Odkrywanie Arduino. Narzędzia i techniki inżynierii pełnej czaru. Wydanie II

Mikrokontroler Arduino szybko może stać się Twoim ulubionym narzędziem, pasją albo wstępem do fascynującego świata elektroniki, programowania, systemów sterujących, interakcji człowieka z komputerem, a nawet... sztuki! Arduino może zrobić wszystko, co tylko zechcesz: sterować domową uprawą ziół, być serwerem sieciowym albo autopilotem czterośmigłowego drona. Umożliwia korzystanie z intuicyjnego języka programowania, a także pozwala się łatwo doposażyć w czujniki, serwomechanizmy, oświetlenie, głośniki, dodatkowe moduły i inne układy scalone. Trudno wymienić wszystkie możliwości Arduino, gdyż ogranicza je tylko wyobraźnia.

Oto zaktualizowane i rozszerzone wydanie książki, dzięki której poznasz wybrane zagadnienia z dziedziny fizyki, elektroniki i cyfrowego projektowania. Omówiono też podstawy algorytmów i charakterystyczne dla Arduino koncepcje programistyczne. Znalazły się tu zaktualizowane projekty i nowe tematy, takie jak łączność bezprzewodowa czy silniki krokowe, oraz dużo więcej wiadomości związanych z elektrotechniką i projektowaniem produktu. Dowiesz się, jak łączyć ze sobą różne elementy, a także jak czytać schematy i w jaki sposób dobierać odpowiednią część dla konkretnego projektu. Nauczysz się projektować i tworzyć kompletny kod. Przekonasz się, że przedstawione tu praktyki z zakresu elektrotechniki, projektowania systemów i programowania można szeroko stosować, również poza światem Arduino.

W książce:

• funkcjonalność płytek Arduino i ich wykorzystywanie do różnych zadań
• czujniki cyfrowe, analogowe i interfejsy komunikacyjne
• zasady projektowania systemu, programowania i elektrotechniki
• fragmenty kodu, najlepsze praktyki oraz gotowe do zastosowania schematy systemów
• budowa elementów, które można podłączyć do internetu

Arduino: oto świat łączący inżynierię i magię!

O autorze 13

O korektorze merytorycznym 15

Podziękowania 17

O ilustracjach 19

Wstęp 21

CZĘŚĆ I. PODSTAWY ARDUINO

Rozdział 1. Rozpoczęcie pracy i zrozumienie świata Arduino 29

• Odkrywanie ekosystemu Arduino 29
  • Wielka schizma Arduino i reformacja 30
  • Funkcjonalność Arduino 30
  • Pozostałe (obok AVR) architektury mikrokontrolerów 32
  • Program rozruchowy i oprogramowanie sprzętowe Arduino 34
  • Płytki Arduino 35
• Twój pierwszy program 38
  • Arduino Cloud IDE 38
  • Pobieranie i instalacja Arduino IDE 39
  • Uruchamianie IDE i podłączanie Arduino 39
  • Analiza pierwszego programu 41
• Podsumowanie 44

Rozdział 2. Cyfrowe wejścia, wyjścia i modulacja szerokości impulsów (PWM) 45

• Cyfrowe wyjścia 46
  • Podłączanie diody LED i korzystanie z płytek stykowych 46
  • Dwie szyny zasilania 47
  • Prawo Ohma i obliczanie poboru mocy 48
  • Programowanie cyfrowych wyjść 50
  • Stosowanie pętli for 51
• Modulacja szerokości impulsów i funkcja analogWrite() 52
  • Częstotliwość a okres 54
• Odczyt wejść cyfrowych 55
  • Odczyt z cyfrowych sygnałów wejściowych przy użyciu rezystora ściągającego 55
  • Problem drgających styków przycisku 58
• Budowa sterowanej lampki nocnej przy użyciu diody RGB LED 61
• Podsumowanie 65

Rozdział 3. Praca z czujnikami analogowymi 67

• Zrozumienie sygnałów analogowych i cyfrowych 68
  • Porównanie sygnałów analogowych z cyfrowymi 68
  • Zamiana sygnału analogowego na cyfrowy 69
• Odczyt z wejść analogowych 71
  • Odczyt z potencjometru 71
  • Korzystanie z analogowych czujników 74
• Wykorzystanie rezystora zmiennego do budowy własnego czujnika analogowego 79
  • Stosowanie rezystancyjnego dzielnika napięcia 79
  • Korzystanie z analogowych wejść do sterowania analogowymi wyjściami 81
• Podsumowanie 83

CZĘŚĆ II. KOMUNIKACJA Z OTOCZENIEM

Rozdział 4. Wykorzystanie tranzystorów i sterowanie silnikami prądu stałego 87

• Sterowanie silnikami prądu stałego 88
  • Korzystanie z urządzeń indukcyjnych o dużym poborze prądu 89
  • Sterowanie prędkością silnika przy użyciu PWM 93
  • Stosowanie mostków H do zmiany kierunku obrotu silnika 95
  • Powodowanie zwarcia za pomocą mostka H 96
• Budowa poruszającego się robota 102
  • Wybór części robota 102
  • Stabilizatory liniowe i ograniczenia źródeł prądu Arduino 104
  • Budowanie robota 105
  • Programowanie robota 106
  • Złożenie wszystkiego w całość 110
• Podsumowanie 111

Rozdział 5. Sterowanie silnikami krokowymi i serwomotorami 113

• Sterowanie serwomotorami 114
  • Różnica pomiędzy pracą ciągłą a standardowymi serwomechanizmami 114
  • Zasady sterowania serwomotorem 115
  • Program sterujący serwomechanizmem 117
• Budowa czujnika odległości o szerokim kącie działania 118
• Zasada działania silników krokowych i sterowanie nimi 122
  • Działanie bipolarnych silników krokowych 123
  • Jak prawdziwe silniki krokowe mają się do uproszczonego przykładu? 125
  • Wprawianie silnika krokowego w ruch 125
• Budowa "chronografu jednominutowego" 128
  • Okablowanie i budowa chronografu 128
  • Programowanie chronografu 129
• Podsumowanie 133

Rozdział 6. Generowanie dźwięków i tworzenie muzyki 135

• Zasada działania głośników 136
  • Właściwości dźwięku 136
  • Zasada działania głośnika 137
• Wykorzystanie funkcji tone() do tworzenia dźwięków 138
  • Dodanie własnego pliku nagłówkowego 139
  • Podłączanie głośnika 140
  • Tworzenie sekwencji dźwięków 142
  • Ograniczenia funkcji tone() 144
• Budowa mikropianina 144
• Podsumowanie 147

Rozdział 7. Transmisja szeregowa poprzez łącze USB 149

• Możliwości transmisji szeregowej Arduino 150
  • Płytki Arduino z wewnętrznym lub zewnętrznym konwerterem USB na port szeregowy firmy FTDI lub Silicon Labs 151
  • Płytki Arduino z dodatkowym mikrokontrolerem ATmega działającym jako konwerter szeregowy 154
  • Płytki Arduino z jednym mikrokontrolerem z wbudowanym interfejsem USB 155
  • Płytki Arduino z możliwością bezpośredniego podłączania urządzeń USB 155
• Odbieranie danych z Arduino 155
  • Polecenia print 156
  • Stosowanie znaków specjalnych 157
  • Zmiana formatu wyświetlanych danych liczbowych 159
• Komunikacja z Arduino 159
  • Konfiguracja monitora portu szeregowego Arduino IDE w celu wysyłania poleceń 159
  • Odczytywanie danych przychodzących z komputera lub innego urządzenia wykorzystującego port szeregowy 160
• Komunikacja z aplikacją desktopową 167
  • Instalacja Processing 167
  • Sterowanie szkicem w Processing z poziomu Arduino 168
  • Wysyłanie danych z Processing do Arduino 171
• Podsumowanie 173

Rozdział 8. Emulacja urządzeń USB 175

• Emulator klawiatury 176
  • Wprowadzanie danych do komputera 177
  • Automatyczne wyłączanie komputera 180
• Emulator myszki 181
• Podsumowanie 184

Rozdział 9. Rejestry przesuwne 185

• • Wybór Arduino odpowiedniego do danego zadania 186
• Zasada działania rejestrów przesuwnych 186
  • Transmisja szeregowa i równoległa 187
  • Stosowanie rejestru przesuwnego 74HC595 187
  • Przesuwanie danych szeregowych z Arduino 188
  • Łączenie rejestrów przesuwnych 191
  • Zamiana systemu dwójkowego na dziesiętny 192
• Sterowanie animacjami świetlnymi za pomocą rejestru przesuwnego 192
  • Budowa "pływającego światła" 193
  • Dynamicznie zmieniający się diodowy wykres słupkowy 194
• Podsumowanie 196

CZĘŚĆ III. INTERFEJSY KOMUNIKACYJNE

Rozdział 10. Magistrala I²C 199

• Historia magistrali I²C 200
• Budowa magistrali I²C 200
  • Schemat komunikacyjny i numery ID 201
  • Wybór części z perspektywy inżyniera projektującego urządzenie 203
  • Wymagania sprzętowe i rezystory podciągające 203
  • Jak dobrać odpowiednią wartość rezystorów podciągających 204
• Komunikacja z czujnikiem temperatury I²C 205
  • Konfiguracja sprzętu 205
  • Czytanie dokumentacji 206
  • Pisanie programu 207
• Łączenie rejestrów przesuwnych, komunikacji szeregowej i komunikacji I²C 210
  • Budowa systemu monitorującego temperaturę 211
  • Modyfikacja poprzedniego programu 211
  • Pisanie szkicu Processing 213
• Podsumowanie 216

Rozdział 11. Magistrala SPI i biblioteki zewnętrzne 217

• Podstawowe informacje o magistrali SPI 218
• Sprzęt i schemat komunikacji SPI 219
  • Konfiguracja sprzętu 219
  • Nazewnictwo 220
  • Schemat komunikacji 220
• Porównanie SPI z I2C i UART 221
• Komunikacja z akcelerometrem SPI 221
  • Miniaturyzacja urządzeń i SMT 222
  • Co to jest akcelerometr? 222
  • Czytanie dokumentacji 223
  • Podłączanie sprzętu 226
  • Pisanie programu 228
• Budowa audiowizualnego instrumentu przy użyciu 3-osiowego akcelerometru 232
  • Budowa układu 233
  • Modyfikacja oprogramowania 233
• Podsumowanie 236

Rozdział 12. Komunikacja z wyświetlaczami ciekłokrystalicznymi 237

• Podłączenie wyświetlacza LCD 238
• Używanie biblioteki LiquidCrystal do wyświetlania znaków na LCD 240
  • Wyświetlanie tekstu 241
  • Tworzenie znaków specjalnych i animacji 243
• Budowa osobistego termostatu 246
  • Konfiguracja sprzętu 246
  • Wyświetlanie danych na LCD 249
  • Dostosowanie temperatury docelowej za pomocą przycisku 251
  • Dodanie dźwięku ostrzegawczego i wentylatora 252
  • Składanie kodu w całość - kompletny program 253
  • Rozwijanie projektu 256
• Podsumowanie 257

CZĘŚĆ IV. ODKRYWANIE BARDZIEJ ZAAWANSOWANYCH MOŻLIWOŚCI ORAZ ŁĄCZENIE FUNKCJI

Rozdział 13. Przerwania i inne funkcje specjalne 261

• Stosowanie przerwań sprzętowych 262
  • Różnice pomiędzy przerwaniem a sprawdzaniem stanu 262
  • Możliwości przerwań sprzętowych Arduino 264
  • Budowa i testowanie obwodu z przyciskiem z wykorzystaniem przerwania sprzętowego do wyeliminowania problemu drgających styków 265
• Stosowanie przerwań wywoływanych przez licznik 272
  • Zrozumienie przerwań od licznika 272
  • Instalacja biblioteki 273
  • Wykonywanie dwóch zadań (niemal) jednocześnie 273
• Budowa maszyny dźwiękowej sterowanej przerwaniami 274
  • Elementy maszyny dźwiękowej 274
  • Oprogramowanie maszyny dźwiękowej 275
• Podsumowanie 277

Rozdział 14. Rejestracja danych za pomocą kart SD 279

• Przygotowania do rejestracji danych 280
  • Formatowanie danych w plikach CSV 280
  • Przygotowanie karty SD do rejestracji danych 281
• Komunikacja Arduino z kartą SD 285
  • Nakładki z czytnikiem kart SD 286
  • Interfejs SPI karty SD 288
  • Zapisywanie na karcie SD 288
  • Składanie nakładki rejestrującej dane 289
  • Odczytywanie z karty SD 292
• Zegary czasu rzeczywistego 295
  • Działanie zegarów czasu rzeczywistego 296
  • Korzystanie z zegara czasu rzeczywistego 298
  • Zamiana Twojego chronografu na zegar 304
• Budowa rejestru wejść i wyjść 305
  • Osprzęt rejestratora 305
  • Oprogramowanie rejestratora 306
  • Analiza danych 310
• Podsumowanie 311

CZĘŚĆ V. KOMUNIKACJA BEZPRZEWODOWA

Rozdział 15. Bezprzewodowa komunikacja radiowa 315

• Widmo fal elektromagnetycznych 316
  • Widmo 318
  • Wysyłanie i nadawanie danych przez nadajnik radiowy 319
• Odbieranie sygnału naciśnięcia przycisku za pomocą modułu radiowego 321
  • Podłączanie odbiornika 321
  • Programowanie odbiornika 322
• Stworzenie bezprzewodowego dzwonka do drzwi 325
  • Podłączanie odbiornika 325
  • Programowanie odbiornika 326
• Początek inteligentnego domu - sterowanie lampą 328
  • Prąd zmienny w Twoim domu 328
  • Przesyłanie prądu zmiennego 329
  • Zasada działania przekaźnika 330
  • Programowanie przekaźnika 331
  • Podłączanie lampki i przekaźnika do Arduino 333
• Podsumowanie 333

Rozdział 16. Połączenie Bluetooth 335

• Odarcie Bluetootha z tajemnic 336
  • Standardy i wersje Bluetootha 336
  • Profile Bluetootha i usługi BTLE GATT 337
• Komunikacja między Arduino a smartfonem 338
  • Odczyt czujnika przez BTLE 338
  • Interfejs USB czipa 32U4 346
  • Wysyłanie poleceń z telefonu przez BTLE 348
• Sterowanie lampą na prąd zmienny przez Bluetooth 356
  • Jak Twój telefon "łączy się w parę" z urządzeniami BTLE 356
  • Pisanie programu kontrolującego odległość od urządzenia 357
  • Łączenie w parę z telefonem 361
  • Spraw, by lampa reagowała na Twoją obecność 363
• Podsumowanie 363

Rozdział 17. Sieć Wi-Fi i chmura 365

• Sieć, Arduino i Ty 366
  • Sieciowy żargon 366
  • Klienty i serwery 369
  • Arduino z Wi-Fi 369
• Sterowanie Arduino przez sieć 370
  • Konfiguracja sprzętu sterującego wejściem/wyjściem 370
  • Przygotowanie Arduino IDE do pracy z modułem 370
  • Sprawdzenie, czy biblioteka Wi-Fi pasuje do oprogramowania sprzętowego modułu Wi-Fi 371
  • Pisanie szkicu serwera Arduino 373
  • Kody odpowiedzi HTTP 377
  • Projektowanie prostej strony internetowej 381
  • Składanie wszystkiego w całość - szkic serwera sieciowego 382
  • Sterowanie Arduino przez sieć lokalną i zewnętrzną 386
  • Na ile sposobów można sterować lampą? 386
• Komunikacja z sieciowymi interfejsami programowania aplikacji (API) 389
  • Korzystanie z API serwisu pogodowego 390
  • Czemu ktoś miałby sprawdzać dane pogodowe więcej niż 60 razy na minutę? 390
  • Ukończenie budowy wyświetlacza pokazującego temperaturę aktualizowaną na żywo 400
  • Regulacja magistrali I2C za pomocą przewodów 401
• Podsumowanie 407

Dodatek A. Czytanie dokumentacji i schematów 409