Przewodnik po płytkach PCB Arduino

Czym jest Arduino?

Arduino to platforma open-source, która składa się z płytek drukowanych i oprogramowania IDE (Integrated Development Environment). Oprogramowanie służy do tworzenia i wgrywania kodu na płytkę drukowaną za pomocą kabla USB.  

Sprzęt i oprogramowanie Arduino doskonale nadają się dla osób, które interesują się opracowywaniem i konstruowaniem interaktywnych projektów. Płytki współpracują z kamerami, przełącznikami, diodami LED, silnikami, przyciskami, głośnikami i wieloma innymi elementami. 

Płytki Arduino znajdują zastosowanie w wielu aplikacjach, takich jak robotyka czy systemy audio. Wykorzystuje się je do projektowania prototypów i opracowywania sterowania opartego na kodzie. Kod Arduino stanowi wersję języka C++, który jest łatwym w użyciu językiem programowania, dzięki czemu płytka Arduino jest bardziej przystępna i atrakcyjna dla początkujących. 

Z czego składa się płytka drukowana Arduino? 

Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów płytek Arduino przeznaczonych do rozmaitych celów. Choć płytki różnią się od siebie poszczególnymi komponentami, następujące elementy stanowią wyposażenie wszystkich typów płytek Arduino:

USB/Barrel jack

Każda płytka Arduino wymaga zasilania. Do tego celu można wykorzystać kabel USB podłączony z komputera do płytki lub zasilacz sieciowy. Na rysunku 1 powyżej port USB jest oznaczony jako (1), a złącze typu barrel jack (do zasilania sieciowego) jest oznaczone jako (2). Płytka Arduino jest w stanie odbierać zasilanie tylko o natężeniu mniejszym niż 20 V. Większe napięcie zasilania może spowodować przepięcie i zniszczenie płytki. Zalecane napięcie zasilania wynosi od 6 do 12 V. Do wczytania kodu na płytkę Arduino należy użyć kabla USB. 

Styki

Styki pozwalają na podłączenie przewodów do płytki i tworzenie obwodów, zwykle wykorzystując do tego płytkę prototypową i przewody. Styki są wyposażone w czarne głowice z tworzywa sztucznego, które umożliwiają wpięcie przewodów bezpośrednio do płytki. Płytka Arduino zawiera wiele styków, rozmieszczonych wokół krawędzi, widocznych na rysunku 1, oznaczonych cyframi 3-9. Są to:

• GND (Ground) – Arduino zawiera wiele styków GND (3), które służą do uziemienia układu. Obwód jest uziemiony, gdy jeden z przewodzących przewodów, podłączonych do obwodu, ma zapewnioną bezpośrednią drogę do ziemi. 
• 5 V (4) i 3,3 V (5) – te styki działają w prosty sposób. Jedno z nich zasilane jest napięciem 3,3 V, a drugie 5 V. Większość komponentów Arduino może być zasilana dowolną ilością energii. 
• Analog (6) – to styki na rysunku 1, które znajdują się w sekcji „analog in”. Styki te odczytują sygnał z czujnika analogowego i zamieniają go na wartość cyfrową. 
• Digital (7) – po przeciwnej stronie płytki widoczne są styki cyfrowe (0-13). Za ich pomocą można zrealizować cyfrowe wejście i wyjście. 
• PWM (8) – niektóre ze styków cyfrowych na rysunku 1 oznaczono symbolem ‘~’. Styki te mogą mieć zwykłe zastosowanie cyfrowe, ale mogą też być użyte do modulacji szerokości impulsów (PWM). PWM jest metodą pozwalającą na osiągnięcie analogowych wyników za pomocą środków cyfrowych. 
• AREF (9) – oznacza Analog Reference. Zwykle nie jest używany, ale może służyć do ustawienia zewnętrznego napięcia odniesienia jako maksymalnej mocy dla styków wejścia analogowego. 

Przycisk resetowania

Naciśnięcie przycisku reset (10) powoduje tymczasowe połączenie styku reset z uziemieniem i ponowne uruchomienie każdego kodu załadowanego do Arduino. 

Wskaźnik LED zasilania

Obok napisu ON na rysunku 1 znajduje się dioda LED, która powinna zapalić się po podłączeniu Arduino do źródła zasilania. 

Diody LED TX RX

TX (nadawanie) i RX (odbieranie) oznaczają styki, które umożliwiają komunikację szeregową. Oznaczenia te są widoczne na rysunku 1 dwukrotnie, obok styków cyfrowych 0 i 1, a następnie obok wskaźników LED TX i RX (12) i wskazują, kiedy Arduino wysyła i odbiera dane.

Główny układ scalony

IC, czyli układ scalony, jest oznaczony na rysunku 1 numerem 13 i stanowi mózg płytki Arduino. Układy scalone różnią się w zależności od płytki, dlatego przed wczytaniem nowego programu na płytkę należy dowiedzieć się, z jakim układem scalonym mamy do czynienia. Rodzaj IC jest zwykle oznaczony na jego powierzchni. 

Regulator napięcia

Regulator napięcia (14) odpowiada za utrzymanie odpowiedniej ilości prądu przepływającego przez płytkę. Jego zadaniem jest odcięcie nadmiaru prądu, aby nie uszkodzić płytki. Nie oznacza to jednak, że może być podłączony do każdego źródła zasilania – maksymalna wartość napięcia to 20 V. 

Rodzaje płytek PCB Arduino

Najnowszym modelem Arduino jest Arduino Uno– to doskonały wybór dla początkujących. Płytka zawiera wszystko, co potrzebne do opanowania budowy projektów elektronicznych. Dostępnych jest jednak wiele rodzajów płytek drukowanych Arduino przeznaczonych do różnych celów. Poniżej przedstawiamy kilka z nich:

LilyPad Arduino USB

Płytka LilyPad to mikrokontroler zaprojektowany z myślą o e-tekstyliach i technologii ubieralnej. Dzięki płaskiemu grzbietowi i dużym podkładkom łączącym płytka LilyPad może być wszywana do odzieży za pomocą nici przewodzących. Płytka LilyPad jest odporna na uderzenia, może być prana i bez problemu łączy się z innymi urządzeniami. 

Płyta Arduino Leonardo

Leonardo jest pierwszą płytką rozwojową Arduino, która wykorzystuje mikrokontroler z wbudowanym USB. Bazuje na mikrokontrolerze ATmega32u4 i wyposażona jest w 20 cyfrowych wejść/wyjść (7 z nich może być zastosowanych jako wyjścia PWM), złącze microUSB i przycisk resetowania. Płytka zasilana jest za pomocą zasilacza AC/DC i może być podłączona do komputera bezpośrednio przez USB.

Arduino Mega

Arduino Mega to doskonałe rozwiązanie do projektów, które wymagają dużej ilości styków – mikrokontroler zawiera aż 54 styki wejściowe i wyjściowe. 14 styków służy jako styki PWM, 16 to styki analogowe, a 4 styki są przewidziane do użytku jako porty sprzętowe. Płytka zawiera również 256 KB pamięci flash do przechowywania danych. Arduino Mega może być podłączona do komputera za pomocą kabla USB.

Arduino Nano

Nano to najmniejsza płytka oferowana przez Arduino. Płytka wyposażona jest w 22 wejścia i wyjścia cyfrowe, z których 6 może służyć do modulacji PWM oraz pamięć flash 32 KB do przechowywania danych. Nano wykorzystuje kabel mini USB-B zamiast standardowego i cechuje się wyjątkowo niskim zużyciem energii. 

Akcesoria PCB Arduino

Chcąc w pełni wykorzystać potencjał płytek Arduino, należy połączyć je z innymi komponentami, takimi jak nakładki i czujniki. 

Czujniki

Płytki Arduino działają z szeroką gamą czujników, w tym czujników światła, temperatury, ciśnienia, bliskości, wilgotności itp., a do działania wymagają zaledwie kilku prostych kodów. 

Nakładki

Nakładki (rozszerzenia) to gotowe płytki drukowane, które można umieścić na płytkach Arduino, aby umożliwić dodatkowe funkcje. Dzięki nakładkom można sterować silnikiem lub wyświetlaczem LED, połączyć się z internetem i nie tylko.

Zalety płytek Arduino

Płytki drukowane Arduino stanowią doskonałą podstawę do tworzenia projektów z zakresu elektroniki. Oto kilka powodów, dla których warto wybrać płytki Arduino:

• Oszczędność – płytki Arduino są tańsze i bardziej praktyczne w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami. 
• Łatwość użytkowania – idealne rozwiązanie zarówno dla początkujących, jak i ekspertów, dzięki łatwemu w użyciu IDE. 
• Gotowość do użycia – płytka Arduino stanowi kompletny pakiet, zawierający wszystkie elementy niezbędne do rozpoczęcia projektowania, w tym oscylator, interfejs komunikacji szeregowej, mikrokontroler, nagrywarkę, LED i regulator napięcia 5 V. 
• Niezawodność – płytki Arduino to niezawodny wybór zarówno do złożonych, jak i prostych projektów elektronicznych. Płytki mają przylutowane porty wejść i wyjść. 
• Oprogramowanie i sprzęt open-source – płytki Arduino wyposażone są w różnego rodzaju styki cyfrowe i analogowe, pozwalając na łatwe tworzenie projektów elektronicznych. Oprogramowanie open-source jest łatwe w użyciu i pozwala programistom na rozszerzenie języka poprzez biblioteki C++.

Czy Arduino jest mikrokontrolerem?

Arduino nie jest mikrokontrolerem – to platforma elektroniczna o otwartym kodzie źródłowym oparta na łatwym w użyciu sprzęcie i oprogramowaniu. Płytka Arduino jest elementem fizycznym, który zawiera mikrokontroler jako jeden z wielu komponentów. Mikrokontroler na płytce Arduino to miniaturowy komputer na układzie scalonym, który jest wyposażony w programowalne urządzenia peryferyjne wejścia/wyjścia, pamięć i jednostkę centralną. Na przykład:

• Arduino Uno wykorzystuje mikrokontroler ATmega328P.
• Arduino Mega wykorzystuje mikrokontroler ATmega2560.
• Arduino Nano wykorzystuje mikrokontroler ATmega328.

Platforma Arduino łączy w sobie mikrokontroler wraz z innymi komponentami, w tym interfejsami komunikacyjnymi, regulacją mocy i łatwym w użyciu środowiskiem programistycznym.

Zestaw startowy Arduino

Zestaw startowy Arduino to idealny wybór dla początkujących, który uczy podstaw korzystania z płytek Arduino krok po kroku. W zestawie znajduje się płytka Arduino UNO oraz poradnik, dzięki któremu można zbudować nowoczesne projekty.

Poradnik zawiera wszystkie niezbędne informacje dotyczące najbardziej popularnych i praktycznych części elektronicznych, co pozwala oszczędzić czas i wysiłek związany z wyszukiwaniem odpowiednich komponentów. Zestaw pozwala poznać działanie czujników i siłowników, począwszy od podstaw elektroniki po uruchomienie zaawansowanych projektów. Dzięki zdobytej wiedzy użytkownicy będą w stanie samodzielnie wybrać odpowiednie oprogramowanie i obwody do bardziej zaawansowanych projektów.