7 mm
JONAS FORSBERG | Börja med elek tronik och arduino ARBETSBOK
Jonas Forsberg är verksam som lärare på Malmö högskola. Han har mångårig internationell erfarenhet som utbildare och kursutvecklare i elektronik och datateknik.
Börja med elektronik och Arduino – arbetsbok Börja med elektronik och Arduino – arbetsbok innehåller laborationer och övningsuppgifter. Den utgör ett komplement till huvudboken med samma titel. Materialet kräver inga förkunskaper. Huvudboken och arbetsboken är därför utmärkta som kursmaterial i grundläggande kurser i teknik på högskolenivå men även på högre gymnasienivå och inom vuxenutbildning samt vid fortbildning av lärare. Som stöd finns även en webbsida med information om elektroniska komponenter, länkar till datablad, källkod till program m.m., som nås via www.studentlitteratur.se/38290.
BÖRJA MED
ELEKTRONIK OCH ARDUINO ARBETSBOK
Art.nr 38290
Jonas Forsberg www.studentlitteratur.se
978-91-44-09648-3_01_cover.indd Alla sidor
2014-11-25 09:56
Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access. Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare. Studentlitteratur har både digital och traditionell bokutgivning. Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.
Art.nr 38290 ISBN 978-91-44-09648-3 Upplaga 1:1 © Författaren och Studentlitteratur 2014 www.studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Omslagslayout: Jesper Sjöstrand Omslagsbild: Pernilla Rosander Printed by Holmbergs, Sweden 2014
978-91-44-09648-3_01_book.indd 2
2014-10-28 13:27
INNEHÅLL
Hårdvaran och laborationerna 5 Laboration 1 7 Laboration 2 13 Laboration 3 19 Laboration 4 25 Laboration 5 33 Laboration 6 39 Laboration 7 47 Laboration 8 51 Laboration 9 55 Laboration 10 63 Laboration 11 71 Laboration 12 77 Laboration 13 79 Laboration 14 85 Laboration 15 91
Övningar i elektronik 97 Övningar i inbyggda system 107 Svar till övningar i elektronik 113 Svar till övningar i inbyggda system 119
© F ö rfa t t ar e n och S t ud e n t li t t e ra t ur
978-91-44-09648-3_01_book.indd 3
3
2014-10-28 13:27
978-91-44-09648-3_01_book.indd 4
2014-10-28 13:27
HÅRDVARAN OCH LABORATIONERNA
Den här arbetsboken hör till en huvudbok: Börja med elektronik och inbyggda system. Alla laborationers och övningars huvudsakliga syfte är att befästa teorin i motsvarande kapitel i huvudboken. De beskrivna laborationerna är hårt bundna till specifik hårdvara. När man börjar med elektronik och inbyggda system är det en styrka och pedagogiskt lämpligt att bygga upp kunskaper på ett sådant sätt och först därefter presentera ny information av mer allmän karaktär. Plattan som genomgående används vid beskrivningarna av labora tionerna utgörs av en plexiglasskiva 160 x 110 mm med fastklistrade gummifötter. På denna är det fastlimmat ett kopplingsdäck med ca 900 anslutningshål för komponenter. Två kopplingsdäck av typ Velleman SD10N behövs. Sågar man dessa i två lika delar så får man lämplig storlek som passar. Tyvärr blir det ett halvt sådant kopplingsdäck över. Gör man två uppsättningar, blir det inget spill. Det valda kopplingsdäcket är mycket lätt att hitta på marknaden. Ett vanligt inbyggt system är också fastsatt på plexiglasskivan. Det är Arduino Leonardo som utgörs av ett kretskort med nödvändiga komponenter och anslutningar för att det ska utgöra ett kompetent inbyggt system. Slutligen är en batterihållare för två AA-batterier fastskruvad på plexiglasskivan. Det är givetvis möjligt att arrangera dessa delar på eget sätt och ändå kunna göra alla laborationerna tillfredsställande. Som stöd till huvudboken och den här arbetsboken finns en webbsida med information om elektroniska komponenter, länkar till datablad, källkod till program m.m., som nås via www.studentlitteratur.se/38290 under fliken ”Extramaterial”. Malmö, oktober 2014 Jonas Forsberg
© F ö rfa t t ar e n och S t ud e n t li t t e ra t ur
978-91-44-09648-3_01_book.indd 5
5
2014-10-28 13:27
978-91-44-09648-3_01_book.indd 6
2014-10-28 13:27
L A B O R AT I O N 3
Laboration 3
I laborationen kopplar vi upp en operationsförstärkare och en lysdiod. Ett motstånd eller en resistor är en elektronisk komponent vars resistans, precis som en värmetråd, är oberoende av strömmen som flyter genom den. Motståndets storlek markeras med färgringar. I teoridelen beskrivs vilka standardvärden som finns för motstånd. Där finns också en färgkodstabell. Pröva att mäta storleken på några motstånd med ett universalinstrument. Jämför med färgkoden på motstånden. I elektronikkonstruktioner använder man sig av små strömmar och motstånd med stora resistanser. Det är lämpligt att alltid använda mA och kΩ. Prefixen milli i mA och kilo i kΩ tar ut varandra i Ohms lag: (10−3 × 103 = 1). Vi ska nu åter mäta temperatur med kretsen LM35. Vi ska koppla så att en elektrisk ström blir informationsbärare, så att varje grad motsvarar 0,1 mA. En temperatur på 22 grader ska alltså ge en ström på 2,2 mA. Komponenten vi använder för att omvandla en spänning till en ström är en universalkomponent, som kallas för en operationsförstärkare, en OP. Typen vi använder har beteckningen CA3240. Leta gärna efter datablad på internet.
Kapseln är av typ DIL (dual-in-line). Se teori om kapseltypen och stiftnumrering.
© F ö rfa t t ar e n och S t ud e n t li t t e ra t ur
978-91-44-09648-3_01_book.indd 19
3 + 2
1
_
CA3240 4
Siffrorna vid anslutningarna anger numren på anslutningsstiften till komponentkapseln för CA3240.
8
Till höger ser du kretssymbolen för en OP.
19
2014-10-28 13:27
Laboration 3
OUT A 1
2x
–IN A 2
– +
+IN A 3
– +
V– 4
8
V+
7
OUT B
6
–IN B
5
+IN B
Här ser du en bild från kretsens datablad som visar anslutningarna. Som du ser finns det två oberoende OP i kapseln. Nu ska vi bara använda en av dessa. Mellan stift 8 och stift 4 ansluts en matningsspänning som försörjer förstärkarna med energi. Stift 2 kallas för förstärkarens inverterande ingång. Stift 3 kallas för förstärkarens icke-inverterande ingång. Stift 1 är förstärkarens utgång. Ingångarna känner av storleken på de potentialer som ansluts utan att dra någon mätbar ström. Kretsen klarar bara av att lämna 20 mA på utgången. Vi kopplar upp en LM35 och en CA3240 utan att förklara hur OP:n fungerar. +12 V
+12 V 3
2
3 + V
2
1
_ 4
LM35
8
1
DVM 830
CA3240
A
FLUKE 45
0,1 k
Fotot på nästa sida ger dig viss vägledning hur du ska koppla upp komponenterna. Använd matningsspänningen 12 V från ett likspänningsaggregat. Strömmen genom amperemetern får man genom att dividera potentialen på OP:ns icke-inverterande ingång med resistansen 0,1 kΩ. För varje grad blir alltså strömmen I = 0,01V/0,1kΩ = 0,1 mA.
20
978-91-44-09648-3_01_book.indd 20
© F ö rfa t t ar e n och S t ud e n t li t t e ra t ur
2014-10-28 13:27
Laboration 3
Eftersom strömmarna vi mäter är under 100 mA får du använda uttaget märkt 100 mA i stället för uttaget 10 A på instrumentet Fluke 45. Läs av voltmetern: ____________ V Läs av amperemetern: _________A Håll på temperaturgivaren och se hur spänningen och strömmen stiger med temperaturen. En lysdiod är en elektronisk komponent som oftast används som ON/ OFF-indikator. Den vanligaste typen lyser röd när ström flyter genom den. Vanligt är att den maximala tillåtna strömmen är 30 mA. Den lyser dock tillfredsställande vid 15 mA. Symbolen för en lysdiod:
Den vänstra sidan kallas för lysdiodens anod och den högra för dess katod. Ström kan bara flyta in i anoden och ut från katoden: ju högre ström, desto mer lyser dioden. Vi ska nu undersöka hur spänning och ström hänger ihop för en lysdiod. Eftersom det är strömmen snarare än spänningen som bestämmer ljusstyrkan varierar vi strömmen och mäter motsvarande spänning i stället för tvärtom som tidigare.
© F ö rfa t t ar e n och S t ud e n t li t t e ra t ur
978-91-44-09648-3_01_book.indd 21
21
2014-10-28 13:27
Laboration 3
+12 V
POWERBOX3000
1
_
A
CA3240
4
2
U1A
8
3 +
V
0,39 k
Potentialen på ingångarna till OP:n får inte vara större än matningsspänningen. Med motståndet 390 Ω och lysdiodströmmen 20 mA blir potentialen på OP:ns icke-inverterande ingång 0,39 kΩ × 20 mA = 7,8 V, vilket är tillräckligt under matningen 12 V. Koppla upp enligt ritningen. Anoden på lysdioden är alltid något längre än katoden. Variera strömmen genom lysdioden genom att variera spänningen från Powerboxen och fyll i tabellen. U (V) I(mA)
0
0,2
0,5
1
2
4
6
8
10
12
14
16
Rita en kurva i Excel över hur strömmen varierar med spänningen för lysdioden. Eftersom vi vill ha spänningen på X-axeln och strömmen på Y-axeln som tidigare, fyller du i spänningarna i kolumn A och motsvarande strömmar i kolumn B i Excel. Vi vill ha kurvan från spänningen 0 V. Skriv därför 0 i de översta cellerna. +5 V a R b
c
Som du ser på kurvan är spänningen över lysdioden praktiskt taget konstant när den är tänd. Storleken på denna spänning beror på ljusets våglängd (färgen). Låt oss anta att spänningen över lysdioden är 2,1 V. Denna spänning är nästan konstant, oavsett strömmen genom lysdioden. Om lysdioden ska användas som en indikator för 5 V, måste ett motstånd kopplas i serie med lysdioden. I figuren till vänster har punkten a potentialen +5V och punkten b +2,1 V. Spänningen (potentialskillnaden) över resistansen är då 5 V – 2,1V = 2,9 V. Vill man ha strömmen 20 mA genom lysdioden gäller enligt Ohms lag: R = 2,9 V/20 mA = 0,145 kΩ = 145 Ω.
22
978-91-44-09648-3_01_book.indd 22
© F ö rfa t t ar e n och S t ud e n t li t t e ra t ur
2014-10-28 13:27
Laboration 3
Närmsta standardvärde är 150 Ω. Det kan hända att spänningen är annorlunda för lysdioden som vi använder. Använd ändå 150 Ω. Koppla upp en lysdiod i serie med ett motstånd på 150 Ω. 120 Ω och 180 Ω går också att använda: man märker ingen skillnad. Anslut 5 V och mät hur stor strömmen blir:
_________ mA
Avslutningsvis ska vi ladda två seriekopplade NiMH- (nickel-metallhydrid) batterier. Batterierna ska tillsammans normalt ha en spänning på 2,4 V. VIN
3
+VIN
VOUT
2
1 _ ADJ
R
LM317T + –
2,4 V
Hur stor kapacitet har varje batteri? Det står sannolikt på batteriet. _______________________ mAh Vi ska inte ladda batterierna genom att bara koppla in ett motstånd mellan laddningskällan och batterierna. Vi ska använda en spänningsregulator LM317T enligt figuren. Kopplingen är en konstant strömgenerator som alltid ger samma ström in i de seriekopplade batteriernas positiva pol. Vilken ström bör batterierna laddas med enligt teorin?
_________ mA
Spänningen över motståndet R är 1,25 V. Hur stort ska ”laddningsmotståndet” R vara?
__________ Ω
Vilken effekt måste motståndet tåla?
__________ W
© F ö rfa t t ar e n och S t ud e n t li t t e ra t ur
978-91-44-09648-3_01_book.indd 23
23
2014-10-28 13:27
7 mm
JONAS FORSBERG | Börja med elek tronik och arduino ARBETSBOK
Jonas Forsberg är verksam som lärare på Malmö högskola. Han har mångårig internationell erfarenhet som utbildare och kursutvecklare i elektronik och datateknik.
Börja med elektronik och Arduino – arbetsbok Börja med elektronik och Arduino – arbetsbok innehåller laborationer och övningsuppgifter. Den utgör ett komplement till huvudboken med samma titel. Materialet kräver inga förkunskaper. Huvudboken och arbetsboken är därför utmärkta som kursmaterial i grundläggande kurser i teknik på högskolenivå men även på högre gymnasienivå och inom vuxenutbildning samt vid fortbildning av lärare. Som stöd finns även en webbsida med information om elektroniska komponenter, länkar till datablad, källkod till program m.m., som nås via www.studentlitteratur.se/38290.
BÖRJA MED
ELEKTRONIK OCH ARDUINO ARBETSBOK
Art.nr 38290
Jonas Forsberg www.studentlitteratur.se
978-91-44-09648-3_01_cover.indd Alla sidor
2014-11-25 09:56