מחולל פונקציות נייד בארדואינו: 7 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:16

מחולל פונקציות הוא כלי שימושי מאוד, במיוחד כאשר אנו שוקלים לבדוק את תגובת המעגל שלנו לאות מסוים. במדריך זה אתאר את רצף הבנייה של מחולל פונקציות קטן וקל לשימוש.

תכונות הפרויקט:

• שליטה דיגיטלית לחלוטין: אין צורך ברכיבים אנלוגיים פסיביים.
• עיצוב מודולרי: כל תת מעגל הוא מודול קל לשימוש מוגדר מראש.
• תדר פלט: טווח זמין בין 0Hz ל- 10MHz.
• שליטה פשוטה: מקודד סיבוב יחיד עם כפתור לחיצה מובנה.
• סוללת ליתיום לשימוש נייד, עם יכולת טעינה חיצונית.
• צימוד AC ו- DC לצורת גל פלט.
• בקרת בהירות LCD להפחתת צריכת האנרגיה.
• מחוון טעינת סוללה.
• בקרת משרעת דיגיטלית.
• שלוש צורות גל זמינות: סינוס, משולש ומרובע.

שלב 1: הרעיון

ישנם הרבה מעגלים הדורשים ציוד בדיקה על מנת לקבל מידע על תגובת המעגל לצורת גל מסוימת. פרויקט זה מבוסס על Arduino (Arduino Nano במקרה זה), עם 3.7V סוללת ליתיום יון כמקור כוח ובכך הופך את המכשיר לנייד. זה ידוע כי לוח Arduino Nano דורש 5V כספק כוח, ולכן העיצוב האלקטרוני מכיל ממיר בוסט DC-DC הממיר מתח סוללה 3.7V ל- 5V הנדרש להפעלת הארדואינו. לפיכך, פרויקט זה קל לבנייה, מודולרי לחלוטין, עם דיאגרמה סכמטית פשוטה יחסית.

הפעלת הלוח: למכשיר יש מחבר מיני USB אחד המקבל 5V מספק החשמל החיצוני, שעשוי להיות מחשב או מטען USB חיצוני. המעגל תוכנן באופן שכאשר המקור 5V DC מחובר, סוללת ליתיום נטענת על ידי מודול מטען TP4056 המחובר למעגל אספקת החשמל (הנושא יורחב עוד בשלבים הבאים).

AD9833: מעגל מחולל פונקציות משולב הוא חלק מרכזי בעיצוב, הנשלט באמצעות ממשק SPI עם יכולת לייצר גל מרובע/סינוס/משולש עם אופנון אפנון תדרים. מכיוון של AD9833 אין יכולת לשנות את משרעת אות הפלט, השתמשתי בפוטנציומטר דיגיטלי של 8 סיביות כמפריד מתח בנקודת הסיום של יציאת המכשיר (יתואר בשלבים נוספים).

תצוגה: הוא מסך ה- 16x2 הבסיסי, שהוא כנראה התצוגה הפופולרית ביותר של קריסטל נוזלי בקרב משתמשי Arduino. על מנת להפחית את צריכת האנרגיה, ישנה אפשרות להתאים את התאורה האחורית של LCD באמצעות אות PWM מהסיכה ה"אנלוגית "המוגדרת מראש על ידי Arduino.

לאחר הקדמה קצרה זו, נוכל להמשיך לתהליך הבנייה.

שלב 2: חלקים ומכשירים

1: חלקים אלקטרוניים:

1.1: מודולים משולבים:

• לוח Arduino Nano
• 1602A - תצוגת גביש נוזלי כללית
• CJMCU - AD9833 מודול מחולל פונקציות
• TP4056 - מודול מטען סוללות ליתיום
• מודול כיסוי DC-DC Step-Up: ממיר 1.5V-3V ל- 5V

1.2: מעגלים משולבים:

• SRD = 05VDC - ממסר SPDT 5V
• X9C104P - פוטנציומטר דיגיטלי של 8 סיביות 100KOhm
• EC11 - מקודד סיבובי עם מתג SPST
• 2 x 2N2222A - BJT למטרות כלליות של NPN

1.3: חלקים פסיביים ולא מסווגים:

• 2 x 0.1uF -קבלים קרמיים
• 2 x 100uF - קבלים אלקטרוליטיים
• 2 x 10uF - קבלים אלקטרוליטיים
• 3 x 10KOhm נגדים
• 2 x 1.3KOhm נגדים
• 1 x 1N4007 דיודה מיישר
• 1 x מתג החלפת SPDT

1.4: מחברים:

• מחברי 3 x 4 פינים JST 2.54 מ"מ
• מחברי 3 x 2 פינים JST 2.54 מ"מ
• 1 x מחבר מחבר RCA

2: חלקים מכניים:

• 1 x 12.5cm x 8cm x 3.2cm מארז פלסטיק
• 6 x ברגי משיכה KA-2 מ"מ
• 4 x ברגי קידוח KA-8 מ"מ
• 1 x ידית מקודד (מכסה)
• 1 x 8 ס"מ על 5 ס"מ לוח אב טיפוס

3. מכשירים ותוכנות:

• תחנת הלחמה/ברזל
• מברג חשמלי
• טחינת קבצים בגדלים רבים
• סכין חדה
• מקדחות
• פיסות מברג
• אקדח דבק חם
• כבל מיני USB
• Arduino IDE
• קליפר/סרגל

שלב 3: הסבר סכמטי

על מנת להקל על הבנת התרשים הסכימטי, התיאור מחולק במעגלי משנה בעוד שלכל מעגל משנה יש אחריות על כל בלוק עיצוב:

1. מעגל ננו Arduino:

מודול Arduino Nano משמש כ"מוח ראשי "עבור המכשיר שלנו. הוא שולט בכל המודולים ההיקפיים במכשיר, במצבי הפעלה דיגיטליים ואנלוגיים כאחד. מכיוון שלמודול זה יש מחבר כניסת USB מיני משלו, הוא ישמש הן ככניסת אספקת חשמל והן כקלט ממשק תכנות. בגלל זה, J1 - מחבר ה- Mini -USB מנותק מהסמל הסכימטי של Arduino Nano (U4).

קיימת אפשרות לשימוש בסיכות אנלוגיות ייעודיות (A0.. A5) כקלט/פלט למטרה כללית, ולכן חלק מהסיכות משמשות כפלט דיגיטלי ומתקשרות עם בחירת צימוד LCD ו- AC/DC של פלט המכשיר. סיכות אנלוגיות A6 ו- A7 הינן סיכות קלט אנלוגיות ייעודיות וניתן להשתמש בהן רק ככניסות ADC, בגלל חבילת מיקרו -בקר ATMEGA328P TQFP של Arduino Nano, כפי שהוגדרה בגיליון הנתונים. שימו לב שקו מתח הסוללה VBAT מחובר לפין הכניסה האנלוגי A7, מכיוון שעלינו לקבל את ערכו על מנת לקבוע מצב סוללה נמוך של מתח סוללת ליתיום.

2. ספק כוח:

מעגל אספקת החשמל מבוסס על הפעלת כל המכשיר באמצעות סוללת ליתיום 3.7V שהוסבה ל- 5V. SW1 הוא מתג מתג SPST השולט על זרימת החשמל במעגל כולו. כפי שניתן לראות מהתרשימים, כאשר ספק כוח חיצוני מחובר באמצעות מחבר מיקרו USB של מודול ה- Arduino Nano, הסוללה נטענת באמצעות מודול TP4056. וודא שבמעגל קיימים קבלים עוקפים בעלי מספר ערכים, שכן קיים רעש החלפת ממיר מתח DC-DC על פני הקרקע ופוטנציאלים של 5V במעגל כולו.

3. AD9833 ופלט:

תת-מעגל זה מספק צורת גל פלט מתאימה, המוגדרת על ידי מודול AD9833 (U1). מכיוון שיש רק ספק כוח יחיד במכשיר (5V), יש צורך לחבר מעגל בחר מצמד למפל הפלט. קבל C1 מחובר בסדרה לשלב בחירת המשרעת, וניתן להשתיק אותו באמצעות זרם הנעה על משרן הממסר, ובכך להפוך את אות הפלט ליישר ישר לשלב הפלט. ערך C1 הוא 10uF, די בכך שצורת הגל אפילו של תדרים נמוכים תעבור דרך הקבל מבלי להתעוות, מושפעת רק מהסרת DC. Q1 משמש כמתג BJT פשוט המשמש להנעת זרם דרך המשרן של ממסר. ודא שהדיודה מחוברת בהקצאה הפוכה למשרן הממסר, על מנת להימנע מקפיצות מתח העלולות לפגוע במעגלי המכשיר.

שלב אחרון חביב הוא בחירת משרעת. U6 הוא 8 סיביות פוטנציומטר דיגיטלי, המשמש כמפריד מתח עבור צורת גל פלט נתונה. X9C104P הוא פוטנציומטר דיגיטלי 100KOhm עם התאמת מיקום מגבים פשוט מאוד: כניסות דיגיטליות בעלות 3 פינים להתאמת מיקום מגב התוספת/הפחתה.

4. LCD:

תצוגת קריסטל נוזלי 16x2 היא ממשק גרפי בין המשתמש למעגל המכשיר. על מנת להפחית את צריכת האנרגיה, סיכת קתודה עם תאורה אחורית LCD מחוברת ל- Q2 BJT המחובר כמתג, נשלט על ידי אות PWM המונע על ידי יכולת Arduino analogWrite (יתואר בשלב קוד Arduino).

5. מקודד:

מעגל מקודד הוא ממשק בקרה, המגדיר את פעולת המכשיר כולו. U9 מורכב מקודד ומתג SPST, כך שאין צורך להוסיף כפתורים נוספים לפרויקט. מקודד וסיכות מתג יש למשוך כלפי מעלה על ידי נגדים חיצוניים של 10KOhm, אך ניתן להגדיר אותם גם באמצעות קוד. מומלץ להוסיף קבלים 0.1uF במקביל לסיכות המקודד A ו- B על מנת להימנע מהקפצות על קווי הכניסה הללו.

6. מחברי JST:

כל החלקים החיצוניים של המכשיר מחוברים באמצעות מחברי JST, ובכך הופכים אותו להרבה יותר נוח להרכיב את המכשיר, עם תכונה נוספת של צמצום מקום לטעויות במהלך תהליך הבנייה. מיפוי המחברים מתבצע בצורה הבאה:

• J3, J4: LCD
• J5: מקודד
• J6: סוללה
• J7: מתג SPST
• J8: מחבר פלט RCA

שלב 4: הלחמה

בגלל העיצוב המודולרי של הפרויקט הזה, שלב ההלחמה הופך לפשוט:

א הלחמה של הלוח הראשי:

1. קודם כל, יש צורך לחתוך את לוח האבטיפוס לגודל מידות המתחם הרצוי.

2. הלחמת מודול Arduino Nano ובדיקת פעולתו הראשונית.

3. מעגל הספקת הלחמה ובדיקת כל ערכי המתח תואמים את דרישות המכשיר.

4. מודול הלחמה AD9833 עם כל המעגלים ההיקפיים.

5. הלחמת כל מחברי JST.

B. רכיבים חיצוניים:

1. הלחמת חוטי מחבר זכר JST לפיני ה- LCD בסדר מדויק כפי שתוכננו על הלוח הראשי.

2. הלחמת חוטי מחבר JST זכר למקודד באופן דומה לשלב הקודם

3. מתג הלחמה לחוטי JST.

4. הלחמת חוטי JST לסוללה (אם יש צורך בכלל. חלק מסוללות הליתיום הקיימות ב- eBay מולחמות מראש עם מחבר JST משלהן).

שלב 5: מארז והרכבה

לאחר סיום כל ההלחמה, נוכל להמשיך לרצף הרכבת המכשיר:

1. חשוב על מיקום החלקים החיצוניים של המכשיר: במקרה שלי, העדפתי למקם מקודד מתחת ל- LCD, כאשר מתג מתג ומחבר RCA ממוקמים בצדדים נפרדים של תיבת המארז.

2. הכנת מסגרת LCD: החליטו היכן יהיה ממוקם ה- LCD במכשיר, וודאו כי הוא ימוקם בכיוון הנכון, קרה לי מספר פעמים שאחרי שסיימתי את כל תהליך החיתוך, LCD הופך אנכית, אם מדברים עליו עצוב, כי יש צורך לסדר מחדש את מסגרת ה- LCD.

לאחר בחירת המסגרת, מקדחים מספר חורים בהיקף המסגרת כולה. הסר את כל חתכי הפלסטיק הבלתי רצויים בעזרת קובץ טחינה.

הכנס את ה- LCD מבפנים ואתר את נקודות הבורג במארז. מקדחים חורים עם מקדחים בקוטר המתאים. הכנס ברגים משוכים והדק את האומים בצד הפנימי של הלוח הקדמי.

3. מקודד: יש רק חלק סיבובי יחיד על החבילה. מקדחים את האזור בהתאם לקוטר ההתקנה הסיבובית של המקודד. הכנס אותו מבפנים, הדק אותו בעזרת אקדח דבק חם. הנח מכסה על המצורף הסיבובי.

4. מתג החלפה: החליטו על מידות תנופת מתג המתג, כך שניתן יהיה למשוך אותו כלפי מטה או למעלה בחופשיות. אם יש לך נקודות בורג על מתג המתג, מקדח את האזורים המתאימים במארז, אחרת תוכל להדק אותו בעזרת אקדח דבק חם.

5. מחבר פלט RCA: קדח חור בקוטר המתאים למחבר פלט RCA בצד התחתון הצדדי של המארז. הדקו אותו בעזרת אקדח הדבק החם.

6. הלוח הראשי והסוללה: הניחו סוללת ליתיום בצד התחתון של המארז. ניתן לחבר את הסוללה בעזרת אקדח דבק חם. יש לקדוח את הלוח הראשי בארבעה מקומות עבור 4 ברגים בכל פינת הלוח הראשי. וודא שכניסת ה- Mini-USB של Arduino קרובה ככל האפשר לגבול המתחם (נצטרך להשתמש בו לצורכי טעינה ותכנות).

7. מיני USB: חותכים את האזור הרצוי עבור מיקרו USB מסוג Arduino Nano עם קובץ טחינה, ובכך מאפשרים לחבר ספק כוח/מחשב חיצוני למכשיר כשהוא מורכב לגמרי.

8. סופי: חבר את כל מחברי JST, צרף את שני חלקי המארז בעזרת ארבעה ברגים של 8 מ מ בכל פינה במארז.

שלב 6: קוד הארדואינו

הקוד המצורף הוא קוד המכשיר המלא הדרוש להפעלת המכשיר המלא. כל ההסבר הדרוש מצורף בחלקים של ההערות בתוך הקוד.

שלב 7: בדיקה אחרונה

המכשיר שלנו מוכן לשימוש. מחבר מיני USB פועל הן כקלט מתכנת והן ככניסה למטען חיצוני, כך שהמכשיר מסוגל להיות מתוכנת כאשר הוא מורכב לחלוטין.

מקווה שתמצא את זה שימושי, תודה שקראתם!;)