Лабораторные стенды в рамках исследований и экспериментов. Разработка на основе аппаратно-вычислительной платформы
Сергей Александрович Евдокимов
В этих трудах содержится возможности и преимущества использования платформы, используя низкоуровневый язык программирования. В частности, определяются перспективы использования микропроцессорной платформы во время учебного процесса. По результатам работы были созданы уникальные, разнообразные стенды, которые можно использовать в дальнейшем. При изучении данной книги – на практическом уровне все достаточно детализировано описывается и понятно объясняется.
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!
Учебная и научная литература
для инженеров и программистов
Это первое издание книги
© Сергей Евдокимов, 2023
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, обавив 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 – Програмное обеспечение;
НП – Нискоуровневое программирование;
ПЗУ – Постоянное запоминающее устройство;
ЦОС – Цифровая обработка сигнала;
ПЦОС – Цифровая обработка сигнала;
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 Vegard’s 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;
