Евдокимов Сергей Александрович - Лабораторные стенды в рамках исследований и экспериментов. Разработка на основе аппаратно-вычислительной платформы

Лабораторные стенды в рамках исследований и экспериментов. Разработка на основе аппаратно-вычислительной платформы

Сергей Александрович Евдокимов

© Сергей Александрович Евдокимов, 2023

ISBN 978-5-0059-8443-2

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Добро пожаловать в мир Arduino!

Изучаем низкоуровневое программирование с Arduino!

ПРЕДИСЛОВИЕ

Плата микроконтроллера известна как небольшой компьютер, построенный на микросхеме полупроводника из оксида металла. Общим для всех типов микроконтроллеров является то, что они имеют одинаковые основные строительные части, как центральный процессор (CPU), вход/выход (I/O), память и периферийные устройства (программированные).

Микроконтроллеры приобрели большую популярность благодаря своей функциональности во всем мире, и сегодня они регулярно используются почти во всех автоматически управляемых продуктах и устройствах, таких как устройства управления, автомобильные двигатели, пульты дистанционного управления, приборы, электроинструменты, игрушки, имплантированные медицинские устройства и другие встроенные системы. Они привлекают внимание инженеров, энтузиастов и программистов и являются первым выбором для создания проектов своими руками и обучения.

Микропроцессор можно определить как тип миниатюрного электронного устройства, расположенного на материнской плате компьютера, содержащий арифметику, логику и схемы управления, необходимые для выполнения функций центрального процессора цифрового компьютера. Это важный электронный компонент компьютера, позволяющий компьютеру эффективно выполнять свои задачи. Далее его можно описать как центральный процессор, интегрированный в одну интегральную микросхему, содержащую миллионы мелких компонентов, таких как резисторы, транзисторы и диоды, работающие вместе. Для имплементации преобразования сигнала с датчика и передачи метрик в веб-приложение для обработки и визуализации данных будут рассматриваться микроконтроллерные платформы Arduino и Raspberry PI, как простейшие решения для реализации. Проект Arduino был начат в 2005 году. Цель заключалась в том, чтобы использовать его как инструмент для студентов Института проектирования взаимодействия Ивреа, Италия. Другим мотивом нужно взять простой и недорогой способ для начинающих и профессионалов создавать такие устройства, взаимодействующие с окружающею средой с помощью датчиков и приводов.

Arduino известен своим простым инструментом для создания прототипов электроники с аппаратным и программным обеспечением с открытым кодом. Arduino  это тип платы для разработки микроконтроллеров, который используется для многих целей, таких как прием входных данных от кнопок, мигание светодиодов, обработка данных из датчиков, управление двигателями и многие другие задачи, связанные с «микроконтроллером». «Arduino UNO» является одной из самых распространенных плат Arduino, доступных на рынке. Это плата микроконтроллера с открытым кодом, основанная на микроконтроллере ATmega328P и разработанная Arduino.cc. Здесь открытый исходный код означает, что файлы дизайна и исходный код для программного обеспечения и библиотек доступны, поэтому любой, кто интересуется программированием, может бесплатно использовать их как справочник для создания плат Arduino. Плата оснащена наборами контактов цифрового и аналогового входа/вывода (I/O), которые можно сочетать с разными платами расширения (щитами) и другими схемами.

Одной из областей применения компьютерных технологий есть лабораторные исследования, в которых персональный компьютер (ПК) используется для автоматизации проведения физического эксперимента и обработки полученных данных. Используя вычислительные мощности ПК можно в кратчайшие сроки, снимать и обрабатывать большие массивы получаемых данных с помощью различных датчиков.

Arduino  это платформа для создания устройств на основе микроконтроллеров, в интегрированной среде Arduino IDE на низкоуровневом языке программирования. Трудно даже перечислить все возможности платформы Arduino, потому что возможности ограничены всего лишь только воображением. Можно использовать Arduino для любой системы управления, добавив датчики, динамики, дополнительные модули (платы расширения), приводы, и прибавочные микросхемы. Используя Arduino, представляется возможность для реализации почти любых идей.

Основная цель работы  разработать экспериментальные стенды:

1. Разноцветный стенд на RGB: «Семь цветов радуги».

2. Универсальный стенд для ЦОС датчиков.

3. Учебный звуковой стенд: «В реальном времени».

4.Специализированный цифровой стенд для измерения температуры и влажности.

Объект исследования: лабораторные стенды на Arduino Uno

Предмет исследования  аппаратно-вычислительная платформа Arduino.

Исходя из цели исследования были выделены следующие цели и задачи работы:

 создать программу к проекту на сосновой Arduino IDE;

 подключить аппаратную часть стенда;

 проанализировать работу, поиск возможных усовершенствований;

 сформировать выводы и рекомендации.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ОБОЗНАЧЕНИЕ И СОКРАЩЕНИЕ

ИТ  Информационные технологии;

МК  Микроконтроллер;

МП  Микропроцесор;

ОС  Операционная система;

OS  Operating System;

ПЗ  Программное обеспечение;

СНГ  Содружество независимых государств;

БД  База данных;

ПК  Персональный компьютер;

ПО  Программное обеспечение;

НП  Низкоуровневое программирование;

ПЗУ  Постоянное запоминающее устройство;

ЦОС  Цифровая обработка сигнала;

ПЦОС  Процессор цифровой обработки сигналов;

БИС Большая Интегральной Схема;

ЦАП  Цифро-аналоговый преобразователь;

ФНЧ  Фильтры нижних частот;

RGB  Red Grey Blue;

DHT  Digital Temperature And Humidity Sensor

COM  COMmunication;

LDA  Latent Dirichlet Allocation;

VCC  Voltage of the CirCuit;

TV  TeleVision;

DVD  Digital Video Disc;

USB  Universal Serial Bus;

ШИМ  Широтно-импульсная модуляция;

I2C  Inter-Integrated Circuit, eye-squared-C;

SPI  Serial Peripheral Interface;

CAN  Controller Area Network;

UART  Universal asynchronous receiver-transmitter;

NC  Numerical control;

LPT  Line Print Terminal;

AVR  Alf and Vegards RISC processor;

DSP  Digital Signal Processor;

SSD  Seven segment displays;

SMS  Short Message Service;

Рис.  Рисунок;

ИК  Инфо-красный (а);

Табл.  Таблица;

др.  другие;

т. д.  так далее;

т.е.  то есть;

англ.  английский;

см.  смотреть;

В Вольт;

Вт  Ватт;

стр.  страница;

ок.  октава;

шт.  штука (штук).

РАЗДЕЛ 1. Описание предметной области

1.1. Ведение в Arduino

Arduino  это платформа (физическая) с открытым функционалом и кодом, основывается на плате ввод-вывод и среде разработки, использующей низкоуровневый (машинный) язык. Arduino имеет много возможностей, его можно применять для создания самостоятельных объектов и разработок интерактивных субъектов или можно связать с программами на ПК (Например: Processing, Flash, VVVV). Такие платы можно собирать самостоятельно или покупать уже собранными. Среди главных причин чтобы использовать Arduino следующие:

 многоплатформенная среда, которая имеет возможность работать на ОС Windows, и на ОС Linux, и Macintosh;

 основывается на языке Arduino C++ (или Arduino Sketches);

 удобная и простая в использовании среда разработки применяется дизайнерами и художниками;