Особливості підключення пристроїв до Arduino

Платформа для любителів робототехніки та автоматики Arduino славиться своєю модульною конструкцією і простотою роботи. Часом я натикаюся на рекламу, де заявляють, що можна зібрати свого робота, практично, не будучи знайомим з електронікою. Але це не зовсім так.

При неправильному підключенні деяких виконавчих пристроїв і механізмів ви можете спалити порти ардуінкі (про що я вже розповідав в статті про те, як не спалити Ардуіно). А якщо ви не знаєте, як поводитися з цифровими пристроями – в кращому випадку вам просто не вдасться встановити зв’язок.

Я купив кілька модулів для Ардуіно, що робити далі?

Щоб дізнатися про особливості підключення, напрузі живлення, логічних рівнях та інше потрібно ознайомитися з даташіта на ваш модуль.

Datasheet або даташит – це технічна документація на виріб. Таку документацію можна завантажити на будь-яку мікросхему або датчик. Зазвичай вони є на сайті виробника. Більш того, в мережі існують спеціальні ресурси, на яких зібрана ціла маса технічної документації, одним з таких є http://www.alldatasheet.com/

Уважно ознайомтеся з інформацією з даташіта, але на що слід звернути увагу? По-перше, у мікросхеми, крім основної частини назви зазвичай присутній змінна частина або приставка – найчастіше це одна або кілька букв.

Це свідчить про деякі особливості конкретної мікросхеми, наприклад про максимальної потужності, напрузі живлення і логічних рівнях (якщо пристрій цифрове), можливо про корпус, в якому вона виконана тощо.

Якщо ви не знайшли в даташіте відомостей про харчування і лог. рівнях зверніться в російськомовні спільноти arduino, на їх форумах зазвичай розглянуті особливості всіх поширених модулів.

У ArduinoUno напруга живлення і логічних рівнів 5 В, якщо зовнішній пристрій працює в 3.3 В діапазоні – вам доведеться сформувати їх, харчування можна влаштувати за допомогою LDO стабілізатора (лінійних з низьким падінням, для стабілізації йому потрібно не менше 1.3 вольт «зайвої напруги при максимальному струмі, проти 2-х вольт на стабілізаторах 78xx серії, що дозволяє отримати 3.3 вольта від 4.5 вольт (трьох пальчикових батарейок).

У технічній документації для цифрових датчиків і пристроїв також вказуються і назви протоколів, за якими вони «спілкуються» один з одним. Це можуть бути індивідуальні протоколи і стандартні, ті ж:

  • UART;

  • I2C;

  • SPI.

Ардуіно працює з ними. Це полегшить вам задачу в пошуку готових бібліотек і прикладів коду.

Узгодження і посилення сигналів

Питання про узгодження пристроїв і виконавчих механізмів з Ардуіно досить часто виникають у новачків. Ми розглянемо часто зустрічаються:

1. Узгодження ланцюгів по напрузі.

2. Узгодження потужності вихідного Піна і виконавчого пристрою, іншими словами посилення напруги і / або струму.

Узгодження логічних рівнів

Що робити якщо на моєму модулі логічні рівні 3.3 Вольта, а на Ардуіно 5 Вольт? Досить просто використовувати конвертер логічно рівнів. Його можна зібрати з дискретних елементів, а можна придбати готовий модуль на платі, наприклад такий:

Такий перетворювач двонаправлений, тобто він знижує високий рівень і підвищує відповідь низький. LV (1,2,3,4) – майданчики для підключення низькорівневих сигналів, HV (1,2,3,4) – високих рівнів, HV і LV без цифр – це напруги 5 і 3.3 Вольта, як і у джерел перетворюються сигналів , GND – земля або мінусовій провід. У конкретному екземплярі є 4 незалежних канали.

Узгодження ланцюгів з великою різницею напруги

Якщо ви збираєтеся заводити сигнал, наприклад з ланцюгів високої напруги, наприклад 220 В, потрібно використовувати оптопару. Це забезпечить гальванічну розв’язку і захист від високовольтних сплесків входів мікроконтролера. Такі ланцюга використовують, як для отримання сигналу, так і для вихідних сигналів від мікроконтролера в мережу, а також для управління симисторами в ланцюгах.

Імовірність появи високого потенціалу на платі Ардуіно в цьому випадку вкрай мала, це забезпечується відсутністю електричного контакту, а зв’язок здійснюється через оптичний канал, тобто за допомогою світла. Детальніше про це ви можете дізнатися вивчивши фото- та оптоелектронні прилади.

Якщо і станеться великий стрибок – то згорить оптопара, на зображенні це PC8171, але ніяк ви не увійдіть або порти мікроконтролера.

Підключення потужних споживачів

Так як мікроконтролер може тільки КЕРУВАТИ роботою пристроїв, ви не можете підключити потужний споживач до її порту. Приклади таких споживачів:

  • реле;

  • Магніти;

  • Електродвигуни;

  • Сервоприводи.

1. Підключення сервоприводу

Основне завдання сервоприводу – це задати положення ротора підключеного до виконавчих механізмів, контролювати і змінювати його за допомогою малих зусиль. Тобто, ви, за допомогою потенціометра, якщо сервопривід розрахований на обертання в межах половини обороту (180 градусів) або за допомогою енкодера, якщо необхідно кругове обертання (360 градусів) можете управляти положенням вала сервоприводу (електродвигуна в нашому випадку) довільної потужності.

Багато любителів робототехніки використовують Ардуіно в якості основи своїх роботів. Тут сервоприводи знайшли відмінне застосування. Їх використовують як привід поворотних механізмів для камер, датчиків і механічних рук. Радіомоделісти використовують для приводу повороту коліс в моделях автомобілів. У промисловості використовують великі приводи в ЧПУ верстатах та іншої автоматизації.

В аматорських маленьких Серв плата з датчиком положення і електронікою вбудована в корпус. З них зазвичай виходить три дроти:

  • Червоний – плюс харчування, якщо привід потужний краще підключати до зовнішнього джерела, а не до плати Ардуіно;

  • Чорний або коричневий – мінус, по підключенню також, як і плюс;

  • Жовтий або оранжевий – керуючий сигнал – його подають з цифрового Піна мікроконтролера (digital out).

Для управління Серв передбачена спеціальна бібліотека, звернення до неї оголошується на початку коду, командою “#include servo.h”.

підключення електродвигуна

Для приводу в рух механізмів і регулювання швидкості їх обертання найпростіше використовувати ДПТ (щітковий двигун постійного струму зі збудженням від постійних магнітів). Такі моторчики ви, напевно, бачили в радіокерованих машинках. Вони легко реверсують (включаються на обертання в потрібному напрямку) потрібно просто змінити полярність. Не намагайтеся їх підключити до пінам безпосередньо!

Краще використовувати транзистор. Підійде будь-який біполярний, хоч прямої (pnp), хоч зворотного (npn) провідності. Польові теж підійдуть, але при виборі конкретного переконайтеся, чи працює його затвор з логічним рівнями?

В іншому випадку він не буде відкриватися повністю, або ви спалите цифровий вихід мікроконтролера під час заряду затвора ємності – для них використовують драйвер, найпростіший спосіб – розгойдування сигналу через біполярний транзистор. Нижче наведена схема управління через польовий транзистор.

Якщо між G і S чи не поставити резистора – тоді затвор (G) не притягнуть до землі і може мимоволі “гуляти” від перешкод.

Як визначити, що польовий транзистор придатний для прямого управління з мікроконтролера дивіться нижче. У даташіте знайдіть параметр Vgs, наприклад для IRL540 всі виміри і графіки прив’язані до Vgs = 5v, навіть такий параметр, як опору відкритого каналу вказано для цієї напруги між затвором і витоком.


Крім щеточного ДПТ за такою ж схемою можна підключити куллер від комп’ютера, хоча там безщіткових двигун, обмотки якого управляються вбудованим перетворювачем плата якого розташована прямо в його корпусі.

Обороти цих двох типів двигунів легко регулювати змінюючи напругу живлення. Це можна зробити якщо базу транзистора підключити не в цифровому (digital output), а шим піну (~ pwm), значення якого визначається функцією “analogWrite ()”.

Реле й соленоїди

Для комутації ланцюгів, де не потрібно регулювання і часте перемикання зручно використовувати реле. Правильно підібравши відповідне, ви можете коммутировать будь струми і напруги при мінімальних втратах в провідності і нагріванні силових ліній.

Для цього потрібно подати напругу потрібної на котушку реле. На схемі реле, його котушка розрахована на управління 5-ю вольтами, силові контакти можуть комутувати і пару вольт і мережеві 220 В.

Магніти – це котушки або електромагнітні виконавчі пристрої.

приклади:

  • Привід замків дверей автомобіля;

  • Електромагнітні клапана;

  • Електромагніт в металургійному виробництві;

  • Силова установка гармати Гаусса та інше.

У будь-якому випадку типова схема підключення котушок постійного струму до мікроконтролеру або логіці виглядає так:

Транзистор для посилення керуючого струму, діод підключений в зворотному напрямку для захисту виходу мікроконтролера від сплесків ЕРС самоіндукції.

Пристрої введення і датчики

Ви можете управляти своєю системою за допомогою кнопок, резисторів, енкодерів. Кнопкою ви можете подати сигнал на цифровий вхід Ардуіно високого (high / 5V) або низького (low / 0V) рівня.

Для цього є два варіанти включення. Потрібна нормально-разомкнутая кнопка без фіксації для деяких цілей потрібен тумблер або кнопка з фіксацією – вибирайте самі залежно від ситуації. Щоб подати одиницю потрібно перший контакт кнопки підключити до джерела живлення, а другий до точки з’єднання резистора і входу мікроконтролера.

Коли кнопка натиснута на опорі падає напруга живлення, тобто високий (high) рівень. Коли кнопка не було натиснуто – струму в ланцюзі немає, потенціал на резисторі низький, на вхід подається сигнал “Low / 0V”. Цей стан називається “пін підтягнутий до землі, а резистор” pull-down “.

Якщо потрібно, щоб, при натисканні на кнопку, мікроконтролер отримував 0 замість 1, підключіть за цією ж схемою нормально-замкнуту кнопку або читайте далі як це зробити з нормально-розімкнутої.

Щоб давати микроконтроллеру команду нульовим сигналом схема трохи змінюється. До напрузі живлення підключається одна нога резистора, друга до точки з’єднання нормально-розімкнутої кнопки і цифрового входу Ардуіно.

Коли кнопка відпущена все напруга залишається на ній, вхід отримує високий рівень. Цей стан називається “пін підтягнутий до плюса”, а резистор “pull-up”. Коли ви натиснете кнопку ви шунтіруете (замикаєте) вхід на землю.

Дільник напруги і введення сигналу з потенціометра і резистивних аналогових

 

Дільник напруги застосовується для підключення змінних опорів, таких як терморезистори, фоторезистори та інше. За рахунок того, що один з резисторів постійний, а другий змінний – можна спостерігати зміну напруги в їх середньої точки, на зображенні вище воно позначене, як Ur.

Таким чином можна підключати різні аналогові датчики резистивного типу і датчики які під впливом зовнішніх сил змінюють свою провідність. А також потенціометри.

На зображенні нижче ви бачите приклад підключення таких елементів. Потенціометр можна підключати без додаткового резистора, тоді в крайньому положенні буде повне напруга, проте в мінімальному положенні потрібно забезпечити стабілізацію або обмеження струму – інакше буде коротке замикання.

висновки

Щоб без помилок підключити будь-який модуль і доповнення до мікроконтролеру потрібно знати основи електротехніки, закон Ома, загальні відомості про електромагнетизм, а також основи роботи напівпровідникових приладів. Насправді ви можете переконатися, що це все набагато простіше зробити, ніж слухати ці складні слова. Користуйтеся схемами з цієї статті в своїх проектах!

Олексій Бартош

Ссылка на основную публикацию