Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

«Автоматизация технологических процессов и производств»

Демин Дмитрий Александрович

Томск - 2019



Введение

В настоящее время на рынке программируемых микроконтроллерных плат наиболее популярными решениями являются платы семейства Arduino и платы Raspberry Pi. Вторые являются, фактически, полноценными миникомпьютерами, позволяющими решать различные задачи в области автоматизации и управления - это может быть умный дом, медиасервер, система безопасности и др. Arduino, на первый взгляд, предоставляет несколько меньшие возможности, так как у стандартных плат данной линейки отсутствует операционная система, однако в плате Arduino Yuмn на борту размещена операционная система Linux.

Если проанализировать различные информационные источники, посвященные платам Arduino, можно сделать вывод о том, что платы данного класса являются достаточно популярными, несмотря на несколько меньшие возможности, предоставляема ими, в отличие от плат Paspberry Pi. Популярность плат данного производителя объясняется двумя факторами - обилие информации, в том числе с пошаговыми инструкциями по изготовлению устройств и достаточно большим количеством разнообразных модулей - от простых измерителей расстояния до систем GPS и GSM. Кроме того, немаловажным фактором популярности является низкая (приблизительно в 20 раз) цена плат-аналогов, которые могут быть заказаны в различных интернет-магазинах.

Целью настоящей работы является изготовление прототипа технического устройства, позволяющего выводить на жидкокристаллический дисплей значения аналоговых входов микроконтроллерной платы Arduino.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи

1. Ознакомиться с микроконтроллерной платой Arduino: изучить принципы её программирования, основы языка и работы с внешними устройствами;

2. Разработать алгоритм функционирования устройства, представить блок-схему алгоритма функционирования;

3. Выбрать программу, позволяющую эмулировать плату Arduino и в выбранном эмуляторе написать программу в соответствии с разработанным алгоритмом;

4. Произвести отладку программы и корректировку ошибок в случае, если таковые будут обнаружены;

5. Протестировать разработанную программу на реальном железе;

6. Сделать выводы по полученным результатам.



1. Микроконтроллерная плата Arduino

Arduino представляет собой торговую марку программно-аппаратных средств для построения простых систем автоматики и робототехники. Фактически электронный блок Arduino является аналогом материнской платы современного компьютера. Программная часть представляет собой бесплатную оболочку IDE для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Arduino может взаимодействовать с окружающей средой, получая информацию с датчиков физических величин, и так же сам может воздействовать на нее - управлять визуальными эффектами, электромоторами и т.д.

Проект Arduino был разработан итальянцем Массимо Банци, первый прототип был выпущен в 2005 году. Изначально Массимо пользовался устройством BASIC Stamp, которое имело два недостатка - малая производительность и высокая стоимость. Поэтому, для удобства работы была поставлена цель, заключающаяся в самостоятельном создании устройства, представляющего собой простую, открытую платформу с небольшой стоимостью. Плата должна была работать по принципу plug-and-play. Это позволяло бы работать с ней, просто подключив плату к компьютеру. Чтобы она отличалась от других производителей, было решено добавить большее количество выводов печатной платы. Добиться дешевизны удалось с помощью использования дешевых и доступных компонентов. На сегодняшний день, платформа Arduino представлена семейством плат, отличающихся друг от друга мощностью, компактностью, работой в различных условиях.

Аппаратная часть (на примере самой распространенной платы Arduino UNO) представляет собой плату c размещенными на ней компонентами (рис. 1). Главным компонентом является микроконтроллер, который является главным элементом и основной вычислительной системой платформы. Выводы микроконтроллера удобно расположены по краям платы - 6 аналоговых и 14 цифровых.

Рисунок 1 - Arduino UNO

Существует аналог Arduino UNO - Arduino Nano, в которой применяются компоненты меньшего размера. За счет этого и сама плата обладает меньшими размерами.

Более производительный аналог - Arduino Mega. Эта плата разработано для более крупных проектов, рассчитанных на большее количество подключаемых устройств и более емкого программного кода (содержит 16 аналоговых и 54 цифровых выходов). Объем памяти в 4 раза больше, чем у Arduino Uno.

Arduino Leonardo идеально подходит для создания на ее основе различных устройств ввода. Это связано с применяемым микроконтроллером Atmega32u4. Компьютер распознает плату как подключенную к нему клавиатуру или мышь.

Для разработки небольших устройств была создана плата Arduino Mini, которая имеет очень компактные размеры. Ее вторая версия, Arduino Pro Mini, отличается отсутствием выводов, поэтому ее нельзя подключить к компьютеру через USB. Программируется такая плата через специальные преобразователи и адаптеры.

Еще одной особенностью Arduino является возможность установки плат расширения («шилды»), которые расширяют функционал платы - позволяют подключаться к локальным сетям и Интернету, получают данные со спутников GPS, позволяют управлять электромоторами и т.д. Соединяются они путем жесткого соединения в стопку через штыревые линейки.

В процессор можно загрузить написанную программу, которая будет управлять всеми подключенными устройствами по заданному алгоритму. Программы пишутся на языке C++, дополненным функциями для управления вводом/выводом на контактах.

К плате Arduino могут быть подключено множество радиокомпонентов - кнопки, переключатели, различные датчики, световые индикаторы, различные дисплеи, джойстики и прочее периферийное оборудование (если известен протокол обмена, можно подключить практически любое устройство). Кроме датчиков, к плате можно подключить шилды (рис. 3) - отдельные платы, расширяющие функциональность устройств. В качестве примера рассмотрим шилд прототипирования (рис. 3) и Ethernet шилд (рис. 4).

Рисунок 2 - Подключение шилдов



Шилд представляет собой плату дополнения. Шилды могут быть на полноразмерными и отдельными. Полноразмерные по форме повторяют форму Arduino, UNO, Nano или MEGA. Отдельные модули - платы произвольной формы, созданные для выполнения определенных функций. Все они могут быть как универсальными, так и узкоспециализированными.

Шилд для макетирования предназначен для платы UNO. На нем расположена беспаечная макетная плата для сборки проекта и выводы, дублирующие выводы Arduino UNO.

Рисунок 3 - Макетная плата

С помощью этих плат можно организовать управление микроконтроллером по сети через кабель Ethernet, например, или без проводов - через GSM.



Рисунок 4 - Ethernet Shield

Эта плата называется w5100 - содержит Ethernet модуль и модуль SD-карты, что позволит хранить данные, например лог измерений датчиков на карту памяти и управлять системой через web-интерфейс. W5500 - еще один вариант Ethernet-шилда. По своей сути - это доработанная версия W5100, оптимизированная в плане скорости и энергоэффективности.

LCD Keypad shield - это настоящая панель управления. На нём расположен дисплей LCD1602 (16*2), и набор кнопок (рис. 5).

Рисунок 5 - LCD-keypad



Существует много дисплеев совместимых с Arduino - популярен дисплей от NOKIA 5110. Есть как OLED, так и TFT экраны, работающие по шине I²C (рис. 6).

Рисунок 6 - LCD

Использование шилдов для всех задач проекта позволит избежать излишнего числа перемычек и соединений, а это снизит количество ошибок и лишних перемычек. После сборки вы получите многоэтажный бутерброд из плат заводского изготовления. Такой подход иногда называют «модульная конструкция». Между прочим, это облегчит обслуживание, ремонт и наладку оборудования.

Энтузиасты практикуют проектирование, разводку и сборку уникальных модулей. Это одна из причин высокой популярности Arduino не просто как платформы для самоделок, макетов и прототипов, но и как платформы для готовых решений.

2. Разработка алгоритма функционирования

В соответствии с вариантом задания, необходимо разработать устройство, позволяющее считывать значения сигнала с аналоговых входов микроконтроллерной платы Arduino. И выводить эти значения на жидкокристаллический дисплей.

Алгоритм может выглядеть следующим образом:

1. Считывание информации с аналоговых входов;

2. Вывод информации на жидкокристаллический дисплей

3. Задержка в 500 мс;

4. Переход к п. 1.

Таким образом, данный алгоритм будет выполняться до тех пор, пока на плату подается питающее напряжение.

3. Выбор программного эмулятора платы

Рассмотрим простой и удобный редактор для поставленной задачи программный продукт. Называется он TinkerCAD и выполнен в виде web-приложения. Расположен он по адресу www.tinkercad.com. Является бесплатным. Изначально был сделан независимыми разработчиками, но позже приобретен Autodesk. Зарегистрироваться в TinkerCAD можно используя единую Autodesk учетную запись (или без наличия таковой).

4. Отладка программы и корректировка ошибок

Дня создания проекта необходимо войти в учётную запись и выбрать вкладку Circuits. В правой части размещается перечень компонентов.

Для того, чтобы перенести компонент из панель компонентов на макетное пространство, необходимо щелкнуть по нему левой кнопкой мыши и перетащить.

В нашем случае нам понадобится жидкокристаллический дисплей 16 столбцов на 2 строки, постоянный резистор на 510 Ом и плата Arduino Uno (рис. 8).



Рисунок 7 - TinkerCAD

Питание на дисплей подаётся через 1-й (VSS) и 2-й (VDD) выводы. К выводам 15 (А) и 16 (K) - подаётся питание на подсветку дисплея. 5-й вывод (RW) используется для чтения с дисплея либо для записи в него. Поскольку мы будем только писать в дисплей, соединим этот вывод с землёй (GND). Выводы: 4 (RS), 6 (E), 11 (D4), 12 (D5), 13 (D6), 14 (D7) подключаем к цифровым пинам Arduino.

Для написания кода, который будет исполняться на модели, необходимо щелкнуть на вкладке код, при этом откроется панель (рис. 9)



Рисунок 8 - Собранная модель

Рисунок 9 - Панель написания кода.

1. #include <LiquidCrystal.h>

2. LiquidCrystal lcd(7,6,5,4,3,2); // (RS,E,DB4,DB5,DB6,DB7)

3. long previousMillis = 0;

4. long interval = 500;

5. void setup(){

6. lcd.begin(16, 2); // Задаем размерность экрана

7. void loop(){

8. unsigned long currentMillis = millis();

9. if(currentMillis - previousMillis > interval) {

10. // сохраняем время последнего переключения

11. previousMillis = currentMillis;

12. lcd.setCursor(0,0);

13. lcd.print("A0=");

14. lcd.print(analogRead(A0));

15. lcd.setCursor(10,0);

16. lcd.print("A1=");

17. lcd.print(analogRead(A0));

18. lcd.setCursor(0,1);

19. lcd.print("A2=");

20. lcd.print(analogRead(A0));

21. lcd.setCursor(10,1);

22. lcd.print("A3=");

23. lcd.print(analogRead(A0));

Рассмотрим программный код более подробно.

В первой строчке происходит подключение библиотеки для работы с жидкокристаллическим дисплеем.

Во второй строчке происходит объявление объекта - жидкокристаллического дисплея и инициализация его подключения к пинам.

В четвертой строчке задаётся начальное значение переменной, отвечающей за интервал обновления информации на дисплее.

В строках 5 - 7 располагается программный код, выполняющийся однократно при запуске микроконтроллерной платы - происходит задание размерности дисплея, в нашем случае 16*2.

В строках 8 - 25 располагается основная программа, выполняющаяся бесконечное число раз, пока на плату подается питание.

В 9 строке происходит получение интервала времени, прошедшего с момента включения платы.

В строках 10 - 25 выполняется вывод на экран значений аналоговых пинов, в случае, если прошло больше 500 мс. Позиционирование курсора жидкокристаллического экрана выполняется с помощью функции библиотеки. Параметры функции - номер столбца и номер строки, соответственно.

Для запуска программы необходимо щелкнуть по кнопке «Начать моделирование». Программа запустится на исполнение (рис. 9).

Рисунок 10 - Исполнение программы.



Так как программа ошибок не выдает, можно перейти к проверке работоспособности на реальном устройстве.

5. Тестирование программы на Arduino Mega 2560

Для выполнения проверки работоспособности на реально устройстве будет использоваться Arduino Mega и жидкокристаллический дисплей 20*4 с интерфейсом I²C. Для корректной работы понадобится незначительная модификация кода.

Последовательный протокол обмена данными IIC (также называемый I²C - Inter-Integrated Circuits, межмикросхемное соединение) использует для передачи данных две двунаправленные линии связи, которые называются шина последовательных данных SDA (Serial Data) и шина тактирования SCL (Serial Clock). Также имеются две линии для питания. Шины SDA и SCL подтягиваются к шине питания через резисторы.

В сети есть хотя бы одно ведущее устройство (Master), которое инициализирует передачу данных и генерирует сигналы синхронизации. В сети также есть ведомые устройства (Slave), которые передают данные по запросу ведущего. У каждого ведомого устройства есть уникальный адрес, по которому ведущий и обращается к нему. Адрес устройства указывается в паспорте (datasheet). К одной шине I²C может быть подключено до 127 устройств, в том числе несколько ведущих. К шине можно подключать устройства в процессе работы, т.е. она поддерживает «горячее подключение».



Рисунок 11 - Шина I²C

Мастер инициирует обмен. Для этого он начинает генерировать тактовые импульсы и посылает их по линии SCL пачкой (9 штук). Одновременно на линии данных SDA он выставляет адрес устройства, с которым необходимо установить связь, которые тактируются первыми 7-ми тактовыми импульсами (отсюда ограничение на диапазон адресов: минус нулевой адрес). Следующий бит посылки - это код операции (чтение или запись) и ещё один бит - бит подтверждения (ACK), что ведомое устройство приняло запрос. Если бит подтверждения не пришёл, на этом обмен заканчивается. Или мастер продолжает посылать повторные запросы.

Для определения I²C адреса дисплея воспользуется скетчем, представленным на рис. 12.



Рисунок 12 - Определение адреса дисплея.

Далее, если открыть монитор последовательного порта, в нём отобразиться адрес (рис. 13).

Рисунок 13 - Вывод адреса



Модифицированный код приведён в приложении. Фотографии устройства представлены на рис.

Рисунок 14 - Реальное устройство



Заключение

Данная работа была посвящена разработке технического устройства, позволяющего производить считывание информации с аналоговых входов микроконтроллерной платы Arduino. В ходе выполнения данной работы были изучены основные алгоритмические конструкции языка программирования плат Arduino, разработан алгоритм функционирования.

Так как по задание предполагалось выполнение операции считывания информации с аналоговых входов и её отображение, необходимо было реализовать механизм задержки считывания показаний. Стандартная возможность языка программирования - использование функции delay блокирует выполнение на заданное в качестве параметра значение, что не позволяет выполнять обращение к другим функциям. Для решения данной проблемы был использован механизм сравнения интервалов, не использующий функцию delay.

Для создания устройства предварительно была разработана его модель, для чего использовалась среда TinkerCad, позволяющая проводить моделирования различных электронных схем. После написания программного кода была произведена отладка, которая не выявила ошибок.

Для проверки на реальном устройстве была использована плата Arduino Mega 2560, имеющая большее количество выводов, чем плата UNO, но на алгоритм функционирования это не влияет.

Кроме того, для проверки работоспособности схемы на реально устройстве потребовалось подключать жидкокристаллический дисплей по интерфейсной шине I²C, для чего был кратко рассмотрены особенности работы данной интерфейсной шины.

Так как дисплей имеет большую размерность, но экран были выведены значения 9 аналоговых входов (A0-A9).

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что все задачи, поставленные перед выполнением работы решены в полном объёме, а следовательно, цель работы достигнута.



Список использованных источников

1. Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino. - СПб.: БХВ-Петербург, 2014. - 400 с.: ил. - (Электроника)

2. Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino - СПб.: БХВ-Петербург, 2015. -256 с.: ил. - (Электроника)

3. Платт Ч. Электроника для начинающих: Пер. с англ. - ХВ-Петербург, 2013. - 480 с.: ил. - (Электроника)

4. Иго Т. Arduino, датчики и сети для связи устройств: Пер. с англ. - 2-е изд. - БХВ-Петербург, 2017 - 544 с.: ил.

5. Я. Стеарт Arduino для начинающих: самый простой пошаговый самоучитель / Стюарт Ярнольд; [Пер. с англ. М.Райтман]. - Москва: Эксмо, 2017. - 256 с. - (Электроника для начинающих)

6. Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2016. - 464 с.: ил. - (Электроника)

7. Ю.Ревич Азбука электроники. Изучаем Arduino / Ю.Ревич -Москва: Издательство АСТ: Кладезь, 2017 - 224 с. - (Электроника для всех)

8. Никулин С.А., Повный А.В. Энциклопедия начинающего радиолюбителя. - СПб.: Наука и Техника, 2011. - 384 с.

9. Гололобов В.Н. ARDUINO для любознательных или паровозик из Ромашково + виртуальный диск. - СПб.: Наука и Техника, 2018. - 368 с., илл.

10. Д. Блум Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства: Пер. с англ. -БХВ-Петербург, 2015. - 336 с.: ил.

11. Петин В.А. Arduino и Raspberry Pi в проектах Internet of Things. - СПб.: БХВ-Петербург, 2017. - 320 с.: ил. - (Электроника)

12. Петин В.А. Arduino и Raspberry Pi в проектах Internet of Things. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2017. - 320 с.: ил. - (Электроника)

13. Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2019. - 496 с.: ил. - (Электроника)

14. Яценков В.С. От Arduino до Omega: платформы для мейкеров шаг за шагом. - СПб.: БХВ-Петербург, 2018. - 304 с.: ил. - (Электроника)

15. Белов А.В. Arduino: от азов программирования до создания практических устройств. - СПб.: Наука и Техника, 2018. - 480 с., илл.

дисплей плато arduino программирование



Приложения

#include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f, 20, 4);

long previousMillis = 0;

long interval = 500;

void setup()

{

lcd.init();

lcd.backlight();

}

void loop()

{

unsigned long currentMillis = millis();

if (currentMillis - previousMillis > interval) {

previousMillis = currentMillis;

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("A0=");

lcd.setCursor(3, 0);

lcd.print(analogRead(A0));

lcd.setCursor(7, 0);

lcd.print("A1=");

lcd.setCursor(10, 0);

lcd.print(analogRead(A1));

lcd.setCursor(14, 0);

lcd.print("A2=");

lcd.setCursor(17, 0);

lcd.print(analogRead(A2));

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("A3=");

lcd.setCursor(3, 1);

lcd.print(analogRead(A3));

lcd.setCursor(7, 1);

lcd.print("A4=");

lcd.setCursor(10, 1);

lcd.print(analogRead(A4));

lcd.setCursor(14, 1);

lcd.print("A5=");

lcd.setCursor(17, 1);

lcd.print(analogRead(A5));

lcd.setCursor(0, 2);

lcd.print("A6=");

lcd.setCursor(3, 2);

lcd.print(analogRead(A6));

lcd.setCursor(7, 2);

lcd.print("A7=");

lcd.setCursor(10, 2);

lcd.print(analogRead(A7));

lcd.setCursor(14, 2);

lcd.print("A8=");

lcd.setCursor(17, 2);

lcd.print(analogRead(A8));

Размещено на Allbest.ru

...