Светодиодный куб 3х3х3 на Arduino

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Светодиодный куб 3х3х3 на Arduino

Ошев В.А. 1
1МАОУ "Лицей №4"
Ошева В.И. 1
1МАОУ "Лицей №4"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Что такое Arduino?

Arduino — торговая марка аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники, ориентированная на непрофессиональных пользователей. Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки (IDE) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат, продающихся как официальным производителем, так и сторонними производителями. Полностью открытая архитектура системы позволяет свободно копировать или дополнять линейку продукции Arduino.

Arduino может использоваться как для создания автономных объектов автоматики, так и подключаться к программному обеспечению на компьютере через стандартные проводные и беспроводные интерфейсы.

С 2008 года в компании-разработчике начался раскол, выразившийся в существовании двух независимых ветвей развития и продаж под одной торговой маркой: одна на сайте arduino.cc, другая на arduino.org. Докризисные изделия на обоих сайтах продаются под одинаковыми названиями. Набор новых изделий на сайтах различается. Также существует две ветви Arduino IDE, поддерживающие разный набор плат и библиотек. Одинаковые названия и пересекающиеся номера версий IDE вносят путаницу. Тем не менее, говоря об Ардуино, обычно подразумевают первоначальную ветвь проекта на сайте arduino.cc.

Аппаратная часть

Стандартный конструктив Ардуино с платами расширения

Плата Arduino Diecimila

Под торговой маркой Arduino выпускается несколько плат с микроконтроллером (англ. boards) и платы расширения (так называемые шилды[2] — варваризм от англ. shields). Большинство плат с микроконтроллером снабжены минимально необходимым набором обвязки для нормальной работы микроконтроллера (стабилизатор питания, кварцевый резонатор, цепочки сброса и т. п.).

Конструктив

Arduino и Arduino-совместимые платы спроектированы таким образом, чтобы их можно было при необходимости расширять, добавляя в устройство новые компоненты. Эти платы расширений подключаются к Arduino посредством установленных на них штыревых разъёмов. Существует ряд плат с унифицированным конструктивом, допускающим конструктивно жесткое соединение процессорной платы и плат расширения в стопку через штыревые линейки. Кроме того, выпускаются платы уменьшенных габаритов (например, Nano, Lilypad) и специальных конструктивов для задач робототехники. Независимыми производителями также выпускается большая гамма всевозможных датчиков и исполнительных устройств, в той или иной степени совместимых с базовым конструктивом Ардуино.

В концепцию Arduino не входит корпусной или монтажный конструктив. Разработчик выбирает метод установки и механической защиты плат самостоятельно. Сторонними производителями выпускаются наборы робототехнической электромеханики, ориентированной на работу совместно с платами Arduino.

Миниатюрные клоны Arduino

Помимо стандартных конструктивов Ардуино сторонние разработчики создали множество миниатюрных клонов, сохранив только архитектурную и программную совместимость. Среди этих клонов выделяется линейка продуктов Microduino[4][5]. Линейка содержит полноценный набор конструктивно совместимых процессорных модулей, модулей связи, сенсоров и исполнительных устройств, практически не уступая ассортименту классических модулей Arduino. Как и Arduino, сборка плат производится в стопки. Линейка оформлена в двух оригинальных конструктивах:

бескорпусной с соединениями на миниатюрных цанговых штыревых линейках (торговая марка «Microduino Upin27 Series»). Габарит плат 25*28 мм.

В стиле конструкторов Лего с электрическими соединениями на подпружиненных контактах и механической фиксацией, совместимой с конструкторами Лего (торговая марка «Microduino mCookie Series»).

Плата Femtoduino

Самый миниатюрный клон был выпущен под торговой маркой Femtoduino[6]. Его размеры всего 15*20 мм, включая разъем micro USB, стабилизатор напряжения и полный комплект ввода-вывода Arduino UNO. Той же компанией выпущен самый нафаршированный миниатюрный клон под торговой маркой IMUduino. Это клон Arduino Leonardo с поддержкой USB Host (клавиатура и мышь), Bluetooth 4 Low Energy, шестиосный гироскоп/акселерометр, трехосный магнитометр (компас), барометр. Размер устройства 16*40 мм. К сожалению, проект на данный момент не предлагает совместимых по цоколевке плат расширения.

Микроконтроллер

Микроконтроллеры для Arduino отличаются наличием предварительно прошитого в них загрузчика (bootloader). С помощью этого загрузчика пользователь загружает свою программу в микроконтроллер без использования традиционных отдельных аппаратных программаторов. Загрузчик соединяется с компьютером через интерфейс USB (если он есть на плате) или с помощью отдельного переходника UART-USB. Поддержка загрузчика встроена в Arduino IDE и выполняется в один щелчок мыши.

На случай затирания загрузчика или покупки микроконтроллера без загрузчика разработчики предоставляют возможность прошить загрузчик в микроконтроллер самостоятельно. Для этого в Arduino IDE встроена поддержка нескольких популярных дешевых программаторов, а большинство плат Arduino имеет штыревой разъем для внутрисхемного программирования (ICSP для AVR, JTAG для ARM).

В Arduino IDE от компании, базирующейся на сайте arduino.cc, встроена возможность создания своих программно-аппаратных платформ. Этой возможностью пользуются сторонние компании, добавляющие в Arduino IDE свои наборы плат и компиляторов-загрузчиков к ним. Компания на сайте arduino.org не поддерживает такую возможность.

Периферия

Порты ввода-вывода микроконтроллеров оформлены в виде штыревых линеек. Никакого буферизирования, защиты, конвертации уровней или подтяжек, как правило, нет. Микроконтроллеры питаются от 5В или 3,3В, в зависимости от модели платы. Соответственно порты имеют такой же размах допустимых входных и выходных напряжений. Программисту доступны некоторые специальные возможности портов ввода-вывода микроконтроллеров, например широтно-импульсная модуляция (ШИМ), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), интерфейсы UART, SPI, I2C. Количество и возможности портов ввода-вывода определяются конкретным вариантом микропроцессорной платы.

Помимо портов на платах микроконтроллеров иногда устанавливается периферия в виде интерфейсов USB или Ethernet. Опциональный набор внешней периферии на модулях расширения включает в себя[10]:

USB Device (чаще всего как виртуальный COM порт через FTDI FT232, имеются также версии с эмуляцией USB HID Class клавиатур и мышек).

Проводной и беспроводной Ethernet как на основной плате так и на платах расширения.[11]

Модуль GSM и другие беспроводные интерфейсы[12].

USB Host[13].

SD card.

Модуль управления низковольтным мотором на базе L298. Поддерживаются шаговый и коллекторный двигатели с напряжением до 12В и током до 2А на канал. Могут подключаться также реле, электромагниты и т. п. Модуль не имеет гальванической развязки.

Графический ЖКИ индикатор.

Модуль с макетным полем.

Сторонние производители выпускают широкую гамму датчиков и исполнительных устройств, подключаемых к Arduino. Например, гироскопы, компасы, манометры, гигрометры, термометры, релейные модули, индикаторы, клавиатуры и т. п.

Концепция программирования

Программирование ведется целиком через собственную программную оболочку (IDE), бесплатно доступную на сайте Arduino. В этой оболочке имеется текстовый редактор, менеджер проектов, препроцессор, компилятор и инструменты для загрузки программы в микроконтроллер. Оболочка написана на Java на основе проекта Processing, работает под Windows, Mac OS X и Linux.

Язык программирования

Язык программирования Arduino является стандартным C++ (используется компилятор AVR-GCC) с некоторыми особенностями, облегчающими новичкам написание первой работающей программы.

Программы, написанные программистом Arduino называются наброски (или иногда скетчи — варваризм от англ. sketch) и сохраняются в файлах с расширением ino. Эти файлы перед компиляцией обрабатываются препроцессором Ардуино. Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++.

Обязательную в C++ функцию main() препроцессор Arduino создает сам, вставляя туда необходимые «черновые» действия.

Программист должен написать две обязательные для Arduino функции setup() и loop(). Первая вызывается однократно при старте, вторая выполняется в бесконечном цикле.

В текст своей программы (скетча) программист не обязан вставлять заголовочные файлы используемых стандартных библиотек. Эти заголовочные файлы добавит препроцессор Arduino в соответствии с конфигурацией проекта. Однако пользовательские библиотеки нужно указывать.

Менеджер проекта Arduino IDE имеет нестандартный механизм добавления библиотек. Библиотеки в виде исходных текстов на стандартном C++ добавляются в специальную папку в рабочем каталоге IDE. При этом название библиотеки добавляется в список библиотек в меню IDE. Программист отмечает нужные библиотеки и они вносятся в список компиляции.

Arduino IDE не предлагает никаких настроек компилятора и минимизирует другие настройки, что упрощает начало работы для новичков и уменьшает риск возникновения проблем.

Простейшая Arduino-программа состоит из двух функций:

setup(): функция вызывается однократно при старте микроконтроллера.

loop(): функция вызывается после setup () в бесконечном цикле все время работы микроконтроллера.

Одна из простейших схем на Arduino — это подключение внешнего светодиода, управление которым происходит при помощи программы (скетча).

Загрузка программы в микроконтроллер

Закачка программы в микроконтроллер Arduino происходит через предварительно запрограммированный специальный загрузчик (все микроконтроллеры от Ардуино продаются с этим загрузчиком). Загрузчик создан на основе Atmel AVR Application Note AN109. Загрузчик может работать через интерфейсы RS-232, USB или Ethernet в зависимости от состава периферии конкретной процессорной платы. В некоторых вариантах, таких как Arduino Mini или неофициальной Boarduino, для программирования требуется отдельный переходник.

Пользователь может самостоятельно запрограммировать загрузчик в чистый микроконтроллер. Для этого в IDE интегрирована поддержка программатора на основе проекта AVRDude. Поддерживается несколько типов популярных дешёвых программаторов.

Создание светодиодного куба


В этой статье описано создание светодиодного куба 4х4х4 на ардуино. Arduino (Freeduino) имеет 20 контактов (вместе с контактами АЦП), поэтому можно обойтись без регистров сдвига.


Список элементов
1. 64 Светодиода
2. 16 Резисторов
3. 1 Arduino (я использовал Freeduino)
4. 1 Макетная плата
5. Паяльник
6. Дрель
7. Кусок дерева
Выбор светодиодов
Светодиоды бывают разной формы, размера и цвета. Нам необходимы светодиоды рассеянного свечения. С ними куб будет красиво смотреться со всех сторон, т.к. светодиоды рассеянного свечения светят во все стороны, а нерассеянного в основном вверх. Я решил использовать 5мм супер яркие светодиоды. 3 мм светодиоды хорошо смотрятся в кубах большего размера, а для это малы, но если хотите можете использовать их. Я купил светодиоды нерассеянного свечения, и мне пришлось точить каждый на наждачной бумаге.
Перед сборкой куба я рекомендую проверить каждый светодиод. Просто подайте на него +5В через резистор. Если куб будет изготовлен с неисправным светодиодом, поменять его бывает затруднительно. У большинства светодиодов положительный вывод (анод) более длинный, чем отрицательный (катод). Также можно посмотреть светодиод на свет, при этом будут видны два кусочка метала. Меньший из них это положительный вывод (анод). Более подробно о светодиодах читайте здесь.
Расчет резистора
Номинал резистора будет зависеть от типа ваших светодиодов. Используя закон Ома U = IR, мы можем рассчитать резистор. Мы должны знать максимальный рабочий ток и падение напряжения на светодиоде. У моих светодиодов падение напряжения 3.4В и максимальный ток 20мА. На выводах Arduino 5В и мы получаем (5-3.4) / 0.020 = 80. У нас получилось значение 80Ом. Чтобы продлить срок службы светодиода, я использовал резисторы 100 Ом. Рассчитать сопротивление для светодиода вы можете на он-лайн светодиодном калькуляторе.
Основной принцип куба


Куб 4x4x4 будет содержать 64 светодиода собранных в 16 столбцов и 4 горизонтальных слоя. Аноды(+) всех светодиодов каждого столбца соединены вместе. Слои состоят из соединённых катодов светодиодов. Для управления светодиодами надо подать 5В на необходимый столбец и GND на необходимый горизонтальный слой. Для предотвращения превышения тока можно запускать только один слой и столбец одновременно. Для зажигания нескольких светодиодов или всего куба сразу мы будем использовать динамическую индикацию, т.е. переключать их с частотой больше воспринимаемой человеком. Например, если надо зажечь третий светодиод на четвертом столбце, необходимо подать на столбец HIGH (5В) и на слой LOW (0В).
Изготовление шаблона
Для сборки красивого симметричного куба нам потребуется шаблон. Это кусок доски с просверленными в нем на равном расстоянии отверстиями. Для создания шаблона нам понадобится кусок доски, сверла и измерительные инструменты. Расстояние между отверстиями определяется длиной согнутого катода светодиода. Длина согнутого катода моего светодиода оставляет около 25мм, поэтому я взял расстояние между светодиодами примерно 23мм. Размер отверстий необходимо подобрать так, чтобы светодиод сидел в них не слишком туго и не слишком свободно.


Изготовление слоев куба


Имея шаблон мы можем начать собирать слои. Старайтесь не перегреть светодиоды, т.к. это может привести к выходу их из строя.


Начните с углового светодиода и направьте его согнутый катод за пределы куба. Затем разместите и припаяйте следующий светодиод в линии с торчащим выводом. Затем припаяйте другую линию. Сделайте таким образом 4 слоя.
Сборка куба
Когда у нас есть все слои, можно приступить к сборке куба. Положите один из слоев в шаблон, и немного поотгибайте верхние концы торчащих выводов. Припаяйте к ним следующий слой светодиодов. Для соблюдения расстояний между слоями я использовал ластик уменьшенный до нужных размеров. Спаяйте таким образом все 4 слоя между собой.


Основа

Для основы куба я использовал макетную плату. Также на ней были размещены резисторы. Эта часть проекта выглядит не очень хорошо, т.к. я торопился. Вы можете сделать её намного лучше.


Прошивка
Создание прошивки может занять некоторое время, особенно если вы новичок, т.к. хороших книг по программированию достаточно мало. У меня было мало времени, поэтому я делал не очень сложную прошивку. Однако мне удалось сделать несколько программ, и глядя на них вам будет легче во всем разобраться.
Помните о динамической индикации, и зажигайте только один слой за раз (хотя в моём коде это не везде соблюдается и Arduino нормально работает, лучше не экспериментировать). Когда на слое LOW(0В), а на столбце HIGH(+5В) появляется разность потенциалов, что позволяет току проходить через светодиод. Когда на слое HIGH(+5В), разности потенциалов нет, и светодиоды не загораются. Когда на столбе HIGH(+5В), на нем горит светодиод заданного слоя. Когда на столбе LOW(0В), светодиоды не горят.

Просмотров работы: 13