Arduino là gì? Bạn có thể làm gì với nó? Giải thích

Nếu bạn giống chúng tôi, mày mò với thiết bị điện tử là điều bạn muốn làm — ít nhất là về mặt lý thuyết. Có thể bạn thích mổ xẻ các thiết bị bị hỏng, nhưng đừng bao giờ làm bất cứ điều gì với những thứ bạn tìm thấy ngoài việc cất chúng đi trong một ngày mưa (ngăn kéo chứa đầy các bộ phận của lò vi sóng? Kiểm tra!). Nhưng ai có thời gian để học một chủ đề phức tạp như vậy?

Arduino là câu trả lời cho tất cả những điều đó: một bo mạch vi điều khiển nguồn mở là một cách thú vị và dễ dàng để bắt đầu học điện tử. Và bạn có thể bắt đầu với ít hơn 5 đô la cho phần cứng.

Arduino là gì?

Arduino có nhiều thứ: đó là một thương hiệu, một phần cứng, ngôn ngữ lập trình và toàn bộ hệ sinh thái sản phẩm. Nhưng nói chung, khi thảo luận về Arduino, chúng ta đang đề cập đến một nền tảng nguyên mẫu điện tử mã nguồn mở. Nhưng điều đó thực sự có nghĩa là gì?

Nói một cách đơn giản, Arduino là một máy tính nhỏ mà bạn có thể lập trình để thực hiện mọi việc. Nó có thể lấy dữ liệu từ thế giới bằng cách kết nối các cảm biến làm đầu vào, xử lý thông tin đó theo một cách nào đó, sau đó cung cấp đầu ra dưới dạng động cơ, đèn LED hoặc còi.

Arduino Uno

Bảng vi điều khiển Arduino phổ biến nhất là mô hình Uno. Điều này một phần là do đây là một trong những sản phẩm đầu tiên nên nó đã được áp dụng rộng rãi trước khi các thiết kế tiếp theo được tạo ra.

Arduino Uno được xác định về mặt kỹ thuật bởi hình dạng của nó và vị trí của các chân đầu vào và đầu ra. Mọi thứ ở giữa có thể thay đổi, vì vậy bạn sẽ tìm thấy nhiều phiên bản của Arduino Uno ngoài kia, nhưng tất cả chúng vẫn làm cùng một thứ và chạy cùng một mã.

Bộ não của mô hình Uno là chip logic ATmega328P hoặc 168. Đây là thứ lưu trữ và chạy mã của bạn.

Ở phía trên cùng của mạch (nghĩa là với đầu nối USB ở bên trái của bạn), bạn sẽ tìm thấy 14 chân cắm đầu vào/đầu ra kỹ thuật số. Trong mã của bạn, bạn cho Arduino biết nên sử dụng một chân cụ thể làm đầu vào hay đầu ra; chúng có thể là một trong hai, nhưng không phải cùng một lúc. Là kỹ thuật số, chúng có thể đọc hoặc phát ra tín hiệu bằng 0 hoặc một (còn gọi là thấp hoặc cao). Vì Arduino chạy ở điện áp 5 volt, nên tín hiệu thấp là 0V, trong khi tín hiệu cao là 5V. Không có ở giữa.

Ở dưới cùng bên phải, bạn sẽ tìm thấy năm chân đầu vào tương tự. Không giống như các chân I/O kỹ thuật số, các chân này chỉ là đầu vào và có thể hoạt động với các cảm biến có điện áp thay đổi từ 0-5V. Họ biến điện áp biến đổi đó thành một con số từ 1-1024. Một ví dụ về cảm biến tương tự là điện trở phụ thuộc vào ánh sáng (LDR), điện trở này thay đổi mức điện áp được phép đi qua tùy thuộc vào mức ánh sáng hiện tại. Bạn nên kiểm tra xem cảm biến của mình là analog hay kỹ thuật số trước khi kết nối.

Ở phía dưới bên trái là một bộ các chân nguồn. Hầu hết thời gian bạn sẽ chỉ sử dụng các chân +5V và GND (nối đất hoặc 0V) để cung cấp năng lượng cho cảm biến và các thiết bị đầu ra nhỏ hơn. Nếu bạn đang kết nối các động cơ có công suất cao hơn hoặc một chuỗi đèn LED, thì điều cần thiết là cấp nguồn cho chúng từ bên ngoài và không cố lấy hết nguồn từ Arduino của bạn.

Tốt nhất, bạn có thể đốt cháy Arduino, thứ không tốn kém để thay thế. Tệ nhất là nếu nó được kết nối qua USB, bạn có thể làm hỏng cổng USB của máy tính.

Hệ sinh thái Arduino Uno

Chúng tôi đã đề cập rằng một phần hình dạng của bo mạch và các chân xác định Arduino Uno. Nhưng tại sao điều này lại quan trọng như vậy? Đầu tiên là khái niệm “khiên”. Đây là những nâng cấp bạn có thể xếp chồng lên Arduino để thêm chức năng. Đây có thể là bảng mạch được thiết kế riêng của bạn hoặc bảng mạch bạn đã mua, chẳng hạn như màn hình LCD.

Thứ hai, vì Uno là một hình dạng tiêu chuẩn, nên bạn sẽ tìm thấy rất nhiều loại vỏ, cả thiết kế làm sẵn hoặc có thể in 3D để tải xuống và in tại nhà, hoặc thậm chí tự sửa đổi.

Đó là phần cứng nguồn mở

Bạn có thể quen thuộc với phần mềm mã nguồn mở. Điều đó thật dễ hiểu: bất kỳ ai cũng có thể xem và sửa mã, hoặc thậm chí tạo phiên bản mã của riêng họ. Điều tương tự cũng áp dụng cho phần cứng Arduino. Điều đó có nghĩa là bất kỳ ai cũng có thể sao chép Arduino, sửa đổi nó, đặt logo của riêng họ lên đó và bán nó. Đây không phải là bất hợp pháp. Trên thực tế, bản thân Arduino được xây dựng dựa trên các dự án mã nguồn mở khác. Chẳng hạn, phần mềm phát triển Arduino dựa trên Dây, bản thân nó dựa trên ngôn ngữ Xử lý!

Quy tắc duy nhất là bạn không thể gọi nó là thiết bị “Arduino” thực sự vì đó là nhãn hiệu được bảo vệ. Tuy nhiên, bạn có thể khẳng định rằng nó “tương thích với Arduino”.

Nhưng nếu phần cứng giống nhau, tại sao bạn lại mua Arduino “nhái”? Mặc dù một bảng chính thức có thể bán lẻ với giá hơn 20 đô la, nhưng bạn sẽ tìm thấy các bản sao có cùng chức năng chính xác với giá dưới 5 đô la. Bạn thậm chí có thể mua tất cả các thành phần riêng lẻ và tự làm từ đầu.

Nhưng bạn chỉ nên làm điều đó nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về chính xác những gì chứa trong một bảng mạch Arduino, chứ không phải vì bạn muốn tiết kiệm tiền. Nó không rẻ hơn và kết quả cuối cùng không đẹp bằng.

Một số nhà sản xuất tạo ra các bo mạch tương thích với Arduino hoàn toàn giống nhau, nhưng chỉ rẻ hơn. Một số thêm nhiều chức năng hơn so với ban đầu có. Chúng có thể có hình dạng độc đáo được thiết kế cho một ứng dụng cụ thể, thêm một số đầu nối khác, có thể chúng có màn hình ma trận LED tích hợp hoặc có thêm Wi-Fi.

Chẳng hạn, Lilypad là một bảng phát triển tương thích với Arduino được thiết kế cho các dự án có thể đeo được và các luồng dẫn điện.

Một trong những bo mạch tương thích với Arduino yêu thích của chúng tôi là NodeMCU, hình bên dưới. Chúng tôi yêu thích nó đến mức gọi nó là kẻ giết người Arduino. Nó rất nhỏ, có tích hợp Wi-Fi và có thể được mua với giá chỉ $3. Nó hoàn hảo cho các dự án internet vạn vật và tự động hóa gia đình nhỏ gọn.

Trong khi đó, dòng bo mạch phát triển Teensy có sức mạnh xử lý lớn hơn nhiều so với bo mạch Arduino, với yếu tố hình thức nhỏ bé—khiến chúng trở nên hoàn hảo cho các dự án nhỏ dựa vào khả năng xử lý mạnh mẽ ở cốt lõi.

Vậy thì có gì đặc biệt về Arduino?

Trung tâm của Arduino là bộ điều khiển logic lập trình được. Chúng không phải là một khái niệm mới và đã tồn tại hàng thập kỷ trước khi Arduino xuất hiện; để biết thêm chi tiết, hãy xem hướng dẫn của chúng tôi về bộ điều khiển logic khả trình.

Nhưng thế giới của PLC hơi phức tạp. Arduino làm cho nó dễ dàng. Nó kết hợp một phần cứng dễ sử dụng, gợi nhớ đến bộ dụng cụ điện tử mà chúng tôi đã lớn lên cùng với một môi trường lập trình cấp cao dễ tiếp cận, nghĩa là bạn sẽ không phải học nghệ thuật đen tối của mã máy.

Arduino nhanh chóng thu hút một cộng đồng người dùng trên toàn thế giới, những người đã viết hướng dẫn, chia sẻ mã và truyền bá kiến ​​thức của họ. Nguyên mẫu điện tử phức tạp không còn là lĩnh vực độc quyền của sinh viên tốt nghiệp kỹ thuật điện.

Arduino đã tạo ra các dự án phần cứng có các thiết bị điện tử phức tạp có thể lập trình được cho bất kỳ ai—vì vậy các nghệ sĩ và các loại hình sáng tạo có thể tập trung vào việc biến ý tưởng của họ thành hiện thực. Đó là công cụ mày mò cuối cùng; một cuộc cách mạng cho các nhà thiết kế phần cứng ở khắp mọi nơi.

Bạn có nên mua Bộ khởi động Arduino không?

Chúng tôi đã đề cập rằng bạn có thể mua một bo mạch nhân bản Arduino Uno cơ bản với giá chỉ 5 đô la nhưng bạn không thể làm được gì nhiều với Arduino. Chắc chắn rồi, nó có một đèn LED tích hợp, có thể mang đến những phút giải trí theo đúng nghĩa đen khi bạn làm cho nó nhấp nháy theo những cách khác nhau. Nhưng để thực sự tạo ra một số dự án thú vị, bạn sẽ cần thêm một số chi tiết nhỏ, chẳng hạn như cảm biến, động cơ và đèn LED nhiều màu. Sau đó, bạn sẽ muốn một số cáp nhảy để kết nối các bit đó và thậm chí có thể là một bảng mạch để đặt tất cả các bit này vào; xem hướng dẫn của chúng tôi về breadboard là gì và nó hoạt động như thế nào.

Đó là nơi cần có Bộ công cụ khởi động Arduino. Nhưng nên mua cái nào? Yêu thích hiện tại của chúng tôi là Bộ công cụ dành cho người mới bắt đầu Grove (xem bài đánh giá của chúng tôi), có giá dưới 50 đô la.

Đó là một bo mạch tất cả trong một thông minh với cảm biến đi dây sẵn, đèn LED, còi và thậm chí cả màn hình OLED. Bảng ở giữa tương thích với Arduino, nhưng bao gồm 12 đầu nối Grove. Hệ thống Grove giúp dễ dàng kết nối các thành phần thông qua một dây cáp duy nhất mà không cần sử dụng bảng mạch khung hoặc nhiều dây nhảy lộn xộn.

Điều thực sự đáng chú ý về Grove Beginner Kit là khi bạn muốn chuyển từ thiết kế bo mạch tất cả trong một và bắt đầu tạo mẫu thiết bị thực tế, bạn có thể tháo toàn bộ bo mạch và các thành phần, chuyển sang cáp hệ thống Grove (hoặc cáp nhảy vào các lỗ chốt tiêu chuẩn) để thay thế. Đó là một hệ thống rất linh hoạt để khởi động trải nghiệm lập trình Arduino của bạn.

Arduino là ngôn ngữ gì?

Ngôn ngữ Arduino là một phần mở rộng của C/C++. Điều này có nghĩa là Arduino đã thêm một tập hợp các chức năng và tính năng trên ngôn ngữ C++ tiêu chuẩn nhưng vẫn tuân theo các quy tắc và quy ước cơ bản giống nhau.

Bạn không cần phải biết C hoặc C++ để lập trình với Arduino. Một chút nền tảng về bất kỳ loại lập trình nào khác có thể hữu ích, nhưng nó cũng không cần thiết. Bạn có thể bắt đầu chỉ bằng cách tải các chương trình ví dụ đơn giản và thử sửa đổi chúng. Sau đó chuyển sang hoán đổi các cảm biến khác hoặc các đầu ra khác. Cuối cùng, hãy cố gắng đọc và sửa đổi các chương trình phức tạp hơn, và bạn sẽ sớm tập hợp được các dự án ban đầu. Bạn thậm chí có thể yêu cầu ChatGPT gỡ lỗi hoặc giải thích mã.

Dưới đây là một số khái niệm chính xác định cách viết chương trình Arduino:

• Bạn phải có ít nhất một cài đặt() Và vòng() chức năng xác định.
• cài đặt() chạy một lần khi thiết bị Arduino được đặt lại hoặc bật lần đầu tiên. Bạn sẽ sử dụng chức năng này để tạo trạng thái ban đầu của các biến, báo cho Arduino biết chân phần cứng nào nên làm gì hoặc khởi động các thư viện bạn cần cho các cảm biến khác nhau.
• vòng() chạy liên tục. Khi tất cả mã trong hàm loop() đã được hoàn thành, nó sẽ quay lại phần đầu của hàm loop() và thực hiện lại! Đây là nơi mã chương trình chính của bạn đi tới; những thứ như kiểm tra một biến cảm biến và tác động lên nó.
• Bạn cũng có thể định nghĩa các hàm trợ giúp của riêng mình để đóng gói các khối mã. Chúng có thể chấp nhận bất kỳ số lượng biến nào làm đầu vào và trả về một biến trở lại. Nếu không có biến nào được trả về, hàm được đánh dấu là void. Đây là trường hợp với thiết lập vô hiệu () Và vòng lặp vô hiệu ().
• Bạn có thể nhập các thư viện Arduino khác để thêm các tính năng vào ứng dụng của mình hoặc để trợ giúp khi sử dụng một số cảm biến nhất định.
• Bạn có thể để lại nhận xét trong mã của mình bằng cách đặt trước chúng bằng dấu gạch chéo kép // (thậm chí ở cuối dòng mã hiện có); hoặc để lại một bình luận nhiều dòng bằng cách mở đầu nó với /*và kết thúc nó với */

Hãy sáng tạo!

Arduino được cho là đã bắt đầu một cuộc cách mạng về phần cứng nguồn mở và tầm quan trọng của nó đối với lịch sử điện toán không thể bị đánh giá thấp. Nó cũng có liên quan ngày hôm nay hơn bao giờ hết.

Bắt đầu với Arduino rất dễ dàng và có rất nhiều dự án có thể được tạo với nó, nhiều dự án phù hợp cho người mới bắt đầu.