Zabawy z elektroniką. Ilustrowany przewodnik dla wynalazców i pasjonatów 9788324680634, 9788324680511, 8324680519, 8324680632

Citation preview

Tytuł oryginału: Hacking Electronics: An Illustrated DIY Guide for Makers and Hobbyists Tłumaczenie: Krzysztof Sawka ISBN: 978-83-246-8063-4 Original edition copyright © 2013 by The McGraw-Hill Companies. All rights reserved. Polish edition copyright © 2014 by HELION S.A. All rights reserved. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from the Publisher. Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metodą kserograficzną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji. Wszystkie znaki występujące w tekście są zastrzeżonymi znakami firmowymi bądź towarowymi ich właścicieli. Autor oraz Wydawnictwo HELION dołożyli wszelkich starań, by zawarte w tej książce informacje były kompletne i rzetelne. Nie biorą jednak żadnej odpowiedzialności ani za ich wykorzystanie, ani za związane z tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Autor oraz Wydawnictwo HELION nie ponoszą również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji zawartych w książce. Wydawnictwo HELION ul. Kościuszki 1c, 44-100 GLIWICE tel. 32 231 22 19, 32 230 98 63 e-mail: [email protected] WWW: http://helion.pl (księgarnia internetowa, katalog książek) Drogi Czytelniku! Jeżeli chcesz ocenić tę książkę, zajrzyj pod adres http://helion.pl/user/opinie/zabele_ebook Możesz tam wpisać swoje uwagi, spostrzeżenia, recenzję.

• Poleć książkę na Facebook.com • Kup w wersji papierowej • Oceń książkę

• Księgarnia internetowa • Lubię to! » Nasza społeczność

Rogerowi, który przeobraził moją pasję w pracę.

Podziękowania Wyrazy wdzięczności należą się pracownikom firmy McGraw-Hill Education, którzy w olbrzymiej mierze przyczynili się do powstania niniejszej książki. Dziękuję w szczególności mojemu redaktorowi, Rogerowi Stewartowi, a także Vastavikcie Sharmie, Jody McKenzie, Mike’owi McGee oraz Claire Splan. Specjalne podziękowania kieruję do Duncana Amosa, Johna Heatha oraz Johna Hutchinsona za przegląd techniczny omawianego materiału oraz za słowa otuchy. Na koniec, jednak nie najmniej ważne, podziękowania dla Lindy za jej cierpliwość oraz przestrzeń, jaką mi dała, bym mógł napisać tę książkę.

Spis treści O autorze .................................................................................................................15 Wprowadzenie ........................................................................................................17 ROZDZIAŁ 1. Pierwsze kroki ............................................................................................... 21 Czas na zakupy ........................................................................................................21 Zakup elementów elektronicznych ..........................................................22 Szukanie dawców .......................................................................................23 Podstawowe narzędzia ..............................................................................23 Usuwanie izolacji z przewodu ..............................................................................25 Co będzie potrzebne ..................................................................................26 Łączenie przewodów poprzez skręcanie ..............................................................28 Co będzie potrzebne ..................................................................................28 Łączenie przewodów poprzez lutowanie .............................................................29 Bezpieczeństwo ...........................................................................................29 Co będzie potrzebne ..................................................................................30 Lutowanie ....................................................................................................31 Łączenie przewodów ..................................................................................32 Testowanie połączenia ...........................................................................................33 Co będzie potrzebne ..................................................................................33 Wiatrak komputerowy jako wentylator odprowadzający toksyczne gazy ......35 Co będzie potrzebne ..................................................................................35 Konstrukcja .................................................................................................36 Etap 1.: Usuwanie izolacji z przewodów zasilacza .................................37 Etap 2.: Identyfikacja biegunowości przewodów zasilających .............37 Etap 3.: Łączenie przewodów masowych ................................................38

6

Zabawy z elektroniką Etap 4.: Łączenie przewodu prądowego z przełącznikiem ...................39 Etap 5.: Testowanie ....................................................................................40 Podsumowanie ........................................................................................................40 ROZDZIAŁ 2. Teoria i praktyka ........................................................................................... 41 Zebranie początkowego zestawu elementów ......................................................41 Co będzie potrzebne ..................................................................................42 Identyfikowanie elementów elektronicznych .....................................................43 Rezystory (oporniki) ..................................................................................43 Kondensatory .............................................................................................45 Diody ...........................................................................................................47 Diody LED ..................................................................................................47 Tranzystory .................................................................................................49 Układy scalone ...........................................................................................49 Inne elementy .............................................................................................50 Elementy do montażu powierzchniowego .............................................50 Natężenie, rezystancja, napięcie ...........................................................................51 Natężenie .....................................................................................................51 Rezystancja ..................................................................................................51 Napięcie .......................................................................................................52 Prawo Ohma ...............................................................................................52 Moc ...........................................................................................................................54 Czytanie schematów ...............................................................................................55 Pierwsza zasada schematów: Dodatnie napięcie znajduje się na górze ...............................................................................56 Druga zasada schematów: Wszystko dzieje się w prawą stronę ..........56 Nazwy i wartości ........................................................................................56 Symbole podzespołów ...............................................................................57 Podsumowanie ........................................................................................................58 ROZDZIAŁ 3. Podstawowe sztuczki ..................................................................................... 59 Rozgrzewanie rezystora .........................................................................................59 Co będzie potrzebne ..................................................................................59 Eksperyment ...............................................................................................60 Rezystory jako dzielniki napięcia .........................................................................61 Co będzie potrzebne ..................................................................................61 Przekształcanie rezystancji na napięcie (i tworzenie światłomierza) ..............64 Co będzie potrzebne ..................................................................................64 Przekształcanie wciskanej lampki w czujnik oświetlenia ..................................66 Co będzie potrzebne ..................................................................................67 Płytka montażowa ......................................................................................68 Konstrukcja .................................................................................................70

Spis treści Wybór tranzystora bipolarnego ...........................................................................75 Karty katalogowe ........................................................................................75 Tranzystory MOSFET ...............................................................................76 Tranzystory PNP oraz z kanałem typu N ...............................................77 Popularne modele tranzystorów ..............................................................78 Tranzystor mocy MOSFET jako regulator pracy silnika ..................................78 Co będzie potrzebne ..................................................................................79 Płytka montażowa ......................................................................................79 Wybór właściwego przełącznika ..........................................................................81 Przełączniki wciskane ................................................................................82 Mikroprzełączniki ......................................................................................83 Przełączniki dwustabilne ..........................................................................83 Podsumowanie ........................................................................................................85 ROZDZIAŁ 4. Diody LED ..................................................................................................... 87 Ochrona diody LED przed przepaleniem ...........................................................87 Co będzie potrzebne ..................................................................................88 Diody ...........................................................................................................88 Diody LED ..................................................................................................89 Testowanie ..................................................................................................91 Wybór właściwej diody LED do pracy ................................................................92 Co będzie potrzebne ..................................................................................92 Jasność i kąt świecenia ...............................................................................93 Wielokolorowość .......................................................................................93 Diody świecące w podczerwieni i ultrafiolecie ......................................94 Diody LED przeznaczone do oświetlania ...............................................95 Układ LM317 jako sterownik prądu stałego .......................................................96 Co będzie potrzebne ..................................................................................96 Projekt .........................................................................................................97 Płytka montażowa ......................................................................................98 Konstrukcja .................................................................................................99 Pomiar napięcia przewodzenia diody LED ...................................................... 100 Co będzie potrzebne ............................................................................... 102 Zasilanie większej liczby diod LED ................................................................... 102 Błyskające diody LED ......................................................................................... 103 Co będzie potrzebne ............................................................................... 104 Płytka montażowa ................................................................................... 104 Zastosowanie płytki perforowanej na przykładzie nadajnika błysków ........ 106 Rozmieszczanie podzespołów na płytce perforowanej ...................... 107 Co będzie potrzebne ............................................................................... 109 Konstrukcja .............................................................................................. 109 Rozwiązywanie problemów ................................................................... 113

7

8

Zabawy z elektroniką Korzystanie z modułu diody laserowej ............................................................. 114 Modyfikacja zdalnie sterowanego samochodu wyścigowego ....................... 115 Co będzie potrzebne ............................................................................... 115 Przechowywanie ładunku w kondensatorze ....................................... 116 Projekt ...................................................................................................... 117 Konstrukcja .............................................................................................. 118 Testowanie ............................................................................................... 119 Podsumowanie ..................................................................................................... 119 ROZDZIAŁ 5. Baterie i zasilanie ........................................................................................ 121 Wybór właściwej baterii ..................................................................................... 121 Pojemność baterii .................................................................................... 121 Maksymalna wartość rozładowania ..................................................... 122 Baterie jednorazowe ................................................................................ 122 Akumulatorki .......................................................................................... 125 Ładowanie baterii (ogólne zasady) .................................................................... 127 C ................................................................................................................ 128 Przeciążenie (zbyt mocne naładowanie) .............................................. 128 Przeciążenie (zbyt pełne rozładowanie) ............................................... 128 Żywotność baterii .................................................................................... 128 Ładowanie ogniwa NiMH .................................................................................. 129 Proste ładowanie ..................................................................................... 129 Szybkie ładowanie ................................................................................... 130 Ładowanie zamkniętego akumulatora kwasowo-ołowiowego ...................... 130 Ładowanie za pomocą programowalnego źródła prądu ................... 131 Ładowanie akumulatora Li-Po .......................................................................... 132 Modyfikowanie baterii do telefonu komórkowego ........................................ 133 Regulacja napięcia na baterii .............................................................................. 134 Co będzie potrzebne ............................................................................... 136 Płytka montażowa ................................................................................... 136 Podwyższanie napięcia ....................................................................................... 137 Obliczanie czasu działania baterii ..................................................................... 138 Projektowanie zasilania awaryjnego na baterie ............................................... 139 Diody ........................................................................................................ 139 Ładowanie podtrzymujące ..................................................................... 141 Stosowanie ogniw słonecznych ......................................................................... 142 Testowanie panelu słonecznego ............................................................ 143 Ładowanie podtrzymujące za pomocą panelu słonecznego ............. 144 Zmniejszanie zużycia prądu .................................................................. 145 Podsumowanie ..................................................................................................... 146

Spis treści ROZDZIAŁ 6. Zabawy z Arduino ........................................................................................ 147 Konfiguracja układu Arduino (oraz migotanie diody LED) ......................... 148 Co będzie potrzebne ............................................................................... 149 Konfiguracja układu Arduino ............................................................... 149 Modyfikowanie szkicu Blink ................................................................. 152 Arduino jako kontroler przekaźnika ................................................................ 154 Przekaźniki ............................................................................................... 155 Wyjścia układu Arduino ........................................................................ 155 Co będzie potrzebne ............................................................................... 156 Konstrukcja .............................................................................................. 157 Oprogramowanie .................................................................................... 158 Obsługa zabawki za pomocą układu Arduino ................................................. 159 Co będzie potrzebne ............................................................................... 160 Konstrukcja .............................................................................................. 160 Monitor portu szeregowego .................................................................. 160 Oprogramowanie .................................................................................... 162 Pomiar napięcia za pomocą Arduino ............................................................... 163 Co będzie potrzebne ............................................................................... 164 Konstrukcja .............................................................................................. 164 Oprogramowanie .................................................................................... 165 Arduino jako regulator diody LED ................................................................... 166 Co będzie potrzebne ............................................................................... 167 Konstrukcja .............................................................................................. 167 Oprogramowanie (migotanie) .............................................................. 168 Oprogramowanie (jasność) ................................................................... 169 Odtwarzanie dźwięków za pomocą Arduino .................................................. 170 Co będzie potrzebne ............................................................................... 171 Konstrukcja .............................................................................................. 171 Oprogramowanie .................................................................................... 171 Zastosowania modułów rozszerzeń układu Arduino ..................................... 173 Sterowanie przekaźnikiem z poziomu strony internetowej .......................... 174 Co będzie potrzebne ............................................................................... 175 Konstrukcja .............................................................................................. 176 Konfiguracja sieci .................................................................................... 177 Testowanie ............................................................................................... 177 Oprogramowanie .................................................................................... 178 Obsługa modułu alfanumerycznego wyświetlacza LCD ................................ 182 Co będzie potrzebne ............................................................................... 183 Konstrukcja .............................................................................................. 183 Oprogramowanie .................................................................................... 183

9

10

Zabawy z elektroniką Napędzanie serwomotoru za pomocą Arduino .............................................. 185 Co będzie potrzebne ............................................................................... 185 Konstrukcja .............................................................................................. 186 Oprogramowanie .................................................................................... 186 Charliepleksing diod LED .................................................................................. 187 Co będzie potrzebne ............................................................................... 189 Konstrukcja .............................................................................................. 189 Oprogramowanie .................................................................................... 190 Automatyczne wpisywanie haseł ....................................................................... 192 Co będzie potrzebne ............................................................................... 192 Konstrukcja .............................................................................................. 193 Oprogramowanie .................................................................................... 193 Podsumowanie ..................................................................................................... 194 ROZDZIAŁ 7. Zabawa z modułami .................................................................................... 195 Moduł wykrywacza ruchu na podczerwień ..................................................... 196 Co będzie potrzebne (czujnik ruchu i dioda LED) ............................. 196 Płytka montażowa ................................................................................... 196 Co będzie potrzebne (czujnik PIR i Arduino) .................................... 198 Konstrukcja .............................................................................................. 198 Oprogramowanie .................................................................................... 199 Moduły dalmierzy ultradźwiękowych .............................................................. 200 Co będzie potrzebne ............................................................................... 202 Dalmierz HC-SR04 ................................................................................. 202 Dalmierz MaxBotix LV-EZ1 ................................................................. 205 Moduł bezprzewodowego pilota ....................................................................... 207 Co będzie potrzebne ............................................................................... 208 Płytka montażowa ................................................................................... 208 Moduł bezprzewodowego pilota i Arduino ..................................................... 209 Co będzie potrzebne ............................................................................... 209 Oprogramowanie .................................................................................... 210 Regulacja obrotów silnika za pomocą tranzystora mocy MOSFET ............. 212 Co będzie potrzebne ............................................................................... 212 Płytka montażowa ................................................................................... 213 Oprogramowanie .................................................................................... 213 Regulacja silnika stałoprądowego za pomocą modułu mostka H ................ 215 Co będzie potrzebne ............................................................................... 219 Płytka montażowa ................................................................................... 219 Korzystanie z nóżek sterujących ........................................................... 220

Spis treści Sterowanie silnikiem krokowym za pomocą modułu mostka H .................. 221 Co będzie potrzebne ............................................................................... 223 Konstrukcja .............................................................................................. 223 Oprogramowanie .................................................................................... 223 Prosty łazik elektroniczny .................................................................................. 226 Co będzie potrzebne ............................................................................... 227 Konstrukcja .............................................................................................. 227 Testowanie ............................................................................................... 230 Oprogramowanie .................................................................................... 230 Moduł siedmiosegmentowego wyświetlacza LED .......................................... 232 Co będzie potrzebne ............................................................................... 234 Konstrukcja .............................................................................................. 234 Oprogramowanie .................................................................................... 234 Moduł zegara czasu rzeczywistego .................................................................... 236 Co będzie potrzebne ............................................................................... 237 Konstrukcja .............................................................................................. 238 Oprogramowanie .................................................................................... 239 Podsumowanie ..................................................................................................... 240 ROZDZIAŁ 8. Zabawa z czujnikami ................................................................................... 241 Wykrywanie toksycznego gazu .......................................................................... 241 Co będzie potrzebne ............................................................................... 242 Komparator LM311 ................................................................................ 242 Płytka montażowa ................................................................................... 243 Wykrywacz gazu i Arduino ................................................................... 245 Pomiar barwy przedmiotu ................................................................................. 246 Co będzie potrzebne ............................................................................... 247 Konstrukcja .............................................................................................. 247 Oprogramowanie .................................................................................... 248 Detekcja drgań ..................................................................................................... 251 Co będzie potrzebne ............................................................................... 251 Konstrukcja .............................................................................................. 252 Oprogramowanie .................................................................................... 252 Pomiar temperatury ............................................................................................ 254 Co będzie potrzebne ............................................................................... 254 Konstrukcja .............................................................................................. 254 Oprogramowanie .................................................................................... 254 Akcelerometr ........................................................................................................ 256 Co będzie potrzebne ............................................................................... 257 Konstrukcja .............................................................................................. 258 Oprogramowanie .................................................................................... 259

11

12

Zabawy z elektroniką Wykrywanie pól magnetycznych ...................................................................... 261 Co będzie potrzebne ............................................................................... 261 Konstrukcja .............................................................................................. 261 Oprogramowanie .................................................................................... 261 Podsumowanie ..................................................................................................... 262 ROZDZIAŁ 9. Sztuczki z dźwiękiem ................................................................................... 263 Modyfikowanie przewodów dźwiękowych ...................................................... 263 Ogólne zasady .......................................................................................... 264 Lutowanie przewodów dźwiękowych .................................................. 265 Konwersja sygnału stereofonicznego na monofoniczny ................... 266 Moduł mikrofonowy ........................................................................................... 268 Pluskwa radiowa .................................................................................................. 271 Co będzie potrzebne ............................................................................... 271 Konstrukcja .............................................................................................. 271 Testowanie ............................................................................................... 273 Wybór głośników ................................................................................................ 274 Budowa jednowatowego wzmacniacza dźwięku ............................................. 275 Co będzie potrzebne ............................................................................... 277 Konstrukcja .............................................................................................. 277 Testowanie ............................................................................................... 278 Generowanie dźwięków za pomocą układu czasowego 555 .......................... 279 Co będzie potrzebne ............................................................................... 281 Konstrukcja .............................................................................................. 281 Kontroler muzyczny podłączany pod gniazdo USB ....................................... 281 Co będzie potrzebne ............................................................................... 281 Konstrukcja .............................................................................................. 282 Oprogramowanie .................................................................................... 283 Programowy miernik głośności (VU) .............................................................. 284 Co będzie potrzebne ............................................................................... 284 Konstrukcja .............................................................................................. 284 Oprogramowanie .................................................................................... 285 Podsumowanie ..................................................................................................... 286 ROZDZIAŁ 10. Psucie i naprawa ......................................................................................... 287 Jak uniknąć porażenia prądem? ........................................................................ 287 Rozmontowywanie urządzeń ORAZ składanie ich z powrotem .................. 289 Sprawdzanie bezpiecznika .................................................................................. 289 Sprawdzanie baterii ............................................................................................. 291 Testowanie elementu grzejnego ........................................................................ 291

Spis treści Wykrywanie i wymiana uszkodzonych elementów ........................................ 292 Sprawdzanie podzespołów ..................................................................... 292 Wylutowywanie ....................................................................................... 293 Wymiana .................................................................................................. 294 Odzyskiwanie przydatnych elementów ............................................................ 294 Ponowne wykorzystanie ładowarki telefonicznej ........................................... 295 Podsumowanie ..................................................................................................... 296 ROZDZIAŁ 11. Narzędzia .................................................................................................... 297 Stosowanie miernika (ogólne) ........................................................................... 297 Test ciągłości i diody .............................................................................. 298 Rezystancja ............................................................................................... 298 Pojemność ................................................................................................ 298 Temperatura ............................................................................................ 299 Napięcie prądu zmiennego .................................................................... 300 Napięcie prądu stałego ........................................................................... 301 Natężenie prądu stałego ......................................................................... 301 Natężenie prądu zmiennego .................................................................. 302 Częstotliwość ........................................................................................... 302 Sprawdzanie tranzystora za pomocą miernika ................................................ 302 Zasilacz laboratoryjny ......................................................................................... 303 Wprowadzenie do oscyloskopów ...................................................................... 304 Oprogramowanie elektroniczne ........................................................................ 305 Symulowanie ............................................................................................ 306 Fritzing ..................................................................................................... 306 EAGLE PCB ............................................................................................. 307 Kalkulatory sieciowe ............................................................................... 307 Podsumowanie ..................................................................................................... 308 DODATEK

Części ......................................................................................................... 311 Narzędzia .............................................................................................................. 312 Elementy elektroniczne ...................................................................................... 312 Startowe zestawy podzespołów ............................................................. 313 Rezystory .................................................................................................. 313 Kondensatory .......................................................................................... 314 Półprzewodniki ....................................................................................... 314 Sprzęt i pozostałe elementy .................................................................... 316 Moduły ..................................................................................................... 318 Wykorzystywane w książce elementy zestawu Z1 nieuwzględnione nigdzie indziej ....................................................... 320 Rezystory zawarte w zestawie Z2 .......................................................... 320 Skorowidz ................................................................................................... 321

13

14

Zabawy z elektroniką

O autorze Dr Simon Monk (mieszkający w Preston, w Wielkiej Brytanii) ukończył studia na kierunkach cybernetyka oraz informatyka, a także uzyskał tytuł doktora w dziedzinie inżynierii oprogramowania. Autor pracował przez kilka lat na uczelni, po czym przeniósł się do branży przemysłowej i stał się współzałożycielem firmy Momote Ltd., zajmującej się tworzeniem oprogramowania na urządzenia mobilne. Jest nie tylko aktywnym pasjonatem elektroniki (od najmłodszych lat), lecz również pełnoetatowym felietonistą, piszącym artykuły na temat swojego hobby, a także urządzeń o otwartym kodzie źródłowym. Dr Monk jest autorem wielu książek poświęconych elektronice, zwłaszcza dotyczących platform sprzętowych o otwartym kodzie źródłowym, takich jak Arduino czy Raspberry Pi. Wraz z Paulem Scherzem napisał również trzecie wydanie książki Practical Electronics for Investors. Autor jest dostępny na Twitterze pod nazwą @simonmonk2.

16

Zabawy z elektroniką

Wprowadzenie Niniejsza książka zajmuje się „zabawami” elektroniką. Nie jest to typowo akademicka, nastawiona na teorię publikacja. Jej jedynym zadaniem jest zaopatrzenie Ciebie, Czytelniczko/Czytelniku, w umiejętności pozwalające na tworzenie urządzeń elektronicznych, bez względu na to, czy będzie to dzieło zbudowane od zera, połączenie gotowych elementów, czy może istniejące urządzenie zaadaptowane do nowych zastosowań. Nauczysz się eksperymentować oraz wprowadzać własne pomysły w życie tak, żeby stworzone urządzenia faktycznie działały. W międzyczasie zaczniesz rozumieć prawa rządzące tworzonymi przez nas układami oraz poznasz ich ograniczenia, a także nauczysz się testować urządzenia na prototypowych płytkach stykowych, łączyć ze sobą poszczególne elementy za pomocą lutownicy oraz korzystać z płytki perforowanej. Poznasz również tajniki popularnego mikrokontrolera Arduino, który ostatnio stał się jednym z najistotniejszych narzędzi dostępnych dla majsterkowiczów zajmujących się elektroniką. W tej książce znalazło się ponad 20 przykładów elektronicznych zastosowań układu Arduino. Elektronika ciągle się zmienia. Masz do czynienia z nowoczesną książką, pomijającą teoretyczne zagadnienia, których prawdopodobnie i tak nigdy nie będziesz potrzebować, a zamiast tego koncentrującą się na konstruowaniu urządzeń za pomocą ogólnodostępnych modułów. Bądź co bądź nie ma sensu odkrywać ponownie Ameryki. Wśród tematów, które zostaną omówione w tej książce, znajdziesz takie jak:  korzystanie z diod LED, w tym również diod wysokiej mocy typu Lumiled,  używanie ogniw baterii Li-Po (litowo-polimerowych) oraz sterowanie napięciem w modułach zasilających,

18

Zabawy z elektroniką  stosowanie czujników do mierzenia jasności, temperatury, drgań, przyśpieszenia, głośności oraz rozpoznawania barwy,  wykorzystywanie mikrokontrolera Arduino, w tym również modułów dodatkowych, takich jak moduł ethernetowy lub wyświetlacz LCD,  korzystanie z serwomotoru oraz silnika krokowego. Oto niektóre z układów, które stworzysz podczas lektury książki:  wykrywacz trujących gazów,  zmodyfikowana zabawka elektryczna sterowana poprzez internet,  urządzenie rozpoznające badaną barwę,  dalmierz naddźwiękowy,  zdalnie sterowany łazik,  akcelerometr wykorzystywany w specyficznej wersji wyścigu z jajkiem na łyżce1,  jednowatowy wzmacniacz dźwięku,  pluskwa utworzona ze zmodyfikowanego nadajnika radiowego, umieszczonego w odtwarzaczu MP3,  sprawne światła przednie i postojowe, które możesz dołączyć do zdalnie sterowanego samochodu.

Co będzie potrzebne Jest to książka bardzo konkretna i silnie nastawiona na praktykę. Dlatego jeśli chcesz wyciągnąć z niej jak najwięcej, będziesz potrzebować pewnych narzędzi i materiałów. Inwestycja nie będzie wielka: zestaw domowego elektronika to przede wszystkim miernik uniwersalny i przybory do lutowania. W przypadku obszarów elektroniki wymagających zastosowania mikrokontrolera najlepszym rozwiązaniem jest układ Arduino Uno. Dlatego zanim zajmiesz się projektami prezentowanymi w dalszych rozdziałach, powinieneś się w niego zaopatrzyć. W dodatku została zawarta lista wszystkich wykorzystywanych przez nas elementów wraz ze spisem sklepów posiadających te przedmioty w asortymencie. Większość elementów można nabyć w postaci pakietu startowego w sklepie SparkFun2, przeważnie 1

Mało popularny w Polsce sport, w którym zawodnicy muszą dobiec do mety, nie gubiąc po drodze kurzego jajka umieszczonego na łyżce — przyp. tłum. 2 Sklep SparkFun (a także inne) ma dystrybutorów również w Polsce, więc nabycie potrzebnych elementów nie powinno nastręczać większych trudności — przyp. tłum.

Wprowadzenie

19

jednak każdy pakiet startowy dostępny w innych sklepach zawiera podstawowe podzespoły elektroniczne. W przypadku wielu opisów sposobu wykonania danego urządzenia natrafisz na podrozdział „Co będzie potrzebne”. Znajdziesz w nim odniesienia do kodów umieszczonych w dodatku, ułatwiających zdobycie danego elementu.

Jak korzystać z książki? Niniejsza książka składa się z rozdziałów, z których każdy ma temat przewodni. Większość projektów zawiera krótkie objaśnienia teoretyczne poruszanych zagadnień. Książka składa się z następujących rozdziałów: Rozdział

Nazwa

Opis

Rozdział 1.

Pierwsze kroki

Rozpoczniemy od omówienia miejsc, gdzie możesz zakupić narzędzia, podzespoły oraz urządzenia, które będziesz modyfikować. W tym rozdziale zajmiemy się również podstawami lutowania. Jako zwieńczenie części teoretycznej zmodyfikujemy stary wentylator komputerowy w taki sposób, żeby służył nam podczas lutowania jako wyciąg oparów.

Rozdział 2.

Teoria i praktyka

W tym rozdziale zapoznasz się z elementami elektronicznymi — a przynajmniej z tymi, z których będziesz korzystać — oraz dowiesz się, w jaki sposób można je identyfikować i do czego służą. Spotkasz się tutaj z niewielką ilością niezbędnej teorii, do której będziemy ciągle powracać w dalszej części książki.

Rozdział 3.

Podstawowe sztuczki

Ten rozdział zawiera opis kilku podstawowych „sztuczek”, między innymi ukazuje zastosowania tranzystorów w przykładowych projektach. Znajdziesz tu projekt modyfikacji „wciskanej lampki”, dzięki któremu będzie się ona automatycznie włączała po zapadnięciu ciemności. Nauczysz się także regulowania pracy silnika za pomocą tranzystorów mocy MOSFET.

Rozdział 4.

Diody LED

Oprócz omówienia zwykłych diod LED oraz sprawienia, żeby błyskały, w tym rozdziale zajmiemy się również zastosowaniem stałoprądowych sterowników diod LED oraz metodami zasilania większej liczby diod i modułów diod laserowych.

20

Zabawy z elektroniką Rozdział

Nazwa

Opis

Rozdział 5.

Baterie i zasilanie

Ten rozdział zajmuje się różnymi typami baterii, zarówno jednorazowych, jak i akumulatorów. Nauczysz się w nim również ładować ogniwa, na przykład Li-Po. Poruszam w nim także takie tematy jak konstruowanie zasilania awaryjnego z baterii, regulacja napięcia zasilania oraz ładowanie za pomocą energii słonecznej.

Rozdział 6.

Zabawy z Arduino

Mikrokontroler Arduino stał się objawieniem dla elektroników każdego rodzaju. Jego otwarta architektura sprzętowa sprawia, że korzystanie z tak złożonego urządzenia staje się niezmiernie proste. Jest to rozdział zapoznający z Arduino, w którym znajdziesz kilka prostych przykładów, takich jak sterowanie przekaźnikiem, generowanie dźwięków oraz sterowanie serwomotorem za pomocą mikrokontrolera. Omówione jest w nim również zastosowanie modułów rozszerzeń (ang. shield — przyp. tłum.) układu Arduino.

Rozdział 7.

Zabawa z modułami

Jeżeli chcesz stworzyć coś ciekawego, w wielu przypadkach możesz wykorzystać gotowe moduły, które przynajmniej przez pewien czas stanowią zastępstwo właściwych układów. Istnieją najróżniejsze rodzaje modułów, począwszy od bezprzewodowego układu zdalnego sterowania aż po sterowniki silnika.

Rozdział 8.

Zabawa z czujnikami

Czujniki, w postaci układów scalonych i modułów, pozwalają na mierzenie wszelkich parametrów, od stężenia gazu w powietrzu aż po przyśpieszenie danego obiektu. W tym rozdziale przyjrzymy się kilku rodzajom czujników. Wyjaśnię, w jaki sposób możesz je wykorzystać i podłączyć do Arduino.

Rozdział 9.

Sztuczki z dźwiękiem

W tym rozdziale znajdziesz wiele użytecznych rozwiązań łączących elektronikę z dźwiękiem. Zajmiemy się między innymi przygotowywaniem i dostosowywaniem przewodów audio, a także wzmacniaczami i zastosowaniem mikrofonów.

Rozdział 10.

Psucie i naprawa

Naprawianie układów elektronicznych i odzyskiwanie części z zepsutych urządzeń stanowi istotną część życia pasjonata elektroniki. Dzięki temu rozdziałowi dowiesz się, jak należy rozbierać uszkodzone sprzęty, a czasami także składać je z powrotem.

Rozdział 11.

Narzędzia

Ostatni rozdział został napisany z myślą o maksymalnym wykorzystaniu różnych narzędzi, takich jak miernik cyfrowy czy zasilacz laboratoryjny.

1 Pierwsze kroki W

tym rozdziale przyjrzymy się niektórym narzędziom i technikom wymaganym do zabaw z elektroniką. Najpierw dowiesz się co nieco o lutowaniu, a następnie przekształcimy stary wentylator komputerowy w taki sposób, aby odciągał od nas opary lutownicze. Jak wskazuje sam tytuł, książka jest poświęcona „zabawom z elektroniką”. Nie musisz studiować elektroniki, aby móc samodzielnie tworzyć lub modyfikować układy elektroniczne. Najlepszą nauką jest metoda prób i błędów. Nauczysz się równie wiele z pomyłek, co z sukcesów. Bardzo prawdopodobne, że im więcej będziesz konstruować i eksperymentować, tym bardziej zacznie Ci się przydawać wiedza teoretyczna. Tradycyjne podręczniki poświęcone elektronice potrafią skutecznie od siebie odstraszać osoby niemające wykształcenia matematycznego. W tej książce staram się przede wszystkim nakłonić Cię do działania, a dopiero później zastanawiania się nad teorią. Aby rozpocząć przygodę z elektroniką, będziesz potrzebować pewnych narzędzi oraz musisz wiedzieć, gdzie dostać części potrzebne do realizacji naszych projektów.

Czas na zakupy Oprócz elementów składowych i narzędzi na rynku możemy dostać mnóstwo tanich i interesujących urządzeń elektronicznych, które nie tylko nadają się do modyfikowania i wykorzystania w różnych celach, lecz również stanowią źródło rzadko spotykanych podzespołów.

22

Zabawy z elektronikÈ

Zakup elementów elektronicznych Większość podzespołów elektronicznych można zakupić w internecie, chociaż w każdym większym mieście istnieją również lokalne sklepy z elektroniką, gdzie możemy zaopatrzyć się w odpowiednie przedmioty. W takich tradycyjnych sklepach asortyment bywa często ograniczony, a ceny mogą nieraz odstraszyć potencjalnego klienta. Bądź co bądź, właściciele muszą płacić za utrzymanie lokali. Lokalne sklepy okazują się jednak nieocenione wtedy, kiedy jakiegoś elementu potrzebujesz natychmiast. Być może zabraknie Ci diody LED, ponieważ poprzednia została przypadkiem uszkodzona, a może po prostu chcesz się przyjrzeć obudowom do któregoś z projektów. Czasami lepiej wziąć do ręki jakieś pudełko albo po prostu obejrzeć narzędzia z bliska zamiast próbować oszacować ich rozmiary na zdjęciach. W miarę zagłębiania się w świat elektroniki zbierzesz sporą liczbę narzędzi i części, które można wykorzystywać w kolejnych projektach. Elementy elektroniczne są względnie tanie, więc gdy jakiegoś potrzebuję, to zamawiam od razu dwa albo trzy egzemplarze (albo nawet pięć, jeśli są bardzo tanie), tak żeby mieć je na zapas do innych projektów. Jeśli będziesz tak postępował, przed rozpoczęciem nowego projektu niejednokrotnie stwierdzisz, że masz już sporą część potrzebnych podzespołów. Dostępność elementów elektronicznych w dużej mierze zależy od miejsca zamieszkania. W Stanach Zjednoczonych największymi dostawcami elementów elektronicznych na rynek amatorów i pasjonatów są Mouser i DigiKey. Obydwa sklepy prowadzą zresztą działalność wysyłkową na całym świecie, również w Polsce. Wiele elementów możemy dostać w sklepach Farnell i Conrad Group, które także prowadzą sprzedaż w Polsce. Wśród polskich dystrybutorów warto wymienić Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o. oraz Elfa Distrelec Sp. z o.o. W przypadku zakupu gotowych modułów elektronicznych przydatne okazują się takie sklepy internetowe jak SparkFun, SeeedStudio, Adafruit czy ITead Studio. Każdy z tych serwisów zawiera szeroki asortyment modułów, a samo przeglądanie ich katalogów może wywoływać euforię. Dodatkowym atutem dla polskiego czytelnika jest fakt, że większość z powyższych sklepów ma w Polsce swoich dystrybutorów, takich jak Nettigo, Kamami czy BOTLAND.com.pl. Niemal wszystkie elementy wykorzystywane w tej książce mają oznaczenia kodowe stosowane przez przynajmniej jednego z wyżej wymienionych sprzedawców. Jedynymi wyjątkami są pewne rzadko spotykane moduły, które lepiej zamówić w serwisie eBay lub poszukać ich na Allegro. Prawdziwą kopalnią elementów elektronicznych są serwisy aukcyjne, takie jak wspomniane już rodzime Allegro, w którym możemy często spotkać produkty pochodzące z Dalekiego Wschodu w maksymalnie niskich cenach. To właśnie tutaj warto wyszukiwać mniej popularne elementy czy też takie obiekty jak moduły laserowe albo

ROZDZIA’ 1. Pierwsze kroki

23

diody LED wysokiej mocy, które w normalnym sklepie mogą być o wiele droższe. Warto w takim serwisie kupować również większe ilości podzespołów. Trzeba jednak pamiętać, że niekiedy takie przedmioty nie są najwyższej jakości, warto więc poświęcić chwilę na przeczytanie opisu i nie należy się dziwić, że niektóre z otrzymanych w pakiecie elementów już na samym początku są uszkodzone.

Szukanie dawców Skoro zajmujesz się zabawami z elektroniką, może warto rozejrzeć się po otoczeniu i znajomych. Jako majsterkowicz szybko zostaniesz odbiorcą zepsutych urządzeń. Rozglądaj się uważnie w swojej nowej roli śmieciarza: czasami „nieżywe” urządzenia mogą zostać całkiem łatwo wskrzeszone. Kolejnym źródłem przydatnych elementów są uliczne rynki oraz tanie sklepy ogólnobranżowe. Znajdź półkę z urządzeniami elektrycznymi: latarkami, wentylatorami, zabawkami na baterie słoneczne, podświetlanymi podstawkami pod laptopy i tak dalej. Zdumiewające, jakie rzeczy można nabyć za niewielkie pieniądze. Często można w ten sposób znaleźć silniki lub zestaw diod LED i zapłacić mniej, niż gdyby kupiło się oddzielnie poszczególne elementy u tradycyjnego sprzedawcy. Innym źródłem tanich urządzeń elektronicznych są supermarkety. W tego typu miejscach łatwo zaopatrzyć się w przedmioty takie jak tanie głośniki komputerowe, myszy, zasilacze, odbiorniki radiowe, latarki LED-owe oraz klawiatury.

Podstawowe narzÚdzia Nawet nie myśl, że przeczytasz ten rozdział bez odrobiny lutowania. W związku z tym będziesz potrzebować podstawowych narzędzi. Nie muszą być wcale drogie. Zresztą przy nauce czegoś nowego lepiej uczyć się na tanich narzędziach, gdyż ich zniszczenie nie będzie dotkliwą stratą. Do nauki gry na skrzypcach nie będziesz brać przecież stradivariusa. Poza tym co to za frajda kupować od razu narzędzia z najwyższej półki i nie móc wymieniać ich na jeszcze lepsze?! Na rynku jest dostępnych wiele pakietów startowych. Nam będzie potrzebna najprostsza lutownica, cyna lutownicza, statyw, szczypce, nożyce oraz jeden czy dwa śrubokręty. W serwisie SparkFun można zamówić dokładnie taki zestaw, dopasowany do standardów unijnych (TOL-11654). Podobny, ale uboższy zestaw oferuje sklep Conrad (811882). Musisz się również zaopatrzyć w uniwersalny miernik (rysunek 1.1). Sugeruję jakiś tani, cyfrowy egzemplarz (zakup powyżej 100 zł to na tym etapie głupota). Nawet jeśli kupisz jakiś lepszy model, i tak przyda się drugi, gdyż często będziemy mierzyć jednocześnie kilka parametrów układu. Miernik musi mieć funkcję pomiaru napięcia

24

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 1.1. Uniwersalny miernik cyfrowy

prądu stałego (ang. DC Volts — przyp. tłum.), natężenia prądu stałego (ang. DC Current — przyp. tłum.), rezystancji (ang. Resistance — przyp. tłum.) oraz test ciągłości obwodu (ang. Continuity test — przyp. tłum.). Cała reszta jest dodatkiem, którego użyjesz raz na ruski rok. Poszukaj czegoś podobnego do opisanego modelu w serwisie SparkFun (TOL-09141) lub Conrad (124401), w ostateczności kup coś porządniejszego, jak miernik z rysunku 1.1. Do szybkiego wypróbowywania projektów bez konieczności lutowania idealnie nadają się nielutowane, uniwersalne płytki montażowe (rysunek 1.2). Umieszczamy przewody w odpowiednich złączach, a metalowe zaciski znajdujące się na spodzie płytki łączą ze sobą wszystkie gniazda w jednym rzędzie. Takie płytki nie są drogie (element N5 w dodatku). Będziemy też potrzebować przewodów jednożyłowych w różnych kolorach (N6), przydatnych przy łączeniu elementów na płytce montażowej. Niezłym pomysłem byłby również zakup specjalnych przewodów mających drobne wtyczki na końcach (ang. jumper wire — przyp. tłum.) — ale i bez nich damy sobie radę. Płytki montażowe są dostępne w najróżniejszych rozmiarach i kształtach, ale zazwyczaj im większa, tym lepsza. W trakcie przygotowywania projektów korzystałem z płytki oznaczonej w dodatku jako N5. Ma ona 63 rzędy wejść oraz po dwie kolumny zasilające na obydwu krańcach (rysunek 1.2a). Ma również aluminiowy spód,

ROZDZIA’ 1. Pierwsze kroki

a)

25

b)

Rysunek 1.2. Nielutowana, uniwersalna pïytka montaĝowa

oddzielony od podłoża gumowymi nóżkami zapobiegającymi ślizganiu się płytki. Jest to bardzo typowy rozmiar płytki i większość sprzedawców powinna mieć coś podobnego w magazynie. Na rysunku 1.2b widać, w jaki sposób przewodzące paski są ułożone pod plastikową obudową płytki. Wszystkie dziurki znajdujące się w tym samym szarym obszarze są ze sobą połączone w rzędach składających się z pięciu złączek. Do zasilania układu służą cztery kolumny dziurek biegnących po obydwu stronach płytki. Jedna kolumna po każdej stronie jest dodatnia, a druga ujemna. Są one oznaczone odpowiednio na czerwono i zielono.

Usuwanie izolacji z przewodu Zapoznasz się teraz z podstawowymi technikami wymaganymi przy zabawie z elektroniką. Prawdopodobnie najprostszą z nich jest usuwanie izolacji z przewodu.

26

Zabawy z elektronikÈ

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

Drut, z którego zostanie usunięta izolacja

N9 lub część

1

Szczypce

N1

1

Nożyce

N1

Można śmiało założyć, że niemal przy każdej zabawie z elektroniką będziesz wcześniej czy później potrzebować przewodu, musisz więc wiedzieć, jak z niego korzystać. Na rysunku 1.3 zostały przedstawione różne typy przewodów (dla lepszego oddania skali zostały zestawione z zapałką).

Rysunek 1.3. Standardowe rodzaje przewodów

Po lewej stronie, tuż obok zapałki, widzimy trzy odcinki przewodu jednożyłowego, zwanego czasem drutem połączeniowym (ang. hookup wire — przyp. tłum.) albo po prostu drutem. Jest on najczęściej stosowany w przypadku nielutowanych płytek montażowych, ponieważ wewnątrz plastikowej izolacji znajduje się tylko jedna żyłka, która prędzej czy później pęknie od zginania. Przewód jednożyłowy o wiele łatwiej umieścić w gnieździe, ponieważ nie rozplata się tak jak przewody wielożyłowe. W przypadku korzystania z płytki montażowej możesz zaopatrzyć się w odpowiednio przycięte różnokolorowe zestawy przewodów (N6 w dodatku) albo w szpule, z których będziesz brać odpowiednie odcinki (N7, N8, N9 w dodatku). Warto mieć przynajmniej trzy kolory: dobrym wyborem będą czerwony, żółty i czarny. Łatwiej obserwować połączenia w układzie, gdy czerwony drut jest podłączany do dodatniego źródła zasilania, czarny — do ujemnego, a żółty jest wykorzystywany do wszelkich innych połączeń. Po prawej stronie w górnej części rysunku 1.3 widzimy przykład przewodu wielożyłowego, a pośrodku podwójny przewód wielożyłowy. Przewód wielożyłowy (inaczej kabel) przydaje się do łączenia poszczególnych modułów ze sobą. Takiego kabla w postaci podwójnego przewodu wielożyłowego użyjemy na przykład do łączenia

ROZDZIA’ 1. Pierwsze kroki

27

głośnika z modułem wzmacniającym sygnał. Warto trzymać taki przewód w zapasie; łatwo go odzyskać ze zniszczonych urządzeń, poza tym jest dość tani (N10 i N11 w dodatku). Przewód w prawym dolnym rogu rysunku 1.3 jest ekranowany. Tego typu zabezpieczenie napotkamy w połączeniach ścieżki dźwiękowej oraz w słuchawkach. Pod izolacją znajdziemy dwie warstwy: wewnętrzna, wielożyłowa przewodząca, jest otoczona przez zewnętrzną — ekranującą. Przewód tego rodzaju jest stosowany wszędzie tam, gdzie nie chcemy, aby słyszalne były wszelkie szumy pochodzące z otoczenia, takie jak szum elektryczny (szum o częstotliwości 50 Hz z urządzeń zasilanych napięciem 230 V), które zakłócałyby sygnał przesyłany żyłkami. Zewnętrzna warstwa przewodów osłania warstwę wewnętrzną przed zabłąkanymi sygnałami i szumami. Istnieją różne rodzaje ekranowanych kabli, jak choćby przesyłające stereofoniczne sygnały dźwiękowe — gdzie osłaniana jest większa liczba przewodów. Dopóki nie zdejmiemy zewnętrznej izolacji z końcówki drutu, jest on dla nas bezużyteczny, ponieważ to właśnie w tym miejscu zostanie on połączony z innym elementem. W celu usunięcia izolacji możesz zakupić specjalne narzędzie, które można dopasować do średnicy przygotowywanego kabla, ale wtedy musisz znać jego średnicę. Gdy wygrzebiesz przewód z jakiegoś zepsutego urządzenia, nie będziesz znać jego parametrów. Przy odrobinie wprawy będziesz mógł jednak usuwać izolację z dowolnego kabla za pomocą szczypiec i nożyc do cięcia drutu. Obydwa te narzędzia są niezbędne w życiu pasjonata elektroniki. Żadne z nich nie musi być bardzo drogie. Co więcej, na nożycach często pojawiają się szczerby znacznie utrudniające pracę, więc nie najgorszym pomysłem jest zaopatrzenie się w dwie tanie pary (na Allegro można znaleźć egzemplarze za niecałe 10 zł), które można i należy regularnie wymieniać. Na rysunkach 1.4a oraz 1.4b został przedstawiony sposób usuwania izolacji z drutu za pomocą szczypiec i nożyc. Szczypce służą do przytrzymania drutu w stanowczym, stabilnym uścisku, podczas gdy właściwym cięciem zajmują się nożyce. Chwyć drut za pomocą szczypiec około 3 cm od końca (rysunek 1.4a). Złap izolację nożycami w miejscu, w którym chcesz ją usunąć. Czasami wystarczy jedynie przejechać ostrą częścią wzdłuż linii nacięcia, a następnie chwycić usuwaną część izolacji i ją ściągnąć (rysunek 1.4b). W przypadku dłuższych odcinków przewodu możesz owinąć go sobie kilkakrotnie wokół palca bez konieczności używania szczypiec. Czynność ta wymaga nieco wprawy. Czasami przytniesz izolację zbyt głęboko i odetniesz ją razem z drutem, innym razem zbyt słabo chwycisz kabelek szczypcami i izolacja nie zejdzie albo zostanie tylko rozciągnięta. Przed wykonaniem każdej czynności wymagającej zastosowania nowego kabla potrenuj najpierw na przewodzie, który już znasz.

28

Zabawy z elektronikÈ

a)

b)

Rysunek 1.4. Usuwanie izolacji z przewodu

’Èczenie przewodów poprzez skrÚcanie Istnieje sposób łączenia drutów bez konieczności ich lutowania. Efekt lutowania jest bardziej trwały, ale czasami przedstawiona metoda również wystarczy. Jedną z najprostszych technik łączenia drutów jest zwyczajne skręcenie ze sobą ich odsłoniętych końcówek. Jest ona o wiele skuteczniejsza dla przewodów wielożyłowych, jednak jeśli zostanie wykonana poprawnie, może również trwale łączyć druty jednożyłowe.

Co bÚdzie potrzebne Aby przećwiczyć łączenie dwóch przewodów poprzez ich skręcenie (jest to nieco trudniejsze, niż mogłoby się początkowo zdawać), będziesz potrzebować następujących elementów: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

2

Kable, które połączymy

N10

1

Rolka winylowej taśmy izolacyjnej

N3

Jeśli musisz usunąć izolację, aby dostać się do miedzianej żyłki, zajrzyj do podrozdziału „Usuwanie izolacji z przewodu”. Rysunki od 1.5a do 1.5d przedstawiają, krok po kroku, sposób łączenia przewodów poprzez ich skręcenie. Najpierw skręć końcówki obydwu przewodów zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara (rysunek 1.5a). W ten sposób nie pominiesz żadnego niepokornego drucika w przewodzie wielożyłowym. Następnie spleć ze sobą skręcone końcówki w taki sposób, żeby obydwie się wzajemnie owinęły (rysunek 1.5b). Staraj się unikać sytuacji,

ROZDZIA’ 1. Pierwsze kroki

a)

b)

c)

d)

29

Rysunek 1.5. ’Èczenie kabli poprzez ich skrÚcenie ze sobÈ

w której owijasz jedną końcówkę, a druga pozostaje prosta. Jeśli tak się stanie, owinięta żyłka może po prostu ześlizgnąć się z drugiego drutu. Następnie skręć obydwie końcówki w malutki węzeł (rysunek 1.5c). Pamiętaj, że, zwłaszcza w przypadku grubszego przewodu, skręcanie możesz sobie ułatwić szczypcami. Na koniec owiń połączone końcówki czterema lub pięcioma warstwami taśmy izolacyjnej (rysunek 1.5d).

’Èczenie przewodów poprzez lutowanie Lutowanie jest podstawową umiejętnością każdego pasjonata elektroniki.

Bezpieczeñstwo Nie chcę Cię wystraszyć, ale… musisz wiedzieć, że lutowanie wiąże się z topieniem metalu w bardzo wysokiej temperaturze. Jakby tego było mało, topiony metal wydziela toksyczne gazy. Jest to jedno z tych niezmiennych prawideł przyrody, że tak samo jak każdy motocyklista spadnie kiedyś ze swojej maszyny, tak każda osoba lutująca poparzy sobie w końcu palce. Musisz więc zachować ostrożność i stosować się do poniższych wskazówek:

30

Zabawy z elektronikÈ x Zawsze odkładaj nieużywaną w danym momencie lutownicę na stojak. Istnieje ryzyko, że pozostawiona sama sobie na blacie prędzej czy później w końcu się z niego stoczy. Możesz również zahaczyć przewód łokciem i gdy lutownica będzie spadać, w naturalnym odruchu będziesz próbować ją złapać — a szanse, że chwycisz gorący koniec, są całkiem duże. Jeżeli będziesz trzymać lutownicę w dłoni podczas szukania jakiegoś elementu lub przygotowywania podzespołów do lutowania, w końcu w którymś momencie zlutujesz sobie palce albo przypalisz coś cennego. x Noś okulary bezpieczeństwa. Krople lutu będą czasami pryskały, zwłaszcza w przypadku lutowania naprężonego drutu lub podzespołu. Nie chcesz, aby kropelka lutu wylądowała w Twoim oku. Jeżeli cierpisz na dalekowzroczność, szkła powiększające mogą nie wyglądać zbyt ładnie, ale będą spełniać podwójną rolę: będą chronić oczy oraz umożliwią właściwe widzenie. x W przypadku poparzenia obmywaj przynajmniej przez minutę zranione miejsce zimną wodą. Jeżeli poparzenie wygląda źle, zgłoś się do lekarza. x Lutuj w wietrzonym pomieszczeniu, a najlepiej będzie, jeśli wstawisz niewielki wiatraczek odprowadzający powstające gazy. W idealnym przypadku powinny być one odprowadzane przez okno. Jednym z projektów sprawdzających umiejętność łączenia przewodów i jednocześnie zwiększających bezpieczeństwo pracy jest modyfikacja wentylatora komputerowego (podrozdział „Wiatrak komputerowy jako wentylator odprowadzający toksyczne gazy”).

Co bÚdzie potrzebne Aby potrenować łączenie przewodów za pomocą lutownicy, będą potrzebne następujące elementy: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

2

Kable, które połączymy

N10

1

Rolka winylowej taśmy izolacyjnej

N3

1

Zestaw do lutowania

N1

1

Trzecia ręka (opcjonalna)

N4

1

Kubek kawy (niezbędny)

Trzecia ręka (ang. magic hands — przyp. tłum.) stanowi znakomitą pomoc podczas lutowania, ponieważ rozwiązuje problem braku dodatkowej dłoni: jedna dłoń trzyma lutownicę, druga — lut, a trzecia musi przytrzymywać lutowane elementy.

ROZDZIA’ 1. Pierwsze kroki

31

Zazwyczaj wykorzystujemy trzecią rękę do przytrzymywania lutowanych elementów. Trzecia ręka składa się z niewielkiego, obciążonego wspornika, na którym są umocowane krokodylki służące do stabilnego przytrzymywania obiektów. W przypadku przewodów dobrą alternatywą jest ich lekkie zagięcie, dzięki czemu ich końcówki będą nieco wystawać ponad blat. Aby unieruchomić przewód, można postawić na nim coś ciężkiego, na przykład kubek z kawą.

Lutowanie Zanim przejdziemy do procesu łączenia dwóch przewodów, zobacz najpierw, jak przeprowadza się proces lutowania. Jeżeli masz po raz pierwszy do czynienia z lutowaniem, obejrzyj instruktażowe rysunki od 1.6a do 1.6c.

a)

b)

c) Rysunek 1.6. Proces lutowania — cynowanie drutu

1. Poczekaj, aż lutownica osiągnie maksymalną temperaturę. 2. Wyczyść czubek lutownicy wilgotną (nie za mokrą) gąbką, umieszczoną na stojaku. 3. Dotknij końcówką lutownicy kawałka lutu, aby go „rozpuścić” (rysunek 1.6a).

W tym momencie czubek lutownicy powinien być jasny i błyszczący. Jeżeli lut nie

32

Zabawy z elektronikÈ chce się rozpuścić, lutownica prawdopodobnie nie jest wystarczająco rozgrzana. Gdy stopiony lut tworzy kulkę i nie chce przyczepić się do lutownicy, oznacza to, że jej czubek może być brudny, należy więc go wytrzeć o gąbkę i spróbować ponownie. 4. Przyłóż lutownicę do drutu i przytrzymaj ją tam przez jedną lub dwie sekundy

(rysunek 1.6b). 5. Umieść lut na drucie tuż obok miejsca, w którym dotykasz go lutownicą.

Lut powinien spłynąć na końcówkę przewodu (rysunek 1.6c). Lutowanie jest sztuką samą w sobie. Niektórzy ludzie mają do tego naturalny talent. Nie martw się, jeśli na początku wyniki lutowania nie będą zbyt schludne. Trening czyni mistrza. Pamiętaj, że najpierw rozgrzewamy lutowany element i umieszczamy na nim lut dopiero wtedy, gdy będzie wystarczająco nagrzany, aby cyna się na nim rozpuściła. Jeżeli męczysz się z lutowaniem, spróbuj czasami zaaplikować lut bezpośrednio w miejscu, gdzie lutownica styka się z lutowanym przedmiotem. W następnym podrozdziale czeka Cię dalszy trening w lutowaniu — w tym przypadku będziemy łączyć ze sobą przewody.

’Èczenie przewodów Aby połączyć dwa przewody w procesie lutowania, możemy wykorzystać metodę opisaną w podrozdziale „Łączenie przewodów poprzez skręcanie”, a następnie umieścić lut na utworzonym węźle. Druga metoda — dzięki której nie otrzymujemy wybrzuszonego lutu — została zaprezentowana na rysunkach od 1.7a do 1.7d. 1. Pierwszym etapem jest skręcenie każdego końca przewodu. Jeżeli masz do czynienia

z drutem wielożyłowym, ocynuj go za pomocą lutu, tak jak pokazano na rysunku 1.7a. 2. Przyłóż końcówki przewodów do siebie i rozgrzej je za pomocą lutownicy

(rysunek 1.7b). Zwróć uwagę, że drugi drut i spoiwo trzymam w jednej dłoni jak chińskie pałeczki do jedzenia. 3. Umieść lut na drutach w taki sposób, żeby utworzyły jeden przewód. Powinno

to wyglądać mniej więcej tak jak na rysunku 1.7c. 4. Zaklej miejsce połączenia trzema lub czterema warstwami taśmy izolacyjnej

na długości około jednego centymetra (rysunek 1.7d).

ROZDZIA’ 1. Pierwsze kroki

a)

b)

c)

d)

33

Rysunek 1.7. ’Èczenie przewodów poprzez lutowanie

Testowanie poïÈczenia Jest całkiem oczywiste, że przewody, którymi zajmowaliśmy się w podrozdziale „Łączenie przewodów poprzez lutowanie”, są ze sobą połączone. Jednakże dość powszechnym zjawiskiem jest przerywanie się żyłek pod warstwą izolacji; dotyczy to zwłaszcza przewodów jednożyłowych. Problem zepsutego przewodu dobrze znają właściciele gitar elektrycznych.

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Miernik uniwersalny

N2

1

Badane połączenie

Niemal wszystkie mierniki mają tryb testu ciągłości obwodu. W tym stanie, jeśli obwód będzie zamknięty, miernik zacznie wydawać sygnał dźwiękowy.

34

Zabawy z elektronikÈ Ustaw miernik w trybie testu ciągłości, a następnie próbnie zewrzyj ze sobą jego sondy. Przyłóż teraz te sondy do obydwu końców dowolnego przewodu (rysunek 1.8). Powinieneś usłyszeć dźwięk informujący o tym, że przewód nie jest uszkodzony.

Rysunek 1.8. Miernik w trybie testu ciÈgïoĂci

Tę technikę możesz stosować również w przypadku płytek drukowanych. Jeżeli masz taką płytkę z jakiegoś starego urządzenia, możesz przetestować połączenie pomiędzy dwoma punktami na ścieżce (rysunek 1.9).

Rysunek 1.9. Testowanie pïytki drukowanej

Jeżeli nie ma ciągłości w miejscu, gdzie powinna występować, możemy mieć do czynienia z „suchym połączeniem”, w którym lut mógł zostać niewłaściwie umieszczony, lub pojawiła się przerwa na ścieżce płytki drukowanej (czasami tak się dzieje w przypadku wyginania płytki).

ROZDZIA’ 1. Pierwsze kroki

35

Aby naprawić suche połączenie, wystarczy nałożyć na nie odrobinę lutu i dobrze go rozłożyć. Przerwane ścieżki na płytce naprawiamy poprzez zeskrobanie warstwy lakieru ochronnego z danego miejsca i zalutowanie przerwy.

Wiatrak komputerowy jako wentylator odprowadzajÈcy toksyczne gazy Opary lutownicze są nieprzyjemne i szkodliwe dla zdrowia. Jeżeli możesz siedzieć przy oknie w trakcie lutowania, to wspaniale. Jeżeli nie masz takiej możliwości, to ten niewielki projekt będzie stanowił dla Ciebie dobrą lekcję zabawy z elektroniką (rysunek 1.10).

Rysunek 1.10. WyciÈg oparów wïasnej roboty

No dobra, może to „urządzonko” nie dostanie żadnej nagrody za wygląd, ale przynajmniej usuwa toksyczne opary sprzed mojej twarzy, gdy jest zawieszone na lampce (która jest zawsze blisko mnie, gdy coś lutuję).

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Sprzęt do lutowania

N1

1

Wiatrak ze starego komputera (dwuprzewodowy)

1

Zasilacz 12 V

M1

1

Przełącznik jednopozycyjny (ang. SPST switch — przyp. tłum.)

K1

36

Zabawy z elektronikÈ

Konstrukcja Na rysunku 1.11 widzimy schemat tego projektu.

Rysunek 1.11. Schemat wyciÈgu oparów

Osoby dopiero zaczynające przygodę z elektroniką często spoglądają podejrzliwie na takie schematy, ponieważ wydaje im się, że lepiej po prostu pokazać właściwe umiejscowienie elementów oraz połączeń pomiędzy nimi — tak jak na rysunku 1.12. Ale warto nauczyć się odczytywać schematy. To naprawdę nie jest trudne zadanie, a w przyszłości opłaci się, zwłaszcza w przypadku olbrzymiej liczby schematów umieszczanych w internecie. To trochę tak jak z umiejętnością czytania z nut. Można wiele się dowiedzieć poprzez samo słuchanie muzyki, ale umiejętność zapisywania i odczytywania notacji muzycznej daje o wiele więcej możliwości.

Rysunek 1.12. Schemat poïÈczeñ w wyciÈgu oparów

Przyjrzyjmy się więc naszemu schematowi. Po lewej stronie widzimy dwa obwody oznaczone jako „+12V” oraz „GND”. Pierwszy symbol oznacza obwód prądowy (dodatni) 12 V wychodzący z zasilacza 12 V. Skrót „GND” to masa (obwód ujemny) zasilacza1. Masa to nic innego niż napięcie odniesienia, dla którego przyjmujemy wartość zero woltów. Wartość napięcia jest pojęciem względnym, dlatego napięcie 12 V zasilacza oznacza, że jest ono o dwanaście woltów wyższe od napięcia drugiego obwodu (masy). Więcej na temat napięcia dowiesz się w następnym rozdziale.

1

W terminologii angielskiej skrót „GND” oznacza uziemienie (ang. ground), jednak w tej książce będzie on tłumaczony jako „masa”, a termin „uziemienie” będzie używany jedynie w przypadku obwodów elektrycznych wymagających zabezpieczenia przepięciowego — przyp. tłum.

ROZDZIA’ 1. Pierwsze kroki

37

Na prawo od zasilacza na schemacie znajduje się przełącznik. W naszym przypadku ma on oznaczenie „S1” (ang. switch — przyp. tłum.), gdybyśmy natomiast mieli w układzie więcej przełączników, nazywalibyśmy je kolejno „S2”, „S3” itd. Symbol przełącznika dobrze ilustruje zasadę jego działania. Gdy przełącznik zostaje przestawiony na pozycję włączoną, obwód zostaje zamknięty, w przeciwnym wypadku pozostaje otwarty. Nic skomplikowanego. Przełącznik, jak kran, kontroluje jedynie dopływ prądu do silnika (M) wiatraczka (ang. motor — przyp. tłum.).

Etap 1.: Usuwanie izolacji z przewodów zasilacza Mamy zasilacz i chcemy teraz odciąć wtyczkę na jego końcu, a następnie odsłonić druty w przewodach (podrozdział „Usuwanie izolacji z przewodu”). Zanim odetniesz wtyczkę, upewnij się, że zasilacz NIE jest podłączony do gniazdka. W przeciwnym wypadku podczas przecinania przewodów nożyce mogą doprowadzić do spięcia i uszkodzić zasilacz.

Etap 2.: Identyfikacja biegunowoĂci przewodów zasilajÈcych Po przecięciu przewodów musimy dowiedzieć się, który z nich jest prądowy. Wykorzystamy w tym celu miernik. Ustawmy jego zakres na 20 V DC. Twój miernik będzie miał prawdopodobnie dwa rodzaje zakresu napięcia — jeden dla prądu zmiennego (ang. alternating current, AC — przyp. tłum.), a drugi dla prądu stałego (ang. direct current, DC — przyp. tłum.). Będziemy korzystać z zakresu stałoprądowego. Często jest on oznaczany stałą linią umieszczoną nad linią kropkowaną (zakres dla prądu zmiennego jest oznaczany skrótem AC lub symbolem sinusoidy). Jeżeli ustawisz pomiar na prąd zmienny, nie uszkodzisz miernika, ale nie uzyskasz też sensownych wyników (w rozdziale 11. dowiesz się więcej na temat mierników). Upewnij się najpierw, że obcięte przewody w zasilaczu nie stykają się ze sobą, a następnie podłącz zasilacz do prądu i włącz go. Dotknij teraz kabli zasilających obydwoma przewodami miernika (rysunek 1.13). Jeżeli wynik na mierniku jest dodatni, to czerwony przewód miernika styka się z kablem prądowym. Zaznacz ten kabel w jakiś sposób (ja zawiązałem na nim supeł). Jeżeli została wyświetlona wartość ujemna, to trafiliśmy odwrotnie z biegunami obwodu i powinniśmy zawiązać węzeł na kablu stykającym się z czarnym przewodem miernika — w tym przypadku będzie to przewód prądowy.

38

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 1.13. Stosowanie miernika do wykrycia polaryzacji przewodów zasilajÈcych

Etap 3.: ’Èczenie przewodów masowych Odłącz zasilacz od źródła prądu. Nigdy nie lutuj elementów podłączonych do zasilania. Odetnij wtyczkę na końcu przewodów od wiatraka i usuń z nich izolację. Mój wiatrak miał jeden przewód masowy (czarny) i jeden prądowy (żółty). Wiatraki mające trzy przewody są bardziej skomplikowane i powinieneś ich unikać. Nic się nie stanie, jeżeli połączysz przewody w odwrotny sposób — wiatrak będzie po prostu kręcił się w przeciwną stronę. Połączymy teraz masę wiatraka z masą (przewód bez węzła) zasilacza (rysunek 1.14).

Rysunek 1.14. ’Èczenie ze sobÈ przewodów masowych

ROZDZIA’ 1. Pierwsze kroki

39

Etap 4.: ’Èczenie przewodu prÈdowego z przeïÈcznikiem Przylutuj przewód prądowy zasilacza do jednego z wyjść przełącznika, nie ma znaczenia którego (rysunek 1.15). Zadanie ułatwi nam ocynowanie wyjścia przełącznika niewielką ilością lutu przed rozpoczęciem pracy.

Rysunek 1.15. PodïÈczenie przewodu prÈdowego do przeïÈcznika

Na koniec podłącz wolny kabel wiatraka do środkowego wyjścia przełącznika (rysunek 1.16).

Rysunek 1.16. PodïÈczenie wiatraka do przeïÈcznika

40

Zabawy z elektronikÈ

Etap 5.: Testowanie Owiń niezabezpieczone miejsca na przewodach taśmą izolacyjną, podłącz urządzenie do prądu, uruchom je i gotowe! Po zmianie pozycji przełącznika wiatrak powinien zacząć się kręcić.

Podsumowanie Skoro już zapoznałeś się z podstawami i wiesz co nieco o lutowaniu, drutach i przełącznikach, możemy przejść do rozdziału 2. Przyjrzymy się w nim kilku elementom elektronicznym, a także omówimy niektóre pojęcia, których poznanie jest wymagane do udanej zabawy z elektroniką.

2 Teoria i praktyka A

by móc w pełni wykorzystać możliwości elektroniki, musisz zapoznać się z kilkoma podstawowymi informacjami. Nie zamierzam obciążać Cię tonami teorii, możesz więc powrócić do tego rozdziału, kiedy tylko poczujesz taką potrzebę. Jednak zanim zajmiemy się częścią teoretyczną, przyjrzyjmy się, jakie elementy będą nam potrzebne.

Zebranie poczÈtkowego zestawu elementów W rozdziale 1. zebraliśmy podstawowe narzędzia i trenowaliśmy lutowanie. Jedyne urządzenie, jakie do tej pory skonstruowaliśmy, składa się ze starego wiatraka komputerowego, zakurzonego zasilacza i przełącznika. Szybko stwierdzisz, że niektóre podzespoły są wykorzystywane niemal we wszystkich projektach. Jeżeli chcesz mieć podstawowe elementy elektroniczne, polecam zakup zestawu startowego (ang. starter kit). Serwis SparkFun sprzedaje takie zestawy (oznaczenie Z1 w dodatku), nie zawierają one jednak rezystorów, musimy więc zaopatrzyć się w osobny pakiet oporników (Z2). Obydwa zestawy pokrywają zapotrzebowanie na około 80% elementów wykorzystywanych w tej książce. Zestawy startowe znajdują się również w asortymencie innych sklepów i chociaż żaden z nich nie zawiera wszystkich potrzebnych nam podzespołów, to większość nadaje się do rozpoczęcia przygody z elektroniką.

42

Zabawy z elektronikÈ

Co bÚdzie potrzebne Zestaw startowy oferowany przez serwis SparkFun zawiera elementy wymienione w poniższej tabelce. Podzespoły oznaczone gwiazdką (*) są bezpośrednio wykorzystywane w książce, jeżeli więc szukasz innego zestawu, staraj się wybrać taki, który obejmuje jak najwięcej zaznaczonych komponentów. W dodatku znajdziesz również listę innych elementów używanych w naszych projektach. Liczba

Przedmiot

Liczba

Przedmiot

10

Kondensator 0,1 μF*

3

20-stykowa złączka męska*

5

Kondensator 100 μF*

3

Miniaturowy przełącznik zasilania*

5

Kondensator 10 μF*

2

Przyciski*

5

Kondensator 1 μF

1

Potencjometr dostrojczy 10k*

5

Kondensator 10 nF

2

Wzmacniacz operacyjny LM358

5

Kondensator 1 nF

2

Regulator 3,3 V*

5

Kondensator 100 pF

2

Regulator 5 V*

5

Kondensator 10 pF

1

Układ czasowy 555*

5

Dioda 1N4148

1

Zielona dioda LED*

5

Dioda 1N4001*

1

Żółta dioda LED*

5

Tranzystor PNP 2N3906

1

Czerwona dioda LED*

5

Tranzystor NPN 2N3904*

1

Siedmiosegmentowa czerwona dioda LED

3

20-stykowa złączka żeńska

1

Miniaturowa fotokomórka*

Oddzielny zestaw rezystorów (Z2) zawiera oporniki o następujących wartościach: 0 Ω, 1,5 Ω, 4,7 Ω, 10 Ω, 47 Ω 110 Ω, 220 Ω, 330 Ω, 470 Ω, 680 Ω 1 kΩ, 2,2 kΩ, 3,3 kΩ, 4,7 kΩ, 10 kΩ 22 kΩ, 47 kΩ, 100 kΩ, 330 kΩ, 1 MΩ Serwis Nettigo ma w ofercie interesujący zestaw startowy (Z3) zawierający Arduino Uno. W jego skład wchodzą następujące elementy:

ROZDZIA’ 2. Teoria i praktyka Liczba

Przedmiot

Przedmiot

Liczba

1

Arduino Uno R3

Rezystor 10 kΩ

5

1

Nielutowana płytka stykowa

Tranzystor 2N2222 (lub równoważny)

1

Kable złączowe

Czujnik temperatury MCP-9700

1

Czerwone diody LED

Fotorezystor

1

1

Zielona dioda LED

Przełączniki wciskane

5

1

Żółta dioda LED

Rejestr przesuwny

1

1

Dioda LED RGB

Układ PCF8574P

1

5

Rezystor 2,2 kΩ

Brzęczyk

1

~60 10

43

Identyfikowanie elementów elektronicznych Co my takiego właściwie kupiliśmy? Przyjrzyjmy się poszczególnym elementom zestawu startowego i zobaczmy, do czego służą. Zaczniemy od rezystorów.

Rezystory (oporniki) Na rysunku 2.1 widzimy całą gamę rezystorów. Rezystory, nazywane również opornikami, mają różne rozmiary, dzięki czemu mogą pracować w różnych zakresach mocy. Rezystory o dużej mocy są większe, żeby lepiej rozpraszać ciepło wytwarzane w czasie pracy (nagrzewające się elementy nie sprzyjają pracy układu, dlatego w miarę możliwości staramy się unikać tego niepożądanego zjawiska). Przez większość czasu będziemy korzystać z rezystorów 0,25-watowych, które znakomicie nadają się do ogólnych zastosowań.

Rysunek 2.1. Róĝne rodzaje rezystorów

44

Zabawy z elektronikÈ Drugim parametrem (obok mocy znamionowej) służącym do opisu rezystorów jest rezystancja (oporność). Jak sama nazwa wskazuje, rezystancja stanowi opór stawiany przepływającemu prądowi. Z tego wynika, że rezystor mający dużą oporność będzie pozwalał na przepływ niewielkiej ilości prądu, podczas gdy opornik o niewielkiej rezystancji będzie przepuszczał prąd o większym natężeniu. Rezystory są najczęściej używanymi elementami elektronicznymi. Poświęcimy im więcej uwagi w podrozdziale „Natężenie, rezystancja i napięcie”, gdzie będziemy z nich korzystać cały czas. Rezystory mają nadrukowane różnokolorowe paski służące do odczytania wartości oporności. Możesz nauczyć się rozpoznawać rezystancję za pomocą tych oznaczeń (za chwilę wyjaśnię, w jaki sposób się to robi) albo przechowywać oporniki w odpowiednio podpisanych przedziałach/szufladach. Jeżeli masz jakieś wątpliwości, sprawdź oporność rezystora za pomocą miernika. Osoby ambitne mogą jednak zechcieć nauczyć się oznaczeń na rezystorach. Każdy kolor ma odpowiadającą mu wartość. Poniższa tabela przedstawia listę stosowanych kolorów wraz z przypisanymi im wartościami: Kolor

WartoĂÊ

czarny

0

brązowy

1

czerwony

2

pomarańczowy

3

żółty

4

zielony

5

niebieski

6

fioletowy

7

szary

8

biały

9

złoty

1:10

srebrny

1:100

Kolory złoty i srebrny nie tylko reprezentują wartości 1:10 i 1:100, ale również wskazują dokładność rezystora. Kolor złoty oznacza ±5% tolerancji, a srebrny — ±10%. Zazwyczaj mamy do czynienia z grupą trzech pasków umieszczonych na jednym końcu rezystora. Po nich występuje przerwa, a za nią, na drugim końcu rezystora, znajduje się jeszcze jeden pasek. Ten pojedynczy pasek określa dokładność opornika.

ROZDZIA’ 2. Teoria i praktyka

45

Nasze projekty nie wymagają stosowania bardzo precyzyjnych oporników, nie musimy więc zamawiać ich pod kątem dokładności. Rysunek 2.2 prezentuje rozmieszczenie pasków na rezystorze. Wartość rezystora jest definiowana jedynie przez trzy paski po lewej stronie. Pierwszy pasek oznacza pierwszą cyfrę wartości, drugi — drugą cyfrę, trzeci zaś jest mnożnikiem, dzięki któremu wiemy, ile zer należy wstawić po dwóch pierwszych cyfrach.

Rysunek 2.2. Oznaczenia rezystora

Zatem w rezystorze 270 Ω (omów) pierwszy pasek będzie miał kolor czerwony (cyfra 2), drugi będzie fioletowy (cyfra 7), a mnożnik będzie brązowy (dodajemy jedno zero). Analogicznie rezystor 10 kΩ będzie miał kolejno paski: brązowy, czarny i pomarańczowy (1, 0, 000). Oprócz rezystorów stałych istnieją również rezystory zmienne (tak zwane potencjometry albo rezystory nastawne). Są one wykorzystywane do regulowania głośności, gdyż poruszanie pokrętłem zmienia wartość rezystancji, a co za tym idzie — poziom dźwięku.

Kondensatory Podczas modyfikowania układów elektronicznych niejednokrotnie przyjdzie nam korzystać z kondensatorów. Na szczęście nie musisz wiedzieć zbyt wiele o zasadzie ich działania. Nierzadko służą one do zapobiegania takim problemom jak niestabilność obwodów lub niechciane szumy. Z powodu zastosowań często są nazywane „kondensatorami odsprzęgającymi” lub „kondensatorami wygładzającymi”. Istnieją proste reguły określające, kiedy należy wprowadzać kondensatory do układu. Będziemy je omawiać przy okazji dalszych projektów. Dla ciekawskich: kondensatory przechowują ładunek elektryczny, trochę jak baterie, ale w mniejszych ilościach. Ponadto proces ich ładowania i uwalniania z nich ładunku przebiega bardzo szybko. Na rysunku 2.3 widzimy różne rodzaje kondensatorów. Jeśli przyjrzysz się uważnie drugiemu kondensatorowi od lewej, dostrzeżesz na nim zapisaną liczbę 103. Jest to wartość kondensatora wyrażona w pikofaradach. Jednostką pojemności jest farad, ale kondensator o pojemności 1 F byłby olbrzymi i mieściłby

46

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 2.3. Przykïadowe kondensatory

w sobie gigantyczny ładunek. Chociaż takie bestie istnieją, wartości stosowanych przez nas kondensatorów są mierzone albo w nanofaradach (nF = 1:1 000 000 000 F), albo w mikrofaradach (μF = 1:1 000 000 F). Spotykane są również kondensatory pikofaradowe (pF = 1:1 000 000 000 000 F). Wracając do cyfry 103… Nieco podobnie jak w przypadku rezystorów, oznacza ona wartość 10 z dodanymi trzema zerami, gdzie jednostkami są pikofarady. Kondensator ten ma więc pojemność 10 000 pF lub 10 nF. Widoczne na rysunku 2.3 po prawej stronie większe kondensatory noszą nazwę kondensatorów elektrolitycznych. Ich pojemność (której wartość jest nadrukowana na obudowie) jest zazwyczaj mierzona w mikrofaradach. Mają one również oznaczenia + i – po przeciwnych stronach i, w przeciwieństwie do większości kondensatorów, muszą zostać podłączone zgodnie z właściwą polaryzacją. Na rysunku 2.4 widzimy duży kondensator elektrolityczny z wypisaną wartością pojemności (1000 μF) oraz z wyraźnie widocznym podłączeniem masowym (ujemnym) w dolnej części rysunku. Jeżeli w kondensatorze jedna nóżka jest dłuższa od drugiej, to służy ona do podłączenia obwodu prądowego (dodatniego).

Rysunek 2.4. Kondensator elektrolityczny

Kondensator widoczny na rysunku 2.4 ma również podaną wartość napięcia (200 V). Jest to jego napięcie znamionowe. Jeżeli puścimy przez ten kondensator napięcie

ROZDZIA’ 2. Teoria i praktyka

47

przekraczające 200 V, to go uszkodzimy. Tak wielkie kondensatory elektrolityczne słyną ze swoich spektakularnych awarii i eksplozji rozrzucających dookoła całą zawartość zniszczonego podzespołu.

Diody Od czasu do czasu będziemy korzystać z diod. Są one swego rodzaju zaworami, pozwalającymi na przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Z tego powodu często są używane jako zabezpieczenie delikatnych elementów, które mogłyby zostać uszkodzone przez przypadkową zmianę polaryzacji napięcia. Diody (rysunek 2.5) mają na jednym końcu namalowany pasek. Ta strona jest nazywana katodą, podczas gdy przeciwległy koniec nosi nazwę anody. Na temat diod dowiesz się więcej w dalszej części książki.

Rysunek 2.5. Róĝne rodzaje diod

Podobnie jak w przypadku rezystorów, im większa dioda, tym większą moc można przez nią przepuścić i tym więcej czasu minie, zanim się nagrzeje i zepsuje. Przez dziewięćdziesiąt procent czasu będziemy stosować jedną z dwóch diod umieszczonych po lewej stronie na rysunku 2.5.

Diody LED Diody świecące (ang. LED, light emitting diode — przyp. tłum.) generują światło widzialne i bardzo ładnie się prezentują. Na rysunku 2.6 możesz przyjrzeć się niektórym diodom LED. Diody LED są dość czułe, dlatego nie można podłączać ich bezpośrednio do baterii. Najpierw musimy wprowadzić rezystor zmniejszający prąd docierający do diody. Jeżeli tego nie zrobimy, dioda LED zostanie niemal natychmiast spalona. Później wyjaśnię, w jaki sposób dobrać odpowiedni rezystor.

48

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 2.6. Niektóre diody LED

Podobnie jak zwykłe diody, diody LED mają biegun dodatni i ujemny (katodę i anodę). Anoda ma dłuższą nóżkę. Często również obudowa po stronie katody jest lekko spłaszczona. Oprócz zwyczajnych, pojedynczych diod LED istnieją również bardziej złożone konstrukcje. Rysunek 2.7 prezentuje nietypowe rodzaje diod LED.

Rysunek 2.7. WiÚcej diod LED

Począwszy od lewej strony, widzimy diodę świecącą w zakresie ultrafioletowym, pakiet składający się z diod czerwonej i zielonej, diodę LED RGB (ang. red, green, blue — czerwona, zielona, niebieska — przyp. tłum.) wysokiej mocy, za pomocą której możemy uzyskać dowolny kolor, wyświetlacz siedmiosegmentowy oraz wyświetlacz słupkowy. To są tylko wybrane rodzaje diod LED. Jest ich o wiele więcej. W dalszej części książki wykorzystamy niektóre mniej standardowe diody świecące.

ROZDZIA’ 2. Teoria i praktyka

49

Tranzystory Chociaż tranzystory są wykorzystywane we wzmacniaczach dźwięku oraz w wielu innych urządzeniach, zwykły majsterkowicz może uznawać je za przełączniki. Jednak nie są to przełączniki kontrolowane przez dźwignie, lecz przez mały prąd, za pomocą którego sterujemy dużym prądem. W wielkim uogólnieniu, wytrzymałość tranzystora zależy od jego rozmiaru (rysunek 2.8).

Rysunek 2.8. Tranzystory

Dwa tranzystory widoczne po prawej stronie rysunku 2.8 są wyspecjalizowane i przeznaczone do zastosowań w urządzeniach dużej mocy. W przypadku elementów elektronicznych niepisana reguła brzmi, że jeśli coś jest brzydkie i ma trzy nóżki, to jest najprawdopodobniej tranzystorem.

Ukïady scalone Układ scalony, chip lub po prostu kość to nic innego niż zbiór tranzystorów i innych elementów wbudowany w płytkę krzemową. Zastosowania układów scalonych bywają przeróżne. Mogą być mikrokontrolerami (miniaturowymi komputerami), wzmacniaczami dźwięku, pamięciami komputera lub czymkolwiek innym. Istnieją tysiące możliwości. Układy scalone niezmiernie ułatwiają życie, gdyż, jak się to mówi, „na wszystko znajdzie się kość”. Rzeczywiście, jeżeli chcesz coś zbudować, prawdopodobnie ktoś już stworzył taki układ scalony, a nawet jeśli nie, prawdopodobnie istnieje kość ogólnego przeznaczenia, która znacznie ułatwi Twoją pracę. Układy scalone wyglądają jak pluskwy (rysunek 2.9).

50

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 2.9. Ukïady scalone

Inne elementy Istnieje bardzo wiele przeróżnych elementów elektronicznych. Niektóre z nich, jak baterie czy przełączniki, są nam dobrze znane. Inne nie są tak popularne; zaliczamy do nich potencjometry (rezystory zmienne służące do regulowania głośności), fototranzystory, kodery obrotowe, rezystory światłoczułe i inne. W trakcie czytania książki zapoznasz się z wymienionymi elementami.

Elementy do montaĝu powierzchniowego Przyjrzyjmy się przez chwilę podzespołom służącym do montażu powierzchniowego (ang. SMD, Surface Mount Device). Elementy te to zwyczajne rezystory, tranzystory, kondensatory, układy scalone itd., ale znacznie mniejsze niż normalne podzespoły, gdyż są umieszczane na obwodach składanych przez maszyny. Na rysunku 2.10 widzimy kilka elementów SMD.

Rysunek 2.10. Podzespoïy sïuĝÈce do montaĝu powierzchniowego

Zapałka na rysunku służy do ukazania niewielkich rozmiarów tych podzespołów. Oczywiście można montować je również ręcznie, do tego zadania potrzebna jest jednak pewna dłoń i wysokiej jakości lutownica, nie wspominając o cierpliwości. Pojawia się również konieczność tworzenia obwodów drukowanych, ponieważ elementy te nie są przeznaczone do pracy z płytkami prototypowymi.

ROZDZIA’ 2. Teoria i praktyka

51

W tej książce skupiamy się przede wszystkim na tradycyjnych, „przekładanych” podzespołach, jednak jeśli chcesz, możesz spróbować wykorzystywać elementy SMD.

NatÚĝenie, rezystancja, napiÚcie Napięcie, natężenie oraz rezystancja prądu to trzy fundamentalne parametry, które mają wpływ na każdy aspekt elektroniki. Wszystkie są ze sobą ściśle powiązane i jeśli pojmiesz występujące pomiędzy nimi zależności, elektronika przestanie ukrywać przed Tobą swoje tajemnice. Czytaj poniższą teorię bez pośpiechu. Gdy już zrozumiesz zawarte tu informacje, pewne rzeczy staną się jasne.

NatÚĝenie Problem z elektronami jest taki, że nie możemy ich zobaczyć, musimy więc sobie wyobrazić, w jaki sposób „działają”. Osobiście myślę o elektronach jak o kulkach toczących się w tunelach. Fizycy czytający tę książkę chwytają się pewnie teraz za głowę lub rzucają ją na ziemię z odrazą, ale dla nas takie uproszczenie będzie wystarczające. Każdy elektron ma taki sam, niezmienny ładunek — oznacza to, że wiele elektronów daje duży ładunek, a mało elektronów niewielki ładunek. Natężenie prądu elektrycznego mierzy się podobnie jak natężenie nurtu w korycie rzecznym. Sprawdzamy, jak duży ładunek przepływa obok nas w ciągu sekundy (rysunek 2.11).

Rysunek 2.11. NatÚĝenie prÈdu

Rezystancja Zadaniem rezystora jest stawianie oporu przepływającemu prądowi. Jeśli więc zastosujemy analogię do rzeki, rezystor stanowi jej przewężenie (rysunek 2.12).

52

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 2.12. Rezystor

Rezystor zmniejszył wielkość ładunku przepływającego przez dany punkt. Nie ma znaczenia, w którym punkcie będziemy mierzyć wartość natężenia (A, B lub C), ponieważ patrząc w kierunku przepływu elektronów, muszą one czekać w kolejce, aż przedostaną się przez rezystor. Z tego wynika, że w ciągu sekundy mniej elektronów przepływa również przez punkt A. Ograniczenie ruchu następuje w samym rezystorze (B). W przypadku elektronów porównanie do „szybkości” przepływu to nie do końca prawda, ale dla nas najważniejszy jest wynikający stąd wniosek, że natężenie prądu będzie takie samo w każdym punkcie. Wyobraź sobie, co się stanie, jeśli rezystor zatrzyma zbyt wiele ładunku płynącego do diody LED.

NapiÚcie Napięcie jest ostatnim ogniwem równania, które za chwilę poznasz. Jeżeli będziemy kontynuować porównanie do rzeki, napięcie będzie nachyleniem koryta rzecznego w stosunku do jego najniższego punktu (rysunek 2.13). Wszyscy wiedzą, że rzeka spływająca po stromym zboczu jest bystra i szalona, podczas gdy nurt rzeki płynącej po łagodnie nachylonym terenie będzie spokojny. Powyższa analogia pomaga zrozumieć pojęcie względności napięcia. Nie jest ważne, czy rzeka będzie spływała z wysokości 10 km do 5 km, czy też z 5 km do 0 km. Różnica poziomów jest taka sama i prędkość nurtu również.

Prawo Ohma Zanim przejdziemy do części matematycznej, pomyślmy przez chwilę o związku pomiędzy natężeniem, napięciem i rezystancją. Zadam Ci teraz małą zagadkę. Myśl w kategoriach rzeki, jeśli tak będzie łatwiej.

ROZDZIA’ 2. Teoria i praktyka

53

Rysunek 2.13. NapiÚcie

1. Jeżeli napięcie rośnie, to natężenie będzie (a) rosło czy (b) malało? 2. Jeżeli rezystancja rośnie, to natężenie będzie (a) rosło czy (b) malało?

Czy Twoje odpowiedzi to, kolejno, (a) i (b)? Jeżeli zapiszemy je w postaci równania, otrzymamy tak zwane prawo Ohma i będzie ono wyglądało następująco: I = U:R I oznacza natężenie, U to napięcie, a rezystancja została oznaczona literą R. Wynika z tego zatem, że prąd płynący przez rezystor (lub podłączone do niego przewody) będzie równy napięciu występującemu na oporniku podzielonemu przez rezystancję tego opornika. Jednostkę rezystancji zapisuje się jako Ω (om), z kolei jednostką natężenia jest A (czyli amper), a dla napięcia jest to V (wolt). Jeśli więc na rezystorze 100 Ω występuje napięcie 10 V, natężenie prądu wyniesie: 10 V:100 Ω = 0,1 A Dla ułatwienia często stosujemy jednostkę mA (miliamper, jedna tysięczna ampera). Innymi słowy, 0,1 A to nic innego niż 100 mA.

54

Zabawy z elektronikÈ Na razie wystarczy Ci tyle informacji na temat prawa Ohma, więcej dowiesz się w dalszej części książki. Jest to najważniejsza rzecz dla każdego elektronika. W następnym podrozdziale przyjrzymy się drugiemu równie niezbędnemu pojęciu — mocy.

Moc Moc jest związana z energią i czasem. W pewnym sensie przypomina więc natężenie. Nie jest to jednak ilość ładunku przepływającego przez dany punkt, lecz wartość energii zamienianej na ciepło w ciągu sekundy podczas przepływu prądu przez element stawiający opór (na przykład rezystor). Analogia do rzeki w tym przypadku okazuje się zupełnie nieprzydatna. Ograniczanie przepływu prądu powoduje wydzielanie ciepła, a jego ilość można wyliczyć jako iloczyn napięcia na rezystorze i natężenia przepływającego przez ten opornik. Jednostką mocy jest wat (W). W ujęciu matematycznym możemy to zapisać jako: P = I·U Zatem, korzystając z naszego poprzedniego przykładu, na naszym rezystorze 100 Ω jest podtrzymywane napięcie 10 V, więc natężenie prądu na tym oporniku wynosi 100 mA, co wygeneruje nam 0,1 A·10 V = 1 W mocy. Biorąc pod uwagę, że zakupione przez nas rezystory mają moc znamionową 250 mW (0,25 W), przy naszej wyliczonej mocy szybko się przegrzeją i w końcu ulegną uszkodzeniu. Jeżeli nie znamy natężenia prądu, ale znamy rezystancję, przydatnym wzorem okazuje się: P = U2:R Zatem moc jest kwadratem napięcia podzielonym przez rezystancję. Sprawdźmy to na naszym przykładzie: P = 10·10:100 = 1 W Na szczęście wynik zgadza się z wyliczonym za pomocą poprzedniego wzoru. Większość podzespołów ma moc znamionową na poziomie 1 wata, zatem przy wyborze rezystora, tranzystora, diody czy innego elementu warto szybko przemnożyć napięcie na danym podzespole przez spodziewane natężenie, które będzie przez ten element przepływało. Następnie wybierzmy element z większą mocą znamionową od wyliczonej. Moc jest najlepszym wyznacznikiem zużywanego przez nas prądu. Jest to energia elektryczna wykorzystywana w ciągu sekundy i, w przeciwieństwie do natężenia, może

ROZDZIA’ 2. Teoria i praktyka

55

służyć do porównywania urządzeń działających zarówno przy napięciu 230 V, jak i przy niższych. Warto mieć podstawowe pojęcie na temat tego, jak wiele (lub jak mało) prądu zużywają niektóre urządzenia. W tabeli 2.1 znajdziesz listę urządzeń występujących powszechnie w domu, a także wartość wykorzystywanej przez nie mocy. Tabela 2.1. Pobór mocy

UrzÈdzenie Radio na baterie (ściszone)

Moc 20 mW

Radio na baterie (podgłośnione)

500 mW

Mikrokontroler Arduino Uno (zasilanie 9 V)

200 mW

Domowy router Wi-Fi

10 W

Kompaktowa lampa fluorescencyjna (małej mocy)

15 W

Żarówka

60 W

Telewizor ciekłokrystaliczny 40 cali Czajnik elektryczny

200 W 3000 W (3 kW)

Teraz już wiesz, dlaczego nie ma czajników na baterie!

Czytanie schematów Zabawy z elektroniką wiążą się nieraz ze szperaniem w internecie, poszukiwaniem ludzi, którzy stworzyli coś, co Ty również chciałabyś/chciałbyś zrobić lub zmodyfikować. Często będziesz znajdować schematy urządzeń przedstawiające połączenia pomiędzy poszczególnymi podzespołami. Musisz rozumieć te schematy, aby móc przekształcić je w fizyczne urządzenia. Zrozumienie schematów może na początku przysparzać problemów, ale okazuje się, że są one tworzone zgodnie z kilkoma prostymi zasadami, a do tego są w nich wykorzystywane powtarzające się wzorce. Tak naprawdę zrozumienie schematów to o wiele mniej nauki, niż mogłoby się wydawać. Podczas omawiania reguł — a raczej konwencji, gdyż często są one łamane — przyglądaj się schematowi z rysunku 2.14. Schemat z rysunku 2.14 w dużym stopniu pozwala zrozumieć, dlaczego czasami mówimy o obwodach elektronicznych. Mamy tu do czynienia ze swoistą pętlą. Prąd wypływa z baterii, przechodzi przez przełącznik (gdy jest zamknięty), rezystor, diodę LED (D1), a następnie wraca do baterii. Linie łączące poszczególne elementy możemy uznać za doskonałe przewody o zerowej rezystancji.

56

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 2.14. Prosty schemat

Pierwsza zasada schematów: Dodatnie napiÚcie znajduje siÚ na górze Większość ludzi tworzy schematy zgodnie z konwencją, wedle której wyższe napięcia są umieszczane w górnej części, dlatego po lewej stronie naszego diagramu znajduje się bateria 9 V. Poniżej baterii występuje napięcie 0 V lub masa (GND), więc napięcie w górnej części schematu jest o 9 V wyższe. Zauważmy, że rezystor R1 został umieszczony ponad diodą D1. Dzięki temu możemy uznać, że część napięcia zostanie zmniejszona na rezystorze, zanim reszta będzie do końca zredukowana na diodzie i dotrze do ujemnego bieguna baterii.

Druga zasada schematów: Wszystko dzieje siÚ w prawÈ stronÚ Elektronika została wymyślona przez cywilizację Zachodu, w której słowa są pisane w prawą stronę. Czytasz tę książkę od strony lewej do prawej i, zgodnie z konwencją kulturową, większość czynności jest również tak wykonywana. Elektronika nie jest w tym przypadku wyjątkiem, zatem zazwyczaj zaczynamy od źródła prądu — baterii lub zasilacza umieszczonego po lewej stronie — a następnie kierujemy się na schemacie w prawą stronę. Kolejnymi etapami są więc: przełącznik regulujący przepływ prądu, rezystor, a na końcu dioda LED.

Nazwy i wartoĂci Standardową procedurą jest nadawanie nazwy każdemu podzespołowi widocznemu na schemacie. Zatem bateria została oznaczona jako B1, przełącznik — S1, rezystor — R1, a dioda LED — D1. Oznacza to, że po przejściu ze schematu na płytkę prototy-

ROZDZIA’ 2. Teoria i praktyka

57

pową i, w końcu, na płytkę drukowaną, będziemy wiedzieć, jak należy rozmieścić podzespoły na fizycznym nośniku. Normalnym zjawiskiem jest również podawanie wartości podzespołów tam, gdzie jest to właściwe. Na przykład na naszym schemacie została podana wartość rezystora 270 Ω. Pozostałe elementy nie wymagają podania wartości.

Symbole podzespoïów W tabeli 2.2 zostały wymienione najczęściej spotykane oznaczenia elementów elektronicznych. Daleko jej do kompletnego spisu, ale inne podzespoły będziemy omawiać w następnych rozdziałach. Tabela 2.2. Najpopularniejsze oznaczenia niektórych podzespoïów

Symbol (amerykañski)

Symbol (europejski)

ZdjÚcie

Nazwa

Zastosowanie

Rezystor (opornik)

Zwiększanie oporu

Kondensator

Tymczasowe magazynowanie ładunku

Kondensator (spolaryzowany)

Tranzystor (bipolarny NPN)

Korzystanie z małego prądu do kontrolowania większego prądu

Tranzystor (MOSFET z kanałem N)

Korzystanie z bardzo małego prądu do kontrolowania większego prądu

Dioda

Zapobieganie przemieszczaniu się prądu w niewłaściwym kierunku

58

Zabawy z elektronikÈ Tabela 2.2. Najpopularniejsze oznaczenia niektórych podzespoïów — ciÈg dalszy

Symbol (amerykañski)

Symbol (europejski)

ZdjÚcie

Nazwa

Zastosowanie

Dioda LED

Wskazywanie i oświetlanie

Bateria

Dostarczanie zasilania

Przełącznik

Włączanie i wyłączanie; regulacja

Istnieją dwa główne rodzaje oznaczeń: amerykańskie i europejskie. Na szczęście różnią się one między sobą na tyle nieznacznie, że nie powinno być kłopotów z ich rozpoznawaniem. Będziemy w tej książce posługiwać się europejskimi oznaczeniami.

Podsumowanie W następnym rozdziale zajmiemy się zdecydowanie bardziej praktycznymi, podstawowymi sztuczkami elektronicznymi oraz potrenujemy zdolności konstrukcyjne. W tym celu zaczniemy wykorzystywać płytki prototypowe, a Twoje umiejętności lutownicze wykroczą poza banalne łączenie kabelków. Dowiesz się również, jak można wykorzystywać nielutowane płytki montażowe do szybkiego tworzenia układów elektronicznych.

3 Podstawowe sztuczki W

tym rozdziale zapoznasz się z kilkoma najprostszymi „sztuczkami” elektronicznymi. Wykorzystamy tu różne techniki projektowania i użytkowania układów. Warto przynajmniej przejrzeć zawartość tego rozdziału, aby w razie potrzeby wiedzieć, gdzie znaleźć właściwe informacje.

Rozgrzewanie rezystora Niektóre podzespoły mogą się rozgrzewać podczas naszych zabaw z elektroniką. Lepiej być przygotowanym na taką ewentualność, niż zostać niemile zaskoczonym, dlatego troszeczkę poeksperymentujemy.

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

0,25-watowy rezystor 100 Ω

Z2

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

4 baterie AA (dobrym rozwiązaniem są akumulatorki)

Rysunek 3.1 przedstawia schemat naszego układu.

60

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 3.1. Schemat ukïadu rozgrzewajÈcego rezystor

Eksperyment W tym przypadku podłączymy jedynie rezystor 100 Ω do biegunów baterii i zobaczymy, jak mocno się nagrzeje. Ostrzeĝenie Zachowaj ostroĝnoĂÊ podczas przeprowadzania tego eksperymentu, poniewaĝ opornik rozgrzeje siÚ do temperatury okoïo 50°C, jednak jego nóĝki nie bÚdÈ tak gorÈce.

Wykorzystamy uchwyt na 4 baterie AA, z których każda dostarcza 1,5 V napięcia. Są one ze sobą połączone jedna za drugą, co daje nam łącznie 6 V napięcia. Na rysunku 3.2 przedstawiono schemat umieszczenia baterii w uchwycie. Jest to specyficzny układ, nazywany połączeniem szeregowym baterii.

Rysunek 3.2. Schemat poïÈczenia baterii w uchwycie na baterie

Na rysunku 3.3 widzimy nasz układ nagrzewczy w akcji.

Rysunek 3.3. Rozgrzewanie rezystora

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki

61

Możesz dotknąć rezystora, aby sprawdzić, czy jest ciepły. Czy to dobrze, że rezystor się nagrzewa? Czy rezystor w końcu ulegnie uszkodzeniu z powodu nadmiernej temperatury? Otóż nie zepsuje się. Oporniki są dostosowane do pracy w wysokich temperaturach. Jeżeli przyjrzymy się temu w ujęciu matematycznym, moc przetwarzana w rezystorze na ciepło jest równa kwadratowi napięcia dzielonemu przez rezystancję, czyli: (6·6):100 = 0,36 W Jeżeli korzystamy z rezystora 0,25 W, to w tym momencie przekraczamy jego moc znamionową. Nie byłoby to najrozsądniejsze posunięcie w przypadku produktu komercyjnego tworzonego na masową skalę. My na szczęście tego nie robimy i istnieje szansa, że rezystor w takim stanie będzie działał przez bliżej nieokreślony czas.

Rezystory jako dzielniki napiÚcia Czasami mamy do czynienia ze zbyt dużymi napięciami. Na przykład w odbiorniku radiowym sygnał biegnący z anteny do głośnika celowo zostaje przesadnie wzmocniony po to, aby słyszany dźwięk można było regulować za pomocą pokrętła głośności. Innym przykładem jest czujnik działający przy napięciu od 0 V do 10 V, który chcemy podłączyć do mikrokontrolera Arduino tolerującego moduły pracujące w zakresie od 0 V do 5 V. Bardzo powszechnym rozwiązaniem jest wykorzystanie pary rezystorów (lub jednego rezystora zmiennego) pełniących funkcję „dzielnika napięcia”.

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Potencjometr dostrojczy 10 kΩ (malutki rezystor zmienny)

Z1, R1

1

Nielutowana płytka montażowa

N5

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

4 baterie AA

1

Zacisk na baterie

S2

1

Miernik uniwersalny

N2

Na rysunku 3.4 został przedstawiony schemat naszego eksperymentalnego układu. Widzimy na nim dwa nowe oznaczenia. Pierwsze z nich reprezentuje rezystor zmienny

62

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 3.4. Schemat dzielnika napiÚcia

(potencjometr). Jest ono podobne do symbolu standardowego opornika, różni się jednak obecnością strzałki skierowanej w stronę rezystora. Strzałka ta symbolizuje połączenie suwaka z potencjometrem. Drugą nowością jest kółko z wpisaną literą „V”. Przedstawiamy w ten sposób na schemacie woltomierz, czyli w naszym przypadku miernik ustawiony w trybie pomiaru napięcia prądu stałego. Wykorzystywany przez nas potencjometr ma trzy nóżki. Dwie nóżki są podłączone do dwóch końców ścieżki przewodzącej, a środkowa nóżka łączy się ze ślizgaczem poruszającym się po tej ścieżce. Całkowita rezystancja tej ścieżki wynosi 10 kΩ. Napięcie będzie dostarczane poprzez komplet baterii i wyniesie 6 V. Woltomierz przyda nam się do mierzenia napięcia wyjściowego oraz sprawdzania zmian wprowadzanych poprzez regulację dzielnika. Jak pamiętasz z rozdziału 1., szare paski na płytce montażowej informują nas o rozmieszczeniu ścieżek pod dziurkami. Przyjrzyj się dokładnie tym ścieżkom i upewnij się, że wszystko zostało podłączone tak jak na schemacie (rysunek 3.4). Podłącz potencjometr do płytki montażowej, tak jak pokazano na rysunku 3.5, a następnie dołącz do układu baterie poprzez ostrożne umieszczenie końcówek w ścieżkach zasilających płytkę: czerwoną końcówkę w ścieżce oznaczonej jako +, a czarną — w oznaczonej jako –. Jeżeli sprawia Ci problem podłączenie wielożyłowego przewodu do zacisku baterii, dolutuj do końcówek mały odcinek przewodu jednożyłowego. Połącz obwód elektryczny (dodatni) z górną nóżką potencjometru, a masę z jego dolną nóżką. Na koniec pozostało nam podłączenie miernika. Jeżeli ma on zaciski krokodylki, to tym lepiej, gdyż za ich pomocą będzie łatwiej się podłączyć niż poprzez tradycyjne sondy. Połącz krokodylki z krótkimi przewodami złączowymi, które następnie umieść tak, jak pokazano na rysunku 3.5. Po wykonaniu wszystkich czynności płytka montażowa powinna wyglądać tak jak na rysunkach 3.6a i 3.6b. Przekręć suwak potencjometru maksymalnie w kierunku ruchu wskazówek zegara. Miernik powinien wskazywać 0 V (rysunek 3.6a). Teraz przesuń suwak w przeciwną stronę do samego końca — powinieneś uzyskać napięcie około 6 V (rysunek 3.6b). Innymi słowy, otrzymałeś maksymalne napięcie baterii. Na koniec ustaw ślizgacz mniej więcej w połowie ścieżki, co powinno dać napięcie około 3 V (rysunek 3.6c).

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki

63

Rysunek 3.5. Rozmieszczenie podzespoïów dzielnika napiÚcia na pïytce montaĝowej

a)

b)

c)

Rysunek 3.6. Pïytka montaĝowa jako dzielnik napiÚcia

Potencjometr zachowuje się podobnie jak dwa rezystory, R1 i R2, zaprezentowane na rysunku 3.7.

Rysunek 3.7. Dzielnik napiÚcia oparty na dwóch rezystorach staïych

64

Zabawy z elektronikÈ Wzór pozwalający na obliczenie napięcia Uwyj, gdy znamy Uwe, R1 i R2, jest następujący: Uwyj = Uwe·R2:(R1+R2) Jeśli więc rezystancje R1 i R2 wynoszą po 5 kΩ, a napięcie Uwe jest równe 6 V, to otrzymamy: Uwyj = 6 V·5 kΩ:(5 kΩ+5 kΩ) = 30:10 = 3 V Wynik ten zgadza się z ustawieniem potencjometru w pozycji środkowej. Jest to równoznaczne z umieszczeniem w układzie dwóch stałych rezystorów o oporności 5 kΩ. Zawsze znajdą się ludzie, którzy dla ułatwienia sobie i innym życia stworzą kalkulator usprawniający przeprowadzanie różnych obliczeń. Nie inaczej jest w tym przypadku. W internecie możemy natrafić na aplikacje ułatwiające nam dobór rezystancji w dzielniku napięcia. Jeżeli wpiszesz w wyszukiwarce „obliczanie dzielnika napięcia” lub po angielsku „voltage divider calculator”, na pewno znajdziesz coś przydatnego. Bardzo prosty program można znaleźć na stronie http://www.kubagert.com/wp-content/ uploads/2009/11/dzielnik.gif, natomiast nieco bardziej zaawansowany, ale po angielsku, jest dostępny na stronie http://www.electronics2000.co.uk/calc/potential-dividercalculator.php. Często tego typu kalkulatory zaokrąglają oporność do wartości oporności rezystorów dostępnych na rynku.

Przeksztaïcanie rezystancji na napiÚcie (i tworzenie Ăwiatïomierza) Rezystor światłoczuły (fotorezystor) jest typem opornika, którego rezystancja zmienia się pod wpływem natężenia światła wpadającego przez specjalne okienko. Przyjrzyjmy się mechanizmowi przekształcania rezystancji na napięcie na przykładzie fotorezystora stanowiącego jeden z elementów dzielnika napięcia.

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Fotorezystor

Z1, R2

1

Nielutowana płytka montażowa

N5

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

4 baterie AA

1

Zacisk na baterie

S2

1

Miernik uniwersalny

N2

65

Przed przystąpieniem do realizacji projektu przetestujmy najpierw sam fotorezystor. Na rysunku 3.8 widzimy opornik światłoczuły podłączony bezpośrednio do miernika przy ustawieniu zakresu rezystancji 20 kΩ. Jak widać, rezystancja fotorezystora wynosiła 1,07 kΩ. Po częściowym zakryciu fotorezystora jego opór zwiększył się do kilkudziesięciu kiloomów. Wynika więc z tego, że wraz ze wzrostem natężenia światła maleje oporność fotorezystora.

Rysunek 3.8. Mierzenie opornoĂci fotorezystora

Takie mikrokontrolery jak Arduino mogą mierzyć i przekształcać napięcie, nie mają jednak bezpośredniej możliwości pomiaru rezystancji. Aby więc przekształcić opór naszego fotorezystora w użyteczne napięcie, wystarczy, że wstawimy go jako jeden z elementów dzielnika napięcia (rysunek 3.9). Zauważ, że symbol fotorezystora różni się od oznaczenia zwykłego opornika jedynie strzałkami oznaczającymi wrażliwość na światło.

66

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 3.9. Pomiar poziomu oĂwietlenia za pomocÈ fotorezystora i dzielnika napiÚcia

Możemy zająć się przenoszeniem schematu na płytkę montażową. Tym razem ustawimy miernik na zakres napięcia 20 V i zobaczymy, w jaki sposób ulegnie ono zmianie, podczas gdy my będziemy stopniowo zasłaniać fotorezystor przed światłem (rysunki 3.10 i 3.11).

Rysunek 3.10. Rozmieszczenie podzespoïów miernika natÚĝenia Ăwiatïa na pïytce montaĝowej

Przeksztaïcanie wciskanej lampki w czujnik oĂwietlenia Zasilana baterią wciskana lampka jest jednym z tych wspaniałych urządzeń, które możemy kupić na targu albo w sklepie z drobiazgami. Urządzenie to jest przeznaczone do oświetlania schowków lub innych ciemnych miejsc. Wciskasz ją raz i jest zapalona, wciskasz drugi raz i zostaje wyłączona.

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki

67

Rysunek 3.11. Pomiar natÚĝenia Ăwiatïa

Pewnie nie zdziwisz się, jeśli stwierdzę, że w naszym projekcie wykorzystamy fotorezystor do włączania i gaszenia światła. W tym celu musimy jednak wprowadzić również tranzystor. Najpierw uruchomimy nasz układ na płytce montażowej, a następnie dolutujemy go do lampki. Dopóki nie upewnimy się, że urządzenie będzie działać z lampką, będziemy korzystać z diody LED.

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Oznaczenie

Przedmiot

Kod w dodatku

1

R1

Fotorezystor

Z1, R2

1

T1

Tranzystor 2N3904

Z1, P1

1

R2

Rezystor 10 kΩ

Z2

1*

R3

Rezystor 220 kΩ

Z2

1*

D1

Czerwona dioda LED lub bardzo jasna dioda LED

Z1 lub P2

*

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

1

Wciskana lampka

* Zaznaczone elementy są wymagane jedynie do eksperymentu z płytką montażową

Chcemy, aby nasz fotorezystor regulował działanie diody LED, więc, wiedzieni pierwszym impulsem, możemy pokusić się o stworzenie układu widocznego na rysunku 3.12.

68

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 3.12. Dioda LED i fotorezystor

Projekt ten zawiera dwa fatalne błędy. Po pierwsze, im więcej światła pada na fotorezystor, tym bardziej jego rezystancja maleje, przez co więcej prądu będzie docierało do diody LED i będzie ona świeciła coraz jaśniej. Nam zależy na przeciwnym zjawisku. Pragniemy, aby dioda świeciła w ciemności. Musimy wprowadzić tranzystor do układu. Na rysunku 3.13 widzimy podstawowy sposób działania tranzystora. Istnieje wiele różnych odmian tranzystorów, a bodaj najpowszechniejszym wśród nich (stosowanym również przez nas) jest tak zwany bipolarny tranzystor NPN.

Rysunek 3.13. Tranzystor bipolarny

Przedstawiony tranzystor ma trzy nóżki: emiter, bazę i kolektor. W ogólnym założeniu małe natężenie prądu wpływającego przez bazę pozwala uzyskiwać o wiele większe natężenie prądu przepływającego pomiędzy kolektorem i emiterem. Wielkość wzmocnienia prądu zależy od tranzystora, ale zazwyczaj jest ona rzędu stukrotności prądu bazy.

Pïytka montaĝowa Na rysunku 3.14 mamy do czynienia ze schematem układu, który zaimplementujemy na płytce montażowej. Żeby zrozumieć zasadę działania obwodu, musimy rozpatrzyć dwie możliwości.

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki

69

Rysunek 3.14. Regulacja diody LED za pomocÈ tranzystora i fotorezystora

Przypadek 1.: W ciemnoĂci W tej sytuacji fotorezystor R1 będzie miał bardzo dużą rezystancję, możemy więc uznać, że go tam nie ma. Prąd będzie przepływał przez opornik R2, następnie przez bazę i emiter tranzystora, dzięki czemu odpowiednia ilość prądu będzie docierać (poprzez rezystor R3 i diodę LED) aż do kolektora, a stamtąd wypłynie przez emiter. Gdy przez bazę przepływa ilość prądu umożliwiająca ruch elektronów z kolektora do emitera, mamy do czynienia z „włączeniem” tranzystora. Na podstawie prawa Ohma możemy wyliczyć prąd bazy. W omawianej sytuacji napięcie na bazie będzie wynosiło jedynie około pół wolta, możemy więc założyć, że na rezystorze R2 (10 kΩ) występuje niemal pełne napięcie 6 V. Ponieważ I = U:R, natężenie prądu wyniesie 6:10 000 A lub po prostu 0,6 mA. Przypadek 2.: W Ăwietle Gdy jest jasno, musimy wziąć pod uwagę oporność fotorezystora R1. Im oświetlenie jest mocniejsze, tym mniejsza jest rezystancja R1 i coraz więcej prądu będzie przepływać przez ten fotorezystor. Z tego powodu do bazy będzie docierać coraz mniejsza ilość prądu i tranzystor nie zostanie włączony. Sądzę, że nadszedł czas, aby zbudować nasz prototyp na płytce montażowej. Na rysunku 3.15 widzimy rozmieszczenie poszczególnych elementów na płytce, a rysunki 3.16a i 3.16b przedstawiają już gotowy prototyp. Uważaj, żeby nie pomylić biegunów diody LED podczas podłączania jej do układu. Jej biegun dodatni ma dłuższą nóżkę. Należy ją podłączyć w rzędzie 10. do rezystora R3 (rysunek 3.16a). Jeżeli wszystko zostało właściwie podłączone, dioda LED powinna się zaświecić po zasłonięciu rezystora (rysunek 3.16b).

70

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 3.15. Rozmieszczenie podzespoïów wïÈcznika Ăwiatïa na pïytce montaĝowej

a)

b)

Rysunek 3.16. WïÈcznik Ăwiatïa

Konstrukcja Gdy już przekonaliśmy się, że nasz obwód działa, możemy zabrać się za modyfikowanie wciskanej lampki. Na rysunku 3.17 znajduje się zdjęcie lampki wykorzystanej przeze mnie. Twoja będzie prawdopodobnie zupełnie inna, chyba że dopisze Ci szczęście, musisz więc uważnie czytać zawarte tu instrukcje, a powinno Ci się udać we właściwy sposób zmodyfikować lampkę. Możesz ułatwić sobie życie i poszukać lampki zasilanej napięciem 6 V (czterema bateriami AA lub AAA). Najprawdopodobniej na tylnej obudowie znajdziesz śrubki. Wykręć je i połóż w bezpiecznym miejscu. Wnętrze takiej lampki jest widoczne na rysunku 3.18. Zaznaczyłem różne połączenia, które możesz u siebie znaleźć za pomocą miernika.

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki

71

Rysunek 3.17. Wciskana lampka

Rysunek 3.18. WnÚtrze lampki

Ustawienie miernika na zakres napięcia 20 V DC pozwoli nam stwierdzić, który przewód jest dodatni, a który ujemny. Po przeanalizowaniu okablowania lampki (zanim przystąpimy do modyfikowania) możemy rozrysować jej pierwotny schemat (rysunek 3.19). W lampce jest wykorzystywana tradycyjna, staroświecka żarówka. Zastąpimy ją jasną diodą LED. Jeżeli nie masz takowej, możesz wykorzystać standardową diodę LED dowolnego koloru, jednak nie będzie ona świeciła tak jasno.

72

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 3.19. Schemat niezmodyfikowanej lampki

Na rysunku 3.20 zaprezentowałem, w jaki sposób można podmienić żarówkę na diodę LED i rezystor 220 Ω. Upewnij się, że dłuższa nóżka diody zostanie podłączona do rezystora, który z kolei będzie łączył się z dodatnim biegunem baterii.

Rysunek 3.20. ZastÈpienie ĝarówki diodÈ LED i rezystorem

Włączmy lampkę, aby upewnić się, że dioda działa. Możemy teraz połączyć oryginalny schemat lampki z diagramem wykorzystującym fotorezystor (rysunek 3.21). Tak naprawdę ten schemat różni się od prototypu jedynie obecnością przełącznika. Podczas wymiany źródła światła dodaliśmy już rezystor R3 i diodę D1. Przełącznik był tu już wcześniej, więc musimy dodać jeszcze tranzystor, fotorezystor i opornik R2. Dzięki rysunkowi 3.22 wiemy, jak należy podłączyć okablowanie.

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki

Rysunek 3.21. Ostateczna wersja schematu

Rysunek 3.22. Schemat okablowania czujnika oĂwietlenia

73

74

Zabawy z elektronikÈ Rysunek 3.23 przedstawia kolejne etapy dolutowywania podzespołów do lampki.

a)

b)

c)

d)

Rysunek 3.23. Lutowanie podzespoïów

1. Rozpocznij od wylutowania przewodu przełącznika, który nie łączy się z biegunem

ujemnym baterii (rysunek 3.23a). 2. Dolutuj rezystor R2 (10 kΩ) pomiędzy środkową nóżką tranzystora (bazą)

a dodatnim biegunem baterii. 3. Połącz lewą nóżkę tranzystora (zwróć uwagę, że jest skierowany płaską stroną

obudowy ku górze, tak jak widać na schemacie) z przewodem dopiero co odłączonym od przełącznika (rysunek 3.23b). 4. Przylutuj fotorezystor pomiędzy środkową i prawą nóżką tranzystora, a następnie

połącz również przewód wychodzący z prawej nóżki tranzystora z wolną nóżką przełącznika (rysunek 3.23c). 5. Umieść delikatnie podzespoły w obudowie, uważając przy tym, aby nieizolowane

przewody nie miały ze sobą styczności (rysunek 3.23d). Gotowe! Właśnie udało Ci się zmodyfikować urządzenie, wykorzystawszy potęgę elektroniki!

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki

75

Wybór tranzystora bipolarnego Tranzystor wykorzystywany w przykładzie z podrozdziału „Przekształcanie wciskanej lampki w czujnik oświetlenia” jest popularnym podzespołem ogólnego przeznaczenia. Istnieje jednak wiele innych rodzajów tranzystorów, które możemy wykorzystywać w różnorodnych celach. Ten podrozdział ma na celu pomóc Ci w wyborze właściwego rodzaju tranzystora oraz w użyciu go w taki sposób, aby nie zakończył żywota w kłębach dymu.

Karty katalogowe Tranzystory są opisywane przez liczne parametry, z którymi powinieneś się zaznajomić. Każdy tranzystor ma własną kartę katalogową. Taka karta jest tworzona przez producenta tranzystora i zawiera szczegółowy opis produktu, począwszy od długości nóżek aż po charakterystyki elektryczne. Przez większość czasu będziemy korzystać z trzech lub czterech rodzajów tranzystorów i wiedza na temat ich dokładnych parametrów nie będzie nam potrzebna, jeżeli jednak będziesz musiał poznać ich szczegółowe dane, znajdziesz je w karcie katalogowej. Możesz więc przejść od razu do następnego podrozdziału, w którym znajdują się opisy kilku najbardziej popularnych typów tranzystorów — nie zajmujemy się egzotycznymi modelami. W tabeli 3.1 zamieściłem wycinek danych z karty katalogowej tranzystora 2N3904 dotyczących wartości znamionowych. Tabela 3.1. WartoĂci maksymalne tranzystora 2N3904

WartoĂci maksymalne bezwzglÚdne Symbol

Parametr

WartoĂÊ

VCEO

Napięcie kolektor-emiter

40

V

VCBO

Napięcie kolektor-baza

60

V

VEBO

Napięcie emiter-baza

IC

Prąd kolektora — ciągły

6,0 200

Jednostki

V mA

Maksymalne napięcia pomiędzy kolektorem i emiterem oraz kolektorem i bazą (odpowiednio 40 V i 60 V) nie stanowią dla nas problemu w przypadku urządzeń zasilanych bateriami, musimy jednak uważać, aby nie przekroczyć maksymalnego dopuszczalnego napięcia pomiędzy emiterem a bazą.

76

Zabawy z elektronikÈ Informacja o maksymalnym natężeniu prądu na kolektorze (200 mA) jest z kolei całkiem przydatna. Oznacza ono, że możemy teoretycznie korzystać jednocześnie z 10 diod LED zasilanych prądem 20 mA. Po przekroczeniu tej wartości tranzystor zacznie się grzać i w końcu się zepsuje. Nas będzie najbardziej interesował parametr zwany wzmocnieniem prądowym tranzystora, oznaczany w kartach katalogowych symbolem hFE lub β. Można go znaleźć w kolumnie poświęconej charakterystyce elektrycznej tranzystora. Być może pamiętasz, że wzmocnienie prądowe jest mnożnikiem określającym, o ile większy prąd przepływa przez kolektor niż przez bazę. Jeżeli spojrzysz na tabelę 3.2, zauważysz, że dla natężenia prądu w kolektorze o wartości 10 mA i napięcia pomiędzy kolektorem i emiterem rzędu 1 V (wartość ta jest w większości tranzystorów niemal taka sama), typowe wzmocnienie będzie wynosiło w przybliżeniu 100, co oznacza, że wystarczy 10 mA:100 = 100 nA prądu przepływającego przez bazę, aby uzyskać tak wzmocnione natężenie na kolektorze. Tabela 3.2. Charakterystyka elektryczna tranzystora 2N3904

Symbol

Parametr

Warunki testowe

Min.

Maks.

Jednostki

CHARAKTERYSTYKA STANU WŁĄCZONEGO hFE

Wzmocnienie prądowe

IC = 0,1 mA, VCE = 1,0 V

40

IC = 1,0 mA, VCE = 1,0 V

70

IC = 10 mA, VCE = 1,0 V

100

IC = 50 mA, VCE = 1,0 V

60

IC = 100 mA, VCE = 1,0 V

30

300

Tranzystory MOSFET Użyty przez nas model 2N3904 należy do grupy tranzystorów bipolarnych. Jest to podzespół służący głównie do wzmacniania natężenia prądu. Mały prąd przepływający przez bazę reguluje przepływ o wiele większego prądu przez kolektor. Czasami wzmocnienie prądu rzędu 100 to jednak za mało. Istnieje kategoria tranzystorów, które nie mają takiego ograniczenia. Nazywamy je tranzystorami MOSFET (ang. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor — tranzystor polowy o strukturze metal-tlenek-półprzewodnik — przyp. tłum.). Łatwo zrozumieć, dlaczego używamy tak skróconej nazwy. Tranzystory tego typu są regulowane za pomocą napięcia i stanowią bardzo dobre przełączniki. W tranzystorze MOSFET nie znajdziemy kolektora, bazy i emitera, ale „źródło” (ang. source — przyp. tłum.), „bramkę” (ang. gate — przyp. tłum.) i „dren” (ang. drain — przyp. tłum.). Element ten zostaje włączony po osiągnięciu progowej wartości napięcia,

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki

77

zazwyczaj rzędu 2 V. Po włączeniu tranzystora z „drenu” do „źródła” może przepływać prąd o dużym natężeniu, podobnie jak ma to miejsce w przypadku tranzystora bipolarnego. Ponieważ jednak „bramka” jest oddzielona od pozostałych elementów warstwą izolacji, dociera do niej niewiele prądu. To właśnie napięcie na „bramce” decyduje o wartości prądu przepływającego przez tranzystor. Spotkamy się jeszcze z tranzystorami MOSFET w podrozdziale „Tranzystor mocy MOSFET jako regulator pracy silnika” oraz w rozdziale 7., w podrozdziale „Regulacja obrotów silnika za pomocą tranzystora mocy MOSFET”.

Tranzystory PNP oraz z kanaïem typu N Automatyczny włącznik światła z poprzedniego podrozdziału był uruchamiany po „ujemnej stronie obciążenia”. Jeżeli wrócisz do rysunku 3.21, zauważysz, że rezystor i dioda LED odpowiedzialne za świecenie lampki są podłączone do masy jedynie poprzez tranzystor. Jeżeli z jakiegoś powodu chcielibyśmy, aby lampka się włączała po dodatniej stronie (a tak też się może zdarzyć), powinniśmy wprowadzić tranzystor PNP (na przykład 2N3906) w miejsce tranzystora NPN (2N3904). Skrót NPN (ang. Negative-Positive-Negative) oznacza w języku polskim „ujemny-dodatni-ujemny”, łatwo więc odgadnąć, co oznacza skrót PNP. Jest tak dlatego, że tranzystory są swoistymi „kanapkami półprzewodnikami”, w których rolę kromek chleba może przyjąć materiał typu N lub P. Jeżeli chlebem jest materiał typu N (najczęściej spotykana sytuacja), to aby tranzystor został uruchomiony, napięcie bazy musi być wyższe od napięcia emitera (o około 0,5 V). Z drugiej strony w tranzystorach PNP napięcie bazy musi być niższe o ponad 0,5 V od napięcia emitera. Gdybyśmy chcieli wykorzystać tranzystor typu PNP w naszym projekcie włącznika, nasz schemat wyglądałby tak jak na rysunku 3.24 (jest to zmodyfikowana wersja schematu z rysunku 3.21).

Rysunek 3.24. Zastosowanie tranzystora bipolarnego PNP

78

Zabawy z elektronikÈ Tranzystory MOSFET również mają swoje odpowiedniki tranzystorów PNP. Są one nazywane tranzystorami z kanałem typu P, podczas gdy ekwiwalenty tranzystorów NPN to tranzystory z kanałem typu N.

Popularne modele tranzystorów Tranzystory umieszczone w tabeli 3.3 mają szeroką gamę zastosowań. Istnieją tysiące różnych modeli tranzystorów, w tej książce służą one jednak głównie za przełączniki, więc te wymienione poniżej powinny nam całkowicie wystarczyć! Tabela 3.3. Najbardziej przydatne tranzystory

Nazwa

Kod w dodatku

Typ

Maksymalny prÈd przeïÈczania

Uwagi

Przełączanie małego/średniego prądu 2N3904

S1

bipolarny NPN

200 mA

Około stukrotne wzmocnienie prądu

2N3906

S4

bipolarny PNP

200 mA

Około stukrotne wzmocnienie prądu

2N7000

S3

MOSFET z kanałem typu N

200 mA

Napięcie progowe pomiędzy bramką a źródłem — 2,1 V; włącza się, gdy napięcie na bramce jest wyższe o 2,1 V od napięcia źródła

MOSFET z kanałem typu N

30 A

Napięcie progowe pomiędzy bramką a źródłem — 2,0 V; włącza się, gdy napięcie na bramce jest wyższe o 2,0 V od napięcia źródła

Przełączanie dużego prądu FQP30N06

S6

Tranzystor mocy MOSFET jako regulator pracy silnika Na rysunku 3.25 widzimy symbol oraz rozmieszczenie nóżek tranzystora MOSFET z kanałem typu N (model FQP30N06).

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki

79

Rysunek 3.25. Tranzystor MOSFET z kanaïem typu N, model FQP30N06

Model ten jest w stanie regulować natężenia do 30 A. Nie będziemy nawet próbowali osiągnąć takiej wartości, posłużymy się nim jedynie podczas regulacji dostawy mocy do malutkiego silnika elektrycznego, osiągającego maksymalne natężenie 1 – 2 A. Tranzystor MOSFET nie odczuje takiego obciążenia, podczas gdy dotychczas używane przez nas tranzystory bipolarne uległyby niemal natychmiastowemu zniszczeniu!

Co bÚdzie potrzebne Aby przetestować tranzystor MOSFET dużej mocy, potrzebne nam będą następujące podzespoły: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Nielutowana płytka montażowa

N5

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

4 baterie AA

1

Zacisk na baterie

S2

1

Miernik uniwersalny

N2

1

Potencjometr dostrojczy 10 kΩ

Z1

1

Tranzystor MOSFET FQP30N06

P6

1

Silnik zasilany napięciem 6 V lub silnik przekładniowy

S6

Możemy wykorzystać dowolny silniczek stałoprądowy zasilany napięciem 6 V. Silnik zasilany napięciem 12 V może również działać przy napięciu 6 V. Aby to sprawdzić, wystarczy podłączyć go bezpośrednio do biegunów baterii.

Pïytka montaĝowa Na rysunku 3.26 został przedstawiony schemat tworzonego przez nas układu.

80

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 3.26. Schemat ukïadu testujÈcego tranzystor MOSFET

Potencjometr będzie nam służył do regulacji napięcia na bramce tranzystora. Gdy napięcie bramki przekroczy wartość progową, tranzystor zostanie włączony i uruchomi silnik. Rysunek 3.27 przedstawia rozmieszczenie podzespołów potrzebnych do przeprowadzenia testu, a zdjęcie samego eksperymentu znajdziesz na rysunku 3.28.

Rysunek 3.27. Rozmieszczenie na pïytce montaĝowej elementów wykorzystywanych do testowania tranzystora MOSFET

Aby móc podłączyć silnik do płytki montażowej, będziemy musieli prawdopodobnie dolutować do niego dwa przewody. Nie ma znaczenia, w jaki sposób podłączymy

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki

81

Rysunek 3.28. Eksperyment z tranzystorem MOSFET

silnik. Od biegunowości obwodu zależy wyłącznie kierunek, w jakim będzie obracał się wirnik. Jeżeli więc zamienimy połączenia, silnik będzie pracował w przeciwnym kierunku. Spróbuj przesunąć suwak na potencjometrze. Zauważysz, że w ten sposób nie masz wielkiego wpływu na prędkość obrotów silnika. Eksperymentując przy wartościach napięcia progowego, można regulować pracę silnika, prawdopodobnie wiesz już jednak, dlaczego tranzystory MOSFET najczęściej są wykorzystywane jako przełączniki. Mamy tu do czynienia z tak zwanym tranzystorem MOSFET sterowanym stanem logicznym, ponieważ napięcie na jego bramce jest wystarczająco niskie, aby można było je regulować za pomocą cyfrowych wyjść mikrokontrolera. Stwierdzenie to nie jest prawdziwe dla wszystkich tranzystorów MOSFET. W niektórych przypadkach napięcie progowe bramki wynosi 6 V lub więcej. W rozdziale 7. wykorzystamy tranzystor MOSFET do precyzyjnej regulacji obrotów silnika.

Wybór wïaĂciwego przeïÈcznika Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że przełącznik jest bardzo prostym podzespołem. Tworzy on połączenie pomiędzy dwoma zestykami i zamyka obwód. Często takie rozwiązanie jest wystarczające, zdarzają się jednak bardziej skomplikowane sytuacje. Na przykład możesz chcieć przełączyć jednocześnie dwa elementy. Istnieją również przełączniki zmieniające pozycję jedynie wtedy, gdy trzymamy je wciśnięte, albo takie, które zatrzaskują się na wybranej pozycji. Mogą mieć postać przycisków, dźwigienek lub pokręteł. Dostępnych jest wiele różnorodnych odmian przełączników, które postaram się omówić.

82

Zabawy z elektronikÈ Na rysunku 3.29 zostały zaprezentowane różne rodzaje przełączników.

Rysunek 3.29. PrzeïÈczniki

PrzeïÈczniki wciskane Wszędzie tam, gdzie są wykorzystywane mikrokontrolery, najczęściej natrafimy na przełączniki w formie zwykłego przycisku (rysunek 3.30).

Rysunek 3.30. PrzeïÈcznik wciskany

Tego typu przełącznik jest lutowany bezpośrednio do obwodu drukowanego. Pasuje on również do płytki montażowej, okazuje się więc całkiem przydatny. Zaskakujący jest fakt, że przełącznik tego rodzaju ma cztery nóżki zamiast spodziewanych dwóch. Jeżeli przyjrzysz się schematowi na rysunku 3.30, zauważysz, że punkty B i C są ze sobą zawsze połączone, podobnie jak punkty A i D. Po wciśnięciu przycisku wszystkie cztery punkty zostają ze sobą zwarte. Oznacza to, że musimy ostrożnie podłączać nóżki przełącznika, bo w przeciwnym razie może on w każdym ustawieniu zamykać cały obwód. Jeżeli masz wątpliwości co do podłączenia przełącznika, możesz sprawdzić połączenia miernikiem ustawionym w trybie testowania ciągłości — najpierw przy rozwartym przełączniku, a następnie po wciśnięciu przycisku.

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki

83

MikroprzeïÈczniki Kolejnym przydatnym elementem jest mikroprzełącznik. Nie można go wciskać, często jest jednak umieszczany w takich urządzeniach jak mikrofalówka, gdzie służy do sprawdzania, czy drzwiczki zostały zamknięte, lub w systemach przeciwwłamaniowych do wykrywania, czy obudowa modułu alarmowego została zdjęta. Na rysunku 3.31 widzimy mikroprzełącznik — z trzema nóżkami!

Rysunek 3.31. MikroprzeïÈcznik

Obecność trzech nóżek wynika z faktu, że mamy do czynienia z przełącznikiem „dwupozycyjnym” (ang. double throw — przyp. tłum.). Innymi słowy, istnieje jedno wspólne połączenie C, z którym można zetknąć jedną z dwóch pozostałych ścieżek. Nie ma możliwości zwarcia ze sobą wszystkich trzech zestyków. Połączenie normalnie otwarte (ang. normally open — n.o. — przyp. tłum.) jest zwarte jedynie po wciśnięciu przycisku; z kolei połączenie normalnie zamknięte (ang. normally closed — n.c. — przyp. tłum.) zostaje zwarte po puszczeniu przycisku. Jeśli masz taki mikroprzełącznik, możesz podłączyć go do miernika. Podłącz jedną końcówkę do wspólnego połączenia i spróbuj znaleźć zestyk n.c., a następnie wciśnij przycisk, co powinno sprawić, że miernik przestanie brzęczeć.

PrzeïÈczniki dwustabilne Podczas przeglądania katalogu podzespołów (każdy dobry elektronik to robi) natrafisz na oszałamiające ilości przełączników dwustabilnych. Napotkasz ich różnorodne oznaczenia, takie jak DPDT, SPDT, SPST, DPST, przełączniki chwilowe i inne. Spróbujmy rozszyfrować ten kod, do którego klucz stanowią poniższe litery: x D — podwójne (ang. double) x S — pojedyncze (ang. single)

84

Zabawy z elektronikÈ x P — biegun (ang. pole) x T — położenie (ang. throw) Zatem przełącznik DPDT to nic innego niż przełącznik dwubiegunowy dwupozycyjny. Termin „biegun” w tym przypadku oznacza liczbę oddzielnych kontaktów, które są kontrolowane za pomocą jednej mechanicznej dźwigni. Zatem przełącznik dwubiegunowy może włączać i wyłączać dwa elementy niezależnie od siebie. Przełącznik jednopozycyjny może jedynie zwierać lub rozwierać zestyk (lub dwa zestyki, jeżeli jest to przełącznik dwubiegunowy), podczas gdy w przełączniku dwupozycyjnym wspólne połączenie może łączyć się z jednym z dwóch oddzielnych zestyków. Zatem mikroprzełącznik jest przełącznikiem dwupozycyjnym, ponieważ ma dwa zestyki, normalnie otwarty i normalnie zamknięty. Podsumowanie informacji na temat przełączników znajdziesz na rysunku 3.32.

Rysunek 3.32. PrzeïÈczniki dwustabilne — bieguny i pozycje

Zauważ, że podczas rysowania schematu przełącznika dwubiegunowego rozdzielamy bieguny na dwa przełączniki (S1a oraz S1b) i łączymy je kropkowaną linią oznaczającą połączenie mechaniczne. Sprawa może być jeszcze bardziej skomplikowana, ponieważ na jeden przełącznik może składać się jeszcze więcej biegunów, a przełączniki dwupozycyjne mogą zawierać

ROZDZIA’ 3. Podstawowe sztuczki

85

sprężyny, dzięki czemu nie będą ciągle pozostawać w jednej pozycji. Wspólny zestyk również może mieć własną pozycję, niełączącą się z żadnym innym zestykiem. Czasem możemy natrafić na przełącznik oznaczony następująco: „DPDT, On-Off-Mom”. Wiemy już, co oznacza skrót DPDT. Przełącznik ten na pewno będzie miał sześć nóżek. Określenie „On-Off-Mom” znaczy, że element ten ma także pozycję centralną, która nie jest połączona z żadnym zestykiem. Po jednokrotnym przełączeniu uzyskujemy dostęp do pewnego zestawu zestyków i przełącznik pozostanie w takiej pozycji. Jeżeli przełączymy go w drugą stronę, to wrócimy do stanu wyjściowego, co pozwala na uzyskanie „chwilowego” (ang. momentary — przyp. tłum.) połączenia. Omówiona tu terminologia dotyczy również innych rodzajów przełączników.

Podsumowanie Wiesz już co nieco o napięciu, natężeniu, rezystancji i mocy, a także o przełącznikach, tranzystorach oraz dzielnikach napięcia. W następnym rozdziale sprawdzimy, jak się mają te pojęcia w odniesieniu do diod LED.

86

Zabawy z elektronikÈ

4 Diody LED

D

iody LED (ang. light emitting diode — dioda elektroluminescencyjna) to elementy elektroniczne wytwarzające światło pod wpływem przepływającego prądu. Tradycyjne żarówki są coraz częściej wypierane przez tego typu podzespoły. Mogą być one wykorzystywane jako wskaźniki, a bardzo jasne diody LED zapewniają również oświetlenie. Od standardowych żarówek odróżnia je lepsza wydajność, przejawiająca się generowaniem większej ilości światła na każdy wat mocy, a także wyższa wytrzymałość i stabilność. Korzystanie z diod LED wymaga jednak nieco większej pomysłowości. Muszą być one zasilane prądem płynącym we właściwym kierunku oraz umieszczone w obwodzie ograniczającym wartość docierającego do nich natężenia.

Ochrona diody LED przed przepaleniem Diody LED są delikatnymi, niewielkimi podzespołami i bez większego wysiłku można je przypadkowo uszkodzić. Jednym z najszybszych sposobów zniszczenia diody LED jest podłączenie jej do baterii bez użycia rezystora ograniczającego przepływający prąd. W celach testowych umieścimy na płytce montażowej trzy diody LED o różnych kolorach (rysunek 4.1).

88

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 4.1. Diody LED na pïytce montaĝowej

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Oznaczenie

1

Przedmiot

Kod w dodatku

Nielutowana płytka montażowa

N5

1

D1

Czerwona dioda LED

Z1

1

D2

Żółta dioda LED

Z1

1

D3

Zielona dioda LED

Z1

1

R1

Rezystor 330 Ω

Z2

2

R2, R3

Rezystor 220 Ω

Z2

Przewody złączowe

N6

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

Zacisk na baterie

S2

1

4 baterie AA

Diody Jeżeli chcesz bezpiecznie korzystać z diod LED, musisz poznać je nieco lepiej. Jak sama nazwa wskazuje, mamy do czynienia z diodami emitującymi światło, musimy więc wyjaśnić sobie, czym właściwie jest dioda (rysunek 4.2). Dioda jest elementem pozwalającym na przepływ prądu tylko w jedną stronę. Ma ona dwie nóżki, jedna jest zwana anodą, a druga — katodą. Jeżeli na anodzie będzie występowało wyższe napięcie niż na katodzie (musi być wyższe o około pół wolta), to dioda będzie przewodziła prąd (mówi się, że jest wtedy spolaryzowana

ROZDZIA’ 4. Diody LED

89

Rysunek 4.2. Dioda

w kierunku przewodzenia). Z drugiej strony jeżeli anoda nie będzie miała wyższego napięcia od katody o ponad pół wolta, to nie będzie przewodziła prądu (będzie spolaryzowana w kierunku zaporowym).

Diody LED Dioda LED różni się od zwyczajnej diody jedynie tym, że spolaryzowana w kierunku przewodzenia emituje światło. Poza tym aby spolaryzować diodę LED w kierunku przewodzenia, napięcie na anodzie musi być wyższe od napięcia na katodzie przeważnie o ponad 2 V. Rysunek 4.3 przedstawia schemat układu zasilającego diodę LED.

Rysunek 4.3. Ograniczanie prÈdu docierajÈcego do diody LED

Najważniejszym elementem tego układu jest rezystor ograniczający natężenie prądu docierającego do diody LED. Standardowa, czerwona dioda LED zaczyna zazwyczaj świecić przy prądzie 5 mA i jest zaprojektowana do działania w zakresie od 10 mA do 20 mA (jest to tak zwany „prąd przewodzenia”, w skrócie IP). Postaramy się, aby przez naszą diodę przepływał prąd rzędu 15 mA. Zakładamy również, że przy polaryzacji w kierunku przewodzenia na diodzie będzie występowało napięcie około 2 V. Jest to „napięcie przewodzenia”, oznaczane symbolem UP. W związku z tym na rezystorze będzie występować napięcie równe 6–2 = 4 V.

90

Zabawy z elektronikÈ Mamy więc rezystor, przez który przepływa prąd o natężeniu 15 mA (a tym samym również przez diodę LED) oraz występuje na nim napięcie 4 V. Korzystając z prawa Ohma, możemy wyliczyć rezystancję, jaka będzie nam potrzebna do otrzymania wymienionych wartości: R = U:I = 4 V:0,015 A = 267 Ω Rezystory mają znormalizowane oporności, a najbliższą rezystancję wyższą od wyliczonej (patrząc pod kątem zestawu startowego rezystorów) ma opornik 330 Ω. Jak już wcześniej wspomniałem, czerwona dioda LED będzie niemal zawsze świeciła najjaśniej w przedziale 10 – 20 mA. Nie jest konieczne dokładne dobieranie wartości prądu. Natężenie powinno być wystarczająco duże, aby włączyć diodę, z drugiej strony nie może przekraczać wartości znamionowej prądu przewodzenia (dla niewielkich diod wynosi ona zazwyczaj 25 mA). Tabela 4.1 zawiera fragment karty katalogowej standardowego zestawu różnokolorowych diod LED. Zwróć uwagę, jak zmienia się napięcie UP dla różnych kolorów diod. Oznacza to, że w przypadku wyboru diody o innym kolorze niż czerwona być może należałoby wymienić rezystor, zazwyczaj jednak jeśli napięcie zasilające przekracza 6 V, to niewielkie odchylenia napięcia przewodzenia nie powinny wymagać wymiany opornika. Tabela 4.1. Fragment karty katalogowej diod LED

Parametr

Czerwona

Zielona

¿óïta

Pomarañczowa

Niebieska

Jednostki

Maksymalne natężenie przewodzenia (IP)

25

25

25

25

30

mA

Typowe napięcie przewodzenia (UP)

1,7

2,1

2,1

2,1

3,6

V

Maksymalne napięcie przewodzenia

2

3

3

3

4

V

Maksymalne napięcie zaporowe

3

5

5

5

5

V

Drugim parametrem, na który powinniśmy zwracać uwagę, jest „maksymalne napięcie zaporowe”. Jeżeli przekroczymy jego wartość, na przykład poprzez odwrotne podłączenie biegunów diody, prawdopodobnie ją zepsujemy. W internecie znajdziesz wiele kalkulatorów rezystancji, które po podaniu napięcia i natężenia przewodzenia wyliczą odpowiednią wartość rezystancji oporników. Na przykład:

ROZDZIA’ 4. Diody LED

91

http://www.lukaszkomsta.pl/?p=32 lub bardziej rozbudowany, w wersji angielskiej: http://www.electronics2000.co.uk/calc/led-series-resistor-calculator.php Tabelę 4.2 można uznać za bardzo ogólny przewodnik dla natężenia 15 mA przepuszczanego przez diody. Tabela 4.2. WartoĂci rezystorów dla diod LED

NapiÚcie zasilajÈce (V)

Czerwona

Zielona, ¿óïta, Pomarañczowa

Niebieska

3

91 Ω

60 Ω

brak

5

220 Ω

180 Ω

91 Ω

6

270 Ω/330 Ω

220 Ω

180 Ω

9

470 Ω

470 Ω

360 Ω

12

680 Ω

660 Ω

560 Ω

Testowanie Chcesz pewnie sprawdzić swoje diody LED i sprawić, żeby zaświeciły na płytce montażowej. Podłącz więc potrzebne elementy, tak jak pokazano na rysunkach 4.4 i 4.5. Pamiętaj, że dłuższa nóżka w diodzie to anoda (biegun dodatni), dlatego powinna znajdować się po lewej stronie płytki montażowej.

Rysunek 4.4. Schemat podïÈczenia diod LED

Zwróć uwagę, że każda dioda ma własny rezystor. Kuszącym pomysłem byłoby wstawienie jednego, wspólnego rezystora obniżającego natężenie prądu i równoległe podłączenie diod, ale to byłby zły pomysł. W takim przypadku dioda o najmniejszym napięciu przewodzenia zatrzymałaby na sobie cały prąd i prawdopodobnie uległaby przepaleniu, a po niej to samo stałoby się z pozostałymi diodami.

92

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 4.5. Rozmieszczenie elementów do testowania diod LED na pïytce montaĝowej

Wybór wïaĂciwej diody LED do pracy Diody LED są dostępne w szerokiej gamie kolorów, kształtów i rozmiarów. Niejednokrotnie będziesz potrzebować diody w roli wskaźnika, do czego całkiem dobrze nadaje się standardowa, czerwona dioda LED. Istnieje jednak wiele innych rodzajów diod LED, również wystarczająco jasnych, żeby pełnić funkcję oświetlenia.

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Oznaczenie

1

Przedmiot

Kod w dodatku

Nielutowana płytka montażowa

N5

1

D1

Trójkolorowa (RGB) dioda LED ze wspólną katodą

P4

3

R1 – R3

Potencjometr 500 Ω

R3

1

R4

Rezystor 330 Ω

Z2

2

R5, R6

Rezystor 220 Ω

Z2

Przewody złączowe

N6

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

Zacisk na baterie

S2

1

4 baterie AA

ROZDZIA’ 4. Diody LED

93

JasnoĂÊ i kÈt Ăwiecenia W sklepach internetowych diody często są opisywane po prostu jako „standardowej jasności”, „superjasne” lub „ultrajasne”. Te pojęcia są bardzo subiektywne i otwierają pole do popisu wyrachowanym marketingowcom. Powinna nas interesować wartość światłości, czyli natężenia światła generowanego przez diodę LED. Warto również znać wartość kąta, pod jakim dioda LED emituje światło. Zatem w latarce umieścilibyśmy diody LED generujące światło o dużym natężeniu i emitowane w wąskim kącie. Z kolei do wskaźnika informującego nas, czy urządzenie jest włączone, bardziej nadawać się będzie dioda o niższym natężeniu światła, ale szerszym kącie jego propagacji. Światłość jest mierzona w milikandelach (mcd). Standardowy wskaźnik LED ma wartość światłości w przedziale od 10 mcd do 100 mcd, a jego kąt świecenia to około 50 stopni. Superjasne diody LED osiągają natężenie światła rzędu 2000 mcd do 3000 mcd, podczas gdy ultrajasne diody mają nawet do 20 000 mcd. Wąski kąt świecenia wynosi około 20 stopni.

WielokolorowoĂÊ Mieliśmy już styczność z najpopularniejszymi kolorami diod LED, możemy jednak zamawiać również pakiety mieszczące w jednym podzespole dwie lub trzy diody w różnych barwach. Najczęściej spotykane kombinacje kolorów to czerwony/zielony oraz pełen zakres kolorów widzialnych (RGB). Poprzez zmianę natężenia danej barwy możemy uzyskać dowolny kolor wyjściowy. Na rysunku 4.6 widzimy schemat układu pozwalającego nam na poeksperymentowanie z diodą LED RGB.

Rysunek 4.6. Schemat ukïadu testujÈcego diodÚ LED RGB

94

Zabawy z elektronikÈ Podłączymy osobny potencjometr do każdej diody LED (czerwonej, zielonej i niebieskiej). Rezystory stałe (R4, R5 i R6) zapobiegają przepływowi zbyt dużego prądu przez diody w przypadku, gdy suwak potencjometru zostanie ustawiony na 6 V. Rysunek 4.7 przedstawia schemat rozmieszczenia elementów na płytce montażowej. Wspólna anoda diody LED RGB ma najdłuższą nóżkę, a trzy pozostałe nóżki to katody poszczególnych diod.

Rysunek 4.7. Rozmieszczenie elementów ukïadu testujÈcego diodÚ LED RGB na pïytce montaĝowej

Po umieszczeniu wszystkich elementów na płytce i podłączeniu baterii możemy zacząć uzyskiwać różne kolory diody poprzez zmianę pozycji suwaków na potencjometrach. Efekt końcowy został przedstawiony na rysunku 4.8.

Diody ĂwiecÈce w podczerwieni i ultrafiolecie Na rynku dostępne są nie tylko diody świecące w paśmie widzialnym, lecz również wysyłające niewidzialne światło. Wbrew pozorom nie jest to takie bezsensowne, jak mogłoby się wydawać. Diody LED pracujące w zakresie podczerwieni są wykorzystywane w pilotach do telewizorów, a pasmo ultrafioletowe pozwala na określenie autentyczności banknotów oraz sprawia, że białe ubrania fosforyzują w klubach nocnych. Tego typu diody podłączamy tak samo jak standardowe diody LED. Mają one zalecane napięcie i natężenie przewodzenia oraz wymagają wprowadzenia odpowiedniego rezystora. Oczywiście nieco trudniej jest sprawdzić, czy działają. Cyfrowe aparaty fotograficzne często wykazują niewielką czułość na światło podczerwone, co widzimy na wyświetlaczu jako lekką, czerwonawą poświatę.

ROZDZIA’ 4. Diody LED

95

Rysunek 4.8. Test diody LED RGB

Diody LED przeznaczone do oĂwietlania Jednym z zastosowań diod LED jest również oświetlanie pomieszczeń. Technologia produkcji diod LED rozwija się z roku na rok, dzięki czemu istnieją już diody świecące z mocą porównywalną do tradycyjnych żarówek, a przynajmniej coraz bardziej zbliżają się do tej granicy. Jedna z takich jasnych diod LED została zaprezentowana na rysunku 4.9. Widzimy tu diodę jednowatową, chociaż dostępne są również moduły o mocy 3 W oraz 5 W.

Rysunek 4.9. Dioda LED duĝej mocy

96

Zabawy z elektronikÈ Dioda ta zawdzięcza swój kształt aluminiowemu radiatorowi, do którego jest przymocowana. Przy maksymalnym obciążeniu produkuje tyle ciepła, że musi ono zostać rozproszone w powietrzu. Do ograniczenia prądu przepływającego przez taką diodę możemy wykorzystać rezystor, po szybkich obliczeniach okazuje się jednak, że musiałby to być opornik dużej mocy. Lepiej w takim przypadku zastosować sterownik prądu stałego, który będzie bohaterem następnego podrozdziału.

Ukïad LM317 jako sterownik prÈdu staïego Wprowadzanie rezystorów do ograniczania natężenia prądu jest dobrym rozwiązaniem w przypadku małych diod LED. Ponieważ jednak wszystko zależy od rodzaju użytej diody oraz od wartości energii elektrycznej, jest to zabawa nieco na oślep. W przypadku diod LED małej mocy, dla których dostarczane zasilanie nie jest najważniejszym parametrem, opłaca się stosować rezystory. Diody LED dużej mocy mogą współpracować z rezystorami (również dużej mocy), lepszym rozwiązaniem jest jednak wprowadzenie sterownika prądu stałego. Jak sama nazwa wskazuje, sterownik prądu stałego gwarantuje przepływ prądu o stałym natężeniu, bez względu na napięcie zasilania oraz napięcie przewodzenia diody LED. Wystarczy jedynie, że dobierzemy odpowiednie natężenie, a prąd o takiej wartości będzie przepływał przez naszą diodę LED. Do tego celu znakomicie nadaje się układ scalony LM317. Głównym zastosowaniem tego elementu jest regulacja napięcia, możemy go jednak łatwo przekształcić w regulator natężenia. Zaczniemy od stworzenia prototypu na płytce montażowej, następnie odetniemy górną część zacisku na baterie i dolutujemy do niej układ LM317 wraz z rezystorem, dzięki czemu uzyskamy jednowatowe oświetlenie awaryjne.

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Oznaczenie

1

Przedmiot

Kod w dodatku

Nielutowana płytka montażowa

N5

1

D1

Jednowatowa biała dioda LED firmy Philips Lumileds

P3

3

R1

Rezystor 4,7 Ω

Z2

1

Zacisk na baterie (do zniszczenia)

S2

1

Bateria PP3 9 V Przewody złączowe

N6

ROZDZIA’ 4. Diody LED

97

Projekt Na rysunku 4.10 został przedstawiony schemat regulatora natężenia prądu przepływającego przez diodę LED dużej mocy, podobną do zaprezentowanej na rysunku 4.9.

Rysunek 4.10. Schemat sterownika prÈdu staïego opartego na ukïadzie LM317

Bardzo łatwo sterować układem LM317 w trybie stałoprądowym. Sam układ będzie zawsze dążył do utrzymania napięcia równo o 1,25 V wyższego od napięcia występującego na nóżce oznaczonej jako Reg (z ang. Adj, czyli Adjust — regulacja). Wykorzystamy w naszym przykładzie jednowatową białą diodę LED. Jej natężenie przewodzenia (IP) wynosi 300 mA, a napięcie przewodzenia (UP) — 3,4 V. Do obliczenia rezystancji R1 podłączanej do układu LM317 skorzystamy ze wzoru: R = U:I zatem u nas będzie to: R = 1,25 V:0,3 A = 4,2 Ω Jeżeli wprowadzimy standardowy rezystor 4,7 Ω, to natężenie prądu zostanie zmniejszone do wartości: I = 1,25 V:4,7 Ω = 266 mA Wiemy, że różnica napięcia pomiędzy nóżkami Wyj i Reg w układzie LM317 zawsze wynosi 1,25 V, możemy więc wyliczyć moc wydzielaną na rezystorze: P = U·I = 1,25 V·266 mA = 0,33 W Powinien nam więc wystarczyć rezystor półwatowy. Napięcie wejściowe układu LM317 powinno być również wyższe o około 3 V od jego napięcia wyjściowego w celu utrzymania różnicy napięcia 1,25 V pomiędzy Reg a Wyj. Oznacza to, że stosowane dotychczas zasilanie bateryjne już nam nie wystarczy, gdyż

98

Zabawy z elektronikÈ napięcie przewodzenia wynosi 3,4 V. Możemy jednak bez wprowadzania modyfikacji zasilać układ baterią 9 V, a nawet zasilaczem 12 V, ponieważ natężenie prądu będzie zawsze ograniczone do około 260 mA, niezależnie od napięcia wejściowego. Szybko obliczmy moc wytwarzaną w układzie LM317, aby upewnić się, że nie przekroczymy jej wartości nominalnej. W przypadku baterii 9 V napięcie pomiędzy We i Wyj będzie wynosiło 9 V– – (1,25 V+3,4 V) = 4,35 V. Natężenie prądu wynosi 260 mA, zatem moc będzie równa: 4,35 V·0,26 A = 1,13 W. Zgodnie z kartą katalogową moc znamionowa układu LM317 wynosi 20 W, co wymagałoby natężenia 2,2 V przy napięciu zasilania nieprzekraczającym 15 V. Nic nam więc nie grozi.

Pïytka montaĝowa Na rysunku 4.11 mamy do czynienia ze schematem rozmieszczenia elementów używanych w tym projekcie, podczas gdy rysunek 4.12 przedstawia zdjęcie gotowego układu. Diody LED tego typu świecą niemal oślepiająco, staraj się więc nie patrzeć bezpośrednio w ich kierunku. Podczas pracy z nimi zakrywam je kartką, dzięki czemu nie ryzykuję utraty wzroku!

Rysunek 4.11. Rozmieszczenie elementów sterownika prÈdu staïego na pïytce montaĝowej

Aby podłączyć diodę LED do płytki montażowej, musimy dolutować przewody złączowe do jej nóżek. Warto zostawić izolację na przewodach, dzięki czemu zminimalizujemy ryzyko zwarcia ich z radiatorem.

ROZDZIA’ 4. Diody LED

99

Rysunek 4.12. Sterownik prÈdu staïego dla diody LED

Konstrukcja W tym przykładzie stworzymy światełko awaryjne umieszczane na wierzchu baterii 9 V, na wypadek gdyby zabrakło prądu. W tym celu zmodyfikujemy zacisk baterii w taki sposób, że będzie się na nim mieścił cały układ elektroniczny (rysunek 4.13).

Rysunek 4.13. Awaryjne oĂwietlenie za pomocÈ diody LED

Rysunki od 4.14a do 4.14d prezentują poszczególne etapy lutowania całego układu.

100

Zabawy z elektronikÈ

a)

b)

c)

d)

Rysunek 4.14. Konstruowanie jednowatowego Ăwiatïa awaryjnego

Najpierw za pomocą noża usuń tylną obudowę zacisku na baterie. Następnie wylutuj widoczne przewody (rysunek 4.14a). Kolejnym etapem (rysunek 4.14b) jest podłączenie nóżki We układu LM317 do dodatniego bieguna zacisku. Pamiętaj, że dodatnie gniazdo zacisku stanowi przeciwieństwo dodatniego bieguna na baterii, zatem będzie ono miało kształt gniazda. Aby ułatwić sobie zadanie, możesz delikatnie wygiąć nóżki układu LM317. Nadszedł czas na wlutowanie diody LED. Katoda diody musi zostać podłączona do ujemnego bieguna zacisku (rysunek 4.14c). Możesz teraz w końcu dolutować rezystor do dwóch górnych nóżek układu LM317 (rysunek 4.14d).

Pomiar napiÚcia przewodzenia diody LED Jeżeli planujesz zasilać jednocześnie wiele diod LED, niezłym pomysłem jest sprawdzenie napięcia przewodzenia kilku z nich przy zakładanym natężeniu. Mechanizm testowania możesz zobaczyć na rysunku 4.15.

ROZDZIA’ 4. Diody LED

a)

101

b)

c) Rysunek 4.15. Badanie napiÚcia przewodzenia diody LED

Na rysunku 4.15a został przedstawiony schemat tworzonego układu. Dzięki potencjometrowi możemy regulować natężenie prądu płynącego przez diodę i, po ustaleniu odpowiedniego prądu przewodzenia, odczytać wartość napięcia. Nie musimy jednocześnie odczytywać wartości natężenia i napięcia, ale podłączenie dwóch mierników znacznie ułatwi nam życie. Nastaw potencjometr na środkową pozycję i skonstruuj układ widoczny na rysunku 4.15b. Przed pomiarem natężenia prawdopodobnie będziemy musieli przełożyć sondę dodatnią miernika do innego gniazda. Wybierz teraz zakres natężenia 200 mA dla prądu stałego. Następnie za pomocą potencjometru reguluj natężenie prądu aż do osiągnięcia wartości 20 mA. W tym momencie można już mierzyć napięcie występujące na diodzie LED. W tym celu odłączamy miernik, umieszczamy jego dodatni przewód w konfiguracji

102

Zabawy z elektronikÈ pozwalającej na pomiar napięcia i zmieniamy zakres pomiaru na 20 V DC. Badany układ powinien wyglądać tak jak na rysunku 4.15c. W tym przypadku wartość napięcia wyniosła 1,98 V.

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Oznaczenie

1

Przedmiot

Kod w dodatku

Nielutowana płytka montażowa

N5

1

D1

Dioda LED

Z1

3

R1

Potencjometr 500 Ω

R3

Przewody złączowe

N6

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

Zacisk na baterie

S2

1

4 baterie AA

Zasilanie wiÚkszej liczby diod LED Jeżeli korzystasz z zasilania 12 V, możesz połączyć diody LED szeregowo. W rzeczywistości jeśli znasz dokładną wartość napięcia przewodzenia, a źródło prądu ma możliwość regulacji, możesz sobie poradzić bez szeregowego łączenia rezystorów. Jeśli więc mamy zestaw sześciu standardowych diod LED o napięciu przewodzenia równym 2 V, wystarczy, że połączymy je szeregowo. Określenie ilości pobieranego przez nie prądu nie będzie jednak łatwym zadaniem. Bezpieczniejszym rozwiązaniem jest ułożenie diod w szeregach, które z kolei są ze sobą połączone równolegle. Każdy taki szereg będzie miał własny rezystor służący do ograniczania przepływającego prądu (rysunek 4.16). Chociaż obliczenia nie są zbyt skomplikowane, czasami ich ilość może okazać się przytłaczająca, możemy więc zaoszczędzić mnóstwo czasu, korzystając z wyspecjalizowanego kalkulatora, takiego jak dostępny na stronie http://led.linear1.org/led.wiz (rysunek 4.17). W zaprezentowanym konfiguratorze wprowadzamy napięcie źródłowe całego układu, napięcie przewodzenia diody LED, oczekiwane natężenie dla każdej diody oraz liczbę używanych diod. Następnie kalkulator sam wylicza pozostałe wartości i wyświetla propozycje różnych konfiguracji układu. Powinieneś pamiętać, że jeśli połączymy diody szeregowo, uszkodzenie jednej z nich sprawi, że pozostałe również przestaną świecić.

ROZDZIA’ 4. Diody LED

103

Rysunek 4.16. Zasilanie wielu diod LED

Rysunek 4.17. Konfigurator ukïadów diod LED

BïyskajÈce diody LED Układ czasowy 555 (ang. timer) to niewielki, przydatny podzespół, mający szeroki zakres zastosowań, przede wszystkim jednak przydaje się do regulacji częstotliwości migania diod LED oraz do generowania drgań wysokoczęstotliwościowych, odbieranych jako słyszalne dźwięki (rozdział 9.).

104

Zabawy z elektronikÈ Na początku wypróbujemy budowany układ na płytce montażowej, a następnie przeniesiemy go na bardziej trwałe podłoże płytki perforowanej.

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Oznaczenie

1

Przedmiot

Kod w dodatku

Nielutowana płytka montażowa

N5

1

D1

Czerwona dioda LED

Z1

1

D1

Zielona dioda LED

Z1

1

R1

Rezystor 1 kΩ

Z2

1

R2

Rezystor 470 kΩ

Z2

2

R3, R4

Rezystor 220 Ω

Z2

1

C1

Kondensator 1 μF

Z2

1

IC1

Układ czasowy 555

Z2

Przewody złączowe

N6

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

Zacisk na baterie

S2

1

4 baterie AA

Pïytka montaĝowa Na rysunku 4.18 został umieszczony schemat nadajnika błysków.

Rysunek 4.18. Schemat nadajnika bïysków

ROZDZIA’ 4. Diody LED

105

Na rysunku 4.19 możesz zobaczyć rozmieszczenie elementów na płytce montażowej. Układ czasowy musi zostać ułożony we właściwej orientacji. W okolicy nóżek 1. i 8. (górna część układu) znajduje się szczerba. Również kondensator i diody LED muszą być umieszczone zgodnie z polaryzacją układu.

Rysunek 4.19. Rozmieszczenie elementów ukïadu nadajnika bïysków na pïytce montaĝowej

Gotowe urządzenie zostało przedstawione na rysunku 4.20. Diody LED zapalają się na przemian i każda świeci przez około sekundę. Wiemy już, że nasz projekt działa, możemy więc teraz zamienić rezystor R2 na opornik o wartości 100 kΩ. Jak się zmieniła częstotliwość migotania? Układ czasowy 555 jest bardzo wszechstronnym podzespołem. W stworzonej przez nas konfiguracji wywołuje on drgania o częstotliwości określonej wzorem: częstotliwość = 1,44:[(R1+2·R2)·C1], gdzie jednostkami dla R1 i R2 są Ω, a dla C1 — F. Po wstawieniu odpowiednich wartości otrzymujemy: częstotliwość = 1,44:[(1000 Ω+2·470 000 Ω)·0,000001 F] = 1,53 Hz Jeden herc (Hz) oznacza jeden okres drgania na sekundę. Gdy w rozdziale 9. będziemy korzystać z układu czasowego 555 do generowania słyszalnego dźwięku, ten sam obwód posłuży nam do uzyskania częstotliwości rzędu setek herców.

106

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 4.20. Nadajnik bïysków na pïytce montaĝowej

Podobnie jak w przypadku wielu innych obliczeń elektronicznych, możemy w internecie znaleźć różne kalkulatory dla układu czasowego 555.

Zastosowanie pïytki perforowanej na przykïadzie nadajnika bïysków Płytka montażowa jest bardzo przydatna do testowania układów prototypowych, jednak nie stanowi zbyt dobrego rozwiązania jako stałe podłoże dla tworzonych urządzeń. Przewody mają tendencję do ciągłego odłączania się, poza tym jest nieco zbyt duża i ciężka. Z kolei płytka perforowana (ang. stripboard) przypomina z wyglądu uniwersalną płytkę drukowaną (rysunek 4.21). Jest to dziurkowana płytka, której spodnia część zawiera ścieżki przewodzące, podobnie jak w przypadku płytki montażowej. Możemy dostosować rozmiary płytki do własnych potrzeb oraz wlutować do niej różne podzespoły i przewody.

Rysunek 4.21. Pïytka perforowana

ROZDZIA’ 4. Diody LED

107

Rozmieszczanie podzespoïów na pïytce perforowanej Na rysunku 4.22 widzimy ostateczne rozmieszczenie elementów tworzących zaprojektowany wcześniej nadajnik błysków. Trudno wyjaśnić, w jaki sposób otrzymaliśmy taką architekturę. Dużą rolę odegrała metoda prób i błędów, istnieje jednak kilka zasad, które ułatwią nam życie podczas rozmieszczania elementów na płytce perforowanej.

Rysunek 4.22. Rozmieszczenie elementów nadajnika bïysków na pïytce perforowanej

Pierwszą zasadą jest korzystanie z aplikacji pozwalających na projektowanie architektury układów. W przypadku użytkowników systemu Mac OS przydatna okazuje się aplikacja OmniGraffle. Użytkownicy systemu Windows mogą zainteresować się aplikacją VeroDes, dostępną na stronie http://www.heyrick.co.uk/software/verodes/. Nie jest ona tak rozbudowana jak większość aplikacji komercyjnych, ale nie trzeba za nią płacić. Możesz również pobrać szablon płytki perforowanej, wydrukować go i naszkicować na nim własne schematy. Jeden z szablonów tego typu znajdziesz na stronie http://www.zen22142.zen.co.uk/ronj/sb.html. Krzyżyki na schemacie (X) to miejsca przerwania obwodu. Nauczymy się je wykonywać. Jednym z celów podczas projektowania dobrego układu na płytce perforowanej jest wprowadzenie jak najmniejszej liczby przerwanych ścieżek. W przypadku tworzonego przez nas projektu przerwane ścieżki stanowią zło konieczne. Gdybyśmy ich nie wprowadzili, nóżka 1. układu czasowego łączyłaby się z nóżką 8., nóżka 2. z nóżką 7. i tak dalej. Nasz układ po prostu nie działałby. Kolorowe linie na schemacie symbolizują okablowanie. Porównując je ze schematem na rysunku 4.18, widzimy, że nóżki 4. i 8. układu czasowego powinny być połączone ze sobą oraz z biegunem dodatnim zasilania. Połączenia te są reprezentowane

108

Zabawy z elektronikÈ przez czerwone linie. W analogiczny sposób również nóżki 2. i 6. są ze sobą połączone. Odpowiedzialne są za to przewody symbolizowane przez pomarańczowe linie. Chociaż rozmieszczenie elementów na płytce perforowanej jest logicznym następstwem pierwotnego schematu, poszczególne podzespoły znajdują się w innych miejscach, niż moglibyśmy się spodziewać. Diody LED zostały umieszczone po lewej stronie płytki perforowanej, podczas gdy na schemacie widzimy je po stronie prawej. Nie zawsze tak się dzieje i zazwyczaj jest wygodniej, gdy schemat pokrywa się z ostatecznym rozmieszczeniem elementów. W tym przypadku jednak wśród nóżek układu czasowego umieszczonych po lewej stronie znajduje się nóżka 3. wymagana przez diody LED, a nóżki podłączane do elementów R1, R3 i C1 znajdują się po prawej stronie. Spróbuj stworzyć własny układ elementów na płytce perforowanej, być może efekt końcowy będzie inny, lepszy od uzyskanego przeze mnie. Poniżej prezentuję poszczególne etapy, jakie przechodziłem podczas projektowania rozmieszczenia podzespołów: 1. Umieściłem układ czasowy na środku płytki i pozostawiłem nieco miejsca

na górze oraz na dole. Układ został zorientowany w taki sposób, że jego nóżka 1. znalazła się na górze (zgodnie z konwencją). 2. Znalazłem odpowiednie miejsce dla rezystorów R3 i R4. Odległość pomiędzy

końcówkami przewodów rezystorów wynosi przynajmniej 3 dziurki, a z jednej strony oporniki łączą się z nóżką 3. układu czasowego. 3. Wybrałem górną część płytki perforowanej jako biegun dodatni zasilania,

dzięki czemu po tej samej stronie mogłem wstawić anodę jednej z diod LED. 4. Wytypowałem 5. rząd jako masę. W ten sposób łączy się on bezpośrednio

z nóżką 1. układu czasowego. 5. Połączyłem przewodem rząd 5. z rzędem 9., dzięki czemu zapewniłem

połączenie masowe z diodą D2. 6. Połączyłem przewodem zaciskowym nóżkę 4. układu czasowego z rzędem 1.

płytki perforowanej (biegun dodatni). Zająłem się następnie prawą stroną układu: 1. Połączyłem nóżkę 8. układu czasowego z rzędem 1. 2. Rezystory R1 i R2 łączą się z nóżką 7. układu czasowego, więc umieściłem je obok

siebie, dodatkowo połączyłem drugi koniec rezystora R1 z rzędem 1. 3. Rezystor R2 musi łączyć się z nóżką 6. układu czasowego, znajduje się ona jednak

zbyt blisko nóżki 7., podłączyłem ją więc do nieużywanego rzędu 2., który posłużył mi również do zwarcia nóżki 2.

ROZDZIA’ 4. Diody LED

109

4. Na koniec kondensator C musi zostać umieszczony pomiędzy nóżką 6. (lub nóżką 2.,

ale nóżka 6. jest wygodniejszym wyborem) a masą (rząd 9.). Dobrym sposobem na sprawdzenie poprawności rozmieszczenia elementów jest wydrukowanie schematu, a następnie porównanie z nim każdego połączenia umieszczonego na płytce perforowanej. Brzmi to nieco jak czarna magia, ale warto spróbować. Nie jest to takie straszne, jak mogłoby się wydawać.

Co bÚdzie potrzebne Będą nam potrzebne wszystkie elementy wymienione w podrozdziale „Błyskające diody LED” oraz następujące podzespoły: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Płytka perforowana 10×17 dziurek

S3

1

Zestaw do lutowania

N1

1

Wiertło (2,55 cm/1/8 cala)

Zanim przejdziemy do lutowania, warto zastanowić się nad wyborem odpowiedniej diody LED. Możemy wykorzystać superjasną diodę LED albo zasilać układ za pomocą niższego napięcia. Jeżeli zdecydujesz się na zmianę, musisz ponownie obliczyć wartości rezystorów R3 oraz R4 oraz przetestować nowy układ na płytce montażowej. Układ czasowy 555 wymaga napięcia w zakresie od 4,5 V do 16 V oraz natężenia prądu do 200 mA.

Konstrukcja Etap 1.: Uzyskanie wymaganego rozmiaru pïytki perforowanej Nie ma sensu umieszczanie niewielkiej liczby elementów na olbrzymim fragmencie płytki perforowanej, więc pierwszą czynnością, jaką wykonamy, będzie przycięcie jej do rozsądnych rozmiarów. W naszym przypadku będzie to 10 rzędów po 17 dziurek w każdym. Płytki perforowane w rzeczywistości nie dają się tak łatwo przycinać. Można przyciąć płytkę za pomocą narzędzia obrotowego, jednak należy pamiętać, by założyć maskę, tak aby powstały pył nie trafił do płuc. Osobiście najpierw wykonuję nacięcie po obu stronach za pomocą noża i linijki, a następnie odłamuję wymaganą część na krawędzi blatu.

110

Zabawy z elektronikÈ Nacinamy powierzchnię wzdłuż otworów, nie pomiędzy nimi. Po nacięciu i przełamaniu płytki jej spodnia część będzie wyglądała tak jak na rysunku 4.23.

Rysunek 4.23. Pïytka perforowana przyciÚta do wïaĂciwego rozmiaru

Etap 2.: Wprowadzanie przerw w Ăcieĝkach Niegłupim pomysłem jest umieszczenie jakiegoś znaku w lewym górnym rogu płytki, na przykład za pomocą flamastra. W przeciwnym wypadku bardzo łatwo jest stracić orientację na płytce i wstawiać przerwy oraz połączenia w niewłaściwych miejscach. Aby wprowadzić przerwę w ścieżce, określmy najpierw jej położenie w kolumnach i rzędach, a następnie przeciągnijmy przez wyznaczoną dziurkę kawałek drutu, by zidentyfikować to miejsce po spodniej stronie płytki (rysunek 4.24a). Korzystając z wiertła (trzymamy je pomiędzy kciukiem a palcem wskazującym), obracamy nim kilkakrotnie, aby przebić się na drugą stronę płytki. Zazwyczaj wystarczy jedynie kilka obrotów wiertła (rysunki 4.24b i c). Po wywierceniu wszystkich czterech otworów spodnia część płytki perforowanej powinna wyglądać tak jak na rysunku 4.25. Upewnij się, że na ścieżkach nie pozostały żadne zadziory oraz że przerwy są całkowite. Warto zrobić zdjęcie płytki, a następnie je przybliżyć i uważnie przyjrzeć się tym przerwom. Etap 3.: PodïÈczanie okablowania Zgodnie ze złotą zasadą projektowania układów elektronicznych, dotyczącą również płytek perforowanych, zawsze zaczynamy od elementów leżących najbliżej płytki. Jeżeli odwrócimy płytkę do lutowania, dany element będzie „trzymany” przez ciężar płytki. W tym przypadku pierwszymi lutowanymi elementami będą przewody. Wycinamy odcinek przewodu jednożyłowego nieco dłuższy od odległości pomiędzy łączonymi przez niego podzespołami i zdejmujemy izolację z jego końcówek. Zginamy go w kształt litery U i po znalezieniu właściwych dziurek umieszczamy w nich ten

ROZDZIA’ 4. Diody LED

a)

111

b)

c) Rysunek 4.24. Wprowadzanie przerw na Ăcieĝkach

Rysunek 4.25. Pïytka perforowana z wywierconymi przerwami

przewód (rysunek 4.26a). Niektórzy potrafią za pomocą szczypiec umieścić w dziurkach idealnie dopasowane przewody, mnie jest jednak łatwiej zagiąć je nieco i wcisnąć w perforacje. Tak jest prościej, niż starać się wcisnąć przewód o od początku wyliczonej długości.

112

Zabawy z elektronikÈ

a)

b)

c)

d)

e) Rysunek 4.26. Lutowanie poïÈczeñ

Obracamy teraz płytkę (zwróć uwagę, w jaki sposób przewód jest przytrzymywany z drugiej strony) i lutujemy drut w miejscu, w którym wychodzi przez dziurkę. Podgrzewamy przewód przez jedną – dwie sekundy, a następnie umieszczamy na nim lut, dopóki nie przykryje perforacji i końcówki drutu (rysunki 4.26b i c). Powtarzamy czynność dla drugiego końca drutu, a następnie odcinamy nadmiarową ilość przewodu (rysunki 4.26d i e). Po wlutowaniu wszystkich przewodów płytka perforowana będzie wyglądała mniej więcej tak jak na rysunku 4.27.

ROZDZIA’ 4. Diody LED

113

Rysunek 4.27. Pïytka perforowana ze wszystkimi poïÈczeniami

Etap 4.: Rezystory Kolejnymi elementami leżącymi najbliżej płytki perforowanej są rezystory, więc teraz bierzemy się za ich lutowanie, w taki sam sposób, w jaki robiliśmy to w przypadku przewodów. Wygląd płytki perforowanej po ich wlutowaniu został przedstawiony na rysunku 4.28.

Rysunek 4.28. Pïytka perforowana z umieszczonymi na niej rezystorami

Etap 5.: Lutowanie pozostaïych elementów Teraz lutujemy diody LED, kondensator (który możemy „położyć” tak jak na rysunku 4.29) oraz układ czasowy. Na koniec łączymy diody oraz przewody z zaciskiem na baterie. To już wszystko. Nadeszła chwila prawdy. Zanim podłączysz nasz układ do zasilania, sprawdź go trzy razy pod kątem potencjalnych zwarć. Jeżeli wszystko jest w porządku, włóż baterie do zacisku.

RozwiÈzywanie problemów Jeżeli urządzenie nie działa, natychmiast odłącz je od zasilania i sprawdź ponownie wszystkie elementy, a zwłaszcza polaryzacje diod LED, układu czasowego i kondensatora. Być może baterie są również rozładowane.

114

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 4.29. Nadajnik bïysków umieszczony na pïytce perforowanej

Korzystanie z moduïu diody laserowej Jeżeli chcesz korzystać z lasera, najlepiej zaopatrzyć się w moduł laserowy. Różnica pomiędzy modułem laserowym a diodą laserową polega na tym, że w module oprócz samej diody znajdziemy również soczewki skupiające światło lasera oraz obwód regulujący natężenie prądu przepływającego przez tę diodę. Jeżeli kupisz samą diodę laserową, będziesz musiał sam podłączyć wszystkie wyżej wymienione podzespoły. Przykładowy moduł laserowy, jak pokazany na rysunku 4.30 model wydzielający moc 1 mW, jest zasilany (zgodnie z informacjami zawartymi w karcie katalogowej) napięciem 3 V. Musimy więc jedynie zdobyć baterię 3 V i podłączyć ją do modułu.

Rysunek 4.30. Moduï diody laserowej

ROZDZIA’ 4. Diody LED

Modyfikacja zdalnie sterowanego samochodu wyĂcigowego Zdalnie sterowany samochód dostarcza mnóstwo radości, ale możemy go ulepszyć jeszcze bardziej, dodając do niego światła przednie oraz postojowe (rysunek 4.31).

Rysunek 4.31. Zmodyfikowany zdalnie sterowany samochód

Diody LED świetnie nadają się do wstawienia ich z przodu oraz z tyłu samochodu.

Co bÚdzie potrzebne Aby dodać światła do samochodu, będą nam potrzebne następujące podzespoły: Liczba

Oznaczenie

1

Przedmiot

Kod w dodatku

Zabawkowy samochód wyścigowy do modyfikacji

1

D1

Dioda 1N4001

P5, Z1

2

D2, D3

Superjasna, biała dioda LED 5 mm

P2

2

D4, D5

Czerwona dioda LED 5 mm

P11

4

R1 – R4

Rezystor 1 kΩ

Z2

1

C1

Kondensator 16 V o pojemności 1000 μF

K1

Czerwony, żółty i czarny przewód elektryczny

N7, N8, N9

1

Gniazdo i wtyczka złączki dwustronnej*

* Wykorzystałem wydobyte z jakiegoś urządzenia gniazdo i złączkę, aby ułatwić sobie pracę z dwiema połowami samochodu. Elementy te nie są niezbędne.

115

116

Zabawy z elektronikÈ Wykorzystany przeze mnie samochód stanowi model do składania, w którego wnętrzu znajduje się mnóstwo miejsca na elektronikę. Planuj z wyprzedzeniem i upewnij się, że wszystko się pomieści.

Przechowywanie ïadunku w kondensatorze Aby światła postojowe nie zgasły natychmiast po zatrzymaniu się samochodu, musimy wykorzystać własności kondensatora. Jeżeli wrócimy do metafory prądu jako wody płynącej w rzece, kondensator przypomina nieco zbiornik. Koncepcję tę próbuje przybliżyć rysunek 4.32.

Rysunek 4.32. Kondensator jako zbiornik

Na rysunku 4.32a widzimy zbiornik (C1) wypełniający się wodą płynącą z kanału A. Woda będzie płynąć dalej również górą i spadać na koło wodne, przez co energia kinetyczna wody zostanie przekształcona na energię elektryczną wynikającą z obrotów koła, podobnie jak w przypadku diody LED lub żarówki, przekształcającej energię elektryczną na energię świetlną. Woda spada dalej w dół, do poziomu gruntu. Wyobraź sobie pompę (na przykład baterię) podnoszącą wodę do następnego obiegu. Jeżeli strumień przestanie płynąć przez zbiornik C1, woda z niego wypływająca będzie napędzała koło wodne, dopóki nie znajdzie się poniżej poziomu tego koła. Rysunek 4.32b prezentuje elektroniczny równoważnik omawianego przykładu. Napięcie A jest wyższe od masy GND, więc kondensator C1 zostanie naładowany i żarówka będzie świecić. Po odłączeniu źródła napięcia A kondensator zostanie rozładowany na żarówce, która będzie jeszcze przez chwilę świeciła. Wraz ze spadkiem napięcia na kondensatorze żarówka będzie świeciła coraz słabiej, aż w końcu zgaśnie, gdy napięcie będzie równe masie.

ROZDZIA’ 4. Diody LED

117

Pozornie może się wydawać, że kondensatory są podobne do baterii. Obydwa rodzaje podzespołów przechowują ładunek. Istnieją jednak pomiędzy nimi znaczne różnice: x Kondensator przechowuje jedynie ułamkową wartość ładunku, który może pomieścić bateria o tych samych rozmiarach. x W bateriach do przechowywania ładunku są wykorzystywane reakcje chemiczne. Oznacza to, że napięcie baterii pozostaje względnie stałe aż do momentu ich całkowitego wyczerpania, wtedy spada ono drastycznie. W przypadku kondensatorów napięcie maleje stopniowo w czasie rozładowywania, podobnie jak spada poziom wody w osuszanym zbiorniku.

Projekt Schemat modyfikacji samochodu został zaprezentowany na rysunku 4.33.

Rysunek 4.33. Schemat modyfikacji zdalnie sterowanego samochodu

Światła przednie (diody D2 i D3) są zasilane przez cały czas, gdy samochód przebywa na torze, więc będą się świeciły, dopóki pracuje silnik. Światła postojowe stanowią ciekawszy przypadek. Zaświecą się automatycznie, gdy samochód zostanie zatrzymany, i po kilku sekundach zgasną. Do tego celu posłuży nam kondensator C1. Podczas jazdy samochodu kondensator C1 będzie ładowany przez diodę D1. W tym momencie światła D4 i D5 nie będą się świecić, ponieważ zostały spolaryzowane w kierunku zaporowym — napięcie pochodzące z torów będzie wyższe od napięcia na kondensatorze.

118

Zabawy z elektronikÈ Po zwolnieniu spustu na pilocie odetniemy źródło napięcia. W tym momencie napięcie kondensatora będzie wyższe od napięcia reszty obwodu i ładunek na tym kondensatorze zacznie przepływać przez diody D4 i D5, dzięki czemu diody te zaczną świecić.

Konstrukcja Na rysunku 4.34 widzimy, jak poszczególne elementy zostały ułożone we wnętrzu samochodu.

Rysunek 4.34. Podzespoïy umieszczone wewnÈtrz samochodu

Rozmieszczenie tych elementów zależy od ilości miejsca w środku zabawki. W obudowie wywierciłem dziurki, do których włożyłem diody o przekroju 5 mm. Diody LED mieszczą się idealnie we wgłębieniach i bez pomocy kleju mocno się trzymają. Rysunek 4.35 zawiera schemat okablowania ułatwiający zrozumienie działania całego układu. Użyj miernika w zakresie 20 V do znalezienia zestyku o polaryzacji dodatniej, umieszczonego w przedniej części samochodu. Zestyk ten został podłączony do czerwonego przewodu. Dłuższe przewody odchodzące od diod LED są częścią obwodu prądowego (dodatniego), a przewód masowy kondensatora powinien być oznaczony symbolem „–”.

ROZDZIA’ 4. Diody LED

119

Rysunek 4.35. Schemat okablowania zmodyfikowanej zabawki

Dzięki dodatkowej złączce dwustronnej łatwiej pracować na obydwu połowach samochodu.

Testowanie Aby przetestować samochód, wystarczy pojeździć nim po torze. Jeżeli światła przednie nie zaświecą się tuż po wciśnięciu spustu, sprawdź okablowanie, a także przyjrzyj się bacznie polaryzacji diod LED.

Podsumowanie W tym rozdziale nauczyłeś się posługiwać diodami LED, a także pobawiliśmy się w konstruktorów. Dzięki nabytym umiejętnościom możesz tworzyć nieco trwalsze układy na płytkach perforowanych. W następnym rozdziale zajmiemy się źródłami prądu, w tym bateriami, zasilaczami oraz panelami słonecznymi. Dowiesz się również, w jaki sposób należy wybierać właściwy rodzaj baterii, przywracać do życia stare akumulatorki i wykorzystywać je w naszych projektach.

120

Zabawy z elektronikÈ

5 Baterie i zasilanie W

szystkie tworzone lub modyfikowane przez nas urządzenia wymagają jakiegoś źródła zasilania. Może nim być zasilacz, panel słoneczny, różnego rodzaju akumulatorki lub standardowe ogniwo AA. W tym rozdziale dowiesz się wszystkiego na temat baterii i zasilania. Zaczniemy od baterii. Uwaga PiszÈc „bateria”, mam na myĂli zarówno caïÈ bateriÚ, jak i poszczególne ogniwa bateryjne. ¥ciĂle mówiÈc, bateria skïada siÚ z szeregu poïÈczonych ze sobÈ ogniw, które ostatecznie wytwarzajÈ poĝÈdanÈ wartoĂÊ napiÚcia.

Wybór wïaĂciwej baterii Na rynku jest dostępnych wiele rodzajów baterii. Aby nie komplikować sprawy, w tym rozdziale zajmiemy się jedynie najpopularniejszymi ich odmianami, zazwyczaj łatwo dostępnymi oraz wykorzystywanymi w większości naszych projektów.

PojemnoĂÊ baterii Zarówno zwyczajne, jednorazowe baterie, jak i akumulatorki mają parametr zwany pojemnością — czyli ilość przechowywanego ładunku. Producenci jednorazowych baterii często nie podają pojemności na ogniwach sprzedawanych w supermarkecie. Nieraz znajdujemy jedynie informację, że nadają się one do pracy przy dużych lub niewielkich obciążeniach. Można to porównać do zakupu butelki mleka. Mamy do wyboru

122

Zabawy z elektronikÈ „dużą butlę” lub „malutką buteleczkę” i tak naprawdę nie możemy zobaczyć, jaki jest rzeczywisty rozmiar butelki, ani nie znamy jej objętości. Możemy jedynie domyślać się przyczyn takiego stanu rzeczy. Jeden z powodów może być taki, że producenci baterii nie wierzą w inteligencję konsumentów, którzy mogą nie zrozumieć definicji pojemności ogniwa. Być może wynika to z faktu, że im dłużej bateria leży na półce, tym bardziej zmniejsza się jej pojemność. Wpływ może mieć również informacja, że pojemność w istocie może być różna w zależności od natężenia prądu dostarczanego z baterii. Tak czy siak, jeśli producent okaże się wystarczająco miły, aby odpowiednio zaprezentować sprzedawany produkt, poda pojemność w amperogodzinach (Ah) lub miliamperogodzinach (mAh). Bateria o pojemności 3000 mAh (typowe jednorazowe ogniwo alkaliczne AA) może dostarczać 3000 mA (czyli 3 A) zasilania przez godzinę. Nie musimy jednak korzystać wyłącznie z natężenia 3 A. Jeżeli nasz projekt wymaga zasilania 30 mA, spodziewany czas działania baterii wyniesie 100 godzin (3000:30). W praktyce wygląda to trochę inaczej, bo pojemność baterii maleje w miarę jej użytkowania, ale szacunkowo możemy się na takim wyliczeniu oprzeć.

Maksymalna wartoĂÊ rozïadowania Nie możesz wziąć malutkiej baterii (np. CR2032) o pojemności 200 mAh i oczekiwać od niej, że będzie zasilać wielki silnik wymagający 20 A zasilania przez 1:100 godziny (36 sekund). Wynika to z dwóch powodów. Po pierwsze, wszystkie baterie mają wewnętrzną rezystancję. To jest tak, jakby do jednego z biegunów baterii został podłączony rezystor. Wartość tej wewnętrznej rezystancji zależy od natężenia prądu, ale może sięgać kilkudziesięciu omów. W ten sposób natężenie prądu zostaje w naturalny sposób ograniczone. Po drugie, jeżeli bateria zostaje zbyt szybko rozładowana przez wypływ dużego prądu, to się nagrzewa — czasami bardzo mocno, a niekiedy wręcz płonie. Zbyt duże wydzielane ciepło może ją uszkodzić. Baterie mają więc taki parametr jak bezpieczna wartość rozładowania, czyli, innymi słowy, maksymalne natężenie prądu, jakie możemy z nich „wyciągnąć”.

Baterie jednorazowe Chociaż wydawać by się to mogło marnotrawstwem, czasami warto korzystać z jednorazowych baterii, których nie można naładować. Warto pomyśleć nad takim rozwiązaniem, jeśli:

ROZDZIA’ 5. Baterie i zasilanie

123

x projekt zużywa niewielką ilość prądu, dzięki czemu nie będzie trzeba wymieniać baterii przez długi czas, x nie ma możliwości naładowania akumulatorka. W tabeli 5.1 wymieniłem kilka najpowszechniejszych rodzajów ogniw jednorazowych. Podałem typowe parametry baterii, które mogą się różnić pomiędzy poszczególnymi urządzeniami. Tabela 5.1. Baterie jednokrotnego uĝytku Typowa pojemnoĂÊ

NapiÚcie

Litowa bateria guzikowa (np. CR2032)

200 mAh

3V

Bateria alkaliczna PP3

500 mAh

Bateria litowa PP3

Typ

Maksymalny prÈd rozïadowania

Cechy

Zastosowania

4 mA z możliwymi impulsami do 12 mA

Wysoki zakres temperaturowy (od –30 do 80°C); niewielkie rozmiary

Urządzenia niewielkiej mocy; piloty na fale radiowe; diody LED w breloczkach itd.

9V

800 mA

Niska cena; łatwo dostępna

Niewielkie, podręczne urządzenia elektroniczne; wykrywacze dymu; pedały do gitary

1200 mAh

9V

400 mA z impulsami do 800 mA

Droga; lekka; wysoka pojemność

Odbiorniki radiowe

Ogniwo AAA

800 mAh

1,5 V

Ciągłe natężenie 1,5 A

Niska cena; łatwo dostępne

Niewielkie ruchome zabawki; piloty

Ogniwo AA

3000 mAh

1,5 V

Ciągłe natężenie 2A

Niska cena; łatwo dostępne

Ruchome zabawki

Ogniwo C

6000 mAh

1,5 V

Prawdopodobnie można uzyskać 4A

Wysoka pojemność

Ruchome zabawki; latarki dużej mocy

Ogniwo D

15 000 mAh

1,5 V

Prawdopodobnie można uzyskać 6A

Wysoka pojemność

Ruchome zabawki; latarki dużej mocy

Dotyczy to zwłaszcza maksymalnej wartości rozładowania. Możemy wykorzystywać baterię o wiele dłużej, niż zostało to przewidziane przez producenta, ale równie dobrze może ona szybko się zepsuć albo nagrzać przy wartości prądu niższej niż

124

Zabawy z elektronikÈ zakładana. Wiele zależy również od rodzaju obudowy, ponieważ duży problem może stanowić kwestia nagrzewania się baterii i odprowadzania ciepła przy większych obciążeniach. Zatem zgodnie z duchem tej książki spędzaj mniej czasu na planowaniu, a więcej na testowaniu. Sprawdzaj, jak długo baterie wytrzymują oraz jak mocno się nagrzewają. W końcu naszym celem jest zabawa i nauka, a nie projektowanie produktów komercyjnych. Uwaga Niektóre ze zdjÚÊ w tabeli 5.1 przedstawiajÈ markowe baterie. ZwróÊ uwagÚ na wyglÈd baterii, a nie na producenta.

Tworzenie wïasnej baterii Pojedyncze ogniwo bateryjne dające napięcie 1,5 V raczej na niewiele nam się przyda. Zazwyczaj musimy połączyć ze sobą wiele ogniw, aby otrzymać baterię zapewniającą wymagane napięcie. Po połączeniu ogniw ze sobą nie uzyskamy większej pojemności. Jeżeli pojemność ogniwa wynosi 2000 mAh, a wytwarzane przez nie napięcie jest rzędu 1,5 V, to po połączeniu ze sobą czterech takich ogniw ta pojemność będzie ciągle miała wartość 2000 mAh, ale tym razem przy napięciu 6 V. Do łączenia ze sobą ogniw świetnie nadaje się uchwyt na baterie, taki jak widoczny na rysunku 5.1. Jeżeli przyjrzysz się uważnie, zauważysz, że biegun ujemny jednego ogniwa jest połączony z biegunem dodatnim drugiego ogniwa i tak dalej.

Rysunek 5.1. Uchwyt na baterie

Uchwyt ten pomieści do sześciu baterii AA, co daje nam całkowite napięcie do 9 V. Tego typu uchwyty mogą istnieć w odmianach pozwalających na połączenie dwóch, czterech, sześciu, ośmiu lub dziesięciu ogniw, w wersjach zarówno dla baterii AA, jak i AAA.

ROZDZIA’ 5. Baterie i zasilanie

125

Kolejną zaletą takiego uchwytu na baterie jest możliwość umieszczenia w nim akumulatorków zamiast ogniw jednorazowych. Powinieneś jednak pamiętać, że akumulatorki mają zazwyczaj nieco niższe napięcie od ich jednorazowych odpowiedników, trzeba więc to wziąć pod uwagę podczas obliczania całkowitego napięcia baterii. Wybór baterii Tabela 5.2 pomoże w wyborze baterii nadającej się do określonego projektu. Nie zawsze da się prosto odpowiedzieć na pytanie „Która bateria będzie najlepsza?”, a poniższa tabela została stworzona na podstawie moich doświadczeń. Tabela 5.2. Wybór baterii jednokrotnego uĝytku

NatÚĝenie

NapiÚcie 3V

6V

9V

12 V

Mniej niż 4 mA (krótkie impulsy) lub ciągłe 12 mA

Litowa bateria guzikowa (np. CR2032)

2 × litowa bateria PP3 guzikowa (np. CR2032)

Mało prawdopodobne

Mniej niż 3 A (krótkie impulsy) lub ciągłe 1,5 A

2 × baterie AAA

4 × baterie AAA

6 × baterie AAA

8 × baterie AAA

Mniej niż 5 A (krótkie impulsy) lub ciągłe 2 A

2 × baterie AA

4 × baterie AA

6 × baterie AA

8 × baterie AA

Jeszcze większe wartości

2 × baterie C lub D

4 × baterie C lub D

6 × baterie C lub D

8 × baterie C lub D

Powinieneś również wziąć do ręki kalkulator i obliczyć, jak często będzie wymieniana bateria.

Akumulatorki W porównaniu do baterii jednorazowych akumulatorki stanowią inwestycję bardziej długoterminową i ekologiczną. Istnieje wiele odmian akumulatorów o różnych pojemnościach. Niektóre z nich, na przykład akumulatorki AA i AAA, mogą zostać użyte jako zastępstwo ich jednorazowych odpowiedników. Możemy takie akumulatorki ładować w osobnej ładowarce. Inne akumulatorki mogą być bezpośrednio wbudowane do układu elektronicznego i wtedy aby je naładować, wystarczy podłączyć całe urządzenie do źródła zasilania. Pojawienie się na rynku tanich, pojemnych, lekkich akumulatorów litowo-polimerowych (Li-Po) sprawiło, że są one teraz wykorzystywane w różnych segmentach rynku elektronicznego.

126

Zabawy z elektronikÈ Tabela 5.3 przedstawia popularne rodzaje akumulatorków. Tabela 5.3. Akumulatorki

Rodzaj

Typowa pojemnoĂÊ

NapiÚcie

Cechy

Zastosowania

2,4 V lub 3,6 V

Niewielki

Zasilanie rezerwowe

750 mAh

1,25 V

Tanie

Zastępstwo dla jednorazowego ogniwa AAA

Ogniwo NiMH AA

2000 mAh

1,25 V

Tanie

Zastępstwo dla jednorazowego ogniwa AA

Ogniwo NiMH C

4000 mAh

1,25 V

Wysoka pojemność

Zastępstwo dla jednorazowego ogniwa C

50 mAh

3,7 V

Tanie; wysoka pojemność jak na taki ciężar i rozmiar

Miniaturowe helikoptery

2200 mAh

3,7 V

Tanie; wysoka pojemność jak na taki ciężar i rozmiar, nieco większe od ogniwa AA

Latarki dużej mocy; samochód Tesla Roadster (naprawdę, znajduje się w nim około 6800 ogniw)

900 mAh

7,4 V

Tani; wysoka pojemność jak na taki ciężar i rozmiar

Telefony komórkowe, iPody itd.

1200 mAh

6/12 V

Łatwy do ładowania i użytkowania; ciężki

Alarmy; niewielkie pojazdy elektryczne/wózki inwalidzkie

Pakiet ogniw guzikowych NiMH

Ogniwo NiMH AAA

Małe ogniwo Li-Po

Ogniwo Li-Po LC18650

Pakiet Li-Po

Akumulator kwasowo-ołowiowy

80 mAh

Chociaż istnieje o wiele większa różnorodność akumulatorków, te są najpopularniejsze. Każdy z nich ma własne wymagania dotyczące ładowania. Zajmiemy się tym zagadnieniem w dalszej części rozdziału.

ROZDZIA’ 5. Baterie i zasilanie

127

Podsumowanie własności akumulatorków NiMH, Li-Po oraz kwasowo-ołowiowych znajdziesz w tabeli 5.4. Tabela 5.4. WïaĂciwoĂci technologii stosowanych w akumulatorach

NiMH

Li-Po

Kwasowo-oïowiowe

Koszt na mAh

Średni

Średni

Niski

Ciężar na mAh

Średni

Mały

Duży

Samorozładowanie

Duże (rozładowany w ciągu 2 – 3 miesięcy)

Małe (6% miesięcznie)

Małe (4% miesięcznie)

Wpływ pełnego cyklu rozładowania/ładowania

Dobry

Dobry

Dobry

Wpływ niepełnego ładowania/rozładowania

Średni (regularnie przeprowadzane pełne rozładowanie zwiększa żywotność akumulatorka)

Średni (nie są przystosowane do ładowania małym prądem)

Dobry

Jeżeli chcesz, aby Twój akumulator był ładowany wprost z poziomu zaprojektowanego układu elektronicznego, najlepszym wyborem będzie ogniwo Li-Po albo kwasowo-ołowiowe. Jeżeli jednak chcesz wyciągać akumulator do ładowania lub wstawiać w jego miejsce ogniwa jednorazowe, baterie AA stanowią dobry kompromis pomiędzy pojemnością a rozmiarem. Akumulatory kwasowo-ołowiowe, pomimo że są wytwarzane w starej technologii, ciągle całkiem nieźle nadają się do zasilania układów bardzo wysokiej mocy, pod warunkiem że nie będziemy ich nigdzie ze sobą nosić! Nie sprawiają również problemów z ładowaniem i mają bardzo stabilną architekturę, dzięki czemu są najbezpieczniejsze i rzadko grożą pożarem lub wybuchem.

’adowanie baterii (ogólne zasady) Pewne reguły związane z ładowaniem dotyczą wszystkich rodzajów baterii i akumulatorków. Warto więc najpierw przeczytać ten podrozdział, zanim zajmiesz się poszczególnymi rodzajami ogniw.

128

Zabawy z elektronikÈ

C Litera C stanowi oznaczenie pojemności (ang. capacity) ogniwa w Ah lub mAh. Możesz kiedyś usłyszeć rozmowę dotyczącą ładowania, gdzie padną takie sformułowania jak ładowanie z szybkością 0,1 C lub C/10. Ładowanie ogniwa z szybkością 0,1 C oznacza, że jest ono odnawiane z szybkością jednej dziesiątej swojej pojemności na godzinę. Na przykład jeżeli bateria ma pojemność 2000 mAh, to przy szybkości 0,1 C będzie ona ładowana prądem o stałej wartości 200 mA.

PrzeciÈĝenie (zbyt mocne naïadowanie) Większość baterii „nie lubi” być zbyt mocno naładowana. Jeżeli będziemy ładować je prądem o zbyt dużym natężeniu, uszkodzimy je. Często się wtedy nadmiernie nagrzewają. W przypadku akumulatorków Li-Po możemy sprawić, że się dosłownie zapalą. Z tego powodu ładowarki często pracują przy małym obciążeniu (ang. trickle charging — ładowanie podtrzymujące), dzięki czemu niewielkie natężenie prądu nie uszkadza ogniwa. Oczywiste jest, że z tego powodu naładowanie ogniwa zabiera więcej czasu. W ładowarkach często są wykorzystywane układy czasowe lub specjalne obwody wykrywające pełne naładowanie ogniwa, co powoduje albo zatrzymanie procesu ładowania, albo przejście w stan ładowania podtrzymującego, dzięki czemu ogniwo pozostaje pełne aż do momentu odłączenia. W przypadku niektórych rodzajów akumulatorów, zwłaszcza Li-Po i kwasowo-ołowiowych, ładowanie ich za pomocą stałego napięcia powoduje, że następuje zrównanie napięć baterii i obciążenia, przez co natężenie prądu ogniwa zostaje w naturalny sposób ustabilizowane. Wiele akumulatorków Li-Po ma obecnie wbudowany niewielki układ, automatycznie uniemożliwiający przeciążenie ogniwa. Zawsze powinniśmy wybierać tak zabezpieczone akumulatorki.

PrzeciÈĝenie (zbyt peïne rozïadowanie) Prawdopodobnie zaczynasz uważać, że akumulatorki są bardzo grymaśne. Masz rację. Większość akumulatorków będzie równie „nieszczęśliwa”, jeśli zbyt mocno je rozładujesz i zostawisz zupełnie pozbawione ładunku.

¿ywotnoĂÊ baterii Każdy posiadacz starszego modelu laptopa zauważył pewnie, że pojemność jego akumulatorka stopniowo maleje z roku na rok, aż w końcu komputer musi zostać na stałe podłączony do źródła zasilania. Akumulator stał się kompletnie bezużyteczny. Ogniwa

ROZDZIA’ 5. Baterie i zasilanie

129

akumulatorowe (bez względu na technologię produkcji) mogą zostać naładowane jedynie kilkaset razy (być może około 500), po czym trzeba będzie je wymienić. Wielu producentów urządzeń elektronicznych wbudowuje obecnie akumulatorki do swoich produktów w taki sposób, aby nie były dostępne dla zwykłego użytkownika. Producenci tłumaczą się tym, że żywotność akumulatorka prawdopodobnie przekracza okres zainteresowania użytkownika danym urządzeniem.

’adowanie ogniwa NiMH Jeśli zamierzasz wyciągać do naładowania akumulatorki z urządzenia, możesz pominąć ten podrozdział. Wyciągasz je, umieszczasz w ładowarce akumulatorków NiMH (niklowo-metalowo-wodorkowych) i czekasz, aż się naładują do pełna, po czym wstawiasz je z powrotem do układu. I tyle. Jeśli jednak chcesz naładować ogniwo bez konieczności wyciągania go z urządzenia, musisz poświęcić jeszcze chwilę na zapoznanie się z najlepszym sposobem ładowania akumulatorów NiMH.

Proste ïadowanie Najprostszym sposobem naładowania akumulatorka NiMH jest zagwarantowanie małego obciążenia za pomocą rezystora. Na rysunku 5.2 widzimy schemat ładowarki czterech ogniw NiMH, dla których zasilacz 12 V jest źródłem prądu. Jest to ten sam zasilacz, który wykorzystaliśmy w rozdziale 1. przy wyciągu trujących oparów.

Rysunek 5.2. Schemat ukïadu ïadujÈcego pakiet czterech ogniw NiMH przy niskim obciÈĝeniu

Aby określić wartość rezystora R1, musimy najpierw ustalić, jakim natężeniem prądu chcemy ładować ogniwa. Zasadniczo akumulator NiMH może być bezpiecznie ładowany przez nieokreślony czas z szybkością mniejszą niż 0,1 C. Jeżeli każdy z ładowanych akumulatorków ma pojemność 2000 mAh, to możemy je ładować prądem

130

Zabawy z elektronikÈ o natężeniu nie większym niż 200 mA. Aby jeszcze bardziej zwiększyć bezpieczeństwo i jeżeli chcemy ładować ogniwa przy niskim obciążeniu przez większość czasu — na przykład jeśli mają one stanowić zasilanie rezerwowe — prawdopodobnie zastosowałbym jeszcze mniejsze natężenie, równe szybkości 0,05 C (C/20), czyli 100 mA. Zazwyczaj czas ładowania akumulatorków NiMH wynosi 3C dzielone przez wartość natężenia ładowania, czyli dla 100 mA naładowanie naszych ogniw zajęłoby mniej więcej 3·2000 mAh:100 mA = 60 godzin. Wróćmy teraz do obliczenia naszej rezystancji R1. Po rozładowaniu wszystkich ogniw na każdym z nich będzie występować napięcie o wartości mniej więcej 1 V, czyli napięcie na rezystorze osiągnie wartość 12 V–4 V = 8 V. Zgodnie z prawem Ohma: R = U:I = 8 V:0,1 A = 80 Ω. Będziemy konserwatywni i wybierzemy opornik o okrągłej wartości 100 Ω. W takim przypadku natężenie prądu będzie wynosiło I = U:R = 8 V:100 Ω = 80 mA. Napięcie w pełni naładowanych ogniw wzrośnie do wartości 1,3 V na każdym z nich, a więc natężenie prądu będzie niższe i wyniesie I = U:R = (12 V–4·1,3 V):100 Ω = 68 mA. Wszystko znakomicie się układa, nasz rezystor 100 Ω nadaje się idealnie do zadania. Teraz musimy już tylko określić moc znamionową opornika R1. P = I·U = 0,08 A·8 = 0,64 W = 640 mW Prawdopodobnie powinniśmy więc użyć rezystora o mocy znamionowej 1 W.

Szybkie ïadowanie Jeżeli zależy nam na szybszym naładowaniu akumulatorków, najlepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie zwykłej ładowarki z obwodami kontrolującymi stan ogniw, która przerwie proces ładowania lub przejdzie w stan ładowania podtrzymującego, gdy akumulatorki zostaną już w pełni naładowane.

’adowanie zamkniÚtego akumulatora kwasowo-oïowiowego Akumulatory tego typu są najbardziej stabilne ze wszystkich rodzajów ogniw wielokrotnego użytku i bezproblemowo możemy je ładować w trybie podtrzymywania, podobnie jak to robiliśmy z ogniwami NiMH.

ROZDZIA’ 5. Baterie i zasilanie

131

’adowanie za pomocÈ programowalnego ěródïa prÈdu Jeżeli jednak chcemy ładować je szybciej, najlepiej wprowadzić w takim przypadku stałe napięcie oraz ogranicznik natężenia (ponownie rezystor). W przypadku ogniwa 12 V (wartości zmniejszają się o połowę dla ogniwa 6 V) możemy ładować je prądem o niemal dowolnym natężeniu, dopóki nie osiągnie ono napięcia około 14,4 V. Dopiero wtedy należy zmniejszyć obciążenie układu, aby nasz akumulator się nie zagotował. Na samym początku musimy ograniczyć natężenie prądu, ponieważ nawet jeśli ogniwo się nie rozgrzeje, to okablowanie na pewno stanie się gorące, poza tym każde źródło zasilania może dostarczyć jedynie pewną ilość prądu. Rysunek 5.3 przedstawia programowalne źródło prądu. Jest to jedno z pierwszych narzędzi diagnostycznych, w jakie powinien zaopatrzyć się każdy miłośnik elektroniki. Może ono zastępować ogniwa bateryjne podczas testowania układów, a także służy do ładowania większości rodzajów akumulatorów.

a)

b)

c)

d)

Rysunek 5.3. Programowalne ěródïo prÈdu jako ïadowarka akumulatora kwasowo-oïowiowego

Programowalne źródło prądu umożliwia nam jednoczesną regulację napięcia wyjściowego i maksymalnego natężenia prądu. Urządzenie to będzie więc starało się zapewniać wyznaczone napięcie aż do osiągnięcia maksymalnego natężenia prądu, po czym napięcie spadnie do poziomu, w którym natężenie powróci do zakładanej wartości. Na rysunku 5.3a widzimy źródło prądu ustawione na dostarczanie napięcia 14,4 V. Zasilacz ten został podłączony do wyczerpanego, zamkniętego akumulatora kwasowo-ołowiowego o nominalnych parametrach 12 V i 1,3 Ah. Na początku wprowadzimy minimalną wartość natężenia prądu, aby uniknąć przykrych niespodzianek. Napięcie od razu spada do wartości 11,4 V (rysunek 5.3b), możemy więc stopniowo zwiększać maksymalne natężenie prądu w obwodzie. W rzeczywistości nawet jeśli usuniemy ograniczenie natężenia (przekręcimy pokrętło do końca zgodnie z kierunkiem ruchu

132

Zabawy z elektronikÈ wskazówek zegara), wartość prądu podniesie się do wartości 580 mA, a napięcie wróci do poziomu 14,4 V (rysunek 5.3c). Po mniej więcej dwóch godzinach natężenie spadnie do wartości jedynie 200 mA, co oznacza, że akumulator jest już niemal naładowany. W końcu, po czterech godzinach, natężenie osiągnie wartość 50 mA, gdyż akumulator będzie w pełni naładowany (rysunek 5.3d).

’adowanie akumulatora Li-Po Omówiona powyżej technika ładowania akumulatora kwasowo-ołowiowego za pomocą programowalnego źródła prądu znajduje również zastosowanie w przypadku ogniw Li-Po, pod warunkiem że zagwarantujemy odpowiednie wartości napięcia i natężenia. Dla niewielkich ogniw Li-Po powinniśmy ustawić napięcie 4,2 V oraz ograniczyć prąd (zazwyczaj do około 0,5 A), ale w przypadku pojazdów sterowanych radiowo czasami są stosowane większe natężenia (akumulatory typu C). Jednak w przeciwieństwie do ogniw kwasowo-ołowiowych i NiMH, nie możemy łączyć baterii Li-Po szeregowo ze sobą i ładować ich jak jednego wielkiego akumulatora. Musimy albo ładować je osobno, albo wprowadzić „ładowarkę równoważoną”, sprawdzającą osobno napięcie na poszczególnych ogniwach oraz regulującą dostarczanie do nich prądu. Najbezpieczniejszą i najskuteczniejszą metodą ładowania ogniw Li-Po jest zakup jednego z przeznaczonych do tego celu układów. Nie są to drogie elementy, jednak najczęściej są spotykane jako podzespoły montowane powierzchniowo. Na szczęście dostępne są gotowe moduły, zwykle wykorzystujące układ MCP73831. Na rysunku 5.4 zostały zaprezentowane dwa tego typu przykłady — jeden pochodzi z serwisu SparkFun (kod M16 w dodatku), drugi zaś został zakupiony za grosze na aukcji eBay.

Rysunek 5.4. ’adowarki ogniw Li-Po

ROZDZIA’ 5. Baterie i zasilanie

133

Obydwie ładowarki są wykorzystywane w ten sam sposób. Pozwalają one na ładowanie jednego ogniwa Li-Po (3,7 V) poprzez wejście USB 5 V. Ładowarka z serwisu SparkFun ma dwa dodatkowe wejścia — jedno do podłączenia ogniwa, a drugie stanowi alternatywne podłączenie do obwodu. Zamysł jest taki, żeby można było podłączyć tworzone/testowane urządzenie do baterii. Połączenia mogą być często spotykanymi w akumulatorach Li-Po złączami JST lub zwykłymi zaciskami śrubowymi. Istnieje nawet możliwość regulacji natężenia prądu za pomocą interfejsu. Standardowa ładowarka widoczna po prawej stronie rysunku 5.4 ma stałą wartość natężenia równą 500 mA i tylko jedno podłączenie do baterii. Nie najlepszym pomysłem jest ładowanie podtrzymujące ogniwa Li-Po. Jeżeli chcemy, aby akumulator był ciągle naładowany (na przykład w celu zapewnienia zasilania awaryjnego), powinien być ciągle podłączony do ładowarki.

Modyfikowanie baterii do telefonu komórkowego Większość ludzi posiada obecnie jeden lub dwa telefony komórkowe pochowane po szufladach, a jednym z użytecznych podzespołów, jakie możemy wydobyć z tego urządzenia (zakładając, że nie jest to główny powód, dla którego je trzymamy), jest bateria. Drugim takim przydatnym elementem jest zasilacz. Na rysunku 5.5a widzimy typowy, klasyczny akumulator do komórki. Jego napięcie wynosi 3,7 V (pojedyncze ogniwo), a jego pojemność to 1600 mAh (dobry wynik). Baterie do telefonu komórkowego zazwyczaj mają więcej wyjść niż standardowe bieguny dodatni i ujemny. Musimy więc najpierw rozpoznać wyjścia na baterii. Aby wykryć bieguny w takiej baterii, wystarczy podłączyć do niej miernik w zakresie prądu stałego 20 V i testować każdą kombinację par połączeń, dopóki nie natrafimy na wartość zbliżoną do 3,5 V — w zależności od poziomu naładowania baterii (rysunek 5.5b). Baterie do telefonów komórkowych często mają zestyki pokryte warstwą złota, dzięki czemu można do nich bardzo łatwo dolutować przewody. Po podłączeniu kabli możemy skorzystać z ładowarki opisanej w poprzednim podrozdziale. Rysunek 5.5c przedstawia moduł ładowarki ze sklepu SparkFun wykorzystany w tym właśnie celu. Ostrzeĝenie Podczas uĝytkowania akumulatora Li-Po powinieneĂ pamiÚtaÊ, ĝe zbyt mocne rozïadowanie (poniĝej 3 V na ogniwo) spowoduje jego nieodwracalne uszkodzenie. WiÚkszoĂÊ nowych akumulatorów Li-Po ma wbudowany ukïad elektroniczny, automatycznie przerywajÈcy obwód w celu unikniÚcia ryzyka zbytniego rozïadowania, ale w starszych bateriach moĝe on nie wystÚpowaÊ.

134

Zabawy z elektronikÈ

a)

b)

c) Rysunek 5.5. Modyfikowanie akumulatorka do telefonu komórkowego

Regulacja napiÚcia na baterii Problem z bateriami jest taki, że pomimo początkowej wartości napięcia 1,5 V, 3,7 V czy 9 V będzie ono malało w trakcie rozładowywania — nierzadko w dość dużym stopniu. Przykładowo całkiem nowa bateria alkaliczna AA na początku ma napięcie 1,5 V, które pod obciążeniem szybko spada do 1,3 V, ale aż do poziomu 1 V dostarcza ona ciągle użytecznej energii. Oznacza to, że w przypadku pakietu czterech ogniw AA napięcie na nim będzie mieściło się w przedziale od 4 V do 6 V. Z takim spadkiem wartości napięcia spotkamy się w większości ogniw (zarówno jednorazowych, jak i akumulatorków). Nie musi to mieć wielkiego znaczenia; wszystko zależy od zasilanego obiektu. Jeżeli zasilamy silnik, to przy niższym napięciu będzie miał po prostu niższe obroty, a w przypadku diody LED będzie ona świeciła nieco słabiej. Niektóre układy scalone mają jed-

ROZDZIA’ 5. Baterie i zasilanie

135

nak bardzo wąski zakres tolerancji napięcia. Istnieją układy zaprojektowane do działania pod napięciem 3,3 V, dla których jego maksymalna dopuszczalna wartość wynosi 3,6 V. W przypadku zbyt niskiego napięcia taki układ po prostu przestanie działać. W rzeczywistości wiele układów cyfrowych, takich jak mikrokontrolery, pracuje przy standardowym napięciu 3,3 V lub 5 V. Aby zagwarantować stały poziom napięcia w obwodzie, potrzebujemy elementu zwanego regulatorem napięcia. Na szczęście dla nas takie regulatory istnieją w postaci trójwejściowych, tanich układów elektronicznych, które możemy bez problemu wykorzystać. Podzespoły te przypominają z wyglądu tranzystory, a im większy regulator, tym większy prąd może kontrolować. Rysunek 5.6 przedstawia schemat układu wykorzystującego najpopularniejszy typ regulatora napięcia — układ 7805.

Rysunek 5.6. Schemat regulatora napiÚcia

Kombinacja zaledwie dwóch kondensatorów i układu 7805 sprawia, że możemy przekształcić każde napięcie wejściowe z zakresu od 7 V do 25 V w stałe napięcie 5 V. Kondensatory przechowują niewielką ilość ładunku i zapewniają w ten sposób stabilność pracy układu scalonego. W poniższym eksperymencie wykorzystującym układ 7805 nie będziemy wprowadzać kondensatorów, ponieważ napięcie zasilające ma stałą wartość 9 V (z baterii), a jedynym obciążeniem na wyjściu jest rezystor (rysunek 5.7).

Rysunek 5.7. Testowanie ukïadu 7805

136

Zabawy z elektronikÈ Kondensatory zaczynają odgrywać znaczącą rolę w obwodach mających różne obciążenia (gdy pojawiają się różnice w natężeniu prądu). Jest to sytuacja prawdziwa dla większości obwodów.

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Oznaczenie

Przedmiot

Kod w dodatku

Nielutowana płytka montażowa

N5

Regulator napięcia 7805

Z1, P4

1

Zacisk na baterie

S2

1

Bateria PP3 9 V

1 1

IC1

Podłączamy okablowanie tak jak na rysunku 5.8.

Rysunek 5.8. Rozmieszczenie elementów obwodu wykorzystujÈcego ukïad 7805 na pïytce montaĝowej

Pïytka montaĝowa Po podłączeniu baterii miernik powinien wskazywać napięcie zbliżone do 5 V. Chociaż napięcie 5 V jest często wykorzystywane w układach elektronicznych, istnieją regulatory kontrolujące różne wartości napięcia, a także takie urządzenia jak omawiany w rozdziale 4. regulator LM317, który można skonfigurować nie tylko do utrzymywania stałego poziomu natężenia, lecz również napięcia.

ROZDZIA’ 5. Baterie i zasilanie

137

W tabeli 5.5 zostały wypisane najpopularniejsze rodzaje regulatorów napięcia, które zapewniają różne poziomy napięcia wyjściowego oraz mają odmienne mechanizmy kontrolowania natężenia. Tabela 5.5. Regulatory napiÚcia

NapiÚcie wyjĂciowe

100 mA

1–2A

3,3 V

78L33

LF33CV

5V

78L05

7805 (kod S4 w dodatku)

9V

78L09

7809

12 V

78L12

7812

Podwyĝszanie napiÚcia Układ kontrolujący napięcie z podrozdziału „Regulacja napięcia na baterii” działa tylko wtedy, gdy napięcie wejściowe jest wyższe od napięcia wyjściowego. Zazwyczaj te napięcia muszą się różnić pomiędzy sobą o kilka woltów, istnieje jednak droższa kategoria regulatorów napięcia zwanych regulatorami LDO (ang. low drop out — niewielka różnica pomiędzy napięciem wejściowym a wyjściowym), które potrzebują napięcia wyższego na wejściu o jedynie pół wolta od napięcia na wyjściu. Czasami jednakże wygodniej jest korzystać z pojedynczego ogniwa Li-Po 3,7 V, gdy napięcie obwodowe ma osiągnąć wyższą wartość (zazwyczaj 5 V) — dobrym przykładem są tutaj telefony komórkowe. W takich sytuacjach możemy wprowadzić bardzo przydatny układ, znany jako przekształtnik obniżająco-podwyższający (ang. buck-boost converter). Składa się on z układu scalonego oraz z cewki (zwoju przewodu). Wyższe napięcie jest generowane poprzez wysyłanie impulsów do cewki. Sam proces jest bardziej skomplikowany, ale znamy już ogólny zarys. Przekształtniki obniżająco-podwyższające są powszechnie dostępne w postaci modułów. Za kilkanaście złotych znajdziemy przekształtniki 1 A, dzięki którym możemy otrzymać regulowane napięcie wyjściowe w zakresie od 5 V do 25 V z napięcia wejściowego 3,7 V. Wpisz w wyszukiwarce „Przetwornica napięcia 3,7 V”. Główni dostawcy modułów oferują tego typu urządzenia w cenie od kilkunastu do kilkudziesięciu złotych. W serwisie SparkFun możemy natknąć się na interesujący moduł (symbol M17 w dodatku), w którym ładowarka baterii Li-Po jest połączona z przekształtnikiem

138

Zabawy z elektronikÈ obniżająco-podwyższającym napięcie, dzięki czemu możemy ładować akumulator Li-Po za pomocą zewnętrznego źródła napięcia 5 V, a także używać ogniwa Li-Po 3,7 V do zapewniania napięcia 5 V (rysunek 5.9).

Rysunek 5.9. Moduï ïadowarki ogniw Li-Po i przetwornica napiÚcia w jednym

Moduł ten rozwiązuje wszystkie problemy związane z koniecznością ładowania akumulatora Li-Po in situ. Używane przez nas urządzenie, na przykład mikrokontroler 5 V, łączymy z zasilaniem oraz masą, akumulator wstawiamy do zacisku i żeby naładować dany układ, wystarczy podłączyć kabel USB.

Obliczanie czasu dziaïania baterii Poruszyliśmy już zagadnienie pojemności baterii — czyli ilości przechowywanych miliamperogodzin. Podczas wybierania odpowiednio pojemnych ogniw do projektu musimy jednak brać pod uwagę również inne czynniki. To kwestia zdrowego rozsądku, ale mimo wszystko czasami łatwo o pomyłkę. Zaprojektowałem na przykład ostatnio automatycznie otwierane drzwi do kurnika. Otwierają się one o świcie, a zamykają, gdy zaczyna się ściemniać. Steruje nimi elektryczny silnik, a tego typu urządzenia pożerają mnóstwo prądu, musiałem więc zdecydować się na wybór odpowiedniej baterii. Na początku pomyślałem o wielkich ogniwach D lub o akumulatorze kwasowo-ołowiowym. Gdy przeszedłem do obliczeń, tak pojemne baterie okazały się zbędne. Chociaż silnik w czasie pracy pobiera prąd o natężeniu 1 A, tak naprawdę jest uruchamiany tylko 2 razy na dobę i za każdym razem pracuje przez mniej więcej 3 sekundy. Przez obwód regulujący płynie nieprzerwanie prąd o natężeniu 1 mA. Obliczmy więc ilość mAh zużywanych codziennie przez obwód oraz silnik, a następnie sprawdźmy, jak długo wytrzymałyby przy takim obciążeniu poszczególne rodzaje baterii.

ROZDZIA’ 5. Baterie i zasilanie

139

Zacznijmy od silnika: 1 A·3 s·2 = 6 As = 6:3600 Ah = 0,0016 Ah = 1,6 mAh dziennie Z drugiej strony mamy układ regulujący, który uważałem za część urządzenia pobierającą mniej prądu: 1 mA·24 h = 24 mAh dziennie Oznacza to, że możemy zignorować obciążenie generowane przez silnik, ponieważ nie stanowi ono nawet jednej dziesiątej energii wymaganej przez kontroler. Powiedzmy, że potrzebuję dziennie 25 mAh. Baterie AA zawierają średnio 3000 mAh, jeśli więc wykorzystalibyśmy je w omówionym przykładzie, wystarczyłyby na 3000 mAh:25 mAh dziennie = 120 dni. Jak więc widać, nie musimy szukać dalej. Baterie AA okazują się w zupełności wystarczające. Ostatecznie i tak zastosowałem panel słoneczny, który zostanie jeszcze omówiony w podrozdziale „Stosowanie ogniw słonecznych”.

Projektowanie zasilania awaryjnego na baterie Wymiana baterii to proces niewygodny i kosztowny, dlatego często wychodzi taniej i prościej, gdy podłączymy urządzenie do zwykłego gniazdka. Rozwiązanie to ma jednak również pewne wady: x urządzenie zostaje uzależnione od przewodu zasilającego, x jeżeli nastąpi spadek napięcia w domu, nasze urządzenie również zostanie wyłączone. Zalety obydwu tych mechanizmów osiągniemy po ich połączeniu ze sobą poprzez utworzenie automatycznego zasilania awaryjnego na baterie, które zabezpiecza dane urządzenie przed spadkami napięcia. Zatem jednocześnie są wykorzystywane baterie i standardowe zasilanie, ogniwa zaczynają jednak działać dopiero wtedy, gdy główne źródło prądu nie dostarcza energii.

Diody Nie chcemy, aby napięcia pochodzące z baterii i zasilacza kolidowały ze sobą. Na przykład jeśli napięcie zasilacza jest wyższe od napięcia baterii, to będą one ładowane. Jednak bez ogranicznika prądu mogłoby to mieć katastrofalne skutki, zwłaszcza w przypadku baterii jednorazowych.

140

Zabawy z elektronikÈ Na rysunku 5.10 został przedstawiony ogólny schemat zasilania awaryjnego. Napięcie podstawowego zasilania zawsze musi być wyższe od napięcia baterii, stąd wartości odpowiednio 12 V i 9 V. Zakładamy również na schemacie, że zasilanie awaryjne służy do zapalania żarówki.

Rysunek 5.10. Schemat zasilania awaryjnego

Pamiętaj, że diody zachowują się jak jednokierunkowe zawory. Prąd może przepływać przez nie tylko w jedną stronę, wskazywaną przez kierunek strzałek na schemacie. Rozważmy więc trzy warianty przepływu prądu w tym układzie: prądu samego zasilacza, prądu samych baterii oraz prądu jednocześnie z zasilacza i baterii (rysunek 5.11).

Rysunek 5.11. Funkcje diod w obwodzie zasilania awaryjnego

Sama bateria Jeżeli tylko na baterii będzie niezerowe napięcie (inaczej mówiąc, zasilacz zostanie odłączony), będziemy mieli do czynienia z sytuacją widoczną na rysunku 5.11a. Na anodzie diody D2 pojawi się napięcie 9 V, a jej katoda będzie połączona z masą w wyniku obciążenia generowanego przez żarówkę. W ten sposób dioda zostanie spolaryzowana w kierunku przewodzenia i będzie przepuszczać prąd do żarówki. Tak spolaryzowana dioda będzie miała niemal stałe napięcie 0,5 V, dlatego możemy stwierdzić, że napięcie za nią wynosi 8,5 V.

ROZDZIA’ 5. Baterie i zasilanie

141

Z drugiej strony dioda D1 będzie miała wyższe napięcie (8,5 V) na katodzie (prawa strona schematu) niż na anodzie (0 V), czyli zostanie spolaryzowana w kierunku zaporowym. Sam zasilacz Jeżeli podłączymy wyłącznie zasilacz (rysunek 5.11b), polaryzacje obydwu diod zostaną odwrócone i teraz prąd będzie przepływał z diody D1 do żarówki. Zasilacz i bateria Na rysunku 5.11c widzimy sytuację, w której zostały jednocześnie podłączone bateria i zasilacz. Napięcie zasilacza 12 V sprawi, że na katodzie diody D2 będzie miało ono wartość 11,5 V. Ponieważ napięcie diody D2 jest dostarczane przez baterię 9 V, pozostanie ona spolaryzowana w kierunku zaporowym.

’adowanie podtrzymujÈce Nasz obwód zawiera baterię oraz zasilacz, więc niemal wszystkie elementy potrzebne do ładowania ogniw. Moglibyśmy do kasetki na baterie włożyć sześć akumulatorków AA i stworzyć obwód ładujący je z szybkością C/20 (przy założeniu, że C = 2000 mAh) lub inaczej — przy natężeniu 100 mA. W ten sposób akumulatorki byłyby przez cały czas naładowane i zapewniałyby oświetlenie w razie awarii głównego zasilania. Schemat takiego układu został przedstawiony na rysunku 5.12.

Rysunek 5.12. Zasilanie awaryjne i ïadowarka

Dość nieoczekiwanie pojawiła się tu dioda D3. Umieściłem ją tylko dlatego, że nie wiemy, jak został zaprojektowany zasilacz, więc nie możemy przewidzieć, co się stanie

142

Zabawy z elektronikÈ po jego wyłączeniu, gdy baterie zostaną sprzężone z jego wyjściem (poprzez rezystor R1). Mogłoby to spowodować rozładowanie baterii lub uszkodzenie zasilacza. Dioda D3 służy jako zabezpieczenie zasilacza, do którego nie przepłynie teraz prąd. Chcemy, aby przez rezystor R1 płynął prąd ładowania o natężeniu 100 mA. Wiemy, że przy jednoczesnym podłączeniu zasilacza i baterii napięcie na tym rezystorze wyniesie 12 V–0,5 V–9 V, czyli 2,5 V. Zgodnie z prawem Ohma powinniśmy wziąć opornik o rezystancji: R = U:I = 2,5 V:0,1 A = 25 Ω Najbliższy tej wartości rezystor ma oporność 27 Ω. Moc wydzielana na tym rezystorze: P = U2:R = (2,5 V)2:27 Ω = 0,23 W. Powinien nam wystarczyć rezystor ćwierć- lub półwatowy.

Stosowanie ogniw sïonecznych Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że ogniwa słoneczne są doskonałymi źródłami zasilania. Przekształcają energię świetlną na elektryczną i, teoretycznie, stosując je, nie musielibyśmy już wymieniać baterii ani podłączać się do gniazdka! Jak to jednak zwykle bywa, rzeczywistość nie jest tak różowa. Niewielkie ogniwa słoneczne generują małą ilość prądu i dlatego najbardziej się nadają do urządzeń niskiej mocy oraz do wynalazków tworzonych z dala od pomieszczeń z elektrycznością. Jeżeli myślisz o wykorzystaniu ogniw słonecznych w urządzeniu używanym we wnętrzu domu, to nie ma sensu (chyba że ogniwa będą ustawione tuż przy oknach). Baterie słoneczne nie potrzebują bezpośredniego dostępu do światła, jednak jeżeli mają wytwarzać użyteczną ilość prądu, nic nie powinno zasłaniać im nieba. Stworzyłem dwa urządzenia wykorzystujące energię słoneczną: radio zasilane ogniwami słonecznymi (panel słoneczny ma rozmiary radia oraz oczywiście musi stać przy oknie) i automatycznie otwierane drzwi do kurnika. Jeżeli mieszkasz w nasłonecznionym miejscu, to korzystanie z energii światła będzie dla Ciebie o wiele łatwiejszym zadaniem. Typowy panel słoneczny został zaprezentowany na rysunku 5.13. Został on wymontowany ze światła alarmowego. Jego rozmiary to około 15 cm na 10 cm i ma on obrotowe mocowanie, pozwalające na ustawienie odpowiedniego kąta względem słońca. Wykorzystałem ten panel do zasilania automatycznych drzwi. W projektach wykorzystujących panele słoneczne niemal zawsze są obecne również akumulatorki. Panel więc ładuje baterię, która następnie zostaje rozładowana przez resztę obwodu.

ROZDZIA’ 5. Baterie i zasilanie

143

Rysunek 5.13. Panel sïoneczny

Niewielkie ogniwa słoneczne generują napięcie o wartości zaledwie pół wolta, muszą być więc połączone ze sobą w większe panele, dzięki którym uzyskujemy napięcie wystarczająco wysokie, aby móc naładować baterię. Napięcie spotykane na panelu słonecznym odnosi się zazwyczaj do napięcia akumulatorka, który może zostać naładowany. Dość często możemy natrafić na panele 6 V i 12 V. Kiedy mierzymy napięcie takiego panelu w silnym oświetleniu, wynik będzie o wiele wyższy, często rzędu 20 V dla panelu 12 V. Wartość napięcia spada jednak gwałtownie przy obciążeniu wynikającym z ładowania baterii.

Testowanie panelu sïonecznego Każdy panel słoneczny ma opisane w karcie katalogowej moc nominalną oraz napięcie znamionowe. Są to parametry wyliczone dla idealnych warunków, więc zawsze testuję nowy model przed wdrożeniem go do projektów, aby poznać jego realne możliwości. Jeżeli nie znamy mocy otrzymywanej w rzeczywistych warunkach, trudno wyznaczyć bezpieczne wartości dotyczące pojemności baterii oraz poziomu natężenia prądu w obwodzie. Podczas testowania panelu słonecznego powinniśmy wprowadzić „sztuczne obciążenie” w postaci rezystora, a następnie sprawdzać napięcie na tym oporniku w różnych warunkach oświetlenia oraz w różnych miejscach. W ten sposób będziemy mogli obliczyć natężenie prądu dostarczanego przez panel. Na rysunku 5.14 przedstawiłem takie środowisko testowe dla panelu zamontowanego w kurniku. Miernik pokazuje na oporniku 100 Ω napięcie o wartości zaledwie 0,18 V. Zdjęcie zostało wykonane w podświetlanym pudełku. Na podstawie posiadanych danych możemy wyliczyć, że przez obwód płynie prąd o natężeniu 1,8 mA. Przydatnym narzędziem do analizowania wydajności paneli słonecznych jest arkusz kalkulacyjny. Rysunek 5.15 prezentuje fragment danych umieszczanych w arkuszu kalkulacyjnym wraz z wykresem. Informacje te możemy później zarchiwizować i wykorzystać przy kolejnym projekcie.

144

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 5.14. Testowanie panelu sïonecznego

Rysunek 5.15. Informacje o panelu sïonecznym

Jak widać, panel słoneczny generuje tylko 1 – 2 mA w pomieszczeniu, nawet w warunkach silnego oświetlenia. Uzyskałem lepsze wyniki po wystawieniu panelu na zewnątrz i odsłonięciu widoku na niebo, ale największa wydajność zostaje osiągnięta dopiero w pełnym słońcu.

’adowanie podtrzymujÈce za pomocÈ panelu sïonecznego Ponieważ panele słoneczne wytwarzają całkiem duże napięcia nawet w warunkach słabego oświetlenia, można za ich pomocą w prosty sposób ładować baterie przy niskim obciążeniu. Powinniśmy jednak zawsze zabezpieczać panel diodą, na wypadek gdyby

ROZDZIA’ 5. Baterie i zasilanie

145

bateria uzyskała wyższe napięcie od panelu (na przykład w nocy). Takie odwrócenie przepływu prądu uszkodzi panel. Schemat typowego, prostego obwodu pozwalającego na ładowanie podtrzymujące baterii został ukazany na rysunku 5.16.

Rysunek 5.16. Schemat obwodu ïadowania podtrzymujÈcego opartego na panelu sïonecznym

Obecnie bardzo często spotykamy akumulatory kwasowo-ołowiowe, które są ładowane podtrzymująco za pomocą paneli słonecznych. Wynika to z własności tego typu akumulatorów — nie zostają one uszkodzone w przypadku lekkiego przeładowania oraz wolniej ulegają samoistnemu rozładowaniu w porównaniu do na przykład akumulatorów NiMH.

Zmniejszanie zuĝycia prÈdu Podczas projektowania urządzenia wykorzystującego zewnętrzny panel słoneczny musimy upewnić się, że taki układ zasilający zaspokoi nasze wymagania energetyczne. Osoba mieszkająca w południowej Kalifornii ma ułatwione zadanie. Słońce świeci tam przez większą część roku. Jeżeli jednak mieszkasz daleko od równika, na terenie objętym klimatem morskim, gdzie pogoda przez część dnia jest pochmurna, to zimowe dni są tam krótsze. Zimową porą często trafiają się całe tygodnie zachmurzonego nieba, a do tego dni są bardzo krótkie. Jeżeli Twoje urządzenie ma działać przez cały rok, musisz zaopatrzyć się albo w pojemną baterię, potrafiącą dostarczać energii na kilka tygodni, albo w większy panel słoneczny. Obliczenia są bardzo proste. Panel słoneczny dostarcza miliamperogodzin do baterii, które z kolei zasilają urządzenie. Urządzenie to może działać przez całą dobę, ale panel słoneczny „pracuje” jedynie przez pół doby (w dzień). Musisz więc przygotować się na najgorszy scenariusz, gdy panel słoneczny nie będzie wykorzystywany przez tydzień lub dwa tygodnie, i zaprojektować odpowiedni układ.

146

Zabawy z elektronikÈ Prawdopodobnie łatwiej i taniej wyjdzie nam zminimalizowanie wartości prądu zużywanego przez urządzenie niż zakup większego panelu słonecznego i pojemniejszej baterii.

Podsumowanie Poznałeś już sposoby zasilania naszych projektów. W następnym rozdziale nauczysz się posługiwać bardzo popularnym mikrokontrolerem Arduino.

6 Zabawy z Arduino

M

ikrokontrolery to w istocie niewielkie komputery montowane na kości układu scalonego, niewymagające dostarczania dużej ilości prądu. Mają gniazda wejścia-wyjścia, do których podłączamy różnorodne elementy, dzięki czemu uzyskują rozmaite zastosowania. Dawniej korzystanie z mikrokontrolera było dość złożonym procesem, ponieważ należało go zaprogramować. Najczęściej używanymi językami były asembler oraz złożony C. Projektowanie układów wykorzystujących mikrokontroler wymagało więc poświęcenia czasu na naukę. Dlatego też mikrokontrolery nie były zbyt popularne wśród amatorów elektroniki, którym mogłyby służyć do modyfikowania urządzeń. W tym miejscu pojawia się Arduino (rysunek 6.1). Jest to prosty, tani, gotowy do użycia układ, znacznie upraszczający implementację mikrokontrolera do projektu. Istnieją różne odmiany układu Arduino, będącego jedną z najważniejszych platform wykorzystywanych zarówno przez zawodowych elektroników, jak i entuzjastów. Tak wielką popularność Arduino zawdzięcza kilku czynnikom: x niskiej cenie, x konstrukcji sprzętu opartej na koncepcji otwartej architektury, x przystępnemu zintegrowanemu środowisku programistycznemu (ang. Integrated Development Environment — IDE), x dołączanym modułom rozszerzeń (ang. shield), które można montować na powierzchni Arduino w celu uzyskania nowych funkcji, na przykład wyświetlacza albo sterownika silnika.

148

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 6.1. Mikrokontroler Arduino Uno

Wszystkie aplikacje dla Arduino stworzone na potrzeby tej książki są dostępne na serwerze wydawnictwa Helion (ftp://ftp.helion.pl/przyklady/zabele.zip). Zdecydowana większość przykładów została zoptymalizowana pod kątem działania zarówno na układzie Arduino Uno, jak i Arduino Leonardo. Jednakże dwa projekty — „Automatyczne wpisywanie haseł” oraz „Kontroler muzyczny podłączany pod gniazdo USB” (rozdział 9.) — działają wyłącznie z układem Arduino Leonardo. Mikrokontroler Leonardo jest nowszym układem. Nie wszystkie moduły rozszerzeń mogą współpracować z Arduino Leonardo. Dotyczy to również wszelkich modułów ethernetowych starszego typu (starszych od wersji 3.). Jeżeli więc masz dawniejszą wersję modułu ethernetowego, to przykłady zawarte w podrozdziale „Sterowanie przekaźnikiem z poziomu strony internetowej” będą działać z układem Arduino Uno, ale już nie z Arduino Leonardo (trzeba się wtedy zaopatrzyć w nowszą wersję modułu rozszerzeń).

Konfiguracja ukïadu Arduino (oraz migotanie diody LED) Aby zaprogramować układ Arduino, musimy najpierw zainstalować zintegrowane środowisko programistyczne na komputerze. Jest ono dostępne dla systemów Windows, Mac oraz dla Linuksa.

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

149

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

Konfiguracja ukïadu Arduino Pierwszym etapem jest pobranie oprogramowania z oficjalnej strony Arduino: http:// arduino.cc/en/Main/Software. Po pobraniu aplikacji możesz wejść na stronę http://arduino.cc/en/Guide/HomePage, aby dowiedzieć się, jak ją zainstalować w danym systemie operacyjnym. Układ Arduino jest na tyle przyjazny, że do rozpoczęcia zabawy wystarczy sam mikrokontroler, komputer oraz łączący je przewód USB. Układ Arduino może być nawet zasilany przez port USB. Na rysunku 6.2 widzimy układ Arduino Uno (najpopularniejsza odmiana mikrokontrolera) podłączony do laptopa z włączonym środowiskiem programistycznym.

Rysunek 6.2. Ukïad Arduino, laptop i kura

150

Zabawy z elektronikÈ Aby udowodnić, że mikrokontroler Arduino działa, zaprogramujemy go w taki sposób, aby umieszczona na nim dioda LED (oznaczona skrótem „L”) zaczęła błyskać. Uruchamiamy najpierw środowisko testowe na komputerze. Następnie wchodzimy do menu Plik (rysunek 6.3), wybieramy tam opcję Przykłady, a następnie 01.Basics i w końcu — Blink.

Rysunek 6.3. Wczytywanie szkicu Blink

Aby za bardzo nie zniechęcić osób nieznających się na programowaniu, programy pisane na Arduino są nazywane szkicami (ang. sketch). Przed wysłaniem szkicu Blink do mikrokontrolera musimy określić w środowisku testowym rodzaj posiadanego przez nas układu. Najczęściej spotykanym układem jest Arduino Uno, zakładam więc w tym rozdziale, że Ty również go masz. W menu Narzędzia wybieramy opcję Płytka i zaznaczamy rodzaj posiadanego przez nas układu, w tym przypadku Arduino Uno (rysunek 6.4). Oprócz rodzaju mikrokontrolera musimy również zdefiniować port, przez który będziemy się łączyć z komputerem. W systemach Windows nie ma z tym problemu, ponieważ zawsze mamy do dyspozycji porty COM3 albo COM4 (rysunek 6.5). W przypadku systemów Mac oraz Linuksa istnieje większa liczba urządzeń podłączanych szeregowo. Środowisko programistyczne Arduino pokazuje je jednak w kolejności połączeń, więc płytka Arduino powinna znajdować się na samej górze listy. Aby w końcu przesłać szkic do mikrokontrolera, kliknij przycisk Załaduj umieszczony na pasku narzędzi. Jest to drugi przycisk; na rysunku 6.6 został dodatkowo podświetlony.

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

151

Rysunek 6.4. Wybór mikrokontrolera

Rysunek 6.5. Wybór portu szeregowego

Po wciśnięciu przycisku Załaduj powinno wydarzyć się kilka rzeczy. Przede wszystkim podczas pierwszej kompilacji szkicu (przekształcania go na postać zrozumiałą dla mikrokontrolera) pojawi się pasek postępu. Następnie diody LED, oznaczone jako Rx oraz Tx, powinny na chwilę się zaświecić.

152

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 6.6. Przesyïanie szkicu Blink

Na koniec nasza dioda L zacznie wreszcie migotać. W środowisku IDE pojawi się następujący komunikat Wielkość binarna szkicu: 1 084 bajtów (maksymalnie: 32 256 bajtów). Oznacza to, że ten szkic wykorzystuje 1 kB z dostępnej puli 32 kB pamięci urządzenia. Zwróć uwagę, że jeśli korzystamy z układu Leonardo, może zaistnieć potrzeba przytrzymania wciśniętego przycisku Reset aż do pojawienia się komunikatu o przesyłaniu szkicu.

Modyfikowanie szkicu Blink Istnieje prawdopodobieństwo, że po podłączeniu układu do komputera dioda L zacznie od razu migotać. Mikrokontrolery Arduino często mają domyślnie zainstalowany szkic Blink. Jeżeli tak jest w Twoim przypadku, możesz sprawdzić, czy układ poprawnie działa, poprzez modyfikację częstotliwości migotania diody LED. Przyjrzymy się teraz budowie szkicu Blink i zastanowimy, jak możemy przyśpieszyć błyskanie.

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

153

Pierwsza część kodu to komentarz objaśniający, co się dzieje w danym fragmencie szkicu. Komentarz nie jest traktowany jako element właściwego kodu i wycięcie tego typu wstawek jest jednym z etapów kompilacji. Wszystkie znaki znajdujące się pomiędzy znacznikami /* oraz */ są ignorowane. /* Blink Naprzemiennie wáącza i wyáącza diodĊ LED na jedną sekundĊ. Niniejszy przykáadowy kod stanowi wáasnoĞü publiczną. */

Następnie widzimy dwie oddzielne linijki komentarza oznaczone symbolem //. Podobnie jak pokazany wyżej komentarz blokowy, te pojedyncze wiersze znalazły się tu w celach czysto informacyjnych. W tym przypadku bardzo się przydają, gdyż dowiadujemy się dzięki nim, że wywołujemy migotanie za pomocą nóżki 13. Wybraliśmy tę nóżkę, ponieważ w układzie Arduino Uno jest ona bezpośrednio połączona z diodą L. // NóĪka 13. w wiĊkszoĞci modeli Arduino áączy siĊ z diodą LED. // Nadajmy nóĪce nazwĊ: int led = 13;

Następny fragment szkicu zawiera funkcję setup („konfiguracyjną”). Każdy szkic musi mieć tę funkcję, która jest odczytywana po każdym ponownym włączeniu mikrokontrolera, zarówno z powodu wciśnięcia przycisku Reset, jak też po włączeniu układu. // Podprogram setup jest uruchamiany raz, po wciĞniĊciu przycisku Reset: void setup() { // inicjalizacja cyfrowej nóĪki jako wyjĞcia. pinMode (led, OUTPUT); }

Powyższa konstrukcja może wprawić w lekkie zakłopotanie osoby, które nie mają kontaktu z językami programowania. Funkcja jest częścią kodu, która otrzymała własną nazwę (w tym przypadku jest to nazwa setup). Na razie uznaj pokazany fragment za wzorzec i pamiętaj, że pierwszy wiersz kodu musi zaczynać się formułką void setup() {. Pod nią wstawiamy wszystkie potrzebne polecenia, każdy wiersz kończymy znakiem ;, koniec funkcji zamykamy natomiast nawiasem }. W tym przypadku jedynym poleceniem (pinMode (led, OUTPUT);), jakie ma wykonać Arduino, jest przyporządkowanie zdefiniowanej przez nas wcześniej nóżce roli wyjścia, co nie powinno Cię zbytnio dziwić. Docieramy w końcu do głównego dania: funkcji loop („pętla”). Podobnie jak w przypadku funkcji setup, każdy szkic musi zawierać funkcję loop. W przeciwieństwie jednak do tej pierwszej, wywoływanej jedynie w przypadku ponownego uruchomienia mikrokontrolera, druga funkcja jest przetwarzana przez cały czas.

154

Zabawy z elektronikÈ Oznacza to, że program wraca do początku funkcji po wykonaniu wszystkich instrukcji i ponownie przetwarza zawarte w niej operacje. W funkcji loop zapalamy najpierw diodę za pomocą instrukcji digitalWrite (led, HIGH). Utrzymujemy ten stan przez sekundę dzięki poleceniu delay(1000). Wartość 1000 oznacza tysiąc milisekund, czyli jedną sekundę. Następnie wyłączamy diodę LED i opóźniamy jej zaświecenie o sekundę, po czym powtarzamy cały cykl. // procedura loop pozostaje na zawsze zapĊtlona void loop() { digitalWrite(led, HIGH); delay(1000); digitalWrite(led, LOW); delay(1000); }

// zapala diodĊ LED (wartoĞü HIGH oznacza stan wysoki napiĊcia) // sekunda opóĨnienia // gasi diodĊ poprzez przejĞcie w stan niski (LOW) napiĊcia // sekunda opóĨnienia

Aby zwiększyć częstotliwość migotania diody LED, zmieńmy obydwie wartości opóźnienia z 1000 na 200. Zmiany wprowadzamy wewnątrz funkcji loop, będzie więc ona wyglądała następująco: void loop() { digitalWrite(led, HIGH); delay(200); digitalWrite(led, LOW); delay(200); }

// zapala diodĊ LED (wartoĞü HIGH oznacza stan wysoki napiĊcia) // sekunda opóĨnienia // gasi diodĊ poprzez przejĞcie w stan niski (LOW) napiĊcia // sekunda opóĨnienia

Jeśli spróbujesz zachować zmodyfikowany szkic, pojawi się informacja, że jest to tylko przykładowy kod, a sam plik został utworzony jako tylko do odczytu. Na szczęście środowisko IDE zaproponuje zachowanie tego kodu jako kopii, którą następnie możemy modyfikować do oporu. Nie musimy oczywiście zachowywać tego szkicu. Wystarczy, że prześlemy go do mikrokontrolera. Wszelkie zapisane szkice znajdziesz w menu Plik/Szkicownik. Bez względu na wybór jeszcze raz kliknij przycisk Załaduj. Po skompilowaniu i przesłaniu kodu mikrokontroler zostanie ponownie uruchomiony, a dioda LED powinna zacząć migotać znacznie szybciej.

Arduino jako kontroler przekaěnika Złącze USB układu Arduino służy nie tylko do jego programowania. Za jego pomocą możemy również przesyłać dane pomiędzy mikrokontrolerem a komputerem. Jeżeli podłączymy przekaźnik do Arduino, możemy z poziomu komputera przesyłać polecenia włączania/wyłączania tego elementu.

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

155

Przekaěniki Przekaźnik (rysunek 6.7) to nic innego niż przełącznik elektromechaniczny. Technologia wykonywania przekaźników jest już bardzo archaiczna, jednak podzespoły te są tanie i cechuje jest prostota obsługi.

Rysunek 6.7. Przekaěnik

W ogólnym zarysie przekaźnik to elektromagnes zamykający ruchome zestyki. Ponieważ cewka i zestyki są od siebie elektrycznie odizolowane, przekaźniki sprawdzają się doskonale jako włączniki/wyłączniki urządzeń podłączanych do Arduino. Napięcie na cewce mieści się zazwyczaj w granicach od 5 V do 12 V, natomiast zestyki służą do regulacji dużych obciążeń prądowych i napięciowych. Na przykład widoczny na rysunku 6.7 przekaźnik utrzymuje maksymalne natężenie 10 A zarówno przy napięciu 240 V prądu zmiennego, jak również przy 24 V prądu stałego.

WyjĂcia ukïadu Arduino Wyjścia układu Arduino (a także jego wejścia) nazywamy nóżkami (ang. pin), chociaż wyglądają bardziej na gniazda niż na nóżki. Nazwa ta wzięła się od nóżek podłączanych do samego jądra Arduino poprzez wspomniane gniazda. Każda z nóżek może stanowić wejście lub wyjście obwodu. Nóżka skonfigurowana jako wyjście dostarcza do 40 mA prądu. Jest to energia całkowicie wystarczająca do zaświecenia diody LED, jednak to za mało, aby zasilać cewkę przekaźnika, która zazwyczaj potrzebuje natężenia rzędu 100 mA. Taki problem nie jest mi obcy. Jeżeli chcesz regulować duży prąd za pomocą niewielkiego natężenia, to powinieneś wprowadzić tranzystor. Na rysunku 6.8 widzimy schemat układu, który chcemy stworzyć. Wprowadzamy tranzystor w taki sposób jak w przykładzie z regulacją diody LED. Różnica jest taka, że przy cewce przekaźnika umieszczamy diodę. Jest to niezbędne zabezpieczenie, ponieważ w momencie wyłączenia przekaźnika pole magnetyczne na cewce zanika i następuje skok napięcia. Dioda zapobiega uszkodzeniu elementów obwodu.

156

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 6.8. Schemat ukïadu regulujÈcego przekaěnik za pomocÈ Arduino

Najpierw dolutujemy podzespoły do przekaźnika, a następnie dołączymy okablowanie do jednorzędowej złączki męskiej, za pomocą której wepniemy się do Arduino (rysunek 6.9). Złączka ta ma piętnaście nóżek i obejmuje obydwa gniazda połączeniowe znajdujące się bliżej kości mikrokontrolera. Pomiędzy gniazdami znajduje się przerwa, więc jedna z nóżek złączki tak naprawdę nie będzie przekazywała sygnału.

Rysunek 6.9. Interfejs Arduino-przekaěnik

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Oznaczenie

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino Liczba

Oznaczenie

1

Przedmiot

Kod w dodatku

Tranzystor 2N3904

Z1, P1

1

R1

Rezystor 0,25 W, 1 kΩ

Z2

1

D1

Dioda 1N4001

Z1, P5

1

Przekaźnik

Przekaźnik 5 V

S16

1

* Jednorzędowa złączka męska, 15 nóżek

Z1, S4

1

Dwustronny zacisk śrubowy

S5

157

* Jednorzędowe złączki męskie zazwyczaj są sprzedawane w postaci bardzo długich listew, które można dociąć do żądanego rozmiaru

Konstrukcja Rysunek 6.10 ukazuje sposób podłączenia podzespołów. Najpierw przylutuj diodę do zestyków cewki przekaźnika. To są te dwie nóżki znajdujące się na przeciwległych końcach przekaźnika, w rzędzie trzech nóżek. Pasek namalowany na diodzie powinien znajdować się po prawej stronie, tak jak pokazano na rysunku 6.10.

Rysunek 6.10. Okablowanie interfejsu przekaěnika

Po przylutowaniu diody do cewki przekaźnika wygnij nóżki tranzystora tak, żeby wyglądał jak na rysunku 6.10. Jego płaska strona powinna być skierowana w stronę przekaźnika. Przytnij bazę (środkową nóżkę) tranzystora oraz nóżkę rezystora i połącz je ze sobą, natomiast kolektor przylutuj do bliższego zestyku cewki. Na koniec pozostało nam dolutowanie trzech pozostałych przewodów do złączki. Nóżka rezystora powinna zostać połączona z szóstą nóżką (licząc od lewej strony), emiter tranzystora z nóżką dziewiątą, a przewód diody — z jedenastą.

158

Zabawy z elektronikÈ Zanim podłączymy przewody do zestyków przekaźnika, możesz sprawdzić nasz układ za pomocą miernika ustawionego w trybie testowania ciągłości. Podłącz złączkę do Arduino (tak jak na rysunku 6.9) i przyłóż jedną sondę miernika (w trybie testowania ciągłości) do środkowego zestyku przekaźnika (znajdującego się pomiędzy zestykami przylutowanymi do diody). Przyłóż drugi przewód miernika kolejno do dwóch pozostałych, nieużywanych zestyków przekaźnika. Przy jednym zestyku miernik będzie wydawał dźwięk, przy drugim pozostanie cichy. Zestyk, przez który nie przepływa prąd, to zestyk normalnie otwarty. Wczytaj szkic przekaznik_test i prześlij go do mikrokontrolera. Po ponownym uruchomieniu układu nasz przekaźnik powinien co dwie sekundy przechodzić ze stanu otwartego do stanu zamkniętego.

Oprogramowanie Ten szkic bardzo przypomina nasz pierwszy program Blink. // przekaznik_test int relayPin = A0; void setup() { pinMode(relayPin, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(relayPin, HIGH); delay(2000); digitalWrite(relayPin, LOW); delay(2000); }

Różnica polega jedynie na tym, że zamiast nóżki 13. wykorzystujemy nóżkę A0. Jedną z własności układu Arduino jest możliwość użycia analogowych wejść od A0 do A5 jako wejść lub wyjść cyfrowych (oraz oczywiście w ich pierwotnej funkcji wejść analogowych), jeśli jednak chcemy z nich korzystać w trybie cyfrowym, to musimy wstawić na początku literę A. Jeśli wszystko działa jak należy, możemy sobie ułatwić nieco zadanie poprzez przylutowanie okablowania do zestyków przekaźnika i podłączenie dwustronnego zacisku śrubowego (rysunek 6.11). Moduł przekaźnika ma wszechstronne zastosowania. Można za jego pomocą kontrolować domowe urządzenia zasilane napięciami 110 V i 230 V, ale musisz bardzo

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

159

Rysunek 6.11. PodïÈczanie przewodów do zestyków przekaěnika

uważać podczas eksperymentowania. W takim przypadku wszystkie przewody muszą być izolowane, a całe urządzenie umieszczone w plastikowym pudełku. Dotknięcie „gorącego” przewodu zabija każdego roku wielu nieostrożnych ludzi. W następnym podrozdziale w taki sposób zmodyfikujemy elektryczną zabawkę, aby była włączana i wyłączana za pomocą dopiero co skonstruowanego modułu przekaźnika.

Obsïuga zabawki za pomocÈ ukïadu Arduino Przekaźnik ma bardzo przydatną cechę — zachowuje się jak przełącznik. Oznacza to, że jeżeli chcemy włączać i wyłączać jakieś urządzenie za pomocą układu Arduino i ma ono przełącznik, wystarczy przylutować przewody do tego przełącznika i podłączyć je do przekaźnika. Dzięki temu zarówno przełącznik, jak i przekaźnik będą pozwalały na włączanie i wyłączanie tego urządzenia. Możemy jednak równie dobrze pozbyć się oryginalnego przełącznika, co zrobimy w poniższym projekcie. Wybrałem do modyfikacji małego elektrycznego robala (rysunek 6.12).

Rysunek 6.12. NieszczÚsny elektryczny robal czekajÈcy na sekcjÚ zwïok

160

Zabawy z elektronikÈ

Co bÚdzie potrzebne Oprócz modułu przekaźnika zbudowanego w podrozdziale „Arduino jako kontroler przekaźnika” będziemy potrzebowali również następujących podzespołów: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Zabawka elektryczna na baterię, wyposażona we włącznik/wyłącznik

1

Podwójny przewód wielożyłowy

Konstrukcja Po rozebraniu zabawki ujrzysz przewody podłączone do przełącznika (rysunek 6.13a). Wylutuj go i podłącz kabel wielożyłowy do odłączonych przewodów (rysunek 6.13b). Aby zapobiec ewentualnym zwarciom, zawsze należy owijać nagie przewody taśmą izolacyjną (rysunek 6.13c). Możesz teraz złożyć zabawkę, a dolutowany przewód będzie wystawał przez odpowiedni otwór (rysunek 6.13d). Jeżeli zabawka nie ma żadnego otworu, trzeba będzie go wywiercić. Zabawka jest w końcu gotowa do użycia, podłącz więc interfejs przekaźnika do układu Arduino i umieść przewody z zabawki w zacisku śrubowym (rysunek 6.13e). Jeżeli w mikrokontrolerze znajduje się ciągle poprzedni szkic, zabawka będzie się co chwilę włączała i wyłączała. Całkiem fajne, ale niespecjalnie użyteczne. Załadujmy inny szkic, pozwalający na przesyłanie poleceń do Arduino z poziomu komputera. Szkic ten nosi nazwę przekaznik_zdalny. Wczytajmy ten szkic do Arduino. Otwórzmy następnie Monitor portu szeregowego, którego ikona znajduje się w prawym górnym rogu środowiska IDE (jest zaznaczona kółkiem na rysunku 6.14).

Monitor portu szeregowego Elementem środowiska programistycznego Arduino pozwalającym na wysyłanie i otrzymywanie danych pomiędzy komputerem a mikrokontrolerem jest Monitor portu szeregowego (rysunek 6.15).

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

a)

b)

c)

d)

161

e) Rysunek 6.13. Modyfikowanie zabawki

Pasek w górnej części Monitora służy do wprowadzania poleceń. Wpisane polecenia zostaną wysłane do Arduino po wciśnięciu przycisku Send. Wszelkie informacje przesłane przez mikrokontroler pojawiają się w dolnym oknie. Sprawdźmy, co się stanie, gdy prześlemy do Arduino wartość 1. Zabawka powinna zostać uruchomiona. Przesłanie wartości 0 spowoduje jej wyłączenie.

162

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 6.14. Przycisk otwierajÈcy Monitor portu szeregowego

Rysunek 6.15. Monitor portu szeregowego

Oprogramowanie Przyjrzyjmy się teraz szkicowi. // przekaznik_zdalny int relayPin = A0; void setup() {

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

163

Serial.begin(9600); Serial.println("1=Wlaczona, 0=Wylaczona"); pinMode(relayPin, OUTPUT); } void loop() { if (Serial.available()) { char ch = Serial.read(); if (ch == '1') { digitalWrite(relayPin, HIGH); } else if (ch == '0') { digitalWrite(relayPin, LOW); } } }

Zwróć uwagę, że w funkcji setup pojawiły się teraz dwa nowe polecenia: Serial.begin(9600); Serial.println("1=Wlaczona, 0=Wylaczona");

Pierwszy wiersz rozpoczyna nawiązywanie komunikacji poprzez port szeregowy z prędkością 9600 bodów. W drugim wierszu definiujemy wyświetlaną wiadomość, dzięki której będziemy wiedzieli, co robić po uruchomieniu Monitora. Funkcja loop najpierw sprawdza za pomocą procedury Serial.available(), czy są przesyłane przez komputer jakieś dane do przetwarzania. Jeśli istnieją jakieś oczekujące informacje, zostają wczytane w postaci zmiennej znakowej. Widzimy następnie dwie instrukcje warunkowe if. Pierwsza z nich sprawdza, czy wprowadzony znak to 1. Jeżeli to ten znak, zabawka zostaje uruchomiona. Jeżeli, z drugiej strony, zostanie odczytana wartość 0, urządzenie zostanie wyłączone. Poczyniliśmy już pewne postępy w stosunku do naszego pierwszego, migającego szkicu. Jeżeli chcesz lepiej zrozumieć mechanizmy ukryte za szkicami, warto zapoznać się z książką Programming Arduino: Getting Started with Sketches.

Pomiar napiÚcia za pomocÈ Arduino Nóżki oznaczone symbolami od A0 do A5 w naszym mikrokontrolerze są wejściami analogowymi. Oznacza to, że za ich pomocą możemy mierzyć wartość napięcia. Aby przetestować tę możliwość, podłączymy do nóżki A3 potencjometr (rezystor zmienny), który będzie pełnił funkcję dzielnika napięcia (rysunek 6.16).

164

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 6.16. Arduino i potencjometr

Jeżeli pominąłeś podrozdział „Rezystory jako dzielniki napięcia” w rozdziale 3., to warto teraz zapoznać się z zawartymi w nim informacjami.

Co bÚdzie potrzebne Aby przeprowadzić eksperyment, będą potrzebne następujące podzespoły: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Nazwa

R1

Potencjometr 10 kΩ

Z1, R1

Konstrukcja Konstrukcja tego projektu jest bardzo prosta. Nie będziemy nawet włączali lutownicy, po prostu wepniemy trzy przewody potencjometru w wejścia A2, A3 i A4 układu Arduino. Schemat tego projektu został umieszczony na rysunku 6.17.

Rysunek 6.17. Schemat ukïadu — pomiar napiÚcia za pomocÈ Arduino

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

165

Zastanawiasz się pewnie, jak taki układ może działać, skoro jeden koniec potencjometru powinien być podłączony do napięcia 5 V, a drugi — do masy. Ponieważ potencjometr 10 kΩ przy napięciu 5 V umożliwi przepływ prądu o natężeniu zaledwie 0,5 mA, możemy wykorzystać nasze wejścia analogowe w formie wyjść cyfrowych i przypisać wartość 0 V nóżce A2, a 5 V — nóżce A4. Podłącz potencjometr do Arduino w taki sposób, aby nóżka suwaka łączyła się z wejściem A3, a pozostałe przewody wchodziły do gniazd A2 i A4.

Oprogramowanie Wczytaj szkic Woltomierz do środowiska programistycznego i prześlij go do mikrokontrolera Arduino. Otwórz Monitor portu szeregowego, żeby zobaczyć wyniki podobne do przedstawionych na rysunku 6.18.

Rysunek 6.18. Monitor portu szeregowego z napiÚciem mierzonym na nóĝce A3

Przekręć pokrętło potencjometru z jednego końca na drugi. Zauważysz, że możesz dobrać napięcie w zakresie od 0 V do 5 V. // woltomierz int voltsInPin = 3; int gndPin = A2; int plusPin = A4; void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); Serial.begin(9600); Serial.println("Woltomierz");

166

Zabawy z elektronikÈ } void loop() { int rawReading = analogRead(voltsInPin); float volts = rawReading / 204.8; Serial.println(volts); delay(200); }

Wejścia są zdefiniowane w szkicu tak jak zawsze. Zauważ, że jeżeli chcemy, aby analogowe wejścia pełniły swoją domyślną rolę (tak jak w przypadku voltsInPin), wpisujemy jedynie numer nóżki. Zatem wejście analogowe A3 identyfikujemy w szkicu jako 3. Jednak ponieważ nóżki A2 i A4 pełnią rolę wyjść cyfrowych, musieliśmy dodać przed ich numerami literę A. Wewnątrz funkcji setup określamy funkcję nóżek, ale zanim mikrokontroler nawiąże komunikację z komputerem i wygeneruje wiadomość powitalną, ustalamy jeszcze stany LOW i HIGH odpowiednio dla nóżek gndPin (masa) oraz plusPin (obwód dodatni). We wnętrzu naszej pętli wprowadzamy instrukcję analogRead, która podaje wartości w zakresie od 0 do 1023, gdzie 0 jest odpowiednikiem 0 V, a 1023 — 5 V. Aby przekształcić te liczby na rzeczywistą wartość napięcia, musimy podzielić je przez 204,8 (1024:5). Iloraz liczby całkowitej przez liczbę wymierną (zwaną w żargonie programistycznym liczbą zmiennoprzecinkową — ang. float) da nam również liczbę zmiennoprzecinkową, dlatego definiujemy typ zmiennej volts jako float. Na koniec program wyświetla wartość napięcia na ekranie i odczekuje 200 milisekund, zanim przystąpi do następnego odczytu. Nie musimy czekać na przeprowadzenie kolejnych odczytów, przy tej prędkości zdążymy je przejrzeć, zanim znikną z ekranu. Te same elementy (wraz z dodatkową diodą LED) wykorzystamy w następnym podrozdziale. Delikatnie zmodyfikujemy w nim omawiany szkic w taki sposób, aby można było regulować częstotliwość migotania diody.

Arduino jako regulator diody LED Zajmiemy się tutaj trzema interesującymi zagadnieniami. Po pierwsze, nauczysz się zasilać diodę LED poprzez układ Arduino. Po drugie, dowiesz się, jak należy regulować częstotliwość migotania, korzystając z odczytów potencjometru. Na koniec zaś zrozumiesz mechanizm regulacji natężenia prądu docierającego do diody LED, dzięki czemu będziesz mógł kontrolować jej jasność (rysunek 6.19).

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

167

Rysunek 6.19. Ukïad Arduino, potencjometr i dioda LED

Co bÚdzie potrzebne Do wykonania projektu są wymagane następujące elementy: Liczba

Nazwa

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

R1

Potencjometr 10 kΩ

Z1, R1

1

R2

Rezystor 220 Ω

Z2

1

D1

Dioda LED

Z1

Konstrukcja Jak wiadomo z rozdziału 4., diody LED wymagają rezystora ograniczającego przepływający przez nie prąd. Oznacza to, że nie możemy podłączyć diody bezpośrednio do Arduino. Najpierw więc musimy skrócić po jednym przewodzie diody i rezystora oraz połączyć je ze sobą w taki sposób, aby dało się taki zestaw umieścić w wejściach Arduino. Na rysunku 6.20 widzimy poszczególne etapy przyłączania rezystora do diody. Aby uniknąć zamieszania, podłącz rezystor do anody (dłuższy przewód, dodatni) i staraj się, aby po zalutowaniu przewód z rezystorem pozostał dłuższy. To będzie ciągle nasza anoda. Schemat projektowanego układu został zaprezentowany na rysunku 6.21.

168

Zabawy z elektronikÈ

a)

b)

Rysunek 6.20. ’Èczenie rezystora z diodÈ LED

Rysunek 6.21. Schemat ukïadu skïadajÈcego siÚ z Arduino, diody LED i potencjometru

Nóżka 9. będzie cyfrowym wyjściem diody LED. Drugi koniec diody podłączymy do odpowiedniej masy. Nie wyrzucaj takiej diody połączonej z rezystorem. Przyda nam się jeszcze w innych projektach.

Oprogramowanie (migotanie) Wypróbujemy dwa różne szkice na tej architekturze sprzętowej. Pierwszy szkic jest odpowiedzialny za regulowanie częstotliwości migotania diody (za pomocą potencjometru), drugi natomiast pozwala na zmianę jej jasności. Podłącz zmodyfikowaną diodę do reszty układu tak, jak widać na rysunku 6.19, i prześlij szkic potencjometr_led_migotanie do Arduino. Przekręcanie pokrętła potencjometru powoduje zmianę częstotliwości błyskania diody. // potencjometr_led_migotanie int int int int

voltsInPin = 3; gndPin = A2; plusPin = A4; ledPin = 9;

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

169

void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); pinMode(ledPin, OUTPUT); } void loop() { int rawReading = analogRead(voltsInPin); int period = map(rawReading, 0, 1023, 100, 500); digitalWrite(ledPin, HIGH); delay(period); digitalWrite(ledPin, LOW); delay(period); }

Szkic jest dość podobny do omawianego w poprzednim podrozdziale; nie korzystamy jednak z Monitora portu szeregowego, więc fragment kodu związany z tym elementem został usunięty. Musimy zdefiniować nowe wejście (ledPin), które jest wykorzystywane przez diodę LED. Funkcja loop nadal odczytuje nieprzetworzone wartości z nóżki A3, a następnie wprowadza funkcję map przetwarzającą wartości zmiennej rawReading z zakresu 0 – 1023 na zakres 100 – 500. Funkcja map jest standardowym poleceniem Arduino dostosowującym zakres wartości zdefiniowanej jako pierwszy parametr tej funkcji. Następne dwa parametry to podane krańcowe wartości nieprzetworzonych odczytów. Pozostałe parametry określają nowy zakres wartości, na jaki mają zostać przekonwertowane odczyty. Dioda LED będzie teraz migotać z częstotliwością definiowaną przez nowy zakres wartości (od 100 do 500), które okazują się przerwami pomiędzy każdym zaświeceniem i zgaszeniem diody. Ostatecznie wychodzi na to, że dioda będzie błyskać tym częściej, im bardziej napięcie na nóżce A3 zbliża się do zera.

Oprogramowanie (jasnoĂÊ) Do regulowania jasności diody LED wykorzystamy dokładnie tę samą architekturę sprzętową, ale wprowadzimy inny szkic. Zastosujemy w nim funkcję analogWrite, która pozwoli nam na modyfikowanie natężenia prądu na wejściu. Funkcja ta działa wyłącznie dla nóżek oznaczonych tyldą (~) na płytce. Na szczęście już wcześniej wybrałem tak oznaczoną nóżkę i podłączyliśmy do niej diodę LED. W nóżkach oznaczonych tyldą jest wykorzystywany mechanizm modulacji szerokości impulsów (ang. pulse-width modulation — PWM), pozwalający na kontrolowanie

170

Zabawy z elektronikÈ ilości prądu dopływającego do wyjścia. Modulacja ta polega na wysłaniu szeregu impulsów (około 500 na sekundę). Impulsy te mogą być bardzo króciutkie, przez co dostarczana jest niewielka ilość prądu, lub mogą trwać niemal do pojawienia się kolejnego impulsu, dzięki czemu uzyskujemy wyższą wartość prądu. W przypadku diody LED oznacza to, że jest ona wyłączana i włączana przez pewien czas lub pozostaje bez przerwy włączona. Nasz wzrok nie nadąża za tak szybkimi zmianami, więc dostrzegamy je jako rozjaśnianie się lub przyciemnianie diody. Wczytaj szkic potencjometr_led_jasnosc na płytkę Arduino. Zauważ, że za pomocą potencjometru zmieniamy teraz jasność diody, a nie częstotliwość migotania. Większość kodu pozostała bez zmian, różnica pojawia się dopiero w funkcji loop: void loop() { int rawReading = analogRead(voltsInPin); int brightness = rawReading / 4; analogWrite(ledPin, brightness); }

Funkcja analogWrite oczekuje wartości w zakresie od 0 do 255, możemy więc podzielić nasze nieprzetworzone odczyty przez 4 i otrzymamy niemal idealne odwzorowanie zakresów.

Odtwarzanie děwiÚków za pomocÈ Arduino Pierwszy szkic, z jakim mieliśmy do czynienia, naprzemiennie włączał i wyłączał diodę LED. Możemy wygenerować dźwięk na brzęczyk, jeżeli znacznie przyśpieszymy częstotliwość włączania i wyłączania wyjścia cyfrowego. Na rysunku 6.22 został ukazany prosty generator dźwięku, wytwarzający po wciśnięciu przycisku jeden z dwóch dźwięków.

Rysunek 6.22. Prosty generator děwiÚków oparty na Arduino

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

171

Co bÚdzie potrzebne Aby przetworzyć Arduino na urządzenie wytwarzające dźwięk, wykorzystamy następujące podzespoły: Liczba

Oznaczenie

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

2

S1, S2

Miniaturowe, wciskane przełączniki

Z1

1

Brzęczyk

Brzęczyk piezoelektryczny

M3

Płytka montażowa

Z5

Przewody złączowe lub przewód jednożyłowy

Z6

1

Konstrukcja Na rysunku 6.23 widzimy schemat generatora tonów, z kolei rysunek 6.24 przedstawia rozmieszczenie elementów na płytce montażowej.

Rysunek 6.23. Schemat generatora tonów

Upewnij się, że przyciski są ułożone we właściwym kierunku. Powinny zostać umieszczone w taki sposób, aby ich nóżki wychodziły po bokach, a nie od góry i od dołu. Brzęczyk piezoelektryczny może mieć jedną nóżkę oznaczoną jako dodatnią. Powinna się ona znaleźć na samej górze płytki montażowej. Rozmieść elementy zgodnie z rysunkiem 6.24 i podłącz cały układ do Arduino.

Oprogramowanie Szkic nie jest skomplikowany i został napisany zgodnie z omówionym wzorcem. // arduino_dzwieki int sw1pin = 6; int sw2pin = 7;

172

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 6.24. Rozmieszczenie podzespoïów generatora tonów na pïytce montaĝowej int soundPin = 8; void setup() { pinMode(sw1pin, INPUT_PULLUP); pinMode(sw2pin, INPUT_PULLUP); pinMode(soundPin, OUTPUT); } void loop() { if (! digitalRead(sw1pin)) { tone(soundPin, 220); } else if (! digitalRead(sw2pin)) { tone(soundPin, 300); } else { noTone(soundPin); } }

Definiujemy najpierw zmienne dla nóżek. Przełączniki będą podłączone do nóżek sw1pin i sw2pin. Będą to cyfrowe wejścia, podczas gdy soundPin zostanie cyfrowym

wyjściem. Zwróć uwagę, że w funkcji setup wprowadzamy instrukcję pinMode z parametrem INPUT_PULLUP. Definiujemy w ten sposób nóżkę jako wejście, ale jednocześnie wprowadzamy wbudowany w Arduino rezystor „podwyższający”, dzięki któremu wejście to będzie w stanie HIGH aż do momentu wciśnięcia przycisku.

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

173

Nóżki wejściowe zawsze są włączone (stan HIGH), dlatego w wierszu służącym do sprawdzania, czy przycisk został wciśnięty, musimy wprowadzić znak ! (logiczne zaprzeczenie). Innymi słowy, dźwięk pojawi się jedynie w przypadku, gdy przełącznik sw1pin będzie znajdował się w stanie LOW. if (! digitalRead(sw1pin)) { tone(soundPin, 220); }

Funkcja tone umożliwia wygenerowanie dźwięku na określonej nóżce Arduino. Jej drugim parametrem jest częstotliwość dźwięku podana w hercach (czyli w liczbie cykli na sekundę). Jeżeli nie wciśniemy żadnego przycisku, zostanie wywołana funkcja noTone, która przerywa odtwarzanie danego dźwięku.

Zastosowania moduïów rozszerzeñ ukïadu Arduino Sukces Arduino w niemałej mierze opiera się na dostępności podłączanych do niego modułów rozszerzeń, dodających mnóstwo funkcji do podstawowego mikrokontrolera. Taki podzespół pasuje do gniazd umieszczonych na płytce Arduino. Większość modułów ma na wierzchu przedłużenia tych gniazd, dzięki czemu można utworzyć stos modułów z płytką Arduino znajdującą się na samym spodzie. Moduły zawierające wyświetlacz nie będą jednak miały tego typu przedłużenia. Musisz także pamiętać, że łączone moduły muszą być ze sobą kompatybilne, nie mogą więc na przykład korzystać z tej samej nóżki. Niektóre podzespoły rozwiązują ten problem za pomocą dodatkowych przewodów złączowych, które dają większą swobodę w doborze odpowiednich wejść i wyjść. Na stronie http://shieldlist.org/ znajdziesz opis modułów rozszerzeń, wraz z rozpiską wykorzystywanych nóżek dla każdego modułu z osobna. Obecnie dostępne są moduły rozszerzeń dodające niemal dowolną funkcję do układu Arduino. Znajdziemy wśród nich moduły będące sterownikami przekaźników, wyświetlaczami LED-owymi czy odtwarzaczami plików dźwiękowych. Większość z nich została zaprojektowana z myślą o Arduino Uno, często są jednak kompatybilne z większym modelem Arduino Mega oraz z najnowszym — Arduino Leonardo. Kilka modułów rozszerzeń wykorzystywanych przeze mnie zostało wymienionych w tabeli 6.1.

174

Zabawy z elektronikÈ Tabela 6.1. Najpopularniejsze rodzaje moduïów rozszerzeñ

Moduï rozszerzeñ

Opis

Adres URL

Silnik

Moduł rozszerzeń Ardumoto. Dwukierunkowy, oparty na podwójnym mostku H regulator obrotów silnika, działający przy maksymalnym obciążeniu 2 A na kanał.

www.sparkfun.com/products/9815

Ethernetowy moduł rozszerzeń i jednocześnie moduł kart SD.

http://arduino.cc/en/Main/ ArduinoEthernetShield

Ethernet

http://nettigo.pl/products/355

http://nettigo.pl/products/279 Przekaźnik

Wyświetlacz ciekłokrystaliczny

Regulator czterech przekaźników. Zaciski śrubowe dla zestyków przekaźnika.

www.robotshop.com/seeedstudioarduino-relay-shield.html

Alfanumeryczny wyświetlacz LCD, pozwalający na wyświetlanie 16×2 znaków, z wbudowanym drążkiem sterowniczym.

www.freetronics.com/products/ lcd-keypad-shield

http://nettigo.pl/products/89

http://nettigo.pl/products/53

Sterowanie przekaěnikiem z poziomu strony internetowej Możemy przekształcić Arduino w niewielki serwer za pomocą ethernetowego modułu rozszerzeń podłączonego w domu do koncentratora sieciowego. Mimo to jego funkcja mikrokontrolera pozostanie niezmieniona i będziemy mogli ciągle podłączać do niego układy elektroniczne. Jeśli więc podepniemy do Arduino zabawkę zmodyfikowaną w podrozdziale „Obsługa zabawki za pomocą układu Arduino” oraz interfejs sieciowy, będziemy mogli nią sterować poprzez sieć lokalną, a po skonfigurowaniu zabezpieczeń — również przez internet! Na rysunku 6.25 została zaprezentowana zabawka podłączona do modułu rozszerzeń i kontrolera Arduino, a także interfejs sieciowy, za pomocą którego będziemy nią sterować — najpierw na komputerze (rysunek 6.25b), a następnie z poziomu smartfona (rysunek 6.25c).

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

a)

175

b)

c) Rysunek 6.25. Zmodyfikowana zabawka sterowana poprzez sieÊ

Co bÚdzie potrzebne Aby stworzyć zabawkę kontrolowaną przez internet, musimy najpierw wykonać czynności opisane w podrozdziale „Obsługa zabawki za pomocą układu Arduino”. Poza tym będą nam potrzebne poniższe elementy. Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Ethernetowy moduł rozszerzeń do Arduino

M4

1

Kabel sieciowy

N6

1

Zasilacz 500 mA, 9 V lub 12 V

M1

Zwróć uwagę, że jeśli masz najnowszy moduł rozszerzeń (wersja R3), to projekt ten będzie działał wyłącznie na układzie Arduino Leonardo. Jeżeli masz do dyspozycji starszą wersję modułu ethernetowego, powinieneś albo zakupić nowszy model, albo skorzystać z układu Arduino Uno.

176

Zabawy z elektronikÈ

Konstrukcja Układ Arduino jest w tym przykładzie zasilany za pomocą zewnętrznego źródła, a nie poprzez przewód USB. Wynika to z dwóch powodów. Po pierwsze, zasilanie USB okazuje się niewystarczające dla modułu ethernetowego, a po drugie — po zaprogramowaniu mikrokontrolera nie będzie on musiał być podłączony do komputera, więc równie dobrze może być zasilany przez inne źródło. Schemat połączeń tworzonego układu został zaprezentowany na rysunku 6.26.

Rysunek 6.26. Schemat poïÈczeñ ukïadu zdalnego regulatora przekaěnika

Podłącz wszystkie elementy tak, jak pokazano na rysunku 6.26, i wczytaj szkic przekaznik_siec do środowiska programistycznego. Nie przesyłaj go jeszcze do Arduino. Czeka nas jeszcze etap konfiguracji.

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

177

Konfiguracja sieci Na samej górze szkicu znajdziemy następujące wiersze: byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED }; byte ip[] = { 192, 168, 1, 30 };

W pierwszym wierszu mamy do czynienia z „adresem MAC”, który powinien być niepowtarzalny w zakresie wszystkich urządzeń podłączonych do naszej sieci. Niektóre moduły ethernetowe mają nadrukowane adresy MAC na obudowie. Jeżeli masz taki egzemplarz, przepisz ten adres do pierwszego wiersza. Drugi wiersz zawiera adres IP. Większość urządzeń spotykanych w sieci domowej ma adres IP przypisany automatycznie przez specjalny protokół DHCP. Nic się nie stanie, jeśli nie będziesz znać adresu IP swojego modułu rozszerzeń i zechcesz go zmodyfikować (na przykład w celu zmiany roli modułu z funkcji serwera sieciowego na przeglądarkę). Jednak w naszym projekcie układ Arduino Uno wraz z modułem ethernetowym będą pełniły rolę serwera, musimy więc znać adres IP tego modułu po to, aby móc go później wpisać w przeglądarce. Zdefiniujemy ręcznie adres IP. Nie może to być przypadkowy zbiór cyfr; muszą one należeć do zbioru wewnętrznych adresów oraz mieścić się w zakresie adresów akceptowanych przez domowy router. Zazwyczaj pierwsze trzy liczby adresu przybierają postać 10.0.1.x lub 192.168.1.x, gdzie x oznacza liczbę z przedziału od 0 do 255. Niektóre urządzenia będą już miały przydzielone adresy z tego przedziału. Aby znaleźć jakiś poprawny, niezajęty adres IP, wejdź na stronę zarządzania routerem i poszukaj opcji związanej z protokołem DHCP. Gdzieś tam powinna znajdować się lista wszystkich podłączonych urządzeń wraz z przydzielonymi im adresami IP. Powinno to wyglądać podobnie jak na rysunku 6.27. Wybierz jakiś niezajęty numer i użyj go jako adresu IP. Ja postawiłem na adres 192.168.1.30 i wybór rzeczywiście okazał się trafny. Wprowadź do szkicu wybrany przez siebie adres i prześlij całość do Arduino.

Testowanie Otwórz przeglądarkę na komputerze, tablecie lub smartfonie i wprowadź wybrany przez siebie adres IP. Jeżeli jest to taki sam adres jak wybrany przeze mnie, to będzie on wyglądał następująco: http://192.168.1.30. Po wprowadzeniu tego adresu powinna pojawić się strona ukazana na rysunkach 6.25b i 6.25c. Kliknij przycisk Wlaczona i przekaźnik powinien zmienić swój stan, uruchamiając tym samym zabawkę. Jednocześnie strona internetowa zostanie odświeżona. Kliknięcie przycisku Wylaczona ponownie przestawi przekaźnik.

178

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 6.27. Wybór nieuĝywanego adresu IP

Oprogramowanie Jest to jeden z najbardziej skomplikowanych szkiców w książce. Z drugiej strony może on z łatwością posłużyć za szablon w projektach wykorzystujących Arduino jako serwer. Podzielmy ten szkic na fragmenty i po kolei przeanalizujmy każdy z nich. // przekaznik_siec #include #include // Adres MAC musi byü niepowtarzalny. Ten powinien zadziaáaü: byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED }; // Adres IP jest zaleĪny od sieci lokalnej: byte ip[] = { 192, 168, 1, 30 }; EthernetServer server(80); int relayPin = A0; char line1[100];

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

179

Jeżeli korzystamy z modułu ethernetowego, musimy zadeklarować w kodzie dwie biblioteki: SPI oraz Ethernet. W bibliotekach są zawarte przydatne funkcje, wykorzystywane na przykład przez moduł rozszerzeń. Tworzenie szkiców staje się o wiele łatwiejszą czynnością, jeśli możemy wprowadzać gotowe funkcje z bibliotek. Biblioteka SPI umożliwia wprowadzenie swoistego połączenia szeregowego, za pomocą którego Arduino może przesyłać rozkazy do modułu. Z kolei dzięki funkcjom biblioteki Ethernet możemy w łatwy sposób komunikować się z tym modułem. Po zadeklarowaniu dwóch zmiennych definiujących adresy MAC oraz IP wprowadzamy nowy obiekt EthernetServer, który jest wywoływany przy każdej czynności związanej z siecią Ethernet. Następnie definiujemy zmienną relayPin oraz liniowy bufor o długości stu znaków, który posłuży nam później do odczytywania nagłówka wysyłanego przez przeglądarkę podczas poruszania się po stronie przechowywanej w Arduino. void setup() { pinMode(relayPin, OUTPUT); Ethernet.begin(mac, ip); server.begin(); }

Funkcja setup inicjalizuje bibliotekę Ethernet za pomocą zdefiniowanych uprzednio adresów MAC i IP. Definiuje również tryb nóżki relayPin jako wyjście (OUTPUT). void loop() { EthernetClient client = server.available(); if (client) { while (client.connected()) { readHeader(client); if (! pageNameIs("/")) { client.stop(); return; } digitalWrite(relayPin, valueOfParam('a')); client.println("HTTP/1.1 200 OK"); client.println("Content-Type: text/html"); client.println(); // Wysyáa ciaáo strony client.println(""); client.println("Zdalny przekaznik"); client.println("Wlaczony"); client.println("Wylaczony");

180

Zabawy z elektronikÈ client.println(""); client.stop(); } } }

Funkcja loop jest odpowiedzialna za obsługiwanie wszelkich żądań, jakie zostają wysłane z przeglądarki do serwera. Jeżeli żądanie czeka na odpowiedź, to wywołanie funkcji server.available zwróci nam obiekt client. Jeżeli klient jest dostępny (co zostaje sprawdzone przez pierwszą instrukcję warunkową if), możemy sprawdzić za pomocą funkcji client.connected, czy jest on połączony z serwerem. Wkrótce dojdziemy do funkcji readHeader. Wraz z funkcją pageNameIs sprawdza ona, czy przeglądarka komunikuje się z serwerem w celu sterowania przekaźnikiem. Jest tak dlatego, że przeglądarka wysyła w istocie dwa zapytania do serwera, jedno z nich służy do znalezienia ikony strony sieciowej, a drugie — właściwej strony. Nasz kod pozwala serwerowi zignorować żądanie ikony. W następnym wierszu za pomocą polecenia digitalWrite konfigurujemy nóżkę, do której jest podłączony przekaźnik. Definiowany stan tej nóżki jest zależny od wartości parametru a. Może przyjąć wartość 1 albo 0. W następnych trzech wierszach program wyświetla otrzymany nagłówek. Przeglądarka dowiaduje się w ten sposób, z jakiego typu treścią ma do czynienia. W naszym przypadku jest to jedynie kod HTML. Po wysłaniu nagłówka pozostaje nam już tylko przesłanie pozostałej części kodu HTML do przeglądarki. Muszą w nim występować tradycyjne znaczniki i , a także znacznik nagłówka oraz dwa znaczniki , będące jednocześnie hiperłączami do tej samej strony, które jednak mają różne wartości parametru a (1 oraz 0). Ostatecznie funkcja client.stop informuje przeglądarkę, że cała treść została przesłana i strona może zostać wyświetlona. void readHeader(EthernetClient client) { // Odczytuje pierwszy wiersz nagáówka char ch; int i = 0; while (ch != '\n') { if (client.available()) { ch = client.read(); line1[i] = ch; i ++; }

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

181

} line1[i] = '\0'; Serial.println(line1); }

Ostatnie trzy funkcje w szkicu mają bardzo różne zastosowania. Wykorzystuję je we wszystkich projektach, w których Arduino pełni funkcję serwera. Pierwsza z nich, readHeader, wczytuje nagłówek żądania wysyłanego przez przeglądarkę do zdefiniowanego wcześniej buforu. Dzięki temu możemy wprowadzić dwie następne funkcje. boolean pageNameIs(char* name) { // Nazwa strony zaczyna siĊ od czwartego znaku // KoĔczy siĊ spacją int i = 4; char ch = line1[i]; while (ch != ' ' && ch != '\n' && ch != '?') { if (name[i-4] != line1[i]) { return false; } i++; ch = line1[i]; } return true; }

Funkcja pageNameIs zwraca wartość true (prawda), jeśli wymieniona w nagłówku nazwa strony pasuje do zdefiniowanego argumentu. To właśnie w ten sposób ignorujemy w funkcji loop żądanie ikony. int valueOfParam(char param) { for (int i = 0; i < strlen(line1); i++) { if (line1[i] == param && line1[i+1] == '=') { return (line1[i+2] - '0'); } } return 0; }

Funkcja valueOfParam pozwala nam odczytywać wartość parametru żądania, który jest tu zdefiniowany jako argument. Osoby zajmujące się programowaniem zauważą, że ta funkcja jest znacznie bardziej ograniczona niż standardowe parametry żądania. Po pierwsze, nazwa parametru żądania musi składać się z jednego znaku, a po drugie — wartość tego parametru może być tylko jedną cyfrą w zakresie od 0 do 9.

182

Zabawy z elektronikÈ Funkcja zwróci wyliczoną wartość lub 0, jeśli nie znajdzie żadnego parametru o takiej nazwie. Jest to jeden z tych projektów, który można dostosować do bardzo wielu różnych zastosowań.

Obsïuga moduïu alfanumerycznego wyĂwietlacza LCD Kolejnym popularnym modułem jest wyświetlacz ciekłokrystaliczny (rysunek 6.28).

Rysunek 6.28. Moduï wyĂwietlacza LCD

Na rynku jest dostępnych wiele różnorodnych modeli tego modułu, a większość z nich jest oparta na układzie sterownika HD44780. Wykorzystywany przez nas egzemplarz to znakowy moduł LCD z klawiaturą (http://nettigo.pl/products/53). Niżej podany kod będzie kompatybilny z większością modeli, w niektórych przypadkach jednak należy zmienić wartości nóżek wykorzystywanych przez moduł (jeszcze wrócimy do tego tematu). Wyświetlimy w tym projekcie krótką wiadomość (wyświetlacz składa się jedynie z dwóch wierszy, po szesnaście znaków w każdym) za pomocą Monitora portu szeregowego (rysunek 6.29).

Rysunek 6.29. Wysyïanie komunikatu za pomocÈ Monitora portu szeregowego

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

183

Co bÚdzie potrzebne Aby przetestować własności modułu LCD, będziemy potrzebować następujących elementów: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno

M2

1

Przewód USB typu A lub B (taki jak wykorzystywany w drukarkach)

1

Moduł LCD

M18

Konstrukcja Nie będziemy tworzyć tutaj żadnego skomplikowanego układu. Wystarczy umieścić moduł LCD na układzie Arduino i podłączyć cały zestaw do komputera poprzez port USB.

Oprogramowanie Kod szkicu również nie jest bardzo skomplikowany. Większość operacji jest przeprowadzana w bibliotece. Poniższy przykład został przystosowany do współpracy z modułem dostępnym w serwisie Nettigo. // tablica_ogloszen_LCD #include // Biblioteka LiquidCrystal wyĞwietla komunikaty poprzez nóĪki: // rs na nóĪce 8. // enable na nóĪce 9. // d4 – 7 na nóĪkach 4. – 7. LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7); void setup() { Serial.begin(9600); lcd.begin(2, 16); lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Hacking"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("electronics"); } void loop() {

184

Zabawy z elektronikÈ if (Serial.available()) { char ch = Serial.read(); if (ch == '#') { lcd.clear(); } else if (ch == '/') { lcd.setCursor(0,1); } else { lcd.write(ch); } } }

Jeżeli korzystasz z innego modułu LCD, powinieneś sprawdzić jego specyfikację pod kątem używanych nóżek. Być może będziesz musiał zmodyfikować następujący wiersz: LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);

Widoczne parametry to nic innego niż oznaczenia nóżek wykorzystywanych przez moduł LCD. Przeznaczenie tych nóżek to kolejno (rs, e, d4, d5, d6, d7)1. W niektórych modelach jest używana jeszcze dodatkowa nóżka RW — Read/Write (odczyt/zapis). W takim przypadku należy przejrzeć specyfikację modułu i dodać numer odpowiedniej nóżki we właściwym miejscu w powyższym wierszu. Funkcja loop odczytuje wszelkie wprowadzane dane, a jeżeli natrafi na znak # — wyczyści ekran. Znak / oznacza przejście do następnej linijki. Wszystkie inne znaki zostają normalnie wyświetlone. Na przykład aby wyświetlić tekst widoczny na rysunku 6.28, musimy wprowadzić następujący ciąg znaków w Monitorze portu szeregowego: #Hacking/electronics

Zwróć uwagę, że biblioteka wyświetlacza LCD zawiera funkcję lcd.setCursor, która określa położenie następnego tekstu. Tekst ten zostaje następnie wygenerowany za pomocą funkcji lcd.write.

1

Wymienione skróty oznaczają kolejno: RS — Register Select (wybór rejestru), E — Enable (włączenie), D — Data Bus (szyna danych) — przyp. tłum.

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

185

NapÚdzanie serwomotoru za pomocÈ Arduino Serwomotor stanowi połączenie silnika, skrzyni biegów oraz czujnika i jest często spotykany w zdalnie sterowanych urządzeniach jako mechanizm sterujący oraz w zabawkach latających, gdzie steruje kątem nachylenia elementów nośnych. Serwomotory nie pracują w trybie ciągłym, wyjątkiem są jedynie pewne ich rodzaje służące do specjalnych zastosowań. Obracają się one zazwyczaj o około 180 stopni, można jednak dowolnie dobrać ich położenia za pomocą strumienia impulsów. Na rysunku 6.30 widzimy serwomotor oraz schemat ukazujący czas trwania impulsów potrzebny do obrócenia mechanizmu o określony kąt.

Rysunek 6.30. Sterowanie serwomotorem za pomocÈ impulsów

Serwomotor ma trzy wyjścia: masę, obwód prądowy (5 do 6 V) oraz połączenie sterujące. Masa jest zazwyczaj podłączona do czarnego lub brązowego przewodu, przewód prądowy jest czerwony, a połączenie sterujące oznaczamy żółtym lub pomarańczowym kabelkiem. Przez przewód sterujący płynie prąd o bardzo małym natężeniu. Impulsy są wysyłane do silnika średnio co 20 ms. Jeżeli impuls będzie trwał 1,5 ms, to siłownik nie zmieni swojej środkowej pozycji. W przypadku krótszego impulsu obróci się w jedną stronę, a dłuższy sygnał spowoduje jego obrót w przeciwną stronę.

Co bÚdzie potrzebne Do eksperymentów z serwomotorem sterowanym przez Arduino będą nam potrzebne następujące podzespoły: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

186

Zabawy z elektronikÈ Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Serwomotor 9g

S10

1

Potencjometr 10 kΩ

Z1/R1

Przewody złączowe lub przewód jednożyłowy

N6

Konstrukcja Rysunek 6.31 przedstawia serwomotor podłączony do Arduino za pomocą przewodów złączowych.

Rysunek 6.31. Sposób podïÈczenia serwomotoru do Arduino

Zanim wykorzystamy zasilanie 5 V układu Arduino do napędzania serwomotoru, sprawdźmy, czy będzie ono wystarczające. Większość malutkich serwomotorów (jak silnik 9g zaprezentowany na rysunku 6.31) powinna działać na tym zasilaniu. Widzimy również na rysunku 6.31 mały, niebieski potencjometr służący do pozycjonowania serwomotoru. Jest on podłączony do nóżki A1, wykorzystuje jednak również nóżki A0 (jako masę) i A2 (+5 V).

Oprogramowanie Arduino zawiera bibliotekę napisaną specjalnie do generowania impulsów zrozumiałych dla serwomotoru. W poniższym szkicu (nazwanym serwo) dzięki wspomnianej bibliotece obroty serwomotoru są ściśle powiązane z pokrętłem potencjometru.

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

187

// serwo #include int int int int

gndPin = A0; plusPin = A2; potPin = 1; servoControlPin = 2;

Po zadeklarowaniu nóżek musimy wprowadzić następujący wiersz, aby zainicjować korzystanie z serwomotoru: Servo servo;

Funkcja setup konfiguruje nóżki oraz łączy obiekt servo z nóżką servoControlPin. void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); servo.attach(servoControlPin); }

Funkcja loop nieprzerwanie sprawdza nóżkę A1 i odbiera wszelkie zmiany pozycji potencjometru (wartość pomiędzy 0 i 1023), a następnie dzieli otrzymaną wartość przez 6, aby uzyskać zakres obrotu od 0 do 170 stopni. Serwomotor zostaje następnie obrócony o wyliczony kąt. void loop() { int potPosition = analogRead(potPin); int angle = potPosition / 6; servo.write(angle); }

// 0 do 1023 // 0 do 170

Charliepleksing diod LED Arduino nie ma zbyt wielu nóżek wejścia-wyjścia, zatem jeśli chcemy zminimalizować liczbę gniazd używanych do wyświetlania macierzy diod LED, możemy wprowadzić interesującą technikę, zwaną charliepleksingiem. Nazwa pochodzi od jej wynalazcy — Charliego Allena z firmy Maxim. Zostaje w niej wykorzystana cecha układu Arduino oraz innych mikrokontrolerów, polegająca na zmianie trybu działania nóżek (z wejścia na wyjście i odwrotnie) w trakcie przetwarzania szkicu. Rysunek 6.32 przedstawia konfigurację pozwalającą na regulację trzech diod LED za pomocą trzech nóżek.

188

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 6.32. Charliepleksing diod LED

W tabeli 6.2 rozpisałem konfigurację stanów nóżek dla poszczególnych diod LED. Tabela 6.2. Charliepleksing

Dioda LED

Nóĝka 1.

Nóĝka 2.

Nóĝka 3.

A

Wysoki

Niski

Wejście

B

Niski

Wysoki

Wejście

C

Wejście

Wysoki

Niski

D

Wejście

Niski

Wysoki

E

Wysoki

Wejście

Niski

F

Niski

Wejście

Wysoki

Przy użyciu poniższego wzoru możemy obliczyć liczbę diod LED sterowanych za pomocą jednej nóżki mikrokontrolera: Diody LED = n2–n Zatem za pomocą czterech nóżek możemy obsługiwać 16–4, czyli 12 diod LED, a przy 10 nóżkach uzyskamy ogromną liczbę 90 diod, lecz jednocześnie przeraźliwie dużo przewodów do podłączenia. Wraz ze wzrostem liczby nóżek i diod zaczynają się jednak pojawiać problemy. Nie możemy zapominać o tym, że częstotliwość odświeżania diod musi być na tyle duża, żeby oszukać oko, a duża liczba nóżek zmusza nas do zdefiniowania wielu sekwencyjnie ułożonych etapów zasilania poszczególnych diod LED w każdym cyklu odświeżania. Z tego powodu również diody LED będą świeciły słabiej niż zwykle, ponieważ cykl ich pracy będzie krótki. Możemy temu do pewnego stopnia zapobiec poprzez zwiększenie natężenia prądu przepływającego przez diody, które wytrzymają

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

189

duże skoki prądu w krótkich odstępach czasu. Pojawia się jednak w tym momencie ryzyko, że jeśli w którymś momencie mikrokontroler się zawiesi, to wszystkie diody zostaną uszkodzone.

Co bÚdzie potrzebne Aby połączyć sześć diod LED w trybie charliepleksingu, potrzebne nam będą następujące elementy: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

6

Diody LED

P11

3

Rezystory 220 Ω

Z2

Przewody złączowe lub przewód jednożyłowy

N6

Konstrukcja Podłączmy diody LED na płytce montażowej (rysunek 6.33).

Rysunek 6.33. SzeĂÊ diod LED poïÈczonych w trybie charliepleksingu na pïytce montaĝowej

190

Zabawy z elektronikÈ Rozmieszczenie elementów na płytce montażowej zostało zaprezentowane na rysunku 6.34. Podczas podłączania elementów zwróć szczególną uwagę na polaryzację diod LED.

Rysunek 6.34. Charliepleksing — rozmieszczenie podzespoïów na pïytce montaĝowej

Arduino podłączamy do płytki montażowej za pomocą nóżek D12, D11 i D10, do których zostają przyłączone rezystory. Przewody oporników będą dobrze się trzymały w gniazdach płytki montażowej, jeśli zagniemy je lekko w zygzaki za pomocą szczypiec. Diody LED będą znajdowały się bardzo blisko siebie, lepiej więc wziąć mniejsze egzemplarze, o przekroju 3 mm. Anody diod LED (przewody dodatnie) zostały zaznaczone czerwonym kolorem na rysunku 6.34.

Oprogramowanie Po wczytaniu szkicu Charliepleksing na płytkę Arduino diody powinny zapalać się i gasnąć w kolejności od A do F, zgodnie z rysunkiem 6.32. Pierwsze trzy nóżki zdefiniowane w kodzie szkicu to nóżki sterujące. // Charliepleksing int pin1 = 12; int pin2 = 11; int pin3 = 10;

Przedstawione w tabeli 6.2 stany nóżek, dzięki którym będziemy sterować każdą diodą LED, umieścimy w tablicy pinStates. Każdy element tej tablicy stanowi sam

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino

191

w sobie trzyelementową macierz, w której każdy element odpowiada jednej z nóżek sterujących. Wartość 1 oznacza stan HIGH dla danej diody LED, 0 to stan LOW, a -1 — INPUT (wejście). int pinStates[][3] = { {1, 0, -1}, // A {0, 1, -1}, // B {-1, 1, 0}, // C {-1, 0, 1}, // D {1, -1, 0}, // E {0, -1, 1} // F };

Nie wprowadzamy żadnych instrukcji do funkcji setup, ponieważ będziemy bez przerwy zmieniać stan nóżek sterujących. Funkcja ta jednak musi być umieszczona w kodzie, nawet jeśli będzie pusta. void setup() { }

Funkcja loop sprawdza każdą diodę LED i za pomocą funkcji setPins ustawia odpowiednie stany nóżek zgodnie z wartościami zapisanymi w tablicy. void loop() { for (int i = 0; i < 6; i++) { setPins(pinStates[i][0], pinStates[i][1], pinStates[i][2]); delay(1000); } }

W funkcji setPins umieszczamy jedynie polecenia służące do sterowania stanem każdej z nóżek w jednym zrozumiałym wierszu. Większość brudnej roboty odbywa się wewnątrz wywoływanej tu funkcji setPin. void setPins(int p1, int p2, int p3) { setPin(pin1, p1); setPin(pin2, p2); setPin(pin3, p3); }

Pierwszym argumentem funkcji setPin jest nóżka, której tryb będziemy ustalać. Jeżeli wartość stanu wynosi -1, tryb nóżki zostanie ustawiony na INPUT, w przeciwnym razie będą to wartości 0 lub 1, dla których ustanowiony tryb to OUTPUT. Wartość trybu nóżki zostanie następnie przesłana do wywoływanej funkcji digitalWrite.

192

Zabawy z elektronikÈ void setPin(int pin, int value) { if (value == -1) { pinMode(pin, INPUT); } else { pinMode(pin, OUTPUT); digitalWrite(pin, value); } }

Automatyczne wpisywanie haseï Mikrokontroler Arduino Leonardo może „udawać” klawiaturę USB. Niestety nie można tego samego powiedzieć o układzie Arduino Uno, dlatego w tym projekcie będzie nam potrzebny model Leonardo. Na rysunku 6.35 widzimy urządzenie, które za chwilę stworzymy.

Rysunek 6.35. Automatyczne wprowadzanie haseï za pomocÈ Arduino Leonardo

Po zmianie stanu przełącznika Arduino Leonardo zachowuje się jak klawiatura i przepisuje hasło zapisane w szkicu w miejsce, w którym znajduje się kursor.

Co bÚdzie potrzebne Projekt ten wymaga następujących podzespołów:

ROZDZIA’ 6. Zabawy z Arduino Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Leonardo

M21

1

Przewód microUSB dla Arduino Leonardo

1

Przełącznik imponujących rozmiarów

S15

Przewód elektryczny

N7

193

Konstrukcja Przylutuj przewody do przełącznika i ocynuj ich końcówki w taki sposób, aby można je było bezpośrednio wprowadzić do gniazd układu Arduino. Jeden przewód przełącznika powinien zostać doprowadzony do nóżki cyfrowej nr 2, a drugi — do masy. Prześlij szkic Haslo do Arduino Leonardo. Pamiętaj, że podczas programowania układu Leonardo może zaistnieć konieczność przytrzymania przycisku Reset aż do pojawienia się komunikatu Ładowanie.

Oprogramowanie Aby sprawdzić działanie tego projektu, najedź kursorem myszy na pole wpisywania hasła i użyj przełącznika. Zwróć uwagę, że ten przykładowy projekt służy jedynie do zaprezentowania możliwości układu Arduino Leonardo. Żeby poznać hasło, wystarczy użyć przełącznika, gdy kursor znajduje się w dowolnym edytorze tekstu. Jeśli więc chodzi o zabezpieczenia, projekt ten jest tak samo bezpieczny jak zapisanie hasła na kartce i przyklejenie jej do monitora! Szkic sam w sobie jest bardzo prosty. Pierwszym etapem jest zdefiniowanie zmiennej przechowującej hasło. Możesz zmienić zawarte w niej hasło na własny przykład. Następnie deklarujemy nóżkę, do której jest podłączony przełącznik. // haslo // Tylko Arduino Leonardo char* password = "mojetajnehaslo\n"; const int buttonPin = 2;

Układ Leonardo ma dostęp do specjalnych funkcji myszy i klawiatury, niedostępnych dla innych mikrokontrolerów Arduino. Z tego powodu w funkcji loop inicjujemy funkcję klawiatury za pomocą obiektu Keyboard.begin(). void setup() { pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP); Keyboard.begin(); }

194

Zabawy z elektronikÈ Stan przełącznika na cyfrowym gnieździe jest sprawdzany w głównej pętli. Jeżeli przełącznik został użyty, układ Leonardo wykorzystuje funkcję Keyboard.print do przesłania hasła. Następnie urządzenie odczekuje dwie sekundy, aby zapobiec wielokrotnemu przesłaniu hasła. void loop() { if (! digitalRead(buttonPin)) { Keyboard.print(password); delay(2000); } }

Podsumowanie W tym rozdziale zapoznałeś się z układem Arduino oraz poznałeś kilka pomysłów na jego sprytne wykorzystanie. Omówiliśmy jednak tylko skrawek możliwości ukrytych w tym wszechstronnym urządzeniu. Więcej informacji dotyczących programowania w układzie Arduino znajdziesz w innych książkach, np.: Arduino. 65 praktycznych projektów (Helion 2014), Arduino dla zaawansowanych (Helion 2014), Spraw, by rzeczy przemówiły. Programowanie urządzeń elektronicznych z wykorzystaniem Arduino (Helion 2013), Monitorowanie otoczenia z Arduino (Helion 2014). Książka Programming Arduino: Getting Started with Sketches nie wymaga znajomości zasad programowania i omawia zagadnienia programistyczne od samych podstaw. Z kolei 30 Arduino Projects for the Evil Genius jest, podobnie jak trzymana przez Ciebie w ręku publikacja, książką opartą na projektach, w której zostały wyjaśnione aspekty zarówno sprzętowe, jak i programistyczne układu Arduino. Znajdziesz w niej wiele przykładowych projektów, z których zdecydowana większość jest konstruowana na płytce montażowej. Na oficjalnej stronie projektu Arduino (www.arduino.cc) znajdziesz mnóstwo informacji dotyczących obsługi mikrokontrolerów z tej rodziny, jak również oficjalną dokumentację poleceń i bibliotek stosowanych w szkicach.

7 Zabawa z moduïami a rynku istnieje wiele modułów, które ułatwiają pracę podczas tworzenia własnych projektów. Takie moduły składają się zazwyczaj z kilku złączy oraz podzespołów umieszczonych na niewielkiej płytce drukowanej. Ułatwiają one znacznie pracę z elementami montowanymi powierzchniowo, do których bardzo trudno dolutować przewody. Wiele z tych modułów zostało zaprojektowanych pod kątem współpracy z takimi mikrokontrolerami jak Arduino. W tym rozdziale przetestujemy kilka co ciekawszych i przydatniejszych modułów, dostępnych w takich sklepach jak SparkFun czy Allegro. Większość z nich jest również tworzona zgodnie z otwartą architekturą sprzętową. Możemy więc przeglądać schematy tych modułów, a nawet tworzyć ich własne modyfikacje na podstawie posiadanej dokumentacji. Dostęp do dokumentacji i kart katalogowych to bardzo istotna kwestia w trakcie korzystania z modułów. Przed rozpoczęciem użytkowania musimy wiedzieć kilka rzeczy na temat danego modułu:

N

x Jaki jest zakres jego napięcia zasilania? x Ile wykorzystuje energii elektrycznej? x Jakie natężenie prądu występuje na wyjściach?

196

Zabawy z elektronikÈ

Moduï wykrywacza ruchu na podczerwieñ Czujniki ruchu PIR (ang. Passive Infra Red — pasywna podczerwień) są wykorzystywane w alarmach przeciwwłamaniowych oraz w zautomatyzowanych systemach przeciwkradzieżowych. Wykrywają ruch w paśmie podczerwieni. Ponadto cechuje je niska cena oraz prostota obsługi. W poniższym projekcie wykrywacz ruchu posłuży nam najpierw do zasilania diody LED, a następnie nauczysz się podłączać go do Arduino, aby wysyłał ostrzegawcze komunikaty do Monitora portu szeregowego.

Co bÚdzie potrzebne (czujnik ruchu i dioda LED) Liczba

Oznaczenie

1

Przedmiot

Kod w dodatku

Moduł wykrywacza ruchu PIR (5 – 9 V)

M5

1

D1

Dioda LED

Z1

1

R1

Rezystor 470 Ω

Z2

Nielutowana płytka montażowa

N5

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

4 baterie AA

1

Zacisk na baterie

1

S2

Pïytka montaĝowa Schemat testowanego przez nas układu został zaprezentowany na rysunku 7.1.

Rysunek 7.1. Schemat wykorzystania moduïu PIR do zasilania diody LED

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

197

Przeglądając kartę katalogową tego modułu, dowiesz się, że pracuje w zakresie napięcia od 5 V do 7 V, cztery baterie AA powinny więc nam w zupełności wystarczyć. Schemat wykorzystania modułu PIR jest bardzo prosty. Wystarczy, że zapewnimy mu odpowiednie zasilanie, a w momencie wykrycia ruchu przez jego wyjście zacznie przepływać prąd (zgodny z napięciem zasilającym), po czym po sekundzie lub dwóch wyjście to powróci do stanu niskiego. W karcie katalogowej wyczytamy również, że maksymalny dopuszczalny prąd na wyjściu to 10 mA. Nie jest to zbyt wiele, ale wystarczy do zasilania diody LED. Wybierając rezystor 470 Ω, ograniczymy natężenie prądu do wartości: I = U:R = (6 V–2 V):470 Ω = 4:470 = 8,5 mA Na rysunku 7.2 widzimy rozmieszczenie elementów na płytce montażowej, z kolei rysunek 7.3 przedstawia zdjęcie całego układu.

Rysunek 7.2. Rozmieszczenie na pïytce montaĝowej elementów ukïadu zasilajÈcego diodÚ LED za pomocÈ moduïu PIR

Moduł PIR zawiera trzy nóżki oznaczone jako +5V, GND oraz OUT. Dostarczony wraz z czujnikiem PIR przewód połączeniowy składa się z trzech kabelków oznaczonych kolorami: czerwonym, żółtym i czarnym. Podłączmy czerwony przewód do obwodu 5 V. Po włączeniu zasilania dioda LED zaświeci się za każdym razem, gdy czujnik PIR wykryje ruch. Skoro już wiesz, czego spodziewać się po wykrywaczu ruchu, możemy podłączyć go do Arduino.

198

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 7.3. Zasilanie diody LED za pomocÈ wykrywacza ruchu

Co bÚdzie potrzebne (czujnik PIR i Arduino) Do połączenia czujnika podczerwieni z Arduino wystarczą nam tak naprawdę dwa wymienione poniżej podzespoły. Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Moduł wykrywacza ruchu PIR (5 – 9 V)

M5

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

Konstrukcja Schemat naszego projektu został ukazany na rysunku 7.4, natomiast rysunek 7.5 prezentuje sposób podłączenia czujnika ruchu do Arduino. Aby przewody nie wychodziły z gniazd Arduino, warto wygiąć je na końcach w niewielkie zygzaki. Zanim przejdziemy do etapu programowania układu Arduino, wyciągnijmy z niego najpierw przewód OUT. W ten sposób zabezpieczymy nasz moduł, ponieważ jakiś projekt może być załadowany w pamięci mikrokontrolera. Jeżeli nóżka 7. w tym szkicu jest skonfigurowana jako wyjście, natychmiast uszkodzilibyśmy wyjście modułu PIR.

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

199

Rysunek 7.4. Schemat podïÈczenia moduïu PIR do Arduino

Rysunek 7.5. Wykrywacz ruchu podïÈczony do Arduino

Oprogramowanie Wczytajmy szkic pir_ostrzezenie w środowisku programistycznym i załadujmy go na Arduino. Teraz możemy ponownie podłączyć przewód OUT do nóżki 7. Po uruchomieniu Monitora portu szeregowego (rysunek 7.6) za każdym razem, gdy czujnik wykryje ruch, zostanie wyświetlone zdarzenie. Możesz teraz pozostawić ten układ włączony, gdy będziesz wychodzić z domu — być może zostanie wykryty jakiś szpieg! Sam szkic nie jest skomplikowany. // pir_ostrzezenie int pirPin = 7; void setup() { pinMode(pirPin, INPUT); Serial.begin(9600); }

200

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 7.6. Monitor portu szeregowego wyĂwietlajÈcy informacje o wykrytym ruchu void loop() { if (digitalRead(pirPin)) { int totalSeconds = millis() / 1000; int seconds = totalSeconds % 60; int mins = totalSeconds / 60; Serial.print(mins); Serial.print(":"); if (seconds < 10) Serial.print("0"); Serial.print(seconds); Serial.println("\tWYKRYTO RUCH"); delay(10000); } }

Jedyny nowy fragment kodu, który nieco różni się od tego, co poznałeś dotychczas, dotyczy wyświetlania szacowanego czasu (w minutach i sekundach) przy każdym wykrytym zdarzeniu. Zostaje tu wykorzystana funkcja milis, zwracająca czas (w milisekundach) od ostatniego uruchomienia Arduino. Milisekundy zostają następnie przeliczone na minuty i sekundy oraz wyświetlone jako osobne elementy. Ostatni element w wierszu zostaje wyświetlony za pomocą polecenia println, które wypełnia resztę przestrzeni wiersza, dzięki czemu następny komunikat pojawia się w nowej linijce. Znak specjalny \t wykorzystany w tym poleceniu służy za tabulator, wyrównujący wszystkie wyświetlane komunikaty.

Moduïy dalmierzy ultraděwiÚkowych Dalmierze ponaddźwiękowe wykorzystują ultradźwięki (dźwięki o częstotliwości wyższej niż rozpoznawana przez ludzkie ucho) do pomiaru odległości od obiektu odbijającego falę dźwiękową. Obliczają one czas potrzebny impulsowi dźwiękowemu na

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

201

dotarcie do celu i powrót. Na rysunku 7.7 widać dwa różne rodzaje sonarów. Po lewej stronie widzimy tani (poniżej 20 zł) moduł dalmierza, składający się z dwóch przetworników ultradźwiękowych, z których jeden wysyła sygnał, a drugi go odbiera. Drugi moduł jest o wiele droższy (ponad 100 zł), ale jednocześnie o wiele precyzyjniejszy. Został on stworzony przez firmę MaxBotix Inc.

Rysunek 7.7. Dalmierze ultraděwiÚkowe

Aby sprawdzić, jak te moduły współpracują z Arduino, przetestujemy po kolei obydwa modele. Pomiar odległości za pomocą ultradźwięków działa na takiej samej zasadzie, na jakiej działa sonar na statkach lub łodziach podwodnych. Fala dźwiękowa zostaje wysłana od nadawcy, trafia na jakiś obiekt i odbija się z powrotem. Znamy prędkość fali dźwiękowej, możemy więc obliczyć odległość do danego obiektu, biorąc pod uwagę czas, jaki zajmie dźwiękowi powrót do odbiornika (rysunek 7.8).

Rysunek 7.8. Pomiar odlegïoĂci za pomocÈ ultraděwiÚków

202

Zabawy z elektronikÈ Wysyłany dźwięk ma wysoką częstotliwość — stąd nazwa „ultradźwięki”. Większość dalmierzy działa w zakresie około 40 kHz. 20 kHz to maksymalna częstotliwość rozpoznawana przez ludzkie ucho.

Co bÚdzie potrzebne Aby sprawdzić działanie obydwu dalmierzy, potrzebne nam będą poniższe elementy. Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Dalmierz MaxBotix LV-EZ1

M6

1

Dalmierz HC-SR04

M7

1

Nielutowana płytka montażowa

N5

Jednożyłowy kabel złączowy

N6

Dalmierz HC-SR04 Ten model dalmierza mocno obciąża układ Arduino i jest to jeden z powodów sprawiających, że jest on tańszy od modułu firmy MaxBotix. Ma on jednak tę zaletę, że pasuje do bocznego złącza Arduino, pod warunkiem że zagospodarujemy dwie nóżki do zasilania modułu (rysunek 7.9).

Rysunek 7.9. Dalmierz HC-SR04 umieszczony na pokïadzie Arduino

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

203

Wczytajmy szkic dalmierz_tani i podłączmy moduł dalmierza do Arduino, tak jak pokazano na rysunku 7.9. Po otwarciu Monitora portu szeregowego zostanie wyświetlona odległość do mierzonego obiektu w centymetrach (rysunek 7.10). Spróbuj zmierzyć odległość do innego punktu — na przykład do ściany odległej o kilkadziesiąt centymetrów — i porównać wyniki z metrówką. Powinieneś uzyskać podobne wyniki.

Rysunek 7.10. Odczyty odlegïoĂci w Monitorze portu szeregowego

Kod odpowiedzialny za pomiar odległości został zawarty wewnątrz funkcji take ´Sounding_cm. Urządzenie wysyła pojedynczy, 10-mikrosekundowy impuls do nóżki „aktywującej” modułu ponaddźwiękowego, która następnie, za pomocą wbudowanej funkcji pulseIn, dokonuje pomiaru czasu do momentu wzbudzenia nóżki odbiornika. // dalmierz_tani int int int int

trigPin = 9; echoPin = 10; gndPin = 11; plusPin = 8;

int lastDistance = 0; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT); pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); } void loop()

204

Zabawy z elektronikÈ { Serial.println(takeSounding_in()); delay(500); } int takeSounding_cm() { digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(2); int duration = pulseIn(echoPin, HIGH); int distance = duration / 29 / 2; if (distance > 500) { return lastDistance; } else { lastDistance = distance; return distance; } } // int takeSounding_in() // { // return takeSounding_cm() * 2 / 5; // }

Musimy następnie przekonwertować czas w milisekundach na odległość w centymetrach. Jeżeli fala dźwiękowa nie została odbita z powodu zbyt dużej odległości do obiektu lub obiekt ten odbija ją w taki sposób, że nie powraca ona do odbiornika, czas wysłania impulsu może mieć olbrzymią wartość, a tym samym również odległość może zostać zarejestrowana jako bardzo duża. Aby pominąć tego typu odczyty, zawężamy odległość pomiaru do pięciu metrów. Fala dźwiękowa porusza się z prędkością 343 m/s (czyli 34 300 cm/s) w suchym powietrzu, w temperaturze 20°C. Inaczej ujmując, porusza się z prędkością 34 300:1 000 000 cm/ms. Czyli 0,0343 cm/ms. Jeszcze inaczej — w ciągu 1 mikrosekundy fala przemieszcza się o 0,0343 cm. Lub przebycie 1 cm zajmuje jej 29,15 mikrosekund. Z tego wynika, że w ciągu 291,5 mikrosekund fala przesunie się o 10 cm. Funkcja takeSounding_cm zaokrągla tę wartość (29,15) do 29 i dzieli wartość przebytej odległości przez 2, gdyż nie interesuje nas cała droga pokonana w tę i z powrotem, tylko dystans do obserwowanego obiektu.

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

205

Ostatnia część kodu — objęta komentarzem — pozwala skonwertować jednostki z centymetrów na cale. Wystarczy usunąć z niej symbole komentarza, aby była przetwarzana przez mikrokontroler. W rzeczywistości na prędkość dźwięku w danym ośrodku wpływa mnóstwo czynników, więc otrzymane wyniki będą jedynie przybliżone. Temperatura oraz wilgotność powietrza również mają wpływ na wyniki eksperymentu.

Dalmierz MaxBotix LV-EZ1 Dalmierz HC-SR04 ma tylko jeden rodzaj interfejsu, ponadto sami musimy wymusić wygenerowanie impulsu i wyliczyć czas powrotu sygnału. Z drugiej strony model firmy MaxBotix przeprowadza samodzielnie te operacje i, co ważniejsze, zawiera trzy mechanizmy odczytywania pomiarów odległości, takie jak: x szeregowa transmisja odczytów; x analogowo (Vcc:512):2,54 cm; x szerokość impulsu (147 μS:2,54 cm). Przetestujemy nasz dalmierz w analogowym trybie pomiaru. Wyrażenie Vcc:512 na każde 2,54 cm (czyli cal) oznacza, że w przypadku wyjścia analogowego napięcie zasilania będzie dzielone przez wartość 512 na każde 2,54 centymetra odległości. Jeśli więc badany obiekt będzie znajdował się w odległości 25,4 cm, napięcie na analogowym wyjściu wyniesie: (25,4 cm:2,54)·5 V:512 = 0,098 V Wartość 2,54 jest przelicznikiem z centymetrów na cale. Moduł MaxBotix zawiera zbyt wiele nóżek, aby podłączyć go bezpośrednio do Arduino, dlatego wykorzystamy w tym przypadku płytkę montażową. Na rysunku 7.11 widzimy moduł podłączony do płytki montażowej i układu Arduino, a rysunek 7.12 zawiera schemat rozmieszczenia elementów potrzebnych do wykonania tego projektu. Wczytajmy szkic dalmierz_maxbotix i podłączmy moduł zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 7.11. Szkic ten jest jeszcze prostszy od użytego przy module HC-SR04, a odległość (mierzona w calach) stanowi jedynie nieprzetworzony odczyt z wyjścia analogowego (z zakresem wartości pomiędzy 0 i 1023), który następnie jest dzielony przez 2. // dalmierz_maxbotix int readingPin = 0; int lastDistance = 0;

206

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 7.11. Dalmierz firmy MaxBotix i Arduino

Rysunek 7.12. Rozmieszczenie elementów ukïadu zawierajÈcego moduï dalmierza MaxBotix i Arduino na pïytce montaĝowej void setup() { Serial.begin(9600); } void loop()

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

207

{ Serial.println(takeSounding_in()); delay(500); } int takeSounding_in() { int rawReading = analogRead(readingPin); return rawReading / 2; } int takeSounding_cm() { return takeSounding_cm() * 5 / 2; }

Po uruchomieniu Monitora portu szeregowego będziemy uzyskiwać odczyty bardzo podobne do przedstawionych w poprzednim przykładzie. Zwróć uwagę, że w obydwu przykładach mamy dostęp do jednostek odległości podanych zarówno w systemie metrycznym, jak również imperialnym. Jeżeli chcesz, aby wartości w drugim przykładzie były podawane w calach, wystarczy oznaczyć symbolem komentarza cztery ostatnie wiersze kodu.

Moduï bezprzewodowego pilota Zazwyczaj nie warto tworzyć układów wykorzystujących częstotliwości radiowe, ponieważ na rynku istnieje mnóstwo niezwykle przydatnych, bardzo tanich modułów opartych na tej technologii, takich jak widoczny na rysunku 7.13.

Rysunek 7.13. Moduï radiowy umieszczony na pïytce montaĝowej

208

Zabawy z elektronikÈ Zaprezentowany moduł można łatwo znaleźć w serwisie eBay. Zawiera on elegancki, kieszonkowy pilot z czterema przyciskami. Za ich pomocą możemy włączać i wyłączać cztery cyfrowe nóżki na odbiorniku. Warto zauważyć, że moduły tego typu często mają przekaźniki zamiast cyfrowych wyjść, przez co możemy dostosowywać je do własnych celów. Najpierw przetestujemy nasz projekt na płytce montażowej i zobaczymy, czy uda nam się zapalić diodę LED, a następnie podłączymy moduł do Arduino.

Co bÚdzie potrzebne Aby przetestować bezprzewodowy pilot na płytce montażowej, potrzebne nam będą następujące przedmioty: Liczba

Oznaczenie

1

1

Przedmiot

Kod w dodatku

Nielutowana płytka montażowa

N5

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

Moduł bezprzewodowego pilota

M8

1

D1

Dioda LED

Z1

1

R1

Rezystor 470 Ω

Z2

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

Zacisk na baterie

S2

1

4 baterie AA

Pïytka montaĝowa Na rysunku 7.14 widzimy rozmieszczenie elementów wykorzystywanych do przetestowania pilota na płytce montażowej. Jeżeli chcesz, możesz dodać jeszcze trzy diody LED, po jednej na każdy kanał. Zgodnie z kartą katalogową tego modułu jego nóżki są wykorzystywane tak, jak zostało opisane w tabeli 7.1. Ułóżmy moduł na płytce montażowej w taki sposób, aby nóżka 1. znajdowała się na górze, a następnie okablujmy cały układ zgodnie z rysunkiem 7.14. I to naprawdę wszystko. Wciśnięcie przycisku A powinno włączać i wyłączać diodę LED. Jeżeli chcesz, możesz dodać do pozostałych kanałów pozostałe diody albo przekładać diodę z kanału do kanału i sprawdzić, czy wszystkie działają.

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

209

Rysunek 7.14. Rozmieszczenie elementów ukïadu sïuĝÈcego do sprawdzenia moduïu pilota na pïytce montaĝowej Tabela 7.1. Ukïad nóĝek moduïu odbiornika radiowego

Numer nóĝki

Nazwa nóĝki

Przeznaczenie

1

Vcc

Napięcie zasilania w zakresie od 4,5 do 7 V

2

VT

Napięcie przełącznika — połączenie nie jest potrzebne

3

GND

Masa

4

D3

Wyjście cyfrowe 3

5

D2

Wyjście cyfrowe 2

6

D1

Wyjście cyfrowe 1

7

D0

Wyjście cyfrowe 0

Moduï bezprzewodowego pilota i Arduino Jeżeli jesteś gotowy, aby zająć jeden kanał z projektu „Moduł bezprzewodowego pilota”, to możemy podłączyć odbiornik bezpośrednio do gniazd A0 – A5 mikrokontrolera Arduino (rysunek 7.15).

Co bÚdzie potrzebne Jeśli chcesz sprawdzić, w jaki sposób bezprzewodowy pilot współpracuje z Arduino, potrzebne nam będą następujące elementy:

210

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 7.15. Moduï radiowy podïÈczony do Arduino

Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Moduł bezprzewodowego pilota

M8

Zanim podłączymy moduł odbiornika do Arduino, załadujmy najpierw szkic pilot_radiowy.

Oprogramowanie Gdy już wczytamy szkic i podłączymy moduł radiowy, po uruchomieniu Monitora portu szeregowego powinniśmy zobaczyć ekran podobny do zaprezentowanego na rysunku 7.16. Nasz szkic powoduje wyświetlanie stanu kanałów pilota w postaci zer lub jedynek. Zatem przycisk A nie będzie nic robił (to właśnie ten kanał poświęciliśmy na początku podrozdziału), ale wciskanie pozostałych przycisków powinno powodować wyświetlanie wartości w odpowiedniej kolumnie. // pilot_radiowy int int int int int

gndPin = A3; plusPin = A5; bPin = A2; cPin = A1; dPin = A0;

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

211

Rysunek 7.16. Komunikaty wysyïane z bezprzewodowego pilota na komputer void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); pinMode(bPin, INPUT); pinMode(cPin, INPUT); pinMode(dPin, INPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { Serial.print(digitalRead(bPin)); Serial.print(digitalRead(cPin)); Serial.println(digitalRead(dPin)); delay(500); }

Odbiornik radiowy pobiera bardzo mało prądu, więc jego zasilanie za pomocą cyfrowego wyjścia nie powinno stanowić problemu. Rozwiązanie to ma w rzeczywistości dodatkową zaletę, ponieważ wystarczy, abyśmy ustawili wartość parametru plusPin na LOW, by wyłączyć nadajnik w celu zaoszczędzenia energii.

212

Zabawy z elektronikÈ

Regulacja obrotów silnika za pomocÈ tranzystora mocy MOSFET Ten podrozdział trochę nie pasuje do koncepcji całego rozdziału, ponieważ tranzystory MOSFET nie mają budowy modułowej. Stanowi on jednak dobre wprowadzenie do następnego podrozdziału, w którym będziemy posługiwać się modułami sterownika silnika. Po raz pierwszy natknąłeś się na tranzystory MOSFET w rozdziale 3. Są one wyspecjalizowane w efektywnym przełączaniu prądu o dużym natężeniu. Przez „efektywne” mam na myśli to, że się nie przegrzewają i skutecznie spełniają rolę elektronicznych przełączników. Mają bardzo niską rezystancję „włączenia” i bardzo wysoką oporność „wyłączenia”. W rozdziale 6. korzystaliśmy z techniki PWM (modulacja szerokości impulsu) do regulowania jasności diody LED. Możemy skorzystać dokładnie z tej samej sztuczki w przypadku sterowania obrotami silnika prądu stałego. Jednak w przeciwieństwie do diod LED silniki wymagają zbyt wiele prądu, aby mogły być zasilane bezpośrednio z wyjścia Arduino, dlatego wprowadzimy tranzystor MOSFET sterowany przez Arduino.

Co bÚdzie potrzebne Aby zbudować poniższy układ, wykorzystamy następujące elementy: Liczba

Nazwa

Przedmiot

Kod w dodatku

Nielutowana płytka montażowa

N5

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

4 baterie AA

1

Zacisk do baterii

S2

1

1

R1

Potencjometr 10 kΩ

Z1

1

R2

Rezystor 1 kΩ

Z2

1

T1

Tranzystor MOSFET FQP30N06

P6

1

Silnik stałoprądowy lub silnik przekładniowy 6 V

S6

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

Silnik stałoprądowy może być dowolny, zasilany napięciem około 6 V.

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

213

Pïytka montaĝowa Na rysunku 7.17 widzimy schemat naszego układu.

Rysunek 7.17. Schemat ukïadu regulujÈcego pracÚ silnika za pomocÈ tranzystora MOSFET

Zauważ, że tak naprawdę mamy tu dwa źródła zasilania. Oddzielnie zasilamy Arduino poprzez port USB oraz tranzystor MOSFET za pomocą baterii. Nie ma w tym nic niezwykłego, ponieważ napięcie 5 V na wyjściu Arduino nie nadaje się do zasilania takich urządzeń jak silnik. W istocie, silniki mogą sprawić delikatnym układom elektronicznym całą masę różnorodnych problemów, dlatego najlepiej będzie, jeśli unikniemy zasilania tego typu urządzenia poprzez układ Arduino. Wygodniejszym rozwiązaniem byłoby współdzielenie źródła zasilania przez Arduino i silnik. Na przykład bateria 9 V mogłaby jednocześnie mieć jeden przewód zasilający dla Arduino, a drugi — dla innego urządzenia. Umieściłem rezystor R2 pomiędzy nóżką wyjściową Arduino a tranzystorem MOSFET. Obwód działałby dobrze, gdyby podłączyć diodę D5 bezpośrednio do bramki; bramka jednak zachowuje się jak kondensator, co oznacza, że podczas przełączania z dużą szybkością może powodować przepływ dużych ilości prądu przez wyjście cyfrowe. Nie powinno to stanowić problemu w przypadku względnie wolnej modulacji PWM, ale wprowadzenie rezystora w tym miejscu powinniśmy uznać za „dobry zwyczaj”. Rysunki 7.18 i 7.19 zawierają odpowiednio zdjęcie gotowego układu i rozmieszczenie elementów na płytce montażowej.

Oprogramowanie Wczytajmy szkic mosfet_regulator_silnika i podłączmy baterię. Powinniśmy stwierdzić, że obracając pokrętłem potencjometru mamy o wiele dokładniejszą kontrolę nad obrotami silnika niż nad samym napięciem bramki tranzystora MOSFET (rozdział 3.).

214

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 7.18. Regulator pracy silnika oparty na tranzystorze MOSFET

Rysunek 7.19. Rozmieszczenie podzespoïów ukïadu regulatora obrotów silnika na pïytce montaĝowej

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

215

Użyty w tym przykładzie szkic bardzo przypomina kod wykorzystany w rozdziale 6. podczas sterowania jasnością diody LED za pomocą Arduino. // mosfet_regulator_silnika int voltsInPin = 0; int motorPin = 5; void setup() { pinMode(motorPin, OUTPUT); } void loop() { int rawReading = analogRead(voltsInPin); int power = rawReading / 4; analogWrite(motorPin, power); }

W funkcji loop pierwotne wartości wejściowe z zakresu od 0 do 1023 zostają podzielone przez 4, dzięki czemu otrzymujemy wartości z przedziału 0 – 255, zrozumiałe dla funkcji analogWrite.

Regulacja silnika staïoprÈdowego za pomocÈ moduïu mostka H W poprzednim podrozdziale, „Regulacja obrotów silnika za pomocą tranzystora mocy MOSFET”, dowiedziałeś się, w jaki sposób można wykorzystać tranzystor MOSFET do sterowania pracą silnika. Rozwiązanie to jest dobre, w przypadku gdy chcemy, aby silnik pracował ciągle w jedną stronę. Jeżeli potrzebny jest nam mechanizm pozwalający na zmianę kierunku obrotów, musimy skorzystać z układu nazwanego mostkiem H. Aby zmienić kierunek obrotów silnika, należy odwrócić kierunek przepływu prądu. Zapewni nam to układ złożony z czterech tranzystorów lub przełączników. Na rysunku 7.20 zaprezentowano układ składający się z czterech przełączników. Teraz widzisz, dlaczego nazwano ten układ mostkiem H. Przyjrzyjmy się rysunkowi 7.20. Przełączniki S1 i S4 pozostają zamknięte, natomiast S2 i S3 są otwarte. W tym układzie biegun A silnika jest dodatni, a biegun B — ujemny. Gdy zamkniemy przełączniki S2 i S3 oraz otworzymy S1 i S4, polaryzacja biegunów zostanie odwrócona i silnik zacznie pracować w przeciwnym kierunku.

216

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 7.20. Mostek H utworzony z przeïÈczników

Uważne oko może jednak zauważyć zagrożenie wynikające z takiej architektury. Jeżeli jakimś trafem zostaną zamknięte przełączniki S1 i S2, nastąpi zwarcie obwodu. To samo dotyczy przełączników S3 i S4. Możemy sami zbudować mostek H z tranzystorów, a schemat takiego typowego układu został przedstawiony na rysunku 7.21.

Rysunek 7.21. Przykïadowy schemat mostka H

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

217

Aby stworzyć taki układ, potrzebowalibyśmy sześciu tranzystorów oraz sporej liczby innych podzespołów. Gdybyśmy chcieli sterować dwoma silnikami, liczba tranzystorów wzrosłaby do dwunastu i schemat stałby się już całkiem skomplikowany. Na szczęście nie musimy się tym martwić, ponieważ na rynku są dostępne układy scalone zawierające zazwyczaj w jednym module dwa mostki H, dzięki czemu sterowanie silnikami zostaje znacznie uproszczone. Jeden z tego typu modułów jest dostępny w sklepie SparkFun (rysunek 7.22). Podobne moduły znajdziesz również w innych sklepach z elektroniką (na przykład w Nettigo — http://nettigo.pl/products/452).

Rysunek 7.22. Moduï mostka H z serwisu SparkFun

Na rysunku 7.22 widzimy w rzeczywistości dwa moduły, dzięki czemu możemy je obejrzeć z obydwu stron. Moduły są sprzedawane bez przewodów ani gniazd, a układ po lewej stronie ma dolutowane nóżki. Dzięki temu o wiele łatwiej testować taki moduł na płytce montażowej. W tabeli 7.2 omówiłem przeznaczenie każdej nóżki. Moduł ma dwa kanały silnika nazwane A i B. Może on obsługiwać silniki pracuje w obciążeniu 1,2 A na kanał, przy maksymalnym natężeniu ponad dwukrotnie przekraczającym tę wartość. Tabela 7.2. Rozmieszczenie nóĝek w ukïadzie TB6612FNG

Nazwa nóĝki

Przeznaczenie

Przeznaczenie

Nazwa nóĝki

PWMA

Wejście modulacji PWM dla kanału A

Napięcie zasilające silnika (od napięcia VCC do 15 V)

VM

AIN2

Wejście sterujące 2. dla kanału A; stan wysoki dla kierunku przeciwnego do kierunku ruchu wskazówek zegara

Zasilanie logiki (2,7 do 5,5 V); wymaga jedynie 2 mA

VCC

AIN1

Wejście sterujące 1. dla kanału A; stan wysoki dla kierunku zgodnego z kierunkiem ruchu wskazówek zegara

GND

218

Zabawy z elektronikÈ Tabela 7.2. Rozmieszczenie nóĝek w ukïadzie TB6612FNG — ciÈg dalszy

Nazwa nóĝki

Przeznaczenie

Przeznaczenie

Nazwa nóĝki

STBY

Po podłączeniu do nóżki GND moduł przechodzi w stan „czuwania”

Połączenie 1. kanału A

A01

BIN1

Wejście sterujące 1. dla kanału B; stan wysoki dla kierunku zgodnego z kierunkiem ruchu wskazówek zegara

Połączenie 2. kanału A

A02

BIN2

Wejście sterujące 2. dla kanału B; stan wysoki dla kierunku przeciwnego do kierunku ruchu wskazówek zegara

Połączenie 2. kanału B

B02

PWMB

Wejście modulacji PWM dla kanału B

Połączenie 1. kanału B

B01

GND

GND

Wykorzystamy tylko jeden mostek H podczas testowania tego modułu (rysunek 7.23).

Rysunek 7.23. Testowanie moduïu TB6612FNG

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

219

Co bÚdzie potrzebne Do skonstruowania omawianego projektu wykorzystamy następujące podzespoły: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Nielutowana płytka montażowa

N5

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

4 baterie AA

1

Zacisk na baterie

S2

1

Dioda LED

Z1

1

Moduł TB6612FNG

M9

1

Silnik prądu stałego 6 V lub silnik przekładniowy

S6

1

Nóżki do przylutowania

Z1, S4

Możemy wykorzystać dowolny silnik stałoprądowy o napięciu 6 V.

Pïytka montaĝowa Zanim umieścimy moduł na płytce montażowej, musimy dolutować do niego nóżki, tak jak widać na rysunku 7.22. Nie będziemy korzystać z dolnych nóżek GND, wystarczy więc, że przylutujemy pozostałe złącza. Na rysunku 7.24 widzimy schemat naszego eksperymentalnego układu, z kolei rysunek 7.25 zawiera rozmieszczenie wykorzystywanych przez nas elementów na płytce montażowej.

Rysunek 7.24. Schemat ukïadu wykorzystujÈcego mostek H

Napięcie baterii 6 V nieco przekracza (mówiąc wprost) dopuszczalną wartość dla nóżki VCC w tym module. Prawdopodobnie nic by się nie stało, gdybyśmy przekroczyli napięcie znamionowe 5,5 V o te pół wolta. Nie chcemy jednak ryzykować, więc

220

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 7.25. Rozmieszczenie elementów ukïadu testujÈcego mostek H na pïytce montaĝowej

wstawimy diodę LED, która obniży napięcie o 2 V, dzięki czemu na wejściu VCC będzie występowała wartość 4 V, całkowicie wystarczająca na nasze potrzeby. Jest to bardzo przydatna sztuczka, należy ją jednak stosować tylko wtedy, gdy natężenie prądu nie przekracza dopuszczalnej wartości prądu przewodzenia diody LED. W naszym przypadku prąd dochodzący do nóżki VCC jest tak mały, że dioda nie będzie nawet świecić. Nóżka PWMA jest podłączona do VCC, co oznacza, że sygnał modulacji PWM jest cały czas obecny — innymi słowy, silnik pracuje na maksymalnych obrotach. Poskładajmy wszystkie elementy tak, jak zostało pokazane na rysunku 7.25.

Korzystanie z nóĝek sterujÈcych Trzy przewody wychodzące z płytki montażowej prowadzą donikąd. Będziemy regulować pracę silnika, przytykając czerwony przewód (wychodzący z nóżki VCC) na przemian do wejść AIN1 i AIN2. Silnik będzie pracował raz w jedną, raz w drugą stronę. Zastanawiasz się pewnie, dlaczego moduł ma aż dwie nóżki sterujące, a także po jednej nóżce modulacji PWM na każdy kanał. Teoretycznie wystarczyłaby jedna nóżka sterowania i jedna nóżka modulacji PWM, a gdyby na tej drugiej nie było napięcia, silnik w ogóle by nie pracował. Obecność trzech, a nie dwóch nóżek sterujących obrotami każdego silnika (PWM, IN1 oraz IN2) można wytłumaczyć faktem, że jeśli obydwa wejścia — IN1 i IN2 — są

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

221

włączone (podłączone do VCC), to mostek H będzie działał w trybie „hamowania”. Silnik zostanie zatrzymany poprzez obwód elektryczny. Funkcja ta nie jest często stosowana, przydaje się jednak na wypadek, gdybyśmy chcieli szybko zatrzymać pracę silnika.

Sterowanie silnikiem krokowym za pomocÈ moduïu mostka H Standardowe silniki stałoprądowe nie sprawiają problemu w użytkowaniu. Istnieją tylko dwa połączenia i jeśli puścimy prąd w jedną stronę, to silnik będzie pracował w jednym kierunku; jeśli odwrócimy polaryzację, to zacznie obracać się w przeciwnym kierunku. Wadą tego typu silnika jest niemożność bezpośredniego sprawdzenia kierunku i położenia, w którym nastąpił obrót — potrzebny jest w tym celu jakiś czujnik. Silniki krokowe to zupełnie inna historia. Zazwyczaj mają one cztery wejścia. Na rysunku 7.26 przedstawiono mechanizm działania silnika krokowego, a dokładniej — silnika bipolarnego, który będzie bohaterem kolejnego projektu.

Rysunek 7.26. Zasada dziaïania bipolarnego silnika krokowego

Silnik składa się z wirnika, którego każdy ząb jest zmieniającym polaryzację magnesem. Cztery cewki pełniące funkcję elektromagnesów będą obracały (przy odpowiednim zasilaniu) wirnik po jednym kroku. Są one pogrupowane w pary i gdy jedna z nich odpycha wirnik, druga jednocześnie go przyciąga. Większość silników krokowych ma znacznie więcej kroków niż osiem przedstawionych na rysunku 7.26. Czasami ich liczba przekracza nawet 200. Czyni to z silników

222

Zabawy z elektronikÈ krokowych urządzenia bardzo użyteczne, ponieważ mogą one pracować w sposób ciągły (poprzez bardzo szybkie wysyłanie impulsów) tak samo jak inne typy silników. Możemy też w bardzo precyzyjny sposób sterować ich działaniem, obracając wirnik po jednym kroku. Z tego powodu silniki krokowe znajdują zastosowanie w drukarkach atramentowych oraz w drukarkach 3D. Ponieważ silnik krokowy obraca się tylko wtedy, gdy wyślemy szereg impulsów we właściwej kolejności oraz będziemy zmieniać kierunek przepływu prądu w cewkach, możemy wykorzystać Arduino do generowania sygnałów sterujących, a moduł mostka H — do zasilania cewek (rysunek 7.27).

Rysunek 7.27. Sterowanie silnikiem krokowym za pomocÈ ukïadu Arduino i moduïu mostka H

Na rysunku 7.28 widzimy schemat układu umożliwiającego przeprowadzenie eksperymentu.

Rysunek 7.28. Schemat ukïadu regulujÈcego pracÚ silnika krokowego

Rozpoznanie przeznaczenia przewodów silnika krokowego może nastręczać nieco trudności i wymagać sprawdzania ich metodą prób i błędów. Możemy za pomocą miernika sprawdzić wartość rezystancji pomiędzy parami przewodów i w ten sposób znaleźć połączenia wychodzące z tej samej cewki.

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

223

Innym sposobem identyfikacji przewodów łączących się z tą samą cewką jest przytrzymanie dwóch kabelków razem i sprawdzenie, czy wał będzie się obracał z większym oporem. Dziwne, ale prawdziwe! Jeżeli po uruchomieniu silnika wirnik nie będzie się obracał, być może wystarczy jedynie zamienić jeden z przewodów odchodzących od cewki. Na rysunku 7.28 widzimy kolory przewodów silnika zakupionego w sklepie Adafruit. Chociaż zalecanym napięciem dla silników krokowych jest 12 V, będą one działać również na zasilaniu bateryjnym 6 V. Nie próbuj jednak zasilać ich napięciem 5 V z wyjścia Arduino, gdyż czerpią one zbyt wiele prądu.

Co bÚdzie potrzebne W tym eksperymencie wykorzystamy następujące elementy: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Nielutowana płytka montażowa

N5

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

1

Uchwyt na 6 baterii AA

S8

1

6 baterii AA

1

Moduł TB6612FNG

M9

1

Bipolarny silnik krokowy

S13

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

Konstrukcja Na rysunku 7.29 został zamieszczony schemat rozmieszczenia podzespołów wykorzystywanych w tym projekcie.

Oprogramowanie W przykładowym szkicu (silnik_krokowy) silnik wykona najpierw 200 kroków w jedną stronę, po czym, po sekundzie przerwy, zacznie się obracać przez 200 kroków w przeciwnym kierunku. W przypadku silnika mającego dwieście ząbków każdy cykl to obrót o 360°. Najpierw zostają zdefiniowane zmienne nóżek, którym w funkcji setup przypisujemy tryb wyjścia.

224

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 7.29. Rozmieszczenie elementów ukïadu sterujÈcego silnikiem krokowym // silnik_krokowy int int int int int int

PWMApin AIN1pin AIN2pin PWMBpin BIN1pin BIN2pin

= = = = = =

9; 7; 8; 3; 5; 4;

void setup() { pinMode(PWMApin, pinMode(AIN1pin, pinMode(AIN2pin, pinMode(PWMBpin, pinMode(BIN1pin, pinMode(BIN2pin, }

OUTPUT); OUTPUT); OUTPUT); OUTPUT); OUTPUT); OUTPUT);

Następnie w funkcji loop zaczynamy obracać silnik w jedną stronę (do przodu) przez 200 kroków, zatrzymujemy go na sekundę, po czym obracamy go w przeciwnym

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

225

kierunku o taką samą liczbę skoków. Opóźnienia pomiędzy krokami w drugim przypadku zostają skrócone o połowę. Po wykonaniu 200 kroków znowu następuje sekunda przerwy, i tak w kółko. void loop() { forward(10, 200); delay(1000); back(5, 200); delay(1000); }

Funkcje forward i back przyjmują takie same dwa parametry. Pierwszym z nich jest opóźnienie (w milisekundach) pomiędzy krokami, a drugim jest liczba przeprowadzanych kroków. W obydwu funkcjach jest wykorzystywana inna funkcja, setStep, w której definiujemy właściwą polaryzację cewek, zgodnie ze wzorem 1010, 0110, 0101, 1001 (dla ruchu do przodu). void forward(int d, int steps) { for (int i = 0; i < steps / 4; i++) { setStep(1, 0, 1, 0); delay(d); setStep(0, 1, 1, 0); delay(d); setStep(0, 1, 0, 1); delay(d); setStep(1, 0, 0, 1); delay(d); } }

Aby silnik pracował w przeciwnym kierunku, wystarczy odwrócić powyższy wzór. void back(int d, int steps) { for (int i = 0; i < steps / 4; i++) { setStep(1, 0, 0, 1); delay(d); setStep(0, 1, 0, 1); delay(d); setStep(0, 1, 1, 0); delay(d); setStep(1, 0, 1, 0); delay(d); } }

226

Zabawy z elektronikÈ W funkcji setStep tak naprawdę definiujemy właściwe wyjścia kontrolera silnika. void setStep(int w1, int w2, int w3, int w4) { digitalWrite(AIN1pin, w1); digitalWrite(AIN2pin, w2); digitalWrite(PWMApin, 1); digitalWrite(BIN1pin, w3); digitalWrite(BIN2pin, w4); digitalWrite(PWMBpin, 1); }

Prosty ïazik elektroniczny W tym projekcie stworzymy niewielkiego robota wałęsającego się po okolicy. W tym celu wykorzystamy bezprzewodowy pilot radiowy, opisany w podrozdziale „Moduł bezprzewodowego pilota”, oraz moduł mostka H, którym niedawno zajmowaliśmy się w podrozdziale „Regulacja silnika stałoprądowego za pomocą modułu mostka H”, a także mikrokontroler Arduino. Nauczysz się sterować modułem silnika poprzez Arduino. Zbudujemy naszego robota (rysunek 7.30) z taniego kompletu podwozia, w którego skład wchodzą dwa silniki przekładniowe.

Rysunek 7.30. ’azik

Podstawą łazika będzie niewielka płytka montażowa, na której będzie umieszczony zarówno moduł silnika, jak również moduł odbiornika. Jedyna rzecz, którą będziemy lutować, to nóżki na kontrolerze silnika.

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

227

Co bÚdzie potrzebne Wykorzystamy w tym projekcie następujące podzespoły: Liczba

Nazwa

Przedmiot

Kod w dodatku

Mała, nielutowana płytka montażowa

S12

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

1

Uchwyt na 6 baterii AA

S8

1

6 baterii AA

*1

Przejściówka pomiędzy zaciskiem do baterii a wtyczką zasilania prądu stałego 2,1 mm

S9

1

Dioda LED

Z1

1

Moduł TB6612FNG

M9

1

Podwozie robota Magician

S7

1

Nóżki do przylutowania

Z1, S4

1

1

C1

Kondensator 1000 μF, 16 V

Z2

1

C2

Kondensator 100 μF, 16 V

Z2

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

* Jeżeli korzystasz z pojemnika na baterie z końcówką 2,1 mm, to nie potrzebujesz tego elementu.

Konstrukcja Na rysunku 7.31 widzimy schemat łazika. Obecność modułów znacznie ułatwia sprawę. Jedynymi podzespołami, które zostały dodane, są kondensatory C1 i C2. Są one niezbędne do zapobiegania nagłym spadkom napięcia zasilania (w momencie rozruchu silnika), które powodowałyby resetowanie Arduino. Etap 1.: Budowa podwozia robota Magician Nasz projekt opiera się na architekturze robota Magician (rysunek 7.32). Jest on dostępny w formie zestawu składającego się podstawowych podzespołów. Złóż podwozie zgodnie z wytycznymi opisanymi w instrukcji, ale nie podłączaj domyślnego pojemnika na baterie ani słupka wspierającego, przechodzącego dokładnie przez płytkę montażową. Aby zasilać Arduino, potrzebujemy nieco większego napięcia niż 5 – 6 V dostarczane przez cztery baterie AA, wstawimy więc pojemnik na sześć ogniw.

228

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 7.31. Schemat ïazika

Rysunek 7.32. Podwozie robota Magician

Etap 2.: Programowanie Arduino Rozsądnym rozwiązaniem jest wczytanie szkicu na Arduino przed przystąpieniem do podłączania elektroniki. Szkic nosi nazwę lazik. Etap 3.: PodïÈczenie Arduino i pïytki montaĝowej Wybierz odpowiednie otwory na mocowania i wykorzystaj wszelkie dostępne elementy do stabilnego umieszczenia Arduino na podwoziu. Możesz w tym celu skorzystać również z gumki recepturki. Niektóre płytki montażowe mają samoprzylepny spód, co ułatwia trwałe przymocowanie płytki do łazika. Także w tym przypadku gumka recepturka może stanowić nieco mniej trwałe zastępstwo.

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

229

Etap 4.: PodïÈczanie elementów na pïytce montaĝowej Rysunek 7.33 przedstawia rozmieszczenie podzespołów na płytce montażowej oraz okablowanie łączące ją z Arduino.

Rysunek 7.33. Rozmieszczenie elementów ukïadu elektronicznego ïazika na pïytce montaĝowej

Wykorzystujemy tu całkiem dużo przewodów, warto więc sprawdzić na koniec, czy zostały dobrze podłączone. Dobrym pomysłem jest skserowanie strony zawierającej rozmieszczenie podzespołów i zaznaczanie ołówkiem sprawdzonych przewodów. W przeciwieństwie do układów tworzonych na dużych płytkach montażowych, zewnętrzne ścieżki służą nam tu za masę, a wewnętrzne są obwodem zasilającym. Etap 5.: PodïÈczenie silników Każdy silnik ma po jednym czarnym i czerwonym przewodzie. Wsuń przewody wychodzące z lewego silnika do otworów płytki montażowej tworzących połączenie z wejściami A01 i A02 modułu silnika. To samo zrób dla prawego silnika oraz wejść B01 i B02.

230

Zabawy z elektronikÈ Etap 6.: PodïÈczenie baterii Jeżeli baterie są umieszczane w dwóch rzędach wewnątrz pojemnika, trzeba nieco pokombinować z przymocowaniem go do wierzchniej strony zawieszenia, które będzie trzeba nieco wygiąć. Jeżeli baterie mieszczą się w jednym rzędzie (tak jak w pojemniku ze sklepu Adafruit), możemy w łatwy sposób przymocować ich obudowę po spodniej stronie zawieszenia.

Testowanie Jeżeli wszystkie elementy są już złożone i gotowe do użycia, podłącz baterie i sprawdź, co się stanie po wciśnięciu przycisków na pilocie. Przycisk C spowoduje ruch łazika do przodu, za pomocą przycisku B będziemy obracać go w prawo, a przycisk D pozwoli nam skręcać w lewo. Zatrzymujemy łazik przyciskiem A.

Oprogramowanie Kod szkicu jest zbyt długi, żeby umieszczać go tu w całości, dlatego zajmiemy się jego najważniejszymi fragmentami. Odbiornik radiowy ustanawia wyjścia dla wciskanych przycisków. Oznacza to, że jedno wciśnięcie uruchamia daną funkcję, a drugie ją wyłącza. Tak naprawdę nie chcemy jednak, żeby nasz łazik działał w taki sposób. Chcemy wiedzieć, kiedy przycisk jest wciskany. W tym celu obserwujemy stan każdego z wyjść i jeżeli nastąpi jakakolwiek zmiana, do Monitora portu szeregowego zostanie wysłany komunikat. Poniższe tablice wykorzystujemy do zdefiniowania wyjść pilota (remotePins) oraz przechowywania ich stanów: int remotePins[] = {10, 11, 12, 13}; int lastPinStates[] = {0, 0, 0, 0};

Funkcja wykrywająca zmianę stanu wyjścia wygląda następująco: int getKeyPress() { // wyjĞcia moduáu radiowego są przeáączane // sprawdzamy wiĊc, jaka zmiana nastąpiáa // w ten sposób wykrywamy wciĞniĊcie przycisku int result = -1; for (int i = 0; i < 4; i++) { int remoteInput = digitalRead(remotePins[i]); //Serial.print(remoteInput); if (remoteInput != lastPinStates[i]) { result = i; }

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

231

lastPinStates[i] = remoteInput; } return result; }

Główna pętla najpierw wywołuje powyższą funkcję, aby wykrywać wciśnięcie przycisku, po czym przetwarza funkcję właściwą dla danego przycisku: void loop() { int keyPressed = getKeyPress(); Serial.println(keyPressed); if (keyPressed == 3) { stopMotors(); } else if (keyPressed == 0) { turnLeft(); } else if (keyPressed == 2) { turnRight(); } else if (keyPressed == 1) { forward(); } delay(20); }

Funkcje sterujące ruchem są do siebie bardzo podobne. Widzimy poniżej funkcję odpowiedzialną za skręcanie w lewo: void turnLeft() { digitalWrite(AIN1pin, HIGH); digitalWrite(AIN2pin, LOW); analogWrite(PWMApin, slowPower); digitalWrite(BIN1pin, LOW); digitalWrite(BIN2pin, HIGH); analogWrite(PWMBpin, slowPower); }

Definiujemy w niej nóżki AIN oraz BIN — w tym przypadku silniki pracują w przeciwnych kierunkach. Zasilanie nóżek PWM kontrolujemy za pomocą wywołania funkcji analogWrite wraz z jedną z dwóch wartości przechowywanych w zmiennych (fullPower i slowPower).

232

Zabawy z elektronikÈ

Moduï siedmiosegmentowego wyĂwietlacza LED Siedmiosegmentowe wyświetlacze LED mają w sobie coś z klimatu retro. Wyświetlacze składające się z wielu diod LED umieszczonych w jednej obudowie mogą być bardzo problematyczne pod kątem sterowania. Są one zazwyczaj regulowane za pomocą mikrokontrolera; nie musimy jednak podłączać każdego segmentu osobno do jego nóżek. Wyświetlacze zawierające wiele diod LED są zorganizowane w układ „wspólnej anody” lub „wspólnej katody” — wszystkie wyjścia anodowe lub katodowe diod są ze sobą połączone i mają jedno wspólne wyjście. Na rysunku 7.34 widzimy przykładowy schemat wewnętrznych połączeń siedmiosegmentowego wyświetlacza w układzie wspólnej katody.

Rysunek 7.34. WyĂwietlacz LED w ukïadzie wspólnej katody1

W tego typu wyświetlaczu wspólna katoda jest podłączona do masy, a każdy osobny segment jest sterowany przez mikrokontroler za pomocą dołączonego do niego rezystora. Nie daj się skusić koncepcjom podłączenia jednego rezystora do wspólnego wyjścia lub wstawiania oporników do połączeń, które nie są współdzielone przez diody, ponieważ natężenie prądu i tak będzie ograniczone bez względu na liczbę świecących diod LED. Z tego powodu im większa liczba zapalonych segmentów, tym wyświetlacz będzie słabiej świecił. Powszechnie spotykane są pakiety wielu wyświetlaczy umieszczonych w jednej obudowie — przykładem jest schemat trzycyfrowego wyświetlacza LED opartego na układzie wspólnej katody, który możesz zobaczyć na rysunku 7.35. W wyświetlaczu tego typu każda cyfra stanowi osobny wyświetlacz LED (z własnym układem wspólnej katody), taki jak przedstawiony na rysunku 7.34. Ponadto wszystkie anody segmentów A są ze sobą połączone, tak samo jak pozostałe diody mieszczące się w analogicznych segmentach. 1

Symbol DP na rysunku oznacza przecinek dziesiętny (ang. decimal point) — przyp. tłum.

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

233

Rysunek 7.35. Trzycyfrowy, siedmiosegmentowy wyĂwietlacz LED

Układ Arduino sterujący takim wyświetlaczem uruchamia po kolei wspólną katodę każdego segmentu, następnie włącza odpowiednie segmenty danej cyfry i szybko przechodzi do następnego wyświetlacza, po czym powtarza całą operację od początku. Odświeżanie to jest przeprowadzane bardzo szybko, przez co ludzkie oko dostrzega na wyświetlaczu trzy cyfry. Mechanizm ten nosi nazwę multipleksingu. W sterowaniu wspólnymi katodami biorą również udział tranzystory. Służą one do zasilania potencjalnie ośmiu diod LED naraz, ponieważ większość mikrokontrolerów nie poradziłaby sobie z tym zadaniem. Na szczęście dla nas istnieje o wiele prostszy sposób sterowania siedmiosegmentowymi, wielocyfrowymi wyświetlaczami LED. Moduły po raz kolejny przybywają z pomocą! Rysunek 7.36 prezentuje czterocyfrowy, siedmiosegmentowy wyświetlacz LED, którego złączka składa się zaledwie z 4 nóżek, z czego dwie służą do zasilania układu.

2

Rysunek 7.36. Czterocyfrowy, siedmiosegmentowy wyĂwietlacz LED, komunikujÈcy siÚ za pomocÈ magistrali I C

234

Zabawy z elektronikÈ

Co bÚdzie potrzebne W tym projekcie wykorzystamy następujące elementy: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Nielutowana płytka montażowa

N5

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Siedmiosegmentowy wyświetlacz z interfejsem I2C (z serwisu Adafruit)

M19

Konstrukcja Cały moduł zostaje dostarczony w formie zestawu, należy więc postępować zgodnie z instrukcją obsługi, aby go złożyć. Moduł wyświetlacza LED komunikuje się z Arduino za pomocą interfejsu szeregowego noszącego nazwę I2C (wymawia się ją „I kwadrat C”). Potrzebne są nam tylko dwa wyjścia, ale muszą to być dokładnie te umieszczone nad nóżką AREF. Noszą one nazwę SDA i SCL. Oznacza to, niestety, że nie możemy podpiąć modułu bezpośrednio do Arduino, lecz musimy posłużyć się płytką montażową. Na rysunku 7.37 widzimy rozmieszczenie podzespołów na płytce montażowej, rysunek 7.38 przedstawia zaś zdjęcie całego układu wraz z działającym wyświetlaczem LED.

Oprogramowanie W serwisie Adafruit znajdziesz bibliotekę ułatwiającą korzystanie z modułu. Trzeba ją pobrać i skopiować cały folder do podkatalogu libraries w katalogu Arduino (domyślnie w katalogu Dokumenty w systemie Windows). Dokładne instrukcje (po angielsku) znajdziesz na stronie http://www.adafruit.com/products/880. Za pomocą instrukcji #include wczytujemy trzy biblioteki niezbędne do działania modułu: // wyswietlacz_siedmiosegmentowy #include #include "Adafruit_LEDBackpack.h" #include "Adafruit_GFX.h"

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

Rysunek 7.37. Rozmieszczenie elementów ukïadu zasilajÈcego siedmiosegmentowy wyĂwietlacz LED na pïytce montaĝowej

Rysunek 7.38. DziaïajÈcy wyĂwietlacz siedmiosegmentowy

235

236

Zabawy z elektronikÈ W następnym wierszu przypisujemy zmienną do obiektu wyświetlacza, dzięki czemu możemy wysyłać informacje na temat wyświetlanych znaków. Adafruit_7segment disp = Adafruit_7segment();

W funkcji setup rozpoczynamy komunikację szeregową poprzez interfejs I2C oraz uruchamiamy wyświetlacz. Wartość 0x70 jest adresem I2C modułu wyświetlacza. Jest to domyślny adres interfejsu, ale poprzez zwarcie odpowiednich połączeń w module możemy go zmienić. Może zaistnieć taka potrzeba, jeśli będziemy korzystali z większej liczby wyświetlaczy, ponieważ każdy z nich musi mieć unikatowy adres. void setup() { Wire.begin(); disp.begin(0x70); }

Funkcja loop wyświetla po prostu czas w milisekundach upływający od ostatniego uruchomienia Arduino, którego wartość jest dodatkowo podzielona przez 10. Wartość na wyświetlaczu będzie więc zmieniana co jedną setną sekundy. void loop() { disp.print(millis() / 10); disp.writeDisplay(); delay(10); }

Moduï zegara czasu rzeczywistego Moglibyśmy napisać dla Arduino szkic pozwalający na pomiar czasu, ale po wyłączeniu mikrokontrolera wynik zostałby skasowany. Z pomocą przychodzi nam moduł zegara RTC (ang. Real Time Clock — zegar czasu rzeczywistego), którego przykładowy model możesz zobaczyć na rysunku 7.39.

Rysunek 7.39. Moduï zegara czasu rzeczywistego

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

237

Przedstawiony model jest dostępny w serwisie Adafruit. Istnieje wiele różnorodnych modułów czasowych, jednak mogą się one różnić rozmieszczeniem nóżek. Moduł RTC ma baterię litową, która wystarczy na lata oraz zapewnia wystarczająco dużo zasilania, aby zliczać czas po wyłączeniu urządzenia. Możemy połączyć moduł zegara z używanym w poprzednim projekcie wyświetlaczem siedmiosegmentowym i zaprojektować prosty cyfrowy zegar (rysunek 7.40).

Rysunek 7.40. „Prosty” zegar cyfrowy

Co bÚdzie potrzebne W tym projekcie wykorzystamy poniżej wymienione podzespoły. Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Nielutowana płytka montażowa

N5

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Siedmiosegmentowy wyświetlacz z interfejsem I2C (z serwisu Adafruit)

M19

1

Moduł RTC

M20

238

Zabawy z elektronikÈ

Konstrukcja Moduł zegara również jest sprzedawany w postaci zestawu, zatem najpierw musimy go złożyć zgodnie z dołączoną instrukcją. Także w tym przypadku łączymy się z tym modułem poprzez magistralę I2C, ale jego adres nie jest taki sam jak modułu wyświetlacza LED, więc nie będziemy musieli nic zmieniać. Rysunek 7.41 zawiera schemat rozmieszczenia podzespołów potrzebnych do stworzenia zegara.

Rysunek 7.41. Rozmieszczenie elementów ukïadu zegara na pïytce montaĝowej

ROZDZIA’ 7. Zabawa z moduïami

239

Oprogramowanie Załadujmy szkic zegar na Arduino. Na wyświetlaczu powinien natychmiast pojawić się taki sam czas jak ustawiony w komputerze. Spora część kodu pokrywa się ze szkicem omówionym w podrozdziale „Moduł siedmiosegmentowego wyświetlacza LED”. Moduł zegara wymaga jednak dodatkowej biblioteki, którą musimy dołączyć do szkicu. Na stronie produktu (http://www.adafruit. com/products/264) znajdziesz instrukcję pobrania i instalacji tej biblioteki. // zegar #include #include #include #include

"Adafruit_LEDBackpack.h" "Adafruit_GFX.h" "RTClib.h"

Oprócz utworzenia obiektu wyświetlacza musimy nadać jakąś nazwę naszemu modułowi zegara. Nazwijmy go RTC. RTC_DS1307 RTC; Adafruit_7segment disp = Adafruit_7segment();

Możemy teraz umieścić w funkcji setup dodatkowe polecenie uruchamiające zegar, który będzie czekał na rozkazy. Instrukcja warunkowa if sprawdza, czy układ zegarowy modułu RTC jest już aktywny. Jeżeli włączyliśmy urządzenie po raz pierwszy, układ ten nie będzie jeszcze włączony, więc Arduino zaprogramuje go na czas ustawiony w komputerze. void setup() { Wire.begin(); RTC.begin(); if (! RTC.isrunning()) { RTC.adjust(DateTime(__DATE__, __TIME__)); } disp.begin(0x70); }

Główna pętla odczytuje czas z modułu RTC i przekazuje go do wyświetlacza LED. Wykorzystujemy w niej również funkcję drawColon do wyświetlania dwukropka. Znak ten będzie włączany i wyłączany w półsekundowych odstępach czasu. void loop() { disp.print(getDecimalTime()); disp.drawColon(true); disp.writeDisplay(); delay(500);

240

Zabawy z elektronikÈ disp.drawColon(false); disp.writeDisplay(); delay(500); }

Funkcja getDecimalTime odczytuje godziny i minuty z modułu RTC i przekształca je na wyświetlane wartości dziesiętne. Pierwsze dwie cyfry symbolizują godzinę, a dwie następne to minuty. int getDecimalTime() { DateTime now = RTC.now(); int decimalTime = now.hour() * 100 + now.minute(); return decimalTime; }

Podsumowanie Oprócz omówionych w tym rozdziale modułów znajdziesz całe mnóstwo innych podzespołów tego typu w katalogach takich serwisów jak Adafruit czy SparkFun. Zamieszczone są tam również instrukcje obsługi oraz specyfikacje sprzętowe. Jeżeli natrafisz na jakiś interesujący moduł, musisz najpierw dowiedzieć się, w jaki sposób może zostać wykorzystany. Szukając w internecie informacji na temat danego modułu, możesz natknąć się na różne przykładowe projekty, a na stronie producenta znajdziesz karty katalogowe oraz różnorakie samouczki.

8 Zabawa z czujnikami R

ozdziały 6., 7. i 8. są ze sobą w pewien sposób powiązane, wiele czujników występuje w postaci modułowej, a moduły nieraz mogą być podłączane do Arduino. W tym rozdziale nauczysz się korzystać z różnego rodzaju czujników sterowanych za pomocą układów elektronicznych, mikrokontrolera Arduino, a czasami obydwu mechanizmów naraz.

Wykrywanie toksycznego gazu W tym podrozdziale będziemy się posługiwać wykrywaczem metanu (rysunek 8.1).

Rysunek 8.1. Wykrywacz metanu

Taki czujnik wydaje się drogi, ale w rzeczywistości jest naprawdę tani. Składa się z niewielkiego grzejnika (podłączonego pomiędzy dwoma mostkami H) oraz elementu katalitycznego, którego oporność zależy od stężenia metanu. Chociaż nasz układ będzie zasilany bateryjnie, trzeba będzie często wymieniać ogniwa, ponieważ element grzewczy czujnika pobiera prąd rzędu 150 – 200 mA.

242

Zabawy z elektronikÈ Wykrywanie metanu okazuje się potrzebne w wielu dziedzinach nauki i przemysłu. My jednak wykorzystamy tę nowinkę techniczną w niecnym i infantylnym celu — do wykrywania pierdnięć.

Co bÚdzie potrzebne Do stworzenia wykrywacza gazu wykorzystamy następujące elementy: Liczba

Oznaczenie

Przedmiot

Kod w dodatku

1

D1

Dioda LED

Z1

1

R1

Potencjometr 10 kΩ

Z1

1

R2

Rezystor 10 kΩ

Z2

1

R3

Rezystor 470 Ω

Z2

1

IC1

Komparator LM311

P7

1

Wykrywacz metanu MQ4

M11

1

Brzęczyk piezoelektryczny (z oscylatorem)

M10

1

Nielutowana płytka montażowa

N5

Jednożyłowy przewód złączowy

N6

1

Uchwyt na 4 baterie AA

S1

1

4 baterie AA

1

Zacisk na baterie

S2

1

* Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

* Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

* Wymagane jedynie w przypadku, gdybyśmy chcieli podłączyć wykrywacz do układu Arduino.

Brzęczyk piezoelektryczny musi mieć własny obwód oscylatora oraz być zasilany napięciem 6 V.

Komparator LM311 Na rysunku 8.2 widzimy schemat układu wykrywacza metanu. Podstawowym elementem tworzonego układu jest komparator LM311. Jak sama nazwa wskazuje, komparatory służą do porównywania napięć. Jeżeli napięcie na biegunie dodatnim (+) jest wyższe od napięcia na biegunie ujemnym (–), na wyjściu komparatora popłynie prąd. W naszym przypadku zaświeci się wtedy dioda LED, a brzęczyk wyda dźwięk.

ROZDZIA’ 8. Zabawa z czujnikami

243

Rysunek 8.2. Schemat wykrywacza metanu

Potencjometr ustanawia napięcie graniczne na biegunie ujemnym komparatora. Aby można było korzystać z wykrywacza, rezystor ten musi zostać umieszczony w sposób uniemożliwiający świecenie diody LED. Powinna być ona włączana dopiero wtedy, gdy napięcie na wyjściu czujnika przekroczy wartość progową minusowego wejścia komparatora. Czujnik ma niestandardowe połączenia. Wychodzi z niego sześć nóżek, ale niektóre są ze sobą połączone (rysunek 8.1). Nóżki H obsługują element grzewczy, który dostarcza ciepła warstwie katalizatora umieszczonej pomiędzy nóżkami A i B. Po wykryciu dowolnego stężenia metanu rezystancja pomiędzy wyjściami A oraz B maleje. Rezystor R2 wraz z modułem czujnika tworzą dzielnik napięcia. Zaletą rozwiązania, w którym są wykorzystywane dwa rezystory — jeden jako grzałka, a drugi jako czujnik — jest możliwość dowolnej konfiguracji nóżek (można odwrotnie podłączyć układ). Wyjścia czujnika są dość grube oraz dziwnie rozmieszczone, nie pasują więc do płytki montażowej. Z tego powodu dolutujemy do nich kilka przewodów (rysunek 8.3). Nie musimy lutować wszystkich wyjść, wystarczy dołączyć kable do następujących połączeń: x czerwony przewód obwodu dodatniego do wszystkich nóżek z jednej strony czujnika (dwóch wyjść A oraz jednego H), x rezystor R2 pomiędzy nóżką B a masą grzałki, x przewód masy do obwodu ujemnego grzałki (czarny), x przewód wyjściowy do nóżki B (żółty).

Pïytka montaĝowa Rysunek 8.4 przedstawia rozmieszczenie elementów na płytce montażowej, a na rysunku 8.5 zamieszczono zdjęcie już złożonego urządzenia.

244

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 8.3. PodïÈczanie przewodów do czujnika

Rysunek 8.4. Rozmieszczenie elementów ukïadu wykrywacza gazów na pïytce montaĝowej

Architektura układu nie jest skomplikowana, powinieneś jednak uważać, aby komparator został właściwie zorientowany. Gdy już złożysz całość, możesz przetestować urządzenie. Wybór metody pozostawiam Tobie. Podpowiem tylko, że wydychane powietrze również uruchamia czujnik.

ROZDZIA’ 8. Zabawa z czujnikami

245

Rysunek 8.5. Wykrywacz gazu

Wykrywacz gazu i Arduino Dzięki temu, że przylutowaliśmy przewody do nóżek czujnika, możemy go w prosty sposób podłączyć bezpośrednio do Arduino (rysunek 8.6).

Rysunek 8.6. Wykrywacz metanu podïÈczony do Arduino

Podłączmy przewód dodatni czujnika do nóżki 5V Arduino, masę do wyjścia GND, a wyjście czujnika do nóżki A3. Czujnik może zużywać do 200 mA prądu, musimy więc podłączyć go do właściwego zasilania 5 V oraz do masy. W tym przypadku nie przejdzie sztuczka z zasilaniem układu poprzez wyjście cyfrowe.

246

Zabawy z elektronikÈ Kod w poniższym szkicu (metan) powoduje wyświetlanie odczytów czujnika w Monitorze portu szeregowego. Pamiętaj, że oddychanie w kierunku czujnika również zmienia wartości odczytów. // metan int analogPin = 3; void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("Wykrywacz metanu"); } void loop() { Serial.println(analogRead(analogPin)); delay(500); }

Pomiar barwy przedmiotu Układ TCS3200 jest niewielkim, przydatnym podzespołem służącym do pomiaru barwy badanego obiektu. Istnieje kilka odmian tego układu, wszystkie działają jednak na tej samej zasadzie. Kość jest umieszczona w przezroczystej obudowie, pod którą znajdują się diody LED z nałożonymi na nie filtrami kolorów (czerwony, zielony i żółty). Dzięki temu układ może zliczać względną zawartość podstawowych kolorów w barwie danego przedmiotu. Najprostszym sposobem wykorzystania tego układu jest stworzenie modułu takiego jak widoczny na rysunku 8.7.

Rysunek 8.7. Moduï rozpoznajÈcy kolory

Moduł ten, wart nie więcej niż 40 zł, zawiera również cztery białe diody LED służące do oświetlania badanego obiektu, a także złączki składające się z wygodnie rozmieszczonych nóżek.

ROZDZIA’ 8. Zabawa z czujnikami

247

W tabeli 8.1 zostało opisane rozmieszczenie oraz przeznaczenie nóżek. Oprócz nóżki zasilającej diody LED wszystkie inne połączenia wychodzą bezpośrednio z układu scalonego, więc prawdopodobnie inne moduły zawierające kość TCS3200 będą miały te same nóżki, chociaż mogą one być nieco inaczej rozmieszczone. Tabela 8.1. Rozmieszczenie nóĝek w module czujnika kolorów

Nóĝka

Opis

Opis

Nóĝka

S0

Nóżki S0 i S1 regulują zakres częstotliwości. Obydwie powinny mieć ustawiony stan HIGH

Od 2,5 V do 5 V

VCC

Masa

GND

Włączenie wyjścia (ang. output enable) — jeżeli ustawimy stan LOW, uruchomimy układ scalony

OE

Połączmy z masą za pomocą dołączonej zworki, aby włączyć diody LED

LED

S1 S2

S3

OUT

Czerwona — S2 i S3 w stanie LOW Zielona — S2 i S3 w stanie HIGH Niebieska — S2 w stanie LOW, S3 w stanie HIGH Biała — S2 w stanie HIGH, S3 w stanie LOW Impulsy wyjściowe

GND

Układ scalony nie generuje żadnego sygnału na wyjściu analogowym, lecz rozróżnia częstotliwość ciągu impulsów. Za pomocą zmiany stanów cyfrowych wejść S2 i S3 dobieramy kolor, któremu odpowiada dana częstotliwość.

Co bÚdzie potrzebne Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Moduł czujnika kolorów

M12

1

Zestaw złączek męsko-damskich

N12

Konstrukcja „Konstrukcja” jest w tym przypadku chyba nieco za mocnym słowem. Moduł zostanie umieszczony bezpośrednio na Arduino (rysunek 8.8), a jego przednia część będzie skierowana na zewnątrz.

248

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 8.8. Czujnik koloru podïÈczony do Arduino

Wprowadzimy następujące połączenia: x z nóżki S0 modułu do nóżki D3 Arduino, x z nóżki S1 modułu do nóżki D4 Arduino, x z nóżki S2 modułu do nóżki D5 Arduino, x z nóżki S3 modułu do nóżki D6 Arduino, x z nóżki OUT modułu do nóżki D7 Arduino. Musimy jeszcze podłączyć trzy męsko-damskie przewody złączowe do następujących wyjść: x z nóżki VCC modułu do nóżki 5V Arduino, x z nóżki GND modułu do nóżki GND Arduino, x z nóżki OE modułu do nóżki GND Arduino. Rysunek 8.9 przedstawia mechanizm rozpoznawania kolorów na przykładzie kostki Rubika.

Oprogramowanie Moduł czujnika kolorów został wykorzystany w szkicu rozpoznawanie_barw. // rozpoznawanie_barw int pulsePin = 7; int prescale0Pin = 3;

ROZDZIA’ 8. Zabawa z czujnikami

249

Rysunek 8.9. Rozpoznawanie kolorów na kostce Rubika int prescale1Pin = 4; int colorSelect0pin = 5; int colorSelect1pin = 6;

Nazwy zmiennych identyfikujących nóżki odzwierciedlają ich przeznaczenie, a nie oznaczenie na module. W funkcji setup nóżkom zostają przypisane właściwe stany oraz konfigurujemy dwie nóżki odpowiedzialne za „przeliczanie wstępne” (ang. prescale), które definiują zakres częstotliwości wyjściowej jako HIGH, uruchamiają komunikację szeregową oraz powodują wyświetlenie powitalnego komunikatu. void setup() { pinMode(prescale0Pin, OUTPUT); pinMode(prescale1Pin, OUTPUT); // okreĞla maksymalną wartoĞü wstĊpnego przeliczania digitalWrite(prescale0Pin, HIGH); digitalWrite(prescale1Pin, HIGH); pinMode(colorSelect0pin, OUTPUT); pinMode(colorSelect1pin, OUTPUT); pinMode(pulsePin, INPUT); Serial.begin(9600); Serial.println("Czytnik kolorow"); }

Funkcja loop odczytuje trzy różne kolory (później do tego wrócimy) oraz wyświetla komunikat w zależności od dominującej barwy. Zwróć uwagę, że im niższa wartość, tym dany kolor jest jaśniejszy. void loop() { long red = readRed();

250

Zabawy z elektronikÈ long green = readGreen(); long blue = readBlue(); if (red < green && red < blue) { Serial.println("CZERWONY"); } if (green < red && green < blue) { Serial.println("ZIELONY"); } if (blue < green && blue < red) { Serial.println("NIEBIESKI"); } delay(500); }

Każda z wymienionych funkcji — readRed, readGreen, readBlue oraz readWhite — wywołuje funkcję readColor zawierającą odpowiednie wartości nóżek S2 i S3. long readRed() { return (readColor(LOW, LOW)); }

W funkcji readColor konfigurujemy najpierw odpowiednie nóżki dla danego koloru i w zmiennej start rejestrujemy czas rozpoczęcia odczytu. Następnie zbieramy odczyty z 1000 impulsów. Na koniec jest zwracana różnica pomiędzy bieżącym czasem a czasem rozpoczęcia odczytu. long readColor(int bit0, int bit1) { digitalWrite(colorSelect0pin, bit0); digitalWrite(colorSelect1pin, bit1); long start = millis(); for (int i=0; i< 1000; i++) { pulseIn(pulsePin, HIGH); } return (millis() - start); }

Wstawiłem również funkcję wyświetlającą wartości kolorów w Monitorze portu szeregowego, chociaż z niej nie korzystamy. void printRGB() { Serial.print(readRed()); Serial.print("\t"); Serial.print(readGreen()); Serial.print("\t"); Serial.print(readBlue()); Serial.print("\t"); Serial.println(readWhite()); }

ROZDZIA’ 8. Zabawa z czujnikami

251

Detekcja drgañ Możemy bardzo łatwo wykorzystywać piezoelektryczne czujniki wibracji we współpracy z Arduino. Jeden z przykładowych egzemplarzy (z serwisu SparkFun) jest widoczny na rysunku 8.10.

Rysunek 8.10. Piezoelektryczny czujnik wibracji

Czujnik wibracji składa się z cienkiego paska materiału piezoelektrycznego, na którego końcu jest umieszczony nit pełniący funkcję ciężarka. Gdy pojawiają się wibracje, ciężarek porusza się i wygina płytkę piezoelektryczną, co powoduje skoki napięcia. Jeżeli mamy odpowiedni sprzęt, to napięcie może osiągnąć wartość nawet 80 V. Ponieważ jednak podłączymy czujnik do cyfrowego wejścia Arduino, jego rezystancja będzie na tyle duża, aby stłumić to napięcie do poziomu niezagrażającego elektronice mikroprocesora.

Co bÚdzie potrzebne Aby wykrywać drgania za pomocą czujnika piezoelektrycznego, potrzebne nam będą następujące elementy: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Piezoelektryczny czujnik drgań

M13

1

Dioda LED

Z1

1

Rezystor 220 Ω

Z2

252

Zabawy z elektronikÈ

Konstrukcja Piezoelektryczny czujnik wibracji jest następnym z serii podzespołów przyjaznych układowi Arduino. Wystarczy podłączyć go do odpowiednich nóżek. My umieścimy go w gniazdach A0 oraz A1. Nóżka A0 zostanie skonfigurowana w trybie LOW i będzie stanowić połączenie czujnika z masą (rysunek 8.11). Zwróć uwagę, że z jednej strony moduł ten jest oznaczony symbolem +. Podłączmy w tym miejscu nóżkę A1.

Rysunek 8.11. Wykrywanie wibracji za pomocÈ Arduino

Diodę LED łączymy z rezystorem tak, jak zostało to omówione w rozdziale 6. Tak zabezpieczoną diodę możemy złączyć biegunem dodatnim z nóżką 8., a ujemnym z GND.

Oprogramowanie Poniższy kod wykorzystuje na samym początku technikę samoistnej kalibracji, aby czujnik wysłał komunikat o braku drgań. Następnie czekamy na pojawienie się wibracji o sile przekraczającej wartość progową, która spowoduje zaświecenie diody LED. Wciśnięcie przycisku Reset na Arduino sprawi, że czujnik znów będzie gotów do pomiaru wibracji. // czujnik_wibracji int gndPin = A0; int sensePin = 1; int ledPin = 8;

ROZDZIA’ 8. Zabawa z czujnikami

253

Po zdefiniowaniu używanych nóżek deklarujemy dwie zmienne. Zmienna normal ´Reading jest wykorzystywana w procesie kalibracji (za chwilę go omówimy), natomiast w zmiennej threshold wstawiamy dopuszczalną wartość odczytu, po której przekroczeniu dioda LED zostanie włączona. int normalReading = 0; int threshold = 10;

W funkcji setup konfigurujemy tryby działania nóżek, a następnie wywołujemy funkcję calibrate, w przypadku braku drgań służącą do określenia odczytów czujnika. void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(ledPin, OUTPUT); normalReading = calibrate(); }

Funkcja loop po prostu odczytuje wyniki i porównuje je z wartością progową. Jeżeli ją przekroczymy, dioda LED zostanie włączona. void loop() { int reading = analogRead(sensePin); if (reading > normalReading + threshold) { digitalWrite(ledPin, HIGH); } }

Czujnik kalibrujemy za pomocą 100 impulsów wysyłanych w milisekundowych odstępach czasu. Zwracana jest wartość średnia. Wszystkie wyniki są przechowywane w zmiennej typu long, ponieważ mogą się one nie mieścić w standardowym typie int. int calibrate() { int n = 100; long total = 0; for (int i = 0; i < n; i++) { total = total + analogRead(sensePin); delay(1); } return total / n; }

254

Zabawy z elektronikÈ

Pomiar temperatury Istnieje wiele czujników przeznaczonych do mierzenia temperatury. Model TMP36 (rysunek 8.12) jest prawdopodobnie najprostszym z nich.

Rysunek 8.12. Czujnik TMP36

Nasz test będzie polegał po prostu na wyświetlaniu odczytów czujnika w Monitorze portu szeregowego, lecz równie dobrze możemy połączyć sensor z modułem przekaźnika, omówionym w rozdziale 6.

Co bÚdzie potrzebne Do stworzenia elektronicznego termometru wykorzystamy następujące podzespoły: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Czujnik temperatury TMP36

P8

Konstrukcja Czujnik TMP36 ma tylko trzy nóżki, dwie z nich służą do zasilania, a trzecia stanowi analogowe wyjście. Napięcie zasilające musi mieścić się w przedziale od 2,7 V do 5,5 V, dzięki czemu znakomicie się nada zasilanie z poziomu Arduino. Tak naprawdę możemy zasilać ten czujnik poprzez wyjścia cyfrowe i po prostu włożyć jego nóżki do trzech gniazd złącza analogowego (rysunek 8.13).

Oprogramowanie Wykorzystywany szkic (czujnik_temperatury) został stworzony zgodnie ze znanym Ci już szablonem. Najpierw definiujemy nóżki, a następnie w funkcji setup konfigurujemy stany nóżek wyjściowych (LOW dla masy, HIGH dla zasilania).

ROZDZIA’ 8. Zabawa z czujnikami

255

Rysunek 8.13. Czujnik TMP36 podïÈczony do Arduino // czujnik_temperatury int gndPin = A1; int sensePin = 2; int plusPin = A3; void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); Serial.begin(9600); }

Główna pętla odczytuje wartość z wejścia analogowego, a następnie przeprowadza obliczenia w celu ustalenia rzeczywistej temperatury. Najpierw jest przeliczane napięcie na wejściu analogowym. Wynikiem jest iloraz nieprzetworzonej wartości (w zakresie od 0 do 1023) przez 205. Przyjęliśmy taką wartość, ponieważ cały zakres 1024 dotyczy napięcia 5 V, inaczej mówiąc 1024:5 = 205 na wolt. Na wyjściu czujnika TMP36 pojawia się napięcie (U), dzięki któremu możemy wyliczyć temperaturę w skali Celsjusza. Wykorzystamy do tego następujący wzór: tempC = 100,0·U–50 Nasz kod konwertuje temperaturę również na skalę Fahrenheita i wyświetla obydwa wyniki w Monitorze portu szeregowego. void loop() { int raw = analogRead(sensePin); float volts = raw / 205.0; float tempC = 100.0 * volts - 50; float tempF = tempC * 9.0 / 5.0 + 32.0; Serial.print(tempC);

256

Zabawy z elektronikÈ Serial.print(" C "); Serial.print(tempF); Serial.println(" F"); delay(1000); }

Akcelerometr Za niewielką opłatą możesz zaopatrzyć się w malutkie moduły akcelerometrów (rysunek 8.14). Obydwa pokazane na rysunku modele są do siebie bardzo podobne. Są zasilane napięciem 5 V i mają wyjście cyfrowe dla każdej osi. Model widoczny z lewej strony jest dostępny na stronie Freetronics (http://www.freetronics.com/products/3axis-accelerometer-module - .Ug4yCpL0FT4), natomiast moduł po prawej możesz zakupić w serwisie Adafruit (http://www.adafruit.com/products/163).

Rysunek 8.14. Moduïy akcelerometrów

Moduły te są zbudowane z akcelerometrów trójosiowych, mierzących siłę działającą na niewielki ciężarek umieszczony wewnątrz układu. Dwie osie (X i Y) są ułożone równolegle do płytki drukowanej. Oś Z jest prostopadła w stosunku do układu scalonego. Pod wpływem grawitacji w tym kierunku będzie oddziaływała siła. Jeśli więc przechylimy nieco moduł, zmieni się wartość oddziaływania grawitacyjnego po unoszonej stronie (rysunek 8.15). Przetestujemy jeden z omawianych akcelerometrów na elektronicznej wersji wyścigu z jajkiem na łyżce. Wykorzystamy nasz moduł do wykrywania poziomu przechylenia „łyżki”; w momencie gdy „jajko” będzie zagrożone wypadnięciem, zostanie zapalona dioda LED. Brzęczyk będzie nam sygnalizował przechylenie oznaczające wypadnięcie jajka (rysunek 8.16).

ROZDZIA’ 8. Zabawa z czujnikami

Rysunek 8.15. Wpïyw grawitacji na akcelerometr

Rysunek 8.16. WyĂcig z Arduino na ïyĝce

Co bÚdzie potrzebne Aby wziąć udział w wyścigu z Arduino na łyżce, będą nam potrzebne następujące podzespoły: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Akcelerometr

M15

1

Brzęczyk piezoelektryczny

M3

1

Dioda LED

Z1

257

258

Zabawy z elektronikÈ Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Rezystor 220 Ω

Z2

1

Przejściówka pomiędzy zaciskiem do baterii a wtyczką zasilania 2,1 mm

S9

1

Drewniana łyżka

1

Bateria PP3 9 V

Konstrukcja Przy odrobinie sprytu możemy jednocześnie podłączyć do Arduino zarówno akcelerometr, jak również brzęczyk i diodę LED. Należy najpierw przesłać odpowiedni szkic do mikrokontrolera przed podłączeniem modułu, gdyż w poprzednio załadowanym projekcie niektóre z nóżek od A0 do A5 mogły zostać skonfigurowane jako wyjścia. Schemat naszego czujnika wykorzystywanego w wyścigu został umieszczony na rysunku 8.17.

Rysunek 8.17. Schemat ukïadu mierzÈcego przechylenie ïyĝki

Jak widać na rysunku 8.18, wszystkie elementy mają swoje miejsce w gniazdach Arduino. Połączyliśmy diodę LED z rezystorem zgodnie z opisem umieszczonym w rozdziale 6. Biegun dodatni diody łączy się z nóżką 8. Arduino, a biegun ujemny — z GND. Brzęczyk umieściliśmy pomiędzy nóżkami D3 i D6 — ta druga łączy się z biegunem dodatnim brzęczyka. Jeżeli nóżki brzęczyka są rozmieszczone w inny sposób, możesz wybrać inne wejścia w Arduino, pamiętaj jednak, żeby odpowiednio zmienić również wartości zmiennych gndPin2 i buzzerPin w kodzie.

ROZDZIA’ 8. Zabawa z czujnikami

259

Rysunek 8.18. Arduino wraz z podïÈczonymi podzespoïami

Jak pokazano na rysunku 8.18, obydwa moduły akcelerometrów mieszczą się w gniazdach od A0 do A5, jednak różnią się one rozmieszczeniem nóżek. Układ jest zasilany baterią 9 V podłączoną za pomocą przejściówki, a całość została umocowana na łyżce przy użyciu gumek recepturek.

Oprogramowanie W tym projekcie są wykorzystywane dwie wersje szkicu: jajko_na_lyzce_adafruit oraz jajko_na_lyzce_freetronics. Wybierz właściwy szkic, a następnie zaprogramuj Arduino, ZANIM podłączysz moduł akcelerometru. Jedyna różnica pomiędzy tymi szkicami polega na rozmieszczeniu nóżek. Opiszę tutaj wersję dla akcelerometru Adafruit. Rozpoczynamy od zdefiniowania używanych nóżek. // jajko_i_lyzka_adafruit int int int int int int int int

gndPin1 = A2; gndPin2 = 3; xPin = 5; yPin = 4; zPin = 3; plusPin = A0; ledPin = 8; buzzerPin = 6;

Jeśli łyżka jest ustawiona poziomo, zmienne levelX oraz levelY służą do określania wartości spoczynkowej przyśpieszenia dla osi X i Y. int levelX = 0; int levelY = 0;

260

Zabawy z elektronikÈ Dzięki zmiennym ledThreshold oraz buzzerThreshold możemy modyfikować kąt przechylenia łyżki, przy którym dioda LED zaczyna świecić, a brzęczyk generuje dźwięk ostrzegający o „wypadnięciu jajka”. int ledThreshold = 10; int buzzerThreshold = 40;

Funkcja setup uaktywnia nóżki, a następnie wywołuje funkcję calibrate, służącą do ustawiania wartości zmiennych levelX oraz levelY. void setup() { pinMode(gndPin1, OUTPUT); digitalWrite(gndPin1, LOW); pinMode(gndPin2, OUTPUT); digitalWrite(gndPin2, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); pinMode(ledPin, OUTPUT); pinMode(buzzerPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); pinMode(A1, INPUT); // wyjĞcie 3 V calibrate(); }

W głównej pętli odczytujemy wartości przyśpieszenia w osiach X i Y oraz sprawdzamy, jak bardzo oddaliły się one od wartości zmiennych levelX i levelY. Funkcja abs zwraca wartość bezwzględną wyniku, więc jeśli odczyt będzie liczbą ujemną, zostanie zmieniony na liczbę dodatnią, która dopiero teraz może zostać przyrównana do wartości progowych. void loop() { int x = analogRead(xPin); int y = analogRead(yPin); boolean shakey = (abs(x - levelX) > ledThreshold || abs(y - levelY) > ledThreshold); digitalWrite(ledPin, shakey); boolean lost = (x > levelX + buzzerThreshold || y > levelY + buzzerThreshold); if (lost) { tone(buzzerPin, 400); } }

Jedynym minusem funkcji calibrate jest konieczność odczekania 200 milisekund, zanim pojawią się pierwsze odczyty. Akcelerometr zostaje w tym czasie uruchomiony. void calibrate() { delay(200); // dajemy akcelerometrowi czas na wáączenie siĊ levelX = analogRead(xPin); levelY = analogRead(yPin); }

ROZDZIA’ 8. Zabawa z czujnikami

261

Wykrywanie pól magnetycznych Wykrywanie pola magnetycznego staje się prostą czynnością dzięki wykorzystaniu takiego trójwyjściowego podzespołu jak na przykład liniowy czujnik efektu Halla A1302. Możemy używać tego układu tak samo, jak wykorzystywaliśmy czujnik temperatury TMP36 w podrozdziale „Pomiar temperatury”.

Co bÚdzie potrzebne Podczas stosowania modułu pomiaru pola magnetycznego wykorzystamy następujące podzespoły: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB: typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Liniowy czujnik efektu Halla A1302

P12

Konstrukcja Tak samo jak układ TMP36, czujnik A1302 ma tylko trzy nóżki; dwie służą do zasilania, a trzecia stanowi wyjście analogowe. Napięcie zasilające mieści się w zakresie od 4,5 V do 6 V, dzięki czemu zasilanie 5 V Arduino całkowicie zaspokoi nasze potrzeby energetyczne. W rzeczywistości zupełnie wystarczające okazuje się zasilanie z wyjść cyfrowych, możemy więc umieścić wszystkie trzy nóżki czujnika w złączu analogowym Arduino (rysunek 8.19). Kółko na czujniku powinno być skierowane na zewnątrz. Nóżka A1 Arduino może być zaprogramowana jako wyjście, dlatego przed podłączeniem czujnika należy najpierw wczytać szkic do mikrokontrolera.

Oprogramowanie Kod dla czujnika magnetycznego bardzo przypomina szkic termometru. Deklarujemy najpierw trzy nóżki: cyfrowe wejścia 15. i 17. (nóżki A0 i A2), natomiast A1 definiujemy jako nóżkę czujnika. // czujnik_magnetyczny int gndPin = A1; int sensePin = 2; int plusPin = A3;

262

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 8.19. Czujnik magnetyczny A1302 umieszczony w Arduino void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); Serial.begin(9600); }

Główna pętla pobiera jedynie nieprzetworzone odczyty i wyświetla je w Monitorze portu szeregowego. Urządzenie nie jest zbyt czułe, jednak jeśli zbliżymy do niego magnes, wartości wyświetlane w Monitorze portu szeregowego powinny ulec zmianie. void loop() { int raw = analogRead(sensePin); Serial.println(raw); delay(1000); }

Podsumowanie Istnieje mnóstwo rodzajów czujników, które nie zostały omówione, i wiele z nich można bez większego problemu podłączyć do Arduino, czy to przez wejście analogowe, czy też za pomocą modulacji impulsów. Szkice opisane w tym rozdziale można z łatwością dostosować do korzystania z innych czujników. W następnym rozdziale zmienimy nieco kierunek eksperymentów i zajmiemy się elektroniką związaną z dźwiękiem i muzyką.

9 Sztuczki z děwiÚkiem W

tym rozdziale przyjrzymy się gałęzi elektroniki zajmującej się sygnałami dźwiękowymi. Nauczysz się je generować i wzmacniać. Dowiesz się również co nieco o głośnikach. Spróbujemy także przekształcić nadajnik radiowy wykorzystywany w samochodowych odtwarzaczach MP3 w pluskwę szpiegowską. Najpierw jednak zapoznaj się z bardziej przyziemnym zagadnieniem, jakim jest używanie, naprawa i tworzenie własnych przewodów dźwiękowych.

Modyfikowanie przewodów děwiÚkowych Dostępne na rynku przewody dźwiękowe są generalnie bardzo tanie, nie licząc tych mających najlepszej jakości złącza. Czasami jednak możemy bezzwłocznie potrzebować przewodu lub musi on mieć niestandardowe parametry. Możesz więc nauczyć się przygotowywać przewody dźwiękowe z zakupionych elementów lub z odzyskanych podzespołów. Wiele części elektronicznych zawiera w zestawie różnego rodzaju okablowanie, którego czasami nie wykorzystujemy wraz z zakupionym podzespołem. Warto je przechowywać w szufladzie, gdyż nigdy nie wiadomo, kiedy będzie trzeba stworzyć własny przewód. Na rysunku 9.1 przedstawiono wybór różnorodnych wtyczek do przewodów dźwiękowych. Niektóre końcówki są przylutowane do przewodu, inne mają wokół kabla

264

Zabawy z elektronikÈ plastikową obudowę, której nie da się dolutować. Jednak takie wtyczki z plastikową obudową okazują się przydatne. W takim przypadku musimy po prostu odsłonić żyłkę prowadzącą do końcówki, bez konieczności lutowania.

Rysunek 9.1. Przykïadowe wtyczki przewodów děwiÚkowych

Ogólne zasady Przewody dźwiękowe przenoszą sygnały dźwiękowe, często w kierunku wzmacniacza. Ostatnią rzeczą, jakiej pragniemy, jest wyłapywanie szumów elektrycznych wpływających na jakość dźwięku. Z tego powodu przewody dźwiękowe są zazwyczaj ekranowane (rysunek 9.2).

Rysunek 9.2. Ekranowany przewód děwiÚkowy

Sam sygnał dźwiękowy (lub dwa sygnały dźwiękowe w przypadku przewodu stereofonicznego) jest przenoszony przez izolowane przewody wielożyłowe, które są otoczone przez zewnętrzną, przewodzącą warstwę ekranującą, składającą się z żyłek podłączonych do masy.

ROZDZIA’ 9. Sztuczki z děwiÚkiem

265

Wyjątek stanowią przewody głośnikowe. Nie są one ekranowane, ponieważ przenoszony przez nie sygnał został wzmocniony w takim stopniu, że szum wyłapywany przez te kable przestaje być słyszalny.

Lutowanie przewodów děwiÚkowych Odsłanianie drutu w przewodzie dźwiękowym jest bardziej złożonym procesem, ponieważ osłaniają go przynajmniej dwie warstwy izolacji. Bardzo łatwo jest przypadkowo rozciąć warstwę ekranującą. W ściągnięciu zewnętrznej warstwy izolacji często pomaga jej nacięcie w poprzek przewodu. Na rysunku 9.3 przedstawiono kolejne etapy lutowania przewodu ekranowanego z wtyczką 6,3 mm, stosowaną głównie przy podłączaniu gitary elektrycznej do wzmacniacza.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Rysunek 9.3. Lutowanie ekranowanego przewodu do wtyczki 6,3 mm

266

Zabawy z elektronikÈ Pierwszym krokiem jest zdjęcie zewnętrznej warstwy izolacji w odległości ok. 20 mm od końcówki przewodu, następnie zebranie warstwy ekranującej z jednej strony i skręcenie tworzących ją drutów. Teraz zdejmij około 5 mm izolacji z wewnętrznej żyłki (rysunek 9.3a), po czym ocynuj końcówki warstwy ekranującej oraz kabla sygnałowego (rysunek 9.3b). Wtyczka ma dwa miejsca do lutowania: jedno w zewnętrznej części, a drugie połączone z nasadką. Zazwyczaj w obydwu tych miejscach są wywiercone kanaliki. Na rysunku 9.3c warstwa ekranująca została podłączona do krótszego kanalika i jest gotowa do lutowania. Po przylutowaniu warstwy ekranującej możesz to samo zrobić z drutem sygnałowym podłączonym do elementu złączonego z nasadką (rysunek 9.3d). Żyłki są dość delikatne, upewnij się więc, że rdzeń sygnałowy troszeczkę wystaje z warstwy izolacji (rysunek 9.3e), dzięki czemu w przypadku wygięcia końcówki wtyczki drut się od niej nie oderwie. Zauważ, że wokół zewnętrznej izolacji zostały zaciśnięte specjalne zakładki odciążające naprężenia. Na koniec jeszcze zwróć uwagę, że wtyczki często mają plastikową osłonę chroniącą połączenia. Nasuń tę osłonę i przykręć obudowę wtyczki. Wskazówka Jeĝeli na drugim koñcu przewodu równieĝ umieszczasz wtyczkÚ, nie zapomnij o nasuniÚciu osïonki i naïoĝeniu obudowy na pierwszÈ wtyczkÚ PRZED przylutowaniem drugiej koñcówki. W przeciwnym razie bÚdzie trzeba odlutowaÊ wszystkie elementy, ĝeby wïaĂciwie je poïÈczyÊ. Popeïniïem ten bïÈd wiÚcej razy, niĝ chciaïbym siÚ przyznaÊ.

Konwersja sygnaïu stereofonicznego na monofoniczny Dźwięk stereofoniczny składa się z dwóch nieco odmiennych sygnałów, które po przesłaniu do osobnych głośników dają złudzenie przestrzenności. Czasami możemy mieć do czynienia z wyjściem stereofonicznym, które musimy przesłać do monofonicznego (jednokanałowego) wzmacniacza. Moglibyśmy w tym celu wykorzystać tylko jeden z kanałów stereofonicznych (na przykład lewy), ale wtedy utracilibyśmy wszystkie szczegóły przenoszone przez drugi przewód. Lepszym sposobem okazuje się połączenie przewodów za pomocą dwóch rezystorów w taki sposób, żeby otrzymać wspólny kanał (rysunek 9.4). Patrząc na schemat z rysunku 9.4, możemy błędnie uznać, że wystarczy bezpośrednio połączyć ze sobą obydwa kanały. Nie jest to dobry pomysł, ponieważ jeśli sygnały znacznie się od siebie różnią, istnieje szansa, że prąd płynący w jednym kanale może uszkodzić drugi kanał. Dobrym ćwiczeniem będzie dołączenie rezystorów do przygotowanej w poprzednim podrozdziale wtyczki monofonicznej 6,3 mm oraz do stereofonicznej wtyczki 3,5 mm, co pozwoli nam przykładowo podłączyć odtwarzacz MP3 do wzmacniacza gitarowego.

ROZDZIA’ 9. Sztuczki z děwiÚkiem

267

Rysunek 9.4. Przeksztaïcanie kanaïów stereofonicznych na kanaï monofoniczny

Rysunek 9.5 przedstawia kolejne etapy dostosowywania przewodu stereofonicznego do sygnału mono. Aby ułatwić sobie wykonanie zdjęć, przeprowadzałem tę operację na bardzo krótkich przewodach. W celach treningowych warto próbować na dłuższych żyłkach. Nie robi to różnicy, chyba że chcesz wydłużyć przewody o kilka metrów.

a)

b)

c)

d)

e) Rysunek 9.5. Modyfikowanie przewodu

Wtyczka 3,5 mm jest uformowana z plastiku i została wydobyta z jakiegoś niepotrzebnego kabla. Pierwszym etapem jest zdjęcie izolacji z obydwu przewodów (rysunek 9.5a). Zwróć uwagę, że wtyczka stereofoniczna ma dwa ekranowane przewody umieszczone w jednym kablu. Skręć ze sobą żyłki masowe obydwu kanałów. Ocynuj końcówki wszystkich przewodów, a następnie zlutuj ze sobą obydwa rezystory, tak jak przedstawiono na rysunku 9.5b.

268

Zabawy z elektronikÈ Przylutuj teraz przewody stereofoniczny i monofoniczny do rezystorów (rysunek 9.5c). Możesz uciąć i dopasować krótki odcinek kabla, który będzie łącznikiem przewodów masowych. Dołącz go do masy (rysunek 9.5d) i całość owiń taśmą izolacyjną. Należy wyszukać wszystkie odsłonięte miejsca, które mogą się ze sobą stykać, i owinąć je taśmą izolacyjną, ponieważ dzięki temu zmniejszy się ryzyko zwarcia (rysunek 9.5e).

Moduï mikrofonowy Mikrofony służą do rejestrowania fal dźwiękowych. Fale te stanowią jednak tak małe zmiany ciśnienia powietrza, że dźwięk wyłapywany przez mikrofon jest zazwyczaj bardzo cichy, co nie powinno dziwić. Taki sygnał musi zostać wzmocniony do użytecznego poziomu. Stworzenie własnego, niewielkiego wzmacniacza nie powinno stanowić najmniejszego problemu, możesz jednak kupić moduł mikrofonowy zawierający wbudowany układ wzmacniający. Na rysunku 9.6 widzimy taki przykładowy moduł.

Rysunek 9.6. Moduï mikrofonowy

Przedstawionemu modułowi wystarczy zasilanie w zakresie od 2,7 V do 5,5 V, sprawdzi się on więc doskonale jako element peryferyjny mikrokontrolera Arduino. W rozdziale 11. przyjrzymy się oscyloskopom. Teraz jednak zobaczmy, co będzie wyświetlane (rysunek 9.7) po podłączeniu modułu mikrofonowego do oscyloskopu. Mikrofon rejestruje w tym przypadku dźwięk o stałej wysokości i jest zasilany napięciem 5 V. Oscyloskop wyświetla kształty fali dźwiękowej. Na rysunku 9.7 widzimy ciągły, irytujący dźwięk o częstotliwości 7,4 kHz. Czas jest reprezentowany na osi odciętych i każdy kwadracik symbolizuje 100 mikrosekund. Na oś rzędnych jest nałożone napięcie. Jeden kwadracik na tej osi to 1 V. Napięcie na wyjściu mikrofonu ulega bardzo szybkim zmianom w zakresie od około 1,8 V do 3,5 V. Gdybyśmy narysowali prostą biegnącą przez sam środek fali, znalazłaby się na wysokości mniej więcej 2,5 V. Jest to dokładnie połowa napięcia 5 V. Jeśli więc mikrofon będzie wyłapywał ciszę, oscyloskop będzie

ROZDZIA’ 9. Sztuczki z děwiÚkiem

269

Rysunek 9.7. Sygnaï wyjĂciowy na module mikrofonowym

wyświetlał poziomą linię o wartości 2,5 V, natomiast im głośniejszy dźwięk będzie się pojawiał, tym amplituda fali będzie się bardziej wahała w obydwie strony. Nie przekroczy ona jednak wartości 0 V ani 5 V. Wierzchołek fali zostanie w tym przypadku ucięty, a sam sygnał ulegnie zniekształceniu. Omawiany przez nas moduł mikrofonowy jest sprzedawany przez serwis SparkFun (numer katalogowy BOB-09964). Jego schemat oraz pliki projektowe zostały udostępnione publicznie. Na rysunku 9.8 widzimy diagram typowego przedwzmacniacza mikrofonowego.

Rysunek 9.8. Schemat moduïu mikrofonowego

270

Zabawy z elektronikÈ Oznaczenie podzespołu widocznego na środku schematu przypomina nieco symbol komparatora wykorzystywanego w rozdziale 8., w podrozdziale „Wykrywanie toksycznego gazu”, jest to jednak zupełnie inny podzespół. Jest to układ tak zwanego wzmacniacza operacyjnego. Komparator uruchamia swoje wyjście, gdy wartość napięcia na wejściu po stronie dodatniej jest wyższa niż na wejściu po stronie ujemnej, natomiast wzmacniacz operacyjny zwiększa różnicę napięcia pomiędzy obydwoma wejściami. Pozostawiony samemu sobie układ ten wzmacnia sygnał miliony razy. Oznacza to, że w zakresie napięcia od 0 V do 5 V każdy, najmniejszy nawet szum czy zakłócenie na wejściu zostają przekształcone w bezużyteczny hałas. Aby ograniczyć działalność wzmacniacza operacyjnego oraz zmniejszyć współczynnik wzmocnienia, wykorzystywane jest zjawisko sprzężenia zwrotnego. Sztuczka polega na przesłaniu części sygnału wyjściowego z powrotem na wejście masy wzmacniacza. W ten sposób zmniejszamy współczynnik wzmocnienia definiowany przez stosunek rezystancji R1 do R2 (rysunek 9.8). W tym przypadku R1 wynosi 1 MΩ, a R2 — 10 kΩ, czyli współczynnik wzmocnienia wynosi 1 000 000:10 000 = 100. Sygnał mikrofonowy jest wzmacniany stukrotnie. Możesz sobie wyobrazić, jak znikomą energię niesie fala dźwiękowa. Napięcie na wejściu dodatnim wzmacniacza stanowi połowę wartości pomiędzy masą a 5 V, gdzie rezystory R3 i R4 tworzą dzielnik napięcia. Kondensator C1 pomaga utrzymać stałą wartość. Korzystając ze schematu, moglibyśmy skonstruować własny moduł mikrofonowy podłączony na przykład do płytki perforowanej. Tego typu wzmacniacze operacyjne (omawiany model jest elementem montowanym powierzchniowo) istnieją również w wersji z ośmioma nóżkami umieszczonymi w obudowie dwurzędowej. Gotowe moduły pozwalają nam jednak zaoszczędzić wiele wysiłku, a jednocześnie mogą okazać się tańsze od sumy elementów wymaganych do złożenia własnego mikrofonu. Zdaję sobie sprawę, że było to bardzo ogólne wprowadzenie do świata wzmacniaczy operacyjnych. Są to niezwykle użyteczne podzespoły, jednak nawet ich pobieżne omówienie wymagałoby poświęcenia o wiele więcej miejsca w tej książce, niż moglibyśmy sobie na to pozwolić. Wiele przydatnych informacji znajdziesz w serwisach takich jak Wikipedia lub w książkach poświęconych bardziej teoretycznym zagadnieniom, jak na przykład Practical Electronics for Investor, wydanie trzecie, autorstwa Paula Sherza i Simona Monka (w której jest rozdział poświęcony wyłącznie wzmacniaczom operacyjnym). W następnym podrozdziale połączymy omawiany moduł ze zmodyfikowanym nadajnikiem radiowym, wykorzystywanym w samochodowych odtwarzaczach MP3 do puszczania muzyki przez radio. W ten sposób stworzymy dźwiękową „pluskwę”.

ROZDZIA’ 9. Sztuczki z děwiÚkiem

271

Pluskwa radiowa Stworzenie nadajnika radiowego przesyłającego do pobliskiego odbiornika dźwięki rejestrowane przez mikrofon nie jest łatwym zadaniem. Jesteśmy elektronicznymi iluzjonistami, więc będziemy troszeczkę oszukiwać. Rozbierzemy nadajnik na części i podłączymy do niego moduł mikrofonowy. Na rysunku 9.9 widać efekt końcowy naszej modyfikacji.

Rysunek 9.9. Pluskwa radiowa

Co bÚdzie potrzebne Do zbudowania pluskwy wykorzystamy następujące elementy: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Moduł mikrofonowy

M5

1

* Nadajnik radiowy do odtwarzaczy MP3

1

Odbiornik radiowy

* Po wpisaniu na Allegro słów kluczowych transmiter fm mp3 samochód powinniśmy znaleźć odpowiednie nadajniki. Szukaj najprostszych modeli, cenowo nieprzekraczających 20 zł. Nie potrzebujemy pilota zdalnego sterowania ani czytnika kart SD. Interesujący nas nadajnik powinien mieć jedynie przewód wejściowy oraz być zasilany dwiema bateriami AA lub AAA (3 V).

Konstrukcja Ten projekt jest bardzo prosty do wykonania. Schemat pluskwy został zaprezentowany na rysunku 9.10.

272

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 9.10. Schemat pluskwy radiowej

Bateria 3 V nadajnika służy również do zasilania modułu mikrofonowego, a pojedyncze wyjście tego modułu łączy się jednocześnie z lewym i prawym kanałem stereofonicznym transmitera. Na rysunku 9.11 została pokazana modyfikacja nadajnika umożliwiająca podłączenie do niego modułu mikrofonowego. Pierwszym etapem jest zdjęcie obudowy z nadajnika. Odetnij następnie wtyczkę, ale pozostaw większość przewodu, gdyż w tego typu urządzeniach pełni on również funkcję anteny. Usuń izolację z trzech żyłek znajdujących się w przewodzie i ocynuj je (rysunek 9.11a). Przyjrzyj się trzem przewodom na rysunku 9.11a. Czerwona żyłka jest prawym kanałem, biała służy za kanał lewy, a czarna stanowi masę. Jest to powszechnie stosowana konwencja, jeśli jednak nie jesteś pewny, czy znajduje ona potwierdzenie w używanym przez Ciebie nadajniku, możesz zdjąć izolację z żyłek po stronie wtyczki i za pomocą miernika w trybie testowania ciągłości sprawdzić, jak są podłączone przewody do uciętej wtyczki. Do nasadki powinien prowadzić lewy kanał, do bliższego pierścienia — kanał prawy, a do tulei znajdującej się najbliżej izolacji jest podłączona masa. Nie będziemy ruszać przewodów ujemnego oraz lewego kanału, odetniemy natomiast kanał prawy i podłączymy go do złącza 3 V baterii (rysunek 9.11b). W wykorzystywanym nadajniku biegun dodatni pojemnika na baterie znajduje się na wierzchu płytki drukowanej. Aby go znaleźć, przyjrzyj się uważnie pojemnikowi na baterie. Na rysunku 9.11c możemy zauważyć, że metalowy element znajdujący się po lewej stronie łączy biegun ujemny górnego ogniwa z biegunem dodatnim ogniwa dolnego. Przewód 3 V będzie więc znajdował się w prawym górnym rogu pojemnika. Musimy sprawdzić, gdzie będzie umiejscowiony na płytce drukowanej. Jeżeli wychodzi z tego miejsca wiele przewodów, musimy w jakiś sposób dołączyć do nich nasz czerwony kabel.

ROZDZIA’ 9. Sztuczki z děwiÚkiem

a)

b)

c)

d)

273

e) Rysunek 9.11. Modyfikowanie nadajnika radiowego

Na rysunku 9.10 możemy zauważyć, że za pomocą krótkiego przewodu należy jeszcze połączyć ze sobą kanały prawy i lewy (rysunek 9.11d). Po wprowadzeniu wszystkich modyfikacji efekt końcowy powinien wyglądać tak jak na rysunku 9.11e.

Testowanie Pamiętaj, że przełącznik zasilania nie będzie miał wpływu na działanie modułu mikrofonowego. Aby całkowicie wyłączyć pluskwę, jedynym rozwiązaniem jest wyciągnięcie baterii.

274

Zabawy z elektronikÈ Czas przejść do testowania modułu. Ustaw taką częstotliwość nadajnika, żeby nie była zakłócana przez stacje radiowe i na taką samą częstotliwość nastaw również odbiornik. Możesz teraz słyszeć całkiem wyraźnie gwizd sprzężenia zwrotnego, dlatego najlepiej będzie zabrać odbiornik do innego pomieszczenia. Dźwięki dobiegające z drugiego pokoju powinny być teraz odbierane w całkiem dobrej jakości.

Wybór gïoĂników Od początków istnienia radia budowa głośników pozostała niemal niezmieniona. Zasada działania tego urządzenia została ukazana na rysunku 9.12.

Rysunek 9.12. Zasada dziaïania gïoĂnika

W tylnej części membrany (cała membrana jest do tej pory wytwarzana z papieru) znajduje się delikatna cewka, umieszczona we wnętrzu trwałego magnesu, który jest z kolei przymocowany do kosza. Gdy dostarczamy wzmocniony sygnał dźwiękowy do cewki, porusza się ona zgodnie z jego częstotliwością na obszarze magnesu. Powstają wtedy zmiany ciśnienia powietrza, które odbieramy jako dźwięki. W ujęciu elektronicznym głośnik jest po prostu cewką. Jednym z parametrów głośnika jest jego rezystancja wyrażana w omach. Większość głośników ma rezystancję 8 Ω, powszechne są jednak modele 4 Ω czy 60 Ω. Jeżeli zmierzymy oporność cewki w głośniku 8-omowym, to okaże się, że rzeczywiście ma taką wartość. Kolejnym parametrem kojarzonym z głośnikiem jest jego moc. Określa ona dopuszczalną wartość energii, powyżej której cewka zbyt mocno się nagrzeje i zostanie uszko-

ROZDZIA’ 9. Sztuczki z děwiÚkiem

275

dzona. W przypadku niewielkiego głośniczka, jaki chcielibyśmy umieścić w odbiorniku radiowym, moc rzędu 250 mW nie jest niczym niezwykłym. W zestawach Hi-Fi lepszej klasy moc znamionowa będzie osiągała wartości dziesiątek, a nawet setek watów. Bardzo trudno skonstruować głośniki pokrywające cały zakres częstotliwości słyszanych przez człowieka, dla którego wynosi on od 20 Hz do 20 kHz. Często możemy z tego powodu spotkać kilka głośników umieszczonych w jednej obudowie. Mogą to być głośniki niskotonowe (ang. woofer) lub wysokotonowe (ang. tweeter). Głośniki niskotonowe nie nadążają za wysokimi częstotliwościami, dlatego zaprojektowano moduł zwany zwrotnicą, służący do oddzielania wysokich i niskich częstotliwości, dzięki czemu obydwa typy głośników mogą działać niezależnie od siebie. W niektórych zestawach zostaje to jeszcze bardziej rozwinięte: jeden głośnik jest wykorzystywany do odtwarzania niskich częstotliwości, drugi obsługuje średni zakres tonów, a trzeci jest głośnikiem wysokotonowym. Ludzkie ucho bez problemu wykrywa kierunek, z którego dobiegają fale o wysokiej częstotliwości. Jeżeli usłyszymy ptaka śpiewającego za oknem, natychmiast odwrócimy się w jego kierunku bez zastanawiania się nad jego położeniem. Tak się nie dzieje w przypadku niskich częstotliwości. Z tego powodu zestawy głośników przestrzennych często składają się z jednego głośnika niskotonowego oraz kilku pokrywających zakres średnich i wysokich częstotliwości. Ułatwiamy sobie w ten sposób życie, ponieważ głośniki basowe muszą być o wiele większe od ich wysokotonowych odpowiedników, gdyż poruszają większymi ilościami powietrza w dłuższym okresie, dzięki czemu wytwarzają odpowiednio niskie dźwięki.

Budowa jednowatowego wzmacniacza děwiÚku Skonstruowanie niewielkiego wzmacniacza do głośnika jest dość łatwe, na rynku dostępne są bowiem takie układy jak TDA7052, składające się niemal ze wszystkich niezbędnych podzespołów. Cena takiego modułu zazwyczaj nie przekracza 5 zł. W tym podrozdziale utworzymy malutki układ wzmacniający na płytce perforowanej (rysunek 9.13). Alternatywnym rozwiązaniem jest zakup gotowego modułu wzmacniacza. Na rynku istnieje mnóstwo modeli różniących się zakresem współczynnika wzmocnienia, a także konfiguracją dla urządzeń monofonicznych lub stereofonicznych. Dobrym źródłem takich modułów są aukcje w serwisie eBay, jak również takie sklepy jak SparkFun (BOB-11044) czy Adafruit (identyfikator produktu: 987). Moduły tego rodzaju są konstruowane w tak zwanej technologii typu D, dzięki której wykorzystanie energii jest znacznie skuteczniejsze niż w tworzonym przez nas module.

276

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 9.13. Moduï wzmacniacza jednowatowego

Rysunek 9.14 prezentuje schemat typowego wzmacniacza opartego na układzie TDA7052.

Rysunek 9.14. Schemat typowego moduïu wzmacniajÈcego opartego na ukïadzie TDA7052

Potencjometr pełni funkcję regulatora głośności i ogranicza sygnał przed procesem wzmocnienia. Kondensator C1 służy do przekazywania sygnału dźwiękowego na wejście układu scalonego przy jednoczesnym zatrzymaniu napięcia początkowego pochodzącego z urządzenia generującego sygnał użyteczny. Z tego powodu kondensator pełniący taką funkcję jest nazywany kondensatorem sprzęgającym. Kondensator C2 stanowi zbiornik ładunku, który może zostać szybko rozładowany w przypadku, gdy są wymagane błyskawiczne zmiany zasilania dostarczanego do głośnika. Element ten powinien zostać umieszczony blisko układu scalonego.

ROZDZIA’ 9. Sztuczki z děwiÚkiem

277

Co bÚdzie potrzebne Aby zbudować moduł wzmacniacza, będziemy potrzebować następujących podzespołów: Liczba

Oznaczenie

Przedmiot

Kod w dodatku

1

IC1

Układ TDA7052

P9

1

R1

Potencjometr 10 kΩ

Z1, R1

1

C1

Kondensator 470 nF

K3

1

C2

Kondensator 100 μF

Z1, K2

1

Głośnik 8 Ω

S14

1

Płytka perforowana

S3

Konstrukcja Na rysunku 9.15 widzimy rozmieszczenie elementów modułu wzmacniacza na płytce perforowanej. Osoby, które jeszcze nie miały okazji korzystać z płytki perforowanej, powinny zapoznać się najpierw z informacjami zawartymi w rozdziale 4., w podrozdziale „Zastosowanie płytki perforowanej na przykładzie nadajnika błysków”.

Rysunek 9.15. Rozmieszczenie elementów ukïadu tworzÈcego moduï wzmacniajÈcy na pïytce perforowanej

Aby zbudować nasz moduł, wykonaj czynności pokazane na rysunku 9.16. Najpierw przytnij płytkę perforowaną do właściwego rozmiaru i przerwij trzy zaznaczone ścieżki za pomocą wiertła (rysunek 9.16a). Następnie przylutuj przewody płytki oraz podzespoły w następującej kolejności: IC, C1, C2 oraz R1 (rysunek 9.16b). Najłatwiej najpierw przylutować elementy znajdujące się najbliżej płytki.

278

Zabawy z elektronikÈ

a)

b)

c)

d)

Rysunek 9.16. Konstruowanie moduïu wzmacniacza děwiÚku

Podłącz przewody do głośnika (rysunek 9.16c), a na końcu dołącz zacisk na baterie oraz przewód zawierający wtyczkę stereofoniczną 3,5 mm (rysunek 9.16d). Pamiętaj, że korzystamy tylko z jednego kanału. Gdybyśmy chcieli używać obydwu kanałów, powinniśmy połączyć przewody za pomocą dwóch rezystorów (zostało to omówione w podrozdziale „Modyfikowanie przewodów dźwiękowych”).

Testowanie Możesz przetestować wzmacniacz, podłączając go do odtwarzacza MP3, lub, jeśli posiadasz smartfona, pobrać generator sygnału na telefon z systemem Android lub na iPhone’a. Istnieje mnóstwo aplikacji tego typu, z czego duża część jest bezpłatna, tak jak ukazany na rysunku 9.17 generator sygnału wydany przez firmę RadonSoft na Androida. Za pomocą tego generatora możemy zagrać dźwięk o wybranej przez nas częstotliwości. Możemy poszukać roboczego zakresu częstotliwości naszego wzmacniacza, czyli częstotliwości, dla której głośność dźwięku nie będzie maleć.

ROZDZIA’ 9. Sztuczki z děwiÚkiem

279

Rysunek 9.17. Generator sygnaïu

Generowanie děwiÚków za pomocÈ ukïadu czasowego 555 W rozdziale 4. wykorzystaliśmy układ czasowy 555 do regulacji migotania pary diod LED. W tym podrozdziale nauczysz się generować za jego pomocą sygnał mający o wiele wyższą częstotliwość, odbierany przez ludzkie ucho jako dźwięk. Wysokość dźwięku będzie regulowana przez światłoczuły opornik (LDR), przez co po przesunięciu dłoni przed fotorezystorem częstotliwość dźwięku ulegnie zmianie, podobnie jak w przypadku eterofonu1. Gotowy układ, umieszczony na płytce montażowej, możemy zobaczyć na rysunku 9.18. Rysunek 9.19 przedstawia schemat generatora sygnałów. Schemat ten przypomina nieco omawiany w rozdziale 4. układ nadajnika błysków. W tym przypadku zamiast dwóch zwykłych oporników i kondensatora służących do ustalania częstotliwości wykorzystujemy fotorezystor R1, którego rezystancja będzie wahała się w przedziale od 1 kΩ do 4 kΩ, w zależności od natężenia światła padającego na czujnik. Potrzebna nam będzie o wiele wyższa częstotliwość niż w przypadku nadajnika błysków — jeśli zamierzamy uzyskać maksymalną częstotliwość około 1 kHz, będzie ona tysiąckrotnie wyższa od wcześniej używanej. 1

Eterofon (inaczej theremin) to elektroniczny instrument muzyczny, w którym wysokość i głośność dźwięku są regulowane poprzez przesuwanie dłoni w pobliżu antenek umieszczonych na urządzeniu — przyp. tłum.

280

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 9.18. Generowanie děwiÚków za pomocÈ ukïadu czasowego 555

Rysunek 9.19. Schemat generatora děwiÚku opartego na ukïadzie czasowym 555

Układ czasowy 555 oscyluje zgodnie z częstotliwością określoną wzorem: częstotliwość = 1,44:[(R1+2·R2)·C], gdzie jednostkami R1 i R2 są omy, a C — farady. Jeżeli więc wstawimy do układu kondensator C1 100 nF, opornik R2 o wartości 10 kΩ, a minimalna oporność R1 (fotorezystora) będzie wynosić 1 kΩ, otrzymamy częstotliwość: 1,44:[(1000+20 000)·0,0000001) = 686 Hz Jeżeli rezystancja fotorezystora wzrośnie do 4 kΩ, częstotliwość spadnie do wartości: 1,44:([4000+20 000)·0,0000001) = 320 Hz

ROZDZIA’ 9. Sztuczki z děwiÚkiem

281

Podczas wyliczania częstotliwości oraz przy doborze wartości R1, R2 oraz C1 możesz skorzystać z dostępnych w internecie kalkulatorów, takich jak http://www. bowdenshobbycircuits.info/555.htm (w języku angielskim) lub http://ne555.jblew.pl/ (po polsku).

Co bÚdzie potrzebne Do zbudowania generatora dźwięków wykorzystamy elementy wymienione poniżej. Liczba

Oznaczenie

Przedmiot

Kod w dodatku

1

IC1

Układ czasowy 555

Z1, P10

1

R1

Fotorezystor

Z1, R2

1

R2

Rezystor 10 kΩ

Z2

1

C1

Kondensator 100 nF

Z1, K4

1

C2

Kondensator 10 μF

Z1, K5

Głośnik 8 Ω

S14

1

Konstrukcja Na rysunku 9.20 widzimy rozmieszczenie elementów generatora dźwięków na płytce montażowej. Zbudowanie tego układu na płytce perforowanej nie powinno nastręczać zbyt wielkich trudności. Dobrym punktem zaczepienia byłby układ omówiony w rozdziale 4., w podrozdziale „Zastosowanie płytki perforowanej na przykładzie nadajnika błysków”.

Kontroler muzyczny podïÈczany pod gniazdo USB Takie aplikacje jak Ableton LiveTM pozwalają kontrolerom USB emulującym klawiaturę sterować wirtualnymi instrumentami oraz wykonywać wiele interesujących operacji. Możemy powiązać funkcję emulowania klawiatury występującą w Arduino Leonardo z modułem akcelerometru, dzięki czemu przechylanie mikrokontrolera może „udawać” wciśnięcie klawisza w zakresie od 0 do 8. Wartość 4 byłaby wciśnięta, gdyby urządzenie leżało poziomo, 0 pojawiłoby się przy niemal maksymalnym wychyleniu w prawo, a 8 — przy odchyleniu w przeciwną stronę. Jedynym podzespołem dołączanym do Arduino jest akcelerometr (rysunek 9.21).

Co bÚdzie potrzebne Skonstruowanie omawianego układu wymaga użycia następujących elementów:

282

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 9.20. Rozmieszczenie podzespoïów ukïadu generatora sygnaïów na pïytce montaĝowej

Rysunek 9.21. Kontroler muzyczny podïÈczany do portu USB

Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Leonardo

M21

1

Złącze microUSB dla Arduino Leonardo

1

Akcelerometr (model z serwisu Adafruit)

M15

Konstrukcja Nie napracujemy się za bardzo podczas budowania tego urządzenia. Schemat wygląda praktycznie tak samo jak w rozdziale 8., w podrozdziale „Akcelerometr”. Moduł akcelerometru z serwisu Freetronics również będzie działał, musimy jednak zmienić rozmieszczenie nóżek przed podłączeniem go do Arduino.

ROZDZIA’ 9. Sztuczki z děwiÚkiem

283

Oprogramowanie W oprogramowaniu kontrolera muzycznego wykorzystujemy funkcje emulujące klawiaturę oraz wykrywające przechył urządzenia w osi X. Pierwszym etapem jest zadeklarowanie wykorzystywanych nóżek. Moduł akcelerometru jest zasilany poprzez wyjścia Arduino, podobnie jak to miało miejsce w rozdziale 8. // kontroler_muzyczny int int int int int

gndPin = A2; xPin = 5; yPin = 4; zPin = 3; plusPin = A0;

Zmienna levelX jest używana w procesie kalibracji i przechowuje wartość analogową urządzenia leżącego w orientacji poziomej. W zmiennej oldTilt jest przechowywana stara wartość przechylenia mikrokontrolera w przedziale od 0 do 8, gdzie 4 oznacza ułożenie poziome. Aplikacja zapamiętuje starą wartość, dzięki czemu klawisz zostaje wciśnięty dopiero w momencie zmiany kąta przechylenia. int levelX = 0; int oldTilt = 4;

W funkcji setup definiujemy nóżki wyjściowe zasilające akcelerometr, wywołujemy funkcję calibrate i uruchamiamy tryb emulowania klawiatury. void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); calibrate(); Keyboard.begin(); }

W głównej pętli odczyty akcelerometru są przetwarzane na liczbę w przedziale od 0 do 8 i jeżeli nastąpiła zmiana od ostatniego sprawdzania, zostaje wygenerowane wciśnięcie klawisza. void loop() { int x = analogRead(xPin); // levelX-70 levelX levelX + 70 int tilt = (x - levelX) / 14 + 4;

284

Zabawy z elektronikÈ if (tilt < 0) tilt = 0; if (tilt > 8) tilt = 8; // 0 to lewo, 4 to uáoĪenie poziome, 8 to prawo if (tilt != oldTilt) { Keyboard.print(tilt); oldTilt = tilt; } }

W funkcji calibrate, po 200 milisekundach potrzebnych na włączenie modułu, jest przetwarzany pierwszy odczyt w osi X, definiujący orientację poziomą urządzenia. void calibrate() { delay(200); // dajemy akcelerometrowi czas na wáączenie siĊ levelX = analogRead(xPin); }

Programowy miernik gïoĂnoĂci (VU) Wykorzystywany w podrozdziale „Pluskwa radiowa” mikrofon nadaje się równie dobrze do współpracy z mikrokontrolerami takimi jak Arduino. Na rysunku 9.22 widzimy moduł mikrofonowy podpięty do złącza analogowego Arduino. Możemy wykorzystać mikrofon do pomiaru poziomu głośności dźwięku (ang. VU — Volume Unit, jednostka głośności). Liczba gwiazdek (*) wyświetlanych w Monitorze portu szeregowego będzie symbolizowała głośność (rysunek 9.23).

Co bÚdzie potrzebne Aby zbudować miernik głośności, potrzebne nam będą następujące elementy: Liczba

Przedmiot

Kod w dodatku

1

Arduino Uno/Leonardo

M2/M21

1

Przewód USB; typu B dla Arduino Uno, microUSB dla Arduino Leonardo

1

Moduł mikrofonowy

M14

1

Jednorzędowa złączka męska, 3 nóżki

S4

Konstrukcja Przed podłączeniem modułu mikrofonowego do Arduino wgraj szkic miernik_glosnosci.

ROZDZIA’ 9. Sztuczki z děwiÚkiem

285

Rysunek 9.22. Moduï mikrofonowy podïÈczony do Arduino

Rysunek 9.23. Monitor portu szeregowego jako miernik gïoĂnoĂci

Dolutuj nóżki ze złączki męskiej do modułu w taki sposób, aby wchodziły w gniazda Arduino od A0 do A2, a sam mikrofon był skierowany na zewnątrz (rysunek 9.22).

Oprogramowanie Moduł mikrofonowy zużywa bardzo mało prądu, więc dla naszej wygody możemy go zasilać poprzez nóżki A0 i A1. Nasz szkic rozpoczyna się od zdefiniowania nóżek oraz ich skonfigurowania w funkcji setup. Również tutaj inicjujemy komunikację szeregową. // miernik_glosnosci int gndPin = A1; int plusPin = A0; int soundPin = 2;

286

Zabawy z elektronikÈ void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); Serial.begin(9600); }

Funkcja loop odczytuje nieprzetworzoną wartość z analogowego wejścia A2. Jeżeli mikrofon nie rejestruje żadnych dźwięków, na jego wyjściu występuje napięcie 2,5 V, a po pojawieniu się sygnału wartość ta oscyluje, tworząc falę sinusoidalną. Aby więc określić „głośność”, musimy najpierw odjąć 511 od nieprzetworzonego odczytu — 511 jest odpowiednikiem napięcia przesunięcia 2,5 V w zakresie analogowych odczytów od 0 do 1023. Funkcja abs przekształca wartości ujemne w dodatnie. Otrzymana wartość jest następnie dzielona przez 10, przez co zmniejszamy zakres odczytów od 0 do 51, które zostają przypisane do zmiennej topLED. Nie używamy w tym projekcie diod LED, ale możesz wyobrazić sobie, że liczba gwiazdek w Monitorze portu szeregowego odpowiada natężeniu ich świecenia. Na koniec pętla for prezentuje liczbę gwiazdek równoważną wartości przechowywanej w zmiennej topLED, po czym jest wyświetlana nowa linijka i na jedną dziesiątą sekundy wstrzymujemy przetwarzanie kodu. void loop() { int value = analogRead(soundPin); int topLED = 1 + abs(value - 511) / 10; for (int i = 0; i < topLED; i++) { Serial.print("*"); } Serial.println(); delay(100); }

Podsumowanie Oprócz omówionych w tym rozdziale układów na rynku istnieje wiele użytecznych modułów dźwiękowych. Możesz znaleźć niedrogie, stereofoniczne wzmacniacze mocy na aukcjach eBay i Allegro czy w sklepach takich jak SparkFun oraz Adafruit. Możesz również zaopatrzyć się w niezwykle tanie głośniki komputerowe z wbudowanymi wzmacniaczami i używać ich w swoich projektach.

10 Psucie i naprawa W

tym rozdziale nauczysz się rozmontowywać urządzenia elektryczne na czynniki pierwsze i składać je z powrotem, a także wydobywać z nich przydatne podzespoły. We współczesnym, rozrzutnym społeczeństwie niedziałające urządzenia są wyrzucane prosto do śmietnika. Z ekonomicznego punktu widzenia nie opłaca się ich po prostu naprawiać. Nie oznacza to jednak, że nie warto próbować ich naprawić. Nawet jeśli się nie uda, można wydobyć z uszkodzonego urządzenia podzespoły, które możemy następnie wykorzystywać w innych projektach.

Jak uniknÈÊ poraĝenia prÈdem? Podczas tworzenia/modyfikowania układów zasilanych prądem z gospodarstwa domowego NIGDY nie pracuj na układzie podłączonym do gniazdka. Osobiście podczas pracy zawsze kładę wtyczkę przed sobą, aby mieć pewność, że nie jest podłączona do zasilania. Elektryczność w domu zabija corocznie wiele osób. To nie żarty! Niektóre urządzenia, takie jak zasilacze impulsowe, zawierają cenne kondensatory potrafiące przechowywać ładunek przez wiele godzin po odłączeniu od zasilania. Elementy te są bombami z opóźnionym zapłonem, czekającymi tylko, aż czyjeś niespodziewające się niczego palce zamkną obwód. Nie należy rozładowywać takiego kondensatora poprzez zwarcie jego nóżek za pomocą śrubokręta, chyba że podzespół ten ma bardzo małą pojemność. Pojemny kondensator używany przy dużych napięciach może uwolnić w ułamku sekundy

288

Zabawy z elektronikÈ olbrzymią ilość ładunku, co spowoduje stopienie końcówki śrubokręta i rozpryśnięcie stopionego metalu. Zdarzały się przypadki oślepnięcia spowodowanego rozładowaniem kondensatora w taki sposób, więc unikaj tej metody. Na rysunku 10.1 został przedstawiony bezpieczny sposób rozładowania kondensatora.

Rysunek 10.1. Przykïad bezpiecznego rozïadowania kondensatora

Nóżki rezystora 100 Ω zostały podłączone do zestyków kondensatora i są trzymane w ząbkach szczypiec przez kilka sekund. Możemy wykorzystać najwyższe ustawienie woltomierza do sprawdzenia, czy kondensator został rozładowany do bezpiecznego poziomu (powiedzmy 50 V). Im większa moc znamionowa rezystora, tym lepiej. Jeżeli przekroczymy jej wartość, opornik zostanie zniszczony, ale to nie będzie tak spektakularne jak zagrażające życiu rozładowanie kondensatora. Niektóre urządzenia, w których prąd może boleśnie, a czasami nawet zabójczo „kopnąć”, to: x telewizory kineskopowe starego typu, x zasilacze impulsowe, x lampy błyskowe oraz aparaty fotograficzne z lampami błyskowymi.

ROZDZIA’ 10. Psucie i naprawa

289

Rozmontowywanie urzÈdzeñ ORAZ skïadanie ich z powrotem Często się mówi, że „każdy głupi może coś rozebrać, ale złożenie tego w całość to zupełnie inna bajka”. Nie zapominaj, że otwarcie urządzenia unieważnia zazwyczaj jego gwarancję. Jeżeli będziesz postępować zgodnie z poniższymi wytycznymi, to nie powinno być żadnych problemów. x Pomieszczenie robocze powinno być czyste i mieć dużo wolnego miejsca. x Wykręcone śrubki powinny być układane na blacie w kolejności ich wyciągania. Czasami śrubki mają różne rozmiary. Jeżeli trzeba będzie je wytrząsnąć lub w inny sposób mogą wypaść na ziemię, podłóż pod urządzenie kawałek styropianu lub czegoś podobnego. x Po wykręceniu śrubek, gdy już będziesz ściągać obudowę, uważaj na wszelkie malutkie, plastikowe elementy, na przykład przyciski, które mogą wypaść. Staraj się, aby pozostały na swoich miejscach, dopóki nie będziesz gotowy, by je wyjąć. x Jeżeli jakieś urządzenie wygląda na skomplikowane, narysuj jego schemat lub zrób mu zdjęcia (w trakcie napraw wykonuję mnóstwo fotografii urządzeń o złożonej konstrukcji mechanicznej, na przykład suszarek czy prostownic do włosów). x Nie próbuj rozdzielać podzespołów na siłę. Poszukaj raczej trzymających je zacisków. x Jeżeli nie da się inaczej, rozetnij obudowę piłką ręczną (stosowałem to rozwiązanie w przeszłości), po czym złącz ją za pomocą kleju.

Sprawdzanie bezpiecznika Najłatwiejszy problem do rozwiązania w urządzeniu stanowi spalony bezpiecznik. Wynika to z faktu, że można ten element w prosty sposób sprawdzić oraz go wymienić. Ogólnie rzecz biorąc, bezpiecznik jest po prostu przewodem, który zostaje przepalony, gdy przepływa przez niego zbyt duży prąd. Dzięki niemu zostają zabezpieczone droższe podzespoły, a czasami zapobiegniemy również pożarowi. Niektóre bezpieczniki są przezroczyste, przez co z łatwością możemy stwierdzić, czy biegnący w środku przewód został przerwany. Najważniejszym parametrem bezpiecznika jest prąd znamionowy i często na etykiecie spotkasz się z wartością maksymalnego natężenia w amperach lub miliamperach. Bezpieczniki dzieli się również na „szybkie”

290

Zabawy z elektronikÈ i „zwłoczne”. Jak można się domyślić, w ten sposób klasyfikujemy bezpieczniki pod kątem szybkości reakcji na przeciążenie. Z bezpiecznikami możemy spotkać się w niektórych wtyczkach kontaktowych, często możemy je również znaleźć na płytkach drukowanych. Na rysunku 10.2a widzimy bezpiecznik umieszczony wewnątrz wtyczki zasilającej, na rysunku 10.2c natomiast został przedstawiony bezpiecznik na płytce miernika.

a)

b)

c) Rysunek 10.2. Bezpieczniki

Tyle razy przeprowadzaliśmy miernikiem test ciągłości, że powinieneś wiedzieć, jak sprawdzić bezpiecznik (rysunek 10.3). Jeżeli bezpiecznik został przepalony, zazwyczaj istnieje jakiś dobry powód. Od czasu do czasu jednak pojawiają się inne przyczyny uszkodzenia bezpieczników, na przykład nagły skok napięcia w sieci lub włączenie elementu grzejnego w bardzo zimny dzień. Jeśli więc nie widzisz oczywistego problemu z urządzeniem (odczepione przewody, ślady zwęglenia), spróbuj wymienić bezpiecznik. Jeżeli bezpiecznik po wymianie zostaje natychmiast przepalony, nie próbuj ponownie szczęścia. Źródło problemu znajduje się gdzie indziej.

ROZDZIA’ 10. Psucie i naprawa

291

Rysunek 10.3. Testowanie bezpiecznika za pomocÈ miernika

Sprawdzanie baterii Zużyte baterie stanowią kolejną przyczynę tego, że urządzenie nie działa. Zwyczajny test napięcia na biegunach ogniwa bardzo szybko nam powie, czy zostało ono wyczerpane. Jeżeli bateria 1,5 V pokazuje nam napięcie mniej niż 1,2 V (ogniwo AA lub AAA) lub 8 V w przypadku baterii 9 V, to znak, że należy ją wymienić. Wartość napięcia nieobciążonej baterii może być jednak myląca. Aby uzyskać bardziej rzetelny wynik, wykorzystaj rezystor 100 Ω jako „fałszywe” obciążenie. Rysunek 10.4 przedstawia sposób pomiaru stanu baterii za pomocą miernika i rezystora.

Rysunek 10.4. Testowanie baterii za pomocÈ rezystora i miernika

Testowanie elementu grzejnego Jeżeli podejrzewamy, że uszkodzony jest element grzejny z takiego urządzenia jak piekarnik czy suszarka do włosów, możemy sprawdzić jego rezystancję. Podobnie jak w przypadku wszelkich innych urządzeń domowego użytku, pomiary przeprowadzaj na urządzeniu całkowicie odłączonym od zasilania.

292

Zabawy z elektronikÈ Warto byłoby najpierw obliczyć, choćby w przybliżeniu, przewidywaną rezystancję na danym elemencie. Jeśli więc mamy element grzejny pracujący w warunkach 220 V i 2 kW, to policzmy: P = U2:R czyli R = U2:P = 220 V·220 V:2000 W = 24 Ω Obliczanie spodziewanych wyników przed dokonaniem pomiaru jest zawsze dobrym pomysłem, ponieważ jeśli najpierw zmierzymy jakiś parametr (przed wyliczeniem jego wartości), będzie nam łatwiej przekonać się, że otrzymaliśmy właściwy wynik. Na przykład kiedyś przekonałem sam siebie, że podejrzany element był sprawny, ponieważ jego opór wynosił kilkaset omów. Okazało się w końcu, że z elementem grzejnym była równolegle połączona żarówka, a sam podzespół był uszkodzony.

Wykrywanie i wymiana uszkodzonych elementów Kiedy coś przestaje działać na płytce drukowanej, najczęściej jest to wina przepalenia. Czasami jest to widoczne jako okopcone ślady wokół spalonego podzespołu. Rezystory i tranzystory są najczęstszymi ofiarami.

Sprawdzanie podzespoïów Bardzo łatwo testować rezystory za pomocą miernika ustawionego na zakres rezystancji. Chociaż wyniki często bywają błędne, nie musimy odłączać rezystorów od układu, żeby je badać. Najczęściej będziemy szukali przerwanego obwodu, bardzo wysokiej rezystancji, a czasami również zwarcia (0 Ω). Jeśli miernik ma zakres pojemności, równie łatwo jest sprawdzać kondensatory. Z pozostałymi podzespołami już nie jest tak przyjemnie. Zazwyczaj trzeba odczytać nazwę podzespołu na jego obudowie. Czasami przydaje się szkło powiększające, jak również wykonanie zdjęcia cyfrowego, które następnie można powiększyć. Po znalezieniu jakiegoś identyfikatora produktu można go wpisać w ulubionej przeglądarce. Możemy również sprawdzać tranzystory bipolarne (rozdział 11., podrozdział „Sprawdzanie tranzystora za pomocą miernika”), jeżeli jednak posiadasz zapasowy egzemplarz, często bardziej opłaca się go po prostu wymienić.

ROZDZIA’ 10. Psucie i naprawa

293

Wylutowywanie Do wylutowywania trzeba mieć talent. Często musimy dodać lut, aby przyśpieszyć topnienie zespolonego miejsca. W moim przypadku całkiem skutecznym sposobem jest nabieranie odrobiny lutu na czubek lutownicy, który następnie oczyszczam za pomocą gąbki. Przydatny jest również warkocz do wylutowywania (symbol T13 w dodatku). Rysunek 10.5 ukazuje poszczególne etapy usuwania lutu z okolic nóżki podzespołu za pomocą warkocza do wylutowywania.

a)

b)

c)

d)

Rysunek 10.5. Zastosowanie warkocza do wylutowywania

Warkocz do wylutowywania (rysunek 10.5a) jest dostępny w małych ilościach jako sznurek nawinięty na niewielką szpulę. Nie potrzebujemy go wiele. Tworzą go splecione sznurki, nasączone topnikiem ułatwiającym wchłanianie lutu z płytki drukowanej lub z miedzianej powierzchni płytki perforowanej. Na rysunku 10.5b widzimy złącze (zaznaczone na żółto), z którego należy usunąć lut. Aby usunąć lut ze złącza, przyciśnij za pomocą lutownicy warkocz do złącza (rysunek 10.5c), a po chwili powinieneś poczuć, jak zostaje wchłonięty bąbel lutu. Odłóż

294

Zabawy z elektronikÈ warkocz, gdy wszystko będzie jeszcze gorące, i zobacz, że złącze jest pięknie oczyszczone z lutu, który został przeniesiony na impregnowany sznurek (rysunek 10.5d). Pozostaje nam teraz odciąć i wyrzucić nasączoną część warkocza. Czasami trzeba powtórzyć całą operację kilka razy, aby usunąć wystarczającą ilość lutu do uwolnienia podzespołu.

Wymiana Dolutowanie zapasowego podzespołu nie stanowi problemu, musisz się tylko upewnić, że wstawiasz go w odpowiedniej orientacji. Właśnie dlatego robienie zdjęć układu jest dobrym pomysłem.

Odzyskiwanie przydatnych elementów Uszkodzone elementy elektroniczne stanowią znakomite źródło podzespołów. Działaj jednak wybiórczo, ponieważ nie wszystkie składniki są warte wydobywania. Rezystory są tak tanie, że nie warto bawić się w ich wylutowywanie. Osobiście zajmuję się odzyskiwaniem następujących elementów: x wszelkiego rodzaju silników, x złączy, x przewodów złączowych, x siedmiosegmentowych wyświetlaczy LED, x głośników, x przełączników, x dużych tranzystorów i diod, x dużych lub nietypowych kondensatorów, x śrubek i nakrętek. Na rysunku 10.6 widzimy wnętrze niedziałającego magnetowidu z zaznaczonymi co ciekawszymi elementami do odzyskania. Najłatwiejszym sposobem usunięcia wielu podzespołów, na przykład przewodów złączowych, jest po prostu odcięcie ich za pomocą szczypiec do cięcia drutu. To samo dotyczy dużych kondensatorów elektrolitycznych oraz pozostałych podzespołów, pod warunkiem że mają dostatecznie długie nóżki. Ich wylutowanie jest alternatywnym rozwiązaniem.

ROZDZIA’ 10. Psucie i naprawa

295

Rysunek 10.6. Odzyskiwanie podzespoïów z magnetowidu

Ponowne wykorzystanie ïadowarki telefonicznej Wszystkie urządzenia elektroniczne wymagają jakiegoś źródła zasilania. Czasami są to baterie, ale często o wiele łatwiej jest dostarczać prąd poprzez gniazdko ścienne. Zakładając, że większość osób posiada w domu szuflady wypełnione niepotrzebnymi telefonami komórkowymi i ładowarkami, rozsądne wydaje się wykorzystanie takich ładowarek do zasilania innych urządzeń. Jeżeli mamy do czynienia z nowymi telefonami, ich ładowarki prawdopodobnie będą miały standardowe złącze, takie jak miniUSB lub microUSB, ale starsze modele zostały zaopatrzone w unikatowe rodzaje wtyczek, wykorzystywanych jedynie przez producenta danego telefonu. Nic nas nie powstrzymuje przed zmodyfikowaniem takiej ładowarki i umieszczeniem na jej końcu bardziej standardowej wtyczki, a nawet przed podłączeniem samych przewodów do zacisków śrubowych. Na rysunku 10.7 możemy zobaczyć poszczególne etapy przyłączania innego rodzaju złącza, na przykład okrągłej wtyczki 2,1 mm, do końcówki ładowarki. Ładowarka należy do kategorii zasilaczy podłączanych bezpośrednio do gniazdka elektrycznego. Domyślny model jej wtyczki już od dawna nie jest produkowany (rysunek 10.7a). Etykieta na ładowarce informuje nas, że przy napięciu 5 V dostarcza ona 700 mA, pierwszym etapem jest więc (upewnienie się, że ładowarka jest odłączona od źródła zasilania) odcięcie wtyczki i usunięcie izolacji z przewodów. Wewnątrz powinniśmy znaleźć dwie żyłki. Jeżeli mamy do czynienia z czarną i czerwoną, to zazwyczaj

296

Zabawy z elektronikÈ

a)

b)

c)

d

Rysunek 10.7. Podpinanie okrÈgïej wtyczki do ïadowarki telefonicznej

ta pierwsza stanowi masę, a druga jest przewodem dodatnim. W naszym przypadku są to przewody żółty i czerwony. Bez względu na kolory przewodów zawsze warto sprawdzić za pomocą miernika ich polaryzację (rysunek 10.7b). Zanim zaczniesz lutować przewody, pamiętaj, żeby przełożyć je przez plastikową obudowę wtyczki! Możemy teraz dolutować wtyczkę (kod H11 w dodatku). Procedura jest taka sama jak w przypadku przewodu dźwiękowego, przy którym majsterkowaliśmy w rozdziale 9., w podrozdziale „Modyfikowanie przewodów dźwiękowych”. Na rysunku 10.7c widzimy wtyczkę przygotowaną do lutowania, a z kolei rysunek 10.7d przedstawia końcówkę ładowarki gotową do użycia.

Podsumowanie W tym rozdziale odkryliśmy niektóre ze skarbów, jakie możemy wyratować z zepsutych urządzeń elektronicznych, a także pobieżnie omówiliśmy testowanie podzespołów i naprawianie sprzętu. Jeżeli chcesz dowiedzieć się czegoś więcej na temat naprawiania urządzeń, polecam książkę Jak naprawić sprzęt elektroniczny. Poradnik dla nieelektronika autorstwa Michaela Geiera.

11 NarzÚdzia R

ozdział ten służy głównie podsumowaniu zdobytych dotychczas informacji. Prawdopodobnie opanowałeś już większość opisywanych technik podczas przeprowadzania omawianych eksperymentów.

Stosowanie miernika (ogólne) Na rysunku 11.1 widzimy zbliżenie przełącznika zakresów mojego miernika.

Rysunek 11.1. Wybór trybów dziaïania miernika

Jest to typowy, średniozasięgowy miernik, który można nabyć za około 100 zł. W trakcie tworzenia projektów wykorzystaliśmy może cztery albo pięć trybów, dlatego warto wspomnieć o innych dostępnych funkcjach.

298

Zabawy z elektronikÈ

Test ciÈgïoĂci i diody Rozpoczniemy od samego dołu pokrętła (godzina 6.00). Widzimy tam tryb testowania ciągłości, oznaczony nutką oraz symbolem diody. Wielokrotnie korzystaliśmy z tego trybu. Gdy pomiędzy ścieżkami zostanie wykryta znikoma rezystancja, miernik poinformuje nas o tym sygnałem dźwiękowym. Symbol diody został tam umieszczony dlatego, że ten tryb umożliwia również testowanie diod. Niektóre mierniki pozwalają także sprawdzać diody LED w trybie testowania ciągłości i określać ich napięcie przewodzenia. Podłącz anodę diody (w normalnej diodzie znajduje się po stronie pozbawionej paska, a w diodzie LED stanowi dłuższą nóżkę) do czerwonej sondy miernika, a drugą nóżkę do czarnej sondy. Zostanie wyświetlona wartość napięcia przewodzenia. Spodziewaj się więc wyników rzędu 0,5 V dla zwykłej diody oraz od 1,7 V do 2,5 V dla diody LED. Ta druga będzie również lekko świecić.

Rezystancja Pokrętło widoczne na rysunku 11.1 ma sześć trybów do mierzenia oporności, od 200 Ω do 200 MΩ. Jeżeli wybraliśmy zakres rezystancji mniejszy od wartości badanego rezystora, miernik w jakiś sposób nas o tym poinformuje. W moim przypadku zostaje wyświetlona cyfra 1. Oznacza to, że muszę wybrać większy zakres rezystancji. Jeszcze lepiej będzie, jeśli zaczniemy od maksymalnego zakresu i będziemy schodzić coraz niżej. Najdokładniejsze odczyty uzyskamy w zakresie znajdującym się poziom wyżej od tego, w którym zostajemy poinformowani o przekroczeniu skali. W czasie mierzenia oporników o dużej rezystancji (od 100 kΩ wzwyż) pamiętaj, że nasze ciała są również wielkimi rezystorami, jeśli więc przytrzymujemy palcami obydwie końcówki rezystora w trakcie pomiaru (rysunek 11.2), do wartości rezystora jest dodawana również nasza własna oporność. Podłącz do sond miernika zaciski krokodylki lub połóż rezystor na blacie w taki sposób, aby nie dotykając powierzchni stołu, znajdował się na końcówkach sond miernika.

PojemnoĂÊ Niektóre mierniki umożliwiają badanie pojemności. Nie jest to funkcja przydatna do określenia wartości nieznanego kondensatora (każdy model ma wypisaną pojemność na obudowie), można jednak sprawdzić, czy dany kondensator ciągle przechowuje założoną ilość ładunku.

ROZDZIA’ 11. NarzÚdzia

299

Rysunek 11.2. Nieprawidïowy sposób mierzenia wartoĂci rezystorów o duĝej opornoĂci

Zakresy pojemności na większości mierników nie są zbyt precyzyjne, z drugiej strony jednak rzeczywiste wartości kondensatorów — zwłaszcza elektrolitycznych — cechują się całkiem dużą tolerancją. Innymi słowy, jeżeli miernik informuje nas, że kondensator 100 μF przechowuje 120 μF ładunku, to rzeczywiście tak może być.

Temperatura Jeżeli miernik ma tryb pomiaru temperatury, jest on najprawdopodobniej zaopatrzony w specjalny zestaw sond, takich jak ukazane na rysunku 11.3.

Rysunek 11.3. Sondy termoelektryczne sïuĝÈce do pomiaru temperatury

Sondy tego rodzaju składają się z termoogniw, w których jest mierzona temperatura malutkiej metalowej kulki umieszczonej na końcach kabli. Termometr tego typu jest o wiele bardziej przydatny od wykorzystywanego w gospodarstwie domowym. Sprawdź instrukcję obsługi miernika, ale zakres temperatury zazwyczaj mieści się w przedziale od –40°C do 1000°C (–40°F – 1832°F).

300

Zabawy z elektronikÈ Możemy więc wykorzystać te sondy, aby sprawdzić, jaką temperaturę osiąga lutownica, lub jeśli jakiś podzespół w układzie wydaje się za bardzo przegrzewać, możemy się przekonać, jak bardzo jest gorący.

NapiÚcie prÈdu zmiennego Nie poświęciliśmy w tej książce wiele miejsca prądowi zmiennemu. Jest to prąd wykorzystywany w gospodarstwie domowym i osiąga wartość 110 V lub 230 V, w zależności od regionu. Na rysunku 11.4 widzimy przebieg napięcia przemiennego 230 V w gniazdku domowym.

Rysunek 11.4. PrÈd zmienny

Na rysunku 11.4 wyraźnie widać, że napięcie osiąga wartość szczytową 325 V i maleje do –325 V. Zastanawiasz się pewnie teraz, skąd się w ogóle wzięło odniesienie do 230 V. Wynika to z faktu, że przez większość czasu napięcie osiąga małe wartości i dostarcza w tym czasie niewiele energii. Zatem napięcie 230 V jest swego rodzaju wartością średnią. Nie jest to zwyczajna średnia, ponieważ zgodnie z tradycyjnym wzorem (230–230):2 = 0 oraz ponieważ napięcie przez połowę czasu osiąga wartości ujemne. Wartość 230 V to napięcie skuteczne (średnia kwadratowa). Jest to napięcie wyliczone z wartości szczytowej podzielonej przez pierwiastek kwadratowy (1,4). Możemy uznać je za ekwiwalent napięcia stałoprądowego. Zatem żarówka zasilana napięciem przemiennym 230 V będzie świeciła tak samo jak w przypadku zasilania prądem stałym o takiej samej wartości.

ROZDZIA’ 11. NarzÚdzia

301

Prawdopodobnie nie będziesz mierzyć prądu zmiennego, chyba że planujesz jakiś egzotyczny i niebezpieczny eksperyment. Nie należy majsterkować przy prądzie zmiennym, chyba że jest się całkowicie pewnym tego, co się robi, i ma się wiedzę na jego temat.

NapiÚcie prÈdu staïego Już wiele razy mieliśmy okazję mierzyć napięcie prądu stałego — najczęściej w zakresie o 0 do 20 V. Niewiele można dopowiedzieć na ten temat, może poza tym: zawsze rozpoczynaj od najwyższego zakresu, który może pasować do pomiaru, a następnie schodź na coraz niższe zakresy.

NatÚĝenie prÈdu staïego Prawdopodobnie w czasie pomiaru różnych zakresów natężenia prądu będziemy musieli podłączać dodatnią sondę miernika do osobnych gniazd. Zazwyczaj jest dostępne osobne złącze do pomiaru niskich natężeń i oddzielne dla dużych wartości prądu (20 A w moim mierniku; widać to na rysunku 11.5).

Rysunek 11.5. Pomiar prÈdu o duĝym natÚĝeniu

Należy tu rozważyć dwa istotne problemy. Po pierwsze, jeśli przekroczymy dopuszczalną wartość natężenia, nie tylko otrzymamy ostrzeżenie, ale istnieje również ryzyko przepalenia bezpiecznika w mierniku. Drugi problem polega na tym, że po podłączeniu sond miernika do badanego układu występuje pomiędzy nimi znikoma rezystancja. W końcu musi przez nie przepływać jak największa ilość badanego prądu. Jeśli więc zapomnimy o wyjęciu sond z gniazd

302

Zabawy z elektronikÈ pomiaru natężenia, to po ich podłączeniu do innego miejsca obwodu w celu pomiaru napięcia w widowiskowy sposób spowodujemy zwarcie, a do tego wysadzimy bezpiecznik w mierniku. Podkreślę to jeszcze raz: jeżeli korzystałeś z miernika w trybie pomiaru natężenia, ZAWSZE przekładaj jego sondy do gniazd pomiaru napięcia, ponieważ ten drugi tryb jest najczęściej używany. Jeżeli spróbujesz zmierzyć natężenie prądu w trybie pomiaru napięcia, jedynym skutkiem będzie wynik 0 na wyświetlaczu.

NatÚĝenie prÈdu zmiennego Wszystkie ostrzeżenia omówione w podrozdziale dotyczącym napięcia prądu zmiennego tutaj również mają rację bytu. Należy wykazać się najwyższą ostrożnością.

CzÚstotliwoĂÊ Przydatny może okazać się tryb pomiaru częstotliwości występujący w niektórych modelach mierników. Na przykład w rozdziale 9., w podrozdziale „Generowanie dźwięków za pomocą układu czasowego 555”, gdzie tworzyliśmy sygnał dźwiękowy za pomocą układu czasowego 555, moglibyśmy przy jego użyciu zmierzyć częstotliwość generowanego dźwięku. Funkcja ta jest przydatna, jeśli nie mamy dostępu do oscyloskopu.

Sprawdzanie tranzystora za pomocÈ miernika Niektóre mierniki mają gniazdo testowe, do którego możemy podłączyć tranzystor. Dowiemy się nie tylko, czy tranzystor działa, ale poznamy również współczynnik jego wzmocnienia (Hfe). Jeśli miernik nie ma takiej funkcji, możemy przynajmniej przetestować tranzystor, tak jak diodę, i sprawdzić, czy nie jest uszkodzony. Rysunek 11.6 przedstawia poszczególne etapy testowania tranzystora bipolarnego NPN, w tym przypadku modelu 2N3906. Ustaw miernik na tryb testowania diody i podłącz sondę masową do bazy (środkowej nóżki) tranzystora, a sondę dodatnią do jednej z pozostałych nóżek. Nie ma znaczenia, czy wybierzesz emiter lub kolektor (żeby znaleźć bazę, możesz sprawdzić rozmieszczenie nóżek). Powinien pojawić się odczyt, mniej więcej w zakresie od 500 do 900. Jest to prąd przewodzenia (w mA) pomiędzy bazą a dowolną drugą nóżką (rysunek 11.6a). Przenieś teraz sondę dodatnią na drugą nóżkę tranzystora (rysunek 11.6b), co powinno spowodować wyświetlenie podobnej wartości. Jeżeli miernik

ROZDZIA’ 11. NarzÚdzia

a)

303

b)

Rysunek 11.6. Testowanie tranzystora

wskazuje w którymś obwodzie wartość 0, to albo tranzystor jest uszkodzony, albo masz do czynienia z tranzystorem typu PNP. W tym drugim przypadku wykonasz pomiar, zamieniając miejscami sondy miernika, czyli do bazy przykładając sondę dodatnią.

Zasilacz laboratoryjny W rozdziale 5. wspominałem o zasilaczu laboratoryjnym. Jeżeli już masz zestaw do lutowania i miernik cyfrowy, następnym elementem na Twojej liście życzeń powinien być właśnie zasilacz laboratoryjny (rysunek 11.7). Nieraz okaże się przydatny. Na rysunku 11.7 widzimy wygodny w użyciu podstawowy model. W tym przypadku za jego pomocą jest ładowany akumulator kwasowo-ołowiowy. Znajduje on również zastosowanie w zasilaniu projektowanych układów. Podobny model powinien być dostępny w cenie poniżej 300 zł. Można go podłączyć do gniazdka domowego zasilania. Dostarcza do 4 A prądu przy napięciu 20 V, co w większości przypadków powinno nam całkowicie wystarczyć. W górnej części wyświetlacza jest pokazywane bieżące napięcie, a w dolnej — zużywany prąd w amperach.

304

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 11.7. Zasilacz laboratoryjny

Bardziej opłaca się korzystać z zasilacza laboratoryjnego niż z baterii czy standardowego źródła zasilania, ponieważ: x wyświetla ilość zużywanego prądu, x możemy ograniczyć natężenie prądu, x możemy testować diody LED w trybie stałoprądowym, x w łatwy sposób możemy dostosowywać napięcie. Panel sterujący zawiera przełącznik wyjścia (Output), za pomocą którego możemy włączać i wyłączać napięcie wyjściowe, oraz dwa pokrętła regulujące poziom napięcia i natężenia. Gdy po raz pierwszy zasilam jakieś tworzone urządzenie, postępuję według następującej procedury: 1. Ustawiam najmniejsze natężenie. 2. Wybieram potrzebne napięcie. 3. Włączam napięcie wyjściowe (prawdopodobnie nastąpi spadek napięcia). 4. Zwiększam natężenie i obserwuję jednoczesny wzrost napięcia. Upewniam się,

że nie pojawia się nieoczekiwany skok natężenia.

Wprowadzenie do oscyloskopów Oscyloskopy (rysunek 11.8) są niezbędne wszędzie tam, gdzie wykorzystujemy sygnały zmieniające swój przebieg w czasie. Urządzenia te cechuje względnie wysoka cena (powyżej 400 zł) oraz różnorodność modeli. Jedne z najtańszych rodzajów nie mają

ROZDZIA’ 11. NarzÚdzia

305

Rysunek 11.8. Przykïad niedrogiego oscyloskopu

wyświetlacza — są podłączane do komputera poprzez złącze USB. Jeżeli nie chcesz ryzykować pryśnięcia lutu na monitor lub czekać, aż komputer się uruchomi, najlepszym rozwiązaniem będzie wyspecjalizowany oscyloskop. Na temat zastosowania oscyloskopów napisano całe książki, a ponieważ każde urządzenie tego typu jest odmienne, zajmiemy się tu jedynie podstawami ich działania. Jak widać na rysunku 11.8, kształt fali jest wyświetlany na siatce. Pionowa oś reprezentuje napięcie, w naszym przypadku jedna kratka oznacza 2 V. Wynika z tego, że napięcie szczytowe wygenerowanej fali prostokątnej wynosi 2,5·2 V, czyli 5 woltów. Na osi poziomej jest symbolizowany czas, w naszym przypadku jedna podziałka to 500 mikrosekund (μs). Pełny cykl fali wynosi więc 1000 μs lub 1 milisekundę — co jest równe częstotliwości 1 kHz. Kolejną zaletę oscyloskopu stanowią jego sondy testowe — mają one bardzo wysoką impedancję1, co sprawia, że wprowadzają jedynie bardzo niewielkie zakłócenia odczytu.

Oprogramowanie elektroniczne Do zabaw z elektroniką możemy wykorzystywać nie tylko narzędzia fizyczne, lecz również oprogramowanie znacznie ułatwiające nam życie.

1 Impedancja w bardzo ogólnym ujęciu jest odpowiednikiem rezystancji dla obwodów prądu zmiennego. Jest ona wyrażana w omach — przyp. tłum.

306

Zabawy z elektronikÈ

Symulowanie Jeżeli kusi Cię myśl o testowaniu projektów w wirtualnym świecie, możesz sprawdzić jeden z symulatorów obwodów elektronicznych uruchamianych z poziomu internetu, na przykład CircuitLab (www.circuitlab.com). Narzędzie to (rysunek 11.9) pozwala na tworzenie własnych układów i symulowanie ich zachowania.

Rysunek 11.9. Aplikacja CircuitLab

Aby móc swobodnie korzystać z tej aplikacji, trzeba się bardziej zagłębić w teorię, ale narzędzie tego typu bardzo ułatwia pracę elektronikowi.

Fritzing Fritzing (www.fritzing.org) jest naprawdę interesującym programem o jawnym kodzie źródłowym, za pomocą którego możemy projektować układy elektroniczne. Jest on przeznaczony głównie do projektowania układów na płytkach montażowych, zawiera również biblioteki podzespołów i modułów (takich jak Arduino), które można umieszczać w tworzonym projekcie (rysunek 11.10).

ROZDZIA’ 11. NarzÚdzia

307

Rysunek 11.10. Aplikacja Fritzing

EAGLE PCB Jeżeli chcesz zacząć tworzyć układy na płytkach drukowanych, powinieneś sprawdzić najpopularniejszy program do ich projektowania, EAGLE PCB (rysunek 11.11). Za jego pomocą można narysować schemat układu, a następnie przejść do widoku płytki i własnoręcznie rozmieszczać ścieżki pomiędzy podzespołami. Gdy już wszystko będzie gotowe, możesz stworzyć plik CAM (ang. computer aided manufacture — wytwarzanie wspomagane komputerowo — przyp. tłum.), który następnie wyślesz do producenta układów drukowanych. Tworzenie układów drukowanych jest samo w sobie obszernym zagadnieniem. Więcej informacji na ten temat znajdziesz w mojej książce Make Your Own PCBs with EAGLE: From Schematic Designs to Finished Boards.

Kalkulatory sieciowe Kalkulatory dostępne w internecie mogą znacznie ułatwić obliczanie parametrów związanych z tworzonymi układami. Niektóre z przydatniejszych kalkulatorów to (w nawiasie umieszczono polskie odpowiedniki):

308

Zabawy z elektronikÈ

Rysunek 11.11. Aplikacja EAGLE PCB

x http://led.linear1.org/1led.wiz (http://www.lukaszkomsta.pl/?p=32) — obliczanie połączeń szeregowych rezystorów dla diod LED, x http://led.linear1.org/led.wiz — projektowanie układów zasilających duże ilości diod LED, x http://www.bowdenshobbycircuits.info/555.htm (http://ne555.jblew.pl/) — wyliczanie częstotliwości generowanej przez układ czasowy 555.

Podsumowanie Jest to ostatni rozdział w książce, dzięki której — mam nadzieję — rozpoczniesz przygodę z elektroniką. Stworzenie własnego projektu lub dostosowanie istniejącego urządzenia do własnych potrzeb daje mnóstwo satysfakcji. Obecnie coraz bardziej zaciera się granica pomiędzy producentem a konsumentem, ponieważ każdy może zaprojektować i stworzyć własne urządzenie elektroniczne. W internecie znajdziesz mnóstwo przydatnych źródeł informacji. Warte wzmianki są zwłaszcza następujące strony: x http://hacknmod.com/, x http://www.instructables.com/, x www.elektroda.pl/ (polski serwis, zawiera rozbudowane forum), x http://www.arduino.cc/ (oficjalna strona projektu Arduino), x https://www.sparkfun.com/ (serwis oferujący różnorodne podzespoły i moduły), x http://www.adafruit.com/ (więcej podzespołów),

ROZDZIA’ 11. NarzÚdzia x http://www.conrad.pl/ (sklep z elektroniką, w języku polskim), x https://www.elfaelektronika.pl/ (polski sklep zawierający bogaty asortyment podzespołów), x http://www.nettigo.pl/ (oficjalny dystrybutor największych sklepów elektronicznych, w tym takich jak SparkFun i Adafruit), x http://dx.com/ (różnorodne promocje, często można tu znaleźć tanie diody LED itd.), x http://www.ebay.pl/ (można tu znaleźć wszystkie elementy dostępne na innych stronach), x http://allegro.pl/ (największy polski serwis aukcyjny, czasami można natrafić na interesujące okazje). Warto również odwiedzić strony sprzedawców wymienionych w dodatku.

309

310

Zabawy z elektronikÈ

Dodatek Części C

eny podzespołów są bardzo zróżnicowane, dlatego potraktuj poniższą listę jako przewodnik, a zakupów dokonuj tam, gdzie znajdziesz lepszą ofertę. Znam ludzi, którzy pozyskują niemal wszystkie podzespoły z serwisów aukcyjnych, na przykład eBay lub Allegro. Powinniśmy jednak uważać. Mimo że najczęściej natrafimy tam na tanie elementy, czasami możemy natknąć się na ceny wyższe niż w sklepach. W poniższych tabelach wymieniłem symboliczne oznaczenia części w takich sklepach jak SparkFun, Adafruit, Conrad, Elfa Distrelec oraz Nettigo, ponieważ serwisy są bardzo przystępne dla początkujących elektroników, a także często mają obszerną dokumentację dotyczącą sprzedawanych podzespołów. Niektóre sklepy, na przykład Nettigo, są bezpośrednimi dystrybutorami większych, zagranicznych sprzedawców i mogą być pośrednikami podczas zamawiania podzespołów z zagranicy. Wymieniłem także kody niektórych produktów dostępnych w sklepach takich jak Mouser, DigiKey czy Farnell, które mają siedziby poza granicami Polski, wysyłają jednak produkty za granicę. Warto również zaglądać na moją stronę (http://www.simonmonk.org/?page_id=74). Stale ją aktualizuję.

312

Zabawy z elektroniką

Narzędzia Kod w książce

Opis

SparkFun

Adafruit

Inne

N1

Początkowy zestaw narzędzi (zestaw do lutowania, szczypce, nożyce)

TOL-11654

Conrad: 811882

N2

Miernik cyfrowy

TOL-09141

Nettigo: multimetr Elfa: 76-043-33

N3

Winylowa taśma izolacyjna

PRT-10688

Conrad: 607932 Elfa: 80-892-61

N4

Trzecia ręka

TOL-09317

ID: 291

Conrad: 588221

N5

Nielutowana płytka montażowa

PRT-00112

ID: 239

Nettigo: BB-830 Conrad: 526835

N6

Zestaw jednożyłowych przewodów złączowych

PRT-00124

ID: 758

Nettigo: JW-75

N7

Rolka czerwonego przewodu (7/0,25 mm)

PRT-08023

ID: 288

Elfa: 55-257-53 (na metry)

N8

Rolka czarnego przewodu (7/0,25 mm)

PRT-08022

ID: 290

Elfa: 55-257-38 (na metry)

N9

Rolka żółtego przewodu (7/0,25 mm)

PRT-08024

ID: 289

Elfa: 55-257-87 (zielono-żółty; na metry)

N10

Rolka czerwonego przewodu wielożyłowego (7/0,25 mm)

PRT-08865

N11

Rolka czarnego przewodu wielożyłowego (7/0,25 mm)

PRT-08867

N12

Zestaw złączek męsko-żeńskich

PRT-09385

ID: 825

Nettigo: cable-f-m-40

N13

Warkocz/knot do wylutowywania

TOL-09327

ID: 149

Conrad: 811572

Elementy elektroniczne Usilnie polecam zakup startowego zestawu podzespołów, składający się z większości podstawowych elementów elektronicznych. Serwis SparkFun ma w ofercie takie zestawy, pozbawione są one jednak rezystorów, trzeba więc zaopatrzyć się również w oddzielny

DODATEK Części

313

zestaw oporników. Gdy już zdobędziesz obydwa zestawy początkowe, będziesz miał sporą kolekcję podzespołów, które okażą się przydatne w zdecydowanej większości projektów.

Startowe zestawy podzespołów Początkowe zestawy podzespołów i rezystorów z serwisu SparkFun zaspokoją większość Twoich potrzeb na wczesnych etapach nauki elektroniki. Kod w książce

Opis

SparkFun

Z1

Zestaw części dla początkujących

KIT-10003

Z2

Zestaw rezystorów

COM-10969

Z3

Zestaw startowy Arduino

Nettigo

starter-kit

Rezystory Kod w książce

Opis

SparkFun

Adafruit

Inne

R1, również w Z1

Potencjometr 10 kΩ, nachylenie 0,1 cala

COM-09806

ID: 356

DigiKey: 3362P-103LF-ND Mouser: 652-3362P-1-103LF Farnell: 9354301 Conrad: 447330 Elfa: 64-343-36

R2, również w Z1

Fotorezystor

SEN-09088

ID: 161

DigiKey: PDV-P8001-ND Farnell: 1652637 Nettigo: photocell Conrad: 140375 Elfa: 60-289-51

R3

Potencjometr 500 Ω

DigiKey: CT6EP501-ND Mouser: 652-3386P-1-501LF Farnell: 9355103 Conrad: 447391 Elfa: 64-343-56

314

Zabawy z elektroniką

Kondensatory Kod w książce

Opis

SparkFun

Inne

K1

Kondensator elektrolityczny 1000 μF 16 V

K2, również w Z1

Kondensator elektrolityczny 100 μF 16 V

K3

Kondensator 470 nF

K4, również w Z1

Kondensator 100 nF

COM-08375

DigiKey: 445-5258-ND Mouser: 810-FK18X7R1E104K Farnell: 1216438 Adafruit: 753 Elfa: 65-726-71

K5, również w Z1

Kondensator 10 μF

COM-00523

DigiKey: P14482-ND Mouser: 667-EEA-GA1C100 Farnell: 8766894 Elfa: 67-256-18

DigiKey: P10373TB-ND Mouser: 667-ECA-1CM102 Farnell: 2113031 Conrad: 441666 Elfa: 67-256-25 COM-00096

DigiKey: P5529-ND Mouser: 647-UST1C101MDD Farnell: 8126240 Conrad: 422028 Elfa: 67-257-69 DigiKey: 445-8413-ND Mouser: 810-FK28X5R1E474K Farnell: 1179637 Elfa: 65-727-54

Półprzewodniki Kod w książce

Opis

SparkFun

Adafruit

Inne

P1, również w Z1

2N3904

COM-00521

756

DigiKey: 2N3904-APTB-ND Mouser: 610-2N3904 Farnell: 9846743 Elfa: 71-300-38

DODATEK Części Kod w książce

Opis

SparkFun

Adafruit

Inne

P2

Superjasna dioda LED (5 mm)

COM-00531

754

DigiKey: C513A-WSN-CV0Y0151-ND Mouser: 941-C503C WASCBADB152 Farnell: 1716696 Conrad: 176724

P3

Jednowatowa biała dioda LED firmy Philips Lumileds, umieszczona na radiatorze

BOB-09656

518

DigiKey: 160-1751-ND Mouser: 859-LOPL-E011WA Farnell: 1106587

P4, również w Z1

Regulator napięcia 7805

COM-00107

P5, również w Z1

Dioda 1N4001

COM-08589

755

DigiKey: 1N4001-E3/ 54GITR-ND Mouser: 512-1N4001 Farnell: 1651089 Elfa: 70-003-67

P6

FQP30N06

COM-10213

355

DigiKey: FQP30N06L-ND Mouser: 512-FQP30N06 Farnell: 1695498

P7

Komparator LM311

DigiKey: 296-13996-5-ND Mouser: 512-KA7805ETU Farnell: 2142988 Nettigo: 7805 Conrad: 156048 Elfa: 73-286-55

DigiKey: 497-1570-5-ND Mouser: 511-LM311N Farnell: 9755942 Conrad: 155582 Elfa: 73-119-48

315

316

Zabawy z elektroniką Kod w książce

Opis

SparkFun

Adafruit

Inne

P8

Czujnik temperatury TMP36

SEN-10988

165

DigiKey: TMP36GT9Z-ND Farnell: 1438760

P9

TDA7052

P10, również w Z1

Układ czasowy NE555

COM-09273

P11, również w Z1

Czerwona dioda LED 5 mm

COM-09590

P12

Liniowy czujnik efektu Halla A1302

DigiKey: 568-1138-5-ND Mouser: 771-TDA7052AN Farnell: 526198 Elfa: 73-062-03 DigiKey: 497-1963-5-ND Mouser: 595-NE555P Farnell: 1467742 Nettigo: timer-555 Elfa: 73-042-65 297

DigiKey: 751-1118-ND Mouser: 941-C503BRANCY 0B0AA1 Farnell: 1249928 Conrad: 184283 DigiKey: 620-1022-ND Mouser: 785-SS496B Farnell: 1791388 Elfa: 10-316-39 (nieco inny model)

Sprzęt i pozostałe elementy Kod w książce

Opis

SparkFun

Adafruit

Inne

S1

Uchwyt na 4 baterie AA

PRT-00550

830

DigiKey: 2476K-ND Mouser: 534-2476 Farnell: 4529923 Elfa: 69-500-48

DODATEK Części Kod w książce

Opis

S2

Zacisk na baterie

S3

Płytka perforowana

SparkFun

Adafruit

Inne DigiKey: BS61KIT-ND Mouser: 563-HH-3449 Farnell: 1183124 Conrad: 624691 eBay: wpisz nazwę stripboard

Farnell: 1201473 S4

Jednorzędowa złączka męska

S5

Dwustronny zacisk śrubowy

PRT-00116

392

Nettigo: goldpin-1x40 Allegro: wpisz zacisk śrubowy

eBay: wpisz terminal block

Mouser: 538-39100-1002 S6

Silnik przekładniowy 6 V

Część układu S7 Allegro: wpisz silnik przekładniowy lub silnik z przekładnią

eBay: wpisz gear motor lub gearmotor Conrad: 233130 S7

Podwozie robota Magician

ROB-10825

S8

Uchwyt na 6 baterii AA

248

S9

Przejściówka pomiędzy zatrzaskiem do baterii a wtyczką 2,1 mm

80

S10

Serwomotor 9g

ROB-09065

Nettigo: magician-chassis

169

DigiKey: BH26AASF-ND Farnell: 3829571 Conrad: 651061

Nettigo: servo

317

318

Zabawy z elektroniką Kod w książce

Opis

SparkFun

Adafruit

Inne

S11

Okrągła wtyczka 2,1 mm

S12

Mała, nielutowana płytka montażowa

PRT-09567

64

Nettigo: BB-400

S13

Bipolarny silnik krokowy 12 V

ROB-09238

324

Nettigo: stepper-200

S14

Głośnik 8 Ω

COM-09151

S15

Duży przełącznik — przycisk

COM-09336

S16

Przekaźnik 5 V

COM-00100

Kod w książce

Opis

SparkFun

Adafruit

Inne

M1

Zasilacz 12 V 500 mA

TOL-09442

798

Nettigo: power-supply

M2

Arduino Uno R3

DEV-11021

50

Nettigo: ard-uno-r3

M3

Brzęczyk piezoelektryczny

COM-07950

160

Conrad: 751553

M4

Moduł ethernetowy dla Arduino

DEV-09026

201

Nettigo: eth-sd-shield-r3

M5

Moduł czujnika ruchu

SEN-08630

189

Nettigo: pir-sensor

M6

Dalmierz MaxBotix LV-EZ1

SEN-00639

172

Nettigo: mxb-mb1010

M7

Dalmierz HC-SR04

DigiKey: CP3-1000-ND Farnell: 1737256 Elfa: 42-049-39

Conrad: 710814 559

Nettigo: big-red-button DigiKey: T7CV1D-05-ND Nettigo: relay-5v

Moduły

Allegro: wpisz HC-SR04

eBay: wpisz HC-SR04

M8

Moduł radiowy AK-R06A

Allegro: wpisz 433MHZ 4 kanały

eBay: wpisz 433MHZ 4 Channel RF Radio

DODATEK Części Kod w książce

Opis

SparkFun

M9

Sterownik silnika TB6612FNG

ROB-09457

M10

Brzęczyk piezoelektryczny (z wbudowanym oscylatorem)

Adafruit

Inne Nettigo: TB6612FNG-adp Allegro: wpisz brzęczyk aktywny

eBay: wpisz active buzzer 5V

M11

Wykrywacz metanu MQ-4

M12

Moduł rozróżniania kolorów

SEN-09404

Conrad: 183305 Allegro: wpisz TCS3200D

eBay: wpisz TCS3200D Arduino

M13

Piezoelektryczny wykrywacz wibracji

SEN-09199

M14

Moduł mikrofonowy

BOB-09964

M15

Moduł akcelerometru

M16

Ładowarka ogniw LiPo podłączana pod USB

PRT-10161

M17

Ładowarka ogniw LiPo z przekształtnikiem obniżająco-podwyższającym napięcie

PRT-11231

M18

Moduł ekranu LCD dla Arduino

M19

Czterocyfrowy, siedmiosegmentowy wyświetlacz ze złączem I2C

880

Nettigo: twi-7-seg-displ-red (nieco inny model)

M20

Moduł zegara czasu rzeczywistego

264

Nettigo: rtc-module

M21

Arduino Leonardo

849

Nettigo: ard-leonardo

Nettigo: electret-microphone 163

Freetronics: AM3X

259 Nettigo: li-po-chrg

Freetronics: LCD Keypad Shield Nettigo: 2x16-lcd-shield

DEV-11286

319

320

Zabawy z elektroniką

Wykorzystywane w książce elementy zestawu Z1 nieuwzględnione nigdzie indziej Nazwa

Conrad

Złącze męskie 20 nóżek

393482

Miniaturowy przełącznik zasilania

Farnell

SparkFun

1905334

Przełącznik wciskany

COM-00097

Zielona dioda LED

184713

COM-09650

Żółta dioda LED

184950

COM-00532

Rezystory zawarte w zestawie Z2 Wartość

Conrad

0Ω

416991

1,5 Ω

405108

4,7 Ω

417939

10 Ω

405019

47 Ω

405094

110 Ω

405132

220 Ω

405175

330 Ω

405191

470 Ω

405574

680 Ω

405230

1 kΩ

405256

2,2 kΩ

405299

3,3 kΩ

405310

4,7 kΩ

405337

10 kΩ

405370

22 kΩ

405418

47 kΩ

405450

100 kΩ

405493

330 kΩ

405558

1 MΩ

405612

Skorowidz A AC, Patrz: prąd zmienny adres IP, 177, 179 MAC, 177, 179 akcelerometr, 256, 258, 281, 282 trójosiowy, 256 akumulator, 121, 125, Patrz też: bateria do telefonu komórkowego, 133 kwasowo-ołowiowy, 127, 130, 131 litowo-polimerowy, 125, 132, 133 ładowanie, 126, 127, 129, 130, 131, 132 NiMH, 129, 130 pojemność, 128 przeciążenie, 128 żywotność, 128 alarm przeciwwłamaniowy, 196 Allen Charlie, 187 alternating current, Patrz: prąd zmienny amper, 53 amperogodzina, 122 anoda, 47, 48, 88, 91, 167, 298 wspólna, 232 Arduino, 147 konfiguracja, 149 Leonardo, 148

moduł rozszerzeń, 173 nóżka, 155 program, Patrz: szkic Uno, 148 zasilanie, 176, 213

B bateria, 45, 50, 58, 121, Patrz też: akumulator bezpieczna wartość rozładowania, 122 jednorazowa, 122 ładowanie, 127 pojemność, 121, 128 jednostka, 122 przeciążenie, 128 rezystancja wewnętrzna, 122 testowanie, 291 bezpiecznik, 289 prąd znamionowy, 289 szybki, 289 zwłoczny, 290 biblioteka Adafruit, 234 Ethernet, 179 SPI, 179

322

Zabawy z elektroniką bramka, 76 buck-boost converter, Patrz: przekształtnik obniżająco-podwyższający

C capacity, Patrz: pojemność cewka, 274 charliepleksing, 187 chip, Patrz: układ scalony cisza, 268 Continuity test, Patrz: test ciągłości obwodu cyna lutownicza, Patrz: lut częstotliwość radiowa, 207 czujnik, 241 efektu Halla, 261 kolorów, 246, 248 metanu, 241 piezoelektryczny, 251, 252 podczerwieni, 198 pola magnetycznego, 261 ruchu, 198 PIR, 196 temperatury, 254 wibracji, 251, 252

D dalmierz, 200, 202, 205 DC, Patrz: prąd stały DC Current, Patrz: natężenie prądu stałego DC Volts, Patrz: napięcie prądu stałego dioda, 47, 57, 88, 140, 294 anoda, Patrz: anoda katoda, Patrz: katoda laserowa, 114 napięcie przewodzenia, 89, 91, 298 zaporowe, 90 prąd przewodzenia, 89 wartość znamionowa, 90 spolaryzowana, 88, 89 świecąca, Patrz: LED testowanie, 298

direct current, Patrz: prąd stały drain, Patrz: dren dren, 76 drut połączeniowy, Patrz: przewód jednożyłowy dzielnik napięcia, 61, 163 obliczanie, 64 dźwięk, Patrz: sygnał dźwiękowy

E EAGLE PCB, 307 element elektroniczny do montażu powierzchniowego, Patrz: SMD odzyskiwanie, 294 opornik, Patrz: rezystor oznaczenia kodowe, 22, 44, 45 rezystor, Patrz: rezystor symbole, 57 zakup, 22 źródła, 22, 23 grzewczy, 241, 243 testowanie, 291 katalityczny, 241 energia elektryczna, 54 eterofon, 279

F farad, 45 fotorezystor, 64, 67, 69, 279 fototranzystor, 50 Fritzing, 306

G gate, Patrz: bramka generator dźwięku, 170 sygnałów, 279

Skorowidz głośnik, 61, 294 budowa, 274 moc, 275 niskotonowy, 275 przestrzenny, 275 rezystancja, 274 wysokotonowy, 275 zakres częstotliwości, 275 GND, Patrz: masa

H hookup wire, Patrz: przewód jednożyłowy

I IDE, 147 Integrated Development Environment, Patrz: IDE interfejs szeregowy, Patrz: magistrala

J jednostka napięcia, 53 natężenia prądu, 53 pojemności, 45 rezystancji, 43 jumper wire, Patrz: przewód z wtyczkami na końcach

K kabel, 26, 28 kalkulator sieciowy, 307 kandela, 93 katalizator, 243 katoda, 47, 48, 88 wspólna, 232, 233 klawiatura emulowanie, 281 USB, 192 koder obrotowy, 50 komparator, 242, 244, 270

kondensator, 45, 57, 116, 135, 287 eksplozja, 47 elektrolityczny, 46, 299 ładowanie, 45 nietypowy, 294 odsprzęgający, 45 pojemność, Patrz: pojemność polaryzacja, 46 pomiar, 298 SMD, 50 spolaryzowany, 57 sprzęgający, 276 testowanie, 292 wygładzający, 45 kontroler muzyczny, 281, 283 kość, Patrz: układ scalony

L LED, 47, 58, 67, 87, 166, 167, 196, 232 czerwona, 89, 246 częstotliwość migotania, 166 dużej mocy, 95 jasność, 169 kalkulator, 102 karta katalogowa, 90 kąt emisji, 93 kolor, 91, 93 łączenie szeregowe, 102 macierz, 187 migotanie, 168 napięcie przewodzenia, 100 podczerwone, 94 RGB, 48, 94 spolaryzowana w kierunku przewodzenia, 89 światłość, 93 ultrafioletowe, 94 zielona, 246 żółta, 246 light emitting diode, Patrz: LED lut, 31, 32 opary, 35

323

324

Zabawy z elektroniką lutowanie, 28, 29, 32, Patrz też: wylutowywanie przewodów dźwiękowych, 265, 266 zasady bezpieczeństwa, 29, 38 lutownica, 23 czyszczenie, 31

Ł ładowanie podtrzymujące, 128, 133, 141, 144 ładowarka, 128 równoważona, 132 telefoniczna, 295 ładunek elektryczny, 45 łazik elektroniczny, 226

M magic hands, Patrz: trzecia ręka magistrala I2C, 233, 234 magnes, 274 masa, 36 materiał piezoelektryczny, 251 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, Patrz: tranzystor MOSFET miernik, 297 głośności, 284 tryb testowania ciągłości, Patrz: test ciągłości obwodu uniwersalny, 23 zakres stałoprądowy, 37, 62 zmiennoprądowy, 37 mikrofarad, 46 mikrofon, 268 mikrokontroler, 49, 82, 147 Arduino, Patrz: Arduino zmiana trybu działania nóżek, 187 mikroprzełącznik, 83 miliamper, 53 milikandela, 93 moc, 54 jednostka, 54 znamionowa, 61

modulacja szerokości impulsów, Patrz: PWM moduł Ethernetowy, 148, 174, 179 laserowy, 114 mikrofonowy, 268, 284 odbiornika, 226 rozszerzeń, 147 silnika, 226 zegara RTC, Patrz: zegar RTC monitor portu szeregowego, 160, 196, 254 mostek H, 215, 217, 241 multipleksing, 233

N nadajnik radiowy, 271 nanofarad, 46 napięcie, 51, 52, 54, 301 dzielnik, Patrz: dzielnik napięcia jednostka, 53 odniesienia, 36 polaryzacja, 47 pomiar, 100 porównywanie, 242 prądu stałego, 24 regulator, 135 LDO, 137 skuteczne, 300 tolerancja, 135 znamionowe, 46 narzędzia, 23 natężenie, 51, 301 jednostka, 53 prądu stałego, 24, 44 nożyce, 23 do cięcia drutu, 27

O obwód dodatni, Patrz: obwód prądowy drukowany, 50 niestabilność, 45

Skorowidz prądowy, 36, 46 ujemny, Patrz: masa zwarcie, 216 odbiornik radiowy, 61 ogniwo AA, 121 ogniwo słoneczne, 142 Ohma prawo, Patrz: prawo Ohma om, 53 OmniGraffle, 107 opornik, Patrz: rezystor oporność, Patrz: rezystancja oprogramowanie, 305 EAGLE PCB, 307 Fritzing, 306 symulator obwodów elektronicznych, 306 oscyloskop, 268, 304

P pamięć, 49 panel słoneczny, 121, Patrz: ogniwo słoneczne Passive Infra Red, Patrz: podczerwień pasywna pikofarad, 45, 46 pilot bezprzewodowy, 207, 208, 209 pluskwa radiowa, 271 płytka drukowana, 34 montażowa, 24, 62 perforowana, 106, 109, 110 prototypowa, 50 podczerwień pasywna, 196 podzespół do montażu powierzchniowego, 50, Patrz: SMD pojemność, 45, 128 pomiar, 298 pole magnetyczne, 261 połączenie suche, 34 pomiar napięcia prądu stałego, 24 natężenia prądu stałego, 24 pojemności, 298 rezystancji, 24

port COM, 150 szeregowy, 160 potencjometr, 45, 50, 62, 163 prawo Ohma, 52, 69 prąd napięcie, Patrz: napięcie natężenie, Patrz: natężenie rezystancja, Patrz: rezystancja stały, 37, 301 sterownik, Patrz: sterownik prądu stałego zmienny, 37, 300, 302 napięcie skuteczne, 300 projektowanie płytek drukowanych, 307 protokół DHCP, 177 przedwzmacniacz mikrofonowy, 269 przeglądarka, 177 przekaźnik, 154, 159, 173, 208 przekształtnik obniżająco-podwyższający, 137 przełącznik, 37, 50, 58, 76, 81, 159, 215, 294 chwilowy, 83 DPDT, 84 DPST, 83 dwupozycyjny, 83 dwustabilny, 83 ON-Off-Mom, 85 SPDT, 83 SPST, 83 wciskany, Patrz: przycisk przetwornik ultradźwiękowy, 201 przewód dźwiękowy, 263, 264 lutowanie, 265, 266 wtyczka, 264, 266 ekranowany, 27, 264 głośnikowy, 265 jednożyłowy, 24, 26, 28 łączenie przez lutowanie, 28, 29, 31, 32 przez skręcanie, 28 prądowy, 37 usuwanie izolacji, 25, 27

325

326

Zabawy z elektroniką przewód wielożyłowy, 26, Patrz: kabel z wtyczkami na końcach, 24 przycisk, 82 PWM, 169

R radiator, 96 Real Time Clock, Patrz: zegar RTC Resistance, Patrz: rezystancja rezystancja, 24, 44, 51, 54, 274 jednostka, 53 pomiar, 298 rezystor, 41, 43, 47, 57 dużej mocy, 43 moc znamionowa, 44 nastawny, Patrz: potencjometr oznaczenia kodowe, 44, 45 rozgrzewanie, 59 SMD, 50 stały, 45 światłoczuły, 50, Patrz: fotorezystor testowanie, 292 zmienny, Patrz: potencjometr robot Magician, 227 router, 177

S samochód zdalnie sterowany, 115, 117 schemat, 61 czytanie, 36, 55, 56 serwer sieciowy, 177 serwomotor, 185, 186 shield, Patrz: moduł rozszerzeń silnik, 229, 294 krokowy, 221, 222 regulacja obrotów, 212 wirnik, 221 zmiana kierunku obrotów, 215 silnik elektryczny, 79 sketch, Patrz: szkic

słuchawki, 27 SMD, 50, 195 sonar, 201 sprzężenie zwrotne, 270 starter kit, Patrz: zestaw startowy statyw, 23 sterownik prądu stałego, 96 przekaźnika, 173 stripboard, Patrz: płytka perforowana Surface Mount Device, 50 switch, Patrz: przełącznik sygnał dźwiękowy, 263, 264 stereofoniczny, 266 zniekształcenie, 269 symulator obwodów elektronicznych, 306 system przeciwkradzieżowy, 196 szczypce, 23, 27 szkic, 150 szum elektryczny, 27, 45, 264

Ś ścieżka dźwiękowa, 27 śrubokręt, 23 światła natężenie, Patrz: światłość światłość, 93

T technologia typu D, 276 temperatura, 299 termoogniwo, 299 test ciągłości obwodu, 24, 33, 272, 298 płytki drukowanej, 34 połączenia, 33 timer, Patrz: układ czasowy 555 tranzystor, 49, 68, 75, 215, 294 baza, Patrz: baza bipolarny, 57, 68, 76, 78 testowanie, 292, 302 bramka, Patrz: bramka

Skorowidz emiter, Patrz: emiter karta katalogowa, 75 kolektor, Patrz: kolektor MOSFET, 76, 78, 212 zasilanie, 213 NPN, 57, 77, 78 PNP, 77, 78 polowy o strukturze metal-tlenekpółprzewodnik, Patrz: tranzystor MOSFET SMD, 50 sterowany stanem logicznym, 81 współczynnik wzmocnienia, 302 wzmocnienie, 68 prądowe, 76 z kanałem typu N, 78 typu P, 78 źródło, Patrz: źródło tranzystorNPN, 68 trickle charging, Patrz: ładowanie podtrzymujące trzecia ręka, 30 tweeter, Patrz: głośnik wysokotonowy

U układ czasowy 555, 103, 105, 279 scalony, 49 7805, 135 LM317, 96 MCP73831, 132 mostek H, 217 SMD, 50 sterownika, 182 wspólnej anody, 232 wspólnej katody, 232, 233 wzmacniający, Patrz: wzmacniacz ultradźwięki, 200, 201

V VeroDes, 107 Volume Unit, Patrz: miernik głośności VU, Patrz: miernik głośności

W wat, 54 wolt, 53 woltomierz, 62 woofer, Patrz: głośnik niskotonowy współczynnik wzmocnienia, 270 wylutowywanie, 293 warkocz, 293 wyświetlacz LCD, 182 LED, 232, 294 siedmiosegmentowy, 48, 232, 294 słupkowy, 48 trzycyfrowy, 232 wzmacniacz, 268 dźwięku, 49, 275 operacyjny, 270

Z zasady bezpieczeństwa, 287, 288, 289, 301, 302 zasilacz, 121, 303 impulsowy, 287 zasilanie awaryjne, 139 zegar cyfrowy, 237 RTC, 236 zestaw rezystorów, 41 startowy, 41, 42 zintegrowane środowisko programistyczne, Patrz: IDE złącze, 294 zwrotnica, 275

327

328

Zabawy z elektroniką

Ź źródło, 76 prądu programowalne, 131 zasilania, 121 dodatnie, 26 ujemne, 26