Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Budowa prostego układu

Aby zbudować pierwszy układ elektroniczny musimy zapoznać się z nowym elementem – płytką stykowąpłytka stykowapłytką stykową. Nazywa się ją także płytką prototypową lub uniwersalną. Montując układy elektroniczne bez użycia płytki stykowej, za każdym razem należałoby korzystać z nowej płytki drukowanej; konieczne byłoby ponadto lutowanie elementów. Dzięki płytce stykowej szybko uzyskasz zamknięty obwód i poprawisz ewentualny błąd (w przypadku lutowania nie byłoby to takie proste).

REqDchki2OoSn
Źródło: Contentplus.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Płytki stykowe mają różne rozmiary. Mogą się składać na przykład z 30 lub 60 wierszy. Po obu stronach płytki znajdują się szyny służące do rozprowadzania zasilania i masy po całej płytce. Są one oznaczone symbolami „+” oraz „–” oraz odpowiednio kolorem czerwonym i niebieskim. Symbole te na pewno widziałeś już nieraz na dowolnej baterii. W środkowej części, podzielonej na dwa obszary, znajdują się pola, w które wpina się różne podzespoły. Wewnątrz płytki otwory te są połączone blaszkami. Schemat połączeń pokazano poniżej.

R1Vn7fu0l0ZI6
Ważne!

Pamiętaj, że elementy wtykane do otworów należy ustawiać możliwie pionowo.

Mimo istnienia połączeń wewnątrz płytki stykowej, nie jesteśmy w stanie połączyć wszystkich elementów zgodnie ze schematem wkładając końcówki elementów do otworów w płytce. Z tego powodu będziemy używać także przewodów i zworek różnego rodzaju. Pokazujemy je na zdjęciu niżej.

Rc0fvrClLHUNG
Źródło: Contentplus.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Dioda LED – jest to niewielka lampka. W elektronice istotne jest odpowiednie podłączenie jej do zasilania. Pamiętajmy, że dodatnia elektrodę diody (plus) zawsze łączymy z plusem baterii, a elektrodę ujemną (minus) – z minusem zasilania. O ile jednak na baterii czy płytce stykowej plus i minus są wyraźnie oznaczone, o tyle na diodzie takich oznaczeń nie ma. Dioda jedną nóżkę ma dłuższą, a drugą krótszą. Nóżki są elektrodami: dłuższą nazywamy anodą, czyli plusem (+), natomiast krótszą katodą, czyli minusem (-).

ReULwiqq5QizR

A co się stanie, jeśli anodę podłączymy do minusa, a katodę do plusa? Nic. Dioda nie zaświeci. Element taki przewodzi prąd tylko w jednym kierunku i właśnie wtedy świeci. Jeśli pomylimy się podczas podłączania, dioda nie spali się, ale nie zadziała.

Rezystor (opornik) to proste urządzenie, które powinno zostać umieszczone między źródłem zasilania a diodą LED. Na płytce Arduino mamy do czynienia z napięciem 5 V. Czerwona dioda natomiast pracuje przy napięciu 1,2 V (wartość ta może się różnić w zależności od producenta). Zatem napięcie 5 V jest dla niej po prostu zabójcze. Jeżeli nie zastosujemy rezystora, to dioda zaświeci, ale tylko raz. Może też wybuchnąć. Trzeba będzie ją wyrzucić. Jeżeli użyjemy rezystora, to ograniczymy napięcie do poziomu bezpiecznego dla diody.

Rezystor ma budowę przypominającą walec z dwiema nóżkami. Na walcu są umieszczone oznaczenia w postaci pasków. Może ich być cztery, pięć lub sześć. Kolejne paski od lewej strony określają:

  • pierwszą cyfrę,

  • drugą cyfrę,

  • opcjonalnie trzecią cyfrę (w pięcio- oraz sześciopaskowych rezystorach),

  • mnożnik,

  • tolerancję,

  • współczynnik temperaturowy (w sześciopaskowych rezystorach).

Podstawowym parametrem rezystora jest opór (czyli rezystancja), a jego wartość wyraża się w omach (omega).

R1LYcyxHnRDeD
Ważne!

Pamiętaj, aby nie podłączać nic do płytki pod napięciem. O wiele bezpieczniej jest odłączyć ją od źródła zasilania, podłączyć wszystkie potrzebne elementy i dopiero ponownie włączyć. Napięcie 5 V jest na tyle małe, że gdybyśmy zapomnieli odłączyć płytkę od komputera, a zdarzyłaby się awaria, nie poczulibyśmy nic. Jednak mikrokontroler może ulec zniszczeniu.

Budowa pierwszego układu elektronicznego

Elementy potrzebne do budowy:

  • płytka Arduino Uno,

  • płytka stykowa,

  • kabel USB typu A‑B,

  • czerwona dioda LED,

  • rezystor 220 omega,

  • przewody i zworki połączeniowe.

Aby zbudować układ elektroniczny musimy wykonać następujące czynności:

  1. Czarnym przewodem łączymy masę płytki Arduino z płytką stykową. Na płytce Arduino znajdziemy złącze oznaczone GND. Jest to skrót od angielskiego słowa ground oznaczającego masę. Końcówkę przewodu wkładamy do tego właśnie złącza. Drugą wpinamy w dowolny otwór szyny oznaczonej minusem i kolorem niebieskim na płytce stykowej. Jeżeli nie mamy czarnego przewodu, to możemy użyć dowolnego innego. Przyjęto jednak, że do zasilania używa się przewodów czerwonych, natomiast do masy – czarnych. Ułatwia to szybką identyfikację, do czego podłączony jest przewód.

    R1PYNwUNlPnx6
    RMHdFKu9ZYOsg
    Źródło: Contentplus.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

  2. Wpinamy w płytkę stykową diodę i łączymy jej katodę (-) z szyną ujemną płytki stykowej. Oczywiście moglibyśmy pominąć krok, w którym łączymy masę płytki Arduino z szyną ujemną płytki stykowej i podłączyć bezpośrednio masę z płytki Arduino do katody diody LED. Jednak przedstawiony tu sposób postępowania pozwala wyrobić nawyki, które pomagają w zapewnieniu czytelności budowanego układu w późniejszych, bardziej skomplikowanych projektach. Masa dla wielu elementów będzie się łączyć na szynie ujemnej płytki stykowej.

    R42Mb3vWzB9b2
    Źródło: Contentplus.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

  3. Wpinamy rezystor. Robimy to tak, aby jedna nóżka znalazła się w tej samej szynie co anoda diody LED. Drugi koniec rezystora włączamy w wolny wiersz płytki stykowej.

    R15PxQFMNy8UA
    Źródło: Contentplus.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

  4. Łączymy pin 13. płytki Arduino z rezystorem.

    RDF82EDs2LB66
    Źródło: Contentplus.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

  5. Podpinamy płytkę Arduino kablem USB do komputera i przesyłamy szkic Blink do płytki.

    R1Wi7muaMajAe
    Film nawiązujący do treści materiału

Właśnie wykonaliśmy projekt według schematu pokazanego na rysunku poniżej. Prąd płynie od dodatniego bieguna baterii do rezystora (R), a następnie do diody (LED), która z kolei jest połączona z masą.

RWrq34LQePtv4

Zróbmy symulację programu Blink, za pomocą środowiska Tinkercad.

Zaloguj się na swoje konto na https://www.tinkercad.com/

R1UupWFsYF1CO

Na liście komponentów, znajdującej się po prawej stronie okna, znajdź płytkę stykową (prototypową).

Do tego ćwiczenia wystarczy nam mała płytka stykowa. Kliknij na nią lewym przyciskiem myszy i przesuń ją na środek okna.

RT5WyHHY0tdVq

Jeśli płytka zasłania nam cały widok okna, zmniejsz obszar roboczy. Skorzystaj ze scrolla myszki. Kręcąc kółkiem do siebie oddalisz widok. Kręcąc kółkiem od siebie widok będzie się powiększał.

R1IuQa2HDK66U

Znajdź na liście moduł Arduino Uno. Kliknij na moduł i przenieś go do obszaru roboczego.

R17W1EdBkYdRA

Jeśli uważasz, że masz za mały obszar roboczy, skorzystaj ze scrolla myszki i dopasuj widok do siebie.

R1RkLVozq8cdr

Znajdź na liście rezystor. Kliknij na niego i następnie „wepnij” go w płytkę stykową. Wystarczy najechać rezystorem nad płytkę stykową i kliknąć lewym przyciskiem myszy.

R1E0JaV0vQajY

Zwróć uwagę że po dodaniu rezystora do układu pojawiła się tabelka z właściwościami tego elementu. W miejscu gdzie podany jest opór możemy wpisać opór naszego rezystora. Zmieniając jego rezystancję, zmienią się również kolory na rezystorze. Natomiast z listy rozwijanej możemy wybrać wartość wyrażoną w pomega, nomega, µomega, momega, omega, komega, Momega oraz Gomega.

Zmieńmy wartość rezystora na 220 omega.

R1eWATPZJZFkD

Do naszego układu dodajmy diodę LED. Klikamy na nią myszką i przenosimy na płytkę stykową.

R1ag4w5kTDDs0

W okienku właściwości diody z listy rozwijanej możemy wybrać jej kolor.

Przejdźmy teraz do podłączenia naszego układu z Arduino Uno.

W pierwszej kolejności podepniemy katodę diody z pinem GND Arduino Uno. W tym celu najedź kursorem na pin płytki stykowej w którą wpięta jest katoda diody, kliknij lewym przyciskiem myszy i poprowadź przewód do pinu GND Arduino.

RE34oWL9tN6lE

Spójrzmy prawdzie w oczy - takie poprowadzenie przewodu nie jest „piękne” dla oka.

Ważne! Przewód możesz giąć na wszystkie strony, wystarczy kliknąć lewym przyciskiem myszy w miejscu gdzie przewód ma być zgięty.

RzUjqLrpaKqs3

Teraz wygląda to znacznie lepiej. Jednak przy podpięciu do pinu GND możemy poprawić przewód. Kliknij na znacznik, przytrzymaj i przeciągnij go aż pojawi się prowadnica.

RFLxnUA7S72Rf

Film z połączenia.

Rly1xAhomCu2Z
Film nawiązujący do treści materiału

Teraz połączymy wolną nóżkę rezystora z pinem D13 Arduino Uno.

R1Cp12ZYZEYRx

Zwróć uwagę na to, że przewód, który teraz podłączyliśmy też jest koloru zielonego. Przy małej ilości połączeń to nie stanowi problemu, ale gdy tych połączeń będziemy mieć znacznie więcej, taki widok nie będzie dla nas czytelny.

Po kliknięciu na przewód pojawi nam się okno właściwości, z listy rozwijanej możemy wybrać kolor, jaki nas interesuje.

R19B12M3uh3lz

Przejdźmy teraz do pisania kodu i symulacji.

W tym celu klikamy na przycisk Kod, z listy wybieramy Tekst, potwierdzamy chęć zmiany widoku i usuwamy zawartość.

RChMAR6ysc2Fk

Jeśli okno kodu zasłania nam widok układu, zmniejszmy widok i przesuńmy go, żebyśmy mieli podgląd na cały układ.

R1KkeJUDOyZgO

Wpisz kod programu Blink.

R1A3sCCcKtun1

Następnie wciśnij przycisk Uruchom symulację i sprawdź działanie programu.

R1Z91PoO1XqtR

Film z działania programu.

R18f2f5nCmXPJ
Film nawiązujący do treści materiału

Komunikacja z komputerem

Komunikacja na linii komputer‑Arduino odbywa się z wykorzystaniem protokołu UART. Jest to praktycznie ten sam interfejs komunikacyjny co RS232 opracowany przez firmę Gordon Bell, z tą różnicą, że RS232 pracuje przy napięciach od -15 V do 15 V, a UART wykorzystuje napięcia od 0 V do 5 V. UART jest protokołem szeregowym. Działa na zasadzie wysyłania ciągu bitów, które składane są w pojedyncze ramki informacji. Ramka protokołu UART składa się z:

  • bitu startu,

  • od 5 do 8 bitów danych,

  • bitu parzystości (opcjonalnego),

  • bitu stopu o wartości 1, 1,5 lub 2 bitów.

R1bAJrgG5gRm3

Dodatkowo piny cyfrowe 0 oraz 1 na płytce Arduino Uno są oznaczone jako RX oraz TX. Dzięki tym właśnie wyprowadzeniom możemy komunikować się za pośrednictwem protokołu UART z innymi urządzeniami.

Wysyłanie informacji z płytki do komputera

Aby wysyłać informacje z płytki Arduino do komputera musimy określić w szkicu prędkość transmisji. Służy do tego polecenie Serial.begin(prędkość).

Linia 1. void setup otwórz nawias okrągły zamknij nawias okrągły otwórz nawias klamrowy. Linia 2. Serial kropka begin otwórz nawias okrągły 9600 zamknij nawias okrągły średnik. Linia 3. zamknij nawias klamrowy. Linia 5. void loop otwórz nawias okrągły zamknij nawias okrągły otwórz nawias klamrowy. Linia 7. zamknij nawias klamrowy.

Ustawiliśmy prędkość 9600 bodówbodbodów (baudów). Wystarcza ona do komunikowania się z komputerem. Pamiętajmy, aby tę samą prędkość ustawić w Monitorze portu szeregowego. Klikamy Monitor portu szeregowego w Arduino IDE.

RBtv7LZgGxAK01

Następnie na dole okna ustawiamy prędkość równą 9600.

R1AH9OgzyLavK

Po wgraniu szkicu i włączeniu Monitora portu szeregowego nic na ekranie się nie pojawia. Dodajmy instrukcję wyświetlającą napis Witaj świecie.

Linia 1. void setup otwórz nawias okrągły zamknij nawias okrągły otwórz nawias klamrowy. Linia 2. Serial kropka begin otwórz nawias okrągły 9600 zamknij nawias okrągły średnik. Linia 3. Serial kropka println otwórz nawias okrągły cudzysłów Witaj świecie cudzysłów zamknij nawias okrągły średnik. Linia 4. zamknij nawias klamrowy. Linia 6. void loop otwórz nawias okrągły zamknij nawias okrągły otwórz nawias klamrowy. Linia 8. zamknij nawias klamrowy.
RUFT4MBuNys73

Przejdźmy teraz do symulatora układów Tinkercad.

Znajdź na liście moduł Arduino Uno, kliknij na niego i przenieś na środek okna.

R2bqPnT9NePk2

Teraz klikamy na przycisk Kod, z listy wybieramy Tekst, potwierdzamy chęć zmiany widoku i usuwamy zawartość i przechodzimy do pisania kodu.

R6QCYOJcLbXfq

Aby uruchomić Monitor portu szeregowego, należy kliknąć na belkę z napisem: Konsola szeregowa.

RM0DNflAsxbLD

Sprawdźmy, czy nasza komunikacja zadziała. Uruchamiamy symulację.

R1s9owNNE8VRB

Niestety środowisko Tinkercad ma problemy z polskimi znakami. Jeśli kogoś razi to bardzo w oczy możemy w kodzie usunąć polskie znaki.

Ważne!

Zmiana kodu możliwa jest tylko wtedy, gdy symulacja jest wyłączona.

RsWHfQivLh8sk

W celu usunięcia informacji wyświetlanych w Konsoli, należy nacisnąć przycisk Wyczyść.

Film z działania programu.

R16ch2fyfMibu
Film nawiązujący do treści materiału

Sterowanie płytką Arduino z komputera

Teraz napiszmy program, który za pomocą komendy wydanej w Monitorze portu szeregowego włączy lub wyłączy diodę.

Linia 1. char znak średnik. Linia 3. void setup otwórz nawias okrągły zamknij nawias okrągły otwórz nawias klamrowy. Linia 4. pinMode otwórz nawias okrągły 9 przecinek OUTPUT zamknij nawias okrągły średnik. Linia 5. Serial kropka begin otwórz nawias okrągły 9600 zamknij nawias okrągły średnik. Linia 6. zamknij nawias klamrowy. Linia 8. void loop otwórz nawias okrągły zamknij nawias okrągły otwórz nawias klamrowy. Linia 9. if otwórz nawias okrągły Serial kropka available otwórz nawias okrągły zamknij nawias okrągły zamknij nawias ostrokątny 0 zamknij nawias okrągły otwórz nawias klamrowy. Linia 10. znak znak równości Serial kropka read otwórz nawias okrągły zamknij nawias okrągły średnik. Linia 12. if otwórz nawias okrągły znak znak równości znak równości apostrof 1 apostrof zamknij nawias okrągły otwórz nawias klamrowy. Linia 13. digitalWrite otwórz nawias okrągły 9 przecinek HIGH zamknij nawias okrągły średnik. Linia 14. zamknij nawias klamrowy else if otwórz nawias okrągły znak znak równości znak równości apostrof 2 apostrof zamknij nawias okrągły otwórz nawias klamrowy. Linia 15. digitalWrite otwórz nawias okrągły 9 przecinek LOW zamknij nawias okrągły średnik. Linia 16. zamknij nawias klamrowy. Linia 17. zamknij nawias klamrowy. Linia 18. zamknij nawias klamrowy.

Aby program działał prawidłowo zbudujmy odpowiedni układ. Jest on bardzo podobny do tego skonstruowanego wcześniej; różni się tylko tym, że dioda jest podpięta do pinu 9. zamiast 13., tak aby pokazać, że możemy sterować każdym pinem cyfrowym.

R4q1RjAmssGKM

W funkcji setup() ustawiamy pin numer 9 jako pin wyjściowy. Następnie inicjujemy transmisję szeregową i ustawiamy jej prędkość.

Używając instrukcji warunkowej if sprawdzamy, czy została wysłana do płytki jakaś informacja. Jeżeli tak było, odczytujemy ją za pomocą deklaracji Serial.read(); i zapisujemy w zmiennej typu char o nazwie znak.

Założyliśmy, że liczba 1 będzie włączać diodę LED podpiętą do pinu 9., natomiast liczba 2 będzie tę diodę wyłączać.

Korzystamy znowu z instrukcji warunkowej if i tym razem sprawdzamy czy to co znajduje się w zmiennej znak. Informacja pobrana z portu szeregowego jest znakiem 1 lub 2. Jeżeli jest to znak 1, to ustawiamy stan pinu 9. na wysoki; natomiast jeżeli jest to liczba 2, ustawiamy stan pinu 9. na niski. Wgrywamy szkic do płytki Arduino i sprawdzamy czy działa prawidłowo.

Po wgraniu szkicu otwieramy Monitor portu szeregowego i wpisujemy znak 1. Aby ta instrukcja (znak) została wysłana do Arduino, wciskamy [Enter] lub klikamy przycisk Wyślij.

W tym momencie dioda powinna się zaświecić. Z kolei po wysłaniu 2 do płytki Arduino dioda zgaśnie.

Przejdźmy teraz do symulatora Tinkercad.

Z listy dostępnych komponentów wybierz płytkę stykową. Kliknij na nią i umieść ją w głównym oknie.

RZgreoolCCAFU

Następnie znajdź moduł Arduino Uno i umieść go obok płytki stykowej. Jeśli widok jest za duży, skorzystaj ze scrolla i dopasuj do swoich potrzeb.

R3QwXI6ebI5Qd

Następnie znajdź rezystor i umieść go na płytce stykowej.

Zmień jego wartość na 220 omega.

RjW0OzA8j6qg6

Na liście znajdź diodę LED i umieść ją na płytce stykowej. Anodę połącz z jedną z nóżek rezystora.

R1aQFFQnNL4Pr

Teraz przechodzimy do łączenia elementów z Arduino Uno. W pierwszej kolejności podłączymy katodę diody z pinem GND Arduino.

R1B0Om2vwVuVc

W drugiej kolejności podłączymy anodę diody z pinem D9 Arduino.

RvEO9FB4qPyNA

Teraz przejdźmy do pisania kodu. Klikamy na przycisk Kod, z listy wybieramy Tekst, potwierdzamy chęć zmiany i usuwamy zawartość.

Wpisujemy kod do okna.

RoCKyhDjBxC2r

Klikamy na belkę Konsola szeregowa i uruchamiamy symulację.

Wpisz 1, wyślij informację klikając na przycisk Wyślij i sprawdź jak zachowa się dioda LED.

R16mhyUL9nleh

Po wysłaniu 2, nasza dioda powinna zgasnąć.

R1SEyBGR3I4mc

Film z działania programu.

RggC6UxESaSmv
Film nawiązujący do treści materiału

Słownik

GND
GND

skrót od angielskiego słowa ground oznaczającego masę układu

UART
UART

(ang. Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) uniwersalny asynchroniczny odbiornik i nadajnik

zmienna typu char
zmienna typu char

zmienna wielkości 1 bajta, przechowuje wartości od -128 do 127

płytka stykowa
płytka stykowa

płytka służąca do budowania prototypów układów elektronicznych bez potrzeby lutowania

bod
bod

(ang. baud) jednostka prędkości transmisji, określająca ile razy w ciągu sekundy zmienia się stan medium transmisyjnego; w przypadku łącza, w którym operuje się wyłącznie symbolami 0 i 1, prędkość transmisji wynosząca 1000 bodów oznacza przesłanie 1000 bitów w ciągu sekundy; symbolem boda (bauda) jest Bd