Arduino platformasi va elektron ijodkorlik
Oquv qollanma
Boxodir Xoshimovich Karimov
Axliddin Mirzoxidovich Qo'chqorov
Mirzxodjon Murodjonovich To'xtasinov
Muharrir Ibratjon Xatamovich Aliyev
Muharrir Sa'lim Madraximovich Otajonov
Illustrator Boxodir Xoshimovich Karimov
Illustrator Ra'noxon Mukaramovna Aliyeva
Illustrator Asilbek Raxmonaliyevich To'xtasinov
Редактор Boxodir Xoshimovich Karimov
Muqova dizayni Ibratjon Xatamovich Aliyev
Taqrizchi, fizika-matematika fanlari doktori, Farg'ona Davlat Universiteti fizika-texnika fakulteti "Texnologik ta'lim" kafedrasi professori Salim Madraximovich Otajonov
Taqrizchi, fizika-matematika fanlari doktori, Farg'ona Politexnika Instituti "Fizika" kafedrasi professori Nomonjon Sultonov
Tuzatuvchi Boxodir Xoshimovich Karimov
Tuzatuvchi Ibratjon Xoshimovich Aliyev
© Boxodir Xoshimovich Karimov, 2024
© Axliddin Mirzoxidovich Qo'chqorov, 2024
© Mirzxodjon Murodjonovich To'xtasinov, 2024
ISBN 978-5-0062-8440-1
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Tavsiya etilgan oquv qollanmasi avtomatizasiya va robototexnikada boyicha loyihalarda mikrokontrollerlarni tashqi muhit bilan aloqada bolishidan foydalanib, dasturlashga kiruvchi talabalarga yo`naltirilgan.
Oquv qollanmasi Arduino IDE muhitida Arduino platasini programmalashtirish tili yoritilgan bolib, amaliyotda qollaniluvchi amaliy loyihalar keltirilgan. Qollanmada amaliyotda qollaniladigan, yechimi tugallangan Arduino asosidagi koplab amaliy loyihalar yoritilgan. Qollanmada keltirilgan loyihalardan oquv jarayoni, sanoat, qishloq xojaligi, meditsina va boshqa sohalarda qollash imkonlari keltirilgan.
Arduino-havaskorlar va professionallar uchun dasturiy va texnik taminotlar yigindisidan iborat bolgan platforma. Arduino bir nechta texnologiyani birlashtirgan bolib, uning yordamida aqlli qurilmalar yaratish va oquv jarayoniga tadbiq etish mumkin.
Arduino platasi ozida maxsus mikrokontroller va boshqa elektronika qurilmalarni mujassamlashtirgan qurilma. Ularning ishlatilish maqsadiga qarab, NANO, UNO, MEGA va boshqalardan foydalaniladi. Oquv qollanma asosan, Arduino UNO platasining texnik parametrlari va u yordamida programmalar yozish, yuklash, sxema yigish hamda loyihani ishlatish boyicha malumotlar keltirilgan.
O«quv qollanmada 10dan ortiq loyihalar keltirilgan.
Talabalar ushbu oquv qollanmadan foydalanib, loyihalarni amalga oshirish natijasida fizika qonunlari, avtomatizatsiya va robototexnika boyicha bilimlarini boyitadi. Shu bilan birga mustaqil ravishda ozlarining loyihalarini yaratadi.
Talabalar maruza mavzusi bilan tanishgandan song, oquv qollanmada keltirilgan kichik loyihalarni mustaqil bajarib koradi. Loyihalarni bajarishda mustaqil programma yozadi yoki internet orqali murakkab loyihalar uchun kerak bolgan dasturlar yuklab olinadi.
Oquv qollanmasidan talabalar, havaskorlar, oqituvchilar va professionallar foydalanishlari mumkin.
KIRISH
Birinchi mikrokontrollerning yaratilishi mikroprotsessor texnikasining rivojlanishiga katta turtki boldi. Mikrokontrollerda koplab sistema qurilmalari bolganligi sababli, odatiy kompyuter deb qarash mumkin. Adabiyotlarda ularni bir krisstalli mikroEXM deb ataladi. Mikrokontrollerni odatiy kompyuter sifatida amaliy qollashda bir qator qiyinchiliklar bor edi. Mikrokontrollerda qurilma yigish uchun sxemotexnika asoslari, bironta jarayon uchun qurilma va ishlash prinsipini, assembler tilida programmalashtirish hamda elektron qurilmalarni tayyorlashni bilish kerak. Shu bilan birga programmatorlar, sozlash ishlari va boshqa yordamchi qurilmalar talab etiladi. Bu esa katta bilim va qimmatli qurilmalarsiz natijaga erishib bolmas edi. Koplab havaskorlar uchun mikrokontrollerni oz loyihalarida ishlatish imkoni yoq edi. Hozirda mikrokontroller asosidagi qurilmalarni paydo bolishi natijasida, jiddiy material baza va maxsus fanlar boyicha bilimga ega bolmasdan ham loyihalar yaratilish imkoni yuzaga keldi.
Bunga misol qilib, Italiyalik ixtirochilar tomonidan loyihalangan Arduino platformasini olish mumkin.
Arduino va uning klonlari tayyor elektron blok va programma taminotidan iborat bolgan toplamdan iborat. Elektron blok Arduino ishlashi uchun mikrokontroller ornatilgan pechat platasi va minimum elementlardan tashkil topgan.
Arduinoning elektron bloki hozirgi zamonaviy kompyuterning «Ona» platasini analogi hisoblanadi. Unda tashqi qurilmalarni ulash uchun uyachalar (razyomlar) va mikrokontrollerni programmalashtirish uchun kompyuter bilan boglovchi ulovchi USB kabel mavjud.
Atmel firmasi tomonidan chiqarilgan ATmega mikrokontrolleri maxsus programmalar talab qilmasdan programmalashtiriladi. Yangi elektron qurilmani yaratish uchun Arduino platasi, ulovchi kabel va kompyuter talab qilinadi. Loyihaning ikkinchi qismida boshqariluvchi programmani hosil qilish uchun, programmalashtirish taminoti zarur. U ozida oddiy ishlab chiqish muhiti va mikrokontrollerni С++ variantidagi programmalashtirish tili birlashtirgan. Unga programmalarni yaratishda apparat qismini organish zarur bolmagan elementlar qoshilgan. Arduino bilan ishlash uchun С++ programmalashtirish asoslari boyicha bilimga ega bolish talab etiladi. Arduinoda turli qurilmalarni ishlatish uchun, kodlardan tashkil topgan, koplab kutubxonalar mavjud.
Arduinoning qulayligi. Foydalanuvchilar zamonaviy kompyuterda ishlashda, shaxsiy kompyuterning ayrim qismlarining funksiyalarini bilishi shart emas. Arduino tarmoqqa ulab programma ishga tushiriladi, natijada sxema ishlashni boshlaydi. Xuddi shunday Arduinoda ham, uning tuzilishi va ishlash prinsipini organmasdan, oquvchi, talaba va yoshlar ozining loyihalari ustida ishlaydi. Shu bilan birga tugallangan plata va modulni yaratishga xojat qolmaydi. Ixtirochi tayyor kengaytirilgan platadan foydalanishi yoki kerakli detallarni togridan togri Arduinoga ulashi mumkin. Qolgan kuchni loyihalash va boshqaruvchi programmani sozlashga sarf qilinadi. Natijada mikroprotsessorda loyihalar yaratish professionallar emas, balki havaskorlar ham loyihalash imkoni yaratiladi. Tayyor modullar va programmalar bibliotekasi bolishi, havaskorlarga ozlarining ishlovchi qurilmalarini loyihalash va ishlatish imkonini berdi. Arduino platformasidan foydalanib, elektron qurilmalar yaratish, oquv jarayonida qollash, robortlar yaratish imkonini beradi.
Arduinoni yaratilish tarixi. 2002 yili Italiyalik programmist Massimo Bansi (Massimo Banzi) Ivera (Interaction Design Institute Ivrea, IDII) shahridagi loyihalash institutiga dotsent lavozimiga ishga qabul qilindi. Uning maqsadi yangi interaktiv loyihalar usulini yaratishdan iborat edi. Biroq uning mablagi kamligi va laboratoriyaga kirishga ruhsati yoqligi hamda vaqti kamligi sababli, uning imkoniyati cheklangan edi.
Bansi ozining loyihalarida Koliforniya Parallax kompaniyasi ishlab chiqargan kichik plataga ornatilgan taminlash manbasi, xotiraga ega bolgan mikrokontroller, turli xil qurilmalarga ulashga moljallangan kirish va chiqish portlari ega bolgan BASIC Stamp qurilmasidan foydalangan. Mikrokontrollerni programmalashtirish BASIC tilida amalga oshirilgan. BASIC Stampda ikkita muammo bor edi: birinchidan uning hisoblash quvvati kam va nisbatan qimmat 100 dollor edi. Bu talabalarga qimmatlik qilar edi.
Bansi mustaqil ravishda yuqoridagi shartlarga javob beruvchi platani yaratishga qaror qildi. Bansi ozining xodimlari bilan sodda, ochiq va talaba va yoshlar chontagiga bob 30 dollor atrofidagi qurilma yaratishni maqsad qilib qoydi. Ular boshqa ishlab chiqaruvchilardan farqli, chiqiqlarni iqtisod qilmasdan ularni kopaytirdi va rangini odatiy yashil rangdan farqli kok rangda qilishga qaror qildi. Ular tomonidan tayyorlangan qurilma arzon va koplab topiluvchi komponentlardan iborat bolib, ATmega328 mikrokontrolleri bazasida tayyorlangan. Ularning asosiy maqsadlaridan biri foydalanuvchi plug-and-play prinsipiga kora qurilmani qutidan olib, kompyuterga ulagan zamon ishga tushishi kerak edi. Birinchi prtotatipi 2005 yili tayyorlanib, oddiy dizaynga ega bolib Arduino deb nomlandi. Keyinchalik Massimo Bansi Ivrea shahrida joylashgan ozining bari nomiga qurilmani «Arduino» deb nomladi. «Arduino» brendi hech qanday reklamasiz va marketingni talab qilmasdan internet orqali ommabop boldi.
Boshlanishda 250 mingta Arduino komplekti sotildi. Dunyoda Arduino mahsuloti bilan katta kompaniyalar SparkFun Electronicsdan tortib to kichik kompaniyalar shugullanuvchilar distribyutorlar soni 200dan ortiq. Hozirda Arduino platformasi bitta bolmasdan, bir qator oilasi mavjud. Ozlarining loyihalarida Arduino UNO, yangi quvvatli muhitga ega bolgan modellardan, Arduino Mega, kompat modeli Arduino Nano, suv otkazmaydigan qutiga joylashtirilgan LilyPad Arduino, Cortex M3 ARM 32 razryad protsessorli Arduino Due yangi versiyalari mavjud.
Arduinoda loyihalar yaratishda Processing tilidan va Wiring platformasidan foydalandi. Arduino platformasi yaratilishi natijasida foydalanuvchi uchun qulay muhit yaratildi. Arduino yaratilgungacha mikrokontrollerni programmalashtirish uchun koplab mehnat qilish kerak edi. Arduino yaratilishi natijasida elektron qurilmalar boyicha tajribaga ega bolmasdan ham, elektronika olamiga kirish mumkin. Havaskor kop vaqt sarf qilmasdan qisqa vaqt ichida ishchi holatdagi qurilmalarni loyihalashi va ishlatishi mumkin.
Massimo Bansi fikricha 50 yil oldin programmani yozish uchun oq holatdagi bir qator programmistlardan iborat bolgan komanda va elektron lampalarni biluvchi mutaxasislar kerak edi. Arduino yaratilishi natijasida, koplab insonlar uchun mustaqil holda loyihalarini yaratish imkoni yuzaga keldi. Elektronikaga qiziqqan inson Arduino platformasi yordamida ozining yangi loyiha va qurilmalarini yaratish imkoni yuzaga keldi.
I -bob. ARDUINO PLATASINING VERSIYALARI
Arduino platasining bir qator versiyalari mavjud. Arduino platasining asosiy versiyalarining modellari qoyidagilar:
1. Due Cortex-M3 ARM SAM3U4E mikroprotsessori 32-bit ARM bazasi asosidagi plata;
2. Leonardo ATmega32U4 mikrokontrolleri asosidagi plata;
3. UNO Arduino platformasi asosidagi eng kop qollaniladigan versiya;
4. DuemilanoveATmega168 yoki ATmega328 mikrokontrollere asosidagi plata;
5. Diecimila Arduino USB platformasi asosidagi versiya;
6. Nano maket sifatida ishlovchi kompakt platforma. Nano kompyuteri USB Mini B kabeli orqali ulanadi;
7. Mega ADK na Android telefoni va boshqa USB interfeysli qurilmalarda aloqani USB-host interfeysini qollovchi Mega 2560 versiyali plata;
8. Mega 2560 USB-port orqali ketma-ket ulanuvchi ATMega8U2 chipi asosidagi ATmega 2560 mikrokontrolleri bazasidagi plata;
9. Mega ATmega 1280 mikrokontrolleri bazasidagi Mega seriyali versiyasi;
10. ArduinoBT programmalashtirish va simsiz aloqa uchun Bluetooth moduli platforma;
11. LilyPad tabiiy tola materiallariga biriktiriluvchi platforma;
12. Fio simsiz uzatish uchun moljallangan platforma. Fio XBee radio uchun ulash uyasi, LiPo batareyasi zaryadlash uchun ulash uyasi mavjud;
13. Mini eng kichik Arduino platformasi;
14. Pro tajribali qollanuvchilar uchun yaratilgan platforma bolib, katta proektlarni yaratish imkoni mavjud;
15. Pro Mini Pro platformasi singani, tajribali qollanuvchilar ishlab chiqilgan bolib, uning narxi arzon, olchami kichik va qoshimcha funksiyalari mavjud.
1.1. ProMini Arduinosi
Arduino Pro Mini (1.1-rasm) ATmega168 mikrokontrolleri asosida tayyorlangan.
1.1-rasm. Pro Mini Arduino platasi
1.1-jadvalda Pro Mini Arduino platasining xarakteristikalari keltirilgan.
Arduino Pro Mini FTDI kabel orqali taminlanadi, yoki VCC chiqiq orqali
3,3V yoki 5V kuchlanish bilan va RAW chiqiq orqali boshqarilmaydigan manba orqali taminlanadi.
Taminlash chiqiqlari:
1. RAW boshqarilmaydigan kuchlanish orqali ulash;
2. VCC 3,3V yoki 5V boshqariladigan kuchlanishni ulash;
3. GND yerga ulash chiqiqlari.
1.2.Nano Arduinosi
ATmega168 (Arduino Nano2.x) mikrokontrolleri Nano platformasi (1.2-rasm), ATmega 328 (ArduinoNano 3.0) yoki asosida tuzilgan, bolib kichik olchamga va u laboratoriya ishlarida qollaniladi. Nano Arduino platasi kompyuterga ulangan USB Mini orqali kuchlanish olinishi mumkin yoki boshqarilmaydigan 620V (30 chiqiq) yoki boshqariluvchi 5V (27 chiqiq), tashqi taminlash manbasidan olinadi. Yuqori kuchlanshli manba avtomatik tanlanadi.
1.2-rasm. Nano Arduino platasi
Nano Arduino platasining xarakteristikalari 1.2-jadvalda keltirilgan.
1.3. UNO Arduinosi
UNO Arduino platformasi ATmega328 (1.3-rasm) mikrokontrolleri asosida tuzilgan. Kompyuter bilan aloqa qilish uchun FTDI USB mikrokontroller USB orqali ulanadi. Yangi UNO Arduinsida ATmega8U2 mikrokontrollerdan foydalaniladi.
1.3-rasm. UNO Arduino platasi
UNO Arduino platasining xarakteristikalari 1.3-jadvalda keltirilgan.
1.4. Mega Arduinosi
Mega Arduinosi Atmega 2560. (1.4-rasm) mikrokontrolleri asosida tuzilgan.
1.4-rasm. Mega Arduino platasi
Mega Arduino platasining xarakteristikalari 1.4-jadvalda keltirilgan.
2-bob. ARDUINO PROGRAMMALARI VA DRAYVERLARINI YUKLASH
Arduino platformasi bilan ishni boshlashdan oldin, Arduino va USB kabelning programmasini internetdan foydalanib yuklab olish zarur. Bu programmalar bepul yuklab olinadi. Pullik versiyalari ham mavjud.
2.1. IDE Arduino ishlash muhitini yuklab oling
Arduino-elektron konstruktor bolib, professionallar va havaskorlarga elektron qurilmalarni tezda yaratish uchun qulay platforma. Platformani keng tarqalishiga sabab, uning programmalashtirish tilining qulayligi, arxitektura hamda programmalashtirish kodining ochiqligi. Programmalashtirsh programmatorsiz amalga oshiriladi.
Arduino platasi chiroyli kok rangda. Arduino kichik shaxsiy kompyuter bolib, virtual olamdan fizik olamga chiqib, muhit bilan tasirlashadi. Arduino bazasidagi qurilmalar turli xil datchiklar orqali tashqi muhitdan informatsiya oladi, shu bilan birga bajaruvchi qurilmalar bilan bajariladi.
Arduino asosidagi loyihalar mustaqil ishlaydi yoki kompyuterining programmasi bilan ozaro tasirlashadi.
O«quv qollanmasida keng tarqalgan Arduino versiyalari (Nano, UNO, Mega) bilan tanishamiz.
Arduino UNO bir qator asosiy ishlab chiqilgan platalardan bolib, (Mega, Nano va h.z.), ATmega328 mikrokontrolleri asosida tayyorlangan. Uning asosiy yutuqlaridan biri, uning keng tarmoqlarni qollab quvvatlashi hamda universalligidir.
2.1-rasm. Kompyuterlarning operatsion sistemalari
Arduino UNO 14 kirish va chiqish raqamli portlari mavjud bolib, undan oltitasidan SHIM signallari olinadi Shu bilan birga oltita kirish analog portlari mavjud. 16 MGsli generator, USB port, taminlash manbasining uyasi (razyomi), tashlab yuborish knopkasi, ICSP razyomi mavjud.