Płytka edukacyjna dla Arduino

(dokument w opracowaniu)

Płytka BUFFALO BOARD umożliwia wykonywanie ćwiczeń oraz zbudowanie gotowego układu. Wyposażona jest w złącza kablowe z rastrem 5,08mm(200mils) oraz złącza typu goldpin z rastrem 2,54mm(100mils). W złączach dla modułów na płycie, można zamontować poniższe komponenty:

• Arduino Nano lub Arduino Every
• DFplayer MP3
• zegar czasu rzeczywistego DS3231 z pomiarem temperatury
• moduł Bluetooth HC-05/06 lub zgodny
• wybrany moduł zasilacza
• Neopixel
• Mikrostyk
• Potencjometry wieloobrotowe
• transoptory zabezpieczające wejścia
• diody LED jako sygnalizatory stanów logicznych

Tu może kupić płytkę

Wejścia binarne

Płytka posiada sześć wejść binarnych z separacją galwaniczną zrealizowaną za użyciem transoptorów. Każde wejście posiada sygnalizację świetlną informująca o stanie wejścia. Wszystkie wejścia są sterowane minusem(masą).

Wejścia D14, D15, D16 i D17, są wyposażone w zasilanie, które może oferować napięcie z bloku zasilacza czyli do 5V, lub do zasilania głównego np. 12V.

Wejścia D2 i D3 posiadają jedno wspólne zasilanie. Można ich używać identycznie jak pozostałych wejść.

Dostępne jako wejścia są również D4 i D10, które połączono bezpośrednio z mikrokontrolerem.

Wejścia analogowe

Na płytce znajdują się potencjometry wieloobrotowe R19 i R20. Maja one wyprowadzenia z rastrem 2,54mm(100mils). W tych miejscach można wlutować listwę goldpin 1×3 i uzyskać dwa pełnoprawne wejścia analogowe napięciowe 0-5V wyposażone w zasilanie z bloku zasilacza. Idealne do podłączenia zewnętrznych potencjometrów lub czujników z wyjściem analogowym zgodnym z zakresem napięć z Arduino Nano. Przykładowo czujnik temperatury LM35. Możliwa jest również modyfikacja wejść D14, D15 ,D16 i D17 celem uzyskania kolejnych wejść analogowych – opisane w dalszej części artykułu.

Wejścia dla enkodera

Na wejściach D2 i D3 można dołączyć sygnały z enkodera inkrementalnego. Dzięki obsłudze przerwania INT0 na wejściu D2, można wychwytywać impulsy na jednej z faz enkodera i analizować kierunek obrotów a co za tym idzie, wyliczać pozycję. Obok tych wejść zostało umieszczone dodatkowe złącze zasilania, na które można podać napięcie z bloku zasilacza lub bezpośrednio z gniazda zasilającego np. 12V.

Wyjścia binarne

Wyjścia binarne na złączach oferują możliwość sterowania trzech urządzeń za pomocą tranzystorów N-mosfet. Wyjścia D5, D6 i D9 oferują możliwość sterowania z użyciem sygnału PWM. W sekcji modyfikacji, na dole artykułu, opisano możliwość pracy bez tranzystorów. Na płytce są dostępne także dwa bezpośrednie wyprowadzenia portów mikrokontrolera. Są to porty D4 i D10.

Wyjścia D5, D6 i D9 są wyposażone w zaciski zasilania, które podają główne napięcie zasilania – z gniazda PWR.

Wyjścia dźwięku z modułu DFplayer

Płytka zawiera złącze głośnikowe, podłączone bezpośrednio do modułu MP3. Można do tego złącza podłączyć głośnik lub słuchawki monofoniczne. Minimalna rezystancja głośnika to 4 omy. Dodatkowo, sygnał ten jest dostępny na złączu AUDIO na pinach S1 i S2.

Stereofoniczny sygnał, który można podłączyć do wzmacniacza, jest dostępny na złączu AUDIO na pinach L i R. Złącze to dodatkowo oferuje sygnał masy(GND) oraz napięcie z bloku zasilacza.

Porty komunikacyjne

złącze i2C

Złącze i2C jest dostępne jako czteropinowe i znajduje się nad złączem RTC i jest opisane jako i2C BUS i wyposażone jest w zasilanie z bloku zasilacza. Umożliwia to podłączenie wielu urządzeń do jednego portu, takich jak, ekran OLED, ekran LCD, rozszerzenia portów binarnych i analogowych, czujniki temperatury, wilgotności, ciśnienia. Można również spiąć z sobą kolejne płytki BUFFALO BOARD celem stworzenia magistrali do współpracy tych układów. W tej sytuacji nie używa się już połączenia pinów VCC a jedynie GND, SDA i SCL.

złącze UART

Płyta dysponuje wyprowadzonym sprzętowym złączem UART z mikrokontrolera z pinów D0 i D1. Pola lutownicze są tak zorientowane aby była możliwość bezpośredniego przylutowania gotowego modułu Bluetooth np. HC-05, HC-06 czy HM-10. Alternatywny „drugi” port można uzyskać gdy nie używamy odtwarzacza MP3. Wówczas mamy do dyspozycji piny D7, D8, D11 oraz napięcie z bloku zasilacza.

złącze DFPlayer

Złącze dla odtwarzacza MP3 jest dedykowane dla modułu DFPlayer Mini DFR0299 od firmy DFROBOT. Moduł został połączony do Arduino Nano za pomocą D7 i D8 używanych jako UART oraz D11 używanym jako sygnał BUSY. Zasilanie 5V jest doprowadzone z bloku zasilacza.

Blok zasilacza

Płyta BUFFAOLO BOARD została wyposażona w blok zasilania, który można zbudować w oparciu o jedno z poniższych rozwiązań.

• moduł przetwornicy MP1584
• moduł przetwornicy LM2596
• moduł przetwornicy MP2307DN
• moduł przetwornicy Mini360
• moduł przetwornicy w slocie 7805
• stabilizator liniowy 7805 z odpowiednim radiatorem
• zwora, jeśli płytka jest zasilana napięciem 5V DC

Gniazdo zasilania jest zdublowane jako rurkowe 5mm oraz zaciski śrubowe. Ułatwia to, podłączenie zasilania oraz doprowadzenie go, do kolejnych urządzeń. W pełnej konfiguracji ale bez aktywnie działającego modułu MP3, układy na płytce podbierają mniej niż 100mA.

Kolejność montażu elementów

Płytka Buffalo Board jest dostępna również w wersji do samodzielnego montażu. Jest to dobre rozwiązanie dla osób, które chcą montować konkretne funkcjonalności co ograniczy koszt całego przedsięwzięcia i skróci czas potrzebny do uruchomienia. Poniżej znajduje się lista z kolejnymi czynnościami podczas montażu. Zapobiega ona między innymi niespodziewanym trudnościom montażowym.

Lista zalecanych narzędzi

• lutownica kolbowa o mocy minimum 60W
• drut lutowniczy np. LC60 o średnicy 0,5mm
• drut lutowniczy np. LC60 o średnicy 1,0mm, do lutowania złącz
• multimetr do uruchomienia zasilacza i testowania diod LED
• mikroskop cyfrowy do pracy z elementami SMD

Lista czynności

STRONA GÓRNA

Poniższa kolejność zakłada, że użyto złącz śrubowych ARK, które po montażu będą najwyższymi elementami na płytce

• montaż elementów w obudowie 1206, rezystory, diody LED
• montaż diody zasilającej moduł RTC DS3231
• montaż mikrostyku SW1 jeśli nie używasz zwory BTST
• montaż punktu świetlnego SYS WS2812B(jeśli mamy wyregulowaną przetwornicę lub montujemy gotowy stabilizator napięcia)
• montaż listwy goldpin 2×3 dla portów DIGITAL, MP3, AUDIO
• montaż listwy goldpin 1×4 dla portu i2C BUS
• jeśli nie montujemy potencjometrów wieloobrotowych 3296W to możemy zamontować goldpiny 1×3
• jeśli wymagane – zlutowanie zwory BTST
• montaż modułu Bleutooth lub gniazda poziomego
• montaż listwy goldpin 1×5 portu RTC DS3231
• montaż listew goldpin(żeńskie) 1×15 dla Arduino NANO
• montaż listew goldpin(żeńskie) 1×8 dla DFPlayer
• montaż zacisków dla portów wejściowych i wyjściowych oraz zasilania i głośnika

Wygląd płytki po montażu elementów. W kolejnym kroku płytka będzie leżała oparta na złączach śrubowych ARK.

STRONA DOLNA

• montaż elementów w obudowie 1206, rezystory, kondensatory
• montaż diody D21 lub D22 zależnie od wybranego źródła zasilania Arduino Nano,
• montaż tranzystorów N-mosfet w obudowach DPAK
• montaż modułu przetwornicy MP1584 – jeśli tak wybrano

STRONA GÓRNA – kontynuacja montażu

• montaż wybranego modułu zasilania lub zwory
  jeśli nie montowano MP1584 na dolnej stronie
  • moduł przetwornicy LM2596
  • moduł przetwornicy MP2307DN
  • moduł przetwornicy Mini360
  • moduł przetwornicy w slocie 7805
  • stabilizator liniowy 7805 z odpowiednim radiatorem
  • zwora jeśli płytka jest zasilana napięciem 5V DC(wówczas ma być zamontowana D21)
• montaż gniazda zasilania
• montaż potencjometrów wieloobrotowych jeśli wymagane
• REGULACJA NAPIĘCIA przetwornicy
• montaż punktu świetlnego SYS(jeśli nie został zamontowany wcześniej)
• TEST diod LED sygnalizujących stan wejścia i wyjścia(bez włożonego Arduino
  • podłączyć zasilanie zewnętrzne
  • test wejścia – zwarcie zacisku wejścia do zacisku GND
  • test wyjścia – zwarcie zacisku wyjścia do zacisku GND
  • odłączyć zasilanie zewnętrzne
• obsadzenie modułów, Arduino, RTC DS3231 i BLUETOOTH(jeśli wlutowano gniazdo)

MODYFIKACJE

Praca bez mosfetów na wyjściach

Możliwe jest używanie wyjść D5, D6, D9 podłączonych bezpośrednio do mikrokontrolera. Mogą one wówczas służyć zarówno jako wyjścia TTL jak również jako wejścia. Aby to uzyskać należy odpowiadające im kolejno rezystory R230, R220 i R210 zastąpić zworkami 0R oraz przylutować zworki 0R pomiędzy bramką i drenem jak na poniższym rysunku.

Pominięcie transoptorów na wejściach D2 i D3

Jeśli nie montujemy transoptorów dla wejść A i B wówczas, możemy zlutować zworki, które się pod nimi znajdują. Złącza D2 i D3 zostaną połączone bezpośrednio z zaciskami śrubowymi. W tej sytuacji również nie montujemy rezystorów R150 i R152. Należy również rozważyć czy montaż diod LED A i B wraz z ich rezystorami R151 i R153 nie wpłynie negatywnie na pracę budowanego układu.

Wejścia analogowe A0, A1, A2, A3

Wejścia binarne D14, D15, D16 i D17, mogą również rolę wejść analogowych A0, A1, A2 i A3. Poniższy obrazek ukazuje wymaganą modyfikację dla każdego z kanałów wejściowych. Przykładowo, aby wejście D14 było dostępne jako wejście analogowe A0 należy nie montować rezystorów R140 i R141 oraz diody LED D140, jak również, transoptora znajdującego się poniżej tych elementów. Dodatkowo, w miejscu transoptora należy wykonać połączenie elektryczne oznaczone niebieską linią.