مجموعه آموزش آردوینو Arduino

آردوینو یک برد کنترلی کوچک است که با برنامه نویسی درست می تواند کارهای بزرگی انجام دهد. از کنترل یک ربات گرفته تا پیاده سازی خانه های هوشمند. در این فرادرس به معرفی این وسیله کاربردی و ارزان قیمت و نحوه برنامه نویسی آن با محوریت ساخت یک ربات (مسیریاب/فاصله یاب) خواهیم پرداخت.

آردوینو بردهایی هستند که براساس برخی از میکروکنترلرها ساخته شده اند و امکان احساس کنترل فضای بیشتری از دنیای فیزیکی را فراهم می کند. در اصل یک پلتفرم متن باز برای نمونه سازی و انجام پروژه های الکترونیکی به شمار می رود. هدف این فرادرس، آموزش به شکلی است که چه کاربران مبتدی که دانش کافی از برنامه نویسی ندارند و چه برنامه نویسان حرفه ای که با پلتفرم آردوینو آشنایی دارند، به کمک این ماژول امکان ساخت مجموعه های پیچیده را داشته باشند.

آردوینو (Arduino) و پایتون (Python) دو ابزار قدرتمند و کابردی در پروژه های صنعتی، پژوهشی و آموزشی هستند. آردوینو به دلیل سهولت برنامه نویسی و در دسترس بودن سخت افزارهای سازگار با آن و پایتون به دلیل جامعه آماری بالای برنامه نویسان و کاربرد گسترده آن، محبوبیت ویژه ای پیدا کرده اند. در این فرادرس، علاوه بر این که مهارت های آردوینو و پایتون خود را به سطح بالاتری ارتقا می دهید، تفاوت زبان های برنامه نویسی آن ها را نیز بهتر درک خواهید کرد و همچنین با نحوه برقراری ارتباط با پورت سریال توسط پایتون، راه اندازی ماژول های مختلف با آردوینو، ایجاد محیط های گرافیکی و واقعیت مجازی با پایتون نیز آشنا خواهید شد.

امروزه استفاده از بردهایی با اندازه کوچک و قابلیت های فراوان، روز به روز در حال گسترش می باشد که یکی از دلایل آن، سادگی ارتباط این برد با انواع ماژول ها و سنسورهای مختلف می باشد، همچنین به دلیل قیمت ناچیز بردهای مذکور، علاقه مندان بسیار زیادی پیدا کرده است. یکی از معروف ترین و محبوب ترین این بردها، بردهای آردوینو می باشند و بیشترین کاربرد بردهای مذکور، در صنعت روباتیک، هوشمند سازی، اتوماسیون، اینترنت اشیا و طرح های پژوهشی و تحقیقی است.

امروزه، برد آردوینو یکی از محبوب ترین و پر استفاده ترین بردها به حساب می آید که یکی از دلایل آن، سادگی ارتباط این برد با انواع ماژول ها و تجهیزات دیگر می باشد؛ موتورهای پله ای (Step Motors) نیز در صنعت کاربرد فراوانی دارند به عنوان مثال، هد پرینترهای موجود مجهز به این نوع موتور می باشند که باعث می شود کاغذ را به آرامی داخل پرینتر حرکت داده و تصویر مورد نظر را بر روی کاغذ چاپ کند، یکی دیگر از موارد استفاده موتورهای پله ای، در رباتیک هستند که به عنوان دست ربات می تواند مورد استفاده قرار گیرد، با توجه به اینکه حرکت موتورهای پله ای بسیار دقیق بوده و در هر مرحله به اندازه ثابتی جا به جا می گردد، در بسیاری از موارد مورد استفاده قرار می گیرند.

در این فرادرس که شامل ۲ سمت برنامه نویسی است، در دروس ابتدایی نحوه برنامه نویسی سمت میکروکنترلر (برای این منظور از برد آردوینو UNO استفاده می شود) به صورت پروژه محور و در قالب مثال های مختلف آموزش داده می شود و در دروس بعدی، برنامه نویسی تحت ویندوز توسط کامپایلر سی شارپ و برنامه نویسی تحت اندروید توسط محیط بیسیک فور اندروید آموزش داده خواهد شد.

در این آموزش، در ابتدا با چند نمونه از موتورهای صنعتی آشنا خواهیم شد. سپس به مبحث اندازه گیری موقعیت و سرعت موتور جریان مستقیم با استفاده از انکودر و سخت افزار آردوینو می پردازیم. در ادامه آموزش، انواع کنترلرها برای کنترل موقعیت و سرعت موتور معرفی خواهد شد و سیستم حلقه بسته در نرم افزار آردوینو به صورت عملی اجرا خواهد شد و در نهایت روش های فرمان دادن به موتور یعنی از طریق ارسال سیگنال آنالوگ، ارسال از طریق صفحه کلید و ارسال از طریق موبایل (بلوتوث موبایل) را ارائه خواهیم داد.

در این آموزش به برنامه نویسی نرم افزار آردوینو (Arduino) با استفاده از نرم افزار پروتئوس (Proteus) می پردازیم. شبیه سازی با نرم افزار پروتئوس این امکان را به وجود می آورد که برای طرح ها و پروژه های خود بدون صرف هزینه، نمونه بسازیم و باعث صرفه جویی در زمان و هزینه شویم. همچنین با توجه به این که اغلب پروژه های عملی مهندسی برق، الکترونیک شامل بخش های مختلفی مانند: پردازنده ها و مدارات الکتریکی است، شبیه سازی و برنامه نویسی آردوینو در پروتئوس این فرصت را به ما می دهد که خیلی راحت طراحی مدارات الکترونیک را با برنامه نویسی ترکیب کنیم و بعد از نهایی سازی پروژه های شبیه سازی از همان طرح ها برای پیاده سازی عملی استفاده کنیم.

در این آموزش به صورت گام به گام و عملی، مراحل لازم برای طراحی یک کنترل تطبیقی مدل مرجع برای کنترل موقعیت یک موتور جریان مستقیم با استفاده از برد آردوینو آموزش داده خواهد شد. در ابتدا به صورت تئوری کنترل تطبیقی طراحی خواهد شد و در محیط نرم افزار سیمیولینک، شبیه سازی خواهد شد و سپس کنترلر طراحی شده از طریق برنامه نویسی در محیط نرم افزار آردوینو پیاده سازی شده و بر روی موتور جریان مستقیم واقعی تست خواهد شد.

اگر با نرم افزار آردوینو آشنایی داشته باشید، می دانیم که این برد کوچک اما قدرتمند به ما این امکان را می دهد تا برای راه اندازی طیف وسیعی از قطعات و سنسورهای الکترونیکی، برنامه نویسی های لازم را انجام دهیم. اما حال اگر شما بخواهید نتایج آزمایش های خود را به طور دقیق تحلیل کنید و یا در مقالات معتبر علمی به آن استناد کنید، نیازمند استفاده از استاندارهای شناخته شده ای هستید که یکی از نرم افزارهای معتبر، نرم افزار متلب (MATLAB) است که داده های خروجی آن قابل استناد خواهد بود. ما نیز سعی داریم بین محیط بیرونی و داده های کامپیوتری ارتباط برقرار کنیم که راه حل ما به شما استفاده از آردوینو با متلب است.

در این فرادرس، نحوه ارتباط بین برد آردوینو و محیط برنامه نویسی سی شارپ در قالب پروژه های متنوعی به صورت کامل آموزش داده خواهد شد. یکی از پروژه هایی که آموزش خواهیم داد کنترل LED توسط برنامه ای است که با کامپایلر سی شارپ برنامه نویسی شده است و کاربر می تواند از طریق نرم افزار، LED مورد نظر را روشن یا خاموش کند، پروتکل ارتباطی در این پروژه ها، واحد ارتباط سریال است که به صورت کامل نحوه راه اندازی و پیکربندی آن آموزش داده می شود.

امروزه استفاده از بردهایی با اندازه کوچک و قابلیت های فراوان، روز به روز در حال گسترش است. علاوه بر این، به دلیل قیمت ناچیز، بردهای مذکور علاقه مندان بسیار زیادی پیدا کرده اند. یکی از معروف ترین و محبوب ترین این بردها، بردهای آردوینو هستند و بیشترین کاربرد آن ها در: صنعت روباتیک، هوشمندسازی، اتوماسیون و طرح های پژوهشی و تحقیقی است. به علاوه، کار با گوشی ها و تبلت های اندرویدی نیز به شدت افزایش یافته است. در این فرادرس، با استفاده از سیستم عامل اندروید (Android) و آردوینو، نحوه کنترل یک LED RGB به صورت زمان بندی شده به صورت کامل و کاربردی آموزش داده خواهد شد.

با رایج شدن روزافزون زبان برنامه نویسی Processing در قالب برنامه نویسی برای بوردهای آردوینو و فراگیر شدن این زبان در میان مهندسین رشته های مختلف، شرکت توسعه دهنده این زبان برنامه نویسی، نرم افزاری برای تطبیق هر چه بیشتر بوردهای آردوینو با محیط های رایانه ای، تحت عنوان Processing 3 ارائه داد. در این فرادرس ما قصد داریم تا با محوریت پروژه طراحی صفحه رادار، به مباحث پایه و اولیه این زبان برنامه نویسی جذاب بپردازیم. در واقع در این آموزش فرض می کنیم که اطلاعات رادار توسط پورت سریال برای ما فرستاده می شوند و ما قصد داریم که با طراحی یک محیط گرافیکی، این اطلاعات را به کاربر نمایش دهیم.