Плата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройств

Плата Arduino Uno  — центр большой империи Arduino, самое популярное и самое доступное устройство Arduino. В ее основе лежит чип ATmega — в последней ревизии Арудуино Уно R3 — это ATmega328 (хотя на рынке можно еще встретить варианты платы UNO с ATmega168). Arduino Uno является самым подходящим вариантом для начала работы с платформой: она имеет удобный размер (не слишком большой, как у Mega и не такой маленький, как у Nano), достаточно доступна из-за массового выпуска всевозможных клонов, под нее написано огромное количество бесплатных уроков и скетчей. В этой статье мы рассмотрим основные особенности, характеристики и устройство платы Arduino Uno R3, требования к питанию и возможности подключения внешних устройств.

Характеристики Arduino Uno

Микроконтроллер ATmega328
Рабочее напряжение
Напряжение питания (рекомендуемое) 7-12В
Напряжение питания (предельное) 6-20В
Цифровые входы/выходы 14 (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов)
Аналоговые входы 6
Максимальный ток одного вывода 40 мА
Максимальный выходной ток вывода 3.3V 50 мА
Flash-память 32 КБ (ATmega328) из которых 0.5 КБ используются загрузчиком
SRAM 2 КБ (ATmega328)
EEPROM 1 КБ (ATmega328)
Тактовая частота 16 МГц

 

Изображения плат Ардуино Уно

Плата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройствПлата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройствПлата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройствПлата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройствПлата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройствПлата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройств

Устройство Arduino Uno

Ардуино — это открытая платформа. По сути, любой желающий может скачать схему с официального сайта или одного из популярных форумов, а затем собрать плату на основе контроллера ATmega. Необходимые электронные компоненты можно весьма не дорого купить во множестве интернет-магазинов.

Схема и распиновка платы Arduino Uno

Плата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройств

Принципиальная схема:

Принципиальная схема ардуино

 

Описание элементов платы Arduino Uno R3

Плата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройств

Распиновка микроконтроллера ATMega 328

Плата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройств

Описание пинов Ардуино

Плата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройствПины Ардуино используются для подключения внешних устройств и могут работать как в режиме входа (INPUT), так и в режиме выхода (OUTPUT).  К каждому входу может быть подключен встроенный резистор 20-50 кОм с помощью выполнения команды pinMode () в режиме INPUT_PULLUP. Допустимый ток на каждом из выходов – 20 мА, не более 40 мА в пике.
Для удобства работы некоторые пины совмещают в себе несколько функций:

  • Пины 0 и 1  — контакты UART (RХ и TX соответственно) .
  • Пины c 10 по 13 – контакты SPI (SS, MOSI, MISO и SCK соответственно)
  • Пины A4 и A5 – контакты I2C (SDA и SCL соответственно).

Цифровые пины платы Uno

Пины с номерами от 0 до 13 являются цифровыми. Это означает, что вы можете считывать и подавать на них только два вида сигналов: HIGH и LOW. С помощью ШИМ также можно использовать цифровые порты для управления мощностью подключенных устройств.

Пин ардуино Адресация в скетче Специальное назначение ШИМ
Цифровой пин 0 0 RX
Цифровой пин 1 1 TX
Цифровой пин 2 2 Вход для прерываний
Цифровой пин 3 3 Вход для прерываний ШИМ
Цифровой пин 4 4
Цифровой пин 5 5 ШИМ
Цифровой пин 6 6 ШИМ
Цифровой пин 7 7
Цифровой пин 8 8
Цифровой пин 9 9 ШИМ
Цифровой пин 10 10 SPI (SS) ШИМ
Цифровой пин 11 11 SPI (MOSI) ШИМ
Цифровой пин 12 12 SPI (MISO)
Цифровой пин 13 13 SPI (SCK)

К выходу также подсоединен встроенный светодиод (есть в большинстве плат Arduino)

 

Аналоговые пины Arduino Uno

Аналоговые пины Arduino Uno предназначены для подключения аналоговых устройств и являются входами для встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который в ардуино уно десятиразрядный.

Пин Адресация в скетче Специальное назначение
Аналоговый пин A0 A0 или 14
Аналоговый пин A1 A1 или 15
Аналоговый пин A2 A2 или 16
Аналоговый пин A3 A3 или 17
Аналоговый пин A4 A4 или 18 I2C (SCA)
Аналоговый пин A5 A5 или 19 I2C (SCL)

 

Дополнительные пины на плате

  • AREF – выдает опорное напряжения для встроенного АЦП. Может управляться функцией analogReference().
  • RESET – подача низкого сигнала на этом входе приведет к перезагрузке устройства.

Подключение устройств

Подключение любых устройств к плате осуществляется путем присоединения к контактам, расположенным на плате контроллера: одному из цифровых или аналоговых пинов или пинам питания. Простой светодиод можно присоединить, используя два контакта: землю (GND) и сигнальный (или контакт питания).

digitalWrite blink

Самый простой датчик потребует задействовать минимум три контакта: два для питания, один для сигнала.

Фоторезистор датчик освещенности arduino

При любом варианте подключения внешнего устройства следует помнить, что использование платы в качестве источника питания возможно только в том случае, если устройство не потребляет больше разрешенного предельного тока контроллера.

Варианты питания Ардуино Уно

Рабочее напряжение платы Ардуино Уно — 5 В. На плате установлен стабилизатор напряжения, поэтому на вход можно подавать питание с разных источников. Кроме этого, плату можно запитывать с USB — устройств. Источник питания выбирается автоматически.

  • Питание от внешнего адаптера, рекомендуемое напряжение от 7 до 12 В. Максимальное напряжение 20 В, но значение выше 12 В с высокой долей вероятности быстро выведет плату из строя. Напряжение менее 7 В может привести к нестабильной работе, т.к. на входном каскаде может запросто теряться 1-2 В. Для подключения питания может использоваться встроенный разъем DC 2.1 мм или напрямую вход VIN для подключения источника с помощью проводов.
  • Питание от USB-порта компьютера.
  • Подача 5 В напрямую на пин 5V. В этом случае обходится стороной входной стабилизатор  и даже малейшее превышение напряжения может привести к поломке устройства.

Пины питания

  • 5V – на этот пин ардуино подает 5 В, его можно использовать для питания внешних устройств.
  • 3.3V – на этот пин от внутреннего стабилизатора подается напряжение 3.3 В
  • GND – вывод земли.
  • VIN – пин для подачи внешнего напряжения.
  • IREF – пин для информирования внешних устройств о рабочем напряжении платы.

Память Arduino Uno R3

Плата Uno по умолчанию поддерживает три типа памяти:

  • Flash – память объемом 32 кБ. Это основное хранилище для команд. Когда вы прошиваете контроллер своим скетчем, он записывается именно сюда. 2кБ из данного пула памяти отводится на bootloader- программу, которая занимается инициализацией системы, загрузки через USB и запуска скетча.
  • Оперативная SRAM память объемом  2 кБ. Здесь по-умолчанию хранятся переменные и объекты, создаваемые в ходе работы программы. Память эта энерго-зависимая, при выключении питания все данные, разумеется, сотрутся.
  • Энергонезависимая память (EEPROM) объемом 1кБ. Здесь можно хранить данные, которые не сотрутся при выключении контроллера. Но процедура записи и считывания EEPROM требует использования дополнительной библиотеки, которая доступна в Arduino IDE по-умолчанию. Также нежно помнить об ограничении циклов перезаписи, присущих технологии EEPROM.

Некоторые модификации стандартной платы Uno могут поддерживать память с большими значениями, чем в стандартном варианте. Но следует понимать, что для работы с ними потребуются и дополнительные библиотеки.

Программирование для платы Uno

Для написания программ (скетчей) для контроллер Ардуино вам нужно установить среду программирования. Самым простым вариантом будет установка бесплатной Arduino IDE, скачать ее можно с официального сайта.

После установки IDE вам нужно убедиться, что выбрана нужная плата. Для этого у Arduino IDE в меню «Инструменты» и подпункте «Плата» следует выбрать нашу плату (Arduino/Genuino Uno). После выбора платы автоматически изменятся параметры сборки проекта и итоговый скетч будет скомпилирован в формат, который поддерживает плата. Подключив контроллер к компьютеру через USB, вы сможете в одно касание заливать на него вашу программу,используя команду «Загрузить».

Сам скетч чаще всего представляет собой бесконечный цикл, в котором регулярно опрашиваются пины с присоединенными датчиками и с помощью специальных команд формируется управляющее воздействие на внешние устройства (они включаются или выключаются). У программиста Ардуино есть возможность подключить готовые библиотеки, как встроенные в IDE, так и доступные на многочисленных сайтах и форумах.

Написанная и скомпилированная программа загружается через USB-соединение (UART- Serial). Со стороны контролера за этот процесс отвечает bootloader.

Более подробную информацию о том, как устроены программы для платы Ардуино можно найти в нашем разделе, посвященном программированию.

Отличие Arduino Uno от других плат

Сегодня на рынке можно встретить множество вариантов плат ардуино. Самыми популярными конкурентами Уно являются платы Nano и Mega. Первая пойдет для проектов, в которых важен размер.  Вторая — для проектов, где у схема довольно сложна и требуется множество выходов.

Отличия Arduino Uno от Arduino Nano

Современные платы Arduino Uno и Arduino Nano версии R3 имеют, как правило, на борту общий микроконтроллер: ATmega328. Ключевым отличием является размер платы и тип контактных площадок. Габариты Arduino Uno: 6,8 см x 5,3 см. Габариты Arduino Nano: 4,2 см x 1,85 см. В Arduino UNO используются коннекторы типа «мама», в Nano – «гребень» из ножек, причем у некоторых моделей контактные площадки вообще не припаяны.  Естественно, больший размер UNO по сравнению с Nano в некоторых случаях является преимуществом, а в некоторых – недостатком. С платой большого размера гораздо удобнее производить монтаж, но она неудобна в реальных проектах, т.к. сильно увеличивает габариты конечного устройства.

На платах Arduino Uno традиционно используется разъем TYPE-B (широко применяется также для подключения принтеров и МФУ). В некоторых случаях можно встретить вариант с разъемом Micro USB. В платах Arduino Nano стандартом является Mini или Micro USB.

Естественно, различия есть и в разъеме питания. В плате Uno есть встроенный разъем DC, в Nano ему просто не нашлось места.

Кроме аппаратных, существуют еще небольшие отличия в процессе загрузки скетча в плату. Перед загрузкой следует убедиться, что вы выбрали верную плату в меню «Инструменты-Плата».

Отличия от Arduino Mega

Плата Mega в полном соответствии со своим названием является на сегодняшний день самым большим по размеру и количеству пинов контроллеров Arduino. По сравнению с ней в Uno гораздо меньше пинов и памяти. Вот список основных отличий:

  • Плата Mega использует иной микроконтроллер: ATMega 2560. Но тактовая частота его равна 16МГц, так же как и в Уно.
  • В плате Mega большее количество цифровых пинов — 54 вместо 14 у платы Uno. И аналоговых — 16 / 6.
  • У платы Mega больше контактов, поддерживающих аппаратные прерывания: 6 против 2. Больше Serial портов — 4 против 1.
  • По объему памяти Uno тоже существенно уступает Megа. Flash -память 32/256, SRAM —  2/8, EEPROM — 4/1.

Исходя из всего этого можно сделать вывод, что для больших сложных проектов с программами большого размера и активным использованием различных коммуникационных портов лучше выбирать Mega. Но эти платы дороже Uno и занимают больше места, поэтому для небольших проектов, не использующих все дополнительные возможности Mega, вполне сойдет Uno — существенного прироста скорости при переходе на «старшего» брата вы не получите.

Краткие выводы

Arduino Uno — отличный вариант платы для создания  своих первых умных устройств. 14 цифровых и 6 аналоговых пинов позволяют подключать разнообразные датчики, светодиоды, двигатели и другие внешние устройства. USB-разъем поможет подключиться к компьютеру для перепрошивки скетча без дополнительных внешних устройств. Встроенный стабилизатор  позволяет использовать различные элементы питания с широким диапазоном напряжения, от 6-7 до 12-14 В. В Arduino Uno достаточно удобно реализована работа с популярными протоколами: UART, SPI, I2C. Есть даже встроенный светодиод, которым можно помигать в своем первом скетче. Чего еще желать начинающему ардуинщику?

ПОДЕЛИТЬСЯ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here