DIY Arduino-compatibele kloon - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

De Arduino is het ultieme hulpmiddel in het arsenaal van de Maker. Je moet in staat zijn om je eigen te bouwen! In de begindagen van het project, omstreeks 2005, bestond het ontwerp uit alle doorgaande gaten en de communicatie verliep via een RS232 seriële kabel. De bestanden zijn nog steeds beschikbaar, dus je kunt er zelf een maken, en dat heb ik, maar niet veel computers hebben de oudere seriële poorten.

De Arduino USB-versie volgde snel en droeg waarschijnlijk in hoge mate bij aan het succes van het project omdat het een gemakkelijke verbinding en communicatie mogelijk maakte. Het kostte echter wel wat: de FTDI-communicatiechip werd alleen geleverd in een pakket voor opbouwmontage. Er zijn ook nog steeds plannen voor, maar solderen op het oppervlak gaat de meeste beginners te boven.

Nieuwere Arduino-boards gebruiken 32U4-chips met ingebouwde USB (Leonardo), of aparte Atmel-chips voor USB (UNO), die ons allebei nog steeds in oppervlaktemontagegebied achterlaten. Op een gegeven moment was er "TAD" van Dangerous Devices die een doorgaande PIC gebruikten om USB te doen, maar ik kan niets meer vinden op het web ervan.

Dus hier zijn we. Ik ben er vast van overtuigd dat een beginner, zoals een Jedi Knight, in staat moet zijn om zijn eigen Arduino (lichtzwaard) te bouwen. "Een elegant wapen uit een meer beschaafd tijdperk". Mijn oplossing: maak een through-hole FTDI-chip met een opbouwpakket! Dat stelt me in staat om de oppervlaktemontage te doen en het resterende project als doe-het-zelf-gat aan te bieden! Ik heb het ook ontworpen in Open Source KiCad, zodat je de ontwerpbestanden kunt bestuderen, aanpassen en je eigen versie kunt draaien.

Als je denkt dat dit een stom idee is, of dol bent op solderen op het oppervlak, bekijk dan mijn Leonardo Clone, lees anders verder…

Stap 1: Onderdelen en benodigdheden

De volledige materiaallijst is te vinden op

De unieke onderdelen hiervan zijn de printplaten, één voor de Arduino en één voor de FTDI-chip. U kunt ze door OSH Park voor u laten maken, of u kunt de ontwerpbestanden gebruiken bij uw favoriete boardhouse.

Een kit voor dit project is beschikbaar op Tindie.com. Door de kit aan te schaffen, bespaart u tijd en kosten van het bestellen bij verschillende leveranciers en vermijdt u de minimale PCB-bestellingspremie. Het biedt u ook een geteste, op het oppervlak gemonteerde FDTI-chip met gaten en een vooraf geflitste Atmega.

Gereedschappen en benodigdheden: voor mijn workshops gebruik ik SparkFun's Beginner's ToolKit, die het meeste bevat wat je nodig hebt:

• Soldeerbout.
• Soldeer
• Draadtangen
• Desolderen vlecht (hopelijk niet nodig, maar je weet maar nooit).

Stap 2: Dames en heren, start uw strijkijzers

Ik ga je niet proberen te leren solderen. Hier zijn een paar van mijn favoriete video's die het veel beter laten zien dan ik kan:

• Carrie Ann van Geek Girl Diaries.
• Colin van Adafruit

In het algemeen:

• Zoek de locatie op de printplaat met behulp van de zeefdrukmarkeringen.
• Buig de componentkabels om in de voetafdruk te passen.
• Soldeer de draden.
• Trim de leads

Stap 3: Weerstanden

Laten we beginnen met weerstanden, omdat deze het meest voorkomen, de laagste zitplaatsen hebben en het gemakkelijkst te solderen zijn. Ze zijn hittebestendiger en geven je de kans om je techniek op te frissen. Ze hebben ook geen polariteit, dus je kunt ze op beide manieren plaatsen.

• Begin met de drie 10K ohm (bruin - zwart - oranje - goud), die op een paar plaatsen op het bord zitten (zie foto). Dit zijn "pull-up" weerstanden die het signaal op 5V houden, tenzij ze actief laag worden getrokken.
• Paar van 22 ohm (rood - rood - zwart - goud) bevinden zich in de linkerbovenhoek. Deze maken deel uit van het USB-communicatiecircuit.
• Paar van 470 ohm (geel, violet, bruin, goud) zijn de volgende. Dit zijn stroombegrenzende weerstanden voor de RX/TX LED's.
• Enkele 4.7K ohm (geel, violet, rood, goud). Een vreemde eend in de bijt voor het FTDI VCC-signaal.
• En tot slot een paar 1K ohm (bruin, zwart, rood, goud). Dit zijn stroombeperkende weerstanden voor de stroom- en D13-LED's (330 ohm zou werken, maar ik hou niet van te fel).

Stap 4: Diode

Vervolgens hebben we de diode die het circuit beschermt tegen tegenstroom van de stroomaansluiting. De meeste, maar niet alle componenten zullen slecht reageren op omgekeerde polariteit.

Het heeft een polariteit die wordt gemarkeerd door een zilveren band aan het ene uiteinde.

Pas het aan met de zeefdrukmarkering en soldeer op zijn plaats.

Stap 5: Spanningsregelaar (5V)

Er zijn twee spanningsregelaars en de belangrijkste is een 7805 die twaalf volt regelt van de aansluiting tot 5 volt die de Atmega 328 nodig heeft. Er zijn grote koperen elementen op de printplaat om de warmte af te voeren. Buig de draden zodat de achterkant het bord raakt met het gat gedeeltelijk uitgelijnd met het gat en soldeer op zijn plaats.

Stap 6: stopcontacten

Met sockets kunnen IC-chips worden geplaatst en verwijderd zonder te solderen. Ik beschouw ze als verzekeringen omdat ze goedkoop zijn en je in staat stellen een opgeblazen chip te vervangen of de IC te heroriënteren als ze achteruit wordt geplaatst. Ze hebben een divot aan het ene uiteinde om de richting van de chip aan te geven, dus pas deze aan op de zeefdruk. Soldeer twee pinnen en controleer vervolgens of deze correct zijn geplaatst voordat u de resterende pinnen soldeert.

Stap 7: Knop

Arduino's hebben meestal een resetknop om de chip opnieuw te starten als deze vastloopt of opnieuw moet worden opgestart. Die van jou staat in de linkerbovenhoek. Druk het op zijn plaats en soldeer.

Stap 8: LED's

Er zijn een aantal LED's om de status aan te geven. LED's hebben een polariteit. Het lange been is de anode, of positief, en gaat in de ronde pad met de "+" ernaast. Het korte been is de kathode, of negatief, en gaat in het vierkante kussentje.

De kleur is willekeurig, maar ik gebruik meestal:

• Geel voor RX/TX die knippert wanneer de chip communiceert of wordt geprogrammeerd.
• Groen voor de D13 LED die door het programma kan worden gebruikt om gebeurtenissen aan te geven.
• Rood om aan te geven dat 5 volt stroom beschikbaar is via USB of de stroomaansluiting.

Stap 9: Keramische condensatoren

Keramische condensatoren hebben geen polariteit.

Vermogensafvlakcondensatoren worden meestal gebruikt om transiënten van de voeding naar chips te verwijderen. De waarden worden meestal gespecificeerd in het gegevensblad van het onderdeel.

Elke IC-chip in ons ontwerp heeft een 0.1uF-condensator voor stroomafvlakking.

Er zijn twee 1uF-condensatoren voor het afvlakken van het vermogen rond de 3,3 volt-regelaar.

Bovendien is er een 1uF-condensator die helpt bij de timing van de software-resetfunctie.

Stap 10: elektrolytische condensatoren

Elektrolytische condensatoren hebben een polariteit die in acht moet worden genomen. Ze hebben meestal grotere waarden dan keramische condensatoren, maar in dit geval hebben we een condensator van 0,33 uF voor vermogensafvlakking rond de 7805-regelaar.

Het lange been van het apparaat is positief en gaat in het vierkante pad gemarkeerd met "+". Deze hebben de neiging om te "knallen" als ze achteruit worden geplaatst, dus zorg ervoor dat je het goed doet, anders heb je een vervanging nodig.

Stap 11: 3.3 Spanningsregelaar

Terwijl de Atmega-chip op 5 volt werkt, heeft de FTDI USB-chip 3,3 volt nodig om correct te werken. Om hierin te voorzien, gebruiken we een MCP1700 en omdat deze heel weinig stroom nodig heeft, zit hij in een klein TO-92-3-pakket zoals transistors in plaats van het grote TO-220-pakket zoals de 7805.

Het apparaat heeft een plat gezicht. Pas het aan op de zeefdruk en pas de hoogte van het onderdeel ongeveer een kwart inch boven het bord aan. Soldeer op zijn plaats.

Stap 12: Kopteksten

Het mooie van Arduino is de gestandaardiseerde footprint en pinout. De headers maken het mogelijk om "shields" in te pluggen waarmee snel harde configuraties kunnen worden gewijzigd als dat nodig is.

Ik soldeer meestal een pin van elke header erin en controleer vervolgens de uitlijning voordat ik de resterende pinnen soldeer.

Stap 13: Resonator

Atmega-chips hebben een interne resonator die op verschillende frequenties tot 8 Mhz kan draaien. Een externe timingbron zorgt ervoor dat de chip tot 20 Mhz kan lopen, maar de standaard Arduino gebruikt 16 Mhz, wat de maximale snelheid was van de Atmega8-chips die in het oorspronkelijke ontwerp werden gebruikt.

De meeste Arduino's gebruiken kristallen, die nauwkeuriger zijn, maar ze hebben extra condensatoren nodig. Ik besloot een resonator te gebruiken, die nauwkeurig genoeg is voor het meeste werk. Het heeft geen polariteit, maar ik kijk meestal naar de markering naar buiten, zodat nieuwsgierige makers kunnen zien dat je een standaardopstelling gebruikt.

Stap 14: Zekering

De meeste Arduino hebben geen zekeringen, maar elke Maker die aan het leren is, zal vrij vaak (tenminste in mijn geval) dingen verkeerd aansluiten. Een eenvoudige resetbare zekering zal helpen voorkomen dat de "magische rook" vrijkomt die vervanging van de chip vereist. Deze zekering gaat open als er te veel stroom wordt getrokken en reset zichzelf wanneer deze afkoelt. Het heeft geen polariteit en knikken in de benen houden het boven het bord.

Stap 15: Kopteksten

Nog twee headers, deze met mannelijke pinnen. In de buurt van de USB-connector bevinden zich drie pinnen waarmee u met een jumper kunt schakelen tussen USB-voeding en de aansluiting. Een UNO heeft een circuit om dit automatisch te doen, maar ik heb dat niet kunnen repliceren in een doorlopende vorm.

De tweede header is een zes-pins "in systeemprogrammering" header. Hierdoor kan een externe programmeur worden aangesloten om de Atmega indien nodig direct te herprogrammeren. Als je mijn kit koopt, heeft de chip al firmware geladen, of kan de Atmega uit de socket worden verwijderd en direct in een programmeersocket worden geplaatst, dus deze header wordt zelden gebruikt en daarom optioneel.

Stap 16: Stroomaansluiting

In plaats van USB kan een standaard jack van 5,5 x 2,1 mm worden gebruikt om externe voeding binnen te halen. Deze voedt de pin gemarkeerd met "Vin" en voedt de 7805 spanningsregelaar die 5 volt maakt. De middelste pin is positief en de invoer kan oplopen tot 35V, hoewel 12V meer gebruikelijk is.

Stap 17: USB

Nieuwere Arduino's zoals de Leonardo gebruiken een USB-microverbinding, maar de originele USB B-verbinding is robuust en goedkoop en je hebt waarschijnlijk veel kabels liggen. De twee grote lipjes zijn niet elektrisch met elkaar verbonden, maar zijn gesoldeerd voor mechanische sterkte.

Stap 18: Chips

Tijd om de chips te installeren. Controleer de oriëntatie. Als de socket achterstevoren is, zorg er dan voor dat de chip overeenkomt met de zeefdrukmarkeringen. In de oriëntatie waarmee we hebben gewerkt, zijn de onderste twee chips ondersteboven.

Plaats de chip zodat de poten zijn uitgelijnd met de ruimen. IC's komen uit de fabriek met de poten licht gespreid, dus moeten verticaal worden gebogen. Dit wordt meestal al voor je gedaan in mijn kits. Als u zeker bent van de oriëntatie, drukt u voorzichtig op beide zijden van de chip. Controleer of er geen poten per ongeluk zijn omgevouwen.

Stap 19: De bootloader flashen

De bootloader is een klein stukje code op de chip waarmee code eenvoudig via USB kan worden geladen. Het draait de eerste paar seconden bij het opstarten op zoek naar updates en start vervolgens de bestaande code.

De Arduino IDE maakt het flashen van firmware eenvoudig, maar er is wel een externe programmeur voor nodig. Ik gebruik mijn eigen AVR Programmer en zal je daar natuurlijk een kit voor verkopen. Als je een programmeur hebt, heb je niet echt een Arduino nodig, omdat je de chip rechtstreeks kunt programmeren. Een soort kip-en-ei-dingetje.

Een andere optie is om de Atmega te kopen met een bootloader er al op:

Ik zal je de officiële Arduino-instructies aanwijzen, omdat het gemakkelijk zijn eigen Instructable kan worden als we niet oppassen:

Stap 20: Power Jumper installeren en aansluiten

De stroomjumper is een handmatige manier om de stroombron tussen 5 volt te selecteren via USB of de stroomaansluiting. Standaard Arduino's hebben circuits om automatisch te schakelen, maar ik kon het niet gemakkelijk implementeren met doorlopende gaten.

Als de jumper niet is geïnstalleerd, is er geen stroom. Als u de aansluiting selecteert en er niets is aangesloten, is er geen stroom. Daarom is er een rode LED die aangeeft of je stroom hebt.

In eerste instantie wil je zien of de Arduino via USB communiceert, dus zet de jumper op die instelling. Sluit uw Arduino zorgvuldig aan op uw computer. Als u een "niet-herkend USB-apparaat" krijgt, trekt u de stekker uit het stopcontact en begint u met het oplossen van problemen.

Gebruik anders uw Arduino IDE om de basisknipperschets te uploaden. Gebruik "Arduino UNO" als het bord. Volg de instructies hier:

Stap 21: Problemen oplossen

Bij de eerste keer opstarten bent u altijd op zoek naar aanwijzingen van succes of mislukking en bent u klaar om het bord snel los te koppelen als de dingen niet gaan zoals verwacht. Verlies de moed niet als het succes niet onmiddellijk is. In mijn workshops probeer ik aan te moedigen:

• Geduld, dit is niet altijd gemakkelijk, maar meestal de moeite waard.
• Doorzettingsvermogen, je lost het probleem niet op als je opgeeft.
• Positieve Houding, daar kun je zelf achter komen, ook als je daar hulp bij nodig hebt.

Als ik ooit met een probleem worstel, zeg ik altijd tegen mezelf dat hoe moeilijker het is om het op te lossen, hoe groter de beloning of het leren zal zijn om het op te lossen.

Met dat in gedachten, begin met de eenvoudige dingen:

• Inspecteer de soldeerverbindingen aan de achterkant van het bord en retoucheer elke verbinding die er verdacht uitziet.
• Controleer of de IC-chips zich in de juiste richting bevinden en of geen van de draden is ingeklapt bij het inbrengen.
• Brandt de rode LED als de stekker in het stopcontact zit? Als dit niet het geval is, controleer dan uw stroomjumper en USB-soldeerverbindingen.
• Controleer of andere componenten met polariteit correct zijn georiënteerd.
• Zoek naar andere aanwijzingen, zoals foutmeldingen of componenten die heet worden.

Als u nog steeds problemen ondervindt, vraag dan om hulp. Ik schrijf Instructables omdat ik mensen wil onderwijzen en helpen die willen leren. Geef een goede beschrijving van wat de symptomen zijn en welke stappen je hebt ondernomen om fouten te vinden. Een foto in hoge resolutie van de voor- en achterkant van het bord kan ook helpen. Geef nooit op. Elke strijd is een les.