Ako používať Tinkercad na testovanie a implementáciu hardvéru: 5 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Simulácia obvodov je technika, pri ktorej počítačový softvér simuluje správanie elektronického obvodu alebo systému. Nové konštrukcie je možné testovať, vyhodnocovať a diagnostikovať bez toho, aby ste skutočne skonštruovali obvod alebo systém. Simulácia obvodov môže byť užitočným nástrojom pri riešení problémov systému na zhromažďovanie údajov predtým, ako sa riešenie problémov na úrovni obvodu skutočne uskutoční. To umožňuje projektantovi určiť správnosť a účinnosť návrhu pred skutočným vybudovaním systému. V dôsledku toho môže užívateľ skúmať výhody alternatívnych návrhov bez toho, aby systémy skutočne fyzicky budoval. Skúmaním účinkov konkrétnych návrhových rozhodnutí vo fáze návrhu a nie vo fáze výstavby sa celkové náklady na stavbu systému výrazne znižujú.

Softvérová simulácia je teda dobrý spôsob, ako si to vyskúšať pred fyzickým vytvorením obvodu. Tinkercad je webový simulačný nástroj, ktorý vám pomôže otestovať hardvér aj softvér bez akéhokoľvek fyzického pripojenia alebo dokonca bez nákupu akéhokoľvek hardvéru.

Cítili ste niekedy nedostatok vstupno-výstupných pinov na Arduine? Ak ste chceli jazdiť na tónoch diód LED alebo chcete vyrobiť LED kocku, myslím, že ste určite pocítili potrebu vstupno -výstupných pinov. Viete, že môžete ovládať neobmedzený počet LED diód iba pomocou 3 pinov Arduina? Áno, posuvné registre vám pomôžu urobiť toto kúzlo. V tomto návode vám ukážem, ako môžeme implementovať neobmedzený vstup a výstup pomocou posuvných registrov 74HC595. Ako príklad vyrobím digitálne hodiny s teplomerom a luxmetrom pomocou šiestich 7 segmentových displejov. Predtým, ako som konečne vyrobil hardvérový obvod, simuloval som obvod v Tinkercad, pretože s ním je spojených veľa spojení. Simulácia vás môže presvedčiť a testovať finalizáciu vášho okruhu bez fyzických pokusov a omylov. Očividne vám to pomôže ušetriť drahý hardvér a drahocenný čas.

K simulácii sa môžete dostať tu:

Krok 1: Zachráňte svoj hardvér pred spálením

Rovnako ako ostatné elektronické obvody sú obvody LED veľmi citlivé na prúd. LED dióda horí, ak tečie viac prúdu, ako je menovitý prúd (napr. 20 mA). Voľba vhodného odporu je veľmi dôležitá pre správny jas bez vypaľovania obvodov alebo diód LED.

Obvody Tinkercad majú vynikajúcu vlastnosť. Ukazuje vám, či obvodovými prvkami preteká viac ako menovitý prúd. V nasledujúcom obvode som pripojil sedemsegmentový displej priamo na posuvný register bez akéhokoľvek odporu. Nie je to bezpečné pre register ani pre sedemsegmentový displej a oba sa dajú týmto spojením napáliť. Tinkercad to ukazuje na červených hviezdach.

V nasledujúcom obvode som do každého segmentu LED pridal jeden odpor 180 ohmov. Každým segmentom displeja preteká asi 14,5 mA prúdu, ktorý je pre displej uložený. Zo simulácie je však zrejmé, že táto hodnota odporu nie je pre IC bezpečná. Maximálna prúdová kapacita posuvného registra je 50mA. Integrovaný obvod je teda bezpečný až pre tri na segmente displeja (14,5 x 3 = 43,5 mA). Ak sú na IC viac ako tri segmenty, je možné IC spáliť (napr. 14,5 x 4 = 58 mA). Väčšina výrobcov tejto skutočnosti nevenuje pozornosť. Vypočítajú hodnotu odporu iba s prihliadnutím na displej.

Ak však simulujú obvod v Tinkercad, šanca urobiť túto chybu sa zníži na nulu. Pretože Tinkercad vás upozorní zobrazením červenej hviezdy.

Situáciu môžete sledovať pri umiestnení kurzora myši na hviezdu ako na obrázku nižšie.

Nasledujúci dizajn je perfektný tam, kde pre každý segment displeja vyberám odpor 470 ohmov. Pri simulácii obvodu bol použitý náčrt atašé Arduina.

Krok 2: Zmerajte napätie, prúd, odpor a tvar vlny

Meranie prúdu a napätia je pre elektronický obvod veľkým problémom, obzvlášť sú potrebné viaceré paralelné merania. Simulácia Tinkercad môže tento problém vyriešiť veľmi jednoducho. Aktuálne napätie a odpor môžete merať veľmi jednoducho. Môžete to urobiť pre viac pobočiek naraz. Nasledujúce nastavenie zobrazuje celkový prúd a napätie obvodu.

Na sledovanie tvaru vlny a meranie frekvencie môžete použiť aj osciloskop.

Vo vyššie uvedenom nastavení osciloskop ukazujúci hodinový signál z Arduina. Môžete tiež merať prúd a napätie viacerých vetiev naraz, čo je veľmi účinné. Ak chcete merať prúd viacerých vetiev naraz pomocou multimetra z praktického obvodu, bude to veľmi ťažké. Ale v Tinkercad to zvládnete veľmi jednoducho. V nasledujúcom obvode som použil niekoľko ampérmetrov na meranie prúdu z rôznych vetiev.

Krok 3: Program na písanie a používanie sériového monitora

Jednou zo zaujímavých a užitočných funkcií obvodu Tinkercad je, že má editor kódu a priamo z jeho prostredia môžete napísať program pre Arduino a ESP8266. Program môžete vyvinúť aj v grafickom prostredí zvolením režimu Blok. Je to veľmi užitočné pre výrobcov a fanúšikov, ktorí nemajú skúsenosti s programovaním.

Má tiež vstavaný debugger, z ktorého môžete ladiť kód. Ladiaci program vám pomôže identifikovať chybu (chybu) vo vašom kóde a opraviť (ladenie).

Okruh Tinkercad má tiež sériový monitor a môžete veľmi ľahko monitorovať hodnotu senzora a ladiť obvod. Nasledujúci obvod bol použitý na testovanie PIR a ultrazvukového senzora a zapnuté = bservovať údaje na sériovom monitore.

K okruhu sa dostanete z odkazu:

Krok 4: Simulácia veľkého a komplexného obvodu (hodiny s teplomerom a luxmetrom)

V Tinkercad môžete simulovať akýkoľvek zložitý obvod a až potom ho prakticky vytvoriť. Môže vám to ušetriť drahocenný čas. Šanca na chybu v komplexnom okruhu je veľmi veľká. Ak to najskôr vyskúšate v Tinkercad, môže to byť veľmi účinné, pretože viete, že váš obvod a program budú fungovať alebo nie. Na základe toho môžete tiež upraviť a aktualizovať svoj obvod podľa svojich požiadaviek.

Simuloval som v Tinkercad zložitý obvod a je to hodinový obvod s teplomerom a lux metrom. Obvod je napájaný z 9V batérie s 5V regulátorom. Šesť, sedemsegmentový displej slúži na zobrazenie času s hodinami, minútami a sekundami. Na úpravu času sa používajú štyri tlačidlá využívajúce jeden analógový vstup. Na nastavenie budíka je pripojený bzučiak. LM35 IC sa používa na zobrazenie teploty okolitého prostredia. Na meranie luxu sa používa snímač okolitého svetla.

Na pin Arduino č. 7 sa používa digitálny prepínač. Tento prepínač tlačidiel slúži na zmenu možnosti. V predvolenom nastavení zobrazuje čas alebo pracuje v režime hodín. Pri prvom stlačení ukazuje teplotu a pri druhom stlačení úroveň luxu.

Krok 5: Implementácia s hardvérom

Po simulácii obvodu a úprave hodnoty programu a odporu je to ideálny čas na praktickú implementáciu obvodu. Praktický obvod je možné implementovať na doske, ak chcete niekde vytvoriť prototyp na zobrazenie. Obvodový panel má niekoľko výhod a nevýhod. Hlavnou výhodou obvodu breadboard je, že sa dá ľahko modifikovať a nevyžaduje na to žiadne spájkovanie. Na druhej strane je možné veľmi ľahko uvoľniť prepojenie obvodu breadboard a pre zložitý obvod je veľmi ťažké ho identifikovať.

Ak to chcete urobiť pre praktické použitie, najlepšie je spájkovaný obvod DPS. Vlastný obvod PCB si môžete vytvoriť doma veľmi jednoducho. Na to nie sú potrebné žiadne špeciálne nástroje. Ak chcete vedieť o DIY PCB, môžete postupovať podľa týchto pekných inštrukcií.

1. Domáca doska plošných spojov krok za krokom pomocou opätovného zabalenia.

2. Návod na výrobu DPS Pinomelean

Môžete si tiež objednať online profesionálne PCB. Niekoľko výrobcov poskytuje tlačovú službu DPS za veľmi nízku cenu. SeeedStudio Fusion PCB a JLCPCB sú dvaja najvýznamnejší poskytovatelia služieb. Môžete skúsiť jeden z týchto.

[Poznámka: Niektoré obrázky sú zhromaždené z internetu.]

Druhá cena v súťaži Tipy a triky pre elektroniku