Arduino ja Grove Kit
Tämä kurssi esittelee Grove Beginner Kit for Arduino -nimisen Arduino-pohjaisen mikro-ohjaimen perusteet ja opettaa sinulle siihen tarvittavat ohjelmoinnin ja elektroniikan perusteet. Kurssin suoritettuasi olet omaksunut tarvittavat tiedot ja taidot myös omien projektien toteuttamiseen. Tervetuloa!
Mikä ihmeen Arduino?
Arduino on mikro-ohjain, eli ohjelmoitava elektroninen kehitysalusta, johon voi liittää erilaisia elektronisia komponentteja ja antureita. Sillä voi esimerkiksi mitata huoneen lämpötilaa, kytkeä valoja päälle ja pois, tai rakentaa kokonaisen sääaseman. Sen käyttöön ei tarvita syvällistä tietoa mikro-ohjainten toiminnasta, vaan riittää, että hallitsee ohjelmoinnin perusteet ja keksii jonkun idean, jonka haluaisi toteuttaa.
Yllä olevassa kuvassa on Arduino Uno -levy ylhäältä päin katsottuna. Siniseen piirilevyyn on kytketty mikrokontrollerisiru (eli Arduino-mikro-ohjaimen aivot), joka on kuvattu mustana suorakulmiona levyn vasemmassa alakulmassa. Mikrokontrollerisiruja on monenlaisia, ja Arduino-levyssä usein käytetty malli on nimeltään “Microchip ATmega328P”. Siruja kutsutaan myös IC-piireiksi, tai IC:iksi (englanniksi integrated circuit), ja ne voivat sisältää muutamista tuhansista miljardeihin transistoria. Yksittäinen transistori toimii yksinkertaisena kytkimenä, joka lukee tai kirjoittaa ykköstä ja nollaa (eli binääridataa), mutta yhdessä miljoonat transistorit voivat saada aikaan hyvinkin monimutkaisia lopputuloksia.
Mikrokontrollerin lisäksi Arduino-levy koostuu komponenteista, jotka toimivat mikrokontrollerin virtalähteenä, tukevat sen ohjelmointia USB-portin kautta, ja antavat meille mahdollisuuden kytkeä siihen ulkoisia komponentteja tulo- ja lähtöpinnien kautta levyn molemmilla reunoilla.
Voit tutustua levyyn ja sen komponentteihin tarkemmin itse yllä olevasta kuvasta. Kuvan pinnikaaviota on yksinkertaistettu tätä kurssia varten, ja sen koko versio on saatavilla englanniksi täältä.
Arduino Grove Kit
Mikro-ohjainlevy, jota käytämme tällä kurssilla, näyttää hieman erilaiselta kuin Arduino Uno. Se on isompi ja sen keskellä sijaitsee mikro-ohjain nimeltä ”Seeduino Lotus”, joka on esikytketty useisiin antureihin levyn molemmilla sivuilla. Seeduino Lotus on muunneltu versio Arduinosta, joka kuitenkin käyttäytyy täsmälleen kuten alkuperäinen Arduino-levy. Hieno puoli tässä levyssä on, että siihen ei erikseen tarvitse kytkeä anturimoduuleja, jotta ne toimisivat. Voit kytkeä levyn suoraan tietokoneeseen micro-USB-liittimen kautta ja ohjelmoida antureita heti piirilevyn esikytkettyjen liitäntöjen kautta. Alla olevasta kuvasta näet, mitä kaikkia anturimoduuleja levyyn sisältyy.
Kuten yllä olevasta kuvasta voi huomata, Grove Beginner Kit koostuu Seeduino Lotus -mikro-ohjaimesta ja kymmenestä oheislaitteesta. Oheislaitteiden englanninkieliset nimet löytyvät suoraan kehitysalustasta. Kuva on muokattu täältä.
Alla olevassa kuvassa on esimerkki piirilevykiskoista, jotka yhdistävät anturimoduulin mikro-ohjaimeen. Moduuleja ei siis tarvitse irrottaa, ellei toisin mainita. Jos kuitenkin irrotat anturimoduulin piirilevystä, voit liittää sen takaisin laatikon sivulokeroissa olevilla kaapeleilla. Piirilevyn kuparijohtimet (englanniksi track tai trace), jotka kulkevat piirilevyn break-out-pisteiden läpi ja yhdistävät oheislaitteet Arduinoon. Näiden ansiosta oheislaitteiden käyttö ei vaadi kaapeleita.
Plug and Play Demo
Jos sinulla on uusi Grove-kit, se tulee esiladatulla demo-ohjelmalla, joka näkyy, kun kytket sen ensimmäistä kertaa tietokoneeseen kiinni. Jos demoa ei näy kytkettyäsi levyn koneeseen, voit asentaa demo-ohjelman uudelleen. Ohjeet uudelleenasennukseen löydät sivulta Plug and Play demo-ohjelman uudelleenlataus.
Kun demo käynnistyy, OLED-näyttö menee päälle ja näyttää antureista kerättyä dataa. Käytä näppäinpainiketta ja pyörivää potentiometriä siirtyäksesi anturiesittelyjen välillä. Alla olevasta kuvasta näet demon näppäinsäätimet.
Käytännössä Plug and Play demo-ohjelma sisältää seuraavanlaiset toiminnallisuudet:
- Lyhyt napin painallus valitsee näytössä näkyvän anturiesittelyn.
- Pitkä napin painallus poistuu nykyisestä anturiesittelystä
- Potentiometriä pyörittämällä voit valita eri anturiesittelyjä.
- LED-valo ja summeri antavat palautetta nappien painalluksista.
- Demo-ohjelmaan sisältyvät seuraavat anturiesittelyt:
- Kiihtyvyys
- Ilmanpaine
- Lämpötila ja kosteus
- Äänenvoimakkuus
- Valon määrä
Liitäntä Arduinoon
Arduinossa ja Seeduino Lotus -levyn sivuilla on metallisia pinnejä. Näitä pinnejä käytetään pääasiallisesti kahteen eri tarkoitukseen: joko lähtö- tai tulopinneinä. Lähtöpinneihin voidaan kytkeä esimerkiksi esivastus ja LED-valo, joka voidaan kytkeä päälle tai pois päältä pinnin avulla. Tulopinniin taas voidaan kytkeä esimerkiksi kosteusanturi, joka syöttää dataa mikro-ohjaimelle. Nämä pinnit ovat niin sanottuja IO-pinnejä (englanniksi input/output pin) ja niiden suunta (lähtö tai tulo) määritetään koodin avulla.
Pinnien suunnan lisäksi tietyt pinnit on tarkoitettu tiettyjen signaalien lähettämiseen tai vastaanottamiseen. Nämä eri pinnityypit ovat:
- Digitaaliset I/O pinnit
- Arvo voi olla joko High (5 V) tai Low (0 V).
- Yhdistetään digitaalisiin oheislaitteisiin, kuten painikkeisiin, kytkimiin ja näyttöihin.
- Merkitty numeroilla 0–13 Arduinon ohjelmointikielessä sekä Seeduino Lotus -levyn vasemmassa pinniliittimessä.
- Analogiset I/O pinnit
- Arvo on jatkuva 0 V ja 5 V välillä (mukaan lukien arvot 0 V ja 5 V).
- Yhdistetään analogisiin oheislaitteisiin, kuten potentiometreihin, valoantureihin tai mikrofoneihin.
- Ovat merkitty A0, A1, jne. Arduinon ohjelmointikielessä ja “ANALOG IN” Seeduino Lotus -levyn oikean liittimen yläosassa.
- Sarjaliikenne: Toinen tärkeä tapa kommunikoida Arduino-levyn kanssa on niin sanottu sarjaliikenne (englanniksi serial communication) esimerkiksi Bluetoothin tai USB-liitännän kautta. Sarjaliikenteen kautta kommunikointi voi olla monimutkaisempaa, mutta nopeampaa kuin yhden IO-pinnin kautta. Näemme tästä esimerkkejä harjoituksissa kiihtyvyysanturi ja kallistusanturi.