HackerBox 0051: آزمایشگاه MCU: 10 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

درود بر هکرهای HackerBox در سراسر جهان! HackerBox 0051 آزمایشگاه HackerBox MCU را ارائه می دهد. آزمایشگاه MCU یک بستر توسعه برای آزمایش ، توسعه و نمونه اولیه با میکروکنترلرها و ماژولهای میکروکنترلر است. از Arduino Nano ، ESP32 Module و SMT32 Black Pill برای کاوش بلوک های ویژگی آزمایشگاه MCU استفاده می شود. بلوک های ویژگی MCU Lab شامل سوئیچ ها ، دکمه ها ، LED ها ، صفحه نمایش OLED ، زنگ ، پتانسیومتر ، پیکسل RGB ، تغییر سطح منطقی ، خروجی VGA ، ورودی صفحه کلید PS/2 ، رابط سریال USB و مناطق نمونه سازی دوگانه بدون لحیم است.

این راهنما حاوی اطلاعاتی برای شروع کار با HackerBox 0051 است ، که می توانید تا آخرین عرضه آن را در اینجا خریداری کنید. اگر می خواهید هر ماه یک HackerBox مانند این را در صندوق پستی خود دریافت کنید ، لطفاً در HackerBoxes.com مشترک شوید و به انقلاب بپیوندید!

HackerBoxes سرویس ماهانه جعبه اشتراک برای هکرهای سخت افزاری و علاقمندان به الکترونیک و فناوری رایانه است. با ما در زندگی در HACK LIFE همراه باشید.

مرحله 1: فهرست محتوا برای HackerBox 0051

• ماژول MCU 1: Arduino Nano 5V ، 16 مگاهرتز
• ماژول MCU 2: WEMOS ESP32 Lite
• ماژول MCU 3: قرص سیاه STM32F103C8T6
• برد مدار چاپی اختصاصی آزمایشگاه MCU
• FT232RL آداپتور سریال USB
• OLED 128x64 صفحه نمایش I2C 0.96 اینچ
• Shifter منطقی سطح دو طرفه 8 بیتی
• LED WS2812B RGB SMD
• چهار دکمه لمسی سطح کوه
• چهار عدد LED 5 میلی متری پخش شده قرمز
• Piezo Buzzer
• اتصال HD15 VGA
• اتصال صفحه کلید Mini-DIN PS/2
• پتانسیومتر 100 کیلو اهم
• 8 Position DIP Switch
• AMS1117 3.3V تنظیم کننده خطی SOT223
• دو خازن تانتالوم 22uF 1206 SMD
• ده مقاومت 680 اهم
• چهار پای PCB لاستیکی چسبنده
• دو تخته نان مینی بدون سرب 170 نقطه ای
• یازده سوکت هدر زن 8 پین
• هدر Breakaway 40 پین
• مجموعه ای از 65 سیم بلوز نر
• برچسب برد مدار بالا برد
• برچسب دزدان دریایی شکلک هک سیاره
• Keychain منحصر به فرد HackerBox "حذف قبل از پرواز"

برخی موارد دیگر که مفید خواهد بود:

• آهن لحیم کاری ، لحیم کاری و ابزارهای اصلی لحیم کاری
• کامپیوتر برای اجرای ابزارهای نرم افزاری

مهمتر از همه ، شما نیاز به حس ماجراجویی ، روحیه هکر ، صبر و کنجکاوی دارید. ساختن و آزمایش با وسایل الکترونیکی ، در حالی که بسیار سودمند است ، می تواند گاهی سخت ، چالش برانگیز و حتی ناامید کننده باشد. هدف پیشرفت است نه کمال. وقتی پافشاری می کنید و از ماجراجویی لذت می برید ، می توانید رضایت زیادی از این سرگرمی به دست آورید. هر قدم را به آرامی بردارید ، به جزئیات توجه کنید و از درخواست کمک نترسید.

در س FAالات متداول HackerBoxes اطلاعات زیادی برای اعضای فعلی و آینده نگر وجود دارد. تقریباً همه ایمیل های پشتیبانی غیر فنی که دریافت می کنیم قبلاً در آنجا پاسخ داده شده است ، بنابراین ما واقعاً قدردانی می کنیم که چند دقیقه وقت گذاشتید و سوالات متداول را مطالعه کردید.

مرحله 2: آزمایشگاه HackerBoxes MCU

آزمایشگاه MCU یک نسخه فشرده و صیقلی از یک پلت فرم توسعه است که از آن برای نمونه اولیه و آزمایش طرح های مختلف مبتنی بر میکروکنترلر (MCU) استفاده می کنیم. برای کار با ماژولهای MCU (مانند Arduino Nano ، ESP32 DevKit ، و غیره) یا بسته های دستگاه MCU جداگانه (مانند ATMEGA328s ، ATtiny85s ، PICs و غیره) بسیار مفید است. یک MCU هدف را می توان در هریک از تخته های کوچک نان بدون لحیم قرار داد. دو MCU را می توان با استفاده از هر دو تخته نان به هم متصل کرد یا یکی از فضاهای ورق را می توان برای مدارهای دیگر استفاده کرد.

"بلوک های ویژگی" آزمایشگاه MCU در سربرگ های زن شبیه به مواردی که در UNO آردوینو یافت می شود ، تقسیم شده است. هدرهای زن با پین های بلوز نر سازگار هستند.

مرحله 3: آزمایشگاه HackerBoxes MCU را مونتاژ کنید

قطعات SMD در پشت تخته

با نصب AMS1117 (SOT 233 Package) Linear Regulator و دو خازن فیلتر 22uF در قسمت پشتی مدار چاپی شروع کنید. توجه داشته باشید که یک طرف هر صفحه ابریشم خازنی مستطیل شکل است و طرف دیگر آن هشت ضلعی است. جهت خازن ها باید طوری باشد که تیره روی بسته روی صفحه نمایش ابریشم هشت ضلعی قرار گیرد.

با قطعات در جلوی تخته ادامه دهید

LED WS2812B RGB را لحیم کنید. گوشه علامت گذاری شده سفید هر LED را طوری تنظیم کنید که با گوشه زبانه مطابقت داشته باشد ، همانطور که در صفحه ابریشم PCB نشان داده شده است.

چهار دکمه لمسی SMD

چهار LED قرمز با چهار مقاومت

تغییر سطح با پین VA نزدیکترین علامت 3V3 و پین VB نزدیکترین علامت گذاری 5V. ماژول Level Shifter را می توان با لحیم کردن هدرها به ماژول و سپس کشاندن جداکننده های پلاستیکی سیاه رنگ از روی سرصفحه ها قبل از نصب ماژول بر روی PCB آزمایشگاه MCU نصب کرد. روشن گذاشتن اسپیسرها نیز خوب است.

برای اتصال ماژول FT232 می توان دو نوار سربرگ را قطع کرد. یک قسمت کوچکتر 4 پین هدر نیز می تواند برای هدر 5V/GND درست در کنار ماژول FT232 استفاده شود.

در حال حاضر ، سرصفحه VGA زن را که نزدیک به کانکتور HD15 VGA و سوکت صفحه کلید است ، پر کنید. با این حال ، هدر اضافی مجاور آن یک یا پنج مقاومت بین آن دو سرصفحه را محبوب نکنید. گزینه های خاص برای ارتباط سیگنال های ویدئویی بعداً مورد بحث قرار می گیرد.

نه سرصفحه زن دیگر را پر کنید.

چسب را از پشت هر دو تخته نان بدون لحیم جدا کرده و به PCB آزمایشگاه MCU وصل کنید.

پایه های لاستیکی چسبنده را در پایین PCB آزمایشگاه MCU قرار دهید تا میز کار شما در برابر خط و خش محافظت شود.

مدیریت ورودی های قدرت

حداقل دو و به احتمال زیاد چهار مکان وجود دارد که ممکن است نیرو در آزمایشگاه MCU وارد شود. این می تواند مشکل ایجاد کند ، بنابراین همیشه نکات زیر را با دقت در نظر بگیرید:

نقاط هدر با برچسب 5V همه متصل هستند. ریل 5 ولت نیز به سوکت صفحه کلید ، تغییر سطح و LED RGB WS2812B متصل می شود. می توان با اتصال FT232 به USB ، اتصال هدر قدرت چهار پین به منبع خارجی یا اتصال بلوز از یکی از پین های 5 ولت روی PCB به ماژول 5 ولت (که معمولاً توسط USB تغذیه می شود) به ریل 5 ولت تأمین شود.)

به طور مشابه ، پین های GND همه متصل هستند. آنها در FT232 به USB GND متصل می شوند (با فرض اینکه USB به FT232 متصل است). آنها همچنین می توانند با استفاده از یک بلوز بین یکی از آنها و یک ماژول قدرتمند به زمین متصل شوند ، همانطور که برای شبکه 5 ولت بحث شده است.

ریل 3V3 توسط تنظیم کننده در پشت PCB هدایت می شود. فقط منبع است و (بر خلاف ریل 5 ولت) نباید توسط هیچ ماژول یا مدار دیگری هدایت شود زیرا مستقیماً از تنظیم کننده در ریل 5 ولت رانده می شود.

مرحله 4: ماژول Arduino Nano MCU

یکی از متداول ترین ماژول های MCU این روزها Arduino Nano است. برد آردوینو نانو شامل پین هدر می شود ، اما آنها به ماژول لحیم نمی شوند. فعلا سنجاق ها را کنار بگذارید. این آزمایشات اولیه را روی ماژول آردوینو نانو قبل از لحیم کاری روی پین هدر انجام دهید. تنها چیزی که نیاز دارید یک کابل microUSB و برد Arduino Nano است همانطور که از کیف بیرون می آید.

آردوینو نانو یک برد آردوینو مینیاتوری شده و روی سطح نصب شده و با USB متصل شده است. این برنامه به طور شگفت انگیزی کامل است و هک کردن آن آسان است.

امکانات:

• میکروکنترلر: Atmel ATmega328P
• ولتاژ: 5 ولت
• پین های ورودی/خروجی دیجیتال: 14 (6 PWM)
• پین های ورودی آنالوگ: 8
• جریان DC در هر پین ورودی/خروجی: 40 میلی آمپر
• حافظه فلش: 32 کیلوبایت (2 کیلوبایت برای بوت لودر)
• SRAM: 2 کیلوبایت
• EEPROM: 1 کیلوبایت
• سرعت ساعت: 16 مگاهرتز
• ابعاد: 17 میلی متر در 43 میلی متر

این نوع خاص از آردوینو نانو ، Robotdyn Nano سیاه است. شامل یک پورت MicroUSB روی صفحه است که به تراشه CH340G USB/Serial Bridge متصل شده است. اطلاعات دقیق در مورد CH340 (و در صورت نیاز رانندگان) را می توانید در اینجا پیدا کنید.

هنگامی که برای اولین بار آردوینو نانو را به پورت USB رایانه خود وصل می کنید ، چراغ سبز روشن می شود و اندکی پس از آن LED آبی به آرامی چشمک می زند. این اتفاق می افتد زیرا Nano از قبل با برنامه BLINK بارگیری شده است ، که با نام تجاری جدید Arduino Nano اجرا می شود.

نرم افزار: اگر هنوز Arduino IDE را نصب نکرده اید ، می توانید آن را از Arduino.cc بارگیری کنید

نانو را به کابل MicroUSB و سر دیگر کابل را به پورت USB رایانه وصل کنید. نرم افزار Arduino IDE را اجرا کنید. "Arduino Nano" را در IDE زیر tools> board و "ATmega328P (bootloader old)" را در زیر tools> processor انتخاب کنید. پورت USB مناسب را در زیر tools> port انتخاب کنید (احتمالاً نامی با "wchusb" در آن وجود دارد).

در نهایت ، یک قطعه کد نمونه را بارگذاری کنید: File-> Examples-> Basics-> Blink

پلک زدن در واقع کدی است که از قبل روی Nano بارگیری شده است و باید در حال حاضر اجرا شود تا به آرامی LED آبی چشمک بزند. بر این اساس ، اگر این کد نمونه را بارگذاری کنیم ، چیزی تغییر نمی کند. در عوض ، اجازه دهید کد را کمی تغییر دهیم.

با نگاه دقیق ، می بینید که برنامه LED را روشن می کند ، 1000 میلی ثانیه (یک ثانیه) منتظر می ماند ، LED را خاموش می کند ، یک ثانیه دیگر منتظر می ماند و سپس دوباره همه چیز را برای همیشه انجام می دهد.

کد را با تغییر هر دو عبارت "تاخیر (1000)" به "تاخیر (100)" تغییر دهید. این اصلاح باعث می شود LED ده برابر سریعتر چشمک بزند ، درست است؟

اجازه دهید کد اصلاح شده را با کلیک روی دکمه UPLOAD (نماد پیکان) درست در بالای کد اصلاح شده خود در Nano بارگذاری کنید. در زیر کد اطلاعات مربوط به وضعیت را مشاهده کنید: "کامپایل" و سپس "بارگذاری". در نهایت ، IDE باید "بارگذاری کامل" را نشان دهد و LED شما باید سریعتر چشمک بزند.

اگر چنین است ، تبریک می گویم! شما به تازگی اولین قطعه کد جاسازی شده خود را هک کرده اید.

هنگامی که نسخه چشمک زن سریع شما بارگیری و اجرا می شود ، چرا نمی بینید که آیا می توانید دوباره کد را تغییر دهید تا LED دوبار سریع چشمک بزند و سپس چند ثانیه صبر کنید تا تکرار شود؟ آن را امتحان کنید! در مورد برخی الگوهای دیگر چطور؟ هنگامی که موفق به تجسم یک نتیجه دلخواه ، کدگذاری آن و مشاهده عملکرد مطابق برنامه شده اید ، گام بزرگی در جهت تبدیل شدن به یک هکر سخت افزاری شایسته برداشته اید.

اکنون که عملکرد ماژول نانو را تأیید کرده اید ، پیش بروید و پین های هدر را روی آن بچسبانید. پس از اتصال هدرها ، ماژول را می توان به راحتی در یکی از تخته های نان بدون لحیم آزمایشگاه MCU استفاده کرد. این فرایند آزمایش یک ماژول MCU با بارگیری کد تست ساده ، تغییر و بارگیری مجدد ، بهترین روش در هر زمان استفاده از ماژول MCU جدید یا نوع متفاوت است.

اگر می خواهید اطلاعات مقدماتی بیشتری برای کار در اکوسیستم آردوینو داشته باشید ، پیشنهاد می کنیم راهنمای کارگاه راه اندازی HackerBoxes را که شامل چندین مثال و پیوند به یک کتاب PDF PDF Arduino است ، بررسی کنید.

مرحله 5: آزمایش MCU را با Arduino Nano کاوش کنید

پتانسیومتر

پین مرکزی پتانسیومتر را به نانو پین A0 وصل کنید.

Load and Run: Examples> Analog> AnalogInput

این مثال به طور پیش فرض به LED داخلی نانو می پردازد. پتانسیومتر را بچرخانید تا سرعت چشمک زدن تغییر کند.

تغییر:

در کد ، LedPin = 13 را به 4 تغییر دهید

جهنده از نانو پین 4 (و GND) به یکی از LED های قرمز آزمایشگاه MCU.

BUZZER

پرش از Buzzer به نانو پین 8. مطمئن شوید که GND برد به GND Nano قدرتمند متصل است زیرا زمین زنگ به شبکه GND تخته وصل شده است.

Load and Run: Examples> Digital> toneMelody

صفحه نمایش OLED

در Arduino IDE ، از مدیر کتابخانه برای نصب "ssd1306" از الکسی دینا استفاده کنید.

اتصال OLED: GND به GND ، VCC به 5V ، SCL به نانو A5 ، SDA به نانو A4

بارگیری و اجرا: مثالها> ssd1306> نسخه های نمایشی> ssd1306_demo

چراغ WS2812B RGB

در Arduino IDE ، از مدیر کتابخانه برای نصب FastLED استفاده کنید

پین هدر WS2812 را به پین 5 نانو وصل کنید.

بار: مثالها> FastLED> ColorPalette

NUM_LEDS را به 1 و LED_TYPE را به WS2812B تغییر دهید

کامپایل و اجرا کنید

برای تمرین دکمه ها و سوئیچ ها ، چند کد بنویسید

به یاد داشته باشید که برای خواندن یک دکمه بدون افزودن مقاومت از pinMode (INPUT_PULLUP) استفاده کنید.

برخی از این مثالها را با هم ترکیب کنید

به عنوان مثال ، خروجی ها را به طریقی جالب چرخه بزنید و حالت ها یا مقادیر ورودی را در OLED یا مانیتور سریال نشان دهید.

مرحله 6: WEMOS ESP32 Lite

میکروکنترلر ESP32 (MCU) یک سیستم کم هزینه و کم مصرف روی تراشه (SOC) با Wi-Fi یکپارچه و بلوتوث دو حالته است. ESP32 از هسته Tensilica Xtensa LX6 استفاده می کند و شامل سوئیچ های آنتن داخلی ، RF balun ، تقویت کننده قدرت ، تقویت کننده دریافت کم سر و صدا ، فیلترها و ماژول های مدیریت قدرت است. (ویکیپدیا)

ماژول WEMOS ESP32 Lite نسبت به نسخه قبلی فشرده تر است و استفاده از آن را در تخته نان بدون لحیم آسان می کند.

قبل از اتصال پین هدر به ماژول ، آزمایش اولیه خود را روی ماژول WEMOS ESP32 انجام دهید.

بسته پشتیبانی ESP32 را در Arduino IDE تنظیم کنید.

در قسمت tools> board ، حتما "WeMos LOLIN32" را انتخاب کنید

کد نمونه را در Files> Examples> Basics> Blink بارگذاری کرده و آن را در WeMos LOLIN32 برنامه ریزی کنید

برنامه مثال باید باعث چشمک زدن LED روی ماژول شود. آزمایش پارامترهای تأخیر را انجام دهید تا LED با الگوهای مختلف چشمک بزند. این همیشه یک تمرین خوب برای ایجاد اطمینان در برنامه نویسی یک ماژول جدید میکروکنترلر است.

هنگامی که از عملکرد ماژول و نحوه برنامه نویسی آن راحت شدید ، دو ردیف پین هدر را به دقت لحیم کرده و بارگیری برنامه ها را یکبار دیگر آزمایش کنید.

مرحله 7: تولید ویدئو ESP32

این ویدیو کتابخانه ESP32 VGA و یک آموزش بسیار زیبا و ساده از آزمایشگاه bitluni را نشان می دهد.

اجرای 3 بیتی (8 رنگ) نشان داده شده است که از بلوزهای سیم مستقیم بین ماژول ESP32 و کانکتور VGA استفاده می شود. ایجاد این اتصالات در سرصفحه VGA آزمایشگاه MCU بسیار آسان است زیرا هیچ قطعه اضافی در آن دخیل نیست.

بسته به نوع MCU مورد استفاده ، سطح ولتاژ آن ، وضوح پیکسل ها و عمق رنگ دلخواه ، ترکیب های مختلفی از مقاومت های داخلی و شبکه های مقاومتی وجود دارد که ممکن است بین MCU و هدر VGA قرار گیرد. اگر تصمیم دارید از مقاومتهای داخلی استفاده دائمی کنید ، می توانید آنها را روی PCB آزمایشگاه MCU لحیم کنید. اگر می خواهید انعطاف پذیری خود را حفظ کنید و به ویژه اگر می خواهید از راه حل های پیچیده تری استفاده کنید ، توصیه می شود هیچ مقاومتی را در محل خود لحیم نکنید و فقط از تخته های بدون لحیم و سربرگ VGA برای اتصال مقاومتهای لازم استفاده کنید.

به عنوان مثال ، برای پیاده سازی حالت رنگی 14 بیتی bituni که در انتهای ویدیو نشان داده شده است ، ماژول ESP32 را می توان بر روی یکی از تخته های کوچک بدون لحیم قرار داد و از تخته دیگر بدون لحیم می توان برای اتصال نردبان مقاومت استفاده کرد.

در اینجا چند نمونه دیگر وجود دارد:

در HackerBox 0047 یک آردوینو نانو یک خروجی VGA ساده با 4 مقاومت هدایت می کند.

شبیه ساز VIC20 با استفاده از مقاومت FabGL و 6 در ESP32 پیاده سازی شده است.

یک کامپیوتر BASIC را با استفاده از مقاومت ESP32 و 3 پیاده سازی کنید.

بازی Space Invaders را در ESP32 با استفاده از FabGL و 6 مقاومت انجام دهید.

خروجی VGA را در STM32 با 6 مقاومت ایجاد کنید.

لایه های همزمان متن و گرافیک در STM32 با نمایش ویدئو.

مرحله 8: ماژول STC32F103C8T6 قرص سیاه MCU

قرص سیاه یک ماژول MCU مبتنی بر STM32 است. این یک نسخه بهبود یافته در قرص آبی معمولی و قرص قرمز کمتر رایج است.

قرص سیاه دارای میکروکنترلر STM32F103C8T6 32bit ARM M3 (برگه داده) ، هدر چهار پین ST-Link ، درگاه MicroUSB و LED کاربر در PB12 است. مقاومت کششی صحیح روی PA12 برای عملکرد صحیح پورت USB نصب شده است. این کشش به طور معمول نیاز به اصلاح هیئت مدیره در سایر قرص ها دارد.

قرص سیاه در حالی که از نظر ظاهری شبیه به آردوینو نانو است ، بسیار قدرتمندتر است. میکروکنترلر 32bit STM32F103C8T6 ARM می تواند با سرعت 72 مگاهرتز کار کند. می تواند ضرب تک سیکلی و تقسیم سخت افزاری را انجام دهد. دارای 64 کیلوبایت حافظه فلش و 20 کیلوبایت SRAM است.

برنامه نویسی STM32 از Arduino IDE.

مرحله 9: TXS0108E 8-Bit Logic Level Shifter

TXS0108E (برگه داده) یک تغییر دهنده منطق سطح دو طرفه 8 بیتی است. ماژول برای تنظیم سیگنال های تغییر سطح بین 3.3V و 5V تنظیم شده است.

از آنجا که کانال های سطح سیگنال دو طرفه هستند ، ورودی های شناور می توانند باعث شوند که خروجی های مربوطه ناخواسته هدایت شوند. یک کنترل خروجی (OE) برای محافظت در چنین سناریوهایی ارائه شده است. بسته به نحوه اتصال دنده باید دقت شود تا مطمئن شوید که خروجی از دنده (اعم از "عمدی" یا به دلیل ورودی شناور در طرف دیگر) هرگز اجازه عبور خروجی از دستگاه دیگر را نداشته باشد.

پین OE در آثار PCB قطع شده است. یک سربرگ دو پینی در زیر ماژول برای اتصال OE و 3V3 ارائه شده است. کوتاه شدن هدر دو پین (با استفاده از یک تکه سیم یا یک بلوک بلوز) OE را به 3V3 متصل می کند که IC را قادر می سازد تا خروجی های خود را هدایت کند. یک مقاومت کششی و کنترل منطقی نیز می توانند به پین OE متصل شوند.

مرحله 10: HackLife

امیدواریم از ماجراجویی HackerBox این ماه در زمینه الکترونیک و فناوری رایانه لذت ببرید. با ما در ارتباط باشید و موفقیت خود را در نظرات زیر یا در گروه فیس بوک HackerBoxes به اشتراک بگذارید. همچنین ، به یاد داشته باشید که در صورت داشتن هرگونه سوال یا نیاز به کمک می توانید در هر زمان به [email protected] ایمیل بزنید.

بعدش چی؟ به انقلاب بپیوندید. با HackLife زندگی کنید هر ماه یک جعبه خنک از وسایل قابل هک مستقیم به صندوق پستی خود تحویل دهید. به HackerBoxes.com سر بزنید و برای اشتراک ماهانه HackerBox خود ثبت نام کنید.