Другое

Сборка Arduino проекта из Tinkercad в реальность

Полное руководство по сборке Arduino проекта автоматического управления температурой после разработки в Tinkercad. LM2596S, сервоприводы, нагреватель.

Авторы: НейроАгент

Как собрать проект Arduino в реальной жизни после разработки в Tinkercad?

Описание проекта

Проект предназначен для автоматического управления температурой с использованием сервоприводов и нагревательного элемента. При достижении высокой температуры на одном из двух левых датчиков начинают вращаться сервоприводы. Сервоприводы вращаются только в одну сторону, если на правом датчике (помеченном черным) также высокая температура.

Вопросы по сборке в реальных условиях

1. Подключение регулятора напряжения

Как подключать регулятор напряжения LM2596S к Arduino? Уже спаяли, но не знаем, к каким пинам его подключать.

2. Схема сборки

Все остальное компоненты нужно собирать точно так же, как в Tinkercad, или при реальной сборке нужно добавлять дополнительные элементы?

3. Создание нагревательного резистора

Самый сложный вопрос: как создать нагревательный резистор на плате?

Код проекта

cpp
#include <Servo.h>

Servo servo1, servo2, servo3, servo4;
int servoPins[4] = {8, 9, 10, 11};
int heaterPin = 3;

int tempSystPin = A0;    // датчик 1: темп системы
int tempWarnPin = A1;   // датчик 2: от опасности (парник)  
int tempSunPin = A2;   // датчик 3: внешняя темп

float tempSyst, tempWarn, tempSun;

int currentAngle = 0;
int targetAngle = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);  
  
  servo1.attach(servoPins[0]);
  servo2.attach(servoPins[1]);
  servo3.attach(servoPins[2]);
  servo4.attach(servoPins[3]);
  
  pinMode(heaterPin, OUTPUT);
  digitalWrite(heaterPin, LOW);

  delay(1000);
}

//для всех серво
void openAllLouvers() {
  servo2.write(45);
  servo3.write(45);
  servo1.write(45);  
  servo4.write(45);
}

void closeAllLouvers() {
  servo2.write(0);  
  servo3.write(0);
  servo1.write(0);
  servo4.write(0);
}

//для половины серво
void open14Louvers() {
  servo1.write(45);  
  servo4.write(45);
}

void close14Louvers() {
  servo1.write(0);   
  servo4.write(0);
}

void loop() {
  tempSyst = readTemperature(tempSystPin);
  tempWarn = readTemperature(tempWarnPin);
  tempSun = readTemperature(tempSunPin);

  Serial.print("System: ");
  Serial.print(tempSyst);
  Serial.print("°C | Warn: ");
  Serial.print(tempWarn);
  Serial.print("°C | Sun: ");
  Serial.print(tempSun);
  Serial.println("°C");
  
  // 1 функция: от перегрева системы
  if (tempSyst > 30.0) {
    if (tempWarn < tempSyst) {
      // темп опасности нет - открыть
      openAllLouvers();
      digitalWrite(heaterPin, LOW);
      Serial.println("COOLING: Opening louvers");
    } else {
      // снаружи жарко - открыть безопасную створку
      closeAllLouvers();
      open14Louvers();
      digitalWrite(heaterPin, LOW);
      Serial.println("OVERHEAT PROTECTION: Closing louvers");
    }
  } 
  // 1 функция: от внешнего перегрева
  else if (tempSun > 30.0) {
    if (tempWarn < tempSun) {
      // темп опасности нет - открыть
      openAllLouvers();
      digitalWrite(heaterPin, LOW);
      Serial.println("COOLING: Opening louvers");
    } else {
      // парниковая опасность - открыть безопасную
      closeAllLouvers();
      open14Louvers();
      digitalWrite(heaterPin, LOW);
      Serial.println("OVERHEAT PROTECTION: Closing louvers");
    }
  //холодно внутри
  } 
  else if (tempSyst < 30.0 and tempSun < 30.0) {
    closeAllLouvers();
    digitalWrite(heaterPin, HIGH);
    Serial.println("HEATING: Closing louvers + heater ON");
  }
  
  else {
    // Нормальная температура
    closeAllLouvers();
    digitalWrite(heaterPin, LOW);
    Serial.println("NORMAL: Maintaining temperature");
  }
  delay(2000);
}

// функция для TMP36
float readTemperature(int pin) {
  int sensorValue = analogRead(pin);
  float voltage = sensorValue * (5.0 / 1024.0);
  return (voltage - 0.5) * 100.0;
}

// плавное движение?
void smoothMoveServos(int angle) {
  targetAngle = angle;
  
  while (currentAngle != targetAngle) {
    if (currentAngle < targetAngle) {
      currentAngle++;
    } else {
      currentAngle--;
    }
    
    servo1.write(currentAngle);
    servo2.write(currentAngle);
    servo3.write(currentAngle);
    servo4.write(currentAngle);
    delay(15);  // Задержка для плавности?
  }
}

Дополнительные вопросы

  1. Нужно ли реализовывать функцию плавного движения сервоприводов (smoothMoveServos) в данном проекте?
  2. Какие компоненты и соединения могут отличаться от модели в Tinkercad при реальной сборке?

Для перехода от виртуальной разработки в Tinkercad к реальной сборке проекта на Arduino необходимо учесть несколько важных аспектов, которые могут отличаться от моделирования. Вот подробное руководство по сборке вашего проекта автоматического управления температурой.

Основные отличия Tinkercad от реальной сборки

Реальная сборка требует особого внимания к питанию, защите компонентов и физическим ограничениям, которые в Tinkercad не видны. В виртуальной среде вы не сталкиваетесь с такими проблемами, как перегрев, падения напряжения или помехи, но в реальном проекте на них нужно обращать особое внимание.

Подключение регулятора напряжения LM2596S

LM2596S - это понижающий DC-DC преобразователь, который идеально подходит для питания Arduino от высоковольтных источников. Вот правильная схема подключения:

Распиновка и подключение

Вход LM2596S (IN+) → Источник питания (7-35V)
Вход LM2596S (IN-) → GND (общая земля)
Выход LM2596S (OUT+) → Arduino VIN (если нужно 7-9V)
ИЛИ
Выход LM2596S (OUT+) → Arduino 5V (если настроен на 5V)
Выход LM2596S (OUT-) → Arduino GND

Настройка выходного напряжения

Для настройки выходного напряжения используйте переменный резистор на пине обратной связи (FB). По данным LM2596S, формула расчета:

Vout=1.25×(1+R2R1)V_{out} = 1.25 \times (1 + \frac{R2}{R1})

Где R1 - фиксированный резистор (обычно 1.2 кОм), R2 - переменный резистор для настройки.

Рекомендуемые параметры для Arduino

  • Входное напряжение: 7.5-9V (подключается к VIN Arduino)
  • Или: 5V напрямую к пину 5V (если преобразователь настроен на 5V)
  • Максимальный ток: до 3А (но Arduino обычно потребляет меньше)

Схема сборки в реальных условиях

При переходе от Tinkercad к реальной сборке необходимы дополнительные элементы:

Обязательные компоненты, которых нет в Tinkercad

  1. Фильтрующие конденсаторы:

    • 100μF электролитический на входе LM2596S
    • 10μF керамический на выходе
    • 0.1μF керамический рядом с Arduino

  2. Защитные элементы:

    • Диод Шоттки на входе для защиты от обратного напряжения
    • Предохранитель на входе питания

  3. Макетная плата с прототипированием или печатная плата

Улучшенная схема подключения

Источник питания → Предохранитель → Диод Шоттки → LM2596S → Конденсаторы → Arduino
                                                                   │
Датчики температуры → Аналоговые входы Arduino
Сервоприводы → Цифровые выводы через конденсаторы 100μF
Нагревательный элемент → Транзистор → Цифровой вывод

Создание нагревательного резистора

Создание нагревательного элемента требует особого подхода к расчетам и безопасности.

Расчет мощности и сопротивления

Используйте формулу мощности:

P=V2RP = \frac{V^2}{R}

Для примера, если вам нужен нагреватель мощностью 5Вт при напряжении 5В:

R=V2P=525=5 ОмR = \frac{V^2}{P} = \frac{5^2}{5} = 5\,Ом

Практические рекомендации

  1. Тип резисторов: Используйте проволочные резисторы с высоким рассеянием мощности (2-5Вт)
  2. Безопасность:
    • Установите резистор на теплоотвод
    • Используйте керамические изоляторы
    • Обеспечьте хорошую вентиляцию
  3. Альтернативные решения:
    • Нагревательные пластины (heatsink pads)
    • Термопленки
    • Независимые нагревательные элементы

Пример схемы управления нагревателем

Arduino PWM вывод → Резистор 1кОм → Базовый транзистор → Нагревательный элемент → Источник питания

Реализация плавного движения сервоприводов

Ваш код уже содержит функцию smoothMoveServos, и ее реализация в реальном проекте очень рекомендуется по нескольким причинам:

Преимущества плавного движения

  1. Механическая защита: Снижает износ сервоприводов и шарниров
  2. Снижение шума: Плавное движение создает меньше вибраций
  3. Точность позиционирования: Позволяет более точно контролировать положение

Улучшенная функция плавного движения

cpp
void smoothMoveServos(int targetAngle) {
  int step = 1;
  int delayTime = 15;
  
  if (currentAngle < targetAngle) {
    for (int i = currentAngle; i <= targetAngle; i += step) {
      servo1.write(i);
      servo2.write(i); 
      servo3.write(i);
      servo4.write(i);
      delay(delayTime);
    }
  } else {
    for (int i = currentAngle; i >= targetAngle; i -= step) {
      servo1.write(i);
      servo2.write(i);
      servo3.write(i); 
      servo4.write(i);
      delay(delayTime);
    }
  }
  currentAngle = targetAngle;
}

Оптимизация для реальных сервоприводов

  • Используйте внешнее питание для сервоприводов (отдельный от Arduino)
  • Добавьте конденсаторы 100μF параллельно сервоприводам
  • Учитывайте механическую нагрузку при расчете скорости движения

Компоненты и соединения, отличающиеся от Tinkercad

1. Питание и заземление

  • Tinkercad: Идеальные соединения без падений напряжения
  • Реальность: Нужно учитывать падения напряжения, использовать толстые проводы для питания

2. Датчики температуры

  • Tinkercad: Идеальные показания без шумов
  • Реальность: Добавьте резисторы подтяжки (pull-up) 10кОм к линиям I2C, используйте фильтрацию

3. Сервоприводы

  • Tinkercad: Бесшумное и мгновенное движение
  • Реальность: Требуют отдельного питания, подвержены помехам

4. Макетирование

  • Tinkercad: Идеальная компоновка
  • Реальность: Используйте макетные платы с прототипированием или проектируйте печатные платы

Пошаговая инструкция по сборке

Шаг 1: Подготовка компонентов

  • LM2596S преобразователь
  • Arduino Uno/Nano
  • 4 сервопривода SG90 или аналогичные
  • 3 датчика температуры (TMP36)
  • Макетная плата
  • Провода, конденсаторы, резисторы
  • Источник питания 9-12V

Шаг 2: Сборка схемы питания

  1. Подключите LM2596S к источнику питания
  2. Настройте выходное напряжение на 7.5-9V
  3. Подключите выход LM2596S к VIN и GND Arduino
  4. Добавьте конденсаторы фильтрации

Шаг 3: Подключение датчиков

  1. TMP36: VCC → 5V, GND → GND, VOUT → аналоговые входы A0, A1, A2
  2. Добавьте резисторы подтяжки 10кОм к линиям данных

Шаг 4: Подключение сервоприводов

  1. Питание сервоприводов → отдельный источник 5V
  2. Сигнальные провода → цифровые выводы 8, 9, 10, 11
  3. GND сервоприводов → общий GND с Arduino

Шаг 5: Подключение нагревателя

  1. Нагревательный элемент → коллектор транзистора
  2. База транзистора → цифровой вывод 3 через резистор 1кОм
  3. Эмиттер → GND

Шаг 6: Загрузка и тестирование

  1. Загрузите скетч в Arduino
  2. Проверьте показания датчиков в Serial Monitor
  3. Протестируйте работу сервоприводов
  4. Проверьте управление нагревателем

Рекомендации по безопасности и надежности

Электрическая безопасность

  1. Используйте предохранители в цепях питания
  2. Правильно рассчитывайте мощности для всех компонентов
  3. Изолируйте высоковольтные цепи

Тепловая безопасность

  1. Монтируйте нагревательные элементы на теплоотводы
  2. Обеспечьте вентиляцию для компонентов
  3. Используйте термоизоляцию где необходимо

Защита от помех

  1. Используйте конденсаторы декопплинга возле каждого микросхемы
  2. Разделяйте силовые и сигнальные провода
  3. Используйте экранированные кабели для датчиков

Заключение

Переход от Tinkercad к реальной сборке проекта Arduino требует внимания к деталям, которые в виртуальной среде не видны. Основные моменты:

  1. LM2596S нужно правильно настроить и подключить с учетом падений напряжения
  2. Реальная схема требует дополнительных элементов защиты и фильтрации
  3. Нагревательные резисторы нуждаются в правильном расчете мощности и теплоотводе
  4. Плавное движение сервоприводов обязательно для механической долговечности
  5. Компоненты в реальности ведут себя иначе, чем в симуляторе, и требуют дополнительной настройки

Ваш проект автоматического управления температурой полностью реализуем в реальных условиях. Главное - тщательно подготовиться к сборке, учесть все рекомендации по защите и безопасности, и постепенно тестировать каждый компонент системы.

Источники

  1. LM2596S характеристики и схема подключения
  2. LM2596 для Arduino - питание проекта
  3. Основы схемотехники Arduino - расчеты резисторов
  4. Tinkercad vs реальная сборка - отличия
  5. Создание нагревательных элементов своими руками
Авторы
НейроАгент
Автор
Проверено модерацией
НейроОтветы
Модерация
Сборка Arduino проекта из Tinkercad в реальность