Электроника. Сборник рецептов: готовые решения на базе Arduino и Raspberry Pi

480 Pages·2019·3.81 MB·Russian

by  Саймон Монк

Электроника
Сборник рецептов
Готовые решения на базе
Arduino и Raspberry Pi
Electronics Cookbook
Practical Electronic Recipes
with Arduino and Raspberry Pi
SimonMonk
Beijing • Boston • Farnham • Sebastopol • Tokyo O"REILLY"
Электроника
Сборник рецептов
Готовые решения на базе
Arduino Raspberry Pi
и
Саймон Монк
Москва· Санкт-Петербург
2019
ББК 32.85
М77
УДК 621.38
Компьютерное издательство "J(иалектика"
Перевод с английского И.В. Василенко
Под редакцией В.Р. Гинзбурга
По общим вопросам обращайтесь в издате11ьство "Диалектика" по адресу:
[email protected], http://www.dialektika.com
Монк, Саймон.
М77 Электроника. Сборник рецептов: готовые решения на базе Arduino и Raspberry Pi. : Ilep.
с англ. - СПб.: ООО "Диалектика': 2019. - 480 с.: ил. - Парал. тит. англ.
ISBN 978-5-907114-54-8 (рус.)
ББК 32.85
Все названю1 программных продуктов являются зарегистрированными торговыми марками соответ­
ствующих фирм.
Никакая часть настоящего издания ни в каких целях не может быть воспроизведена в какой бы то ни
было форме и какими бы то ни было средствами, будь то э11ектронныс или механические, включая фотоко­
пирование и запись на магнитный носитель, если на это нет письменного разрешения издательства O'Reilly
Media, !пс.
Authorized Russiaп traпslatioп of the Eпglish editioп of Electro11ics Cookbook (JSBN 978-1-491-95340-2)
© 2017 Simoп Мопk.
This traпslatioп is puЬlished апd sold Ьу permissioп of O'Reilly Media, !пс" which owпs or coпtrols al\ rights
to sell the same.
All rights reserved. No part of this book may Ье reproduced or traпsmitted iп any form or Ьу any means, elec
tronic or mechanical, including photocopyiпg, recording, or Ьу апу iпformation storage or retrieval system, withoul
the prior writteп permissioп of the copyright owпer апd the PuЬlisher.
Научно-популярное издание
СаймонМонк
Электроника. Сборник рецептов: готовые решения на базе
Arduino и Raspberry Pi
Ilодписано в пс•1ать 15.01.2019.
Формат 70х100/16. lарвитура Times.
Усл. печ. л. 38,7. Уч.-изд. л. 30.
Тираж 400 экз. Заказ № 665.
От11с•1атано в АО "Ilервая Образцовая типография"
Филиал "Чеховский Ilечатный Двор"
142300, Московская область,'" Чехов, ул. llолиграфистов, д. 1
Сайт: www.chpd.ru, E-mail: [email protected], те11. 8 [phone]
ООО "Диа11ектика': 195027, Санкт-Ilетербург, Ма1·11ито1·орская ул" д. 30, лит. А, пом. 848
ISBN 978-5-907114-54-8 (рус.) © 2019 ООО "Диалектика"
ISBN 978-1-491-95340-2 (англ.) © 2017 Simoп Monk
Оглавление
Введение 15
Глава 1. Основные законы 21
Глава 2. Резисторы 31
Глава 3. Конденсаторы и катушки индуктивности 49
Глава 4. Диоды б5
Глава 5. Транзисторы и интегральные микросхемы 75
Глава 6. Переключатели и реле 97
Глава 7. Источники питания 105
Глава 8. Батарейки и аккумуляторы 139
Глава 9. Солнечные панели 153
Глава 10. Arduiпo и Raspberry Pi 165
Глава 11. Переключение сигналов 201
Глава 12. Датчики 227
Глава 13. Электродвигатели 263
Глава 14. Светодиоды и индикаторы 287
Глава 15. Цифровые интегральные микросхемы 323
Глава 16. Аналоговая электроника 335
Глава 17. Операционные усилители 359
Глава 18. Звук 381
Глава 19. Радио 397
Глава 20. Сборка 413
Глава 21. Инструменты и оборудование 437
Приложение А. Комплектующие и поставщики 457
Приложение Б. Расположение выводов на плате Arduino 467
Приложение В. Расположение выводов на плате Raspberry Pi 469
Приложение Г. Единицы измерения 471
Предметный указатель 473
Содержание
Об авторе 13
Об изображении на обложке 13
Введение 15
На кого рассчитана эта книга 15
Идея книги 15
Современная электроника 16
Структура книги 16
Условные обозначения 19
Файлы примеров 19
Ждем ваших отзывов! 20
Гnава 1. Основные законы 21
1.1. Электрический ток 21
1.2. Напряжение 22
1.3. Связь напряжения, тока и сопротивления 23
1.4. Ток в произвольной точке цепи 25
1.5. Напряжение в произвольной ветви цепи 26
1.6. Электрическая мощность 28
1.7. Переменный ток 28
Гnава 2. Резисторы 31
2.1. Маркировка резисторов 31
2.2. Подбор номинала резистора 33
2.3. Переменные резисторы 34
2.4. Последовательное подключение резисторов 36
2.5. Параллельное подключение резисторов 38
2.6. Понижение напряжения до необходимого уровня 40
2.7. Подбор резистора, выдерживающего рабочую нагрузку 41
2.8. Измерение уровня освещенности 43
2.9. Измерение температуры 44
2.10. Подбор проводов 45
Гnава 3. Конденсаторы и катуwки индуктивности 49
3.1. Временное сохранение заряда 49
3.2. Типы конденсаторов 54
3.3. Маркировка конденсаторов 56
3.4. Параллельное подключение конденсаторов 57
3.5. Последовательное подключение конденсаторов 58
3.6. Накопление больших зарядов 58
3.7. Расчет энергии, накопленной конденсатором 59
3.8. Изменение формы сигнала 60
3.9. Преобразование напряжения 61
Гnава 4. Диоды 65
4.1. Предотвращение протекания электрического тока 65
4.2. Типы диодов 68
4.3. Ограничение постоянного напряжения 69
4.4. Да будет свет! 71
4.5. Датчик освещенности 73
Гnава S. Транзисторы и интеграnьные микросхемы 75
5.1. Переключение токов слабыми сигналами 76
5.2. Переключение токов с большим коэффициентом усиления 80
5.3. Переключение сильных токов 81
5.4. Переключение сигналов высокого напряжения 84
5.5. Подбор транзистора 86
5.6. Переключение переменных токов 89
5.7. Датчик освещенности на транзисторах 90
5.8. Оптическая развязка в электрической цепи 91
5.9. Интегральные микросхемы 93
Гnава 6. Перекnючатеnи и pene 97
6.1. Механические переключатели 97
6.2. Типы переключателей 98
6.3. Магнитный переключатель 101
6.4. Механические реле 102
Гnава 7. Источники питания 105
7.1. Преобразование переменного напряжения 106
7.2. Преобразование переменного напряжения в постоянное,
зависящее от нагрузки 107
7.3. Преобразование переменного напряжение в постоянное
с уменьшенной пульсацией 109
7.4. Преобразование переменного напряжения в стабилизированное постоянное 112
7.5. Преобразование переменного напряжения в регулируемое постоянное 114
7.6. Стабилизация напряжения на выходе батарейки 116
7. 7. Стабилизированный источник тока 117
7.8. Стабилизатор постоянного напряжения с высоким КПД 118
7.9. Преобразование низкого постоянного напряжения в высокое 119
7.10. Преобразование постоянного напряжения в переменное 120
7.11. Питание от электросети с переменным напряжением 110 или 220 В 123
7.12. Умножение напряжения 125
7.13. Повышение напряжения до 450 В 126
7.14. Создание источников питания очень высокого напряжения (больше 1 кВ) 129
Содержание 1 7
7.15. Источник питания сверхвысокого напряжения 130
7.16. Предохранитель 133
7.17. Защита от напряжения неправильной полярности 135
Гnава 8. Батарейки и аккумуnяторы 139
8.1. Ожидаемый срок службы 139
8.2. Подбор батареек разового использования 141
8.3. Подбор аккумуляторов 143
8.4. Дозарядка аккумуляторов 144
8.5. Источник аварийного питания 146
8.6. Зарядка литий-полимерных аккумуляторов 147
8.7. Полная разрядка источника питания 149
Гnава 9. Соnнечные панеnи 153
9.1. Получение электроэнергии из солнечного света 153
9.2. Выбор солнечной панели 156
9.3. Измерение выходной мощности солнечной панели 158
9.4. Электропитание Arduino от солнечной панели 161
9.5. Электропитание Raspberry Pi от солнечной панели 162
Гnава 10. Arduino и Raspberry Pi 165
10.1. Обзор платы Arduino 165
10.2. Загрузка скетчей, используемых в проектах книги 168
10.3. Обзор платы Raspberry Pi 169
10.4. Загрузка программ Python, используемых в проектах книги 171
10.5. Автоматический запуск программ при загрузке Raspberry Pi 172
10.6. Альтернативы Arduino и Raspberry Pi 173
10.7. Переключение сигналов 175
10.8. Управление цифровыми выходами платы Arduino 179
10.9. Управление цифровыми выходами платы Raspberry Pi 180
10.10. Считывание сигналов, подаваемых на вход Arduino 182
10.11. Считывание сигналов, подаваемых на вход Raspberry Pi 184
10.12. Считывание аналоговых сигналов в Arduino 186
10.13. Изменение напряжения на выводах Arduino 188
10.14. Изменение напряжения на выводах Raspberry Pi 192
10.15. Подключение оборудования к Raspberry Pi через соединение I2C 193
10.16. Подключение оборудования к Raspberry Pi через соединение SPI 196
10.17. Преобразование логических уровней 197
Гnава 11. Перекnючение сигнаnов 201
11.1. Переключение сигналов с мощностью выше допустимой для Arduino
и Raspberry Pi 201
11.2. Ключ верхнего плеча 203
11.3. Переключение сигналов высокой мощности 206
11.4. Переключение сигналов высокой мощности ключом верхнего плеча 209
8 1 Содержание
11.5. Выбор между биполярным и МОП-транзистором 210
11.6. Управление питанием из Arduino 211
11. 7. Управление питанием из Raspberry Pi 216
11.8. Переключение питания в обоих направлениях 218
11.9. Управление реле через вывод GPIO 219
11.10. Управление полупроводниковыми реле через вывод GPIO 221
11.11. Подключение устройств через вывод с открытым коллектором 223
Гnава 12. Датчики 227
12.1. Подключение переключателя к Arduino или Raspberry Pi 227
12.2. Датчик уrла поворота 232
12.3. Считывание аналогового сигнала с выхода резистивного датчика 237
12.4. Подключение АЦП к Raspberry Pi 240
12.5. Подключение резистивного датчика к Raspberry Pi без использования АЦП 241
12.6. Определение уровня освещенности 243
12.7. Измерение температуры с помощью Arduino 244
12.8. Измерение температуры с помощью Raspberry Pi без использования АЦП 247
12.9. Измерение угла поворота с помощью потенциометра 249
12.1 О. Измерение температуры аналоговым датчиком 250
12.11. Измерение температуры цифровым датчиком 253
12.12. Измерение влажности 257
12.13. Измерение расстояния 259
Гnава 13. Эnектродвиrатеnи 263
13.1. Управление электродвигателем постоянного тока 263
13.2. Измерение скорости вращения вала двигателя постоянного тока 265
13.3. Изменение направления вращения вала электродвигателя постоянного тока 267
13.4. Поворот вала двигателя на строго заданный угол 272
13.5. Шаговое вращение вала электродвигателя 277
13.6. Подбор простого шагового двигателя 282
Гnава 14. Светодиоды и индикаторы 287
14.1. Подключение светодиода к выводу GPIO 287
14.2. Управление светодиодами повышенной яркости 290
14.3. Управление массивом светодиодов 293
14.4. Управление питанием массива светодиодов 295
14.5. Мультиплексное управление семисегментным индикатором 295
14.6. Управление большим количеством светодиодов 299
14.7. Управление RGВ-светодиодом 304
14.8. Управление лентой RGВ-светодиодов с адресным доступом 309
14.9. Управление многоразрядным семисегментным индикатором
313
через 12С-соединение
14.10. Вывод графических изображений на ОLЕD-дисплей 317
14.11. Вывод текста на алфавитно-цифровой дисплей 319
Содержание 1 9