Introduksjon til Arduino

Kva er ein mikrokontroller?

Du er omgitt av dusinvis av mikrokontrollerar: dei finst innebygde i til dømes timerar, termostatar, leiker, fjernkontrollar, mikrobølgeomnar og tannkostar. Dei utfører berre éi spesifikk oppgåve, og om du knapt legg merke til dei, er det fordi dei gjer jobben bra. Og det gjer dei veldig ofte!

Mikrokontrollerar er små datamaskiner som er programmerte til å registrere og kontrollere aktivitet ved hjelp av sensorar og aktuatorar. Dei får signal frå omverda gjennom sensorar, behandlar dataa og aktiverer deretter dei tilkopla arbeidseiningane sine, aktuatorane.

Du treng ingen førehandskunnskapar

Denne øvingsrekka skal vere kortfatta og oversiktleg. Derfor har vi valt å halde bakgrunnsmaterialet om programmering og elektronikk på eit minimum.

Du treng ingen spesielle programmeringskunnskapar for å kunne gjennomføre prosjekta i øvingsrekka, men du må bruke ferdigheiter du mest sannsynleg allereie har, for å gi prosjekta litt "kjøtt på beinet". I eitt av prosjekta vi foreslår, skal du til dømes lage ein målar for å fortelje folk om du er oppteken eller ikkje. Då skal du lage ei pil, feste ho til ein motor og legge pil og motor i ein boks med ein knott. I eit anna prosjekt set du nokre lys og ein vippebrytar på ei pappramme for å lage eit timeglas.

Arduino kan gjere prosjekta dine responsive og fungerande, men berre du kan gjere dei vakre. Vi kjem med nokre forslag undervegs til korleis du kan få til ekstra fine produkt. Viss du gjerne vil vite meir om programmering og komponentar, finn du mykje godt fagstoff på NDLA og på Arduino sine nettsider.

Bli kjend med komponentane

Ein Arduino er berre hjernen i eit system. Han kan ikkje utføre nokon funksjonar utan at han har sensorar og aktuatorar tilkopla, på same måten som vi menneske har våre eigne sensorar, nemleg auge, øyre, nase osb., som sender signal til hjernen. I hjernen blir signala omarbeidde slik at dei får aktuatorane våre, til dømes hender, fingrar, munn eller bein, til å gjere noko. Vi skal no sjå på dei viktigaste komponentane du kjem til å bruke i denne øvingsrekka.

Arduino Uno

Arduino Uno er utviklingskortet som vil vere kjernen i prosjekta dine. Han er ei enkel datamaskin, men han treng både programvare og tilkopla komponentar for å kunne utføre eit arbeid. Du kjem til å bygge kretsar og grensesnitt for interaksjon og fortelje mikrokontrolleren korleis han skal kommunisere med andre komponentar.

Breadboard (koplingsbrett)

Breadboard eller koplingsbrett bruker du til å bygge elektroniske kretsar. Brettet er eit patchpanel med holrader som lar deg kople saman leidningar og komponentar. Det finst versjonar som krev lodding, men i denne øvingsrekka nyttar vi den loddefrie typen.

Batteritilkopling

Du kan gi Arduinoen spenning ved at du koplar eit 9V-batteri til straumkablar som du så koplar til koplingsbrettet eller til Arduinoen.

Koplingsbrett

Batteritilkopling

Kondensator

Kondensatorar lagrar og frigjer elektrisk energi i ein krets. Når spenninga i kretsen er høgare enn spenninga i kondensatoren, tek kondensatoren opp straum og lagrar han. Når spenninga i kretsen er lågare enn spenninga i kondensatoren, blir den lagra ladninga frigjord gradvis. Kondensatorar blir ofte plasserte over (= mellom) straumførande leidning og jord nær ein sensor eller motor for å jamne ut spenningssvingingar.

Ein kondensator fungerer altså akkurat som eit batteri: Han lagrar energi som han kan sleppe ut seinare. Men mens batteri slepper ut lagra energi sakte og over lang tid, kan ein kondensator frigjere energien sin svært raskt. Dette gjer han ideell for bruk i situasjonar der du treng ein kort, kraftig straum.

Kondensatorar

DC-motor

DC-motor

Ein DC-motor gjer om elektrisk energi til mekanisk energi når leidningane får tilført elektrisitet. Inne i motoren er det spolar av leidning som blir magnetiserte når straumen flyt gjennom dei. Desse magnetfelta trekker til seg og støytar frå seg magnetar og får aksla til å spinne. Viss retninga på elektrisiteten blir reversert, snurrar motoren i motsett retning.

Diodar

Diodar sikrar at elektrisitet berre flyt i éi retning. Dette er nyttig når du har ein motor eller ei anna høg straum- eller spenningsbelasting i kretsen. Fordi diodar er polariserte, er retninga som dei er plasserte i, vesentleg. Plassert éin veg lar dei straumen passere gjennom, plassert den andre vegen blokkerer dei han.

Anodesida blir vanlegvis kopla til punktet med høgare energi i kretsen, mens katoden vanlegvis blir kopla til punktet med lågare energi eller til jord. Katoden bruker å vere merkt med eit band på den eine sida av komponentkroppen.

Lysfilter (raudt, grønt, blått)

Lysfilter filtrerer ut ulike bølgelengder av lys. Når dei blir brukte saman med fotomotstandar, sørger dei for at sensoren berre reagerer på lysmengda i den filtrerte fargen.

Lysdiodar (LED)

Lysdiodar lyser når elektrisitet passerer gjennom dei. Som ved alle diodar strøymer elektrisitet i berre éi retning. Du er sannsynlegvis kjend med lysdiodar som indikatorar på ei rekke elektroniske einingar. Det er anoden som vanlegvis blir kopla til straum. Anoden bruker å vere det lengste beinet, mens katoden er det kortaste beinet. Det finst lysdiodar som gir éin spesifikk farge, og lysdiodar som kan lage alle moglege fargar (såkalla RGB-lysdiodar).

H-bru (H-bridge, motorkontroller)

Ei H-bru er ein krets som lar deg kontrollere polariteten til spenninga som blir påført ei last (vanlegvis ein motor). H-brua du skal bruke i denne øvingsrekka, er bygd inn i ein integrert krets (IC), men H-bruer kan òg setjast saman av separate komponentar.

Jumper-leidningar

Jumper-leidningar bruker du til å kople komponentar til kvarandre på koplingsbrettet og til Arduinoen.

H-bru

Arduino-jumperleidningar

LCD-skjerm

Ein LCD-skjerm (engelsk namn: Liquid Crystal Display) er ein type alfanumerisk eller grafisk skjerm basert på flytande krystallar. LCD-skjermar er tilgjengelege i mange storleikar, former og stilar. Displayet du skal bruke i denne øvingsrekka, har 2 rader med 16 teikn kvar. Derfor blir det kalla eit 16 x 2-display.

Hann-koplingsstiftar

Denne typen stiftar eller pinnar passar inn i ho-stikkontaktar, til dømes dei som finst på eit koplingsbrett. Dei gjer det enklare å kople saman komponentar og leidningar.

LCD-display

Koplingsstiftar

Optokoplar

Ein optokoplar er, enkelt forklart, eit lysstyrt relé. Han lar deg kople til to kretsar som ikkje deler ei felles straumforsyning. Internt er det ein liten LED som, når han lyser, får ein fotoreseptor inni til å lukke ein intern brytar. Når du legg spenning på pluss-pinnen, lyser LED-en, og den interne brytaren blir lukka. Dei to utgangane erstattar ein brytar i den andre kretsen.

Optokoplar

Funksjonsmåte

Piezo

Ein piezo er ein elektrisk komponent som kan brukast til å oppdage vibrasjonar, trykk og rørsler, og til å skape støy. Han fungerer altså både som ein høgtalar og som ein mikrofon.

Piezoelektriske komponentar kan òg fungere som lydgeneratorar. Når ei elektrisk spenning blir påført, blir materialet deformert, og denne mekaniske rørsla kan produsere lyd. Dette prinsippet blir brukt i piezoelektriske buzzarar, som skaper lyd når dei blir drivne av eit elektrisk signal.

Fotoresistor (fotomotstand)

Ein fotoresistor er ein variabel resistor som forandrar motstandsstyrke basert på mengda lys som fell på sensoren. Andre namn for fotoresistor er fotocelle, lysavhengig motstand og fotomotstand.

Piezo-komponent

Fotoresistor

Potensiometer

Eit potensiometer er ein variabel motstand med tre pinnar. To av pinnane er kopla til endene av ein fast motstand. Midtpinnen (glidaren) beveger seg over motstanden og deler han i to halvdelar.

Når dei ytre sidene av potensiometeret er kopla til spenning og jord, vil det midtarste beinet gi forskjellen i spenning når du dreier på knappen.

Komponenten blir òg ofte omtalt som pot-meter.

Trykknapp

Trykknappar er fjørbelasta brytarar som blir nytta for å gi på/av-signal. Dei sluttar kretsen når du trykker dei inn, og bryt kretsen når du slepper dei.

Resistor (Motstand)

Resistorar reduserer straumen av elektrisk energi i ein krets og forandrar på den måten spenninga og straumen (Ohms lov). Motstandsverdiar blir målte i ohm (symbol for ohm: det greske omega-teiknet Ω). Motstandar er påført farga striper som indikerer motstandsevna deira.

Trykknapp

Resistorar

Servomotor

Ein servomotor er ein type girmotor som kan brukast som ein aktuator for ein mikrokontroller.

Servomotoren kan berre rotere 180 gradar, og han blir styrt gjennom elektriske pulsar frå Arduinoen. Desse pulsane fortel motoren kva posisjon mellom 0 og 180 gradar han skal bevege seg til.

Temperatursensor

Temperatursensorar endrar spenningsutgangen når temperaturen i komponentkroppen endrar seg. Dei ytre beina til sensoren blir kopla til straum og jord, og spenninga på senterpinnen endrar seg alt etter om det blir varmare eller kjøligare.

Tiltsensor

Ein tiltsensor er ein type brytar som vil opne eller lukke, avhengig av orienteringa. Vanlegvis er tiltsensorar hole sylindrar med ei metallkule inni som vil lage eit samband over to leidningar når ho blir vippa i rett retning.

Temperatursensor

Tiltsensor

Transistor

Ein transistor er ein trebeint elektronikkomponent som kan fungere som ein elektronisk brytar (relé). Transistorar kan brukast til å kontrollere høgstraum- eller høgspentkomponentar, til dømes motorar.

Ein av pinnane blir kopla til jord, ein annan til komponenten som blir kontrollert. Den tredje pinnen blir kopla til Arduinoen. Når transistoren får spenning på pinnen som er kopla til Arduinoen, lukkar han kretsen mellom jord og den andre komponenten.

USB-kabel

Ein USB-kabel lar deg kople din Arduino Uno til datamaskina slik at du kan få programmert han. Kabelen gir òg straum til Arduinoen for dei fleste prosjekta i settet.

Transistorar

USB-kablar

Dei viktigaste komponentane til ein Arduino

Ein Arduino-mikroprosessor er sett saman av mange komponentar og er ei lita datamaskin. Vi forklarer her dei ti viktigaste komponentane du treng å kjenne til når du jobbar med denne øvingsrekka.

Illustrasjonen under viser kvar på Arduino-brettet dei ulike komponentane er plasserte. Talmarkeringane i illustrasjonen viser til rekkefølga i forklaringslista under.

1: Straumkontakt

Arduinoen får straum via straumkontakten når han ikkje er kopla til ein USB-port for straum. Kontakten bruker spenningar mellom 7 og 12 volt.

2: USB-port

USB-porten bruker du til å gi straum til Arduinoen, laste opp skissene til Arduinoen og kommunisere med Arduino-programmet via kommandoen Serial.println() osb.

3: TX- og RX-lysdiodar

Desse lysdiodane indikerer kommunikasjon mellom Arduinoen og datamaskina. Dei skal flimre raskt under programopplasting og seriell kommunikasjon og er nyttige ved feilsøking.

4: Tilbakestillknapp (Reset-knapp)

Denne knappen tilbakestiller mikrokontrolleren og startar han på nytt.

5: Digitale pinnar

Desse pinnane blir brukte med kommandoane digitalRead(), digitalWrite() og analogWrite(). Det er viktig å vite at kommandoen analogWrite() berre fungerer på pinnane med PWM-symbolet.

6: Pin 13 LED

Dette er den einaste innebygde aktuatoren i ein Arduino Uno. I tillegg til å vere eit praktisk mål for første blinkskisse er denne LED-en veldig nyttig ved feilsøking.

7: ATMega mikrokontroller

Denne mikrokontrolleren er hjernen til din Arduino Uno.

8: Power LED

Når denne LED-en lyser, indikerer det at Arduinoen er kopla til spenning. Denne funksjonen er nyttig ved feilsøking.

9: Analog inn

Dette er pinnar som du bruker ved hjelp av kommandoen analogRead(). Pinnane les variable verdiar, altså ikkje berre verdiane av og på.

10: GND- og 5V-pinnar

Desse pinnane bruker du til å gi +5V-strøm og jord til kretsane dine.

Anna nødvendig utstyr

I tillegg til Arduino, koplingsbrett, sensorar og aktuatorar kan det vere nødvendig med vanleg elektroutstyr og oppbevaringsboksar om du skal få mest mogleg ut av denne øvingsrekka. Døme på utstyr kan vere

• 9V-batteri

• lita lyskjelde som fungerer som lommelykt

• leiande materiale, til dømes aluminiumfolie eller koparnett

• papirsaks

• ein gammal CD eller DVD

• ein boks du kan lage hol i

• grunnleggande verktøy, til dømes ein skrutrekkar

• 9V-batteridriven komponent (alle batteridrivne elektroniske einingar med minst éin brytar eller trykknapp som du er villig til å demontere, vil gjere jobben)

• loddebolt og loddetinn (berre nødvendig i prosjekt 15)

Programvare

Før du kan begynne å kontrollere verda rundt deg, må du laste ned programvara Arduino IDE slik at du kan overføre programmet ditt frå datamaskina til mikrokontrolleren.

Arduino IDE lar deg skrive program og laste dei opp til din Arduino. Du kan laste ned den nyaste versjonen av IDE frå nettstaden til Arduino.

Ved nedlasting må du ha Arduino-kortet og USB-kabelen i nærleiken av datamaskina og følge dei rette prosedyrane for Windows og Mac OS X.

Kommunikasjon med Arduinoen

Når du har installert Arduino IDE og sørgt for at datamaskina di kan snakke med brettet, er neste trinn å sørge for at du kan laste opp eit program.

1. Dobbeltklikk på Arduino-applikasjonen for å opne han. Viss IDE-en lastar på feil språk, kan du forandre dette i applikasjonsinnstillingane. Sjå etter "Language Support" på denne sida med detaljinformasjon om korleis ein Arduino fungerer.

2. Naviger til LED-blink-dømeskissa (Arduino-program blir kalla for skisser). Ho ligg under > File Examples > 01.Basics > Blink

3. Eit vindauge med litt tekst i skal då ha opna seg. La vindauget vere foreløpig, og vel tavla di under Tools > Board-menyen.

4. Vel serieporten som Arduinoen din er kopla til, frå menyen Tools > Port. På Windows er det sannsynlegvis kommunikasjonsporten (COM) med det høgaste talet. Gjettar du feil, kan du berre prøve neste serieport. Du kan òg kople frå Arduino-kortet ditt og opne menyen på nytt; oppføringa som då har forsvunne, bør vere Arduino-brettet. Kople då kortet til igjen og vel denne serielle porten. Bruker du mac, bør porten ha eit namn med sekvensen /dev/tty.usbmodem i seg. Det er vanlegvis to slike portar; vel éin av dei.

5. For å laste opp Blink-skissa til Arduinoen din trykker du på UPLOAD-brytaren øvst til venstre i vindauget.

6. Du bør sjå ein stolpe som indikerer framdrifta for opplastinga nær det nedre venstre hjørnet av Arduino IDE, og lysa merkte TX og RX på Arduino-kortet vil blinke. Viss opplastinga er vellykka, vil IDE vise meldinga "DONE UPLOADING".

7. Nokre sekund etter at opplastinga er fullført, skal du sjå at den gule LED-en med ein L ved sida av begynner å blinke. I så fall: Gratulerer! Du har programmert Arduinoen til å blinke med innebygd LED.

Av og til er ein heilt ny Arduino allereie programmert med Blink-skissa. Då endrar du forseinkingstida ved å endre talet i parentes til 100. Så lastar du opp Blink-skissa på nytt. No skal lysdioden blinke mykje raskare, og du veit at du har kontroll.

Du treng forresten ikkje lagre endringar du har gjort.