Funktionen zum Anschließen von Geräten an Arduino

Plattform für Robotik- und Automatisierungsliebhaber Arduino berühmt für seinen modularen Aufbau und seine einfache Bedienung. Manchmal stoße ich auf eine Anzeige, in der steht, dass Sie Ihren Roboter zusammenbauen können, ohne mit Elektronik praktisch vertraut zu sein. Dies ist jedoch nicht ganz richtig.

Wenn einige Aktuatoren und Mechanismen falsch angeschlossen sind, können Sie Arduinka-Ports brennen (wie ich bereits im Artikel über erwähnt habe wie man Arduino nicht verbrennt) Und wenn Sie nicht wissen, wie Sie mit digitalen Geräten umgehen sollen, können Sie bestenfalls keine Verbindung herstellen.

Ich habe mehrere Module für Arduino gekauft. Was soll ich als nächstes tun?

Um mehr über die Funktionen der Verbindung, die Versorgungsspannungen, die Logikpegel usw. zu erfahren, müssen Sie sich mit dem Datenblatt Ihres Moduls vertraut machen.

Datenblatt oder Datenblatt ist die technische Dokumentation für das Produkt. Diese Dokumentation kann auf jeden Chip oder Sensor heruntergeladen werden. Normalerweise befinden sie sich auf der Website des Herstellers. Darüber hinaus gibt es im Netzwerk spezielle Ressourcen, auf denen eine ganze Menge technischer Dokumentationen gesammelt werden

Lesen Sie die Informationen aus dem Datenblatt sorgfältig durch, aber worauf sollte ich achten? Erstens hat ein Chip zusätzlich zum Hauptteil des Namens normalerweise einen variablen Teil oder ein variables Präfix - meistens sind es ein oder mehrere Buchstaben.

Dies weist auf einige Merkmale einer bestimmten Mikroschaltung hin, z. B. maximale Leistung, Versorgungsspannungen und logische Pegel (wenn das Gerät digital ist), möglicherweise den Fall, in dem es ausgeführt wird usw.

Wenn Sie keine Nährwertinformationen und kein Protokoll im Datenblatt gefunden haben. Wenden Sie sich an die russischsprachigen Arduino-Communities. In ihren Foren werden in der Regel die Merkmale aller gängigen Module berücksichtigt.

ArduinoUno hat eine Versorgungsspannung und Logikpegel von 5 V, wenn das externe Gerät im Bereich von 3,3 V arbeitet, müssen Sie diese bilden. Sie können die Stromversorgung mit einem LDO-Stabilisator (linear mit geringem Abfall) arrangieren, um zu stabilisieren, dass mindestens 1,3 Volt „Überspannung“ benötigt werden Strom gegen 2 Volt an den Stabilisatoren der 78xx-Serie, wodurch Sie 3,3 Volt von 4,5 Volt (Drei-Finger-Batterien) erhalten können.

In der technischen Dokumentation für digitale Sensoren und Geräte sind auch die Namen der Protokolle angegeben, über die sie miteinander "kommunizieren". Dies können einzelne Protokolle und Standard sein, die gleichen:

• UART

• I2C;

• SPI

Arduino arbeitet mit ihnen. Dies erleichtert Ihnen das Auffinden vorgefertigter Bibliotheken und Codebeispiele.

Signalkonditionierung und -verstärkung

Bei Anfängern stellen sich häufig Fragen zu passenden Geräten und Aktuatoren mit Arduino. Wir werden gemeinsame betrachten:

1. Passende Spannungskreise.

2. Die Koordination der Leistung des Ausgangsstifts und des Aktuators, dh die Verstärkung von Spannung und / oder Strom.

Level Matching

Was soll ich tun, wenn die Logikpegel an meinem Modul 3,3 Volt und an dem Arduino 5 Volt betragen? Es ist ganz einfach, einen Logikpegelwandler zu verwenden. Es kann aus diskreten Elementen zusammengesetzt werden, oder Sie können ein fertiges Modul auf der Platine kaufen, zum Beispiel:

Ein solcher Wandler ist bidirektional, d.h. es senkt den hohen Pegel und erhöht die Reaktion niedrig. LV (1,2,3,4) - Plattformen zum Anschließen von Signalen mit niedrigem Pegel, HV (1,2,3,4) - Hochpegel, HV und LV ohne Zahlen - dies sind Spannungen von 5 und 3,3 Volt, wie bei Quellen konvertierter Signale GND - Erdungs- oder Minuskabel. In einem bestimmten Fall gibt es 4 unabhängige Kanäle.

Schaltungsanpassung mit großen Spannungsunterschieden

Wenn Sie ein Signal starten möchten, z. B. von Hochspannungskreisen, z. B. 220 V, müssen Sie einen Optokoppler verwenden.Dies bietet eine galvanische Trennung und Schutz gegen Hochspannungsstöße der Eingänge des Mikrocontrollers. Solche Schaltungen werden sowohl zum Empfangen eines Signals als auch zum Ausgeben von Signalen von einem Mikrocontroller an ein Netzwerk sowie verwendet Triacs zu kontrollieren in Ketten.

Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines hohen Potentials auf der Arduino-Platine ist in diesem Fall äußerst gering, dies wird durch das Fehlen eines elektrischen Kontakts sichergestellt, und die Kommunikation erfolgt über einen optischen Kanal, d.h. mit Hilfe von Licht. Sie können mehr darüber erfahren, indem Sie foto- und optoelektronische Geräte studieren.

Wenn ein großer Sprung auftritt, brennt der Optokoppler, das Bild ist PC8171, aber Sie werden die Anschlüsse des Mikrocontrollers nicht überlasten.

Leistungsstarke Verbraucher anschließen

Da der Mikrocontroller nur den Betrieb von Geräten steuern kann, können Sie keinen leistungsstarken Consumer an seinen Port anschließen. Beispiele für solche Verbraucher:

• Relais

• Solenoide;

• Elektromotoren;

• Servos.

1. Servoverbindung

Die Hauptaufgabe des Servoantriebs besteht darin, die Position des mit den Aktuatoren verbundenen Rotors einzustellen, ihn mit geringem Aufwand zu steuern und zu ändern. Das heißt, Sie können mit Hilfe eines Potentiometers, wenn der Servoantrieb so ausgelegt ist, dass er sich innerhalb einer halben Umdrehung (180 Grad) dreht, oder mit Hilfe eines Encoders, wenn eine kreisförmige Drehung (360 Grad) erforderlich ist, die Position der Servowelle (in unserem Fall Elektromotor) beliebiger Leistung steuern.

Viele Robotik-Enthusiasten verwenden Arduino als Basis für ihre Roboter. Hier haben Servos große Verwendung gefunden. Sie werden als Antrieb von Drehmechanismen für Kameras, Sensoren und mechanische Hände verwendet. Radiomodellierer fahren zum Drehen von Rädern in Automodellen. Die Industrie verwendet große Antriebe in CNC-Maschinen und anderen Automatisierungen.

Bei kleinen Amateurdiensten ist eine Platine mit Positionssensor und Elektronik in das Gehäuse integriert. Normalerweise kommen drei Drähte heraus:

• Rot - plus Strom, wenn ein leistungsstarkes Laufwerk besser an eine externe Quelle und nicht an die Arduino-Karte angeschlossen werden kann;

• Schwarz oder Braun - Minus, die Verbindung sowie Plus;

• Gelb oder Orange - das Steuersignal - wird vom digitalen Pin des Mikrocontrollers gespeist (Digitalausgang).

Für die Verwaltung des Servers steht eine spezielle Bibliothek zur Verfügung, deren Zugriff am Anfang des Codes mit dem Befehl "#include servo.h" deklariert wird.

Motoranschluss

Um Antriebe anzutreiben und ihre Drehzahl anzupassen, ist es am einfachsten, DPT (einen Bürsten-Gleichstrommotor mit Erregung durch Permanentmagnete) zu verwenden. Sie haben solche Motoren wahrscheinlich in ferngesteuerten Autos gesehen. Sie lassen sich leicht umkehren (eingeschaltet, um sich in die richtige Richtung zu drehen). Sie müssen lediglich die Polarität ändern. Versuchen Sie nicht, sie direkt mit den Stiften zu verbinden!

Verwenden Sie besser einen Transistor. Wird passen jeder bipolaremindestens direkte (pnp), mindestens umgekehrte (npn) Leitfähigkeit. Das Feld funktioniert auch, aber wenn Sie ein bestimmtes auswählen, stellen Sie sicher, dass der Verschluss mit logischen Ebenen funktioniert.

Andernfalls wird es nicht vollständig geöffnet, oder Sie verbrennen den digitalen Ausgang des Mikrocontrollers, während Sie die Gate-Kapazität aufladen. Sie verwenden einen Treiber. Der einfachste Weg besteht darin, das Signal durch einen Bipolartransistor zu pumpen. Unten ist der Steuerkreis durch Feldeffekttransistor.

Wenn zwischen G und S kein Widerstand vorhanden ist, wird der Verschluss (G) nicht zu Boden gezogen und kann aufgrund von Interferenzen spontan „laufen“.

Wie Sie feststellen können, dass ein Feldeffekttransistor für die direkte Steuerung über einen Mikrocontroller geeignet ist, siehe unten. Suchen Sie im Datenblatt den Vgs-Parameter. Beispiel: Für IRL540 sind alle Messungen und Diagramme an Vgs = 5 V gebunden, auch wenn für diese Spannung zwischen Gate und Source ein Parameter wie der Widerstand des offenen Kanals angegeben ist.

Zusätzlich zum Bürsten-DPT kann der Kühler auf die gleiche Weise vom Computer aus angeschlossen werden, obwohl es einen bürstenlosen Motor gibt, dessen Wicklungen vom eingebauten Wandler gesteuert werden, dessen Platine sich direkt in seinem Gehäuse befindet.

Die Drehzahl dieser beiden Motortypen lässt sich durch Variieren der Versorgungsspannung leicht einstellen. Dies kann erfolgen, wenn die Transistorbasis nicht digital (digitaler Ausgang), sondern mit einem Pin (~ pwm) verbunden ist, dessen Wert durch die Funktion "analogWrite ()" bestimmt wird.

Relais und Magnete

Für Schaltkreise, bei denen keine Regelung erforderlich ist und häufiges Schalten zweckmäßig ist, wird ein Relais verwendet. Durch Auswahl der richtigen können Sie alle Ströme und Spannungen mit minimalen Verlusten bei der Leitfähigkeit und Erwärmung von Stromleitungen schalten.

Legen Sie dazu die erforderliche Spannung an die Relaisspule an. Auf dem Relaisstromkreis ist seine Spule für die Steuerung von 5 Volt ausgelegt. Leistungskontakte können sowohl ein Voltpaar als auch das Netzwerk 220 V schalten.

Magnete sind Spulen oder elektromagnetische Aktuatoren.

Beispiele:

• Der Antrieb verriegelt die Autotüren;

• Magnetventile;

• Elektromagnet in der metallurgischen Produktion;

• Das Kraftwerk der Gaußschen Kanone und mehr.

In jedem Fall sieht eine typische Schaltung zum Anschließen von Gleichstromspulen an einen Mikrocontroller oder eine Logik folgendermaßen aus:

Als Transistor zur Verstärkung des Steuerstroms ist die Diode in die entgegengesetzte Richtung geschaltet, um den Ausgang des Mikrocontrollers vor selbstinduktiven EMF-Bursts zu schützen.

Eingabegeräte und Sensoren

Sie können Ihr System mit Tasten, Widerständen und Encodern steuern. Mit der Taste können Sie ein Signal an den Digitaleingang des Arduino High (High / 5V) oder Low (Low / 0V) senden.

Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten zur Aufnahme. Sie benötigen eine normalerweise geöffnete Taste ohne Fixierung. Für einige Zwecke benötigen Sie einen Kippschalter oder eine Taste mit Fixierung. Wählen Sie diese je nach Situation selbst aus. Um eine Einheit einzureichen, müssen Sie den ersten Kontakt der Taste mit der Stromquelle und den zweiten mit dem Verbindungspunkt des Widerstands und dem Eingang des Mikrocontrollers verbinden.

Wenn die Taste am Widerstand gedrückt wird, fällt die Versorgungsspannung ab, dh auf einen hohen Pegel. Wenn die Taste nicht gedrückt wird, gibt es keinen Strom in der Schaltung, das Potential am Widerstand ist niedrig, das Signal "Low / 0V" wird an den Eingang angelegt. Dieser Zustand wird als "Stift wird zur Erde gezogen, und der Widerstand wird" heruntergezogen "bezeichnet.

Wenn Sie möchten, dass der Mikrocontroller beim Klicken auf die Schaltfläche 0 statt 1 erhält, schließen Sie die normalerweise geschlossene Schaltfläche auf die gleiche Weise an oder lesen Sie, wie Sie dies bei normal geöffnet tun.

Um dem Mikrocontroller einen Befehl mit einem Nullsignal zu geben, ändert sich die Schaltung geringfügig. Ein Widerstandszweig ist mit der Versorgungsspannung verbunden, der zweite mit dem Verbindungspunkt der normalerweise geöffneten Taste und dem digitalen Eingang des Arduino.

Wenn die Taste losgelassen wird, bleibt die gesamte Spannung an, und der Eingang erhält einen hohen Pegel. Dieser Zustand wird als "Pin wird auf Plus gezogen" bezeichnet, und der Widerstand ist "Pull-Up". Wenn Sie den Knopf drücken, rangieren (schließen) Sie den Eingang zum Boden.

Spannungsteiler und Signaleingang vom Potentiometer und resistiven Analog

 

Der Spannungsteiler dient zum Anschließen variabler Widerstände wie Thermistoren, Fotowiderstände usw. Aufgrund der Tatsache, dass einer der Widerstände konstant ist und die zweite Variable - Sie können die Spannungsänderung an ihrem Mittelpunkt beobachten, wird sie im obigen Bild als Ur angezeigt.

Somit ist es möglich, verschiedene analoge Sensoren vom Widerstandstyp und Sensoren anzuschließen, die unter dem Einfluss äußerer Kräfte ihre Leitfähigkeit ändern. Sowie Potentiometer.

In der Abbildung unten sehen Sie ein Beispiel für die Verbindung solcher Elemente. Das Potentiometer kann ohne zusätzlichen Widerstand angeschlossen werden. In der Extremposition liegt die volle Spannung an. In der Minimalposition muss jedoch eine Stabilisierung oder Strombegrenzung sichergestellt werden - andernfalls ist dies der Fall Kurzschluss.

Schlussfolgerungen

Um ein Modul und einen Zusatz fehlerfrei an den Mikrocontroller anschließen zu können, müssen Sie die Grundlagen der Elektrotechnik, das Ohmsche Gesetz, allgemeine Informationen zum Elektromagnetismus sowie die Grundlagen des Betriebs von Halbleiterbauelementen kennen. In der Tat können Sie sicherstellen, dass dies alles viel einfacher ist, als diese komplexen Wörter anzuhören. Verwenden Sie die Diagramme aus diesem Artikel in Ihren Projekten!