Pojďme programovat elektroniku: 23 věcí, které potřebuje každý bastlíř

Pokračování 2 / 23

Desky s čipem ATmega328p

Čip ATmega328p od Atmelu (dnes Microchip) pohání nejpopulárnější desku Arduino Uno, Arduino Nano nebo třeba Arduino Pro Mini bez vlastního rozhraní USB. Mnohdy se jedná o levné klony z čínských e-shopů, které stojí pár desetikorun. Čip ATmega328p s 2 kB RAM, 32kB úložištěm pro program a obvyklým taktem 8 a 16 MHz je ideálním vstupem do bastlení.

Levné klony desek Arduino Uno, Arduino Nano a Arduino Pro Mini. Zcela vpravo pak samotný čip ATmega328p v konstrukci DIP28

Pokračování 3 / 23

Desky s dalšími čipy ATmega

Rodina čipů ATmega toho ale nabízí více. Pokud potřebujete k desce připojit enormní množství součástek, pořídíte si třeba obrovskou desku Arduino Mega 2560. Pokud budete chtít mikrokontrolerem simulovat klávesnici a myš, sáhnete po těch s čipem ATmega32u4, a pokud budete chtít něco naprosto titěrného jen s několika málo výstupy, poslouží dobře destičky s čipem ATtiny

Deska s čipem ATmega2560 a více než 50 digitálními piny, dvě desky s čipem ATmega32u4, destička s čipem ATiny a konečně i dva samostatné čipy z rodiny ATiny v přepravním pouzdře

Pokračování 4 / 23

Desky s čipy a procesory ARM

Ačkoliv si ARM spojujeme hlavně s mobilními telefony, ve skutečnosti se jedná o velmi širokou rodinu čipů od jednoduchých real-time mikrokontrolerů, které jsou ideální pro bastlení (třeba čipy STM32) a lze je po doinstalování podpory programovat a flashovat přímo z vývojového prostředí Arduino, až po linuxové mikropočítače s armovými multi-taskingovými procesory, kam patří třeba populární Raspberry Pi.

Deska SmartEverything (armový mikrokontroler Atmel SAM D21), linuxové Raspberry Pi Zero W (armový procesor Broadcom BCM2835), destička s armovým mikrokontrolerem STM32 a linuxový Onion Omega2+ (procesor MediaTek MT7688)

Pokračování 5 / 23

Desky s Wi-Fi čipy ESP8266 a ESP32

Obrovské popularitě se mezi bastlíří těší také firma Espressif Systems a její moduly s Wi-Fi čipy ESP8266 a pokročilejším ESP32. I pro ně komunita dodělala podporu, takže je můžete programovat v prostředí Arduino podobně jako jiné podporované desky. Nabízejí pracovní takt 80 MHz a výše, několik desítek kB RAM, až několik MB paměti pro program, a přitom stojí na zahraničních e-shopech pakatel.

Na internetu dnes seženete desky s čipy ESP8266/ESP32 v hromadě podob a provedení od maličkých modulů Wemos D1 Mini po podlouhlé desky NodeMCU s různými úpravami; třeba integrovaným OLED displejem nebo nabíjecím obvodem a schránkou pro Li-ion článek 18650

Pokračování 6 / 23

UART/USB převodník

Mnohé jednoduché desky nejsou vybavené USB rozhraním pro nahrání vašeho programu. Mají ale rozhraní sériové linky UART (piny RX a TX), čili je s počítačem musíte spojit pomocí převodníku. Ten má na jedné straně vývody pro RX, TX a napájení a na druhé straně USB. V počítači se po doinstalování ovladačů bude jevit jako sériové zařízení na některém z portů COM.

Různé podoby UART/USB převodníků. Při nákupu si musíte pohlídat, jestli podporuje pracovní napětí vaší desky. Prototypovací desky dle použitého čipu pracují zpravidla při napětích 5V (většina základních Arduin a starších desek), nebo na dnes stále rozšířenějším napětí 3,3V (ESP8266/ESP32, armové desky aj.).

Pokračování 7 / 23

Multimetr

Bez multimetru, který změří napětí, proud nebo odpor ani nezačínejte. Zachrání vás před zkratem, ověříte pomocí něj, jestli některá součástka vůbec funguje, případně to, jestli správně zapínáte + (VCC) a - (GND).

Multimetr, nebo alespoň voltmetr, je naprostý základ

Pokračování 8 / 23

USB hub a dostatek zdrojů

Určitě si také pořiďte slušný USB hub s vlastním napájením z elektrické sítě. Hub napájený z USB počítače totiž zpravidla poskytne proud nejvýše 1 A, což při zapojení vícero spotřebičů nemusí stačit. A určitě nevyhazujte žádné zdroje od staré elektroniky, třeba od mobilu. Budou se hodit zejména ty 5V, ale i 12V. Nekompatibilní konektor prostě ustřihnete a zdroj pak použijete téměř s jakoukoliv deskou.

USB hub s vlastním napájením a hromada starých zdrojů z vyhozené elektroniky

Pokračování 9 / 23

Kabeláž

Drtivá většina prototypovacích desek je uzpůsobena pro dnes již standardní kabeláž s konektory samec/samice typu „dupont“. Pořiďte si ale i univerzální krokodýlky třeba zrovna pro ty případy, kdy budete mít 5V zdroj s nekompatibilním konektorem. Na internetu seženete i kabeláž, která má na jedné straně USB a na druhé krokodýl.

Kabely s konektory dupont (zpravidla v délkách 10, 20 a 30 cm) a kabeláž s univerzálním krokodýlem

Pokračování 10 / 23

Nepájivé pole

Kabely dupont můžete k prototypovací desce připojit nějakou tu součástku buď přímo, anebo skrze nepájivé pole. Nepájivé pole (v angličtině breadboard) je matice otvorů s rozestupem 2,54 mm, které jsou vždy v jednom směru spojené vodičem a fungují tedy jako spojovatel. Do jednoho otvoru zapíchnete vodič z prototypovací desky a do druhého v téže řadě drátek, které povede zase někam dál. Anebo do nepájivého pole zapíchnete součástku, jejíž piny mají kompatibilní rozestup 2,54 mm. Může to být ostatně i sama malá prototypovací deska se samčími piny, tedy klasický šváb.

Nepájivé pole různých rozměrů. Všimněte si, že to velké má po stranách i kolmé linky, které lze použít pro snazší napájení součástek na poli.

Nepájivé pole v akci, aneb komplexní obvody bez použití páječky

Pokračování 11 / 23

Krimpovací kleště a tvorba konektorů

Vhodných kabelů není při prototypování nikdy dostatek, a tak si je můžete postupně vyrábět na míru. Stačí k tomu koupit samčí/samičí konektory dupont, kabel a kleště – ideálně ty krimpovací, které mají otvory pro danou tloušťku kabeláže.

Krimpovací kleště a samčí konektor typu dupont. Pomocí kleští a ideálně ještě pájky si tak mohu snadno vytvořit vlastní kabel vhodný pro nepájivé pole.

Pokračování 12 / 23

Osciloskop

Zpočátku jej asi potřebovat nebudete, hodí se ale třeba pro hledání chyb a rušivého signálu. Osciloskop na displeji v reálném čase zobrazuje průběh elektrického signálu podle jeho napětí. Jedná se tedy vlastně o takový voltmetr s grafem. Lze pomocí něj analyzovat různé signály, šum, který je třeba vyčistit pomocí kondenzátorů aj. Ty nejlevnější kity jako na fotografii, které si budete muset poskládat, stojí na zahraničních e-shopech pár stovek.

Osciloskop pomůže vysvětlit, jaký elektrický signál je zrovna v obvodu

Ukázka levného osciloskopu v akci při analýze pulzně-šířkové modulace:

Pokračování 13 / 23

Logický analyzátor

Logický analyzátor je doplňkem osciloskopu, který slouží k přesnému rozboru a měření zpravidla digitálního elektrického signálu. Můžete pomocí něj na nejnižší úrovni analyzovat jak běžné komunikační protokoly jako UART, I2C, SPI, USB atp., tak ten vlastní, který si sami navrhnete. Analyzátor na obrázku má USB rozhraní, graf tedy nekreslí na svém displeji, ale v aplikaci na PC.

Logický analyzátor slouží již dle svého názvu k analýze digitálního signálu na vodiči

Pokračování 14 / 23

Trafopájka a pájecí pero

Dříve či později se pájení neubráníte, dorazí vám totiž třeba součástka, která nebude mít připájené piny. Pro základní pájení se hodí buď klasická transformátorová páječka, anebo pájecí pero.

Transformátorová páječka s co nejtenčím hrotem s prodlouženou životností a pájecí pero s regulátorem teploty. Nedílnou výbavou je samozřejmě pájecí směs, kalafuna a ideálně držák

Zatímco transformátorová páječka je sice těžká, nicméně zahřeje hrot prakticky okamžitě a ten zase hned vychladne, levné pájecí pero má setrvačnost, zahřívá se mnohem déle, nicméně velmi tenký hrot může být vhodnější na velmi drobné pájení. Obě zařízení tedy mají své klady a zápory a jejich komunity se dokážou na webu pohádat stejně jako fanoušci Androidu a iPhonu.

Pokračování 15 / 23

Pájivé pole, plošný spoj

Pro trvalejší prototypy, které mají už něco vydržet, se hodí namísto nepájivého pole použít to pájivé opět s rozestupem 2,54 mm. Ať už hotový plošný spoj, který vám dle vašeho návrhu dodá třeba Plosnaky.cz, anebo univerzální pájivé pole s otvory.

Stripboard a veraboard, aneb pájivé pole. Toto bude pro začínajícího páječe hotová tortura, ale i perfektní škola. Jen vás nesmí odradit počáteční neúspěchy a zkraty, kdy bude pájka všude jen ne tam, kde jste to chtěli.

A tady už vidíte pájivé pole v akci. Základní součástky jsou pevně připájené a odnímatelné jsou pouze moduly displeje, GPS přijímače a čtečky MicroSD, které jsou k destičce připojené skrze rozhraní I2C, UART a SPI

Na zahraničních e-shopech najdete bodová nepájivá pole zpravidla pod zkratkou striboard, existují ale i ty podobné nepájivým polím, které mají vodičem propojené řady. Těm se říká třeba veraboard.

Pokračování 16 / 23

Základní elektrické součástky

Náš seriál se sice jmenuje Pojďme programovat elektroniku, ale bez základní znalosti o elektřině to nepůjde. Tedy pokud nechcete opravdu skončit jen u té blikající diody. Hned na začátku si tedy pořiďte především sady rezistorů s obvyklými hodnotami, později i sadu kondenzátorů, samozřejmě diody, které se postarají o to, aby proud tekl jen jedním směrem, trimery/potenciometry s upravitelným odporem aj.

Pásy rezistorů, modré trimery (nastavitelné rezistory) a set s drobnými kondenzátory. Na posledním obrázku pak zleva: fotorezistor citlivý na světlo, modrá a červená LED dioda, základní dioda, RGB LED dioda a zcela vpravo 16MHz krystal, který po připojení do obvodu na této frekvencí pulzuje a řídí tak třeba takt jednoduchých čipů včetně ATmega328p na základních deskách Arduina.

Pokračování 17 / 23

Podpůrný materiál

Většina prototypovacích deset má otvory pro montáž. Můžete je upevnit třeba pomocí plastových a kovových distančních sloupků, nebo šroubů s rovnou hlavou. Nejčastěji se používá průměr M3 (3mm šroub), u drobnější elektroniky M2. Vodiče pak můžete propojovat bez pájení pomocí nejrůznějších spojek.

Vhodné šrouby, matky, distanční sloupky a spojovací materiál pro kabeláž včetně destičky pro snadné vyvedení vodičů z konektoru micro USB

Pokračování 18 / 23

Baterie

Jednoduché mikrokontrolery mají často tak nízkou spotřebu, že můžete uvažovat o provozu na baterii. Z těch jednorázových uděláte nejlépe, když adekvátní napětí složíte z tužkových 1,5V baterií AA než třeba z 9V baterie, která sice zabere méně místa, ale příliš dlouho nevydrží.

A pak tu máme nabíjecí baterie. Zatímco modeláři používají kvůli potřebě vysokých proudů zpravidla baterie Li-pol, u drobné elektroniky, kde jde o proudy v řádu jednotek až stovek mA poslouží mnohem bezpečnější 3,7V Li-ion články 18650, které připomínají o něco větší tužkovou baterii. Pokud dojde ke zkratu, v jeho místě sice vzroste teplota, která dokáže roztavit i pájený spoj, ale samotné články to díky solidní konstrukci přežijí. Naopak neodborné zacházení s extrémními modelářskými Li-pol bateriemi může skončit výbuchem.

S vysoce reaktivními lithiovými bateriemi je třeba zacházet opatrně a ideálně používat ochranné obvody, které jsou k dispozici na samostatných destičkách, anebo tvoří součást nabíjecího modulu.

Boxy pro zapojení několika Li-ion článků 18650, různé formáty baterií, srovnání 18650 článků s tužkovou baterií AA, levným čínským klonem UltraFire a konečně nabíječka článků 18650 s volitelným cílovým napětím (3,7V články 18650 lze zpravidla bezpečně nabíjet až na 4,2V)

U baterií dejte při nákupu z Číny také velký pozor na padělky. Články 18650 s pohádkově vysokou kapacitou (třeba 5 000 mAh) jsou skutečně podvod. Dorazí vám baterie s kapacitou mnohonásobně nižší třeba jen v řádu stovek mAh.

Pokračování 19 / 23

Měniče a nabíječe

Elektrický měnič (na zahraničních e-shopech step-up/step-down converter) dokáže vstupní napětí zvýšit, nebo naopak snížit na požadovanou mez. Dnes na internetu seženete hromadu modulů, které vyrobí 5V a 3,3V pro přímé napájení prototypovacích desek s tímto pracovním napětím, anebo regulovatelné měniče, kde výstupní napětí upravujete pomocí šroubku na trimeru. S měničem tedy mohu 5V Arduino napájet třeba jen s dvěma 1,5 AA články, z 3V totiž vyrobím 5V.

Na první fotografii různé modely DC-DC měničů a na dalších snímcích pak modrý nabíjecí modul pro lithiovou baterii (4,2V) a zelený kombinovaný modul, který obsahuje jak nabíjecí modul pro baterii, tak měnič na 5V.

A jelikož jsme se v předchozí kapitole bavili o lithiových bateriích, hodí se i bezpečný nabíjecí obvod, který se postará o to, aby se baterie nabila nejvýše na 4,2V a stejně tak aby při vybíjení nekleslo napětí pod bezpečnou mez, kdy by už mohlo dojít k poškození lithiového článku.

U měničů je nakonec potřeba sledovat i to, jaké maximální proudy zvládnou. Čínským specifikacím na e-shopech bohužel moc nevěřte, jsou často i dvakrát vyšší než realita. Malý měnič, který se má postarat o výrobu stabilního napětí třeba pro desku s Wi-Fi čipem ESP8266 může selhat. Voltmetr sice bude ukazovat správné napětí, ale ESP8266 si během Wi-Fi komunikace řekne i o 100 mA elektrického proudu a nekvalitní nebo příliš slabý měnič s tím může mít problém.

Pokračování 20 / 23

Solární panel

Jakmile bude vaše bastlířská dílna disponovat nabíjecími bateriemi, měniči a nabíjecími moduly, bude už k samostatnému a věčnému napájení chybět pouze solární panel. Těch 1,5V-5V je plný internet, stojí pár desetikorun až stovek a i při oblačné obloze dokážou vyrobit dostatečný proud k pohonu jednoduchého mikrokontroleru.

Malé 1,5-5V solární panely a 3V panel s měničem, který napětí zvýší na 5V, a nabíjecím modulem pro 3,7/4,2 Li-ion baterii. Jedná se tedy o droboučkou (a nepříliš výkonnou) solární nabíječku.

Mikrokontroler zvládne běh na baterii zvláště tehdy, když bude pracovat třeba jen jednou za minutu, změří údaje ze senzorů, skrze Wi-Fi data odešle na web a poté se přepne do úsporného režimu. Takto mohou fungovat třeba různé venkovní meteostanice na zahradě. Li-ion baterie pak bude sloužit k napájení během noci a přes den se bude pomalu nabíjet.

Graf solárního nabíjení přes den a vybíjení přes noc u mé venkovní W-Fi meteosondy postavené na čipu ESP8266. Propad v druhé polovině září způsobily první podzimní mlhy, kdy intenzita slunečního jasu dosahovala jen 1 000 luxů, což bylo příliš málo, aby se baterie přes den dobila opět na maximum.

Pokračování 21 / 23

Displej

V každém setu pro začínající bastlíře nechybí nějaký ten jednoduchý segmentový displej, který umí zobrazit třeba jen tři číslice 0-9. Doba pokročila, segmentové displeje tedy při svém experimentování klidně přeskočte a kupte si drobný 0,96" OLED displej. Díky tomu, že na rozdíl od TFT LCD displejů nepotřebuje podsvícení, má nízkou spotřebu a svítí na něm skutečně jen ty pixely, které mají svítit – ty nejlevnější za stovku jen jednou barvou.

TFT LCD, OLED a e-inkové displeje s rozhraním SPI. Vpravo pak drobné 0,96" OLED displeje s rozhraním I2C.

Rozměrnější TFT displeje jsou pak již samozřejmě barevné a mnohdy nabízejí i rezistivní dotykovou vrstvu a plastový stylus. Módní novinkou jsou pak e-inkové displeje. Ty jsou sice mnohem dražší, monochromatické, bez podsvícení, ale mají tu výhodu, že spotřebovávají elektrickou energii jen během překreslení.

Kdyby tedy sloužily jako displej meteostanice, která potřebuje obnovovat hodnoty třeba jen jednou za pět minut, e-inkový displej bude stále svítit, ale nebude odebírat žádný proud.

Pokračování 22 / 23

Silikonová podložka

Nemáte-li pořádnou dílnu, kupte si ještě podobnou silikonovou podložku. Stejně jako forma na bábovku odolá vysoké teplotě pájky a neponičíte si tedy svůj pracovní stůl.

Tepelně odolná silikonová podložka je základ zejména tehdy, pokud bastlíte v malém bytě a nemáte vhodnou dílnu

Pokračování 23 / 23

Peníze, čas a trpělivá rodina

Ačkoliv se může bastlení díky nákupu laciných cetek z Činy jevit jako hodně levná zábava, realita je trošku jiná. Tedy pokud se do toho opravdu ponoříte a budete se postupně posouvat výš a výš, až zjistíte, že jste schopni postavit prakticky cokoliv.

Takto vypadala moje sbírka součástek, všemožných senzorů, modulů, prototypovacích deset a dalšího harampádí zhruba po roce. Dnes je dvojnásobná.

Na této cestě totiž utratíte hromadu peněz. Drobné cetky jsou samy o sobě opravdu levné, ale když vám dorazí 100. obálka z eBaye a jemu podobných a vy si spočítáte, kolik peněz jste za ten poslední rok a půl vlastně utratili, asi se docela zhrozíte. Nicméně za ty vědomosti a ničím nenahraditelnou praxi, kterou získáte, to rozhodně bude stát!