Maskinvare (hardware) til Arduino

I denne artikkelen skal vi bruke ein Arduino UNO R3 som døme. Dette er den vanlegaste Arduinomodellen, og han er basert på mikrokontrolleren ATmega328P.

Arduino UNO R3 har 14 digitale input/output-pinnar. Seks av desse pinnane kan styre ulike sensorar og aktuatorar. Dei kan til dømes styre om ein servomoter skal bevege seg, om lysdiodar skal tenne eller om ein summar (ein buzzer) skal gi lyd.

Arduinoen har i tillegg seks analoge inngangar, og dessutan straum og jording som kan brukast til å drive kretsar vi skal kople.

Arduinoen opererer på 5 volt og kan drivast ved at vi koplar han til pc-en via USB. Det er òg mogleg å kople Arduinoen til ein DC-adapter eller til eit batteri via DC-plugg, eller via Vin- og GND-pins. Tilrådd spenning er mellom 8 og 12 volt.

Arduinoen blir programmert ved at vi koplar han til pc-en via USB og programmerer gjennom ein IDE, eit programmeringsverktøy tilpassa dei enkelte mikrokontrollerane. For Arduino nyttar vi verktøyet Arduino IDE.

Når du jobbar med prototyping og bygging av elektroniske prosjekt, må du nærast forvente at eitt eller anna kjem til å gå gale. Men skulle du vere uheldig, kan du byte ut enkeltkomponentar på mikrokontrolleren. Slike enkeltkomponentar kan koste frå eit par titals kroner og oppover om du kjøper dei på nettet.

Dei ulike komponentane

Ein mikrokontroller består av ei printplate der mange elektroniske komponentar er monterte i ein bestemd struktur. Vi beskriv her dei viktigaste komponentane.

Sentral prosessoreining (CPU)

Dette er "hjernen" til mikrokontrolleren. CPU-en utfører utrekningar og styrer operasjonane til eininga. Han kan vere basert på ulike typar arkitektur, til dømes ARM, AVR eller PIC. Med ulik arkitektur meiner vi at komponentane og datasignala i CPU-en er strukturerte ulikt.

Minne

Mikrokontrolleren har tre typar minne:

• Programmerbart minne (Flash eller EEPROM) er staden der programkoden blir lagra. Denne koden kan programmerast eller endrast av brukaren.

• RAM (Random Access Memory, arbeidsminne) blir brukt for midlertidig lagring av data og variablar under køyretid. Data i RAM blir vanlegvis sletta når straumen blir slått av.

• Register er små minnelokasjonar i CPU-en som gir rask tilgang til data og instruksjonar.

Inngangs- og utgangsportar (I/O-portar)

Desse portane koplar mikrokontrolleren til omverda ved å tillate inngang frå sensorar og utgang til aktuatorar. Inngangar og utgangar kan vere digitale eller analoge.

Klokkegenerator

Klokkegeneratoren produserer ein tidsbase (eit klokkesignal) som synkroniserer operasjonane til mikrokontrolleren. Dette er nødvendig for å kontrollere timing og utføring av instruksjonar.

Seriekommunikasjonsgrensesnitt

Dette grensesnittet gir mikrokontrolleren høve til å kommunisere med andre einingar via serielle protokollar som UART (seriell kommunikasjon), SPI (seriell perifer kommunikasjon) eller I2C (Inter-Integrated Circuit).

Analog-digital-omformar (ADC) og digital-analog-omformar (DAC)

Ein ADC lar mikrokontrolleren lese analoge sensorverdiar som temperatur, lysstyrke etc. Signala blir omgjorde til les- og skrivbare signal som mikrokontrolleren kan behandle i programmet og kommunisere til omverda.

Ein DAC lar mikrokontrolleren generere analoge utgangssignal.

Energistyring

Energistyring skjer gjennom spenningsregulatorar som sørger for at mikrokontrolleren og tilkopla utstyr får rett spenning, og gjennom straumsparingsmekanismar som optimaliserer straumforbruket når eininga er i kvilemodus.

Kontrolleiningar og periferieiningar

Til denne typen einingar høyrer timerar, teljarar, PWM-kontrollerar (pulsbreiddemodulasjon-kontrollerar), motorstyringseiningar og andre spesialiserte kretsar som gir ekstra funksjonalitet til mikrokontrolleren.

Ein Arduino kan komme i mange ulike typar og storleikar. To døme er Arduino Nano og Arduino Mega 2560.

• Arduino Nano bruker den same prosessoren som Arduino UNO. Den einaste forskjellen er at Arduino Nano er mindre i storleik og har færre tilkoplingar og mindre minnekapasitet.

• Arduino Mega 2560 er designa for å bli brukt på større og meir komplekse prosjekt. Denne Arduino-modellen har heile 54 digitale og 16 analoge pinnar og dessutan større lagringskapasitet.

Ein Arduino kan ikkje gjere så mykje utan at du koplar til andre komponentar som gir han informasjon, eller som utfører arbeidsoperasjonar etter instruks frå han.

Breadboard (koplingsbrettt)

Breadboard er det engelske ordet for koplingsbrett. Orda blir brukte om kvarandre av fagfolk. Det finst mange ulike typar koplingsbrett, men dei mest vanlege har rader med koplingspunkt som er spesialtilpassa til ferdiglaga leidningar.

I tillegg har brettet rader for spenning og jording merka med $$ \mathrm{+}$$ og $$ \mathrm{-}$$ på begge sider av koplingspunkta.

Leidningar

For å kople til eksterne einingar på ein Arduino eller kople han mot eit koplingsbrett er det best å bruke spesialtilpassa leidningar.

Desse leidningane har ulike lengder og fargar, og dei har spesialtilpassa koplingsstiftar på kvar ende. Dei kjem ofte samanlimde, men det er lett å ta dei frå kvarandre.

Sensorar

Komponentar som gir informasjon til ein mikrokontroller, blir kalla sensorar. Sensorar kan til dømes gi mikrokontrolleren beskjed om kva temperaturen er, kor fuktig det er, kor høg lyd det er i omgivnadene, eller kor lyst det er. Sensorar kan òg registrere rørsle.

Ordet sensor heng saman med det latinske ordet sensus, som betyr "kjensle, sanseinntrykk". Sensorane er så å seie følarane til mikrokontrolleren.

Aktuatorar

Komponentar som gjennomfører ein arbeidsoperasjon etter instruks frå mikrokontrolleren, blir kalla aktuatorar. Aktuatorar kan til dømes vere enkle LED-diodar, motorar, høgtalarar, skjermar og display.

Omgrepet aktuator er avleidd av det engelske verbet to actuate, som betyr "å aktivere, å sette i gang". Og actuate heng saman med latinsk actio, "handling".

Resistorar

Ein mikrokontrollar kan skadast viss det oppstår kortslutning i leidningar, kontaktpunkt eller tilkopla komponentar. I tillegg skal mikrokontrolleren ofte registrere veldig svake straumsignal, og då kan det lett bli feilregistreringar viss der er straumlekkasje i ein komponent eller på koplingsbrettet. For å sikre at mikrokontrolleren ikkje tek skade eller får feilavlesingar, nyttar vi resistorar (motstandar) i straumkretsen.

Resistorane blir leverte med mange ulike nivå av elektrisk motstand, men for bruk på slike koplingsbrett saman med ein mikrokontroller er resistorar med ein motstand mellom 100 og 1000 (1k) ohm mest vanleg, og motstandar på 220 og 330 ohm vil vere godt eigna.

Resistorane har fargemerking som oppgir den elektriske motstanden deira.