for nybegynnere Innføring i grunnleggende elektronikk Av Torgeir Bull

Transkript

1 for nybegynnere Innføring i grunnleggende elektronikk Av Torgeir Bull

2 Introduksjon Dette heftet er ment som en introduksjon til Arduino-plattformen og som en innføring i grunnleggende elektronikk. Heftet vil ta for seg noen formler, grunnleggnde prinsipper, komponenter, hvordan disse fungerer og hvordan de kan brukes. fig: mikrokontroller Visste du at? Det går an å ta av mikrokontrolleren på Arduino UNO R3. Dette kan være hendig om du programmerer kontrolleren først, og ønsker å lodde den fast til et prosjekt. Ikke bare sparer du penger ved å slippe å kjøpe en ny arduino hver gang, men det tar også mindre plass i produktet du lager! Mikrokontroller Arduino er en mikrokontroller festet på et kretskort som gjør det enkelt å motta og sende ut signaler. En mikrokontroller er en integrert datamaskin på en chip. Arduino er med andre ord en enhet man kan programmere til å lese og kontrollere elektriske komponenter og enheter som er koblet til. Mulighetene er uendelige, og det er kun fantasien som setter begrensninger for hva som kan gjøres, sammen med komponentene man kobler til. Det finnes mange varianter av Arduino, laget for forskjellige bruksområder. Noen kan fungere som et tastatur, noen har flere pinner, andre har færre pinner. Noen har utforming som passer for spilling, andre er laget av materialer som kan bøyes. Vi skal fokusere på brettet som startet det hele; Arduino Uno. TING DU KAN BRUKE ARDUINO TIL Å LAGE! Ståhjuling Speedometer Temperaturmåler Lysstyring Tyverisikring Låsesystemer Quadcopter Girkassekontroll til bil 3D-printere Arduino Uno R3 Arduino Uno, er som navnet tilsier det første Arduino-brettet som kom. Den er nå i tredje versjon, og heter derfor R3, kort for revision 3. Brettet er sammensatt av flere komponenter. Illustrasjonen på neste side viser noen av hovedkomponentene du kommer til å bli kjent med. Mer informasjon om Arduino Uno kan finnes på:

3 USB type B Ekstern strøm 5V, 3.3V og GND Arduino UNO R3 kan kobles til datamaskinen via en USB-kabel. Type B er navnet på porten som kobles inn i selve Arduinoen. Det er den samme porten som brukes til blant annet printere. Kabelen tilfører Arduinoen strøm på 5 Volt, og overfører data både frem til tilbake. Om du har programmert Arduinoen ferdig, kan du bruke den uavhengig av en datamaskin, forutsatt at Arduinoen får rett mengde støm. Manuell restart En knapp for å restarte Arduinoen. Enheten kjører da programmet fra starten av. Arduino Uno R3 kan levere ut 5 volt og 3,3 volt, forutsatt at den får rett mengde strøm. Dette er pluss-poler (+) som kan kobles opp mot forskjellige komponenter. GND er jord eller minuspoler. Dette er hvor strømmen skal havne etter at den har gått gjennom alle komponentene. Se på det som sluken i vasken hvor alt vannet må renne ned i for ikke å oversvømme rommet. LED indikatorer Dette er LED-dioder som lyser for å vise forskjellige ting. Den ene lyser om Arduinoen får strøm, en annen lyser når Arduinoen får lastet opp ny programvare. ATmega328p Hjernen i Arduinoen. Mikrokontrolleren som sitter med all informasjonen. En ATmega328P-prosessor kan inneholde 32 kilobytes med lese- og skrivemuligheter. Dette høres kanskje lite ut, men med ren tekst, kan man skrive ganske mye før den fylles opp. fig: Arduino med beskrivelser 2

4 Digitale pinner Arduinoen kan kun sende ut og motta to verdier; av og på, altså strøm eller ikke strøm, eller. Det er mønsteret dette gjøres i som gjør at Arduinoen både kan sende ut og motta data (både input og output). Mens 5V og 3.3V-pinnene sender konstant strøm, kan de digitale pinnene sende rekker med og med full nøyaktig og kontroll. På denne måten kan mikrokontrolleren kommunisere med enhetene som er koblet til. Pinne -3 er altså pinnene man ønsker å koble enheter til for å kontrollere de. For eksempel kan det være et blinkende lys eller en temperatursensor eller en rekke andre komponenter! 3 Visste du at? Det er viktig at enhver krets som kobles opp mot Arduinoen gå fra pluss (+) til minus (- eller gnd). Både digitale og analoge pinner sender ut strøm. Pulse with modulation (PWM) Noen av pinnene på arduinoen er merket med ~, og er pinner som støtter såkalt pulse with modulation eller PWM. PWM er en fancy måte å beskrive en måte å sende signaler på. Teknikken brukes i en rekke programmer, inkludert i svært sofistikerte styringssystemer. En måte å bruke PWM på, er å fade en LED-diode, eller å styre en servo motor. PWM gir oss muligheten til å variere hvor mye tid signalet er på (high) på samme måte som et analogt signal. Et signal som blir sendt ut fra Arduinoen kan kun være på (5V) eller av (gnd), altså eller. Men vi kan justere lengden signalet er på til signalet er av ved hjelp av et tidsintervall. Vi sier at konstant strøm har en % driftssyklus (eng: dyty cycle), og % er ingen strøm. Om vi setter driftssyklusen til 5%, er signalet like ofte av som på (se figur). Om vi later som om det tar ett sekund for en syklus, er strømmen et halvt sekund av, og et halvt sekund på. Dette skjer selvsagt langt raskere i virkeligheten. Setter vi driftssyklusen til 75%, sender Arduinoen strøm ut 75% av tiden. Dette kan justeres og endres underveis, og åpner for en hel rekke muligheter. 25% Driftssyklus 5% Driftssyklus 75% Driftssyklus Analoge pinner fig: driftsyklus Mens digitale pinner kan sende ut og lese eller, altså strøm eller ikke strøm. En analog pinne kan kun lese av verdier, den kan ikke skrive. Fordelen med analoge pinner, er at de kan lese av både eller og alt mellom! Mellom og er det 23 nivåer. Til sammen 24 nivåer. er det samme som gnd eller ingen strøm, og er det samme som 5 volt.

5 Inputs & outputs En mikrokontroller som Arduino forholder seg til inputs og outputs. Det er en vesentlig forskjell mellom en input og en output. En Input er en enhet/sensor eller en komponent som sender signaler tilbake til kontrolleren. Arduinoen sender strøm til enheten, og den sender sender data tilbake. Eksempel på inputs kan være en temperatursensor, bevegelsessensor, avstandsmåler, knapp eller lignende. En output er en enhet som ikke sender signaler tilbake til kontrolleren, men som mottar og slår noe på. Eksempel på outputs kan være et lys, en motor, en skjerm, en piezobuzzer eller lignende. Datablader Det er et hav av forskjellige sensorer, komponenter og enheter der ute. Alt for mye til å ha kontroll på. Derfor bruker alle elektrikere, ingeniører og elektronikkentusiaster noe som kalles for datablader (eng: data sheets). Et datablad er et lite informasjonshefte eller ark som tar for seg en enkelt komponent. Der er pålagt å ha klart et datablad om du skal selge elektriske deler, så det er enkelt å finne. Hver komponent har et navn eller nummer, og ved å søke opp dette navnet på internett, finner du rett informasjon. For eksempel har ultralydsensoren som brukes i eksemplene navnet HC-SR4. Navnet er som oftest inngravert eller trykket på komponenten. Ved siden av kan du se et eksempel på en side i databladet for ultralydsensoren HC-SR4. bilde: datablad for HC-SR4 4

6 Motstand er Ohm En resistor eller motstand er en måte å bremse mengden strøm på. Du har sikkert sett slike små komponenter festet i alt fra fjernsyn, dvd-spiller til radiostyrte biler eller i en reiseradio. Ikke alle komponenter tåler å motta like mye strøm, så ved hjelp av en eller flere resistorer, kan man justere dette, slik at komponentene ikke går i stykker. Mengden Ohm skrives på flere måter. For eksempel kan man komme borti at det står 22R, 22K eller 22M. 5 R står for resistance og betyr at det er tallet bak som er mengden Ohm. 22R er altså 22 Ohm! K er et tegn man bruker for å beskrive tusen (kilo). 22K er med andre ord 22 Ohm (22 tusen Ohm). M brukes for å beskrive millioner, så 22M tilsier 22 Ohm (22 millioner Ohm). Man kan også møte på at det står 2K4R eller M4R. Står det 2K4R betyr dette at motstanden er 24 Ohm (to tusen pluss 4). M4R er altså 4 Ohm (en million og fire). bilde: resistorer Ohms lov Motstand måles i Ohm (Ω). Ohm er oppkalt etter fysikeren Georg Simon Ohm. Han fant ut at man kan måle forskjellige elektriske verdier ved hjelp av relativt enkle matematiske former. For eksempel kan man finne motstanden man trenger ved å bruke formelen: motstand = spenning / strøm eller Ohm = Volt / Ampere eller Ω= V/A. De forskjellige verdiene til de forskjellige komponentene kan man finne ved å lese de tilhørende databladene. TIPS! FORMELEN KAN OGSÅ SNUS FOR Å FINNE UT ANDRE VERDIER: Spenning = strøm*motstand (V = A * Ω) Strøm = spenning/motstand (A = V / Ω)

7 Sammenkobling av resistorer Det er ikke alltid at man har tilgjengelig rett verdi når det kommer til motstand man trenger i et prosjekt. Kanskje du har en komponent som trenger en helt spesiell verdi fungere korrekt. Da kan det være greit å ty til noen kreative løsninger med det man faktisk har! Seriekopling Ved en seriekopling, setter man resistorene etter hverandre. Verdiene på resistorene legges sammen for å finne den endelige verdien på motstanden. Formelen for seriekopling er: Rtot = R +R 2 +R 3 Har man tilgjengelig tre resistorer med verdi på k, 3k og 22R, legger man disse verdiene sammen. Regnestykket blir da: = 322Ω Den endelige verdien på motstanden blir altså 322Ω, eller 3k22R Vi kan se på seriekopling som om man kobler sammen hageslanger i forskjellige tykkelser. La oss si at vi kobler tre slanger av forskjellig tykkelse i pararell. Da vil vannet fordele seg mellom slangene ut fra hvor det er plass til det. På samme måte fungerer strømmen. Det vil komme mer vann igjennom en 22R resistor i forhold til de på k og 3k, som bremser mer. R R R 2 3 Parallellkopling fig: seriekopling La oss si at vi trenger 2,5kΩ motstand, men alt vi har i skuffen er en haug med kω motstand. Ved å kople motstanden parallelt sammen, kan vi få noen helt andre verdier. Formelen for parallellkopling er: Rtot = R(verdi) / A (Antall resistorer) Altså, om alle resistorene har lik verdi, kan vi ta verdien på resistorene (i dette tilfallet kω) og dele på antall resistorer vi bruker! Bruker vi 4 stk kω resistorer, og setter de i parallellkobling, blir regnestykket k/4, altså / 4 = 25Ω 25Ω er det samme som 2,5Ω. R R 2 R 3 fig: parallellkopling 6

8 Forskjellige verdier i parallellkopling 7 Ekspertnivå! Om man bruker forskjellige typer motstand i en parallellkopling, blir regnestykket litt annerledes. Formelen for Ohm i parallellkoblinger er: /Rtotal = /r + /r 2 + /r Si at vi har tilgjengelig en k, en 3k og en 22R resistor som vi skal parallellkople. Da blir regnestykket følgende: /Rtotal = /k + /3k + /22 Formelen med resistorene vi bruker blir: /Rtotal = / + /3 + /22 Om vi setter svarene på regnestykket opp, blir det:, +, , =, Vi må til slutt dele med svaret, for å finne den endelige verdien: /, = 2, Den endelige totalen Ohm blir 2 Ohm. defekte resistorer Si at du trenger 3,2kΩ motstand, men du har kun tre stykk kω resistorer som du setter etter hverandre i parallell. Dette vil gi deg 3.3kΩ, som er rundt 4% toleranse fra verdien du egentlig trengte. TIPS! Om kretsen du bygger trenger å ha en mer nærliggende motstand enn 4% toleranse, kan vi måle motstanden i alle kω vi har, og finne de med lavest motstand, for de har nemlig toleranse de og! Om alle kω har rundt % toleranse, kommer vi kun til 3.3kΩ, men flere av produsentene av slike resistorer er kjent for å ha små feil i produktene sine. Du kan derfor være heldig å finne motstand som har mer enn % toleranse, og dermed havne på den verdien du trenger. Finn frem eller skaff deg et enkelt multimeter og mål deg frem til du finner noen defekte resistorer! Visste du at? For å måle motstand bruker vi noe som kalles et multimeter. Dette er et måleinstrument du kommer til å få bruk for mange ganger! Du kan måle alt fra Volt, Ampere, Ohm og mye mer! Et svært hendig verktøy med andre ord! Resistorer og fargekoder Om du ser på bildet på side 5, kan du se at resistorene har fargede streker på seg. Strekene kan se ganske tilfeldige og uoversiktlige ut, men det er et logisk system bak det. De viser nemlig styrken på motstanden, altså hvor mange Ohm de er. Tenk deg at du har klart å blande sammen flere resistorer med ulike verdier. De er ikke merket, og du har ikke tilgjeng noen nye resistorer som er festet på en merkelapp. Hvordan skal man finne ut verdien? bilde: multimeter Det finnes resistorer med enten fire, fem eller seks linjer. Ta en titt på figuren på neste side, så skal vi ta for oss hva de forskjellige strekene betyr.

9 4 linjers fargekode 25kΩ 5 linjers fargekode 46kΩ 6 linjers fargekode 276Ω + 5% + % + 5% Fire streker Vi starter å lese av verdien fra siden hvor strekene sitter tettest. De to første linjene er tall. Det finnes farger som symboliserer tall, fra til 9 (se figur s.8). Er streken svart, betyr dette tallet, er streken rød, betyr dette tallet 2 osv. La oss si at det er først en rød strek, deretter en grønn strek. Tallet blir da 25..Nummer 2.Nummer 3.Nummer Multiplikator,, k k k M M Sølv Gull Toleranse + % + 5% Sølv Gull + % + 2% +,5% +,25% +,% Temperatureffektivitet ppm 5ppm 5ppm 25ppm Om det kun er fire streker på resistoren, er den tredje streken multiplikatoren. Dette er verdien man skal gange det første tallet med. Om den første strekene hadde verdien 25, og den tredje streken er oransje, skal mang gange 25 med tallet, siden oransje betyr (k). Vi får da 25, og vi vet at resistoren har 25k Ohm. Den fjerde streken er toleranseverien. En motstand er ikke alltid helt presis, og produsentene merker hvor presis eller upresis resistoren er. Er streken rød, betyr dette at resistoren har en toleranse fig: resistor fargekart på + - 2%, det vil si at 8

10 verdien kan variere med to prosent oppover eller to prosent nedover. Fem streker En resistor med fem streker er veldig lik en med fire, men inneholder et ekstra tall før multiplikatoren. I illustrajonen på forrige side ser du at resistoren har en gul, en blå og en svart strek. Dette danner tallet 46. Så ser vi på multiplikator-streken hva man skal gange med. I illustrasjonen er oransje, som betyr at vi må gange med. Svaret blir 46 eller 46kΩ. Den neste streken, toleransen, viser at resistoren har en toleranse på + - %. Seks streker Har resistoren seks streker, fungerer den helt likt som den med fem streker. Den eneste forskjellen er at den har en ekstra strek helt til høyre. Denne streken viser temperatureffektiviteten (eng: temperature coefficient), altså hvordan temperaturer kan være med på å endre den endelige verdien på resistoren. Temperatureffektivitet Verdien av en resistor avhenger av lenden, tverrsnittareal og motstanden i materialet den er laget av. Men den angitte verdien av en resostor kan egentlig sies å være så mange ohm ved en bestemt temperatur. Dette er fordi temperaturen på resistoren også påvirker verdien. En endringer i motstanden på grunn av temperatur er relativt liten innenfor en bestemt rekkevidde. Dette er fordi produsenten har valgt et materiale som er laget for å ikke påvirkes av temperaturer. Men det hender at små temperaturendringer skjer. Disse endringene er så små at de måles i deler per million (eng: Parts Per Million) (PPM). Man kan skrive at en resistor har 5ppm/oC. Med dette menes det at endringen i resistorens verdi på grunn av temperaturendring på oc ikke vil bære mer enn 5Ω for hver MΩ (eller,5ω for hver kω). Materialet resistoren er laget av, er med på å bestemme mende PPM. Karbonfilmresistorer har for eksempel vanligvis en temperatureffektivitet på rundt 2 til 5ppm/oC. 9