Placa de dezvoltare GroundStudio Jade Nano+ (review)

GroundStudio este brandul sub care cei de la ArduShop produc și comercializează mai multe plăci de dezvoltare și module. Am achiziționat încă de la lansare câteva dintre acestea pentru a vedea cum se comportă. Placa de dezvoltare Jade Nano+ are un format similar cu Arduino Nano și este disponibilă pentru suma de 40 de lei (la momentul scrierii acestui articol).

Placa vine cu două barete de pini de 1 x 15 și una de 2 x 3 (conectorul ICSP). Acestea nu sunt lipite pe PCB-ul de 1,6 mm grosime, culoare mov. Spre deosebire de Arduino Nano, aceasta are conector USB tip C și un circuit integrat diferit pentru interfața USB-serial. Este vorba de HT42B534-2 de la Holtek, despre care se spune că implementează, pe lângă interfața CDC (port serial) și interfață HID (human interface device) ce permite configurarea ca dispozitiv particularizat, de exemplu mouse sau tastatură. Voi reveni asupra acestui aspect.

Jade Nano+ lângă o placă Nano compatibilă Arduino

Senzor volumetric (alarmă deschidere ușă sau geam spart)

Dispozitivul prezentat în continuare detectează mici variații în presiunea aerului dintr-o încăpere, datorate deschiderii unei uși sau spargerii unui geam dintr-o fereastră și activează un releu. Poate fi util atât în sisteme de alarmă, cât și pentru a automatiza un sistem de iluminare. Deși utilizează ca senzor un microfon uzual de tip electret, nu reacționează la sunet. Folosit ca alarmă, releul nu va fi acționat dacă se află cineva în cameră, spre deosebire de senzorii de mișcare de tip infraroșu sau cu ultrasunete, care trebuie dezactivați în această situație.

Am găsit acest circuit în revista de electronică Conex Club și am decis să îl realizez practic, fără a avea prea multe așteptări de la un senzor de presiunea atmosferică cu microfon. Circuitul este unul analogic, fără microprocesoare. Semnalul captat de microfon este amplificat și filtrat de amplificatoare operaționale, iar releul este controlat de două integrate de tip timer 555.

Senzorul volumetric construit

Afișare valori numerice pe display cu MAX7219

MAX7219 este un controller pentru afișaje cu LED-uri în conexiune catod comun. Integratul este cunoscut mai ales datorită afișajelor matriciale 8x8, însă acesta poate controla la fel de bine și afișaje cu 7 segmente. Fiindcă vreau să construiesc un volt-ampermetru pentru o sursă de alimentare, am ales un afișaj cu 7 segmente și 8 caractere (digits) controlat de acest integrat. Conectarea la placa de dezvoltare este simplă, interfața fiind una serială de tip SPI, iar nivelele de tensiune sunt 5 V. Dar, partea de software nu este la fel de simplă, biblioteca LedControl pentru MAX7219 neavând funcții care să afișeze valori numerice de tipul float.

În acest articol voi realiza un montaj cu o placă de dezvoltare cu microcontroller ATmega328p care evaluează două intrări analogice și afișează tensiunea citită pe un afișaj cu 8 caractere controlat de MAX7219. Mai mult de atât, voi crea și câteva mesaje predefinite cu caractere ce pot fi afișate și pe afișaje cu 7 segmente.

Afișare valori numerice pe display cu MAX7219

Termometru cu Arduino și ieșire... video

Semnalul video analogic a fost înlocuit treptat cu cel digital care oferă o calitate și o rezoluție mai bune ale imaginii, fără perturbări. Astfel, dispozitivele de recepție a semnalului digital au devenit din ce în ce mai ușor de găsit și prețul lor a scăzut. Dar, generarea și modularea în radiofrecvență (RF) a unui semnal video digital (stream) este dificilă, necesitând echipamente costisitoare. În schimb, vechiul semnal video analogic este ușor de generat și poate fi modulat RF cu dispozitive simple. Modulatoare RF pot fi găsite în console de jocuri vechi, receptoare, playere VCR etc.

Un mod simplu de a genera semnalul video analogic este folosind un microcontroller. În continuare voi folosi o placă Arduino compatibilă împreună cu biblioteca TVout. ATmega 328p nu este foarte performant în acest scop, dar poate genera un semnal video alb-negru ce simulează un afișaj de 128x96 pixeli. Biblioteca folosește întreruperi, de aceea unele funcții ale microcontroller-ului nu pot fi folosite concomitent cu generarea semnalului video.

Joc de lumini secvențiale cu NE555 și CD4017

Utilizând circuitele integrate NE555 și CD4017, pot fi realizate aplicații variate, de la divertisment la utilizări în domeniul semnalizărilor diverse. În continuare este prezentat un circuit clasic care comandă un număr de până la 10 LED-uri, ce se aprind secvențial, unul după altul („lumină curgătoare”). Numărul LED-urilor poate fi redus, dacă este necesar. CD4017 are un pin de resetare, care este conectat la masă. Dacă se reconectează acest pin la una din ieșirile ce comandă LED-uri, secvența de aprindere ajunge până la acesta, apoi resetează integratul și o ia de la început.

Circuitul NE555 este configurat ca astabil de joasă frecvență. Frecvența este ajustabilă între anumite limite cu ajutorul unui rezistor semireglabil. R1, R2+RV1 și C2 determină frecvența de oscilație cuprinsă între 10 și 65 Hz (cu valorile din schemă). Poți calcula frecvența de oscilație a unui astabil cu NE555 folosind calculatorul de aici.

Acționare motoare pas cu pas cu Arduino (cod sursă)

Motoarele pas cu pas sunt motoare fără perii care efectuează mișcări de rotație discrete în pași incrementali, spre deosebire de rotația continuă a unui motor electric obișnuit. Acest pot efectua un număr exact de pași, fiind construite din mai multe bobine alimentate într-o ordine specifică, de o secvență de impulsuri. Motoarele pas cu pas unipolare au două bobine, fiecare cu priză mediană. Aceste prize se conectează împreună la un pol al sursei de alimentare, iar cele patru terminale ale bobinelor sunt alimentate secvențial de driver (aceste motoare au minim 5 fire de conexiune). Celălalt tip de motor pas cu pas este motorul bipolar, cu două bobine, alimentate secvențial cu polaritate directă și apoi inversă (aceste motoare au 4 fire de conexiune).

Un driver cu tranzistoare pentru motoare pas cu pas unipolar și metode simple de generare a impulsurilor au fost prezentate în articolul anterior. Funcțiile de generare a impulsurilor din acel articol sunt mult prea simple și permit rotirea într-o singură direcție, în multipli de 4 pași. În acest articol voi exemplifica încă o dată modurile de acționare a bobinelor motoarelor pas cu pas și voi prezenta niște funcții care permit efectuarea de pași individuali și schimbarea direcției de rotație.

Releu cu senzor (de lumină) construit cu module

Popularitatea plăcilor de dezvoltare a dus la apariția a tot felul de module de expansiune pe care le poți conecta la acestea. Modul de conectare trebuie să fie unul simplu, și cum bareta de pini de 2,54 mm este folosită de majoritatea porturilor disponibile pe plăcile de dezvoltare cu microprocesor, au apărut firele de conexiune specifice (dupont). La rândul lor, modulele vin cu port prevăzut cu baretă de pini. Se găsesc module cu diverse funcții (senzori analogici, senzori digitali, LED-uri, afișaje și LCD-uri, relee, drivere, adaptoare de interfață). Unele nu pot fi utilizate decât cu un microprocesor, fiind prevăzute cu port de comunicație digitală.

Dar, există și module analogice care, deși pot fi conectate la o intrare sau ieșire a microprocesorului, nu au nevoie de acesta pentru a funcționa. În acest articol vom vedea cum poți acționa un releu cu un senzor. Nu doar un tip de senzor. Ambele dispozitive sunt de fapt module și vor fi interconectate direct, fără microprocesor. Vom analiza și schema electrică a acestor module.

Montaj cu senzor infraroșu pentru obstacole și releu

Programatorul de memorii CH341A

CH341A este un cip cu interfață USB și mai multe porturi: paralel, serial, I²C și SPI. Este utilizat de unele programatoare de memorii seriale (din seriile 24xx și 25xx). Unul dintre cele mai populare dispozitive, dar și printre cele mai ieftine, este programatorul negru „MiniProgrammer”. Vei afla în acest articol cum să instalezi și să utilizezi acest programator pentru rescrierea memoriilor cu interfață I²C și SPI. Acestea sunt utilizate pe scară largă la plăci de bază pentru stocarea firmware-ului BIOS, dar și la alte dispozitive pentru stocare firmware și configurări. Poți să restaurezi modul de funcționare după scrieri nereușite ale firmware-ului (în timpul operațiunilor de actualizare) folosind acest programator.

Deși a devenit foarte popular, programatorul negru are ceva probleme cu nivelurile de tensiune. Dacă l-ai achiziționat deja, îl poți modifica în sensul furnizării aceleiași tensiuni atât la alimentarea memoriei cât și pe interfața de comunicații. Vom vedea apoi cum instalezi driver-ele și se software folosești pentru comunicarea cu programatorul. În cele din urmă, vom vorbi despre adaptoarele pe care le poți adăuga acestuia.

Programatorul negru CH341A MiniProgrammer

Alimentator reglabil 0-30 V 1,5 A cu LM317

O sursă de tensiune cu ieșire reglabilă este absolut necesară pentru oricine are de a face cu dispozitive și circuite electronice. LM317 este probabil cel mai folosit circuit integrat pentru construirea de surse liniare de alimentare. Acest integrat este folosit și aici. Tensiunea minimă de ieșire a lui LM317 nu poate fi mai mică de 1,25 V. Însă, următorul circuit folosește o sursă suplimentară de tensiune negativă, derivată din aceeași ieșire a transformatorului. Folosind tensiunea negativă, ieșirea poate fi coborâtă până la 0 V. Placa de circuit conține încă o sursă simplă, liniară, cu stabilizator fix. Scopul acesteia este de a alimenta un voltampermetru digital de panou sau un ventilator pentru răcire.

Alimentatorul cu LM317 construit

Server web securizat pe NodeMcu ESP8266

NodeMcu este o placă de dezvoltare bazată pe platforma ESP8266. Acest microcontroller este destinat utilizării în aplicații IoT, fiind dotat cu conectivitate WiFi. În articolele anterioare am arătat că plăcile de dezvoltare cu acest cip pot fi programate în mediul de dezvoltare Arduino și am creat un server web simplu.

În ziua de astăzi, securitatea este foarte importantă. Poate vei folosi ESP8266 doar în rețeaua locală sau poate vei permite accesul la serverul ce rulează pe acesta din exterior. În ambele situații, utilizarea de conexiuni securizate este importantă. În ultimii ani majoritatea site-urilor web au trecut de la protocolul standard HTTP la cel securizat, HTTPS. Pentru a putea oferi conținut securizat, serverul trebuie să prezinte clientului un certificat semnat de o autoritate emitentă de încredere. Certificatele au valabilitate limitată.

Utilizarea testerului de componente GM328A

Testerul GM328A este un dispozitiv proiectat pentru identificarea pinilor și măsurarea caracteristicilor tranzistoarelor. Este bazat pe un microcontroller ATmega328. Ideea unui tester de tranzistori a apărut într-un articol publicat de Markus Frejek în 2013 (în Embedded Projects Journal Ausgabe 11, paginile 16-17). Karl-Heinz Kübbler a îmbunătățit software-ul acestui dispozitiv și a adăugat funcții suplimentare pentru măsurarea caracteristicilor altor componente electronice. Dispozitivul a devenit popular, în prezent găsindu-se la magazine sub formă de kit sau deja asamblat. Există mai multe variante comerciale: LCR-T3, LCR-T4, WEI_M8, GM328, GM328A.

Software-ul este foarte versatil și poate rula pe mai multe microcontroller-e din familia ATmega. Îți poți construi și singur acest dispozitiv, folosind o placă de dezvoltare cu procesor ATmega, un afișaj și câteva componente. Totuși, microcontroller-ul testerului rulează la frecvența de 8 MHz față de frecvența 16 MHz utilizată de majoritatea plăcilor Arduino sau similare, deci ar fi nevoie de modificarea plăcii. Așa că am ales versiunea GM328A preasamblată a dispozitivului pentru că folosește un microcontroller cu memorie flash de 32 kbytes (mai multe funcții disponibile) și pentru că poate genera semnale PWM, poate măsura tensiune și frecvență.

Corector de ton stereo cu tranzistori

Corectorul de ton este un circuit adăugat înaintea unui amplificator audio de putere. Acesta permite utilizatorului să ajusteze amplificarea specifică a unor frecvențe din spectrul audio. Corectoarele de ton pot fi simple circuite de accentuare a frecvențelor joase sau egalizatoare complexe. Circuitul prezentat aici este unul simplu, cu un potențiometru care acționează pe frecvențele din treimea inferioară a spectrului audio (modificare bass) și unul care acționează pe frecvențe din treimea superioară (modificare treble).

Schema nu conține și potențiometrul de volum, dar acesta poate fi adăugat ușor înaintea intrării corectorului. Se recomandă ca nivelul semnalului la intrare să nu depășească 1 Vp-p (nivelul standard oferit de majoritatea surselor audio). Când ambele potențiometre au cursorul la jumătatea cursei, circuitul atenuează ușor semnalul (-1...-2 dB). Astfel, cu o intrare de 1 Vp-p, ieșirea nu va fi mai mică de 0,8 Vp-p.

Corectorul de ton constuit pe placa de circuit

Senzorii de temperatură și umiditate DHT11 și DHT22

DHT11 și DHT22 sunt senzori integrați de temperatură și umiditate. Conțin un termistor, un transductor capacitiv și un microcontroller (MCU) care realizează conversia analog - digitală și trimite printr-un protocol serial valoarea parametrilor măsurați. Protocolul este unul specific, dar ușor de implementat în software. Cei doi senzori sunt similari și au aceeași pini. Vom vedea în acest articol cum putem determina acești senzori să trimită date către placa de dezvoltare și cum putem prelucra aceste date.

Totuși, DHT22 (cunoscut ca și AM2302) este versiunea mai performantă. Ambele versiuni se alimentează la tensiuni cuprinse între 3,3 și 5 V, deci nu sunt probleme de conectare la plăcile de dezvoltare uzuale. Spre deosebire de DHT11, care are o acuratețe de 5% RH pentru umiditate, respectiv 2 grade Celsius pentru temperatură, AM2302 este mai performant, cu o acuratețe de 2% RH, respectiv 0,5 grade Celsius. Dezavantajul acestuia din urmă este că citirea parametrilor se poate face o dată la 2 secunde (este mai lent), pe când DHT11 poate fi citit la fiecare secundă. De asemenea, prețul lui DHT22 este mai mare.

Module cu senzor DHT11 (stânga) și AM2302/DHT22 (dreapta)

Programare placă STM32 bluepill în Arduino IDE

Blue pill este o placă de dezvoltare cu microcontroller STM32F103. Deși nu este la fel de populară ca Arduino, este mai ieftină și mai performantă. STM32F103 conține un procesor ARM Cortex-M3 ce poate lucra la frecvența maximă de 72 MHz. Mai conține 20 kbyți de memorie RAM și 64 sau 128 kbyți de memorie flash. Are port USB nativ, două porturi seriale, generator PWM pe 16 biți și convertor AD pe 12 biți. Față de Arduino, funcționează la 3,3 V. Totuși, câțiva pini tolerează tensiuni de 5 V.

Programarea plăcii folosind kitul de dezvoltare oficial este dificilă pentru începători. Dar, există posibilitatea programării în mediul Arduino. Înainte de toate, suportul pentru această placă trebuie instalat în Arduino IDE. Dacă vei folosi portul micro USB pentru programare, un bootloader trebuie scris înainte în memoria plăcii. Acest lucru se poate face cu programatorul specific ST-Link sau cu un adaptor USB-serial la 3,3 V. Atât scrierea bootloader-ului, cât și încărcarea ulterioară a schițelor se pot face cu ajutorul acestor dispozitive suplimentare.

Măsurare presiune atmosferică cu senzor BMP280

BMP280 este un senzor digital de presiune atmosferică proiectat pentru dispozitive mobile. Senzorul are o capsulă foarte mică, de numai 2 x 2,5 milimetri. Conectarea la o placă de dezvoltare ar fi foarte dificilă, dacă nu ar exista module cu barete de pini standard. O altă problemă este că tensiunea nominală de alimentare a senzorului este de 1,8 V. Totuși, suportă tensiuni de 3,3 V. BMP280 măsoară presiunea atmosferică și temperatura. Știind că există o corelație între presiune și altitudine, pe aceasta din urmă o putem calcula.

Până la urmă am conectat senzorul la o placă de dezvoltare pe 5 V din cauza display-ului. Am trei valori de afișat, așa că am utilizat un afișaj grafic cu controller ST7920, în locul unuia alfanumeric. Deși acesta poate funcționa la 3,3 V, modul în care este configurat din fabricație nu permite setarea contrastului suficient de bună la 3,3 V. Display-ul este conectat prin interfață SPI, deci numai 4 fire sunt folosite (3 pentru SPI și unul pentru reset). BMP280 suportă atât interfață SPI cât și I²C. Deoarece singurul convertor de nivel pe care îl am este unul construit de mine pentru I²C, am ales această interfață pentru senzor.

Senzorul BMP280 pe placa de test

KiCad: desenare simboluri componente

KiCad reprezintă o suită de aplicații gratuite și cu sursă deschisă pentru desenarea de scheme electronice și proiectarea de circuite imprimate. Este una din puținele suite de acest tip oferită gratuit și fără limitări. Mai mult de atât, rulează pe toate sistemele de operare (Windows, Linux, Mac). KiCad nu vine cu limitări în ceea ce privește dimensiunea circuitului imprimat. Numărul maxim de straturi este 32 pentru conexiunile electrice.

Chiar dacă există o bibliotecă vastă de simboluri de componente în KiCad, uneori va trebui să creezi propriile simboluri. Despre asta vom discuta în acest articol. Voi desena mai multe simboluri pentru a evidenția niște aspecte ale proiectării de simboluri în KiCad.

Amplificator audio stereo cu TDA2003

TDA2003 este un amplificator audio integrat ce oferă o putere maximă de ieșire de până la 10 W în difuzoare de 2 ohmi și 6 W în difuzoare de 4 ohmi, alimentat la 14,4 volți. Construirea unui amplificator cu acest integrat este ușoară deoarece nu necesită decât câteva componente. Rezultatul este un amplificator fiabil, pentru că integratul este protejat la scurtcircuit. Poate rezista chiar la un scurtcircuit permanent pe ieșire dacă este alimentat cu tensiuni mai mici de 16 V. Tensiunea maximă de alimentare este de 18 V. Integratul nu va fi afectat nici de tensiuni mai mari, de până la 28 V. Răcirea nu trebuie să fie o problemă, deoarece are protecție la supraîncălzire (limitarea puterii de ieșire la creșterea temperaturii).

Cu aceste caracteristici, TDA2003 este o alegere bună pentru orice amplificator de mică putere. Este ușor de alimentat, cu o sursă simplă de 12 V (la urma urmei, este un integrat proiectat pentru utilizare în sisteme audio auto). Actual, productorul îl consideră vechi și nu mai recomandă utilizarea lui în dispozitive noi, dar integratul este ieftin și ușor de găsit la magazinele de componente electronice. Folosind fișa tehnică drept sursă de inspirație, am proiectat o placă de circuit pentru un amplificator stereo, cu două canale.

Amplificatorul audio stereo cu TDA2003, fără radiator de răcire

Capacimetru cu funcție de autoscalare și afișaj LCD

Un capacimetru este un dispozitiv util oricărui electronist. Mai ales că funcția de măsurare a capacității pe care o posedă unele multimetre ieftine lasă de dorit. Folosind o placă de dezvoltare compatibilă cu Arduino, am decis să-mi construiesc propriul capacimetru, în special pentru condensatori de valoare mare. Programul ce rulează pe microcontroller va încărca și descărca condensatorul și va măsura constanta de timp pentru a determina capacitatea. Sunt două metode prin care poate fi apreciată valoarea capacității unui condensator: prin includere într-un oscilator L-C cu inductor de mărime cunoscută și măsurarea frecvenței acestui oscilator sau prin includerea într-un circuit R-C serie cu rezistor de mărime cunoscută și măsurarea constantei de timp. Prima metodă este utilă pentru măsurarea capacităților mici, dar este mai greu de implementat, deoarece necesită mai multe componente și un software mai complex.

Proiectul din acest articol folosește metoda cu circuit RC. Când o tensiune este aplicată unui circuit serie rezistor - condensator, tensiunea la bornele condensatorului tinde să ajungă la nivelul tensiunii de alimentare în timp (condensatorul se încarcă). Modificarea tensiunii la bornele condensatorului se face prin consum de curent. Circuitul prezentat realizează atât încărcarea, cât și descărcarea condensatorului. Măsurarea constantei de timp se face doar în timpul încărcării. Funcția de descărcare permite efectuarea de măsurări repetate, și precise, fără a scoate condensatorul din circuitul RC.

Capacimetrul construit pe o placă de test

Amplificator audio de 10 W cu tranzistoare

Amplificatorul prezentat în continuare este un circuit clasic, construit cu componente uzuale și tranzistoare de putere în etajul final. Poate furniza până la 10 W pe sarcină de 4 ohmi când primește un semnal de intrare de 500 mVp-p. Impedanța de intrare este cel puțin 100 kilo-ohmi. Coeficientul de distorsiuni armonice neliniare este sub 1 %. Amplificatorul va fi alimentat de la o sursă de 24 volți.

Tranzistoarele din etajul final trebuie să poată susține un curent de colector de cel puțin 2 A și să disipe minimum 20 W. Se recomandă utilizarea de perechi BD237 cu BD238 sau BD437 cu BD438. Celelalte tranzistoare sunt de uz general, tip BC547, BC171, 2N2222, S8050, 2N3904 și variantele lor complementare BC557, BC177, 2N2907, S8550, 2N3906. Nu au toate acceași ordine a pinilor, așa că verifică datasheet-ul înainte de a face o substituire (placa de circuit este proiectată pentru BC547/BC557). Tranzistoarele care acționează etajul final trebuie să fie, la fel ca cele din acest etaj, complementare și cu factor de amplificare similar. Se recomandă testarea lor (majoritatea multimetrelor au funcție de măsurare hFE) și alegerea perechilor cu hFE similar. Dacă nu le poți testa, alege subtipul potrivit (nu folosi BC547B cu BC557C, pentru că au factor de amplificare diferit).

Amplificator audio de 10 W cu tranzistoare (fără radiator)

Comutator electronic de antenă cu diode PIN

Dioda PIN este o diodă semiconductoare care conține o zonă de semiconductor i între zonele p și n. Are proprietatea de a își modifica rezistența internă în funcție de polarizare. Datorită capacității proprii foarte mici, la frecvențe înalte, o diodă PIN se comportă ca o rezistență variabilă, în funcție de nivelul și polaritatea tensiunii aplicată. Polarizată invers, dioda are o rezistență mare, de ordinul kilo-ohmilor. Aceste proprietăți fac diodele PIN potrivite pentru comutarea semnalelor de radiofrecvență.

Dispozitivul prezentat în continuare comută două antene. Este util în multe situații. Putem avea o antenă pentru banda VHF și una pentru UHF, sau putem avea două antene orientate în direcții diferite. Comutarea se face prin cablul de semnale de la antene la receptor, fără a induce pierderi semnificative de semnal. O tensiune continuă, mică, este aplicată diodelor, prin cablul coaxial, pentru a le polariza pe rând. Alegerea diodei se face prin inversarea polarității acestei tensiuni.