Útmutató Arduino nyomtatott áramköri kártyákhoz

Mi az Arduino?

Az Arduino egy nyílt forráskódú platform, amely tartalmaz egy nyomtatott áramköri kártyát (NYÁK), valamint egy integrált fejlesztői környezetet (IDE) biztosító szoftveralkalmazást. A programozható fizikai kártya mikrovezérlő néven is ismert. A számítógépen futó szoftverrel írjuk meg és töltjük fel a programot az USB-kábellel csatlakozó NYÁK-ra.

Az Arduino hardver és szoftver ideális mindazon tervezők, művészek és műkedvelők számára, akik érdeklődnek az interaktív rendszerek tervezése és összeállítása iránt. A kártyák képesek kommunikációt folytatni kamerákkal, kapcsolókkal, LED-lámpákkal, motorokkal, gombokkal, hangszórókkal – hogy csak néhány lehetőséget említsünk. 

Az Arduino NYÁK-jai felhasználásra kerülnek számos alkalmazási területen, például a robotikában és a hangrendszerekben. Kártyáikat prototípusok tervezéséhez és programalapú vezérlés kifejlesztéséhez használják. Az Arduino a könnyen használható C++ programozási nyelv egyik változatát alkalmazza, ami kezdők számára egyszerűbbé és vonzóbbá teszi az Arduino NYÁK használatát. 

Miből áll az Arduino NYÁK?

Különféle típusú Arduino kártyák léteznek, amelyek különböző célokra használhatók. Bár a kártyák kialakítása bizonyos mértékig eltérő, az alábbi elemek általában minden Arduino kártyán megtalálhatók: 

USB/Hengeres jackdugó

Minden Arduino kártyát csatlakoztatni kell az áramforráshoz. Ehhez használhat USB-kábelt, amellyel számítógépéhez csatlakoztatja a kártyát, vagy fali csatlakozó aljzatot. A fenti 1. ábrán (1)-es számmal jelöltük az USB-portot, és (2)-es számmal a (hálózati tápellátáshoz használandó) hengeres jackdugót. Az Arduino kártya csak 20 V-nál alacsonyabb feszültségű áramforráshoz csatlakoztatható. Ennél magasabb feszültségű áramforrás túlfeszültséget okozhat, ami tönkreteheti az Arduino kártyát. Ezért 6–12 V feszültségű áramforrás használata ajánlott. A programot USB-kábel használatával tudjuk feltölteni az Arduino kártyára. 

Csatlakozótüskék

A csatlakozótüskék lehetővé teszik, hogy huzalok kártyára rögzítésével áramköröket készítsünk. A tüskék általában deszkamodellel és huzallal együtt kerülnek felhasználásra. A tüskék fekete műanyag „csaplécekkel” rendelkeznek, amelyek egyenesen a kártyára vezetik a huzalokat. Az Arduino kártyát különféle tüskékkel szerelték fel, amelyek a kártya pereme mentén helyezkednek el (lásd az 1. ábrán 3–9-es számmal jelölve). A kártyákon az alábbi csatlakozótüskék találhatók: 

• GND (földelő) tüske – az Arduino több földelő tüskét (3) tartalmaz, amelyek földelik az áramkört. Földelt áramkörről beszélünk, amikor szándékosan közvetlen kapcsolatot alakítunk ki az áramkörhöz csatlakozó egyik vezető huzal és a föld között. 
• 5 V (4) és 3,3 V (5) – E tüskék szerepe egyértelmű. Az egyik biztosítja a 3,3 V-os áramellátást, a másik az ötvoltos áramellátást. Az Arduino kártya legtöbb eleme a kettő közül bármely feszültségen képes működni. 
• Analóg (6) – E csatlakozótüskék az 1. ábrán, az „analóg bemenet” rész alatt láthatók. Ezek a tüskék képesek értelmezni és olvasható digitális számmá konvertálni az analóg érzékelők által küldött jeleket. 
• Digitális (7) – A kártya ellenkező oldalán találhatók a digitális tüskék (0–13). Ezek digitális bemenetekhez és kimenetekhez használhatók. 
• PWM (8) – Néhány digitális tüskét „~” szimbólummal jelöltünk a fenti 1. ábrán. Ezek a tüskék a szokványos digitális alkalmazás mellett elegendő teljesítménnyel rendelkeznek az impulzusszélesség-modulációhoz (PWM). A PWM módszer alkalmazásával analóg eredményeket érhetünk el digitális eszközökkel. 
• AREF (9) – Ez az analóg referenciára utal. Ezzel a sokszor kihasználatlan funkcióval meghatározhatunk egy külső referenciafeszültséget az analóg bemeneti tüskék maximális teljesítményeként. 

Visszaállítás gomb

A visszaállítás gomb (10) megnyomásával ideiglenesen földelhetjük a visszaállító tüskét és újraindíthatjuk az Arduino kártyára feltöltött programot. 

Tápellátásjelző LED-lámpa

Az 1. ábra „ON” felirata mellett látható egy LED-lámpa. A LED-lámpa kigyullad, amikor az Arduino áramforráshoz csatlakozik, jelezve, hogy biztosított a kártya tápellátása. 

TX és RX LED-lámpák

TX (jeladó) és RX (jelvevő) a soros kommunikációt lehetővé tévő tüskéket jelöli. Ezek a jelek kétszer is szerepelnek az 1. ábrán, a 0 és 1 digitális tüske mellett, valamint a TX és RX LED-jelzőfényeknél (12). Ezek a LED-jelzőfények mutatják, amikor az Arduino adatokat továbbít vagy fogad.

Fő IC

Az 1. ábrán látható még az integrált áramkör rövidítése, az IC (13). Az integrált áramkör lényegében az Arduino NYÁK agya. A kártyák más és más integrált áramkört tartalmazhatnak, fontos azonban tisztában lennünk azzal, hogy milyen áramkört használunk, amikor az Arduino szoftverrel új programot töltünk fel a kártyára. Az integrált áramkör típusát rendszerint feltüntetik a felületén. 

Feszültségszabályozó

A feszültségszabályozó (14) fontos szerepet tölt be abban, hogy a megfelelő mennyiségű áram haladjon keresztül a kártyán. Lényegében megakadályozza, hogy felesleges árammennyiség kerüljön a rendszerbe, megóvva ezáltal az Arduino kártyát a károsodástól. Ezt a feladatát azonban csak észszerű mértékben tudja ellátni, vagyis a kártya nem csatlakoztatható bármilyen áramforráshoz. Az áramforrás maximális feszültsége 20 V lehet. 

Az Arduino NYÁK típusai

A legújabb típusú Arduino a korábban már említett Arduino Uno, amely a kezdők számára ideális NYÁK, hiszen tartalmaz mindent, amire csak egy elektronikus rendszer felépítéséhez szükség lehet. Az Arduino NYÁK-nak azonban számos típusa létezik, és mindegyik különböző célokat szolgál. Elengedhetetlen tisztában lennünk azzal, hogy az általunk tervezett konkrét rendszerhez melyik típusra van szükségünk. Az alábbiakban bemutatjuk az Arduino család néhány másik tagját:

LilyPad Arduino

A LilyPad Arduino mikrovezérlőt e-textilekhez és viselhető technológákhoz fejlesztették ki. A LilyPad sík hátlapja és nagy csatlakozó lapjai lehetővé teszik a ruházatba való bevarrását vezetőképes cérna használatával. A LilyPad megakadályozza a fonalhúzódást, mosható, és zökkenőmentesen képes csatlakozni más eszközökhöz. 

Arduino Leonardo

A Leonardo az Arduino első fejlesztőkártyája, amely beépített USB-vel ellátott mikrovezérlővel rendelkezik. Alapja az ATmega32u4 mikrovezérlő, és tartalmaz 20 digitális be- és kimeneti csatlakozótüskét (amelyek közül hét PWM-kimenetként használható), egy microUSB-csatlakozót és egy visszaállító gombot. Áramellátása váltóáramú/egyenáramú tápegységgel biztosítható, a számítógéprendszerhez pedig USB-n keresztül csatlakoztatható.

Arduino Mega

Az Arduino Mega tökéletes választás a sok csatlakozótüskét igénylő rendszerekhez, mivel a mikrovezérlő 54 be- és kimeneti tüskével rendelkezik. Ezek közül 14 PWM-kimenetként használható, 16 analóg tüskeként funkcionál, négy pedig hardverport számára került kialakításra. A kártya emellett 256 KB flashmemóriát biztosít adattároláshoz. USB-n keresztül csatlakoztatható a számítógéphez.

Arduino Nano

A Nano a legkisebb, rendszerek felépítésére használható kártya. A NYÁK 22 be- és kimeneti csatlakozótüskét tartalmaz, amelyek közül hat használható PWM-kimenetként. Emellett 32 KB fleshmemóriát biztosít az adatok tárolásához. A szabványos változat helyett Mini-B USB-kábellel csatlakoztatható, és kivételesen alacsony energiafogyasztással büszkélkedhet. 

Az Arduino NYÁK használatát megkönnyítő eszközök

Az Arduino kártyában rejlő lehetőségek teljes körű kiaknázásához össze kell kötni a kártyát más rendszerelemekkel. A rendszer életre keltéséhez érdemes érzékelőket és shieldeket (sorkapocs kártyákat) használnunk. 

Érzékelők

Néhány egyszerű sor hozzáadásával az Arduino NYÁK képes kommunikálni jó néhány érzékelőtípussal, például fény-, hő-, nyomás-, közelség- és nedvességérzékelővel. 

Shieldek

A shieldek előregyártott áramköri kártyák, amelyek Arduino NYÁK-ra rögzítve további funkciókat tesznek elérhetővé. Shieldekkel vezérelhetők motorok és LCD-képernyők, és csatlakoztatható a rendszer az internetre, hogy csak néhány példát említsünk.

Az Arduino NYÁK előnyei

Az Arduino kártyák remekül használhatók több elektronikus rendszer tervezéséhez és felépítéséhez. Íme néhány ok, miért válasszunk Arduino kártyát: 

• Költséghatékony – Más mikrovezérlőkkel összevetve az Arduino NYÁK olcsóbb és praktikusabb megoldás.
• Felhasználóbarát – Könnyen használható integrált fejlesztői környezetének köszönhetően az áramköri kártya egyaránt ideális kezdők és szakemberek számára.
• Használatra kész – Az Arduino NYÁK egy teljes csomag, amely tartalmazza mindazon elemeket (oszcilloszkóp, soros kommunikációs interfészegység, mikrovezérlő, hegesztő, LED-lámpa és 5 V-os feszültségszabályozó), amelyekkel nekifoghat a kívánt rendszerek tervezésének.
• Megbízható – Az Arduino NYÁK megbízható választás, legyen szó akár összetett, akár egyszerű elektronikus rendszerek tervezéséről. A kártyák gyárilag ráhegesztett bemeneti és kimeneti portokkal rendelkeznek.
• Nyílt forráskódú szoftver és hardver – Az Arduino NYÁK nyílt forráskódú hardver, amely lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy különféle digitális és analóg csatlakozótüskékkel könnyedén építsenek fel elektronikus rendszereket. A könnyen használható szoftver programozási nyelvét a programozók a C++ könyvtáron keresztül kibővíthetik.

Arduino kezdőkészlet

Az Arduino kezdőkészlet remek választás az első Ardunio projekt kivitelezéséhez. A kezdőkészlet, amelyet kifejezetten a kezdők igényei szerint állítottak össze, lépésről lépésre keresztülvezeti a felhasználót az Arduino használatának alapismeretein. Az Arduino UNO kártyára épülő készlethez kézikönyvet mellékeltek, amelynek segítségével a tanulási folyamat során számos különféle kreatív projekt megvalósítható.

A készlet emellett tartalmazza a legnépszerűbb és legpraktikusabb elektronikus alkatrészeket, így a felhasználó időt és energiát takarít meg azáltal, hogy nem kell keresgélnie és kiválasztania a szükséges elemeket. A kezdőkészlet iránymutatást nyújt ahhoz, hogyan vezérelhető a körülöttünk lévő világ érzékelőkkel és aktuátorokkal. Elsőként segít elsajátítani az elektronika alapjait, majd fokozatosan halad az összetettebb rendszerek felé. Miután befejezte a készlettel megvalósítható valamennyi projektet, rendelkezni fog jó néhány szoftverrel, áramkörrel – és ami a legfontosabb – olyan ismeretekkel, amelyek lehetővé teszik, hogy bátran nekikezdjen a nehezebb feladatoknak.