Ардуино что это такое и как пользоваться
Arduino для начинающих. Часть 1
Предисловие
Доброго времени суток, Хабр. Запускаю цикл статей, которые помогут Вам в знакомстве с Arduino. Но это не значит, что, если Вы не новичок в этом деле – Вы не найдёте ничего для себя интересного.
Введение
Было бы не плохо начать со знакомства с Arduino. Arduino – аппаратно-программные средства для построения систем автоматики и робототехники. Главным достоинством есть то, что платформа ориентирована на непрофессиональных пользователей. То есть любой может создать своего робота вне зависимости от знаний программирования и собственных навыков.
Начало
Создание проекта на Arduino состоит из 3 главных этапов: написание кода, прототипирование (макетирование) и прошивка. Для того, чтоб написать код а потом прошить плату нам необходима среда разработки. На самом деле их есть немало, но мы будем программировать в оригинальной среде – Arduino IDE. Сам код будем писать на С++, адаптированным под Arduino. Скачать можно на официальном сайте. Скетч (набросок) – программа, написанная на Arduino. Давайте посмотрим на структуру кода:
Важно заметить, что обязательную в С++ функцию main() процессор Arduino создаёт сам. И результатом того, что видит программист есть:
Давайте разберёмся с двумя обязательными функциями. Функция setup() вызывается только один раз при старте микроконтроллера. Именно она выставляет все базовые настройки. Функция loop() — циклическая. Она вызывается в бесконечном цикле на протяжении всего времени работы микроконтроллера.
Первая программа
Для того, чтоб лучше понять принцип работы платформы, давайте напишем первую программу. Эту простейшую программу (Blink) мы выполним в двух вариантах. Разница между ними только в сборке.
Принцип работы этой программы достаточно простой: светодиод загорается на 1 секунду и тухнет на 1 секунду. Для первого варианта нам не понадобиться собирать макет. Так как в платформе Arduino к 13 пину подключён встроенный светодиод.
Прошивка Arduino
Для того, чтоб залить скетч на Arduino нам необходимо сначала просто сохранить его. Далее, во избежание проблем при загрузке, необходимо проверить настройки программатора. Для этого на верхней панели выбираем вкладку «Инструменты». В разделе «Плата», выберете Вашу плату. Это может быть Arduino Uno, Arduino Nano, Arduino Mega, Arduino Leonardo или другие. Также в разделе «Порт» необходимо выбрать Ваш порт подключения (тот порт, к которому вы подключили Вашу платформу). После этих действий, можете загружать скетч. Для этого нажмите на стрелочку или во вкладке «Скетч» выберете «Загрузка» (также можно воспользоваться сочетанием клавиш “Ctrl + U”). Прошивка платы завершена успешно.
Прототипирование/макетирование
Для сборки макета нам необходимы следующие элементы: светодиод, резистор, проводки (перемычки), макетная плата(Breadboard). Для того, чтоб ничего не спалить, и для того, чтоб всё успешно работало, надо разобраться со светодиодом. У него есть две «лапки». Короткая – минус, длинная – плюс. На короткую мы будем подключать «землю» (GND) и резистор (для того, чтоб уменьшить силу тока, которая поступает на светодиод, чтоб не спалить его), а на длинную мы будем подавать питание (подключим к 13 пину). После подключения, загрузите на плату скетч, если вы ранее этого не сделали. Код остаётся тот же самый.
На этом у нас конец первой части. Спасибо за внимание.
Arduino
Arduino — это комбинация аппаратной и программной частей для простой разработки электроники. Аппаратная часть включает в себя большое количество видов плат Arduino со встроенными программируемыми микроконтроллерами, а так же дополнительные модули. Программная часть состоит из среды разработки (программы для написания скетчей и прошивки микроконтроллеров Ардуино), упрощенного языка программирования, огромного множества готовых функций и библиотек.
Ардуино создавалось преподавателями для большего вовлечения студентов в электротехнику. Идея имела огромный успех и Arduino пошло гораздо дальше. Благодаря открытой архитектуре производить данные микроконтроллеры, дополнять модельный ряд, писать программы может кто угодно. Все схемы и исходный код программ есть в открытом доступе.
После того, как Arduino получило более широкое распространение, многие производители электроники начали выпускать собственные платы на базе микроконтроллеров ардуино. Когда к производству подключились китайские производители, Ардуино стало гораздо доступнее и получило еще большую аудиторию. Платы микроконтроллеров Ардуино в китайских интернет магазинах стоят от 70 рублей.
Официальный сайт Ардуино
Изначально команда преподавателей, разработавших ардуино, открыли сайт arduino.cc. Но из-за разногласий, в коллективе произошел раскол в 2008 году. Отделившаяся часть создала другой сайт arduino.org. Это повлекло путаницу, из-за одинаковых названий для разных Ардуинок, программ и прошивок.
Только в 2017 году конфликт разрешился полностью. Так остался только один официальный сайт arduino.cc.
Официальный сайт Arduino на русском
Arduino — полностью открытая платформа. Разработчиком и производителем может стать абсолютно любой человек. А значит официальных сайтов существует не мало.
Для чего нужно Arduino
Ардуино создавалось для обучения студентов и школьников электротехнике, программированию, радиоэлектронике, системам автоматизации. С помощью микроконтроллеров можно делать не только учебные проекты, но и действительно полезные устройства. На Arduino создаются проекты автоматизации, устройства умного дома, портативные метеостанции, роботизированные манипуляторы и множество других полезных устройств.
Первоначальная цель Ардуино — это обучение. Детям гораздо интереснее учиться, если они могут сразу применять новые знания на практике, да еще и увидеть и потрогать плоды своих трудов. Гораздо интереснее обучаться экспериментируя, а не слушая сухую теорию.
Что умеет Ардуино
С технической точки зрения, Ардуино умеет принимать и отправлять сигналы в соответствии с инструкциями в прошивке. Звучит весьма скромно, но на практике это позволяет получать и обрабатывать информацию с сенсоров и передавать команды исполнительным механизмам или другим устройствам. Например: микроконтроллер может получать данные с датчиков температуры, давления, влажности и выводить сводную информацию на дисплей.
Этих возможностей хватает для реализации сложных устройств, таких как беспилотные летательные аппараты, 3D-принтеры, роботизированные манипуляторы, радиоуправляемые машинки, лодки, вездеходы и т. д. Возможности Ардуино ограничены только воображением. Если вам будет не хватать возможностей Ардуино, то существуют более мощные микроконтроллеры такие как Ардуино Мега, NodeMCU, STM32, Wemos, Raspberry Pi, Orange Pi.
Начало работы с Ардуино
Для того, что бы начать использовать Arduino необходимо приобрести плату Arduino или стартовый набор Arduino. Я советую выбрать стартовый комплект ардуино, так как он включает в себя не только микроконтроллер ардуино, но и беспаечную макетную плату, соединительные провода, кнопки, светодиоды и дополнительные детали. С таким набором вы сможет выполнить примеры из уроков по Arduino для начинающих. Это позволит вам быстро разобраться с принципами работы с Arduino.
После прохождения уроков вы будите знать как программировать Arduino, как обмениваться сигналами с другими модулями и устройствами. Вы сможете проектировать, а так же создавать ваши собственные устройства.
Arduino IDE
Для начала работы с Ардуино вам понадобится специальное программное обеспечение. Это среда для разработки прошивок Arduino IDE. В этой программе легко и удобно писать скетчи и загружать их на ваш микроконтроллер Ардуино. В среде разработки уже предустановленно большое количество примеров и дополнительных библиотек.
Ссылки на скачивание, инструкции по установке и настройке среды разработки есть на странице Arduino IDE.
Микроконтроллеры, модули и сенсоры
Микроконтроллеров Arduino существует несколько вариантов. Большинство плат ардуино мы собрали на этой странице. Там есть вся необходимая информация о конкретных моделях плат Arduino. Еще вы найдете требования к питанию, характеристики, назначения контактов конкретной платы ардуино. Самая распространенная ардуино — микроконтроллер Arduino Uno.
Arduino Uno
Подробное описание характеристик этого микроконтроллера вы сможете найти здесь. Эта плата прекрасно подходит для большинства задач, в том числе для обучения. Именно для этой платы создано большинство плат расширения (Shield). Они помогают с легкостью расширить функционал платы микроконтроллера ардуино. Характеристик самой Arduino Uno достаточно для большинства проектов. Для создания законченных устройств лучше подходят более маленькие представители семейства Ардуино. Это такие платы как Arduino Nano или Arduino Pro Mini.
Проекты Ардуино
Проектов на Ардуино огромное множество. Их можно разделить на категории:
Для Ардуино есть огромное количество инструкций и готовых скетчей. Вы легко сможете повторить любой проект, доработать его или адаптировать под свои нужны. Все необходимое есть в открытом доступе. С помощью Ардуино можно создать собственные аналоги устройств и сэкономить на этом. Системы умного дома стоят не малых денег, но с помощью ардуино вы легко сможете сделать такую же систему в разы дешевле.
Уроки Ардуино – учебник для начинающих
Эта вводная статья для тех, кто уже успел распаковать со своим ребенком десяток-другой цветных коробок от конструкторов, построил сотни разнообразных конструкций и заполнил деталями от Лего все доступные емкости в чулане. Если вы готовы перейти на следующий уровень: с электроникой, микроконтроллерами, датчиками и умными устройствами – значит, пришло время для экспериментов с Ардуино!
В этой серии статей мы соберем самое главное, что нужно узнать об Ардуино, чтобы начать заниматься с детьми самостоятельно. Даже если вы никогда не брали в руки паяльник и слова «контроллер» и «контроллёр» для вас имеют примерно схожий смысл, можете быть уверенными – у вас все равно все получится! Мир электроники и робототехники сегодня полон простых и очень удобных решений, позволяющих практически с нуля создавать очень интересные проекты. Наш учебник поможет вам быстро сориентироваться и сделать первые шаги.
Начало работы с Ардуино
Говоря бытовым языком, Ардуино – это электронная плата, в которую можно воткнуть множество разных устройств и заставить их работать вместе с помощью программы, написанной на языке Ардуино в специальной среде программирования.
Чаще всего плата выглядит вот так:
На рисунке показана одна из плат Ардуино – Arduino Uno. Мы изучим ее подробнее на следующих уроках.
В плату можно втыкать провода и подключать множество разных элементов. Чаще всего, для соединения используется макетная плата для монтажа без пайки. Можно добавлять светодиоды, датчики, кнопки, двигатели, модули связи, реле и создавать сотни вариантов интересных проектов умных устройств. Плата Ардуино – это умная розетка, которая будет включать и выключать все присоединенное в зависимости от того, как ее запрограммировали.
Вся работа над проектом разбивается на следующие этапы:
Программа и среда программирования выглядят вот так:
На экране показана программа (на сленге ардуинщиков текст программы называется “скетч”), которая будет мигать лампочкой, подсоединенной к 13 входу на плате Ардуино UNO. Как видим, программа вполне проста и состоит из понятных для знающих английский язык инструкций. В языке программирования Arduino используется свой диалект языка C++, но все возможности C++ поддерживаются.
Есть и другой вариант написания кода – визуальный редактор. Тут не нужно ничего писать – можно просто перемещать блоки и складывать из них нужный алгоритм. Программа загрузится в подключенную плату одним нажатием кнопки мыши!
Визуальную среду рекомендуется использовать школьникам младших классов, более старшим инженерам лучше сразу изучать “настоящий” Ардуино – это довольно просто, к тому же знания C++ никому не повредят.
В целом все выглядит довольно понятно, не так ли? Осталось разобраться в деталях.
Быстрый старт с Arduino
Для начала давайте поймем, с чем же и чем же мы собираемся заниматься. Что такое Ардуино и как его использовать? Если вы уже знакомы с темой – можете смело перескочить дальше. Если нет – давайте вместе выполним короткое погружение.
Ардуино – это…
Ардуино – это не бренд и не название поставщика конструкторов. Это общее название для целого семейства различных технологий и открытой платформы, в которую входят как аппаратные устройства (платы контроллеров и совместимое оборудование), так и софт, предназначенный для управления железками. По сути своей, Ардуино – это инфраструктура и среда, в которой можно собирать совместимые между собой электронные и механические компоненты в единое устройство, а потом через обычный компьютер за две минуты запрограммировать поведение этих самых железок так, как нам нужно.
Ардуино – это мостик из виртуального компьютерного мира в мир реальных вещей и устройств. Написав программу на обычном компьютере, мы управляем с ее помощью не виртуальными объектами, а вполне себе реальными датчиками, двигателями, экранами. Мы меняем мир вокруг себя – просто программируя на компьютере, используя бесплатный софт и множество уже готовых примеров библиотек.
Создателем Ардуино принято считать преподавателя института IDII итальянского города Ивреи Массимо Банци, который пытался создать удобную платформу для обучения студентов программированию. Выбрав уже готовый микроконтроллер ATMEGA, он просто добавил на плату необходимую для удобной работы обвязку. Собравшаяся затем великолепная команда из инженеров-электронщиков и разработчиков софта смогла создать продукт, который оказался крайне востребован рынком и быстро завоевал популярность. Более подробно об Ардуино можно почитать здесь и здесь.
Свое название технология получила, как это часто бывает, довольно случайно. Источником вдохновения послужил бар, в котором будущие создатели Ардуино любили выпить по кружечке чая. Называлось заведение именно так – Arduino, по имени главной исторической личности города Ивреа, короля Ардуино. Король какого-то яркого следа в истории не оставил и прослыл неудачником, но благодаря команде разработчиков новой платформы обрел новую популярность и сейчас известен миллионам людей по всему земному шару.
Почему Ардуино?
Вся прелесть Ардуино заключается в следующих простых преимуществах:
С чего начать?
Если вы хотите заниматься робототехникой с использованием Ардуино, то вам понадобится такой вот джентельменский набор:
В дальнейшем, если занятия действительно увлекут и будет желание продолжить эксперименты, то список оборудования будет расширяться:
Если первые шаги дадут результат, со временем вы будете узнавать половину людей, стоящих в очереди на почте (если до сих пор вы их еще не знаете), а почтальоны при встрече будут узнавать вас в лицо и нервно перебегать на другую сторону дороги.
Как купить Ардуино?
Прежде чем узнать что-то полезное, надо сначала купить что-то полезное. Для экспериментов с электроникой вам понадобится та сама электроника в виде конструктора или отдельных плат. Рекомендуется купить не очень дорогой отечественный набор с основными компонентами и затем уже заказать себе с Алиэкспресса датчики, двигатели, контроллеры и другие сокровища.
Вот несколько наиболее интересных и привлекательных по цене вариантов для покупки платы и наборов для первых уроков:
Если вы все-таки захотите купить плату Arduino отдельно, то вот несколько интересных ссылок:
Полезные советы по выбору платы можно найти в инернете (не только на нашем сайте). Если вы живете в большом городе, то покупка всего необходимого займет максимум два дня. Найти нужный магазин легко в интернете. Ну и еще один совет. Вы можете самостоятельно найти подходящие варианты на алиэкспрессе – ищите их по словам «starter kit».
Как отличить оригинал от подделки?
Пару слов о платах Arduino. Сегодня их на совершенно легальных условиях может делать любой производитель: как крупный, такой как Intel, так и мелкие noname поставщики из Китая. Надежность и удобство «китайских» и «официальных» платы Ардуино в большинстве случаев одинаковые. Поэтому незачем переплачивать – для своих учебных проектов можете смело покупать аналоги, которые легко найти в интернете. 
Как отличить «оригинал» от «совместимой платы»:
Еще раз подчеркнем, использование не оригинальных плат совершенно легально. Ардуино – открытая архитектура и разработчики дают возможность собрать свою версию платы всем желающим.
Нет возможности купить?
Если вы живете в Антарктиде или у вас действительно не хватает средств даже на самые простые наборы, то не отчаивайтесь – можно начать изучение Ардуино на виртуальных тренажерах. Самый мощный, простой и популярный сегодня вариант – это онлайн сервис Tinkercad от известной компании Autodesk. Вы сможете создавать электронные схемы, подключая множество разнообразных компонентов, а затем «включать» питание и измерять все электрические показатели. В библиотеке устройств есть и плата Ардуино, и даже встроенный редактор для программирования (включая визуальный!). Вы можете найти на нашем сайте отдельную статью с подробной информацией о Tinkercad.
Подводим итоги урока
В этой короткой начальной статье мы с вами узнали, что такое Ардуино, почему эту технологию называют именно так, как выглядят типичные проекты с использованием контроллеров Arduino. Начать создавать интересные технические проекты очень просто – для этого не обязательно быть электронщиком. Просто возьмите плату ардуино, соберите с ее помощью нужную электронную схему (можно найти много готовых примеров в интернете), подключите контроллер к компьютеру и загрузите программу. Умное устройство готово!
В следующих уроках мы с вами узнаем, как работает контроллер, разберем устройство платы Arduino Uno и запустим свой первый проект.
Полезные ссылки на учебники и сайты по Ардуино
Официальные сайты ардуино:
Отличные сайты с большим объемом полезной информации
И естественно, море полезной информации на Хабрхабре.
Arduino: выбор платы, подключение и первая программа
Авторизуйтесь
Arduino: выбор платы, подключение и первая программа
Arduino — это электронная платформа с открытым исходным кодом, которая позволяет взаимодействовать с окружающим миром. Благодаря ей можно создать всё, что придёт в голову — от простых электронных игрушек и автоматизации быта до электронной начинки боевого робота для состязаний, управляемого силой мысли (без шуток).
Из чего состоит Arduino?
На аппаратном уровне это серия смонтированных плат, мозгом которых являются микроконтроллеры семейства AVR. Подробнее о том, чем микроконтроллер отличается от микропроцессора.
Платы имеют на борту всё необходимое для комфортной работы, но их функциональности часто бывает недостаточно. Чтобы сделать свой проект более интерактивным, можно использовать различные модули и платы расширений, совместимые с платформой Arduino. Сюда входят датчики (температуры, освещения, влаги, газа/дыма, атмосферного давления), устройства ввода (клавиатуры, джойстики, сенсорные панели) и вывода (сегментные индикаторы, LCD/TFT дисплеи, светодиодные матрицы).
На программном уровне платформа Arduino представляет собой бесплатную среду разработки Arduino IDE. Микроконтроллеры надо программировать на языке C++, с некоторыми отличиями и облегчениями, созданными для быстрой адаптации начинающих. Компиляцию программного кода и прошивку микроконтроллера среда разработки берёт на себя.
Существует также s4a.cat — сервис, базирующийся на Scratch, позволяющий более наглядно вести разработку на Arduino. Он подойдёт для обучения детей, а также если вы разово хотите создать простое устройство без изучения языка программирования Arduino и различных документаций. Для остальных же случаев лучше придерживаться традиционного процесса разработки.
Нужно ли уметь паять?
Знания в области электромонтажа приветствуются, но совсем не обязательны. Простые устройства на базе Arduino часто выполняются в виде макета. Для этого используется беспаечная макетная плата (англ. breadboard), на которой происходит коммутация модулей с платой Arduino с помощью перемычек.
Макетная плата на 400 отверстий (имеются шины питания по бокам). Источник
Также существуют наборы, в которые входят сразу плата Arduino (оригинальная или от стороннего производителя), макетная плата, перемычки и различные радиоэлементы, датчики, модули. Например, такой:
Набор для изучения Arduino. Источник
Какие бывают платы
По производителю
Существуют как официальные версии плат Arduino, так и платы от сторонних производителей. Оригинальные платы отличаются высоким качеством продукта, но и цена тоже выше. Они производятся только в Италии и США, о чём свидетельствует надпись на самой плате.
На примере самой популярной платы Arduino UNO:
Оригинальная плата Arduino UNO. Источник
Плата Arduino UNO от стороннего производителя. Источник
По назначению
У платы UNO достаточно портов для реализации большинства проектов. Однако иногда возможностей UNO может быть недостаточно, а иногда — избыточно. По этой причине как оригинальный, так и сторонние производители выпускают большое количество плат, различающихся характеристиками микроконтроллера, количеством портов и функциональным назначением.
Различные платы Arduino. Источник
Самые популярные из них:
Установка ПО
После выбора необходимой платы нужно установить бесплатную среду разработки Arduino IDE, которую можно найти на официальном сайте, а также, по необходимости, драйвер CH340.
Недавно открылась облачная платформа Arduino Create, которая покрывает большинство этапов разработки (от идеи до сборки). Вам не нужно ничего устанавливать на свой компьютер, всё необходимое платформа берёт на себя. В первую очередь — онлайн редактор кода.
В Arduino Create имеется доступ к обучающим материалам, проектам. Вы сможете общаться с профессионалами и помогать новичкам.
Среда разработки Arduino IDE
Особенности программирования на платформе Arduino
Термины
Порты — неотъемлемая часть любого микроконтроллера. Через них происходит взаимодействие микроконтроллера с внешними устройствами. С программной стороны порты называются пинами. Любой пин может работать в режиме входа (для дальнейшего считывания напряжения с него) или в режиме выхода (для дальнейшей установки напряжения на нём).
Основные функции
Для базовой работы с платой в библиотеке Arduino есть следующие функции:
В остальном процесс программирования на Arduino такой же, как на стандартном C++.
Пишем первую программу
Вместо всем привычных Hello World’ов в Arduino принято запускать скетч Blink, который можно найти в Файл→Примеры→01.Basics→Blink. Там же можно найти множество других учебных скетчей на разные темы.
Рассмотрим скетч Blink:
Прошивка
После написания необходимо «залить» скетч на микроконтроллер. Как уже говорилось, платформа Arduino берёт весь процесс прошивки микроконтроллера на себя — вам лишь необходимо подключить плату к компьютеру.
Перед прошивкой микроконтроллера нужно выбрать вашу плату из списка в IDE. Делается это во вкладке Инструменты→Плата. Большинство существующих плат уже там есть, но при необходимости можно добавлять другие через Менеджер Плат.
После этого нужно подключить плату Arduino к любому USB-порту вашего компьютера и выбрать соответствующий порт во вкладке Инструменты→Порт.
Теперь можно приступать к прошивке микроконтроллера. Для этого достаточно нажать кнопку Загрузка, либо зайти на вкладку Скетч→Загрузка. После нажатия начнётся компиляция кода, и в случае отсутствия ошибок компиляции начнётся прошивка микроконтроллера. Если все этапы выполнены правильно, на плате замигает светодиод с периодом и интервалом в 1 сек.
Обмен данными с компьютером
В Arduino IDE есть Монитор порта. Запустить его можно через Инструменты→Монитор порта. После его открытия убедитесь, что Монитор работает на той же скорости, которую вы указали при инициализации последовательного порта в скетче. Это можно сделать в нижней панели Монитора. Если всё правильно настроено, то ежесекундно в Мониторе должна появляться новая строка « T for Tproger ». Обмен данными с компьютером можно использовать для отладки вашего устройства.
Информацию на стороне компьютера можно не только получать, но и отправлять. Для этого рассмотрим следующий скетч:
Таким способом можно пересылать информацию с компьютера на Arduino и обратно. Подобным образом можно реализовать связь между двумя Arduino.
А как подключать модули?
Для работы с датчиками и модулями их изготовители создают специальные библиотеки. Они служат для простой интеграции модулей в вашу систему. Подключение библиотеки возможно с zip файла или с помощью Менеджера Библиотек.