Arduino външно захранване. Токова защита на USB конектора. Свързване на Arduino Uno към захранване

Статията говори за контролера Arduino UNO R3, избран да демонстрира програмите за уроци. Сега не е необходимо внимателно да изучавате тази информация. Препоръчвам да прегледате, за да имате представа за хардуера на системата. В бъдеще тази статия може да се използва като справочна информация.

Като контролер за урочните програми избрах платката Arduino UNO R3. Но нищо не ви пречи да използвате други дъски. Просто UNO R3 е най-често срещаната версия на Arduino контролерите.

Свързване на Arduino Uno към захранване

На фигурата по-долу ние идентифицираме всички компоненти на платката със същите имена като в схемата. Можете да го използвате като ръководство за намиране на компоненти. Обърнете внимание на двата компонента, отбелязани с въпросителен знак. Те са на борда, но не се показват в проекта.

Нека да преминем към това, което има значение, което е анализът и обяснението на веригата. В следващите раздели ще обясним как работи всеки от трите основни блока. Щракнете върху заглавията по-долу, за да разширите всяка тема. Следващата фигура показва веригата по-подробно.

Обща информация за контролера.

Arduino UNO R3 е базиран на микроконтролера ATmega328. Него:

  • 14 цифрови входно-изходни порта (6 от тях поддържат режим на PWM модулация);
  • 6 аналогови входа;
  • тактова честота 16 MHz;
  • USB порт;
  • конектор за захранване;
  • съединител за програмиране в схемата;
  • бутон за рестартиране.

Платката разполага с всички необходими компоненти за осигуряване на работата на микроконтролера. Достатъчно за свързване USB кабелкъм компютъра и подайте захранване. Микроконтролерът е монтиран на блок, което улеснява подмяната му в случай на повреда.

Ще анализираме всички компоненти, присъстващи в него. Всъщност този предпазител не е нищо повече от резистор, чието съпротивление се увеличава с повишаване на температурата. Въпреки това, за разлика от традиционния предпазител, който избухва при претоварване, този компонент има способността да се нулира, когато работните условия се нормализират.

За стойности на тока, равни или по-малки от 500 милиампера, стойността на съпротивлението на предпазителя остава ниска. Така токът тече свободно през него. Това прави по-актуаленпреминават през предпазителя, карайки го да се нагрее и да увеличи съпротивлението си. Увеличеното съпротивление прекъсва тока, като ефективно действа като изгорял предпазител. Въпреки това, ако късото съединение или претоварването бъдат отстранени, предпазителят се охлажда и стойността на съпротивлението му отново пада, връщайки се в първоначалното си състояние.

Спецификации.

тип микроконтролер ATmega328P
Захранващо напрежение на микроконтролера 5 V
Препоръчително напрежение на платката 7 - 12 V
В крайна сметка допустимо напрежениезахранваща платка 6 - 20 V
Цифрови входове/изходи 14 (от които 6 поддържат ШИМ)
Изходи за PWM модулация 6
Аналогови входове 6
Допустим ток на цифровите изходи 20 mA
Допустим изходен ток 3,3 V 50 mA
Капацитет на флаш памет (FLASH) 32 KB (от които 0,5 KB се използват от буутлоудъра)
Сила на звука оперативна памет(SRAM) 2 kB
Количеството енергонезависима памет (EEPROM) 1 kB
Тактова честота 16 MHz
Дължина на борда 68.6 мм
Ширина на борда 53,4 мм
Теглото 25 гр

Програмиране.

Важно е обаче да се има предвид, че стойността от 500 милиампера е само референтна. Реалната стойност на тока, който ефективно "изключва" предпазителя, е най-малко 500 милиампера, което зависи от времето, необходимо за изключване, както и от стойността на околната температура.

Консултирайте се с информационния лист, ако се интересувате да научите повече за поведението на този предпазител. Защита с предпазител. Най-често срещаният пример за електростатичен разряд е, когато ходите по килим или мокет с гумени подметки и след това, когато се опитате да отворите метална дръжка на врата, тя предизвиква удар. В този случай тялото ви се зарежда с електрически заряди поради триенето на обувките в килима, след което тези товари бързо се прехвърлят върху дръжката на вратата, което води до лек удар.

Контролерът се програмира от интегрираната среда софтуерАрдуино (IDE). Програмирането се извършва под контрола на резидентен буутлоудър, използващ протокола STK500. Не е необходим хардуерен програмист.

Микроконтролерът може да се програмира през ICSP гнездото, без да се използва буутлоудър. Източникпрограмата за изтегляне е свободно достъпна.

Ако тялото ви е заредено и вместо дръжката на вратата докосвате печатна електронна платка електронни схеми, върху него се прехвърлят тежести, което може да повреди веригата. Електростатични разряди се случват през цялото време и в повечето случаи токът е твърде слаб, за да усетите удара, така че в крайна сметка те остават незабелязани, но все пак могат да повредят по-чувствителните компоненти.

Подобно на предпазителя, варисторът също е резистор, но в този случай стойността на съпротивлението намалява с увеличаване на напрежението върху него. Работа на защитни варистори. Това се дължи на факта, че тези чипове вече имат вградени защитни структури, които в повечето случаи са достатъчни.

За разлика от други Arduino контролери.

Arduino UNO R3, за разлика от предишните версии, не използва USB-UART FTDI мост за свързване към компютър. Тази функция се изпълнява от микроконтролера ATmega16U2.

Система за захранване.

Платката UNO може да се захранва от USB порта или от външен източник. Източникът на захранване се избира автоматично. Като външен източник на захранване може да се използва AC адаптер или батерия. Адаптерът се свързва чрез 2,1 mm конектор (централният щифт е положителен). Батерията е свързана към щифтовете GND и Vin на конектора POWER.

По принцип феритите се използват за потискане на шума. Тези компоненти се наричат ​​"резисторна мрежа" или "резисторна мрежа". Осцилаторът е сърцето на всеки процесор, отговорен за генерирането на тактовия импулс. На практика всички съществуващи процесори използват генератор и тяхната реализация често е много подобна. Въпреки използването на няколко компонента, работата на тази схема е сравнително сложна, така че няма да навлизаме в подробности и ще се съсредоточим само върху основните характеристики.

Токова защита на USB конектора

Функцията на кристала е да създаде синусоида, която ще служи като основа за часовника. Вътрешно процесорът преобразува синуса в квадратна вълна. Някои процесори и интегрални схеми изискват този резистор да започне да работи след включване, но това не е задължително и използването му зависи от ориентацията на производителя на чипа. Обикновено всяка матрица има спецификация каква стойност на кондензатора е идеална за нейната работа и ролята на дизайнера е да избере стойността.

Напрежението на външното захранване може да бъде в диапазона 6 - 20 V. Но се препоръчва да не се допуска напрежението да пада под 7 V поради нестабилната работа на устройството. Също така е нежелателно да се увеличи захранващото напрежение повече от 12 V, т.к. стабилизаторът може да прегрее и да се повреди. Тези. препоръчителен обхват на захранващото напрежение 7 - 12 V.

Неправилните стойности на кондензатора могат да променят резонансната честота на кристала или дори да му попречат да работи. В тази верига кондензаторът действа като "свързващ кондензатор". Кондензаторите с тази функция са много важни при работата на цифровите интегрални схеми. На практика всички производители на интегрални схеми препоръчват използването на кондензатори, свързани към захранващите изводи, като 100 нанофарада са класическата стойност. В допълнение към стойността, най-важният проблем при използването на разделителен кондензатор е неговото местоположение и трябва да бъде разположен възможно най-близо до захранващите контакти на въпросната интегрална схема.

Следните щифтове могат да се използват за свързване на захранване.

Вин Платката се захранва от външен източник на захранване. Не е свързано с 5V USB захранване или други стабилизаторни изходи. Чрез този контакт можете да получите захранване за вашето устройство, ако платката се захранва от адаптер.
5V Изход на регулатора на напрежението на платката. Има напрежение 5 V с всяко захранване. Не се препоръчва да захранвате платката през този изход, т.к. не се използва стабилизатор, което може да доведе до повреда на микроконтролера.
3 V 3 Напрежение 3,3 V от регулатора на напрежението на платката. Максимално допустимата консумация на ток от този изход е 50 mA.
GND общ проводник.
IOREF На изхода информация за работното напрежение на платката. Разширителната платка може да чете стойността на сигнала и да превключва на 5V или 3.3V режим на захранване.

памет.

Основните функции на разделителния кондензатор са. Филтрирайте шума, идващ от захранването, предотвратявайки навлизането му в интегралната схема. В допълнение, те филтрират вътрешно генерирания шум в интегралната схема, предотвратявайки разпространението му към други компоненти на платката. цифрова схема, като процесор, черпи ток в пикове, които обикновено съвпадат с тактовите импулси. Кондензаторът има ролята да съхранява достатъчно енергия, за да осигури токовите пикове, необходими на процесора. Това е щифтът за нулиране на процесора и същият е активен нисък, което означава, че процесорът влиза в състояние на нулиране, когато напрежението на щифта е нула.

Микроконтролерът има три вида памет:

  • 32 kB флаш (FLASH);
  • 2 kB RAM (SRAM);
  • 1 kB енергонезависима памет (EEPROM).

Входове и изходи.

Всеки от 14-те цифрови пина може да се използва като изход или вход. Нивото на напрежение на изходите е 5 V. Препоръчва се ограничаване на изходящия и входящия ток на всеки изход на ниво от 20 mA. Максимално допустимата стойност за този параметър е 40 mA. Всеки щифт има вътрешен издърпващ резистор 20-50 kΩ. Резисторът може да бъде деактивиран софтуерно.

Така че резисторът поддържа напрежението на 5 волта и предотвратява неправилното влизане на процесора в състояние на нулиране. Но защо диодът е поставен само на този пин на процесора, а не на други? Но щифтът за нулиране е специален случай, защото се използва по време на писане на софтуер и някои техники за програмиране прилагат 12 волта към този щифт по време на процеса. Така производителят на чипове премахва един от двата вътрешни защитни диода.

За да работи правилно този регулатор, производителят препоръчва да свържете кондензатор от 1 микрофарад към щифт 27 на процесора. Резистори, които комуникират между серийни процесори. Капацитивно свързване в линията за нулиране. Повече информация за функцията му обаче не сме получили.


Някои щифтове може да изпълняват допълнителни функции.

Сериен интерфейс: пинове 0 (Rx) и 1 (Tx).Използва се за получаване (Rx) и предаване (Tx) TTL серийни данни. Тези щифтове са свързани към щифтовете за данни на ATmega16U2, използвани като USB-UART мост.

Изглежда, че е разширителен конектор, но не е запоен на платката и нямаме повече информация за функцията му. Това е джъмпер за запояване, който се намира на долната плоча. В електронните дизайни дизайнерите обикновено правят тази връзка между "различни основи" с джъмпер, тъй като това гарантира, че те са свързани само в една точка, което предотвратява протичането на ток в нежеланите области на платката. Този джъмпер вече е затворен фабрично.

Конектор за външно захранване

Следващата фигура показва основния процесор. Схема на главния процесор. Нека сега да разгледаме как е реализирана основната схема на процесора. Керамичните резонатори са компоненти, подобни на кристали, което означава, че те също са отговорни за генерирането на синусоида, която ще служи като основа за тактовия сигнал на процесора.

Външни прекъсвания: щифтове 2 и 3.Тези щифтове могат да се използват като външни входове за прекъсване. Може да се настрои от софтуера да прекъсва на ниско ниво, на нарастващ или спадащ фронт или да променя нивото на сигнала.

PWM: щифтове 3, 5, 6, 9, 10, 11.Могат да работят в режим на ШИМ модулация с резолюция 8 бита.

Обикновено керамичният резонатор е по-компактен от кристала и вече има вградени кондензатори, инсталирани вътре, което опростява веригата. Ето защо резонаторите най-често се използват в компактни приложения с малко налично пространство.

Дизайнерът все още можеше да постави друг кондензатор, за да отдели щифт 7, както се препоръчва, но той не беше включен в тази схема. Това води до ниско логическо ниво на този щифт, което нулира процесора. Имайте предвид, че в диаграмата всички сигнали с едно и също име са свързани помежду си, независимо дали има физическа връзка между тях.

Сериен интерфейс SPI: щифтове 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK).

LED: щифт 13.Светодиод, свързан към пин 13. Светва, когато високо нивоизходен сигнал.

TWI интерфейс: изход A4 или SDA и A5 или SCL. TWI комуникационен интерфейс.

При ардуино дъски UNO е 6 аналогови входа, обозначени с A0-A5. Разделителната способност на аналогово-цифровото преобразуване е 10 бита. По подразбиране входното напрежение се измерва по отношение на земята в диапазона 0-5V, но може да бъде променено с помощта на щифта AREF и настройките на софтуера.

Опитайте се да съпоставите конекторите, показани на диаграмата, с конекторите на платката. Фигурата по-долу показва компонентите, присъстващи в този блок. Използването на напрежение над 12 волта може да причини прегряване на регулаторите и не се препоръчва. Този конектор е женски тип и е настроен на 2,1 mm, което означава, че щифтът в центъра му е с диаметър 2,1 mm. Това означава, че използваният източник трябва да има мъжки конектор, също с 2,1 милиметра и положителен център.

Поради тази причина ние включихме съединител тип винтова клема в нашата версия. Така че можете да използвате всеки източник, който имате, дори и да няма правилна връзка. В този случай просто изрежете щепсела от източника и завийте проводниците направо в клемата. Токът, идващ от входния жак, скоро открива първия компонент, който е защитният диод. Тогава източник с обърната полярност би бил модел с отрицателен център. Когато източник с обърната полярност бъде случайно свързан към незащитена електронна карта, това предизвиква поток обратен ток, което причинява изгаряне на няколко компонента, което води до разрушаване на повечето вериги.

Още 2 пина на платката имат следните функции:

AREF.Референтното напрежение на ADC на микроконтролера.

НУЛИРАНЕ. Ниско нивона този щифт кара микроконтролера да се нулира.

Комуникационни интерфейси.

Модулът Arduino UNO има средства за комуникация с компютър, с друга UNO платка или с други микроконтролери. За да направите това, платката има UART интерфейс с TTL (5 V) логически нива, свързани към щифтове 0 (RX) и 1 (TX). Чипът ATmega16U2 на платката свързва UART интерфейса към USB порта на компютъра. Когато е свързан към компютърен порт, виртуален COMпорт, през който компютърните програми работят с Arduino. Фърмуерът ATmega16U2 използва стандартни USB-COM драйвери и не е необходима допълнителна инсталация на драйвери. За операционна система Windows е необходим подходящ .inf файл. Интегрираната софтуерна среда на Arduino (IDE) включва сериен комуникационен монитор, който ви позволява да изпращате и получавате прости текстови данни от платката. Платката има светодиоди RX и TX, които показват състоянието на съответните сигнали за USB комуникация (но не и за серийния интерфейс на пинове 0 и 1).

Накратко можем да кажем, че диодът функционира като затворен ключ за източници с правилна полярност и като отворен ключ за източници с обърната полярност. Диод, който предпазва платката от обратно свързване. Въпреки това, спадът на напрежението в този диод е голям, достигайки 1,1 V, което може да доведе до нежелани ефекти под формата на повишено разсейване на топлината, което води до загуба на ефективност. В този случай диодът на Шотки би бил по-подходящ, тъй като спадът на напрежението върху него е по-малък.

Изтеглете дизайна на тези карти и се опитайте да сравните разликите в диаграмите. В допълнение, регулаторът функционира и като филтър, намаляващ шума, който може да присъства в напрежението, генерирано от захранването. 5 волтов контролер. Този регулатор се нарича линеен регулатор и средата, която използва за понижаване на напрежението на източника, е просто за разсейване на излишната енергия, изхвърляйки я като топлина. Поради тази причина той има ниска ефективност и обикновено се нагрява много в някои случаи.

Микроконтролерът ATmega328 също поддържа комуникационни интерфейси I2C (TWI) и SPI.

Автоматично (софтуерно) нулиране.

За да не се налага всеки път да натискате бутона за нулиране преди зареждане на програмата, UNO платката има функция за нулиране на хардуера, инициирана от свързания компютър. Един от сигналите за контрол на потока данни (DTR) на ATmega16U2 е свързан към щифта за нулиране на ATmega328 чрез кондензатор 0,1uF. Когато DTR сигналът стане нисък, се генерира импулс за нулиране на микроконтролера. Това решение ви позволява да изтеглите програма с едно кликване от интегрираната среда за програмиране (IDE) на Android.

Но такава функция може да доведе до негативни последици. Когато свържете платката UNO към компютър с операционна Mac системаВ OS X или Linux микроконтролерът ще се нулира всеки път, когато програмата се свърже с платката. В рамките на половин секунда буутлоудърът ще бъде стартиран на борда на UNO. Въпреки че програмата за изтегляне игнорира външни данни, тя може да получи няколко байта от пакета веднага след установяване на връзката. Ако програмата на платката Arduino предвижда получаване на каквито и да било данни при първото стартиране, е необходимо да се изпращат данни със закъснение от около 1 секунда след свързването.

На модула UNO има пътечка, която може да бъде изрязана, за да деактивирате функцията за автоматично нулиране. Пистата е маркирана с надпис "RESET-EN". Автоматичното нулиране може също да бъде деактивирано чрез свързване на резистор от 110 ома между захранващата линия 5V и щифта RESET.

Защита от претоварване на USB порта.

В платката Arduino UNO захранващата линия от USB интерфейса е защитена от възстановяем предпазител. Ако токът надвишава 500 mA, предпазителят прекъсва веригата, докато късото съединение бъде елиминирано.

Принципна диаграма на контролера Arduino UNO.


Водеща платформа за разработка, базирана на микроконтролера ATmega328P. На Ардуино УноОсигурено е всичко необходимо за удобна работа с микроконтролера: 14 цифрови входа / изхода (6 от тях могат да се използват като PWM изходи), 6 аналогови входа, 16 MHz кварцов резонатор, USB конектор, конектор за захранване, конектор за вътрешно-схемно програмиране (ICSP) и бутон за нулиране.

Свързване и настройка

За работа с платката Arduino Uno в операционната Windows системаизтеглете и инсталирайте интегрираната среда на вашия компютър Разработка на Arduino- Arduino IDE.

Нещо се обърка?

Бордови елементи


Микроконтролер ATmega328P

Сърцето на платформата Arduino Uno е 8-битовият AVR микроконтролер, ATmega328P.

Микроконтролер ATmega16U2

Микроконтролерът ATmega16U2 свързва микроконтролера ATmega328P към USB порта на компютъра. Когато е свързан към компютър, Arduino Uno се дефинира като виртуален COM порт. Фърмуерът 16U2 използва стандартни USB-COM драйвери, така че не е необходимо да се инсталират външни драйвери.

Захранващи щифтове

    VIN:Напрежение от външно захранване (без връзка с 5V от USB или друго стабилизирано напрежение). Чрез този изход можете и двамата да изпратите външно захранванеи консумират ток, ако към устройството е свързан външен адаптер.

    5V:Изходът получава напрежение от 5 V от стабилизатора на платката. Този стабилизатор осигурява захранване на микроконтролера ATmega328. Не се препоръчва захранването на устройството през изхода 5V - в този случай не се използва стабилизатор на напрежението, което може да доведе до повреда на платката.

    3,3 V: 3.3V от регулатор на платката. Максимален токизход - 50 mA.

    GND:Основни заключения.

    IOREF:Пинът предоставя на разширителните платки информация за работното напрежение на микроконтролера. В зависимост от напрежението, разширителната платка може да превключи към подходящо захранване или да използва преобразуватели на нива, което ще й позволи да работи както с 5V, така и с 3.3V устройства.

I/O портове

    Цифрови входове/изходи:щифтове 0 - 13
    Логическото ниво на единица е 5 V, нула е 0 V. Максималният изходен ток е 40 mA. Издърпващите резистори са свързани към щифтовете, които са деактивирани по подразбиране, но могат да бъдат активирани от софтуера.

    ШИМ:щифтове 3, 5, 6, 9, 10 и 11
    Позволява ви да извеждате 8-битови аналогови стойности като PWM сигнал.

    ADC:щифтове A0 - A5
    6 аналогови входа, всеки от които може да представи аналоговото напрежение като 10-битово число (1024 стойности). Битовата дълбочина на ADC е 10 бита.

    TWI/I²C: SDA и SCL щифтове
    За комуникация с периферни устройства чрез синхронен протокол, чрез 2 проводника. За да работите - използвайте библиотеката Wire.

    SPI:щифтове 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK).
    Чрез тези изводи се осъществява комуникация през SPI интерфейса. За да работите - използвайте библиотеката SPI.

    UART:щифтове 0(RX) и 1(TX)
    Тези щифтове са свързани към съответните щифтове на микроконтролера ATmega16U2, който действа като USB-UART конвертор. Използва се за комуникация на платката Arduino с компютър или други устройства чрез серийния клас.

LED индикация

USB Type-B конектор

USB Type-B конекторът е предназначен за флашване на платформата Arduino Uno с помощта на компютър.

Конектор за външно захранване

Конектор за външно захранване от 7 V до 12 V.

ICSP конектор за ATmega328P

Конекторът ICSP е предназначен за вътрешносхемно програмиране на микроконтролера ATmega328P. Използвайки SPI библиотеката, тези щифтове могат да комуникират с разширителни платки чрез SPI интерфейса. SPI линиите се насочват към 6-пинов конектор и също се дублират на цифрови щифтове 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO) и 13(SCK).

ICSP конектор за ATmega16U2

Конекторът ICSP е предназначен за вътрешносхемно програмиране на микроконтролера ATmega16U2.

Препоръчваме за четене