Od czasu opracowania pierwszego krzemowego układu scalonego w 1961 roku technologia poczyniła ogromny postęp. Układy scalone oparte na krzemie, dziś wlutowane wśród szeregu komponentów na płytce, umożliwiły powstanie wielu zastosowań mikrokontrolerów. Takie płytki z mikrokontrolerami służą do wysyłania i odbierania sygnałów cyfrowych/analogowych z czujników i innych układów. Sygnały te są przetwarzane w „mózgu” płytki (CPU - jednostka centralna), aby wywołać określone działania – od sterowania siłownikiem liniowym po proste miganie diodami LED.
Progressive Automations oferuje szeroki wybór płytek z mikrokontrolerami, płytek rozszerzeń (shields) oraz czujników do niemal każdego projektu, jaki sobie wymarzysz. Aby świadomie wybrać najlepsze rozwiązanie do swojej aplikacji, warto poznać dostępne opcje i wiedzieć, na co zwrócić uwagę przy zakupie mikrokontrolera.
Rodzaje mikrokontrolerów
Najpopularniejszą rodziną płytek z mikrokontrolerami jest seria Arduino. Występują w wielu konfiguracjach różniących się liczbą dostępnych pinów wejścia/wyjścia (I/O) oraz szybkością pracy CPU. Płytki te programuje się w języku C. Na szczęście programowanie mikrokontrolerów z rodziny Arduino nie jest trudne – w sieci znajdziesz mnóstwo materiałów. Jeśli jednak chcesz poćwiczyć, Progressive Automations oferuje Arduino Starter Kit z ponad 200 elementami i częściami, które pomogą Ci zacząć.
Płytki Arduino Uno Rev3 i Arduino Leonardo świetnie sprawdzą się u początkujących oraz w mniejszych projektach wymagających jedynie kilku pinów wejścia/wyjścia. Arduino Uno ma 14 pinów cyfrowych i 6 analogowych, natomiast Leonardo – 20 pinów cyfrowych i 12 analogowych. W porównaniu z Uno, Leonardo ma wbudowaną komunikację USB 2.0, co pozwala na łączność z komputerem przez USB. Jeśli w Twoim projekcie liczy się miejsce, Arduino Micro oferuje tę samą funkcjonalność co Arduino Leonardo, ale w mniejszej obudowie.
Arduino Mega i Arduino Due są używane w większych projektach wymagających wielu pinów wejścia/wyjścia. Pod względem mocy obliczeniowej Arduino Due jest jednak ponad pięć razy szybsze – taktowanie CPU 84MHz wobec 16MHz w pozostałych modelach Arduino. Oba modele mają łącznie 54 cyfrowe piny wejścia/wyjścia.
Projekty z mikrokontrolerami
Porozmawiajmy, jakie zastosowania można zbudować z użyciem mikrokontrolera. Istnieje bardzo wiele projektów, w których mikrokontroler realizuje różne funkcje. Na przykład programowalny mikrokontroler może sterować siłownikiem liniowym, aby o określonych porach otwierać/zamykać efektor końcowy (np. chwytak) na ramieniu robota. Dodatkowo na końcówkach efektora można zastosować czujniki sprzężenia zwrotnego, które wywołają zmianę sygnału w mikrokontrolerze. Dzięki temu efektor uruchamia się tylko wtedy, gdy jest to potrzebne lub gdy wykryje obiekt do chwycenia.
Innym zastosowaniem mikrokontrolera jest kontrola dostępu. Przykładowo siłowniki liniowe bywają używane do klapy włazu turbiny wiatrowej, aby technicy mogli dostać się do gondoli turbiny. Mikrokontroler można podłączyć do czytnika RFID/NFC oraz do siłownika liniowego, który rygluje/odryglowuje klapę. Gdy autoryzowany technik przyłoży swoją kartę do czytnika, mikrokontroler sprawdza uprawnienia wejścia i, jeśli wszystko się zgadza, siłownik liniowy otwiera klapę.
Platforma Stewarta to projekt wykorzystujący mikrokontroler Arduino do sterowania sześcioma siłownikami liniowymi, które stabilizują platformę. Wybrano go ze względu na wysoką szybkość przetwarzania, niezbędną do obliczania złożonej kinematyki odwrotnej potrzebnej do stabilizacji. Możliwości zastosowań mikrokontrolera są praktycznie nieograniczone. Wszelkie wymagane obliczenia może wykonać mikrokontroler, cyfryzując i automatyzując Twój projekt dokładnie tak, jak chcesz.
Jak wybrać mikrokontroler do projektu
Skoro omówiliśmy dostępne mikrokontrolery i możliwe projekty, jak wybrać mikrokontroler do konkretnej aplikacji? Najlepszy mikrokontroler zależy od projektu/zastosowania. Poniżej zebraliśmy listę czynników, o których warto pamiętać przy wyborze mikrokontrolera.
Wymagania dotyczące zasilania
Wszystkie opisane mikrokontrolery Arduino pracują przy napięciu 6–20V. Napięcie może pochodzić z akumulatora lub zasilacza AC/DC. Jednak napięcie poniżej 7V może powodować niestabilną pracę mikrokontrolera, jeśli zasilanie DC nie jest w 100% wygładzone. Z kolei podanie ponad 20V spowoduje uszkodzenie regulatorów napięcia i nadmierne wydzielanie ciepła.
Każdy model ma specyfikację prądową zarówno dla zasilania, jak i dla pinów wejścia/wyjścia. Jeśli piny I/O mają maksymalny pobór prądu 200mA, upewnij się, że elementy podłączane do tych pinów nie przekroczą tej wartości. Na przykład masz siłownik liniowy, który przy pełnym obciążeniu pobiera 1A – wiesz więc, że przekroczy to dopuszczalny pobór prądu przez pin I/O Arduino. Dlatego najlepiej użyć płytki sterownika (drivera) i zasilać siłownik liniowy z osobnego zasilacza o większej wydajności prądowej.
Szybkość przetwarzania
Szybkość przetwarzania większości mikrokontrolerów Arduino to 16MHz. Jeśli potrzebujesz większej szybkości, Arduino Due pracuje z częstotliwością 84MHz – czyli może wykonać 84 miliony instrukcji na sekundę. Taka szybkość jest potrzebna, gdy trzeba obsłużyć wiele wejść/wyjść z minimalnym opóźnieniem (np. obliczenia, komunikację szeregową oraz odczyt i zapis na pinach).
Przykładowo mikrokontroler podłączony do siłownika liniowego i wyłącznika jest zaprogramowany tak, aby zatrzymać wysuw siłownika, gdy dotknie on wyłącznika. Jeśli prędkość siłownika liniowego będzie zbyt duża, a możliwości przetwarzania Arduino zbyt małe, siłownik uderzy w wyłącznik i spowoduje uszkodzenia. Rozwiązaniem będzie spowolnienie siłownika liniowego lub wybór mikrokontrolera o wyższej szybkości przetwarzania.
Piny
W zależności od złożoności projektu możesz potrzebować mikrokontrolera z niewielką liczbą pinów albo z wieloma pinami. W niektórych przypadkach konieczne mogą być nawet dwa lub więcej mikrokontrolerów, aby obsłużyć planowaną liczbę urządzeń.
Możliwe jest także łączenie szeregowe portów komunikacji wielu płytek Arduino, aby stworzyć sieć kontrolerów współpracujących ze sobą. Oprogramowanie mikrokontrolerów dla takiej aplikacji jest bardziej złożone, ale dobrze pokazuje elastyczność tej technologii. Ogólna wskazówka: wybierz Arduino z liczbą pinów potrzebną w projekcie plus jeden–dwa zapasowe, na wszelki wypadek.
Płytki rozszerzeń (shields) lub dodatkowe układy
Jeśli planujesz zakup płytki rozszerzeń I/O lub innego shielda Arduino, upewnij się, że wybrany model jest zgodny z używanym przez Ciebie Arduino. Większość shieldów oferowanych przez Progressive Automations jest zgodna z Arduino Uno, np. MegaMoto GT – mostek H zaprojektowany do równoczesnej pracy z wieloma siłownikami liniowymi. Ponieważ większość siłowników liniowych pobiera prąd przekraczający maksimum dla pinu I/O Arduino, płytka sterownika MegaMoto działa jak przełącznik – wymaga jedynie sygnału cyfrowego, aby włączać/wyłączać siłownik, regulować napięcie lub zmieniać kierunek.
Możesz też chcieć umożliwić sterowanie siłownikiem liniowym w projekcie przez sieć. Wybierz wtedy bezprzewodowy mikrokontroler, dokupując moduł WIFI lub Bluetooth zgodny z wybranym Arduino. Takie moduły umożliwią bezprzewodowe zdalne sterowanie Twoim projektem.
Cyfrowa przyszłość
Wybór mikrokontrolera do projektu nie musi być skomplikowany. Wystarczy pamiętać o powyższych kwestiach, a szybko zautomatyzujesz swój projekt – czy to sterując jednym siłownikiem liniowym, czy całym zestawem siłowników. Mikrokontroler może przynieść Twojemu projektowi wiele korzyści i przybliżyć go do cyfrowo zautomatyzowanej przyszłości!
Aby uzyskać więcej informacji o mikrokontrolerach lub o którymkolwiek z naszych produktów, skontaktuj się z nami, a jeden z naszych doświadczonych inżynierów skontaktuje się z Tobą!