Вся электротехника России без посредников
Особенности подключения устройств к Arduino
Платформа для любителей робототехники и автоматики Arduino славится своей модульной конструкцией и простотой работы. Порой я натыкаюсь на рекламу, где заявляют, что можно собрать своего робота, практически, не будучи знакомым с электроникой. Но это не совсем так.
При неверном подключении некоторых исполнительных устройств и механизмов вы можете сжечь порты ардуинки (о чем я уже рассказывал в статье про то, как не спалить Ардуино). А если вы не знаете, как обращаться с цифровыми устройствами – в лучшем случае вам просто не удастся установить связь.
Я купил несколько модулей для ардуино, что делать дальше?
Чтобы узнать об особенностях подключения, напряжениях питания, логических уровнях и прочем нужно ознакомиться с даташитом на ваш модуль.
Datasheet или даташит – это техническая документация на изделие. Такую документацию можно скачать на любую микросхему или датчик. Обычно они есть на сайте производителя. Более того, в сети существуют специальные ресурсы, на которых собрана целая масса технической документации, одним из таких является http://www.alldatasheet.com/
Внимательно ознакомьтесь с информацией из даташита, но на что следует обратить внимание? Во-первых, у микросхемы, кроме основной части названия обычно присутствует переменная часть или приставка – чаще всего это одна или несколько букв.
Это свидетельствует о некоторых особенностях конкретной микросхемы, например о максимальной мощности, напряжениях питания и логических уровнях (если устройство цифровое), возможно о корпусе, в котором она исполнена и пр.
Если вы не нашли в даташите сведений о питании и лог. уровнях обратитесь в русскоязычные сообщества arduino, на их форумах обычно рассмотрены особенности всех распространенных модулей.
У ArduinoUno напряжение питания и логических уровней 5 В, если внешнее устройство работает в 3.3 В диапазоне – вам придется сформировать их, питание можно устроить с помощью LDO стабилизатора (линейных с низким падением, для стабилизации ему нужно не менее 1.3 вольт «лишнего напряжения при максимальном токе, против 2-х вольт на стабилизаторах 78xx серии, что позволяет получить 3.3 вольта от 4.5 вольт (трёх пальчиковых батареек).
В технической документации для цифровых датчиков и устройств также указываются и названия протоколов, по которым они «общаются» друг с другом. Это могут быть индивидуальные протоколы и стандартные, те же:
UART;
I2C;
SPI.
Ардуино работает с ними. Это облегчит вам задачу в поиске готовых библиотек и примеров кода.
Согласование и усиление сигналов
Вопросы о согласовании устройств и исполнительных механизмов с ардуиной довольно часто возникают у новичков. Мы рассмотрим часто встречающиеся:
1. Согласование цепей по напряжению.
2. Согласование мощности выходного пина и исполнительного устройства, иными словами усиление напряжения и/или тока.
Согласование логических уровней
Что делать если на моём модуле логические уровни 3.3 Вольта, а на ардуино 5 Вольт? Довольно просто использовать конвертер логически уровней. Его можно собрать из дискретных элементов, а можно приобрести готовый модуль на плате, к примеру такой:
Такой преобразователь двунаправленный, т.е. он понижает высокий уровень и повышает ответный низкий. LV(1,2,3,4) – площадки для подключения низкоуровневых сигналов, HV(1,2,3,4) – высоких уровней, HV и LV без цифр – это напряжения 5 и 3.3 Вольта, как и у источников преобразуемых сигналов, GND – земля или минусовой провод. В конкретном экземпляре есть 4 независимых канала.
Согласование цепей с большой разницей напряжения
Если вы собираетесь заводить сигнал, например с цепей высокого напряжения, например 220 В, нужно использовать оптопару. Это обеспечит гальваническую развязку и защиту от высоковольтных всплесков входов микроконтроллера. Такие цепи используют, как для получения сигнала, так и для выходных сигналов от микроконтроллера в сеть, а также для управления симисторами в цепях.
Вероятность появления высокого потенциала на плате ардуино в этом случае крайне мала, это обеспечивается отсутствием электрического контакта, а связь осуществляется через оптический канал, т.е. с помощью света. Подробнее об этом вы можете узнать изучив фото- и оптоэлектронные приборы.
Если и произойдет большой скачок – то сгорит оптопара, на картинке это PC8171, но никак вы не перегрузите порты микроконтроллера.
Подключение мощных потребителей
Так как микроконтроллер может только УПРАВЛЯТЬ работой устройств, вы не можете подключить мощный потребитель к её порту. Примеры таких потребителей:
Реле;
Соленоиды;
Электродвигатели;
Сервоприводы.
1. Подключение сервопривода
Основная задача сервопривода - это задать положение ротора подключенного к исполнительным механизмам, контролировать и изменять его с помощью малых усилий. То есть, вы, с помощью потенциометра, если сервопривод рассчитан на вращение в пределах половины оборота (180 градусов) или с помощью энкодера, если необходимо круговое вращение (360 градусов) можете управлять положением вала сервопривода (электродвигателя в нашем случае) произвольной мощности.
Многие любители робототехники используют ардуину в качестве основы своих роботов. Здесь сервоприводы нашли отличное применение. Их используют в качестве привода поворотных механизмов для камер, датчиков и механических рук. Радиомоделисты используют для привода поворота колес в моделях автомобилей. В промышленности используют большие приводы в ЧПУ станках и прочей автоматизации.
В любительских маленьких сервах плата с датчиком положения и электроникой встроена в корпус. Из них обычно выходит три провода:
Красный - плюс питания, если привод мощный лучше подключать к внешнему источнику, а не к плате ардуино;
Черный или коричневый - минус, по подключению также, как и плюс;
Желтый или оранжевый - управляющий сигнал - его подают из цифрового пина микроконтроллера (digital out).
Для управления сервой предусмотрена специальная библиотека, обращение к ней объявляется в начале кода, командой "#include servo.h".
Подключение электродвигателя
Для привода в движение механизмов и регулировки скорости их вращения проще всего использовать ДПТ (щеточный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов). Такие моторчики вы, наверняка, видели в радиоуправляемых машинках. Они легко реверсируются (включаются на вращение в нужном направлении) нужно просто сменить полярность. Не пытайтесь их подключить к пинам напрямую!
Лучше использовать транзистор. Подойдет любой биполярный, хоть прямой (pnp), хоть обратной (npn) проводимости. Полевые тоже подойдут, но при выборе конкретного убедитесь, работает ли его затвор с логическим уровнями?
В противном случае он не будет открываться полностью, либо вы сожжете цифровой выход микроконтроллера во время заряда затворной емкости - для них используют драйвер, простейший способ - раскачка сигнала через биполярный транзистор. Ниже приведена схема управления через полевой транзистор.
Если между G и S не поставить резистора - тогда затвор (G) не будет притянут к земле и может самопроизвольно “гулять” от помех.
Как определить, что полевой транзистор пригоден для прямого управления с микроконтроллера смотрите ниже. В даташите найдите параметр Vgs, например для IRL540 все измерения и графики привязаны к Vgs=5v, даже такой параметр, как сопротивления открытого канала указан для этого напряжения между затвором и истоком.
Кроме щеточного ДПТ по такой же схеме можно подключить куллер от компьютера, хотя там безщеточный двигатель, обмотки которого управляются встроенным преобразователем плата которого расположена прямо в его корпусе.
Обороты этих двух типов двигателей легко регулировать изменяя питающее напряжение. Это можно сделать если базу транзистора подключить не в цифровому (digital output), а шим пину (~pwm), значение которого определяется функцией "analogWrite()".
Реле и соленоиды
Для коммутации цепей, где не нужно регулирование и частое переключение удобно использовать реле. Правильно подобрав подходящее, вы можете коммутировать любые токи и напряжения при минимальных потерях в проводимости и нагреве силовых линий.
Для этого нужно подать напряжение нужной на катушку реле. На схеме реле, его катушка рассчитана на управление 5-ю вольтами, силовые контакты могут коммутировать и пару вольт и сетевые 220 В.
Соленоиды - это катушки или электромагнитные исполнительные устройства.
Примеры:
Привод замков дверей автомобиля;
Электромагнитные клапана;
Электромагнит в металлургическом производстве;
Силовая установка пушки гаусса и прочее.
В любом случае типовая схема подключения катушек постоянного тока к микроконтроллеру или логике выглядит так:
Транзистор для усиления управляющего тока, диод подключен в обратном направлении для защиты выхода микроконтроллера от всплесков ЭДС самоиндукции.
Устройства ввода и датчики
Вы можете управлять своей системой с помощью кнопок, резисторов, энкодеров. Кнопкой вы можете подать сигнал на цифровой вход ардуины высокого (high/5V) или низкого (low/0V) уровня.
Для этого есть два варианта включения. Нужна нормально-разомкнутая кнопка без фиксации для некоторых целей нужен тумблер или кнопка с фиксацией - выбирайте сами в зависимости от ситуации. Чтобы подать единицу нужно первый контакт кнопки подключить к источнику питания, а второй к точке соединения резистора и входа микроконтроллера.
Когда кнопка нажата на сопротивлении падает напряжение питания, то есть высокий (high) уровень. Когда кнопка не нажата - тока в цепи нет, потенциал на резисторе низкий, на вход подается сигнал "Low/0V". Это состояние называется "пин подтянут к земле, а резистор "pull-down".
Если нужно, чтобы, при нажатии на кнопку, микроконтроллер получал 0 вместо 1, подключите по этой же схеме нормально-замкнутую кнопку или читайте дальше как это сделать с нормально-разомкнутой.
Чтобы давать микроконтроллеру команду нулевым сигналом схема немного изменяется. К напряжению питания подключается одна нога резистора, вторая к точке соединения нормально-разомкнутой кнопки и цифрового входа ардуины.
Когда кнопка отпущена все напряжение остается на ней, вход получает высокий уровень. Это состояние называется "пин подтянут к плюсу", а резистор "pull-up". Когда вы нажмете кнопку вы шунтируете (замыкаете) вход на землю.
Делитель напряжения и ввод сигнала с потенциометра и резистивных аналоговых
Делитель напряжения применяется для подключения переменных сопротивлений, таких как терморезисторы, фоторезисторы и прочее. За счет того, что один из резисторов постоянный, а второй переменный - можно наблюдать изменение напряжения в их средней точки, на картинке выше оно обозначено, как Ur.
Таким образом можно подключать различные аналоговые датчики резистивного типа и датчики которые под воздействием внешних сил изменяют свою проводимость. А также потенциометры.
На картинке ниже вы видите пример подключения таких элементов. Потенциометр можно подключать без дополнительного резистора, тогда в крайнем положении будет полное напряжение, однако в минимальном положении нужно обеспечить стабилизацию или ограничение тока - иначе будет короткое замыкание.
Выводы
Чтобы без ошибок подключить любой модуль и дополнение к микроконтроллеру нужно знать основы электротехники, закон Ома, общие сведения об электромагнетизме, а также основы работы полупроводниковых приборов. На самом деле вы можете убедиться, что это всё гораздо проще сделать, чем слушать эти сложные слова. Пользуйтесь схемами из этой статьи в своих проектах!
Смотрите по этой теме:
7 учебных курсов по работе с Ардуино, онлайн обучение проектированию и конструированию электронной аппаратуры
Алексей Бартош
Источник: http://electrik.info
При неверном подключении некоторых исполнительных устройств и механизмов вы можете сжечь порты ардуинки (о чем я уже рассказывал в статье про то, как не спалить Ардуино). А если вы не знаете, как обращаться с цифровыми устройствами – в лучшем случае вам просто не удастся установить связь.
Я купил несколько модулей для ардуино, что делать дальше?
Чтобы узнать об особенностях подключения, напряжениях питания, логических уровнях и прочем нужно ознакомиться с даташитом на ваш модуль.
Datasheet или даташит – это техническая документация на изделие. Такую документацию можно скачать на любую микросхему или датчик. Обычно они есть на сайте производителя. Более того, в сети существуют специальные ресурсы, на которых собрана целая масса технической документации, одним из таких является http://www.alldatasheet.com/
Внимательно ознакомьтесь с информацией из даташита, но на что следует обратить внимание? Во-первых, у микросхемы, кроме основной части названия обычно присутствует переменная часть или приставка – чаще всего это одна или несколько букв.
Это свидетельствует о некоторых особенностях конкретной микросхемы, например о максимальной мощности, напряжениях питания и логических уровнях (если устройство цифровое), возможно о корпусе, в котором она исполнена и пр.
Если вы не нашли в даташите сведений о питании и лог. уровнях обратитесь в русскоязычные сообщества arduino, на их форумах обычно рассмотрены особенности всех распространенных модулей.
У ArduinoUno напряжение питания и логических уровней 5 В, если внешнее устройство работает в 3.3 В диапазоне – вам придется сформировать их, питание можно устроить с помощью LDO стабилизатора (линейных с низким падением, для стабилизации ему нужно не менее 1.3 вольт «лишнего напряжения при максимальном токе, против 2-х вольт на стабилизаторах 78xx серии, что позволяет получить 3.3 вольта от 4.5 вольт (трёх пальчиковых батареек).
В технической документации для цифровых датчиков и устройств также указываются и названия протоколов, по которым они «общаются» друг с другом. Это могут быть индивидуальные протоколы и стандартные, те же:
UART;
I2C;
SPI.
Ардуино работает с ними. Это облегчит вам задачу в поиске готовых библиотек и примеров кода.
Согласование и усиление сигналов
Вопросы о согласовании устройств и исполнительных механизмов с ардуиной довольно часто возникают у новичков. Мы рассмотрим часто встречающиеся:
1. Согласование цепей по напряжению.
2. Согласование мощности выходного пина и исполнительного устройства, иными словами усиление напряжения и/или тока.
Согласование логических уровней
Что делать если на моём модуле логические уровни 3.3 Вольта, а на ардуино 5 Вольт? Довольно просто использовать конвертер логически уровней. Его можно собрать из дискретных элементов, а можно приобрести готовый модуль на плате, к примеру такой:
Такой преобразователь двунаправленный, т.е. он понижает высокий уровень и повышает ответный низкий. LV(1,2,3,4) – площадки для подключения низкоуровневых сигналов, HV(1,2,3,4) – высоких уровней, HV и LV без цифр – это напряжения 5 и 3.3 Вольта, как и у источников преобразуемых сигналов, GND – земля или минусовой провод. В конкретном экземпляре есть 4 независимых канала.
Согласование цепей с большой разницей напряжения
Если вы собираетесь заводить сигнал, например с цепей высокого напряжения, например 220 В, нужно использовать оптопару. Это обеспечит гальваническую развязку и защиту от высоковольтных всплесков входов микроконтроллера. Такие цепи используют, как для получения сигнала, так и для выходных сигналов от микроконтроллера в сеть, а также для управления симисторами в цепях.
Вероятность появления высокого потенциала на плате ардуино в этом случае крайне мала, это обеспечивается отсутствием электрического контакта, а связь осуществляется через оптический канал, т.е. с помощью света. Подробнее об этом вы можете узнать изучив фото- и оптоэлектронные приборы.
Если и произойдет большой скачок – то сгорит оптопара, на картинке это PC8171, но никак вы не перегрузите порты микроконтроллера.
Подключение мощных потребителей
Так как микроконтроллер может только УПРАВЛЯТЬ работой устройств, вы не можете подключить мощный потребитель к её порту. Примеры таких потребителей:
Реле;
Соленоиды;
Электродвигатели;
Сервоприводы.
1. Подключение сервопривода
Основная задача сервопривода - это задать положение ротора подключенного к исполнительным механизмам, контролировать и изменять его с помощью малых усилий. То есть, вы, с помощью потенциометра, если сервопривод рассчитан на вращение в пределах половины оборота (180 градусов) или с помощью энкодера, если необходимо круговое вращение (360 градусов) можете управлять положением вала сервопривода (электродвигателя в нашем случае) произвольной мощности.
Многие любители робототехники используют ардуину в качестве основы своих роботов. Здесь сервоприводы нашли отличное применение. Их используют в качестве привода поворотных механизмов для камер, датчиков и механических рук. Радиомоделисты используют для привода поворота колес в моделях автомобилей. В промышленности используют большие приводы в ЧПУ станках и прочей автоматизации.
В любительских маленьких сервах плата с датчиком положения и электроникой встроена в корпус. Из них обычно выходит три провода:
Красный - плюс питания, если привод мощный лучше подключать к внешнему источнику, а не к плате ардуино;
Черный или коричневый - минус, по подключению также, как и плюс;
Желтый или оранжевый - управляющий сигнал - его подают из цифрового пина микроконтроллера (digital out).
Для управления сервой предусмотрена специальная библиотека, обращение к ней объявляется в начале кода, командой "#include servo.h".
Подключение электродвигателя
Для привода в движение механизмов и регулировки скорости их вращения проще всего использовать ДПТ (щеточный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов). Такие моторчики вы, наверняка, видели в радиоуправляемых машинках. Они легко реверсируются (включаются на вращение в нужном направлении) нужно просто сменить полярность. Не пытайтесь их подключить к пинам напрямую!
Лучше использовать транзистор. Подойдет любой биполярный, хоть прямой (pnp), хоть обратной (npn) проводимости. Полевые тоже подойдут, но при выборе конкретного убедитесь, работает ли его затвор с логическим уровнями?
В противном случае он не будет открываться полностью, либо вы сожжете цифровой выход микроконтроллера во время заряда затворной емкости - для них используют драйвер, простейший способ - раскачка сигнала через биполярный транзистор. Ниже приведена схема управления через полевой транзистор.
Если между G и S не поставить резистора - тогда затвор (G) не будет притянут к земле и может самопроизвольно “гулять” от помех.
Как определить, что полевой транзистор пригоден для прямого управления с микроконтроллера смотрите ниже. В даташите найдите параметр Vgs, например для IRL540 все измерения и графики привязаны к Vgs=5v, даже такой параметр, как сопротивления открытого канала указан для этого напряжения между затвором и истоком.
Кроме щеточного ДПТ по такой же схеме можно подключить куллер от компьютера, хотя там безщеточный двигатель, обмотки которого управляются встроенным преобразователем плата которого расположена прямо в его корпусе.
Обороты этих двух типов двигателей легко регулировать изменяя питающее напряжение. Это можно сделать если базу транзистора подключить не в цифровому (digital output), а шим пину (~pwm), значение которого определяется функцией "analogWrite()".
Реле и соленоиды
Для коммутации цепей, где не нужно регулирование и частое переключение удобно использовать реле. Правильно подобрав подходящее, вы можете коммутировать любые токи и напряжения при минимальных потерях в проводимости и нагреве силовых линий.
Для этого нужно подать напряжение нужной на катушку реле. На схеме реле, его катушка рассчитана на управление 5-ю вольтами, силовые контакты могут коммутировать и пару вольт и сетевые 220 В.
Соленоиды - это катушки или электромагнитные исполнительные устройства.
Примеры:
Привод замков дверей автомобиля;
Электромагнитные клапана;
Электромагнит в металлургическом производстве;
Силовая установка пушки гаусса и прочее.
В любом случае типовая схема подключения катушек постоянного тока к микроконтроллеру или логике выглядит так:
Транзистор для усиления управляющего тока, диод подключен в обратном направлении для защиты выхода микроконтроллера от всплесков ЭДС самоиндукции.
Устройства ввода и датчики
Вы можете управлять своей системой с помощью кнопок, резисторов, энкодеров. Кнопкой вы можете подать сигнал на цифровой вход ардуины высокого (high/5V) или низкого (low/0V) уровня.
Для этого есть два варианта включения. Нужна нормально-разомкнутая кнопка без фиксации для некоторых целей нужен тумблер или кнопка с фиксацией - выбирайте сами в зависимости от ситуации. Чтобы подать единицу нужно первый контакт кнопки подключить к источнику питания, а второй к точке соединения резистора и входа микроконтроллера.
Когда кнопка нажата на сопротивлении падает напряжение питания, то есть высокий (high) уровень. Когда кнопка не нажата - тока в цепи нет, потенциал на резисторе низкий, на вход подается сигнал "Low/0V". Это состояние называется "пин подтянут к земле, а резистор "pull-down".
Если нужно, чтобы, при нажатии на кнопку, микроконтроллер получал 0 вместо 1, подключите по этой же схеме нормально-замкнутую кнопку или читайте дальше как это сделать с нормально-разомкнутой.
Чтобы давать микроконтроллеру команду нулевым сигналом схема немного изменяется. К напряжению питания подключается одна нога резистора, вторая к точке соединения нормально-разомкнутой кнопки и цифрового входа ардуины.
Когда кнопка отпущена все напряжение остается на ней, вход получает высокий уровень. Это состояние называется "пин подтянут к плюсу", а резистор "pull-up". Когда вы нажмете кнопку вы шунтируете (замыкаете) вход на землю.
Делитель напряжения и ввод сигнала с потенциометра и резистивных аналоговых
Делитель напряжения применяется для подключения переменных сопротивлений, таких как терморезисторы, фоторезисторы и прочее. За счет того, что один из резисторов постоянный, а второй переменный - можно наблюдать изменение напряжения в их средней точки, на картинке выше оно обозначено, как Ur.
Таким образом можно подключать различные аналоговые датчики резистивного типа и датчики которые под воздействием внешних сил изменяют свою проводимость. А также потенциометры.
На картинке ниже вы видите пример подключения таких элементов. Потенциометр можно подключать без дополнительного резистора, тогда в крайнем положении будет полное напряжение, однако в минимальном положении нужно обеспечить стабилизацию или ограничение тока - иначе будет короткое замыкание.
Выводы
Чтобы без ошибок подключить любой модуль и дополнение к микроконтроллеру нужно знать основы электротехники, закон Ома, общие сведения об электромагнетизме, а также основы работы полупроводниковых приборов. На самом деле вы можете убедиться, что это всё гораздо проще сделать, чем слушать эти сложные слова. Пользуйтесь схемами из этой статьи в своих проектах!
Смотрите по этой теме:
7 учебных курсов по работе с Ардуино, онлайн обучение проектированию и конструированию электронной аппаратуры
Алексей Бартош
Источник: http://electrik.info
