Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Программирование микроконтроллера Arduino в информационно-управляющих системах. Учебное пособие
.pdf
2 Основные электронные компоненты
2.1 Базовые законы электричества
Закон Ома – главный закон электричества.
Мощность – мера скорости трансформации электрической энергии в другую
форму.
(1)
(2)
(3)
Часть электрической энергии из-за собственного сопротивления проводников
превращается в тепло, из-за которого и нагреваются компьютеры, ноутбуки,
телефоны и другие устройства.
(4)
По закону Ома соединение плюса с минусом исключает из формулы
«полезную» мощность, посему потребляемая мощность полностью превращается в
тепло, что приводит к очень сильному нагреву и в большинстве случаев –
возгоранию. Это так же называется коротким замыканием. При работе с Arduino
важно следить за тем, чтобы случайно не вызвать короткое замыкание во время
работы контроллера. Это может привести неисправности самой платформы или
подключенных к ней устройств и компонентов.
При последовательном подключении компонентов в электрической цепи сила
тока неизменна, а часть напряжения падает на каждом из компонентов.
11
При параллельном подключении напряжение неизменно, а сила тока на
каждой ветви различается в зависимости от суммарного сопротивления,
включенного в эту ветвь.
2.2 Макетная плата
Для удобства быстрого прототипирования используются многоразовые
соединительные элементы – макетная плата и провода для макетной платы (рисунок
3). Данная платформа позволяет быстро собрать электрическую схему без пайки. Ее
так же называют макетной доской или breadboard.
Рисунок 3 – Электрическая схема, собранная с помощью макетной платы [2]
Принцип работы макетной платы прост: под пластиком находятся
металлические пластины-рельсы, соединяющие между собой группы из 5 контактов,
находящихся на одной вертикальной линии. На рисунке 4 изображена наглядная
схема работы с макетной платой, созданная в среде разработки Fritzing. Можно
заметить, что эти пластины автоматически подсвечиваются зеленым маркером при
соединении виртуального провода или компонента с любым из контактов этой
12
группы. Это предусмотренная разработчиками индикация призвана уберечь
неопытного пользователя от ошибок в построении схемы.
Для удобства подключения питания используются боковые рельсы, на
которых все контакты (несмотря на визуальное разделение на группы по 5
контактов) соединены горизонтально одной металлической пластиной. Эти
контакты так же отмечены красной (+) и синей (-) линиями – опять-таки, для
удобства. На рисунке 5 приведена схема с двумя светодиодами, включенными в
цепь параллельно. Источник (батарейки) соединяется с общими рельсами питания +
и -, к которым и подключаются светодиоды.
Рисунок 4 – Работа с макетной платой в средеFritzing
Рисунок 5 – Схема с двумя светодиодами
На рисунке 6 приведена так называемая принципиальная схема этой же
электрической цепи, с использованием общепринятых обозначений
радиоэлектронных компонентов. Среда Fritzing автоматически генерирует
принципиальную схему из макетной прямо во время составления электрической
цепи в программе.
13
Рисунок 6 – Принципиальная схема цепи с двумя светодиодами
При работе с макетной платой следует обратить внимание на следующие
вещи:
- использование боковых рельс позволяет уменьшить общее количество
проводов (не нужно соединять каждую ветвь цепи напрямую с питанием и землей
отдельной парой проводов);
- будьте внимательны в начале работы с макетной платой. Разберитесь с
принципом подключения компонентов. Неверное подключение может привести к
короткому замыканию (например – замыканию питания само на себя) и, как
следствие, необратимое повреждение микроконтроллера или возгорание источника
питания;
- цвета проводов значения не имеют. Однако хорошим тоном является
использование красных проводов для линий питания (связанных с плюсом
источника) и черных (или синих) для линии земли (GND, минуса). Для соединения
линий сигналов желательно не использовать красные и черные провода, чтобы не
вызвать путаницу;
- желоб в середине макетной платы имеет стандартную ширину и рассчитан
для подключения особых компонентов с двумя рядами ног, таких как регистр сдвига
и тактовая кнопка, при этом контакты компонента не замыкаются друг на друга
(рисунок 7).
- для работы с макетной платой используются специальные провода
различной длины, входящие в комплект «Матрешка Z».
14
Рисунок 7 – Использование желоба макетной платы
2.3 Резистор, фоторезистор, термистор и другие виды сопротивления
Резистор искусственное «препятствие» для тока. Резистор ограничивает силу
тока, переводя часть электроэнергии в тепло, однако выделяемое им тепло в
большинстве случаев незначительно, чтобы почувствовать нагрев компонента во
время работы.
Основные характеристики резистора:
- сопротивление (номинал), обозначается «R», измеряется в омах (Ом);
- точность (допуск), обозначается как «+/- значение», измеряется в процентах;
это допустимая погрешность сопротивления резистора относительно номинала;
- мощность, обозначается «P», измеряется в ваттах (Ватт).
Резисторы имеют цветовую кодировку. Наносить номинал резистора на
корпус компонента числами непрактично, так как размер резистора сравнительно
мал. Поэтому используют цветные полоски, в которых закодирована информация о
резисторе. Расшифровка значений приведена в таблице 2.3. Для верного
определения номинала резистора его следует расположить так, чтобы полоски были
смещены влево, либо слева оказалась самая широкая полоса в зависимости от
производителя резисторов. Количество полос так же зависит от производителя
(различают отечественные и импортные резисторы).
15
Таблица 3 Цветовая кодировка маркировки резисторов
Цвет
Основание (2, 3 или 4
полосы)
Множитель (x101)
Точность (+/ %)
Черный 0 100
Коричневый
1
101
+/ 1%
Красный 2 102
+/ 2%
Оранжевый
3
103
Желтый 4 104
Зеленый 5 105
+/ 0,5%
Синий 6 106
+/ 0,25%
Фиолетовый
7
107
+/ 0,1%
Серый 8 108
+/ 0,05%
Белый 9 109
+/ 5%
Золотой 10-1
+/ 10%
Серебряный
10-2
Различают регулируемые (переменные) и нерегулируемые (постоянные)
резисторы.
К нерегулируемым (постоянным) резисторам относят обычные резисторы,
которые так же бывают лакированными эмалью, теплостойкие, композиционные и
другие.
К регулируемым (переменным) относят:
- подстрочный резистор, сопротивление изменяется с помощью отвертки,
резистор не предназначен для частой смены сопротивления (быстрый износ
механизма);
- потенциометр – резистор, сопротивление которого изменяется специальной
ручкой, предназначен для активного использования и частого изменения
сопротивления;
- терморезистор, сопротивление зависит от температуры, окружающей его
среды; сопротивление возрастает при уменьшении температуры;
- позистор; терморезистор, сопротивление которого возрастает при
повышении температуры;
- фоторезисторы, сопротивление зависит от освещенности резистора;
16
- варисторы, сопротивление зависит от тока, подаваемого на специальный
дополнительный контакт резистора;
- другие виды переменных резисторов.
У нерегулируемых (постоянных) резисторов нет полярности, и они могут быть
включены в цепь соединением любых контактов.
2.4 Делитель напряжения
Особый способ подключения резисторов. Два резистора, включенные в цепь
последовательно, делят поступающее на них напряжение в определенной пропорции
(рисунок 8).
Рисунок 8 – Делитель напряжения
Сила тока, протекающая через резисторы одинакова, так как они соединены
последовательно (по закону Ома).
Вместо резистора R2 обычно используют «резистивный датчик». В роли
датчика может выступать переменный резистор (например, термистор или
фоторезистор) или потенциометр. Vout в этом случае подключается к аналоговому
входу Arduino. Изменяя сопротивление на резисторе R2, вы можете изменять
напряжение, подаваемое Vout на аналоговый вход Arduino и использовать это в
своем проекте [2].
17
Формулы для расчета делителя напряжения:
,
(5)
2.5 Диоды и светодиоды
Диод – электронный компонент, пропускающий ток только в одну сторону. У
него есть два полюса – анод (+) и катод (-). Ток пропускается только от анода к
катоду. Используется, в основном, в устройствах для выпрямления переменного
тока.
Основные характеристики:
- падение прямого напряжения; обозначается Vпадения; измеряется в вольтах;
- максимальное сдерживаемое обратное напряжение; обозначается Vdc;
измеряется в вольтах; при преодолении данного порога происходит «пробитие»
диода, и он начинает пропускать ток в обе стороны;
- максимальный прямой ток; обозначается Imax; измеряется в амперах.
Светодиод – разновидность диода, который испускает свет при прохождении
через него тока. Является энергоэффективным и долговечным источником света, в
отличие от обычной лампы накаливания.
Основные характеристики:
- падение напряжения, обозначается Vпадения, измеряется в вольтах;
- номинальный ток, обозначается I, измеряется в амперах;
- интенсивность (яркость) света, обозначается I инт, измеряется в канделах;
- длина волны (цвет), обозначается , измеряется в нанометрах (нм).
Собственное сопротивление светодиода практически равно нулю, поэтому ток
через него следует ограничивать резистором, иначе он перегорит. Резистор
подбирается в зависимости от источника, к которому его подключают, а также
самого светодиода. В большинстве лабораторных используются резисторы
номиналом 220 Ом.
18
Не имеет значения в какой последовательности включать в цепь резистор – до
или после светодиода.
Длинная «нога» светодиода является анодом (+).
2.6 Тактовые кнопки
Тактовая кнопка – компонент, замыкающий и размыкающий электрическую
цепь. Пока кнопка нажата, цепь замкнута. Кнопки с 4 контактами, входящими в
комплект «Матрешка Z», следует рассматривать как 2 пары рельс, соединяемых при
нажатии (рисунок 9).
Рисунок 9 – Электрическая цепь с тактовой кнопкой
При замыкании и размыкании кнопки между пластинами кнопки возникают
микроскопические искры, провоцирующие большое количество переключений за
несколько миллисекунд. Явление общепринято называется дребезгом. Данный
эффект необходимо обязательно учитывать, если ваше устройство на базе Arduino
включает в себя кнопочное управление. Дребезг может спровоцировать до десятка
логических замыканий и размыканий цепи за пару миллисекунд (рисунок 10).
Рисунок 10 – График зависимости U(t), демонстрирующий явление дребезга
19
Во избежание дребезга следует использовать подтягивающий резистор, либо
предусматривать в программе «ожидание» в течении 10-20 миллисекунд и
дополнительную проверку поступающего на вход Arduino значения спустя данный
промежуток времени. Это позволит микроконтроллеру «переждать» дребезг и
считать верное значение.
2.7 Биполярные и полевые транзисторы
Транзистор – это электронный аналог кнопки. На кнопку нажимают пальцем, а
на транзистор – током. Различают биполярные и полевые транзисторы (рисунок 11).
Рисунок 11 – Биполярные и полевой транзисторы в среде Fritzing
Полевые транзисторы предназначены для управления огромными токами и не
используются в лабораторных работах данного учебного пособия.
Нога, выполняющая роль кнопки, называется базой. Пока через базу течёт
небольшой ток, транзистор открыт: большой ток протекает от коллектора к
эмиттеру. Элементы обозначаются соответственно «Б», «К» и «Э».
Основные характеристики:
- максимальное напряжение на коллекторе-эмиттере, обозначается Vкэ,
измеряется в вольтах;
- максимальный ток через коллектор, обозначается Iк max, измеряется в
вольтах;
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]