Jak używać Tinkercad do testowania i wdrażania sprzętu: 5 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Symulacja obwodu to technika, w której oprogramowanie komputerowe symuluje zachowanie obwodu lub systemu elektronicznego. Nowe projekty można testować, oceniać i diagnozować bez faktycznego konstruowania obwodu lub systemu. Symulacja obwodu może być użytecznym narzędziem w rozwiązywaniu problemów z systemem w celu zebrania danych, zanim faktycznie nastąpi rozwiązywanie problemów na poziomie obwodu. Pozwala to projektantowi określić poprawność i efektywność projektu jeszcze przed faktycznym zbudowaniem systemu. W konsekwencji użytkownik może zbadać zalety alternatywnych projektów bez faktycznego fizycznego budowania systemów. Dzięki badaniu skutków określonych decyzji projektowych w fazie projektowania, a nie w fazie budowy, całkowity koszt budowy systemu znacznie się zmniejsza.

Tak więc symulacja oprogramowania jest dobrym sposobem na wypróbowanie przed fizycznym wykonaniem obwodu. Tinkercad to internetowe narzędzie do symulacji, które pomoże Ci przetestować sprzęt i oprogramowanie bez fizycznego połączenia lub nawet bez kupowania sprzętu.

Czy kiedykolwiek odczuwałeś brak pinów wejścia-wyjścia w Arduino? Jeśli myślałeś o napędzaniu ton LED lub chcesz zrobić LED Cube, myślę, że zdecydowanie poczułeś brak pinów I/O. Czy wiesz, że możesz sterować nieograniczoną liczbą diod LED za pomocą tylko 3 pinów Arduino? Tak, rejestry przesuwne pomogą ci stworzyć tę magię. W tej instrukcji pokażę, jak możemy zaimplementować nieograniczoną liczbę wejść i wyjść za pomocą rejestrów przesuwnych 74HC595. Jako przykład wykonam zegar cyfrowy z termometrem i luksomierzem z sześcioma 7-segmentowym wyświetlaczem. Zanim w końcu wykonałem obwód sprzętowy, symulowałem obwód w Tinkercad, ponieważ wiąże się z nimi wiele połączeń. Symulacja może sprawić, że będziesz bardziej pewny siebie i będziesz mógł przetestować sfinalizowany obwód bez żadnych fizycznych prób i błędów. Oczywiście pomoże Ci to zaoszczędzić kosztowny sprzęt i cenny czas.

Możesz uzyskać dostęp do symulacji tutaj:

Krok 1: Zapisz swój sprzęt przed spaleniem

Podobnie jak inne obwody elektroniczne, obwody LED są bardzo wrażliwe na prąd. Dioda pali się, jeśli przepływa więcej prądu niż prąd znamionowy (np. 20mA). Dobór odpowiedniego rezystora jest bardzo ważny dla uzyskania odpowiedniej jasności bez przepalania obwodów czy diod LED.

Obwody Tinkercad mają doskonałą funkcję. Pokazuje, czy przez elementy obwodu przepływa prąd większy niż prąd znamionowy. W poniższym obwodzie podłączyłem siedmiosegmentowy wyświetlacz bezpośrednio do rejestru przesuwnego bez żadnego rezystora. Nie jest bezpieczny dla rejestru nawet dla wyświetlacza siedmiosegmentowego i oba mogą być spalone przez to połączenie. Tinkercad pokazuje ten fakt czerwonymi gwiazdkami.

W poniższym obwodzie dodałem po jednym rezystorze 180 omów do każdego segmentu diody LED. Przez każdy segment wyświetlacza przepływa prąd około 14,5mA, który jest zapisany dla wyświetlacza. Ale z symulacji widać, że ta wartość rezystancji nie jest bezpieczna dla układu scalonego. Maksymalna obciążalność prądowa rejestru przesuwnego wynosi 50mA. Tak więc układ scalony jest bezpieczny do trzech w segmencie wyświetlacza (14,5 x 3 = 43,5 mA). Jeśli więcej niż trzy segmenty staną się na IC można spalić (np. 14,5 x 4 = 58mA). Większość twórców nie zwraca na to uwagi. Obliczają wartość rezystora, biorąc pod uwagę tylko wyświetlacz.

Ale jeśli zasymulują obwód w Tinkercadzie, szansa na popełnienie tego błędu spada do zera. Ponieważ Tinkercad ostrzeże Cię, pokazując czerwoną gwiazdkę.

Możesz zaobserwować sytuację po najechaniu kursorem myszy na gwiazdę jak na poniższym rysunku.

Poniższa konstrukcja jest idealna, gdy wybieram rezystor 470 omów dla każdego segmentu wyświetlacza. Do symulacji układu wykorzystano szkic attache Arduino.

Krok 2: Zmierz napięcie, prąd, rezystancję i kształt fali

Pomiar prądu i napięcia jest dużym problemem dla obwodów elektronicznych, zwłaszcza że wymagane są wielokrotne pomiary równoległe. Symulacja Tinkercad może bardzo łatwo rozwiązać ten problem. Bardzo łatwo można zmierzyć napięcie i rezystancję prądu. Możesz to zrobić dla wielu gałęzi jednocześnie. Poniższa konfiguracja pokazuje całkowity prąd i napięcie obwodu.

Możesz również użyć oscyloskopu do obserwacji kształtu fali i pomiaru częstotliwości.

W powyższej konfiguracji oscyloskop pokazujący sygnał zegarowy z Arduino. Możesz także mierzyć prąd i napięcie wielu gałęzi jednocześnie, co jest bardzo efektywne. Jeśli chcesz zmierzyć prąd wielu gałęzi jednocześnie za pomocą multimetru z praktycznego obwodu, będzie to bardzo trudne. Ale w Tinkercad możesz to zrobić bardzo łatwo. W poniższym obwodzie użyłem wielu amperomierzy do pomiaru prądu z różnych gałęzi.

Krok 3: Pisanie programu i korzystanie z monitora szeregowego

Jedną z ciekawych i przydatnych cech układu Tinkercad jest to, że posiada on edytor kodu i można napisać program dla Arduino i ESP8266 bezpośrednio z jego środowiska. Możesz także stworzyć program przy użyciu środowiska graficznego, wybierając tryb blokowy. Jest to bardzo pomocne dla twórców i hobbystów, którzy nie mają doświadczenia w programowaniu.

Ma również wbudowany Debugger, z którego możesz debugować swój kod. Debuger pomoże Ci zidentyfikować błąd (błąd) w Twoim kodzie i poprawić go (debugować).

Obwód Tinkercad ma również monitor szeregowy i można bardzo łatwo monitorować wartość czujnika i debugować obwód. Poniższy obwód został użyty do testowania czujnika PIR i ultradźwiękowego oraz do obserwacji danych na monitorze szeregowym.

Możesz uzyskać dostęp do obwodu z linku:

Krok 4: Symulacja dużego i złożonego obwodu (zegar z termometrem i luksomierzem)

W Tinkercad możesz zasymulować dowolny złożony obwód, zanim zaczniesz go praktycznie. Pozwala zaoszczędzić cenny czas. Szansa popełnienia błędu w skomplikowanym obwodzie jest bardzo duża. Jeśli najpierw przetestujesz go w Tinkercad, może to być bardzo skuteczne, ponieważ wiesz, że twój obwód i program będą działać lub nie. Na podstawie wyników możesz również modyfikować i aktualizować swój obwód zgodnie z własnymi wymaganiami.

Symulowałem złożony obwód w Tinkercad i jest to obwód zegarowy z termometrem i luksomierzem. Układ zasilany jest z baterii 9V z regulatorem 5V. Sześcio-siedmiosegmentowy wyświetlacz służy do wyświetlania czasu z godziną, minutą i sekundą. Do regulacji czasu służą cztery przyciski wykorzystujące jedno wejście analogowe. Do ustawienia alarmu podłączony jest brzęczyk. LM35 IC służy do wyświetlania temperatury otoczenia. Czujnik światła otoczenia służy do pomiaru luksów.

Cyfrowy przełącznik przyciskowy jest używany do pinu nr 7 Arduino. Ten przełącznik przyciskowy służy do zmiany opcji. Domyślnie pokazuje czas lub działa w trybie zegara. Dla pierwszego naciśnięcia pokazuje temperaturę i pokazuje poziom luksów dla drugiego naciśnięcia.

Krok 5: Implementacja za pomocą sprzętu

Po przeprowadzeniu symulacji układu i dostosowaniu programu oraz wartości rezystancji nadszedł czas na praktyczne wdrożenie układu. Praktyczny obwód można zaimplementować na płytce prototypowej, jeśli chcesz gdzieś zrobić prototyp do wyświetlenia. Obwód płytki do krojenia chleba ma pewne zalety i wady. Główną zaletą obwodu płytki stykowej jest to, że można go łatwo modyfikować i nie jest do tego wymagane lutowanie. Z drugiej strony połączenie obwodu płytki stykowej może być bardzo łatwo luźne i bardzo trudne do zidentyfikowania w przypadku złożonego obwodu.

Jeśli chcesz zrobić to do praktycznego użytku, najlepiej jest lutowany obwód PCB. Możesz bardzo łatwo stworzyć własny obwód PCB w domu. Nie są do tego potrzebne żadne specjalne narzędzia. Jeśli chcesz wiedzieć o DIY PCB, możesz śledzić te ładne instrukcje.

1. Domowa płytka PCB krok po kroku przez recwap.

2. Przewodnik po tworzeniu PCB według pinomelean

Możesz również zamówić online profesjonalną płytkę drukowaną. Kilku producentów zapewnia usługę drukowania PCB w bardzo niskiej cenie. SeeedStudio Fusion PCB i JLCPCB to dwaj najważniejsi dostawcy usług. Możesz spróbować jednego z nich.

[Uwaga: niektóre obrazy są pobierane z Internetu.]

Druga nagroda w konkursie Electronics Tips & Tricks Challenge