Spis treści:
Miarą wartości narzędzia jest to, jak wiele można z jego pomocą zdziałać. W przypadku popularnej platformy Arduino ta prosta zasada stała się kluczem do rynkowego sukcesu, jakim od wielu lat cieszą się zarówno twórcy oryginalnej płytki, jak i właściciele setek firm, które swoją ofertę ukierunkowały na projektowanie i sprzedaż modułów à la Arduino, a także wszelkiego rodzaju nakładek, modułów dodatkowych, zestawów czy… obudów i innych przydatnych akcesoriów. Asortyment takich produktów rośnie z dnia na dzień, a ich twórcy dosłownie prześcigają się w nowych pomysłach, przyczyniając się oczywiście także do wzrostu popularności samej marki Arduino.
Najważniejszy jest pomysł. Arduino – pierwsze kroki
Aż trudno uwierzyć, że barwna historia Arduino, które zawładnęło zarówno światem elektroniki amatorskiej, jak i szybkiego prototypowania w zastosowaniach przemysłowych czy też naukowych, zaczęła się od niepozornego projektu wykonanego na potrzeby własnej pracy magisterskiej przez włoskiego studenta Hernando Barragána. Prosta płytka ewaluacyjna wyposażona w niewielki mikrokontroler AVR, obwody zasilania, resetu i komunikacji szeregowej oraz kilka tanich i popularnych złączy zrobiła tak potężną furorę, że w ciągu dokładnie 10 lat od narodzin protoplasty Arduino płytka została sprzedana w liczbie ponad siedmiuset tysięcy egzemplarzy.
Arduino – początki
Ogólna koncepcja projektu jest banalnie prosta – Arduino można bowiem uznać za jedną z setek płytek ewaluacyjnych dla mikrokontrolerów. Mogłoby się wydawać, że pomysł na kolejny prosty zestaw wyposażony zaledwie w jedną dostępną dla użytkownika diodę LED i przycisk reset oraz obwody niezbędne do zapewnienia zasilania i komunikacji z komputerem nie ma większych szans na rynkowy sukces. Jednak tutaj w odróżnieniu od innych tego typu modułów mamy do czynienia nie tylko z samym układem elektronicznym, ale także potężną platformą programistyczną. Oferuje ona zarówno doskonale przygotowane, proste, intuicyjne i stabilne oprogramowanie zwane zintegrowanym środowiskiem programistycznym (ang. IDE), jak i spory zestaw kompatybilnych ze sobą bibliotek. Wśród dołączonych do Arduino IDE przykładowych projektów można znaleźć zarówno kody prostych programów do obsługi diod LED czy przycisków, jak i całkiem złożone aplikacje pozwalające na budowę urządzenia obsługującego interfejs Ethernet czy nawet… serwer WWW na bazie modułu GSM.
Jeśli weźmiemy pod uwagę, że w przepastnych zasobach Internetu odkryjemy tysiące innych, znacznie bardziej skomplikowanych i funkcjonalnych programów udostępnionych przez użytkowników, to nagle okaże się, że naprawdę trudno będzie wymyślić takie zagadnienie, które choć raz nie zostało już zrealizowane za pomocą Arduino. Na marginesie warto dodać, że wiele osób, uprzednio w ogóle niezwiązanych z elektroniką czy programowaniem sięga po Arduino jedynie w celu zbudowania potrzebnego w danym momencie urządzenia lub systemu i, niejako mimochodem, zaczyna coraz bardziej interesować się majsterkowaniem. W ten sposób kolejni fani motoryzacji, astrofotografii czy home recordingu, widząc, że są w stanie samodzielnie zbudować ciekawe i użyteczne urządzenia, dołączają do ogólnoświatowej grupy pasjonatów elektroniki.
Aby dobrze zacząć swoją przygodę z nową dziedziną, warto od razu postawić na sprawdzone rozwiązania. Jeżeli chcesz bezboleśnie, łatwo i przyjemnie wejść w świat elektroniki i programowania mikrokontrolerów, koniecznie rozważ zakup oficjalnego zestawu startowego Arduino StarterKit K000007. W niewielkim pudełku otrzymujesz wszystko, czego potrzebujesz, by móc – poprzez budowę, programowanie i uruchamianie prostych gadżetów – poznać podstawy elektroniki oraz tworzenia kodu dla mikrokontrolerów. Oprócz elementów elektronicznych, prostej mechaniki i niezbędnych akcesoriów dodatkowych, w zestawie znajdziesz rzecz jasna głównego bohatera naszego artykułu – moduł Arduino Uno Rev3.
Arduino Uno Rev3 – najlepsze wsparcie w nauce elektroniki i programowania
Płytka Arduino Uno jest od lat najchętniej wybieranym modułem włoskiego producenta. Dzięki stosunkowo niewielkim wymiarom – zaledwie 68,6 x 53,4 mm – płytka doskonale nadaje się zarówno do „biurkowych” eksperymentów, jak i zabudowania w docelowym miejscu, w którym użytkowane będzie bazujące na Arduino urządzenie. Konstrukcja modułu opiera się na 8-bitowym mikrokontrolerze ATmega328P będącym przedstawicielem znanej i lubianej rodziny AVR. Płytka udostępnia użytkownikowi czternaście cyfrowych linii portów wejścia-wyjścia (GPIO) oraz sześć wejść wbudowanego w strukturę mikrokontrolera przetwornika analogowo-cyfrowego o rozdzielczości 10 bitów (warto pamiętać, że – przy odpowiedniej konfiguracji – linie te także pełnić mogą funkcję zwykłych, cyfrowych portów GPIO). Do dyspozycji programisty jest także interfejs UART obsługujący, zbudowany na bazie dodatkowego mikrokontrolera ATmega16U2, konwerter UART-USB – dzięki temu rozwiązaniu można w banalnie prosty sposób przesyłać dane pomiędzy Arduino a dowolnym programem komputerowym obsługującym wirtualny port szeregowy (np. PuTTY). W razie potrzeby interfejs może być także bezpośrednio połączony z innym urządzeniem, wyposażonym w port UART – przed powstaniem ewentualnych konfliktów z wbudowanym konwerterem chronią dwa wmontowane na stałe rezystory zabezpieczające.
Mikrokontroler zastosowany w Arduino Uno Rev3 udostępnia także 6 kanałów PWM obsługiwanych przez sprzętowe timery i pozwalających m.in. na płynne sterowanie jasnością diod LED, prędkością obrotową silnika prądu stałego czy też… serwomechanizmem modelarskim. Pamięć programu (Flash) ma pojemność 32 kB, z czego do dyspozycji programisty jest 31,5 kB (pozostały obszar pamięci zajmuje fabrycznie wgrany bootloader pozwalający na programowanie pamięci mikrokontrolera przez USB bez użycia zewnętrznego programatora ISP lub JTAG). Pamięć operacyjna (ang. Static RAM, inaczej SRAM) ma rozmiar 2 kB, a nieulotna pamięć EEPROM pozwalająca na zapisywanie rzadko zmienianych danych (np. adresów, danych konfiguracyjnych czy wyników kalibracji) ma pojemność aż 1 kB. Na płytce znalazły się ponadto cztery diody LED: jedna pełni rolę wskaźnika obecności napięcia zasilającego, dwie kolejne zaś wskazują, czy dane są przesyłane z komputera do Arduino bądź w stronę przeciwną. Ostatnia, czwarta dioda, jest podłączona do linii oznaczonej w nomenklaturze Arduino jako D13 – można ją wykorzystać w zupełnie dowolny sposób, np. do wykonania prostego testu płytki w postaci programowego migania diodą. Moduł zawiera także przycisk RESET wraz z niezbędnymi obwodami dodatkowymi. Zasilanie płytki można dostarczyć poprzez port USB albo za pośrednictwem gniazda DC 2,1/5,5 mm bądź dostępnego w jednym z gniazd goldpin wyprowadzenia oznaczonego Vin. W obu ostatnich przypadkach zalecane wartości napięcia wynoszą od 7 V do 12 V, choć w pewnych warunkach płytka może pracować z napięciami z zakresu 6-20 V.
Arduino – krok po kroku. Skład zestawu Arduino Starter Kit
Oficjalny zestaw startowy Arduino jest dostarczany w eleganckim, tekturowym pudełku o rozmiarach zbliżonych do kartki papieru w formacie A4. Po otwarciu pudełka oczom właściciela ukazuje się kilka mniejszych opakowań zawierających logicznie pogrupowane elementy zestawu. Największe z nich zawiera komplet elementów elektronicznych – zarówno pasywnych, jak i półprzewodnikowych. Oprócz kompletu niezbędnych rezystorów o wartościach nominalnych 220 Ω, 560 Ω, 1 kΩ, 4,7 kΩ, 10 kΩ, 1 MΩ oraz 10 MΩ, znajdziesz też kilka najczęściej wykorzystywanych kondensatorów: ceramicznych 100 pF, foliowych 100 nF oraz elektrolitycznych, aluminiowych kondensatorów 100 µF, potencjometry montażowe (3 sztuki) o wartości 10 kΩ oraz złącza: 40-pinową listwę goldpin, klip na baterię 9 V (typu 6F22) oraz dwa męsko-męskie przewody połączeniowe (czerwony i czarny). W zestawie znalazły się także tranzystory bipolarne małej mocy (BC547 – 5 sztuk), mocne tranzystory MOSFET typu IRF520, a także krzemowe diody prostownicze 1N4007 (5 sztuk), dwa optoizolatory (transoptory), popularny scalony mostek H typu L293DNE oraz czujnik temperatury TMP36.
Nie zabrakło elementów optoelektronicznych: 5-milimetrowych diod LED w kolorach: czerwonym, zielonym, żółtym (po 8 sztuk) oraz niebieskim (3 sztuki), superjasnej diody białej i trójkolorowej diody LED RGB, a także czujników: sześciu niewielkich fotorezystorów VT90N2. Arduino Starter Kit zawiera ponadto mechaniczny czujnik przechyłu i wstrząsów, 10 mikroprzycisków typu tact-switch, a także brzęczyk piezoelektryczny i trzy żelowe elementy dystansowe w podstawowych kolorach (RGB). W dwóch osobnych pudełkach znajdziesz natomiast monochromatyczny wyświetlacz alfanumeryczny LCD 2 x 16 znaków z niebieskim podświetleniem oraz proste napędy: miniaturowy serwomechanizm modelarski, zapakowany razem z 6-woltowym silniczkiem DC.
Ciekawe rozwiązania oferuje nasz sklep Botland. Arduino Zestaw Startowy, który znajdziesz w asortymencie, to wysokiej jakości produkt, który pozwoli na swobodne rozbudowywanie.
Producent zadbał również o podstawowe akcesoria, które umożliwiają uruchomienie zestawu bez konieczności dokupienia jakichkolwiek elementów dodatkowych. Podłużne, wąskie pudełko zawiera kompatybilny z gniazdem na płytce Arduino kabel USB, a środkową część zbiorczego opakowania wypełnia pudełeczko z niewielką płytką stykową (o rozmiarze 400 pól) wraz z zestawem łączówek o zróżnicowanej długości. Komplet zamykają drewniane elementy do budowy podstawki montażowej, kartonowe elementy z odpowiednimi nadrukami (potrzebne do złożenia niektórych „mechatronicznych” projektów oraz 172-stronicowa książka – przewodnik, który poprowadzi Cię za rękę od początku do końca kursu).
Wybierz Arduino. Projekty przykładowe
Lista przykładowych projektów możliwych do wykonania za pomocą elementów zestawu Arduino Starter Kit doskonale pokazuje, jak wiele zabawnych i intrygujących gadżetów można zbudować za pomocą garstki elementów elektronicznych i niewielkiej płytki z mikrokontrolerem. Trudno pośród opisanych w książce przykładów znaleźć naprawdę użyteczne urządzenie – twórcy zestawu zastosowali się do odwiecznej zasady, że najprostszą formą zdobywania wiedzy jest nauka poprzez zabawę. I słusznie, bo przecież na poważne projekty przyjdzie jeszcze czas, a zachęta, jaką dadzą zbudowane samodzielnie, działające gadżety, będzie doskonałą motywacją do zagłębienia się w tajniki elektroniki i programowania. Nauka z pomocą zestawu Arduino Starter Kit pozwala przełamać swego rodzaju strach, który towarzyszy osobom zainteresowanym praktyczną elektroniką, ale nieposiadającym wiedzy technicznej. Nadal wielu początkujących obawia się, że nawet do budowy prostych urządzeń elektronicznych niezbędna jest znajomość matematyki czy fizyki na poziomie akademickim. Nic bardziej mylnego – przykłady zamieszczone w dołączonym do zestawu podręczniku są na to najlepszym dowodem.
Nasza podróż zaczyna się od rozdziału Get to know your tools, w którym masz możliwość zapoznania się z podstawowymi elementami elektronicznymi i sposobami ich obsługi za pomocą portów GPIO mikrokontrolera. Kolejne projekty – Spaceship interface, Love-O-Meter oraz Color Mixing Lamp – pozwalają zapoznać się z nieco bardziej zaawansowaną obsługą diod LED, wdrażając przy okazji kolejne elementy: przyciski, analogowy czujnik temperatury czy potencjometry. Projekt Mood Cue przedstawia sposób obsługi serwomechanizmów modelarskich, Light Theremin nawiązujący do jednego z najbardziej intrygujących elektronicznych instrumentów muzycznych w historii pozwala zaś na generowanie „kosmicznych” dźwięków sterowanych ruchem dłoni.
Rozdział zatytułowany Keyboard Instrument pokazuje, jak zbudować bardzo prosty instrument elektroniczny zdolny do generowania dźwięków o różnej wysokości – choć liczba klawiszy jest mocno ograniczona, to i tak stanowi on doskonały wstęp do budowy własnych, bardziej złożonych projektów muzycznych. Z kolei projekt pt. Digital Hourglass pozwala zapoznać się z metodami odmierzania czasu za pomocą funkcji millis() dostępnej w podstawowej bibliotece programistycznej Arduino. W rozdziale Motorized Pinwheel dowiesz się, jak uruchomić silniczek prądu stałego, Zoetrope przywoła zaś do życia urok prostych, mechanicznych animacji stroboskopowych sprzed prawie 200 lat.
Odpowiednio zaprogramowane Arduino potrafi także przepowiadać przyszłość, o czym przekonasz się, budując „kryształową kulę” według rozdziału Crystal Ball. Czujnik przechyłu i wibracji wykorzystasz do budowy prostego, ale bardzo efektownego, elektronicznego „zamka” według opisu zawartego w rozdziale Knock Lock. Z kolei projekt Touchy-Feely Lamp dotyczy budowy wrażliwej na dotyk elektronicznej lampki. Z pewnością łatwo znajdziesz wiele innych, ciekawych zastosowań dla przedstawionej w projekcie metody wykrywania dotyku. Rozdział Tweak the Arduino Logo wprowadza bardziej zaawansowane funkcje, korzystające z programowej obsługi komunikacji za pośrednictwem USB – tutaj nauczysz się, jak sterować komputerem za pomocą Arduino. Ostatni z opisanych w podręczniku projektów, zatytułowany Hacking Buttons, pokazuje sposób sterowania niemal dowolnym urządzeniem zewnętrznym za pośrednictwem kontrolowanego przez Arduino transoptora.
Pierwsze kroki w programowaniu Arduino, czyli jak radzić sobie z problemami podczas nauki
Rozpoczynając kurs programowania z wykorzystaniem oficjalnego zestawu startowego Arduino, nie musisz mieć żadnego doświadczenia w tworzeniu kodu programów. Doskonale opisane, proste i przystępne przykłady zawarte w podręczniku dołączonym do kompletu pozwalają rozpocząć pracę od razu po otwarciu pudełka i zainstalowaniu oprogramowania Arduino IDE na komputerze. Warto pamiętać, że język C++, który jest wykorzystywany do tworzenia kodów programów dla Arduino, jest – podobnie, jak wiele innych języków programowania – niezwykle czuły na wszelkie błędy w składni. Oznacza to, że nadmiarowy znak (np. spacja lub kropka w nazwie funkcji) albo jego brak (np. średnika na końcu linii kodu) powoduje, że program nie da się skompilować ani uruchomić – zostanie wygenerowany błąd opisujący przyczynę problemu. W wielu przypadkach początkującym programistom sprawia spory problem nie tylko poprawienie własnego błędu, ale nawet znalezienie i zrozumienie jego przyczyny. Jeżeli napotkasz taką sytuację podczas pracy z kursem, postaraj się najpierw dokładnie sprawdzić, czy kod jest identyczny z podanym w podręczniku. Jeżeli nie potrafisz znaleźć problemu samodzielnie, możesz skorzystać z gotowego szkicu (tak w środowisku Arduino IDE nazywają się pliki z kodem programów), dostępnym z menu Plik→Przykłady→10. StarterKit_BasicKit. Staranności wymaga także zestawianie układów elektronicznych według opisanych w podręczniku schematów – ogromnym ułatwieniem jest tutaj zastosowanie płytki stykowej, dzięki której nie jest konieczne lutowanie poszczególnych połączeń pomiędzy elementami budowanego układu.
Podsumowanie
W tym artykule poznałeś zarówno cechy samej płytki Arduino Uno Rev3, jak i skład oficjalnego zestawu Arduino Starter Kit zawierającego moduł i wszystkie elementy elektroniczne oraz akcesoria niezbędne do budowy projektów przedstawionych w dołączonym do zestawu podręczniku. Jeżeli zamierzasz nauczyć się podstaw elektroniki i programowania, gorąco zachęcamy Cię do zakupu oficjalnego zestawu startowego Arduino – to doskonały pomysł na początek przygody z elektronicznym majsterkowaniem. Gra jest warta świeczki, elektronika bowiem okazuje się nie tylko doskonałym hobby, ale także dobrze płatną branżą we współczesnej inżynierii. Doświadczeni projektanci układów elektronicznych i programiści mikrokontrolerów są cenionymi na rynku pracy specjalistami, którzy zazwyczaj bez większego problemu znajdują wymarzoną pracę, a nawet przebierają w ofertach zatrudnienia.
