Урок по Arduino №2: для чего нужны аналоговые входы на Arduino и как их использовать?

Урок 2: Для чего нужны аналоговые входы на Arduino и как их использовать?

Пины (выводы) микроконтроллеров можно настроить так, чтобы они либо выдавали сигнал, либо его считывали, то есть работать либо как вход, либо как выход. Но сигналы бывают цифровыми и аналоговыми. Цифровой сигнал принимает два значения — единицу или ноль, ну или высокое (HIGH) и низкое (LOW). Но вот аналоговый сигнал плавно изменяется и может принимать любое значение.

Рассмотрим небольшую аналогию со светом. В простейшем вы говорите «светло» или «темно». Если перевести это в цифровой сигнал, то достаточно 1 бита, чтобы передать такой объём информации, например:

Если передать больше информации, то потребуется больше бит, например:

• 00 — кромешная тьма;
• 01 — сумерки;
• 10 — достаточно светло;
• 11 — слишком яркий свет.

Но если рассказать об этом подробнее, то ответ уже не будет столь однозначным. Появляются такие данные, как насколько конкретно светло или темно, какая цветовая температура у света (тёплый или холодный), направленный свет или рассеянный, с какой стороны он светит и так далее. Получается, что чем более полное описание чего-нибудь вы даёте, тем больше данных нужно передать. Ну а в мире микроконтроллеров и цифровых устройств потребуется больше бит, чтобы записать и передать эту информацию.

Закончим с аналогиями и вернемся к электронике, как уже отмечалось ранее, цифровой сигнал может принимать два значения — логической ноль или единицу, аналоговый же сигнал принимает бесконечное множество значений.

Чтобы преобразовать сигнал из аналогового в цифровой используют АЦП (аналогово-цифровые преобразователи). Они различаются по количеству бит, или простыми словами, по количеству единиц и нулей, в которых представляется тот или иной сигнал. Например, в ардуино АЦП 10-битный, то есть, что он может принимать 2 в 10-й степени значений, а именно 1024.

При этом аналоговый вход ардуины может принимать сигнал значение от 0 до 5 вольт, то есть вы можете считывать (измерять) напряжение от 0 до 5 вольт с точностью: 5/1024=0,005 вольта.

Почему analogRead() возвращает значение от 0 до 1023?

Это связано с разрешением АЦП. Разрешение (в рамках этой статьи) – это степень, в которой что-то может быть представлено численно. Чем выше разрешение, тем выше точность, с которой что-то можно представить. Мы измеряем разрешение в терминах количества бит разрешения.

Например, 1-битное разрешение позволит использовать только два (два в степени одного) значения – ноль и единицу. 2-битное разрешение позволило бы получить четыре (два в степени двух) значения – ноль, один, два и три. Если мы попытаемся измерить диапазон в пять вольт с двухбитным разрешением, а измеренное напряжение будет равно четырем вольтам, наш АЦП вернет числовое значение 3 – при падении четырех вольт между 3,75 и 5В. Проще представить это с изображением выше.

Таким образом, в нашем примере АЦП с 2-битным разрешением может представлять напряжение только с четырьмя возможными результирующими значениями. Если входное напряжение падает между 0 и 1,25, АЦП возвращает цифру 0; если напряжение падает между 1,25 и 2,5, АЦП возвращает числовое значение 1. И так далее. С диапазоном АЦП нашего Arduino от 0 до 1023 – у нас есть 1024 возможных значения – или от 2 до 10, поэтому у наших Arduino есть АЦП с 10-битным разрешением.

Входы и выходы

Arduino Nano предоставляет пользователю 14 цифровых и 6 аналоговых выводов.

Цифровые двухнаправленные выводы. Выводы имеют обозначения D0-D13, и способны работать в двух направлениях, т.е. каждый из них может быть как входом, так и выходом. Помимо этого, для каждого цифрового пина имеется возможность программно включить подтягивающий резистор (pull up resistor), соединённый с плюсом питания микроконтроллера. Номинал подтягивающего резистора лежит в диапазоне 20-50кОм.

Аналоговые выводы. Выводы имеют обозначения А0-А5. Каждый из них соединён со встроенным 10-битным АЦП микроконтроллера ATMega328. Это означает, что мы можем одновременно измерять 6 напряжений и получать по 1024 значения для каждого канала. По умолчанию диапазон измеряемого напряжения равен 0-5В, т.е. при 0В значение АЦП будет равно 0, а при 5В значение АЦП станет равным 1023. Этот диапазон можно изменить подачей на вывод AREF своего опорного напряжения, которое станет верхней границей измерения. Если в аналоговых выводах нет необходимости, они без проблем могут использоваться как цифровые.

UART порт – последовательный интерфейс использует цифровые выводы 0 (RX) и 1 (TX). Используются для получения (RX) и передачи (TX) данных по последовательному интерфейсу. Эти выводы соединены с соответствующими выводами микросхемы ATmega8U2, выполняющей роль преобразователя USB-UART.

Внешние прерывания (Прерываение – когда программа останавливает выполнение основного кода и производит выполнение кода прерывания) – для внешний прерываний используются цифровые выводы 2 и 3. Выводы могут конфигурироваться на вызов различных прерываний: на переднем или заднем фронте, при изменении значения, на младшем значении.

I2C интерфейс (I2C – низкоскоростной последовательный протокол связи, подходящий для передачи данных на короткие расстояния) использует аналогоэ выводы A4 и A5 – контакты I2C (SDA и SCL соответственно).

Встроенный светодиод (build led) – использует цифровый вывод 13. При отправке значения HIGH светодиод включается, при отправке LOW – выключается.

Интерфейс SPI (англ. Serial Peripheral Interface, SPI bus — последовательный периферийный интерфейс, шина SPI) использует цифровые выводы 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). С применением библиотеки SPI данные выводы могут осуществлять связь по интерфейсу SPI.

По производителю

Существуют как официальные версии плат Arduino, так и платы от сторонних производителей. Оригинальные платы отличаются высоким качеством продукта, но и цена тоже выше. Они производятся только в Италии и США, о чём свидетельствует надпись на самой плате.

На примере самой популярной платы Arduino UNO:

• Оригинальная плата. Поставляется только в фирменной коробке, имеет логотип компании, на портах платы — маркировка. Цена от производителя 20 €.

• Плата от стороннего производителя. Качество хуже, однако цена начинается от 150 рублей. Качество платы может отразиться на её работоспособности в дальнейшем. Хоть это и редкость, но плата и вовсе может не работать «из коробки» — всё зависит от добросовестности изготовителя и продавца. Для работы с подобными платами требуется драйвер CH340, который находится в свободном доступе. Во всём остальном процесс разработки идентичен процессу разработки на оригинальных платах.

ESP8266 vs ESP32

Вкратце сравню ESP8266 с ESP32.

	ESP8266	ESP32
MCU	Xtensa Single-core 32-bit L106	Xtensa Dual-Core 32-bit LX6 with 600 DMIPS
802.11 b/g/n Wi-Fi	HT20	HT40
Bluetooth	X	Bluetooth 4.2 and BLE
Typical Frequency	80 MHz	160 MHz
SRAM	X	✓
Flash	X	✓
GPIO	17	36
Hardware /Software PWM	None / 8 channels	None / 16 channels
SPI/I2C/I2S/UART	2/1/2/2	4/2/2/2
ADC	10-bit	12-bit
CAN	X	✓
Ethernet MAC Interface	X	✓
Touch Sensor	X	✓
Temperature Sensor	X	✓
Hall effect sensor	X	✓
Working Temperature	-40ºC to 125ºC	-40ºC to 125ºC
Price	$ (3$ — $6)	$$ ($6 — $12)
Where to buy

Использовать GPIO входы/выходы на этих чипах можно по-разному.

Функциональное назначение выводов чипа ESP8266.

При приобретении ESP32 devkit на Aliexpress нужно обращать внимание на количество PIN-ов. Наиболее распространенный вариант — 30 PIN-овый, такой-же как ESP8266

Он стоит в районе 5 USD. Есть вариант на 36 PIN и 38 PIN. На 38 PIN стоит в районе 8 USD. Отличить легко, PIN-ы опускаюся до нижнего края кнопок.

Здесь уже нужно смотреть, что нужно от платы, поскольку може оказаться выгоднее приобрести расширение на 16 GPIO за 1,5 USD, чем переплачивать за PIN-ы на devkit.

Функциональное назначение выводов чипа ESP32 с 36 PIN-ами

В ESP32 встроен ряд датчиков, которые можно использовать при разработке простых решений. Например, можно периодически опрашивать датчик температуры для мониторинга состояния «здоровья» самого чипа, чтобы не допускать его перегрева.

У ESP32 можно использовать 10 входов в качестве емкостных (TOUCH). Присоединенный к ним провод будет изменять емкость при поднесении руки. Например, можно реализовать вечные емкостные кнопки, которые могут быть реализованы на печатной плате, без использования механических компонент.

Аналого-цифровой преобразователь АЦП (ADC)

В ESP8266 только один АЦП (ADC), в то время как в ESP32 доступно 18!!! АЦП, причем 12 битных, в отличие от 10-ти битного АЦП ESP8266. Напряжение срабатывания АЦП в ESP32 можно менять от 0 до 4 V.

I2C адресация модуля ADS1115

16-ти битные внешние модули АЦП с чипом ADS1115 4-х канальные и стоят с доставкой в Россию в районе 1,5 USD. Примерно столько же стоит 12-ти разрядный ADS1015. Datasheet здесь.

Чтобы в ESP8266 получить такое-же количество каналов АЦП, как у ESP32 потребуется 4 шт. внешних АЦП и цена только этих модулей получится в районе 6 USD. Сам чип ESP32 распаянный на плате можно приобрести примерно за 7 USD с доставкой в Россию. Схема подключения здесь.

Если есть сомнения по поводу входного напряжения, то целесообразно использовать внешний АЦП, поскольку выход из строя платы на 4 канала обойдется несколько дешевле, чем потеря микроконтроллера. Либо подстраховываться установкой стабилитрона.

• 4-х канальный 18-ти разрядный АЦП MCP3424 обойдется примерно в 5 USD. Младший одноканальный брат MCP3421 примерно в 2,5 USD.
• 2-х канальный 24-х разрядный АЦП ADS1232 обойдется примерно в 4 USD. Есть 4-х канальный вариант ADS1234, но платы с этим чипом отсутствуют на Aliexpress. Доступен только сам чип.
• 24-битный АЦП ADS 1256 будет уже 8-ми канальным, небольшая экономия, но при этом цена в районе 15 USD за качество оцифровки.
• 24-х битный АЦП для цифровых весов HX711 обойдется меньше, чем в 2 USD.
• 3-х канальный 24-х битный АЦП AD7793 обойдется примерно в 7 USD. Datasheet здесь.

Помимо АЦП в ESP32 есть два 8-ми битных ЦАП (DAC).

Мультиплексор/демультиплексор аналоговых входов

Помимо увеличения аналоговых входов с помощью АЦП есть вариант расширения мультиплексором. Хорошая статья на эту тему в которой подробно рассмотрен аналоговый мультиплексор/демультиплексор CD4051/74HC4051. Много вариантов от других производителей.

CD4051 — это 8 канальный аналоговый CMOS мультиплексор/демультиплексор. ДЛя увеличения количества аналоговых входов на 7 потребуется 1 аналоговый и 3 цифровых входа.

Функциональная схема работы мультиплексора/демультиплексора CD4051

Мультиплексор передает сигнал с одного из нескольких входов на единственный выход. Демультиплексор, напротив, передает сигнал с единственного входа на один из информационных выходов.

Если приобретать модуль на Aliexpress, то цена будет в районе 0,8 USD за 8 каналов, 16-ти разрядное АЦП ADS1115 — 1,5 USD за 4 канала. Если же приобретать только микросхему CD4051, то цена будет гораздо ниже микросхемы АЦП.

Аналоговые, цифровые и шим пины Ардуино

Все пины можно разделить на несколько видов, различие будет только в количестве данных выводов на различных платах. Например, на Arduino Mega 2560 цифровых и аналоговых портов, значительно больше, чем на Uno или Nano из-за большего размера платы и производительности микроконтроллера. В остальном характеристики и способы программирования пинов не отличаются друг от друга.

1. Power Pins — порты питания, режим их работы нельзя запрограммировать или изменить. Они выдают стабилизированное напряжение 5V или 3,3V, Vin выдает напряжение от источника питания, а GND — это заземление (общий минус);
2. PWM Pins — порты с ШИМ модуляцией, которые можно запрограммировать, как цифровой выход/вход. Данные порты обозначены на плате знаком тильда (˜);
3. Analog In — порты, принимающие аналоговый сигнал от датчиков, работают на вход. Данные порты тоже можно запрограммировать, как цифровой вход/выход. Данные пины не поддерживают ШИМ модуляцию.

Режим пинов назначается в процедуре void setup с помощью pinMode(), например:

void setup() { pinMode(10, OUTPUT); // объявляем пин 10 как выход pinMode(A2, OUTPUT); // объявляем пин A2 как выход pinMode(12, INPUT); // объявляем пин 12 как вход pinMode(A1, INPUT); // объявляем пин A1 как вход }

Пояснения к коду:

1. к выходу 10 и A2 можно подключить светодиод, который будет включаться и выключаться при вызове команды в программе;
2. пин 10 может использоваться для ШИМ сигнала, например, чтобы плавно включить светодиод, а пин A2 может выдавать только цифровой сигнал (0 или 1);
3. к входу 12 и A1 можно подключить цифровой датчик и микроконтроллер будет проверять наличие сигнала на этих пинах (логический нуль или единицу);
4. к входу A1 можно подключить аналоговый датчик тогда микроконтроллер будет получать не только сигнал но и узнавать характеристику сигнала.

Мы не случайно разделили пины с ШИМ модуляцией (PWM Pins) и аналоговые. PWM пины создают аналоговый сигнал, к ним подключают сервопривод, шаговый двигатель и другие устройства, где требуется подавать сигнал с разными характеристиками. Аналоговые пины (Analog In) используются для подключения аналоговых датчиков, с них входящий сигнал преобразуется в цифровой с помощью встроенного АЦП.

Ардуино Uno пины: шим, аналоговые, цифровые

Arduino UNO распиновка платы на русском

ШИМ (PWM) порты (Analog Out)	3, 5, 6, 9, 10, 11
Аналоговые порты (Analog In)	A0, A1, A2, A3, A4, A5 на некоторых платах: A6, A7
Цифровые порты (Digital In/Out)	все порты со 2 по 13 пин можно использовать: A0 — A7

Из таблицы видно, какие пины на Arduino UNO поддерживают шим. Аналоговые пины (Analog In) используют, как цифровые если недостаточно портов общего назначения, например, вы хотите подключить к плате 15 светодиодов. Кроме того, на плате Arduino Uno и Nano порты A4 и A5 используются для I2C протокола (SDA и SCL пины) — они работают параллельно с пинами A4 и A5. Об этом мы расскажем чуть позже.

Ардуино Nano пины: шим, аналоговые, цифровые

Arduino Nano распиновка платы на русском

ШИМ (PWM) порты (Analog Out)	3, 5, 6, 9, 10, 11
Аналоговые порты (Analog In)	A0, A1, A2, A3, A4, A5 на некоторых платах: A6, A7
Цифровые порты (Digital In/Out)	все порты со 2 по 13 пин можно использовать: A0 — A7

Если вы заметили, то пины на Arduino Nano и Uno имеют одинаковое количество и назначение. Платы отличаются лишь своими габаритами. Nano — более компактная и удобная плата, для экономии места на нее не ставят разъем питания, для этого используются пины Vin и GND на которое подается питание от источника.

Ардуино Mega пины: шим, аналоговые, цифровые

Схема распиновки платы Arduino Mega 2560 r3

ШИМ (PWM) порты (Analog Out)	все порты со 2 по 13 пин дополнительно: 44, 45, 46 пин
Аналоговые порты (Analog In)	с A0 до A15
Цифровые порты (Digital In/Out)	все порты со 2 по 13, со 22 по 52 пин можно использовать: A0 — A15

Пины коммуникации нежелательно использовать, как обычные цифровые порты. Особенно при таком количестве портов общего назначения, как на Mega 2560. Более подробную информацию о рассмотренных платах, а также о других микроконтроллерах семейства Arduino (Pro Mini, Leonardo, Due и пр.): характеристики, описание пинов, габариты и т.д. можно узнать в разделе Микроконтроллеры на нашем сайте.

Симулятор Ардуино от PaulWare

PaulWare’s Arduino Simulator Как следует из названия, этот симулятор Arduino был создан разработчиком по имени Пол. Симулятор с открытым исходным кодом и собрал свою собственную долю фанатов, которые одновременно добавляют свои идеи и создают учебники о том, как использовать симулятор. Этот бесплатный продукт был сделан преимущественно для экосистемы Windows и обеспечивает достаточную поддержку для новичков.

Основными компонентами, которые он обеспечивает для поддержки вашего проекта, являются светодиодный кратковременный выключатель, матричная клавиатура 4 на 4, матричная клавиатура 4 на 4 с ЖК-дисплеем, поворотный переключатель и т.д. YouTube видео предоставит вам достаточно информации для начала использования этого симулятора Arduino.

Для него также предусмотрен специальный раздел на форуме производителя Ардуино, на котором вы можете стать участником, чтобы узнать больше об обновлениях и схемах проектирования.

KY-009, модуль RGB SMD светодиода

Модуль RGB SMD светодиода

Заменяется на модуль 2020 или 5050 RGB SMD. Стоимость начинается от 1 р за штуку, высылается правда большими партиями, но если поискать то можно найти и поштучно, сам же модуль от 50 р.

Довольно привлекательный модуль для начинающих. Позволяет работать с RGB матрицей и получать буквально все цвета светового спектра используя ШИМ выходы контроллера. Поставляется БЕЗ токоограничивающих резисторов, поэтому при установке не забудьте их установить. Возможно заменить на обычный RGB светодиод, все зависит от предназначения и места установки. Недостаток- занимает сразу 3 ШИМ выхода микроконтроллера для полноценной работы. Достоинства- можно визуализировать процесс переключением цветов светодиода. Например: зеленый- работа, красный- остановка или аварийный стоп, синий- настройка и т.д. Кроме того в устройствах с температурными датчиками можно визуализировать степень нагрева термоэлемента. Т.е. чем большую температуру имеет датчик тем «краснее» светодиод и наоборот, чем холоднее- тем «синее».

Сфера применения

Места использования можно перечислять долго, так как возможности ее ничем не ограничены. С помощью этого устройства можно спроектировать множество различных систем, которые будут помогать человеку в бытовых условиях, а также в промышленном производстве, медицине и других областях нашей жизни. В настоящее время в мире наблюдается «ардуиномания». Этому миниатюрному устройству посвящено множество статей и форумов в интернете. Вот некоторые популярные области использования этого устройства:

• система «умный дом»;
• всевозможные датчики;
• робототехника;
• автоматические вентиляторы;
• светофоры;
• охранные системы;
• мини метеостанции;
• мультитестеры;
• квадрокоптеры.

Недостатки

Слишком простая оболочка программы. Это очень неудобный редактор кода. Для программирования придется переходить на более удобный редактор, но кодовый редактор Arduino IDE все равно необходимо оставлять открытым. Малая частота микропроцессора. Нет возможности ее изменить. Малый объем памяти для сохранения программ.

Как преодолеть аппаратные ограничения

Большинство распространённых плат имеют аналогичные характеристики, среди них:

• Uno;
• Nano;
• Pro mini;
• и подобные.

Но с развитием ваших навыков разработки в этой среде появляется проблема нехватки мощности и быстродействия этой платформы. Первым шагом для преодоления ограничений является использование языка C AVR.

С его помощью вы ускорите на порядок скорость обращения к портам, частоту ШИМ и размер кода. Если вам и этого недостаточно, то вы можете воспользоваться мощными моделями с аналогичным подходом к разработке. Для этого подойдёт плата Arduino Mega2560. Еще более мощная – модель Due. В противном случае вам стоит ознакомиться с разновидностями одноплатных компьютеров и STM микроконтроллеров.

Ардуино Uno R3 – отличная плата для большинства проектов, которая служит для изучения устройств цифровой электроники.

Язык программирования Ардуино

Когда у вас есть на руках плата микроконтроллера и на компьютере установлена среда разработки, вы можете приступать к написанию своих первых скетчей (прошивок). Для этого необходимо ознакомиться с языком программирования.

Для программирования Arduino используется упрощенная версия языка C++ с предопределенными функциями. Как и в других Cи-подобных языках программирования есть ряд правил написания кода. Вот самые базовые из них:

• После каждой инструкции необходимо ставить знак точки с запятой (;)
• Перед объявлением функции необходимо указать тип данных, возвращаемый функцией или void если функция не возвращает значение.
• Так же необходимо указывать тип данных перед объявлением переменной.
• Комментарии обозначаются: // Строчный и /* блочный */

Подробнее о типах данных, функциях, переменных, операторах и языковых конструкциях вы можете узнать на странице по программированию Arduino. Вам не нужно заучивать и запоминать всю эту информацию. Вы всегда можете зайти в справочник и посмотреть синтаксис той или иной функции.

Все прошивки для Arduino должны содержать минимум 2 функции. Это setup() и loop().

Функция setup

Функция setup() выполняется в самом начале и только 1 раз сразу после включения или перезагрузки вашего устройства. Обычно в этой функции декларируют режимы пинов, открывают необходимые протоколы связи, устанавливают соединения с дополнительными модулями и настраивают подключенные библиотеки. Если для вашей прошивки ничего подобного делать не нужно, то функция все равно должна быть объявлена. Вот стандартный пример функции setup():

void setup() { Serial.begin(9600); // Открываем serial соединение pinMode(9, INPUT); // Назначаем 9 пин входом pinMode(13, OUTPUT); // Назначаем 13 пин выходом }

Функция loop

Функция loop() выполняется после функции setup(). Loop в переводе с английского значит «петля». Это говорит о том что функция зациклена, то есть будет выполняться снова и снова. Например микроконтроллер ATmega328, который установлен в большинстве плат Arduino, будет выполнять функцию loop около 10 000 раз в секунду (если не используются задержки и сложные вычисления). Благодаря этому у нас есть большие возможности.

Эксперимент 1: мигание светодиодом, используя задержку

В этом эксперименте мы будем включать и выключаеть светодиод, используя цифровой выход.

Схема соединений

На рисунке выше показано, как подключить светодиод и резистор 220 Ом к Arduino. Как показано, светодиод подключен к цифровому I/O выводу 8 платы Arduino через резистор. Резистор контролирует ток через светодиод. Программа ниже сначала настраивает вывод 8 на выход, затем устанавливает цифровой I/O вывод в состояние высокого уровня на 1000 мс, затем в состояние низкого уровня на следующие 1000 мс.

Запуск эксперимента

1. подключите анод светодиода к одному концу резистора, а другой конец резистора к цифровому I/O выводу 8 на плате Arduino;
2. подключите вывод GND платы Arduino к катоду светодиода;
3. подключите Arduino к компьютеру, используя USB кабель, и загрузите прошивку, используя программу Arduino IDE;
4. подайте питание на плату Arduino, используя источник питания, батарею или USB кабель;
5. светодиод должен начать мигать.

5Управление устройством по шине IIC

Рассмотрим диаграммы информационного обмена с цифровым потенциометром AD5171, представленные в техническом описании:

Рассмотрим диаграммы чтения и записи цифрового потенциометра AD5171

Нас тут интересует диаграмма записи данных в регистр RDAC. Этот регистр используется для управления сопротивлением потенциометра.

Откроем из примеров библиотеки “Wire” скетч: Файл Образцы Wire digital_potentiometer. Загрузим его в память Arduino.

#include <Wire.h> // подключаем библиотеку "Wire"
byte val = 0; // значение для передачи потенциометру

void setup() {
  Wire.begin();   // подключаемся к шине I2C как мастер
}

void loop() {
  Wire.beginTransmission(44); // начинаем обмен с устройством с I2C адресом "44" (0x2C)
  Wire.write(byte(0x00)); // посылаем инструкцию записи в регистр RDAC
  Wire.write(val); // задаём положение 64-позиционного потенциометра
  Wire.endTransmission(); // завершаем I2C передачу

  val++; // инкрементируем val на 1
  if (val == 63) { // по достижении максимума потенциометра
    val = 0; // сбрасываем val 
  }
  delay(500);
}

После включения вы видите, как яркость светодиода циклически нарастает, а потом гаснет. При этом мы управляем потенциометром с помощью Arduino по шине I2C.

По ссылкам внизу статьи, в разделе похожих материалов (по тегу), можно найти дополнительные примеры взаимодействия с различными устройствами по интерфейсу IIC, в том числе примеры чтения и записи.

Характеристики Arduino Nano

МикроконтроллерAtmel ATmega168 или ATmega328

Рабочее напряжение (логическая уровень)	5 В
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12 В
Входное напряжение (предельное)	6-20 В
Цифровые Входы/Выходы	14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
Аналоговые входы	8
Постоянный ток через вход/выход	40 mAh с одного вывода и 500 mAh со всех выводов
Флеш-память	16 Кб (ATmega168) или 32 Кб (ATmega328) при этом 2 Кб используются для загрузчика
ОЗУ	1 Кб (ATmega168) или 2 Кб (ATmega328)
EEPROM	512 байт (ATmega168) или 1 Кб (ATmega328)
Тактовая частота	16 МГц
Размеры	1.85 см x 4.2 см

В первую очередь в разговоре о характеристиках нужно отметить, что Нано выпускается в различных версиях и самые распространённые:

• Nano v.2;
• Nano v.3.

Главное отличие – в самом микроконтроллере. Младшая версия использует Atmega168, Atmega328. Основные отличия чипов – это объём Flash-памяти:

• mega 328: Flash-память – 32 кб, ПППЗУ – 1024 и ОЗУ – 2 кб;
• mega 168: Flash-память – 16 кб, ПППЗУ – 512 и ОЗУ – 1 кб.

ПППЗУ – это перепрограммируемые запоминающее устройство.

Главный конкурент Arduino Nano по размеру – это Arduino Micro. В целом они похожи, но у «микро» интерфейс SPI разведен на другие пины, как и шина I2C, а также изменено количество выводов прерываний. В целом, платы похожи размерами, но различны соотношения сторон, а также некоторые схемотехнические нюансы.

Будет интересно Что такое arduino nano: особенности и область применения

Arduino Nano имеет 8 аналоговых входов, они могут использоваться как цифровой выход, 14 цифровых из которых 6 могут работать как широтно-импульсный модулятор (ШИМ), еще два задействованы под I2C и 3 под SPI.

В противоположном конце платы от разъёма микро-юсб расположена колодка Arudino ICSP для прошивки микроконтроллера.

ШИМ выходы и транзисторы помогут вам: регулировать обороты двигателя, яркость светодиодов, мощность нагревателей и многое другое. А аналоговые входы позволят читать значения с аналоговых датчиков, таких как:

• фоторезисторы;
• терморезисторы;
• термопары;
• измерители влажности;
• датчики давления и другие.

Выходы Digital 2 и 3 могут быть использованы для внешних прерываний

Это такие сигналы, которые сообщают микроконтроллеру о каком-либо важном событии. По этим сигналам вызывается программа обработки прерывания и выполняются необходимые действия, например, выход из режима энергосбережения и выполнение вычислений

На базе платы Nano получится отличный миниатюрный программатор Arduino ISP, для прошивки целого ряда контроллеров.

Увеличение количества UART (RX/TX) портов

Для некоторых задач есть необходимость увеличения количества последовательных портов. Для старших моделей Arduino, например, Mega, острой необходимости в увеличении последовательных портов нет, там их достаточно. Однако для ESP8266 задача вполне актуальна, учитывая что там только один hardware serial port, да и тот нередко занят под распаянный на плате USB ковертер. Можно эмулировать работу последовательного порта на GPIO с помощью SoftSerial, но не для всех задач это приемлемо.

Расширение одного последовательного порта UART (RX/TX) на 8-мь дополнительных последовательных портов

Решение от компании AtlasScientific — 8:1 Serial Port Expander самое дорогое. Цена в районе 15$ без доставки довольно высока, хотя если сравнивать с одно и двух портовыми модулями, то цена за порт меньше 2 $, что выгоднее чем у 1-2-х портовых собратьев.

SC16IS760 модуль для конвертации I2C / SPI на один UART порт

Есть конвертеры I2C в один порт UART и 8 GPIO портов на чипе SC16IS750. Стоят порядка 4 $ с оставкой в Россию. SPI вариант на чипе SC16IS760. Учитывая, что на одну шину можно вешать несколько модулей — можно набрать нужное количество. SPI порт достаточно шустрый, чтобы обеспечить подключение достаточно большого количества таких модулей.

SC16IS762 модуль для конвертации I2C / SPI на два UART порта

Есть старший собрат ковертера I2C в два порта UART и 8 GPIO портов на чипе SC16IS752. Стоят порядка 5 $. SPI вариант на чипе SC16IS762.

Плат на чипах MAX14830, MAX3107, MAX3108, MAX3109 я на Aliexpress не нашел.

Схемное решение для получения 4-х портов UART.

Работа в комплексе с другими системами

Самое первое, с чем вы можете познакомиться, даже без приобретения дополнительных устройств для разработки – это связь по последовательному порту. Он активируется по команде Serial.begin (скорость, например 9600). Подробно о каждой команде вы можете прочитать в обучающем разделе на официальном сайте проекта Arduino.ru. Вы можете обмениваться с компьютером информацией. Плата, в зависимости от программного кода, может вам присылать данные, а вы их, через монитор портов в Arduino IDE, можете читать.

Кроме последовательного порта, в ардуино UNO реализована поддержка таких интерфейсов:

• I2C;
• SPI.

Через них можно осуществлять «общение» между несколькими платами, а также подключать разную периферию: датчики и дисплеи.

Аналоговый ввод/вывод

Функция analogRead()

Описание

Считывает значение из указанного аналогового пина.

На большинстве плат содержится многоканальный 10-битный аналого-цифровой преобразователь, поэтому результатом будет значение в приделах от 0 до 1023. На платах Arduino Due и Arduino Zero преобразователь 12-битный, но результат по-умолчанию все равно отдается в 10 битах для совместимости с другими платами. Чтобы использовать 12 бит, нужно явно указать это через вызов analogReadResolution(), тогда результат будет в пределах 0-4095.

Синтаксис

analogRead(pin)

Параметры

pin – номера аналогового пина. Для большинства плат – значение от A0 до A5, для Arduino Mini и Nano – от A0 до A7, для arduino mega – от A0 до A15

Возвращаемое значение

Целое значение в приделах от 0 до 1023 или от 0 до 4095 для плат Arduino Duo и Arduino Zero (нужна настройка)

Пример

Примечания

Аналоговые пины работают не так, как цифровые, и для работы с ними не нужно устанавливать режим работы. Вызывать для них pinMode() нужно только если вы хотите использовать их в качестве цифровых.

Функция analogReference()

Описание

Функция задает опорное напряжение, относительно которого происходят изменения значений аналоговых пинов. Те значения, которые возвращает функция analogRead(), как раз зависят от опорного напряжение, а также пропорционально входному напряжению.

Синтаксис

analogReference(type)

Параметры

type – используемое опорное напряжение (DEFAULT, INTERNAL, EXTERNAL)

Возвращаемое значение

нет

Пример

Примечания

Значения параметра для Arduino AVR плат (Uno, Mega и др.):

• DEFAULT – стандартное опорное напряжение 5 В (на платформах с напряжением 5 В) или 3.3 В (на платформах с напряжением 3.3 В);
• INTERNAL – встроенное опорное напряжение 1.1 В на микроконтроллерах ATmega168 и ATmega328 и 2.56 В на ATmega8 (не доступно на Arduino Mega);
• EXTERNAL – внешний источник опорного напряжение, подключенный к выводу AREF (возможно от 0 В до 5 В);
• INTERNAL1V1 – напряжение в 1.1 В (только для Arduino Mega);
• INTERNAL2V56 – напряжение в 2.56 В (только для Arduino Mega);

Значения параметра для Arduino SAMD плат (Zero и тд.):

• AR_DEFAULT – стандартное опорное напряжение 3.3 В;
• AR_INTERNAL – встроенное опорное напряжение 2.23 В;
• AR_INTERNAL1V0 – встроенное опорное напряжение 1.0 В;
• AR_INTERNAL1V65 – встроенное опорное напряжение 1.65 В;
• AR_INTERNAL2V23 – встроенное опорное напряжение 2.23 В;
• AR_EXTERNAL – внешний источник опорного напряжение, подключенный к выводу AREF.

Значения параметра для Arduino SAM плат (Duo):

AR_DEFAULT – стандартное опорное напряжение 3.3 В. Для Arduino Duo доступно только это значение.

Функция analogWrite()

Описание

Функция выдает на пин аналоговую величину (ШИМ-сигнала или ШИМ-волну). Это может быть полезно например для управления яркостью светодиода или для задания скорости вращения мотора.

Могут использоваться только пины, помеченные символом “~”. На Arduino Uno и на других платах на микроконтроллерах ATmega168 и ATmega328P это пины 3, 5, 6, 9, 10 и 11. На пинах 5 и 6 частота ШИМ-сигнала составляет около 980 Гц, а на остальных пинах – примерно 490 Гц. На плате Arduino Mega можно использовать пины 2–13 и 44–46. На Arduino DUE – пины 2–13, а также контакты DAC0 и DAC1. Причем DAC0 и DAC1 являются цифро-аналоговыми преобразователями и действуют как настоящие аналоговые выходы.

Перед использованием не требует вызова функции pinMode().

Синтаксис

analogWrite(pin, value)

Параметры

pin – номер пина, на который следует подать ШИМ-сигнал

value – период рабочего цикла от 0 (сигнал всегда выключен) до 255 (сигнал подан постоянно)

Возвращаемое значение

нет

Пример

Плавное мигание светодиодом: