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Arduino – DIY微控制器设备简介

  • 发表时间:2021-07-13 09:55:01
  • 来源:DIY微控制器
  • 人气:102

如今,您可以使用 Arduin 将任何东西变成计算机。如果您看到 带有键盘的 LED 或 LCD,则可能有人将笔记本电脑放入该设备中。其中一些东西甚至包含六台、七台或更多的小型计算机,称为微控制器。

在其中,Arduino 是最受欢迎的。如果您有使用内置计算机创建电子设备的愿景,您必须了解它们是什么以及它们如何工作。

只有这样,您才能去PCB线路板 商店购买一些套件 并开始您的项目。

什么是阿杜诺?

这些小型微控制器计算机通常称为嵌入式控制器或微控制器单元 (MCU)。它们是完整的计算机系统,具有您可以想象到的所有计算机系统。它们都有一个用于执行程序的中央处理单元、临时 RAM 存储、永久存储系统以及用于外围设备和附件的端口。

微控制器只是个人用途的计算机,其构建和设计仅用于执行少数特定任务。大多数情况下,这些设备只运行存储在某些 ROM 上的单个程序。不过,您也可以将外部存储连接到它们。无论哪种方式,它们都被认为是低功耗设备,这就是它们的魅力所在。您可以完全依靠电池运行。

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Arduino 只是微控制器的开源版本。它作为硬件开发板提供,您可以使用它来设计和构建您自己的设备。Arduino 非常适合修补匠、爱好者和制造商,它既指特定类型的电路板设计,也指制造它们的公司以及使用它们的开发人员社区。因此,您几乎可以在每个电子产品或 PCB 零件商店或目录中找到它们。

该平台作为物理可编程电路板、微控制器本身以及用于创建设备运行程序的软件或 IDE(集成开发环境)。在新开发人员中很受欢迎,Arduinos 不需要单独的编程器设备,使其比市场上的其他微控制器套件更加用户友好。它甚至使用了 C++编程语言的简化版本,使编程也变得简单易行。

1.1 Arduino 由什么组成?

作为微控制器套件,Arduinos 板带有一些预装在单个印刷电路板 (PCB) 上的组件和接口。这些组件设定了标准外形,使微控制器更易于访问。

基本组件

虽然多年来设计发生了变化,但基本的 Arduinos 套件包含以下组件:

针式连接器

这些引脚以特定模式排列,可让您将 MCU 连接到自定义设备的其他板卡部件。它们还允许您将子附加板(称为“屏蔽”)连接到您的设备。有两种类型的引脚:

数字 – 单态输入/输出 (I/O) 连接器,您可以设置为打开或关闭。大多数 Arduinos 有 14 个数字引脚

模拟– 可以读取一系列值的多状态连接器。您可以使用它们进行更细粒度的控制。通常有六个。

接地 - 标记为 GND,这三个引脚允许您将设备接地。

电源 – 四个 5 伏和五个 3 伏引脚为附加组件和其他附件提供电源信号。

脉宽调制(PWM) – 八个数字引脚兼作 PWM 连接器。它们可以为 LED 调光等应用模拟模拟输出信号

模拟参考 (AREF) – 有时用于调节外部电压,但这九个引脚很少使用。

 

电源连接器

该连接器为设备供电并为 LED、传感器等组件提供低电压电源您可以将连接器与交流适配器或小电池一起使用。

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主处理器

微控制器 CPU 是平台的核心。它允许 Arduino 执行命令并根据各种输入和正在运行的程序做出决定。不同 Arduinos 类型的确切信息会有所不同,但大多数套件都为 Atmel 芯片组提供各种板载内存。常见的处理器型号包括:

  • ATmega8

  • ATmega168

  • ATmega328

  • ATmega1280

  • ATmega2560

 

串行连接器

大多数 Arduino 板都带有标准 USB 端口,可让您将 MCU 连接到计算机以加载新程序。在某些板上,USB 端口还兼作电源连接器。

复位按钮

Arduino 板还包含一个重置按钮。按下按钮会触发复位引脚。它会重新启动任何当前正在运行的代码。当您想测试某些内容但您的程序没有重新启动功能时,这是完美的选择。

 

电源指示灯

一些 Arduino MCU 带有一个电源 LED,用于指示设备是否打开。通常,当您将设备连接到电源时 LED 会亮起。如果此灯不亮,则很有可能出现问题。

 

信号发送和接收 LED

标记为 TX(发送)和 RX(接收),这些 LED 显示串行通信活动。当设备接收或传输数据时,它们提供了一个微妙的视觉线索。

 

稳压器

虽然不是用户可编程的,但 Arduino 板带有一个电压调节器。稳压器控制通过电路板的电压量。它当然有限制,但大多数项目的电压不会超过 20 伏。

 

1.2 Arduino 附加组件和附件

上述组件随所有 Arduino MCU 一起提供,但它们并不是您可以与该平台一起使用的唯一电子组件。这些板符合所有 IEEE 和 ISO 标准。因此,您可以使用任何现成的部件来使您的 Arduino 项目有用。但是,Arduinos 平台规范确实需要一些与平台兼容的附加组件。因此,大多数 Arduinos 供应商也带有一些 Arduino 传感器和防护罩。没有它们,任何 Arduino 项目都不完整。

传感器

您可以使用一些代码来控制 Arduinos 并与一系列传感器进行交互。

大多数 Arduino 供应商提供用于测量的传感器:

  • 温度

  • 弯曲

  • 压力

  • 接近

  • 加速

  • 一氧化碳

  • 放射性

  • 湿度

  • 气压

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Arduino面包板

您还可以获得用于您的项目的无焊面包板。该板让您可以对电路设计和布局进行原型设计和试验,而无需将组件永久焊接到 PCB 上您可以试验和测试您的布局和设计理念。面包板没有电源适配器。因此,您必须使用跳线通过主板为其供电。

 

盾牌

Arduino 拼图的最后一部分是 Arduino 盾牌。这些预先构建的子板安装在主 Arduino 板的顶部以提供附加功能

一些常见的屏蔽功能包括

控制电机

互联网连接

移动和蜂窝网络和通信

液晶屏控制器

 

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Arduino 开发人员使用官方的 Arduino 集成开发环境 (IDE) 来编写他们的 Arduino 程序。基于 Java 的开源 IDE 适用于运行 Windows、Mac 和 Linux 的所有平台。它为您提供了一个独特的环境来编写和测试代码,在您将其上传到您的设备之前,用处理编程语言编写。

Arduino Uno – 最受欢迎的 Arduino

因为没有两个项目是相同的,Arduino 小组发布了一些 Arduino 板类型的规范。这些板类型中最受欢迎的一种是 Arduino Uno。

阿杜诺乌诺

作为初学者的绝佳选择,售价 22 美元的 Arduino Uno MCU 是一款准系统。它只附带基本组件,但它允许您按照自己的方式设计项目。这款 68.5 x 53.4 毫米的 PCB 重 25 克,重量足够轻,也可以装入外壳内。

当前版本 Arduino Uno R3 附带:

  • ATmega328P微处理器

  • 14 个数字输入/输出引脚

    • 6 PWM 输出

    • 内置 LED(连接至引脚 13)

    • 5 伏、3.3 伏和接地引脚电压输出

  • 六个模拟引脚

  • USB端口

  • 电源插孔

  • 复位按钮

  • 5 伏工作电压

  • 32 KB 闪存

  • 2 KB SRAM 和 1 KB EEPROM

Uno 可能不是第一个 Arduino 板,但它是迄今为止最常用的。它也是记录最多的形式因素,以及互联网上大量的项目教程和论坛。

Arduino Mega – 用于大型项目的 MCU

Arduino Mega 有效地将四个 Uno MCU 合二为一,是您大型项目的理想之选。Mega 由 Atmel ATmega2560 芯片供电,带有四个串行端口,带有一个单独的 USB 端口,用于供电和与计算机连接。它甚至拥有一个专用的 ATmega16U2 处理器,仅用于额外的 USB 端口。您也可以使用电池为 MCU 供电。

Arduino Mega

Mega具有:

  • 54 个数字输入/输出 (I/O) 引脚和 14 个 PWM 兼容引脚

  • 16 个模拟 IO 引脚

  • USB端口

  • 电源插孔

  • 复位按钮

Mega 的大量引脚构成了电路板。您可以在需要许多数字 I/O 连接、LED 或按钮的项目中使用它们。

Mega MCU 的其余功能来自其处理器。ATmega2560 微处理器可以做任何你可以投入的事情。它具有 16 MHz 时钟速度、256 KB 闪存、8 KB SRAM 和 4 KB EEPROM。所有这些使 Arduino Mega 成为 3D 打印机和机器人技术的首选板。

Arduino ESP8266 让您的项目无线化

没有 Arduino 板本身带有无线网络。您也不会在任何可用的盾牌上找到它。如果你想让你的项目无线,你需要一个 Arduino ESP8266 Wi-Fi 模块。

Arduino ESP8266

虽然有更新的模块,但 ESP2866 是原始模块。它可能不适合作为独立 MCU 工作,但您的项目需要在当今的移动市场中使用。

不过,它确实提供了一些不错的无线连接。该板带有电源、接地、发送和接收引脚,用于将这些功能连接到您的主 Arduino,以及一个开关、“芯片控制断电”(CH_PD)引脚。您还有一个复位和两个 GPIO 数据引脚。

有一个缺点。ESP8266 需要 5 伏电源信号。它不适用于 Arduino 标准 3.5 伏特。

Arduino PWM 子系统和框架

5.1 Arduino PWM

脉宽调制 (PWM) 是一种使用具有不同频率和幅度的方波信号来模拟模拟信号的方法。Arduino 平台使用这些信号通过其数字输出调节模拟电路。

Arduino PWM 平台不是一个单独的硬件。所有 Arduino 板都带有内置的系统调用。您需要编写一个使用它们的程序。该命令通过兼容的引脚创建方波。

5.2 Arduino Nano——非常适合小型设备和项目

作为 Arduino 平台的最小版本,Arduino Nano 以更小的封装提供与 Uno相同的功能,由 ATmega328P 处理器和 Atmega168 协处理器驱动。它也使用与其他 Arduino 板相同的 Arduino IDE 软件。

Arduino纳米

Nano附带:

  • 14 个数字 I/O 引脚和 6 个 PWN 兼容引脚

  • 八个模拟引脚

  • 5伏工作电压

  • 复位按钮

  • USB端口

  • 串行端口

  • 32kb 闪存

  • 8 KB SRAM

  • 1 KB EEPROM

尽管尺寸很大,Nano 在以下项目类型中表现出色:

  • 嵌入式系统

  • 自动化

  • 机器人

  • 控制系统

  • 仪表

为什么选择 Arduino 而不是 Raspberry Pi?

Arduino 平台并不是市场上唯一的 MCU。许多其他 MCU 提供与 Arduino 相同的功能,包括 Raspberry Pi。但是,PI 是与 Arduino 截然不同的产品。

首先,Raspberry PI 是一台完整的计算机。Arduino 不是。微型计算机只是构成计算机的一个小部件。因此,Arduino 平台仅提供 PI 必须提供的一小部分。例如,它只能运行小型应用程序,而不是成熟的计算机操作系统。

树莓派.jpg

6.1 Arduino 的优缺点

这并不意味着 Arduino 没用。它非常适合不需要完整计算机即可运行的电子项目。您可以将其直接连接到您的组件和传感器,并且只需很少或无需设置即可开箱即用。

由于 Arduino 固件的工作原理,Arduino 可以做到这一点。固件是运行 Arduino 系列板的核心软件。它还通过 USB 与您的计算机通信,让您可以访问其所有可编程功能。虽然您可以随时更换固件,但您永远不必这样做。您甚至不需要重新启动它。上传代码后,您可以立即在任何地方运行它。不需要键盘、显示器或选择应用程序的方法。董事会将完成您交给它的一项工作。

 

6.2 树莓派是一台完整的计算机

相比之下,Raspberry Pi 是一台功能齐全的计算机。它需要一个操作系统才能运行,这需要重新启动才能保持运行。该板也没有内部存储器。您必须提供一个外部微型 SD 卡来存储您要运行的程序。不过,它确实具有内置以太网,因此您无需卸下卡即可更新软件。

Pi 在配备内存和 HDMI 图形处理器的 Broadcom Arm-v6 CPU 上运行。该板还可以与键盘和鼠标配合使用,允许加载 Linux 变体,并拥有它,以便没有人知道您使用如此小型的机器来驱动所有东西。那就是它的强大。对于需要完整的用户交互性和所有处理能力的项目来说,它是完美的平台。

然而,这种能力使 Pi 不适合较小的项目。例如,您需要将LED插入到 Arduino 板上,只需 8 行代码即可将其点亮除了您的代码之外,Pi 还需要额外的库才能开始使用,前提是您已经在板上安装了操作系统。

这并不意味着您不能将 Raspberry Pi 和 Arduino 用于相同类型的项目。您可以安装框架库,为 Pi 提供与 Arduino 相同的功能。在项目中使用 Pi 需要更多的时间和精力。

Arduino 还拥有更大的开发人员社区。作为最流行的电子项目平台,Arduino 为初学者提供了许多教程来帮助您入门。

教程

无论如何,您永远不必在这两个板之间进行选择他们一起工作得很好。通过正确的附件,您的 Arduino 可以成为 Raspberry Pi 的子扩展板,让两张卡都能访问彼此的功能。

结论

Arduino 是一系列专为自己动手做电子项目而设计的微控制器平台。这些一次性板配备了自动化项目所需的一切,还有一些。您必须将其插入计算机,创建一些代码,然后运行它。它会做剩下的。

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