Taula Arduino de fabricació pròpia: 8 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Dissenyant la vostra pròpia placa Arduino, coneixereu alguns components i circuits electrònics nous, inclosos alguns temes avançats, com ara la font d'alimentació, el circuit de temporització i l'ús de l'ATmega IC (circuit integrat).

Us ajudarà en el futur a crear els vostres propis projectes com estacions meteorològiques, escuts domòtics, etc.

L’avantatge de l’Arduino de fabricació pròpia és que té un baix consum d’energia i garanteix que un projecte pugui funcionar durant molt de temps amb una bateria.

A més, podeu ampliar la placa afegint una expansió de port digital o analògic o alguns mòduls de comunicació.

Subministraments

El maquinari

Per crear un Arduino minimalista, necessitareu el maquinari següent:

1x microcontrolador ATmega328P-PU amb carregador d’arrencada Arduino

1x regulador de tensió lineal 7805 (sortida 5v, entrada màxima 35v)

1 x tauleta de pa (estic fent servir un tauler de 830 pins)

Diversos cables de connexió

1 oscil·lador de cristall de 16 MHz

1x endoll ic de 28 pins

1x 1 μF, condensador electrolític de 25 V.

1x 100 μF, condensador electrolític de 25 V.

Condensadors ceràmics de 2x 22 pF, 50 V.

Condensadors ceràmics de 2x 100 nF, 50 V.

2 resistències de 330 ohms (R1 i R2)

1 resistència de 10 kOhm (R3)

2 LEDs que escolliu (LED1 i LED2)

1 polsador

Capçalera 2x 6 pins opcionals i capçalera 3x 8 pins opcionals

1 x bateria de tipus PP3

1 bateria tipus PP3 de 9 V

1 adaptador de programació FTDI

Pas 1: Regulador de tensió lineal 7805

Un regulador de tensió lineal conté un circuit senzill que converteix un voltatge en un altre. El regulador 7805 pot convertir un voltatge entre 7 i 30 volts en un fix de 5 volts, amb un corrent de fins a 1 amper, que és perfecte per a la nostra placa Arduino.

Començarem creant el circuit d’alimentació que conté un regulador de voltatge 7805 en forma TO-220 i dos condensadors de 100 μF cadascun.

Quan mireu la part frontal del xip 7805: el pin de l’esquerra és per al voltatge d’entrada, el pin central es connecta a GND i el pin de la dreta és la connexió de sortida de 5 V. Recomanaria col·locar un dissipador de calor, ja que quan el circuit s'elevi fins a un màxim de 1 amperi de corrent, el xip 7805 estarà calent en silenci (es pot cremar la punta del dit quan el toqui).

Col·loqueu un condensador de 100 μF entre l’entrada del regulador i la terra i un condensador de 100 μF al carril dret entre l’alimentació i la terra. Cal anar amb compte: el condensador electrolític està polaritzat (la banda de plata del condensador significa la pota de terra) i s’ha de col·locar exactament segons l’esquema.

Afegiu cables d’alimentació i terra a on estarà el vostre regulador de tensió, connectant cada rail al centre i a la part dreta de la placa. D’aquesta manera, disposem d’una font d’alimentació de 5 volts des dels carrils superior i inferior de la placa. A més, inclourem un LED vermell que s’encén quan s’encén l’alimentació, d’aquesta manera sempre podrem veure quan s’alimenta la nostra placa.

Un LED és un díode i només permet que el corrent elèctric flueixi en una direcció. L’electricitat hauria de fluir cap a la cama llarga i cap a la cama curta. El càtode LED també té un costat lleugerament aplanat, que es correspon amb la pota curta i negativa del LED.

El nostre circuit té una font d’alimentació de 5 volts i un LED vermell té una potència d’entre 1,5 i 2 volts. Per reduir la tensió hem de connectar la resistència en sèrie amb el LED que limita la quantitat d'electricitat que flueix per evitar la destrucció del LED. La resistència consumirà part del voltatge i només s’aplica una part adequada a través del LED. Inseriu la resistència entre la pota curta del LED i la fila que conté el fil negre a la part dreta del xip (GND).

Els cables vermells i negres situats a l’esquerra del regulador de voltatge són on es connectarà la font d’alimentació. El cable vermell és per a l’ALIMENTACIÓ i el negre per a terra (GND).

NOTA: només podeu connectar una font d'alimentació d'entre 7 i 16 V. Qualsevol que sigui més baix i no obtingueu 5V del regulador i un voltatge més elevat de 17 V farà malbé el vostre xip. És adequada una bateria de 9 V, una font d'alimentació de 9 V CC o una font d'alimentació de 12 V CC.

I per a alguns circuits avançats més, podeu col·locar un regulador de voltatge amb tensió ajustable. D'aquesta manera, podeu afegir uns sensors de 3,3 V a la placa o encendre un motor de 9 V CC.

Més informació sobre els reguladors de tensió lineals -

www.instructables.com/id/Introduction-to-Linear-Voltage-Regulators

Pas 2: microcontrolador ATmega328P-PU

Per construir un Arduino a la taula de pa necessiteu un microcontrolador ATmega328P-PU que sigui el cervell de la nostra placa Arduino de fabricació pròpia. Col·loqueu-lo tal com es mostra als esquemes i aneu amb compte: les potes es poden trencar si les forceu o podeu utilitzar un endoll IC de 28 pins. L'IC s'ha de col·locar amb un tall en forma de lluna orientat a l'esquerra de la taula de treball (els pins estan numerats de l'1 al 28 en sentit antihorari).

NOTA: No tots els ATmega IC contenen el carregador d'arrencada Arduino (el programari que permet interpretar esbossos escrits per a un Arduino). Quan cerqueu un microcontrolador per al vostre Arduino de fabricació pròpia, assegureu-vos de seleccionar-ne un que ja inclogui el carregador d’arrencada.

Aquí una mica de teoria del microcontrolador

Un microcontrolador és un petit ordinador amb un processador que executa instruccions. Té diversos tipus de memòria per contenir dades i instruccions del nostre programa (croquis); ATmega328P-PU té tres tipus de memòria: memòria flash ISP de 32kB (programació del sistema) on s’emmagatzemen esbossos, EEPROM d’1kB (memòria de lectura programable esborrable elèctricament) per a emmagatzematge de dades a llarg termini i SRAM de 2kB (memòria estàtica d’accés aleatori)) per emmagatzemar variables quan s'està executant un esbós.

NOTA: És important saber que les dades de la memòria flash i l'EEPROM es conserven quan es retira l'alimentació del microcontrolador.

El microcontrolador té 13 línies digitals d’entrada / sortida d’ús general (GPIO) i sis línies analògiques de 10 bits (valors entre 0 i 1023) al convertidor digital (ADC) de línies GPIO per convertir la tensió d’un pin en un valor digital. Hi ha tres temporitzadors amb dos temporitzadors de 8 bits amb valors entre 0 i 255 i un temporitzador de 16 bits amb valors entre 0 i 65535, que s’utilitzen per la funció delay () en un esbós o per la modulació d’amplada de pols (PWM).

Hi ha cinc modes d’estalvi d’energia seleccionables pel programari i el microcontrolador funciona entre 1,8V i 5,5V. Podeu utilitzar la imatge com a referència per al disseny del pin de l'ATmega328P-PU.

Hi ha tres grups de ports: PB, PC i PD amb 8, 7 i 8 pins respectivament, més dos pins de terra (GND), un pin de 5 V (VCC) amb tensió d’alimentació (AVCC) i tensió de referència analògica (AREF)) pins per al convertidor analògic-digital (ADC).

Pas 3: interconnexió ATmega328P-PU

Després de col·locar l’IC, connecteu els pins 7, 20 i 21 de l’ATmega al carril d’alimentació positiva de la placa i els pins 8 i 23 als rails d’alimentació negatius, utilitzeu cables de pont per connectar els rails d’alimentació positius i GND a banda i banda del tauler, com es mostra a la figura.

Pin 7 - Vcc - Voltatge de subministrament digital

Pin 8 - GND

Pin 22 - GND

Pin 21 - AREF - Pin de referència analògic per ADC

Pin 20 - AVcc - Tensió d'alimentació per al convertidor ADC. Cal connectar-se a l’alimentació si no s’utilitza ADC com en el nostre exemple. Si voleu utilitzar-lo en el futur, haureu d’alimentar-lo mitjançant un filtre de pas baix (per reduir el soroll).

Després d'aquest lloc, introduïu un pin de capçalera de catorze vies: serà similar als GPIO d'Arduino.

Pas 4: botó Restableix

Afegiu el petit interruptor tàctil perquè pugueu reiniciar l'Arduino i prepareu el xip per carregar un programa nou. Si premeu ràpidament aquest commutador es restablirà el xip.

Inserirem el botó de restabliment al nostre circuit com es mostra a la figura, quan el premem, el circuit elèctric s’escurçarà al GND passant per alt una resistència d’1 kOhm i connectant l’ATmega Pin 1 al GND. A continuació, afegiu un cable de la cama inferior esquerra del commutador al pin RESET del xip ATmega i un cable de la cama superior esquerra del switch a terra.

A més, afegiu una resistència de tracció de 10 k Ohm a + 5 V del pin RESET per evitar que el xip es restableixi durant el funcionament normal. Aquesta resistència es connectarà a la font d'alimentació de 5 volts, "tirant cap amunt" del pin 1 a 5 volts. I quan connecteu el pin 1 a 0V sense resistència, el xip es reiniciarà. Al microcontrolador de reinici, busqueu un programa nou que es carregui (en engegar-lo si no s'envia res nou, executa l'últim programa enviat).

La resistència té una franja de quatre colors. Llegir Marró = 1, Negre = 0, Taronja = 3 ens dóna el número 103. La resistència en ohms comença '10' amb 3 zeros després de - 10.000 Ohms o 10 quilos Ohms, i la franja daurada és la tolerància (5%)).

Per actualitzar el nostre circuit, podem col·locar un condensador de desacoblament. Col·loqueu un condensador ceràmic de 100 nF (nano Farad). És un disc petit amb dos cables amb el marcatge 104 i aquest tipus de condensador no està polaritzat i es pot col·locar en cap orientació.

Aquest condensador de "desacoblament" suavitza els pics elèctrics, de manera que es detecta de manera fiable el senyal de reinici enviat al pin 1. Els dígits 104 mostren la seva capacitat en pic Farad en notació científica. L'última figura '4' ens indica quants zeros s'ha de sumar. La capacitat comença "10" i després continua amb 4 zeros més: 100.000 Farads pico i, com que 1000 Farads pico són 1 nano Farad, hi ha 100 nano Farads (104).

Inseriu el condensador entre la cama superior esquerra del xip (pin 1, en sentit antihorari des de la forma de mitja lluna)

Pas 5: Oscil·lador de vidre

Ara farem el rellotge del CI. Es tracta d’un quars de 16 Mhz i dos condensadors ceràmics de 22pF (piko Farad) cadascun. L’oscil·lador de cristall crea un senyal elèctric amb una freqüència molt precisa. En aquest cas, la freqüència és de 16 MHz, cosa que significa que el microcontrolador pot executar 16 milions d’instruccions de processador per segon.

El cristall de 16 MHz (figura) permet a Arduino calcular el temps i els condensadors serveixen per suavitzar la tensió d’alimentació.

Les potes de vidre de quars són iguals: no es pot connectar cap enrere. Connecteu una pota del cristall al pin 9 del xip ATmega i l’altra pota al pin 10. Connecteu les potes d’un dels condensadors de disc de 22 pF al pin 9 i GND i un altre condensador de disc al pin 10 i GND, com que es mostra a la figura.

Nota: els condensadors de disc no són polaritzats i es poden inserir de qualsevol manera.

Val a dir que les longituds del cable entre els condensadors de 22pF han de ser iguals en longitud i han d’estar el més a prop possible del controlador per evitar interaccions amb altres parts dels circuits.

Pas 6: Afegir LED al pin 13

Ara afegirem el LED verd (pin digital 13 a Arduino).

Introduïu una cama llarga de LED a la fila que hi ha a sota del fil vermell (a la part dreta del xip - alimentació, o 5 volts) i la cama curta a la primera fila buida que hi ha a sota del microcontrolador.

Aquesta resistència de 330 Ohm està connectada en sèrie amb el LED, limitant la quantitat d'electricitat que flueix per evitar la destrucció dels LED.

Inseriu la resistència entre la cama curta del LED i la fila que conté el fil negre a la part dreta del xip (GND o 0 Volts)

Tots els pins analògics, digitals i altres disponibles a la placa Arduino normal també estan disponibles a la nostra versió de taulers de suport. Podeu utilitzar l’esquema ATmega i la taula de pins com a referència.

Pas 7: USB al connector sèrie

El microcontrolador ATmega 328P-PU proporciona tres modes de comunicació: un programable en sèrie USART (transmissor-receptor universal síncron i asíncron), un port sèrie SPI (Interface perifèrica en sèrie) i una interfície serial de dos fils. USART agafa bytes de dades i transmet seqüencialment els bits individuals, que requereixen línies de comunicació de transmissió (TX) i recepció (RX). SPI utilitza quatre línies de comunicació: entrada d’esclau master-out (MOSI), sortida d’esclau master-out (MISO) i rellotge en sèrie (SCK) amb una línia de selecció d’esclaus (SS) independent per a cada dispositiu. El bus de comunicacions I2C Two Wire Interface (TWI) utilitza dues línies de senyal: dades de sèrie (SDA) i rellotge de sèrie (SCL).

Per connectar la nostra placa al PC amb Arduino IDE per descarregar un esbós, utilitzarem una interfície USB a UART en sèrie, com ara el FT232R FTDI.

Quan compreu un cable FTDI, assegureu-vos que sigui el model de 5 V, perquè el model de 3,3 V no funcionarà correctament. Aquest cable (que es mostra a la figura) té un endoll USB en un extrem i una presa de corrent amb sis cables a l’altre.

Quan connecteu el cable, assegureu-vos que el costat de la presa de corrent amb el cable negre es connecti al pin GND dels pins de capçalera del tauler. Un cop connectat el cable, també subministra energia al circuit, tal com ho faria una placa Arduino normal.

Després connectarem el nostre FTDI amb la nostra placa Arduino de fabricació pròpia; per referència podeu utilitzar la taula i l'esquema.

Un condensador electrolític de 0,1 μF està connectat entre el pin DTR (Data Terminal Ready) de la interfície USB a la sèrie UART i el restabliment del microcontrolador, que restableix el microcontrolador perquè se sincronitzi amb l’USB a la interfície sèrie.

NOTA: la part més intel·ligent és que el pin RX del microcontrolador ha d'estar connectat al TX de l'USB a l'adaptador de sèrie i el mateix amb TX d'un dispositiu a RX de l'altre.

El pin CTS (Clear to Send) de l'USB a la interfície sèrie UART no està connectat al microcontrolador.

Per descarregar un esbós al microcontrolador a l'IDE Arduino des del menú Eines ➤ Port, seleccioneu el port de comunicació (COM) corresponent i des del menú Eines ➤ Tauler seleccioneu Arduino / Genuino Uno. L'esbós es compila a l'IDE Arduino i després es carrega al microcontrolador amb l'USB a la interfície UART sèrie. Quan es baixa l'esbós, parpellegen els LEDs verds i vermells de la interfície UART USB a sèrie TXD i RXD.

Es pot eliminar la interfície USB a sèrie UART i connectar una font d'alimentació de 5V al microcontrolador. Es connecten una resistència LED i 220kΩ al pin 19 del microcontrolador, equivalent al pin 13 Arduino, per executar l’esbós de parpelleig.

Pas 8: penjar Sketch o instal·lar el carregador d'arrencada

Si no teniu un convertidor USB a sèrie, podeu utilitzar un altre Arduino (en el meu cas, Arduino UNO) per carregar un esbós o un carregador d’arrencada a la placa feta a mida.

Els microcontroladors ATmega238P-PU requereixen un carregador d’arrencada per carregar i executar esbossos des de l’IDE Arduino; quan s'aplica alimentació al microcontrolador, el carregador d'arrencada determina si s'està carregant un esbós nou i, a continuació, carrega l'esbós a la memòria del microcontrolador. Si teniu l’ATmega328P-PU sense un carregador d’arrencada, podeu carregar-lo mitjançant la comunicació SPI entre dues plaques.

A continuació s’explica com pengeu un carregador d’arrencada a l’ATmega IC.

Primer, comencem per configurar el nostre Arduino UNO com a proveïdor d’Internet, això es fa perquè voleu que Arduino UNO pengi l’esbós a l’ATmega IC i no a ell mateix.

Pas 1: configurar el nostre Arduino UNO com a proveïdor d'Internet

No connecteu l'ATmega IC mentre s'està executant la càrrega següent.

• Connecteu l’arduino a un PC
• Obriu l'IDE arduino
• Seleccioneu el tauler adequat (Eines> Tauler> Arduino UNO) i el port COM (Eines> Port> COM?)
• Obre> Exemples> ArduinoISP
• Penja un esbós

Després podeu connectar la vostra pròpia placa a l'Arduino UNO seguint el circuit tal com es mostra a l'esquema. En aquesta etapa no cal alimentar la vostra pròpia placa, ja que l’Arduino proporcionaria l’energia necessària.

Pas 2: penjar un Sketch o Bootloader

Amb tot connectat, obriu l'IDE des de la carpeta que acabeu de crear (la còpia).

• Seleccioneu Arduino328 a Eines> Tauler
• Seleccioneu Arduino com a ISP a Eines> Programador
• Seleccioneu Grava el carregador d'arrencada

Després d'una gravació reeixida, obtindreu un "Fet cremador d'arrencada".

Ara el carregador d’arrencada es carrega al microcontrolador, que està preparat per rebre un esbós després de canviar el port COM al menú Eines ➤ Port.