино «прячет» огромное количество разнообразных технических вопросов. Многие достаточно сложные проекты можно создавать очень быстро, без длительного погружения в детали. А это ведь очень важно для ребенка – не утратить интерес до первого полученного своими руками результата.
2. Популярность. Ардуино крайне популярна, вы сможете без труда найти ответы на любые вопросы на многочисленных форумах или сайтах. Сообщество Ардуино обширно и дружелюбно – там относительно мало прожженных жизнью снобов-инженеров и полно любителей и начинающих, с удовольствием делящихся своей радостью от найденного и узнанного. Это, конечно, откладывает отпечаток на качество советов, но как правило, даже самые сложные вопросы могут быть быстро решены с помощью форумов и сайтов.
3. Доступность. И сама технология, и практически весь софт выпускаются под открытыми лицензиями и вы можете свободно использовать чужие наработки, библиотеки, схемы, причем во многих случаях даже для коммерческого использования. Это экономит много времени и позволяет двигаться большими шагами, опираясь на опыт предыдущих исследователей.
4. Дешевизна. Комплект для первых занятий электроникой и программированием можно купить менее чем за 500 рублей. Полноценные курсы робототехники возможны при покупке оборудования на 3-5 тысяч рублей. Никакая другая технология не позволит вам так быстро и так эффективно войти в мир реальной учебной робототехники.

С чего начать?

Если вы хотите заниматься робототехникой с использованием Ардуино, то вам понадобится такой вот джентельменский набор:

1. Плата Ардуино с USB кабелем для подключения к компьютеру.
2. Макетная монтажная плата и провода.
3. Комплект базовых электронных компонентов и переходник для батарейки типа крона.
4. Установленная на компьютер среда программирования Arduino IDE

В дальнейшем, если занятия действительно увлекут и будет желание продолжить эксперименты, то список оборудования будет расширяться:

1. Датчики
2. Экраны и индикаторы.
3. Двигатели и сервоприводы, реле и драйверы двигателей.
4. Модули связи.
5. Разнообразные дополнительные модули и платы расширения (шилды)

Если первые шаги дадут результат, со временем вы будете узнавать половину людей, стоящих в очереди на почте (если до сих пор вы их еще не знаете), а почтальоны при встрече будут узнавать вас в лицо и нервно перебегать на другую сторону дороги.

Как купить Ардуино?

Прежде чем узнать что-то полезное, надо сначала купить что-то полезное. Для экспериментов с электроникой вам понадобится та сама электроника в виде конструктора или отдельных плат. Рекомендуется купить не очень дорогой отечественный набор с основными компонентами и затем уже заказать себе с Алиэкспресса датчики, двигатели, контроллеры и другие сокровища.

Вот несколько наиболее интересных и привлекательных по цене вариантов для покупки платы и наборов для первых уроков:

Если вы все-таки захотите купить плату Arduino отдельно, то вот несколько интересных ссылок:

Полезные советы по выбору платы можно найти в инернете (не только на нашем сайте). Если вы живете в большом городе, то покупка всего необходимого займет максимум два дня. Найти нужный магазин легко в интернете. Ну и еще один совет. Вы можете самостоятельно найти подходящие варианты на алиэкспрессе – ищите их по словам «starter kit».

Как отличить оригинал от подделки?

Пару слов о платах Arduino. Сегодня их на совершенно легальных условиях может делать любой производитель: как крупный, такой как Intel, так и мелкие noname поставщики из Китая. Надежность и удобство «китайских» и «официальных» платы Ардуино в большинстве случаев одинаковые. Поэтому незачем переплачивать – для своих учебных проектов можете смело покупать аналоги, которые легко найти в интернете.

Как отличить «оригинал» от «совместимой платы»:

1. «Китайские» платы не имеют права ставить логотип Ардуино.
2. «Китайские» платы стоят гораздо дешевле.
3. «Китайские» часто используют другой чип для обслуживания соединения с компьютером, на который нужны специальные драйвера. Драйвера устанавливаются за секунду и практически никогда не вызывают каких-либо проблем.

Еще раз подчеркнем, использование не оригинальных плат совершенно легально. Ардуино – открытая архитектура и разработчики дают возможность собрать свою версию платы всем желающим.

Нет возможности купить?

Если вы живете в Антарктиде или у вас действительно не хватает средств даже на самые простые наборы, то не отчаивайтесь – можно начать изучение Ардуино на виртуальных тренажерах. Самый мощный, простой и популярный сегодня вариант – это онлайн сервис Tinkercad от известной компании Autodesk. Вы сможете создавать электронные схемы, подключая множество разнообразных компонентов, а затем «включать» питание и измерять все электрические показатели. В библиотеке устройств есть и плата Ардуино, и даже встроенный редактор для программирования (включая визуальный!). Вы можете найти на нашем сайте отдельную статью с подробной информацией о Tinkercad.

Подводим итоги урока

В этой короткой начальной статье мы с вами узнали, что такое Ардуино, почему эту технологию называют именно так, как выглядят типичные проекты с использованием контроллеров Arduino. Начать создавать интересные технические проекты очень просто – для этого не обязательно быть электронщиком. Просто возьмите плату ардуино, соберите с ее помощью нужную электронную схему (можно найти много готовых примеров в интернете), подключите контроллер к компьютеру и загрузите программу. Умное устройство готово!

В следующих уроках мы с вами узнаем, как работает контроллер, разберем устройство платы Arduino Uno и запустим свой первый проект.

Полезные ссылки на учебники и сайты по Ардуино

Официальные сайты ардуино:

Отличные сайты с большим объемом полезной информации

И естественно, море полезной информации на Хабрхабре.

Arduino — это семейство программируемых микроконтроллеров для легкого создания средств автоматики и робототехники. Звучит сложно, но на деле это не так. Для использования ардуино не нужно иметь специализированное оборудование (кроме самого микроконтроллера). Так же нет необходимости в профильном образовании по электротехнике или программированию. Даже новичок сможет разобраться и собрать своего робота, 3D-принтер или систему умного дома.

Ардуино имеет полностью открытую архитектуру. Это значит, что любой может производить данные микроконтроллеры, а также создавать новые на основе уже существующих разновидностей. Поэтому есть множество производителей во многих странах мира. Первые представители семейства этих микроконтроллеров были разработаны в Италии. Позже производство появилось и в Китае, что сделало Arduino более дешевым и распространенным. Более подробно об ардуино и истории создания вы можете почитать на википедии.

Ардуино — это электронный конструктор, который позволяет любому человеку создавать разнообразные электро-механические устройства. Для того что бы начать нужен только сам микроконтроллер и компьютер с USB портом. Компьютер есть практически у всех, а микроконтроллер можно купить по цене от 100 рублей. Конечно, что бы создать действительно сложное и функциональное устройство потребуются дополнительные детали такие как: моторчики, разнообразные датчики, провода, кнопки, светодиоды, регуляторы и тому подобные. К счастью стоит это все дешево, а так же детали можно найти в ненужных или сломанных устройствах.

Платы Arduino

Почему Arduino становится такой популярной

Совсем недавно еще никто не слышал об Ардуино. И до сих пор многих отпугивают слова: программируемый микроконтроллер, одноплатный компьютер, система для разработки устройств автоматизации. На деле все гораздо проще. Именно благодаря простоте и дешевизне Ардуино получила такую популярность. Существуют и другие проекты со схожими целями. Но ардуино обладает рядом преимуществ:

1. Низкая стоимость. Ардуино можно купить всего за 2$
2. Кроссплатформенность. Программное обеспечение ардуино очень универсально. Есть версии для большинства операционных систем.
3. Arduino IDE. Это очень простая в освоении и удобная в использовании среда разработки. Она устанавливается и настраивается всего за несколько кликов мышкой.
4. Открытый исходный код. Это позволяет людям создавать свои собственные функции и библиотеки. В интернете огромное количество готовых программных решений для любых целей. Вам не придется самостоятельно разбираться в принципах действия модулей. Вы можете скачать и установить готовую библиотеку, написанную для конкретного модуля, и использовать ее.

Аппаратная часть Arduino

Существует множество версий этого микроконтроллера. Они отличаются друг от друга размерами, фирмой производителем, частотой процессора, количеством встроенной памяти, количеством контактов вывода/ввода. Так например есть самая популярная ардуинка — Arduino UNO.

Она подходит практически для всех целей, в том числе и для освоения микроконтроллеров. Есть более мощная версия Arduino MEGA, обладающая большей тактовой частотой процессора, увеличенной памятью, бОльшим количеством контактов и более внушительным размером.

Есть и более маленькие версии такие как Arduino Mini и Arduino Pro.

Описание самых популярных плат вы найдете на странице «Платы»

Что можно подключить к Arduino

К пинам микроконтроллера можно подключать огромное количество разнообразных устройств и датчиков. Ардуино умеет считывать значения датчиков, обрабатывать их и управлять механизмами в соответствии с установленной прошивкой. Например: можно подключить датчик света и реле. Когда освещение в помещении становится ниже заданного уровня ардуино открывает реле. Это самый простой пример использования. Ниже не полный перечень устройств и датчиков, которые можно подключить:

Переферийные устройства

• Кнопки, переключатели, сенсорные панели
• Светодиоды
• Динамики и микрофоны
• Коллекторные, безколлекторные и шаговые электродвигатели
• Сервоприводы
• ЖК и LCD дисплеи.
• Устройства считывающие радиометки RF > Датчики для Arduino

Программная часть Arduino

Программируются микроконтроллеры на упрощенной версии языка C++ с дополнительными функциями обработки ввода и вывода для легкого и удобного использования ардуино. Так же у arduino есть своя среда разработки Arduino IDE. Подробно о том как установить, настроить и использовать эту программу изложено в статье Arduino IDE. Список необходимых функций и описание их использования вы найдете на странице программирование.

Arduino это сложно?

Вовсе нет! Ардуино становится очень популярна, благодаря простоте и дешевизне. Вы легко найдете множество уроков, советов и примеров по работе с этим микроконтроллером. Разобраться в основах можно всего за пару часов. Любой может сделать собственного робота или другое устройство независимо от подготовки. Платформа предоставляет практически безграничные возможности. Есть примеры удивительных, красивых, забавных и полезных устройств, созданных с помощью Arduino.

Всем привет! Сегодняшняя статья будет посвящена Arduino. В двух словах – это семейство электронных конструкторов, предназначенных для создания простых систем автоматики. Каждый из них состоит из печатной платы с микроконтроллером и из периферийных блоков – всевозможных датчиков, индикаторов, шаговых моторов и всего остального. А теперь обо всем по порядку.

Что такое Ардуино – давайте рассмотрим поближе

Несмотря на то, что в Ардуино имеется микроконтроллер, он рассчитан на непрофессиональных пользователей. Это позволяет освоить его и взрослым, далеким от основ электроники, и детям школьного возраста. У оболочки для программирования достаточно низкий порог вхождения. Программирование очень простое и интуитивно понятное. Оно не требуют каких-то особых знаний, не предполагает вникание в работу регистров микропроцессора и в прочую «черную магию».

Но при всей простоте Arduino богатый набор его периферии позволяет построить на нем достаточно интересные решения, которые можно использовать в робототехнике, всевозможных штуковинах системы «умный дом», да и просто для развлечения.

Где можно применить Arduino

Помимо простоты использования есть еще один важный момент. Комплектующие Arduino стоят очень дешево, поэтому конструктор стал достаточно популярным. Он часто используется в клубах юных техников для занятий с детьми, для проведения студенческих лабораторных работ. А для многих вполне зрелых и состоявшихся людей программирование Arduino стало хобби.

Из-за этой массовости в сети появилось большое количество уроков и подробно описанных примеров, поэтому любой желающий, только получив в руки плату, может сразу же начать с ней работу и получить видимый результат. Для детей Ардуино это очень важно. Они видят, что у них все получается, что на их действие сразу же есть реакция. Можно просто включить-выключить светодиод, можно сделать это в определенной последовательности, можно что-нибудь написать или изобразить на дисплее.

Практически мгновенный результат приводит в восторг, поэтому занятия с Arduino быстро становятся не просто приятным времяпровождением, а полноценным хобби, которое развивает интерес к электронике. Кто знает, но дальнейшем такое хобби вполне может превратиться в интересную работу.

Весь рабочий софт можно скачать на официальном сайте Arduino. Там же можно воспользоваться онлайн-компилятором . Там же можно найти и готовые скетчи для программирования комплектующих.

Комплектов Arduino достаточно много. Это и оригинальные конструкторы Arduino, и совместимые с семейством китайские клоны. Все они различного размера, комплектации и, соответственно, возможностей. Рассмотрим некоторые из них. Кстати, по качеству не уступает оригиналам.

Комплект для начинающих Arduino UNO R3

Если нужно все и сразу, но без излишеств, то, наверное, это самый подходящий вариант. В набор входит плата с микроконтроллером, макетная плата типа Breadboard с комплектом проводов, позволяющая производить соединения без пайки, 4-разрядный семисегментный индикатор, LCD-дисплей, кнопочная панель, матрица светодиодов 8×8 элементов, джойстик, сервопривод с драйвером, реле, ИК-пульт и комплект светодиодов, кнопок, конденсаторов и резисторов россыпью.

Также в набор входят отдельные платки с датчиками:

• звука;
• уровня воды;
• температуры и влажности;
• RFID-считыватель c RFID-метками в виде ключа-таблетки и карточки;
• цифровой часовой модуль.

Комплект позволяет поочередно освоить работу микропроцессора, его взаимодействие с индикаторами и с датчиками. Позволяет на своей основе построить такие интересные проекты, как дубликатор ключей от домофона, систему управления освещением, сделать игрушечный светофор или анимированную рекламную доску, организовать систему полива комнатных растений и многое другое.

Продвинутый набор Arduino UNO R3

Этот комплект отличается от предыдущего наличием дополнительных модулей расширения. Среди них ультразвуковой датчик расстояния, электронный гироскоп, электродвигатель постоянного тока вместе с микросхемой-драйвером, шаговый мотор и дополнительная макетная плата. Эти датчики могут оказаться полезными в качестве дополнения при управлении простыми роботами.

Еще одной особенностью этого набора является наличие большего числа «рассыпухи». Например, в комплекте можно найти сотню резисторов различных номиналов от 10 Ом до 1 МОм, диоды, пять видов транзисторов и несколько конденсаторов различных номиналов. Это дополнение предназначено для использования уже опытными людьми, освоившими базовые навыки построения электронных модулей и умеющих читать принципиальные схемы.

Обучающий набор Arduino для детей и взрослых

Комплект-конкурент предыдущему набору. Внешний вид платы контроллера и плат датчиков несколько отличается, но их функциональность остается идентичной. Число составных элементов несколько большее. Например, имеется даже держатель для пальчиковых батареек.

Также имеются дополнительные датчики:

• датчик влажности почвы;
• газовый датчик;
• пироэлектрический датчик, реагирующий на движение.

Дополнительные датчики позволяют построить с помощью конструктора некое подобие охранной сигнализации и продемонстрировать ее работу. На прилагающемся диске имеется руководство пользователя на английском языке и примеры проектов.

Оригинальный Arduino UNO R3

Это даже не набор, а просто одна плата UNO R3 с микроконтроллером, плюс USB-кабель и коробочка. Плата та же самая, какая использовалась в описанных выше комплектах.

Ее приобретение будет логичным, если в дополнительных датчиках и элементах россыпью необходимости нет. Например, если используются детали от других наборов, причем не обязательно Arduino. Или если предполагается использовать платку в составе какой-то отдельной штуки со своей периферией. В общем, если нужен отдельно контроллер, то такая возможность тоже есть.

Самый дешёвый Arduino Nano

В случае, когда плата Ардуино UNO R3 избыточна, например, если не нужны лишние светодиоды, и элементы питания, или, если плата с контроллером должна быть меньших размеров, то решением может быть плата Nano. В отличие от UNO размером 69×54 мм, Nano занимает площадь всего в 19×42 мм. Кстати, стоит она тоже примерно в два-три раза дешевле.

Нюансом является то, что у используемого на плате Nano микропроцессора вдвое меньший объем флеш-памяти и оперативной памяти по сравнению с микропроцессором на UNO R3. Хотя, для большинства проектов, особенно, если это касается проектов начинающих, это не важно. Также в комплект не входит USB-кабель.

Комплект проводов

Опытные пользователи могут обратить внимание, что для реализации нескольких проектов одновременно на одной плате имеющихся в базовых наборов проводников может не хватать. Особенно это касается длинных проводов.

Но, что называется, трагедии нет – провода вполне достаются отдельно, причем именно те, которые нужны. Например, в этот набор на выбор можно скомплектовать проводники длинной 10 см, 20 см или 30 см. Доступны провода со штыревым и с гнездовым соединениями.

Сервоприводы

В базовые наборы Arduino входит по одному сервоприводу. Если одной штуки оказывается недостаточно, то недостающие гаджеты вполне можно скомплектовать отдельно. На выбор имеются как базовые SG90, так и более мощные MG90S.

Последняя модель отличается тем, что у нее редуктор сделан не из пластмассы, как у SG90, а с использованием металлических шестеренок. Это позволяет использовать механизм в системах, где предполагается большее усилие, а, значит, и большие нагрузки. Управление же и тем и другим сервоприводом одинаковое.

Модуль для беспроводного управления 433 МГц

Стандартный набор состоит из приемника и передатчика на 433 МГц, либо только из приемника или только из передатчика – на выбор. Штука оказывается полезной для организации беспроводной связи между разными платами. Например, одна может управлять другой, или передавать по радио данные с датчиков.

На основе этого модуля вполне можно организовать радиоуправление простенькой игрушкой. На одну плату ставится джойстик и передатчик, на другую двигатели и приемник. Можно организовать работу и по-другому, все зависит только личной от фантазии.

Wi-Fi модуль

Управление платой Arduino можно организовать и с помощью смартфона. Для этого понадобится расширение в виде Wi-Fi приемопередатчика. Платка-расширение очень простая и компактная.

Занимает всего 14×25 мм. А необходимые библиотеки для взаимодействия с ней главной платы Arduino вместе с примерами доступны в интернете, поэтому ее подключение также не составляет труда.

Модули реле

Для построения систем «умный дом» или для использования Arduino в составе автомобильной электросети важным элементом является реле. Этот элемент позволяет управлять системами с напряжением, большим, чем напряжение питания Arduino и сильноточными электрическими цепями без вреда плате. Без этого элемента не обойтись при управлении мощными электродвигателями или освещением.

На выбор доступны несколько модулей. С одним реле, точно таким же, какой входит в базовые комплекты UNO R3, с одним реле и индикационными светодиодами, с двумя реле, с четырьмя или с восемью. Каждое из них управляется сигналами напряжением 5 вольт, но рассчитано на коммутацию электрических цепей напряжением до 250 вольт при токе 10 ампер или до 125 вольт при токе 15 ампер.