Базовые понятия

Давайте обсудим некоторые базовые понятия, которые будут использоваться в дальнейших уроках.

Электричество


Подробнее об электричестве читайте в этом уроке. Здесь разберём эту тему коротко и “на пальцах”, а также я проведу аналогию электричества с водой.

  • Электричество – вид энергии, которая может передаваться по проводникам (проводам) в виде заряженных частиц. Аналогия: текущая по трубе вода.
  • Источник электричества – устройство, которое может выдавать электрическую энергию (розетка, блок питания, батарейка, аккумулятор). Аналогия: водонапорная башня.
  • Потребитель электричества – устройство, которое потребляет электрическую энергию (радиоэлемент, микросхема, электрический прибор). Аналогия: водяная турбина.
  • Электрическая цепь – состоит из источника, потребителя и соединяющих их проводников (проводов).
    • Если цепь замкнута, по проводникам идёт электрический ток.
    • Электрический ток всегда идёт по двум проводам: выходит из “плюса” и приходит в “минус”.
    • Минусовой провод на схеме чаще всего изображается чёрным или синим, а плюсовой – красным.
  • Электрическое напряжение – основная характеристика электричества, показывает его “потенциал”. Измеряется в Вольтах (V, В), обозначается U. Аналогия: давление воды, точнее высота водонапорной башни – чем она выше, тем выше давление внизу.
    • У источников это выходное напряжение – такое напряжение они выдают. Таким образом напряжение в цепи зависит от источника. Аналогия: давление воды.
    • У потребителей это напряжение питания – такое напряжение нужно подать, чтобы устройство работало. Если подать меньше минимального – оно не будет работать. Если подать больше максимального – скорее всего сгорит. Аналогия: слишком мощный напор воды сломает турбину, если она на это не рассчитана, а слишком слабый – не сможет её вращать.
    • Напряжение – относительная величина, измеряется между двумя точками с разным потенциалом. Например у источника питания мы будем измерять напряжение между его контактами. Аналогия: высота столба воды в водонапорной башне (от трубы снизу до поверхности воды сверху).
  • Электрический ток – показывает, “как много электричества” проходит через провод, фактически – количество заряженных частиц в секунду. Измеряется в Амперах (А), обозначается I. Аналогия: объём воды, проходящий через трубу за единицу времени.
    • У источников это допустимый ток – такой ток можно снять с источника без вреда для него. Другими словами, подключенная к источнику схема не должна потреблять больше тока, чем может выдать источник.
    • У потребителей это ток потребления – такой ток будет потреблять устройство, если подать на него напряжение. Таким образом ток в цепи зависит от потребителя.
    • Потребляемый ток измеряется “в разрезе” провода, как если бы мы измеряли поток воды через трубу.
  • Электрическое сопротивление – показывает, какой ток будет потребляться устройством при известном напряжении. Чем выше сопротивление, тем меньше ток. Измеряется в Омах (Ом, Ohm), обозначается R. Аналогия: способность трубы пропускать воду. Узкая, ребристая и длинная труба будет пропускать меньше воды при том же давлении (напряжении), чем широкая, гладкая и короткая.
  • Закон Ома – связывает напряжение, ток и сопротивление одним уравнением: I = U / R.
  • Ёмкость аккумулятора – измеряется в Ампер*часах (А*ч). Показывает, какой ток может отдавать аккумулятор в течение одного часа. Зная ток потребления, можно узнать время работы от аккумулятора. Аналогия: объём воды в водонапорной башне.

Электрический сигнал


Электричество может использоваться не только для питания электронных компонентов и приборов, но и для передачи данных. В этом случае “потребитель” (приёмник) имеет очень высокое сопротивление, то есть при подключении к нему источника сигнала в цепи начинает течь очень маленький, почти нулевой ток. Но приёмнику в этом случае интересно именно напряжение источника – ведь цепь замкнута и он может его измерить. Электрический сигнал бывает двух типов: аналоговый и цифровой.

Аналоговый сигнал – напряжение такого сигнала может меняться с очень маленьким шагом в Вольтах. В большинстве случаев такой сигнал “непрерывен”, то есть не может измениться резко: в любой момент времени мы можем его измерить и перевести в нужную величину (например, напряжение в температуру).

  • Достоинства: простота реализации, множество дешёвых аналоговых датчиков на рынке, для обработки не нужен микроконтроллер, схема может быть полностью аналоговой.
  • Недостатки: аналоговый сигнал может исказиться при передаче, могут наложиться внешние электромагнитные помехи, внутренние помехи питания, величина сигнала (напряжение) может уменьшиться из за сопротивления проводов.

Цифровой (дискретный, логический) сигнал – напряжение такого сигнала имеет всего два значения, низкое и высокое: 0V и 3.3V/5V. С точки зрения данных это 0 (ноль) и 1 (единица).

  • Максимальное напряжение такого сигнала называется логическим уровнем и в большинстве случаев равно 3.3V или 5V, это зависит от конкретной модели компонента.
  • Логический уровень практически всегда совпадает с напряжением питания компонента, то есть если микросхема питается от напряжения 5V, то и логический уровень у неё будет 5V.
  • Приёмник логического сигнала воспринимает за 0 (ноль) любое напряжение, меньшее половины логического уровня, и за 1 (единицу) – большее его половины. Таким образом искажённый сигнал в большинстве случаев будет обработан правильно.

В некоторых случаях двух состояний достаточно (кнопка нажата/отпущена, лампочка выключена/включена), но для команд и численных значений этого мало, поэтому для передачи данных используют цифровые интерфейсы связи. Они бывают разные и подробнее мы рассмотрим их в отдельном уроке, но суть остаётся той же: напряжение цифрового сигнала меняется резко и может принимать только два значения.

  • Достоинства: надёжность, хорошая защита от помех, высокая скорость передачи.
  • Недостатки: сложность реализации относительно аналогового сигнала, для работы нужны более дорогие “цифровые” компоненты.

Аналоговый и цифровой сигналы:

Программирование


  • Программирование – процесс написания программы. Также под программированием может подразумеваться настройка некоторых устройств (программируемая микросхема).
  • Язык программирования – совокупность специальных слов-операторов, синтаксиса и правил оформления кода.
  • Код программы (на языке программирования) – код, который пишет программист на языке программирования. Это читаемый, красиво оформленный текст, состоящий из слов и цифр.
  • Машинный код (бинарник) – код программы, который выполняется процессором. Этот код полностью состоит из цифр, обычный человек не сможет его прочитать и понять. Файл обычно имеет расширение .hex или .bin.
  • Компилятор – программа, которая переводит код программы в машинный код.
  • Компиляция – процесс перевода кода программы в машинный код.
  • Прошивка (как глагол) – процесс загрузки скомпилированного кода в память микросхемы.
  • Также прошивкой (как существительное) может называться сам код программы или бинарник (“загрузить прошивку”).
  • Программатор – специальное устройство для загрузки скомпилированного кода в память микросхемы.
  • Интегрированная среда разработки (IDE) – программа, в которой можно писать код, компилировать его и загружать в память микросхемы.
  • Скетч – в Arduino-среде так называется файл с программой, который открывается в Arduino IDE.
  • Алгоритм – чёткая последовательность действий для решения определённой задачи (например, алгоритм вычисления числа Пи).
  • Функция – отдельный участок кода программы, который можно вызвать по имени из другого места программы.

Полезные страницы


  • Набор GyverKIT – большой стартовый набор Arduino моей разработки, продаётся в России
  • Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
  • Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
  • Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макросы, все доступные типы данных
  • Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
  • Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете
  • Поддержать автора за работу над уроками
  • Обратная связь – сообщить об ошибке в уроке или предложить дополнение по тексту (alex@alexgyver.ru)
5/5 - (10 голосов)
Назад От автора
Вперёд Что такое Arduino?
Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии