درس ۳: پروژه LED، بردبورد و مقاومت

درس ۳: پروژه LED، بردبورد و مقاومت

این درس آردوینو مناسب مبتدیان، بخشی از دوره گام‌به‌گام Robojax، شما را با مفاهیم بنیادی الکترونیک و برنامه‌نویسی با ساخت یک مدار ساده چشمک‌زن LED آشنا می‌کند. شما درباره ساختار داخلی LED، نحوه شناسایی پایه‌های آن، نقش حیاتی مقاومت محدودکننده جریان، و نحوه استفاده از قانون اهم برای محاسبه مقدار صحیح یاد خواهید گرفت. در پایان، یک مدار کارآمد روی بردبورد و درک روشنی از شِفر (کود) آردوینو که آن را چشمک می‌زند خواهید داشت. این پروژه پایه‌ای عالی برای countless خلاقیت‌های دیگر، از نشانگرهای ساده وضعیت تا ابزارهای تعاملی پیچیده است.

در اینجا چند روش عملی برای استفاده از این دانش پایه آورده شده است:

• نشانگرهای وضعیت: یک نشانگر بصری برای هر پروژه ایجاد کنید، مانند نشان دادن روشن بودن دستگاه یا فعال شدن یک حساس(حس کننده).
• هنر تعاملی: یک نمایشگر نور ساده بسازید که به ورودی یک دکمه یا حساس(حس کننده) واکنش نشان دهد.
• پلتفرم یادگیری: از این به عنوان پایه‌ای برای آزمایش الگوهای مختلف چشمک، سرعت‌ها و رنگ‌ها استفاده کنید تا بفهمید شِفر (کود) چگونه سخت‌افزار را کنترل می‌کند.
• ابزار اشکال‌زدایی: از یک LED به عنوان اشکال‌زدا بصری ساده استفاده کنید تا ببینید آیا بخش خاصی از شِفر (کود) شما در حال اجرا است یا خیر.

سخت‌افزار و قطعات

برای دنبال کردن این درس، به قطعات زیر نیاز دارید. اینها برخی از رایج‌ترین موارد در هر کیت شروع الکترونیک هستند.

• یک برد توسعه آردوینو (مانند Uno، Nano).
• یک بردبورد (در ویدیو در 09:28).
• یک LED (5mm یا 3mm، در هر رنگی).
• یک مقاومت (بین 330Ω و 1kΩ توصیه می‌شود).
• سیم‌های جامپر برای اتصالات.

درک قطعات

قبل از شروع سیم‌کشی، درک دو جزء اصلی که استفاده خواهیم کرد ضروری است: LED و مقاومت.

یک LED (دیود ساطع نور) دو پایه دارد: یک آند (مثبت) و یک کاتد (منفی). جریان فقط می‌تواند در یک جهت جریان یابد. در نماد شماتیک، فلش از آند به کاتد اشاره می‌کند. روی قطعه فیزیکی، آند پایه بلندتر و کاتد پایه کوتاه‌تر است. سمت کاتد LED معمولاً یک لبه صاف روی بدنه پلاستیکی نیز دارد. یک LED به اختلاف ولتاژ خاصی در دو سر پایه‌هایش (اغلب حدود 2 ولت) و جریان کنترل‌شده (حدود 10-20 میلی‌آمپر) نیاز دارد تا بدون آسیب روشن شود (در ویدیو در 00:36).

یک مقاومت یک جزء غیرفعال است که در برابر جریان مقاومت می‌کند. مقدار آن بر حسب اهم (Ω) اندازه‌گیری می‌شود و با نوارهای رنگی شناسایی می‌شود. هدف اصلی مقاومت در این مدار عمل به عنوان محدودکننده جریان است. بدون آن، LED جریان زیادی از منبع 5 ولت آردوینو می‌کشد و فوراً می‌سوزد (در ویدیو در 01:50).

راهنمای سیم‌کشی

سیم‌کشی این پروژه ساده است. نکته کلیدی درک نحوه اتصال داخلی بردبورد است. ردیف‌های وسط بردبورد به صورت افقی متصل هستند، در حالی که ریل‌های بلند در کنار به صورت عمودی متصل هستند. این به شما امکان می‌دهد باس‌های مشترک برق و زمین ایجاد کنید (در ویدیو در 09:28).

در اینجا یک نمودار مدار برای مرجع آورده شده است:

مدار به صورت زیر ساخته می‌شود:

1. ریل برق: یک سیم جامپر از پایه 5V آردوینو به یکی از ریل‌های مثبت روی بردبورد وصل کنید. یک سیم جامپر دیگر از پایه GND آردوینو به ریل منفی وصل کنید (در ویدیو در 12:45).
2. مقاومت: یک سر مقاومت را به ریل مثبت وصل کنید. سر دیگر به یک ردیف در ناحیه اصلی بردبورد می‌رود. مقاومت را می‌توان در هر دو طرف LED قرار داد، زیرا یک جزء سری است (در ویدیو در 06:50).
3. LED: LED را روی بردبورد قرار دهید. آند (پایه بلند) باید در همان ردیف سر آزاد مقاومت باشد. کاتد (پایه کوتاه) باید در یک ردیف متفاوت باشد.
4. اتصال زمین: یک سیم جامپر از ردیف حاوی کاتد LED به ریل منفی روی بردبورد وصل کنید (در ویدیو در 12:16).

همین مدار هنگام اتصال به یک پایه آردوینو استفاده می‌شود، با یک تغییر کلیدی: به جای اتصال مقاومت به ریل 5 ولت، آن را به یک پایه دیجیتال، مانند پایه 2، روی آردوینو وصل می‌کنید (در ویدیو در 20:30).

محاسبه مقدار مقاومت

در حالی که مقاومت 330Ω تا 1kΩ یک محدوده ایمن است، می‌توانید مقدار ایده‌آل را با استفاده از قانون اهم محاسبه کنید. این تضمین می‌کند که روشنایی مورد نظر را بدون خطر آسیب به LED دریافت می‌کنید. فرمول این است (در ویدیو در 07:40):

R = (V_تغذیه - V_LED) / I_LED

با استفاده از مثال ویدیو:

• ولتاژ تغذیه (V_تغذیه) = 5 ولت
• ولتاژ پیشرو LED (V_LED) = 2 ولت
• جریان مورد نظر (I_LED) = 10 میلی‌آمپر (0.01 آمپر)

بنابراین، R = (5 ولت - 2 ولت) / 0.01 آمپر = 300Ω. یک مقاومت 330Ω یک مقدار استاندارد است که بسیار نزدیک به این است و کاملاً کار می‌کند (در ویدیو در 08:06).

توضیح شِفر (کود)

شِفر (کود) این پروژه اسکچ کلاسیک "Blink" است. این یک نقطه شروع عالی برای یادگیری ساختار برنامه‌نویسی آردوینو است. شِفر (کود) از دو تابع اصلی تشکیل شده است: setup() و loop(). تابع setup() فقط یک بار در ابتدا اجرا می‌شود، در حالی که تابع loop() به طور پیوسته تکرار می‌شود (در ویدیو در 14:42).

بیایید بخش‌های کلیدی و قابل تنظیم توسط کاربر شِفر (کود) را تجزیه کنیم:

void setup() {
  // پایه دیجیتال را به عنوان خروجی مقداردهی کنید.
  pinMode(2, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(2, HIGH);   // LED را روشن کنید (HIGH سطح ولتاژ است)
  delay(1000);             // یک ثانیه صبر کنید
  digitalWrite(2, LOW);    // LED را خاموش کنید (LOW سطح ولتاژ است)
  delay(1000);             // یک ثانیه صبر کنید
}

• pinMode(2, OUTPUT);: این خط در تابع setup() قرار دارد. به آردوینو می‌گوید که از پایه ۲ به عنوان خروجی استفاده خواهیم کرد. می‌توانید عدد 2 را به هر شماره پایه دیجیتال دیگری (مثلاً ۳، ۴، ۱۳) تغییر دهید تا LED متصل به آن پایه را کنترل کنید (در ویدیو در ۱۷:۳۶).
• digitalWrite(2, HIGH);: این دستور پایه مشخص‌شده را روی ۵ ولت تنظیم می‌کند و LED را روشن می‌کند. پارامتر اول شماره پایه است و پارامتر دوم حالت، HIGH (روشن) یا LOW (خاموش) است (در ویدیو در ۱۸:۳۵).
• delay(1000);: این تابع برنامه را برای تعداد مشخصی میلی‌ثانیه متوقف می‌کند. 1000 میلی‌ثانیه برابر با ۱ ثانیه است. می‌توانید این مقدار را به 500 برای نیم ثانیه یا 5000 برای پنج ثانیه تغییر دهید تا سرعت چشمک‌زدن تغییر کند (در ویدیو در ۱۹:۲۱).

برای اینکه LED سریع‌تر یا کندتر چشمک بزند، کافی است مقادیر داخل توابع delay() را تغییر دهید. به عنوان مثال، delay(100) باعث می‌شود خیلی سریع چشمک بزند، در حالی که delay(5000) باعث می‌شود ۵ ثانیه روشن و ۵ ثانیه خاموش بماند (در ویدیو در ۲۱:۵۷).

نمایش عملی پروژه

پس از آپلود شِفر (کود)، LED شروع به چشمک‌زدن می‌کند. ویدیو چند رفتار کلیدی را نشان می‌دهد (در ویدیو در ۲۰:۵۷):

• آپلود: پس از کلیک روی دکمه «Upload»، IDE آردوینو شِفر (کود) را کامپایل کرده و به برد ارسال می‌کند. می‌توانید LEDهای TX/RX روی برد را در طول این فرآیند ببینید که چشمک می‌زنند.
• عملکرد: LED به مدت یک ثانیه روشن می‌شود، سپس یک ثانیه خاموش می‌شود و این چرخه را به طور نامحدود تکرار می‌کند.
• وابستگی به برق: اگر سیم زمین را قطع کنید، مدار شکسته می‌شود و LED خاموش می‌شود. اتصال مجدد آن مدار را کامل می‌کند و LED دوباره چشمک می‌زند.
• ویژگی پایه: LED فقط در صورتی چشمک می‌زند که به پایه تعریف‌شده در شِفر (کود) (در این مثال پایه ۲) متصل باشد. اگر سیم را به پایه ۳ منتقل کنید، LED روشن نمی‌شود زیرا آن پایه توسط برنامه کنترل نمی‌شود.

فصل‌ها

• [00:00] مقدمه و نمای کلی دوره
• [00:36] آشنایی با LED و پایه‌های آن
• [01:50] مقاومت چیست؟
• [03:40] نحوه خواندن کدهای رنگی مقاومت
• [05:42] چرا LEDها به مقاومت نیاز دارند
• [07:40] محاسبه مقدار صحیح مقاومت
• [09:28] نحوه اتصال داخلی بردبورد
• [10:39] روشن کردن مستقیم LED با ۵ ولت
• [14:42] آناتومی یک اسکچ آردوینو
• [15:33] باز کردن مثال Blink
• [17:36] تنظیم یک پایه به عنوان خروجی
• [18:35] نوشتن سیگنال‌های High و Low با تأخیر
• [20:30] اتصال مدار به پایه ۲
• [21:57] تغییر سرعت چشمک‌زدن
• [24:45] استفاده از LED داخلی روی پایه ۱۳

/*

 * Written by Ahmad S. for Robojax.com 
 * Date: April 1, 2017, in Ajax, Ontario, Canada
 * Permission granted to share this code given that this
 * note is kept with the code.
 * Disclaimer: this code is "AS IS" and for educational purposes only.
 * 
 */