Placa Arduino feita por você mesmo: 8 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Ao projetar sua própria placa Arduino, você aprenderá sobre alguns novos componentes e circuitos eletrônicos, incluindo alguns tópicos avançados como fonte de alimentação, circuito de temporização e o uso de ATmega IC (circuito integrado).

Isso o ajudará no futuro a criar seus próprios projetos, como estação meteorológica, escudos de automação residencial, etc.

A vantagem do próprio Arduino é que ele tem baixo consumo de energia e garante que um projeto possa ser executado por muito tempo com a bateria.

Além disso, você pode expandir a placa adicionando expansão de porta digital ou analógica ou alguns módulos de comunicação.

Suprimentos

O Hardware

Para construir um Arduino minimalista, você precisará do seguinte hardware:

1 microcontrolador ATmega328P-PU com carregador de inicialização Arduino

1 regulador de tensão linear 7805 (saída 5v, entrada máxima 35v)

1 placa de ensaio (estou usando placa de 830 pinos)

Vários fios de conexão

1x oscilador de cristal de 16 MHz

1x soquete de 28 pinos

1x 1 μF, capacitor eletrolítico de 25 V

1x 100 μF, capacitor eletrolítico de 25 V

2x 22 pF, capacitores de cerâmica de 50 V

2x 100 nF, capacitores de cerâmica de 50 V

2 resistores de 330 Ohms (R1 e R2)

1 resistor de 10 kOhm (R3)

2 LEDs à sua escolha (LED1 e LED2)

1x botão de pressão

2x cabeçalho de 6 pinos opcional e 3x cabeçalho de 8 pinos

1x encaixe de bateria tipo PP3

1 bateria tipo PP3 de 9 V

1x adaptador de programação FTDI

Etapa 1: Regulador de Tensão Linear 7805

Um regulador de tensão linear contém um circuito simples que converte uma tensão em outra. O regulador 7805 pode converter uma tensão entre 7 e 30 volts em 5 volts fixos, com uma corrente de até 1 amp, o que é perfeito para nossa placa Arduino.

Começaremos criando o circuito de alimentação que contém um regulador de tensão 7805 na forma TO-220 e dois capacitores com 100 μF cada.

Quando você está olhando para a frente do chip 7805 - o pino à esquerda é para a tensão de entrada, o pino central se conecta ao GND e o pino direito é a conexão de saída de 5 V. Eu recomendaria colocar um dissipador de calor, porque quando o circuito puxa até o máximo de 1 ampere de corrente, o chip 7805 ficará quieto (você pode queimar a ponta do dedo ao tocá-lo).

Coloque um capacitor de 100 μF entre a IN do regulador e o terra e um capacitor de 100 μF no trilho direito entre a alimentação e o terra. Você deve ter cuidado - o capacitor eletrolítico é polarizado (a faixa prateada no capacitor significa a perna de aterramento) e deve ser colocado exatamente de acordo com o esquema.

Adicione os fios de alimentação e aterramento para onde seu regulador de tensão estará, conectando cada trilho no meio e na parte direita da placa. Desta forma nós temos uma fonte de alimentação de 5 Volt nos trilhos superior e inferior da placa de ensaio. Além disso, incluiremos um LED vermelho que acende quando a alimentação está ligada, desta forma podemos sempre ver quando nossa placa está ligada.

Um LED é um diodo e só permite que a corrente elétrica flua em uma direção. A eletricidade deve fluir para a perna longa e sair pela perna curta. O cátodo dos LEDs também tem um lado ligeiramente achatado, que corresponde à perna negativa curta do LED.

Nosso circuito tem uma fonte de alimentação de 5 volts e um LED vermelho é avaliado em cerca de 1,5 - 2 volts. Para reduzir a tensão, devemos conectar o resistor em série com o LED, limitando a quantidade de eletricidade que flui para evitar a destruição do LED. Parte da tensão será usada pelo resistor e apenas uma parte adequada dela será aplicada no LED. Insira o resistor entre a perna curta do LED e a fileira contendo o fio preto no lado direito do chip (GND).

Os fios vermelho e preto à esquerda do regulador de tensão são onde sua fonte de alimentação será conectada. O fio vermelho é para POWER e o fio preto é para aterramento (GND).

NOTA: Você só pode conectar uma fonte de alimentação que esteja entre 7 e 16 V. Qualquer coisa menor e você não obterá 5 V do seu regulador, e a voltagem mais alta do que 17 V danificará seu chip. Uma bateria de 9 V, fonte de alimentação de 9 V DC ou fonte de alimentação de 12 V DC é adequada.

E para mais alguns circuitos avançados, você pode colocar um regulador de voltagem com voltagem ajustável. Desta forma, você pode adicionar alguns sensores de 3,3 V à placa ou ligar um motor de 9 V DC.

Mais sobre reguladores de tensão linear -

www.instructables.com/id/Introduction-to-Linear-Voltage-Regulators

Etapa 2: Microcontrolador ATmega328P-PU

Para construir um Arduino na placa de ensaio, você precisa de um microcontrolador ATmega328P-PU, que é o cérebro da nossa placa Arduino. Coloque-o conforme mostrado nos esquemas e tenha cuidado - as pernas podem quebrar se você forçá-las, ou você pode usar um soquete de 28 pinos IC. O IC deve ser colocado com um corte em forma de lua orientado à esquerda da placa de ensaio (os pinos são numerados de 1 a 28 no sentido anti-horário).

NOTA: Nem todos os ATmega IC contêm o carregador de inicialização Arduino (o software que permite interpretar esboços escritos para um Arduino). Ao procurar um microcontrolador para o seu próprio Arduino, certifique-se de selecionar um que já inclua o bootloader.

Aqui está um pouco da teoria do microcontrolador

Um microcontrolador é um pequeno computador com um processador que executa instruções. Possui vários tipos de memória para armazenar dados e instruções do nosso programa (esboço); ATmega328P-PU tem três tipos de memória: 32kB ISP (programação no sistema) memória flash onde os esboços são armazenados, 1kB EEPROM (memória somente leitura programável apagável eletricamente) para armazenamento de dados de longo prazo e 2kB SRAM (memória estática de acesso aleatório) para armazenar variáveis durante a execução de um esboço.

NOTA: É importante saber que os dados na memória flash e EEPROM são retidos quando a alimentação do microcontrolador é removida.

O microcontrolador tem 13 linhas digitais de entrada / saída de uso geral (GPIO) e seis linhas de 10 bits (valores entre 0 e 1023) analógicas para o conversor digital (ADC) GPIO para converter a tensão em um pino em um valor digital. Existem três temporizadores com dois temporizadores de 8 bits com valores entre 0 e 255 e um temporizador de 16 bits com valores entre 0 e 65535, que são usados pela função delay () em um esboço ou por modulação por largura de pulso (PWM).

Existem cinco modos de economia de energia selecionáveis por software e o microcontrolador opera entre 1,8 V e 5,5 V. Você pode usar a imagem como uma referência para o layout dos pinos do ATmega328P-PU.

Existem três grupos de portas: PB, PC e PD com 8, 7 e 8 pinos respectivamente, mais dois pinos de aterramento (GND), um pino de 5 V (VCC) com tensão de alimentação (AVCC) e tensão de referência analógica (AREF) pinos para o conversor analógico-digital (ADC).

Etapa 3: Interconexão ATmega328P-PU

Depois de colocar o IC, conecte os pinos 7, 20 e 21 do ATmega ao trilho de alimentação positiva na placa de ensaio e os pinos 8 e 23 aos trilhos de alimentação negativos, use fios de jumper para conectar os trilhos de alimentação positivo e GND em cada lado do placa, conforme mostrado na Figura.

Pino 7 - Vcc - Tensão de alimentação digital

Pino 8 - GND

Pino 22 - GND

Pino 21 - AREF - Pino de referência analógico para ADC

Pino 20 - AVcc - Tensão de alimentação para o conversor ADC. Precisa ser conectado à energia se o ADC não estiver sendo usado como em nosso exemplo. Se você quiser usá-lo no futuro, ele deve ser alimentado por um filtro passa-baixo (para reduzir o ruído).

Depois disso, coloque um pino de cabeçalho de quatorze vias - será semelhante aos GPIOs do Arduino.

Etapa 4: botão de reinicialização

Adicione o pequeno interruptor tátil para que você possa reiniciar o Arduino e preparar o chip para carregar um novo programa. Um pressionamento rápido e momentâneo desse botão reinicializará o chip.

Vamos inserir o botão de reset em nosso circuito conforme mostrado na figura, ao pressioná-lo o circuito elétrico será encurtado para o GND ignorando um resistor de 1kOhm e conectando o Pino 1 do ATmega ao GND. Em seguida, adicione um fio da perna esquerda inferior do switch ao pino RESET do chip ATmega e um fio da perna esquerda superior do switch ao solo.

Além disso, adicione um resistor pull-up de 10 k Ohm a + 5V do pino RESET para evitar que o chip se reinicie durante a operação normal. Este resistor será conectado à fonte de alimentação de 5 volts, 'puxando' o pino 1 para 5 volts. E quando você conecta o pino 1 a 0V sem um resistor, o chip será reiniciado. No microcontrolador de reinicialização, procure um novo programa sendo carregado (ao ligar, se nada de novo for enviado, ele executa o último programa enviado).

O resistor possui uma faixa de quatro cores. Lendo Marrom = 1, Preto = 0, Laranja = 3 nos dá o número 103. A resistência em Ohms começa '10' com 3 zeros após - 10.000 Ohms ou 10 Kilo Ohms, e a faixa dourada é a tolerância (5%)

Para atualizar nosso circuito - podemos colocar um capacitor de 'desacoplamento'. Coloque um capacitor de cerâmica 100 nF (nano Farad). É um pequeno disco com dois fios com marcação '104' e este tipo de condensador não é polarizado e pode ser colocado em qualquer orientação.

Este capacitor de "desacoplamento" suaviza picos elétricos, de modo que o sinal de reinicialização enviado para o Pino 1 seja detectado de forma confiável. Os dígitos 104 mostram sua capacitância no pico Farad em notação científica. A última figura '4' nos diz quantos zeros adicionar. A capacitância começa com '10' e continua com mais 4 zeros - 100.000 pico Farads, e como 1000 pico Farads é 1 nano Farads, há 100 nano Farads (104).

Insira o capacitor entre a perna superior esquerda do chip (pino 1, no sentido anti-horário a partir da forma de meia-lua)

Etapa 5: Oscilador de cristal

Agora faremos o relógio para o IC. É um quartzo de 16 Mhz e dois capacitores de cerâmica 22pF (piko Farad) cada. O oscilador de cristal cria um sinal elétrico com uma frequência muito precisa. Nesse caso, a frequência é de 16 MHz, o que significa que o microcontrolador pode executar 16 milhões de instruções do processador por segundo.

O cristal de 16 MHz (figura) permite que o Arduino calcule o tempo, e os capacitores servem para suavizar a tensão de alimentação.

As pernas do cristal de quartzo são as mesmas - você não pode conectá-lo ao contrário. Conecte uma perna do cristal ao pino 9 no chip ATmega e a outra perna ao pino 10. Conecte as pernas de um dos capacitores de disco 22 pF ao pino 9 e GND, e outro capacitor de disco ao pino 10 e GND, como mostrado na figura.

Nota: os condensadores de disco não são polarizados e podem ser inseridos de qualquer forma.

É importante mencionar que os comprimentos dos fios entre os capacitores de 22pF devem ser iguais em comprimento e devem ser o mais próximo possível do controlador para evitar interações com outras partes dos circuitos.

Etapa 6: Adicionando LED ao Pino 13

Agora vamos adicionar o LED verde (pino digital 13 no Arduino).

Insira uma perna longa dos LEDs na fileira abaixo do fio vermelho (no lado direito do chip - força, ou 5 Volts) e a perna curta na primeira fileira vazia abaixo do microcontrolador.

Este resistor de 330 Ohm é conectado em série com o LED, limitando a quantidade de eletricidade que flui para evitar a destruição dos LEDs.

Insira o resistor entre a perna curta do LED e a linha que contém o fio preto no lado direito do chip (GND ou 0Volts)

Todos os pinos analógicos, digitais e outros disponíveis na placa Arduino normal também estão disponíveis em nossa versão de placa de ensaio. Você pode usar o esquema ATmega e a tabela de pinos como referência.

Etapa 7: USB para conector serial

O microcontrolador ATmega 328P-PU fornece três modos de comunicação: um USART programável serial (receptor-transmissor síncrono e assíncrono universal), uma porta serial SPI (Interface Periférica Serial) e uma interface serial de dois fios. O USART pega bytes de dados e transmite os bits individuais sequencialmente, o que requer linhas de comunicação de transmissão (TX) e recepção (RX). O SPI usa quatro linhas de comunicação: master-out, slave-in (MOSI), master-in slave-out (MISO) e serial clock (SCK) com uma linha de seleção de escravo separada (SS) para cada dispositivo. O barramento de interface de dois fios (TWI) de comunicação I2C usa duas linhas de sinal: dados seriais (SDA) e relógio serial (SCL).

Para conectar nossa placa ao PC com Arduino IDE para baixar um esboço, usaremos uma interface USB para serial UART, como o FT232R FTDI.

Ao adquirir um cabo FTDI, certifique-se de que é o modelo de 5 V, pois o modelo de 3,3 V não funcionará corretamente. Este cabo (mostrado na figura) possui um plugue USB em uma extremidade e um soquete com seis fios na outra.

Ao conectar o cabo, certifique-se de que o lado do soquete com o fio preto se conecte ao pino GND nos pinos do conector da placa de ensaio. Uma vez que o cabo é conectado, ele também fornece energia para o circuito, assim como uma placa Arduino normal faria.

Em seguida, conectaremos nosso FTDI com nossa placa Arduino feita por nós mesmos; para referência, você pode usar a tabela e o esquema.

Um capacitor eletrolítico de 0,1μF é conectado entre o pino DTR (Data Terminal Ready) na interface USB para UART serial e o microcontrolador Reset, que redefine o microcontrolador para sincronizar com o USB para a interface serial.

NOTA: Uma parte da chave é que o pino RX do microcontrolador deve ser conectado ao TX do USB ao adaptador Serial e o mesmo com o TX de um dispositivo ao RX do outro.

O pino CTS (Clear to Send) no USB para a interface UART serial não está conectado ao microcontrolador.

Para baixar um esboço para o microcontrolador no Arduino IDE no menu Tools ➤ Port, selecione a porta de comunicação (COM) relevante e no menu Tools ➤ Board selecione Arduino / Genuino Uno. O esboço é compilado no IDE do Arduino e, em seguida, carregado no microcontrolador com o USB para a interface UART serial. Quando o esboço é baixado, os LEDs verdes e vermelhos da interface UART USB para serial TXD e RXD piscam.

A interface USB para serial UART pode ser removida e uma fonte de alimentação de 5 V conectada ao microcontrolador. Um LED e um resistor de 220kΩ são conectados ao pino 19 do microcontrolador, equivalente ao pino 13 do Arduino, para executar o esboço intermitente.

Etapa 8: Carregando Sketch ou Instalando o Bootloader

Se você não tiver um conversor USB para serial - você pode usar outro Arduino (no meu caso, Arduino UNO) para fazer o upload de um esboço ou carregador de inicialização para a placa feita por ele mesmo.

Os microcontroladores ATmega238P-PU requerem um bootloader para carregar e executar esboços do IDE do Arduino; quando a energia é aplicada ao microcontrolador, o carregador de inicialização determina se um novo esboço está sendo carregado e, em seguida, carrega o esboço na memória do microcontrolador. Se você tiver o ATmega328P-PU sem um bootloader, poderá fazer o upload do bootloader usando a comunicação SPI entre duas placas.

Aqui está como você carrega um bootloader para o ATmega IC.

Primeiro, vamos começar configurando nosso Arduino UNO como ISP, isso é feito porque você deseja que o Arduino UNO carregue o esboço para o ATmega IC e não ele mesmo.

Etapa 1: Configurando nosso Arduino UNO como ISP

Não conecte o ATmega IC enquanto o upload abaixo estiver em execução.

• Conecte o arduino a um PC
• Abra o IDE do arduino
• Selecione a placa apropriada (Ferramentas> Placa> Arduino UNO) e a Porta COM (Ferramentas> Porta> COM?)
• Abra> Exemplos> ArduinoISP
• Upload Sketch

Depois disso, você pode conectar sua própria placa ao Arduino UNO seguindo o circuito conforme mostrado no esquema. Neste estágio, não há necessidade de fornecer energia para sua própria placa, pois o Arduino forneceria a energia necessária.

Etapa 2: Carregando um Sketch ou Bootloader

Com tudo conectado, abra o IDE a partir da pasta que você acabou de criar (a cópia).

• Selecione Arduino328 em Ferramentas> Placa
• Selecione Arduino como ISP em Ferramentas> Programador
• Selecione Gravar Bootloader

Após uma gravação bem-sucedida, você obteria um "bootloader de gravação concluída".

O bootloader agora está carregado no microcontrolador, que está pronto para receber um esboço após alterar a porta COM no menu Tools ➤ Port.