So verbinden Sie eine LED mit einem Arduino-Board

Die Arduino-Plattform ist auf der ganzen Welt sehr beliebt. Ein ideales Werkzeug für die ersten Schritte in der Entwicklung von Programmierung und Hardwareverwaltung. Mit zunehmender Kompetenz können Sie die Architektur durch Hinzufügen von Peripheriegeräten skalieren und komplexere Systeme bauen, die komplexere Programme ausführen. Arduino Uno- und Arduino Nano-Boards eignen sich für die Erstausbildung. An ihrem Beispiel wird der Anschluss der LED an den Arduino betrachtet.

Was ist Arduino Uno und Arduino Nano?

Die Basis des Arduino Uno Boards ist der Mikrocontroller ATmega328. Es hat auch zusätzliche Elemente:

• Quarzresonator;
• Reset-Knopf;
• USB-Anschluss;
• integrierter Spannungsstabilisator;
• Stecker;
• mehrere LEDs zur Anzeige von Modi;
• Kommunikationschip für USB-Kanal;
• Stecker für In-Circuit-Programmierung;
• ein paar mehr aktive und passive Elemente.

All dies ermöglicht es Ihnen, die ersten Schritte ohne Verwendung eines Lötkolbens zu unternehmen und die Phase der Herstellung einer Leiterplatte zu vermeiden.Die Stromversorgung erfolgt über eine externe Spannungsquelle von 7..12 V oder über einen USB-Anschluss. Darüber wird das Modul mit dem PC verbunden, um die Skizze herunterzuladen. Das Board verfügt über eine 3,3-V-Spannungsquelle zur Versorgung externer Geräte. Für den Betrieb stehen 6, 14 universelle digitale Ausgänge zur Verfügung. Die Belastbarkeit des Digitalausgangs bei Versorgung mit 5 V beträgt 40 mA. Das bedeutet, dass über eine LED direkt daran angeschlossen werden kann Begrenzungswiderstand.

Arduino Uno.

Das Arduino Nano-Board ist vollständig kompatibel mit dem Uno, aber kleiner und weist einige Unterschiede und Vereinfachungen auf, die in der Tabelle angegeben sind.

Arduino-Nano.

Die Unterschiede sind nicht grundlegend und spielen für das Thema der Überprüfung keine Rolle.

Was Sie brauchen, um LED mit Arduino-Board zu verbinden

Für den Anschluss der LED gibt es zwei Möglichkeiten. Zu Lernzwecken können Sie beliebige auswählen.

1. Verwenden Sie die eingebaute LED. In diesem Fall wird außer einem Kabel zum Anschluss an einen PC über einen USB-Anschluss nichts weiter benötigt - für Stromversorgung und Programmierung. Es macht keinen Sinn, das Board mit einer externen Spannungsquelle zu versorgen: Der Stromverbrauch ist gering.
   USB-A-B-Kabel zum Verbinden von Arduino Uno mit dem PC.
2. Schließen Sie externe LEDs an. Hier benötigen Sie zusätzlich:
   • die LED selbst;
   • Strombegrenzungswiderstand mit einer Leistung von 0,25 W (oder mehr) mit einem Nennwert von 250-1000 Ohm (je nach LED);
   • Drähte und ein Lötkolben zum Anschließen eines externen Stromkreises.

Anschließen einer externen LED direkt an den Controller-Ausgang.

LEDs sind als Kathode mit einem beliebigen Digitalausgang des Mikrocontrollers verbunden, die Anode mit einem gemeinsamen Draht über einen Ballastwiderstand. Bei einer großen Anzahl von LEDs kann eine zusätzliche Stromquelle erforderlich sein.

Ist es möglich, mehrere LEDs an einen Ausgang anzuschließen?

Es kann erforderlich sein, eine externe LED oder LED-Gruppe an einen der Ausgänge anzuschließen. Die Belastbarkeit eines Ausgangs des Mikrocontrollers ist, wie erwähnt, gering. Daran können ein oder zwei LEDs mit einer Stromaufnahme von 15 mA direkt parallel angeschlossen werden. Es lohnt sich nicht, die Überlebensfähigkeit des Ausgangs mit einer Belastung am Rande des Möglichen oder Überschreitens zu testen. Es ist besser, einen Schalter an einem Transistor zu verwenden (Feld oder bipolar).

Anschließen einer LED über einen Transistorschalter an einer bipolaren Triode.

Widerstand R1 muss so gewählt werden, dass der Strom durch ihn die Belastbarkeit des Ausgangs nicht übersteigt. Es ist besser, die Hälfte oder weniger des Maximums zu nehmen. Also, um einen moderaten Strom einzustellen 10mA, sollte der Widerstand bei 5 Volt Versorgung sein 500 Ohm.

Jede LED muss einen eigenen Ballastwiderstand haben, es ist unerwünscht, ihn durch einen gemeinsamen zu ersetzen. Rbal wird gewählt, um seinen Betriebsstrom durch jede LED einzustellen. Also bei einer Versorgungsspannung von 5 Volt und einem Strom von 20mA, sollte der Widerstand 250 Ohm oder den nächsten Standardwert betragen.

Es muss sichergestellt werden, dass der Gesamtstrom durch den Kollektor des Transistors seinen Maximalwert nicht überschreitet. Für den KT3102-Transistor sollte der größte Ik also auf 100 mA begrenzt sein. Das bedeutet, dass nicht mehr als 6 LEDs mit Strom daran angeschlossen werden können. 15mA. Wenn dies nicht ausreicht, muss ein leistungsfähigerer Schlüssel verwendet werden.Dies ist die einzige Einschränkung für die Auswahl eines n-p-n-Transistors in einer solchen Schaltung. Auch hier muss theoretisch die Verstärkung der Triode berücksichtigt werden, aber für diese Bedingungen (Eingangsstrom 10 mA, Ausgang 100) sollte sie nur mindestens 10 betragen. Jeder moderne Transistor kann eine solche h21e erzeugen.

Eine solche Schaltung ist nicht nur dazu geeignet, den Stromausgang des Mikrocontrollers zu verstärken. So können Sie ausreichend leistungsstarke Aktoren (Relais, Magnetspulen, Elektromotoren) anschließen, die mit erhöhter Spannung (z. B. 12 Volt) betrieben werden. Bei der Berechnung müssen Sie den entsprechenden Spannungswert nehmen.

Sie können auch verwenden, um Tasten auszuführen MOSFETs, aber sie benötigen möglicherweise eine höhere Spannung zum Öffnen, als der Arduino ausgeben kann. In diesem Fall müssen zusätzliche Schaltungen und Elemente bereitgestellt werden. Um dies zu vermeiden, müssen die sogenannten "digitalen" Feldeffekttransistoren verwendet werden - sie benötigen 5 Volt öffnen. Aber sie sind seltener.

Programmgesteuertes Steuern einer LED

Das einfache Anschließen einer LED an den Ausgang des Mikrocontrollers bringt wenig. Es ist notwendig, die Steuerung der LED vom Arduino programmgesteuert zu beherrschen. Dies kann in der Arduino-Sprache erfolgen, die auf C (C) basiert. Diese Programmiersprache ist eine Anpassung von C für das anfängliche Lernen. Nachdem Sie es gemeistert haben, wird der Übergang zu C ++ einfach sein. Um Skizzen (wie Programme für Arduino genannt werden) zu schreiben und sie live zu debuggen, müssen Sie Folgendes tun:

• installieren Sie die Arduino IDE auf einem PC;
• Möglicherweise müssen Sie einen Treiber für den USB-Kommunikationschip installieren.
• Verbinden Sie das Board mit einem USB-MicroUSB-Kabel mit einem PC.

Die Oberfläche der Entwicklungsumgebung Arduino IDE ist eine Einladung, ein Programm zu schreiben.

Computersimulatoren können verwendet werden, um einfache Programme und Schaltungen zu debuggen. Die Simulation des Betriebs von Arduino Uno- und Nano-Boards wird beispielsweise von Proteus (ab Version 8) unterstützt. Der Vorteil des Simulators besteht darin, dass es unmöglich ist, die Hardware mit einer falsch zusammengebauten Schaltung zu deaktivieren.

Simulation des Arduino mit angeschlossener LED in Proteus 8.23.

Skizzen bestehen aus zwei Modulen:

• Konfiguration - wird einmalig beim Programmstart ausgeführt, initialisiert Variablen und Betriebsarten der Hardware;
• Schleife – wird zyklisch nach dem Setup-Block bis unendlich ausgeführt.

Zum LED-Anschluss Sie können einen der 14 freien Pins (Pins) verwenden, die oft fälschlicherweise als Ports bezeichnet werden. Tatsächlich ist der Port einfach gesagt eine Gruppe von Stiften. Pin ist nur ein Element.

Ein Beispiel für die Steuerung wird für Pin 13 betrachtet - eine LED ist bereits auf der Platine damit verbunden (über einen Verstärkerfolger auf der Uno-Platine, über einen Widerstand auf dem Nano). Um mit einem Port-Pin zu arbeiten, muss er im Eingabe- oder Ausgabemodus konfiguriert werden. Es ist bequem, dies im Setup-Body zu tun, aber nicht notwendig – das Ausgabeziel kann dynamisch geändert werden. Das heißt, während der Ausführung des Programms kann der Port entweder für die Eingabe oder für die Datenausgabe arbeiten.

Die Initialisierung von Pin 13 des Arduino (Pin PB5 von Port B des Mikrocontrollers ATmega 328) ist wie folgt:

ungültige Einrichtung ()

{

PinMode (13, Ausgang);

}

Nach Ausführung dieses Befehls arbeitet Pin 13 der Platine im Ausgangsmodus, standardmäßig ist er logisch niedrig. Während der Ausführung des Programms kann es mit Null oder Eins beschrieben werden. Der Unit-Record sieht so aus:

Leere Schleife ()

{

digitalWrite (13, HOCH);

}

Jetzt wird Pin 13 der Platine hoch gesetzt - eine logische Eins, und es kann verwendet werden, um die LED zu beleuchten.

Um die LED auszuschalten, müssen Sie den Ausgang auf Null setzen:

digitalWrite (13, NIEDRIG);

Indem Sie also abwechselnd Eins und Null in das entsprechende Bit des Portregisters schreiben, können Sie externe Geräte steuern.

Jetzt können Sie das Arduino-Programm komplizieren, um die LED zu steuern, und lernen, wie das lichtemittierende Element blinkt:

ungültige Einrichtung ()

{

PinMode (13, Ausgang);

}

Leere Schleife ()

{

digitalWrite (13, HOCH);

Verzögerung (1000);

digitalWrite (13, NIEDRIG);

Verzögerung (1000);

}

Mannschaft Verzögerung (1000) erzeugt eine Verzögerung von 1000 Millisekunden oder einer Sekunde. Durch Ändern dieses Werts können Sie die Frequenz oder den Arbeitszyklus des LED-Blinkens ändern. Wenn eine externe LED an einen anderen Ausgang der Platine angeschlossen ist, müssen Sie im Programm anstelle von 13 die Nummer des ausgewählten Pins angeben.

Zur Verdeutlichung empfehlen wir eine Reihe von Videos.

Nachdem Sie die LED-Verbindungen zum Arduino gemeistert und gelernt haben, wie man es steuert, können Sie auf eine neue Ebene aufsteigen und andere, komplexere Programme schreiben. Sie können zum Beispiel lernen, wie man zwei oder mehr LEDs mit einem Knopf schaltet, die Blinkfrequenz mit einem externen Potentiometer ändert, die Helligkeit des Leuchtens mit PWM regelt, die Farbe eines RGB-Emitters ändert. Das Aufgabenniveau ist nur durch die Vorstellungskraft begrenzt.