ARDUINO UNO
Presentazione
ultimo aggiornamento 29 novembre 2010


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La scheda Arduino Uno è la versione aggiornata della Arduino 2009, è una scheda microcontrollore basato sul processore Atmega328 (vedere schema elettrico).
Dispone di 14 ingressi/uscita digitali  (di cui 6 possono essere utilizzate come uscite PWM), 6 ingressi analogici, come oscillatore è utilizzato un risuonatore da 16 MHz.
Sono disponibili: un collegamento USB, un jack di alimentazione, un header ICSP, e un pulsante di reset.
Esso contiene tutto il necessario per utilizzare il microcontrollore, è sufficiente collegarsi a un computer con un cavo USB (l'alimentazione può essere derivata alla presa USB) oppure alimentare con un adattatore AC-DC oppure tramite batteria per iniziare.

La Scheda Arduino Uno si differenzia principalmente da tutte le schede precedenti, dal fatto che non usa come convertitore USB/seriale un chip driver FTDI ma è utilizzato un processore Atmega8U2 programmato come convertitore seriale/USB.

Riepilogo caratteristiche Principali

Microcontroller

Atmega328

Tensione di funzionamento

5V

Tensione in ingresso

7-12V (consigliata) 

Tensione in ingresso

6-20V (limiti)  

I / O digitali

14 (di cui 6 di fornire output PWM)

Ingressi analogici

6

Corrente continua per I / O Pin

40 mA

Di corrente per Pin 3,3 V CC

50 mA

Flash Memory  

32 KB di cui 0,5 KB utilizzati dal bootloader

SRAM  

2 KB

EEPROM  

2 KB

Velocità di clock  

16 MHz

Diverse versioni della scheda Arduino UNO

I primi esemplari della scheda furono prodotti nel settembre 2010, si differenzia dalla versione 2009 per la presenza di uno speciale convertitore USB/seriale che è implementato da un microcontrollore ATmega8U2 in cui è integrato un transceiver USB liberamente programmabile.

Scheda Arduino UNO


Una delle prime versioni della scheda
 

Appare il nuovo logo
 

Si modifica l'integrato regolatore
l' ATMEGA328 viene ruotato di 180°

Viene modificato l'orientamento del ATMEGA8U2-MU
viene già saldato il connettore ICSP
 
Versione SMD della scheda
 

In questo modo a differenza del chip della FDTI, per il quale era necessario installare appositi driver, con I'utilizzo dell'integrato ATmega8U2 ciò non è più necessario, poiché sono usati i driver comuni della periferica USB già disponibili con il sistema operativo.
Tuttavia, con sistemi operativi Windows, per la corretta creazione di una porta COM virtuale è necessario installare un driver aggiuntivo.
Arduino Uno ha anche ricevuto la certificazione FCC sulle emissioni elettromagnetiche che ne attesta il superamento delle prove sulle emissioni EMC eseguite da un laboratorio riconosciuto dalla US Federal Communication Commission (FCC) o da parte di Industry Canada (IC) rendendi il prodotto compatible con la normativa per gli Stati Uniti e Canada,

La scheda è ora anche pienamente conforme alle normative RoHS (dall'inglese: Restriction of Hazardous Substances Directive) questa è la normativa 2002/95/CE adottata nel febbraio del 2003 dalla Comunità europea.    La normativa impone restrizioni sull'uso di determinate sostanze pericolose nella costruzione di vari tipi di apparecchiature elettriche ed elettroniche.   È collegata strettamente con la direttiva sulla rottamazione di apparecchiature elettriche ed elettroniche (detta RAEE) 2002/96/CE che regola l'accumulazione, riciclaggio e recupero per le apparecchiature elettriche e fa parte di un'iniziativa di legge per risolvere il problema dell'enorme quantitativo di rifiuti generati dalle apparecchiature elettroniche obsolete.   La RoHS si applica ai prodotti costruiti o importati nell'Unione europea.

Schema elettrico della scheda

Analizziamo ora le varie parti del circuito della scheda il cui schema complessivo è visibile nella figura sotto

Schema globale della scheda Arduino UNO

Sigla

Valore

C1,C2,C4,C5,C6,C7  

100nF

C3,C8

1uF

C9,C10,C11,C12

22pF

PC1, PC2

47μF

D1

Diodo M7

F1

Fusibile 500mA

R1,R2

1MΏ

R3

27Ώ

RN1

Rete resistiva 10KΏ

RN2, RN4

Rete resistiva 1KΏ

RN3

Rete resistiva 22Ώ

RESET

Tasto da CS

RX,TX,L

Led giallo

ON

Led verde

L1

Ferrite BLM21 WE-CBF

Z1-Z2

Varisitore PGB1010604

ZIC1

Processore ATMEGA328

U1

LMV 358D

U2

LP2985-33DBVR

U3

Processore ATMEGA8U2-MU

T1

MOSFET FDN304V

IC1/IC2

MC33269ST-5.0T3

UBOOT

SJ jumper

X1

DCJack 2.1mm

GROUND

SJ

ICSP, ICSP1

PINHD-2X3

IOH, IOL

PINHD-1X8

POWER

PINHD-1X6

AD

PINHD-1X6

RESET-EN

SJ jumper

X2

Presa USB - PN61729

Y1,Y2

R isuonatore 16MHz

Q1,Q2

Quarzo 16 MHz

Z1,Z2

PGB1010604


Schema elettrico

Posizione sulla scheda Arduino UNO
dei componenti citati nel testo.

 

Alimentazione

La scheda Arduino Uno può essere alimentata attraverso la connessione USB oppure con un alimentatore esterno tramite l'apposito plug.

Come visibile nello schema, la fonte di alimentazione è selezionata automaticamente, attraverso il circuito formato da uno dei due amplificatori operazionali contenuti nell’integrato U1 LM358D e dal Mosfet T1 a canale P tipo FDN304


Schema sezione di alimentazione

U1- LM 358  Low Power Dual Operational Amplifiers


Codice RS - 714-7424
 
Piedinatura Datasheet Foto dell'integrato

Specifiche

Altezza   1.25mm
Lunghezza   4.9mm
Profondità   3.9mm
Package fornitore   SO
Pin Count   8
CMRR minimo   65dB
Corrente di bias massima   0.063μA
Corrente massima fornita   0.44mA
Costruttore   Amplificatore a bassa potenza
Densità di tensione ingresso di rumore tipica   40nV/rtHz
Guadagno tipico di banda   1.3MHz
Montaggio   Per montaggio superficiale
Numero di canali per chip   2
Rail to Rail   Rail → Rail Input/Output
Slew rate tipico   0.45V/μs
Supporto shut down   No
Temperatura massima   125°C
Temperatura minima   -40°C
Tensione di gain tipica   97dB
Tensione massima offset in ingresso   3mV
Tensione minima di alimentazione singola   2.7V
Tensione singola alimentazione fornita   3, 5V
Tensione singola alimentazione massima   6V
Tipo alimentazione   Singolo
Tipo uscita   Rail → Rail

 

T1 - FDN304V  P-Channel Enhancement Mode Field Effect Transistor
  

Codice RS - 671-0407
Piedinatura Datasheet Foto del transistor

Specifiche

Altezza  

0.94mm

Lunghezza  

2.92mm

Profondità  

1.4mm

Montaggio  

Per montaggio superficiale

Package fornitore  

SuperSOT

Numero di elementi per chip  

1

Categoria  

MOSFET di alimentazione

Configurazione  

Singolo

Tipo canale  

P

Corrente massima di drain  

2.4A

Fall time tipico  

25ns

Resistenza massima drain source  

0.052Ω

Temperatura massima  

150°C

Temperatura minima  

-55°C

Tempo di salita tipico  

15ns

Tempo ritardo turn-off tipico  

40ns

Tempo ritardo turn-on tipico  

15ns

Tensione massima drain source  

20V

Tensione massima gate source  

±8V

L'amplificatore operazionale controlla la tensione in ingresso (Vin) tramite il partitore formato da R1A e R1B.
Queste resistenze essendo di valore uguale fanno in modo che sull'ingresso non invertente di U1 (Pin 3) sia presente una tensione pari alla metà di Vin) e, nel caso questa superi il valore 6,6V, commuta la fonte di alimentazione dalla presa USB al connettore di alimentazione esterna.
La porta USB è protetta da cortocircuiti accidentali tramite il fusibile F1 e comunque da essa non sono prelevati più dei 500 mA massimi ammessi.
La scheda può funzionare con un alimentatore esterno AC-DC connesso alla presa jack presente sulla scheda collegando il positivo alla presa centrale da 2,1 mm.
La tensione fornita non deve essere inferiore ai 7V, in quanto livelli inferiori non permettono di garantire i +5V con conseguente instabilità di funzionamento.
Se si utilizzano più di 12V, il regolatore di tensione potrebbe surriscaldarsi e danneggiare la scheda. Per questo la gamma di tensioni raccomandata è compresa tra i 7 e i 12 volt.
La scheda può essere alimentata mediante una batteria da 9V utilizzando direttamente i cavi inseriti nei pin del connettore POWER (GND e Vin).
La tensione +5V è regolata dall’integrato IC2 tipo MC33269ST-5.0 in grado di garantire una tensione in uscita +5V con una tensione di drop-out di circa 1,3V con 800mA di corrente d’uscita

MC33269D, MC33269ST-5.0 800 mA, Low Dropout Voltage Regulator


Codice RS - 516-5966
Piedinatura Datasheet Foto dell'integrato

Specifiche

Altezza  

2.38mm

Lunghezza  

 6.73mm

Profondità  

 6.22mm

Package fornitore  

 DPAK

Montaggio  

 Per montaggio superficiale

Pin Count  

 3

Numero uscite  

 1

Funzione  

 LDO

Tensione uscita  

 5V

Tipo uscita  

 Fisso

Corrente uscita massima  

 0.8A

Tensione massima in ingresso  

 20V

Corrente massima di riposo  

 20mA

Giunzione ambiente  

 92°C/W

Giunzione to Case  

 6°C/W

Polarità  

 Positiva

Precisione  

 1%

Regolazione di carico  

 0.5%

Regolazione linea  

 0.3%

Temperatura massima  

 125°C

Temperatura minima  

 -40°C

A differenza della scheda Arduino 2009, la UNO ha un suo regolatore in grado di fornire la tensione di 3.3V, il regolatore di tipo fisso utilizzato è l’integrato IC2 tipo LP2985-33DBVR in grado di garantire una tensione in uscita +3.3V con una tensione di drop-out molto bassa e una corrente d’uscita di 150mA.

U2 LP2985-33 - 150-mA LOW-NOISE LOW-DROPOUT REGULATOR WITH SHUTDOWN


Codice RS - 652-0033
Piedinatura Datasheet Foto dell'integrato

Specifiche

Altezza  

1.02mm

Lunghezza  

2.92mm

Profondità  

1.6mm

Corrente di riposo tipica  

0.065mA

Corrente uscita massima  

0.35A

Funzione  

LDO

Giunzione ambiente  

220°C/W

Montaggio  

Per montaggio superficiale

Numero uscite  

1

Package fornitore  

SOT-23

Pin Count  

5

Polarità  

Positiva

Precisione  

2.5%

Regolazione linea  

0.014% /V

Temperatura massima  

125°C

Temperatura minima  

-40°C

Tensione ingresso minima  

2.5V

Tensione massima in ingresso  

16V

Tensione uscita  

3.3V

Tipo uscita  

Fisso

Nel circuito è presente il diodo D1, tipo D7 con funzione di protezione dall’inversione di alimentazione, il diodo garantisce il passaggio di una corrente di 1A.

4007-SMD diodo rettificatore 1A


Codice RS - 545-2478P
Piedinatura Datasheet Foto

Specifiche

Altezza

 2mm

Lunghezza

 4.32mm

Profondità

 2.6mm

Montaggio

 Per montaggio superficiale

Tipo

 Raddrizzatore a recupero standard

Configurazione

 Singolo

Corrente di picco inversa

 10μA

Corrente massima forward

 1A

Corrente sorgente di picco

 30A

Package fornitore

 SMA

Temperatura massima

 175°C

Temperatura minima

 - 55°C

Tensione di picco

 1.18V

Tensione di picco inversa ripetitiva

 1000V

Tutte le tensioni sono disponibili sui pin del connettore POWER

<Vin; restituisce la tensione applicata dall'alimentatore al plug e può essere usato per alimentare altri circuiti che dispongano già di un regolatore di tensione (ad esempio gli shield applicati al modulo);

<GND; è il contatto di massa (GND).

<5 V; fornisce i 5 volt prelevati dall'uscita del regolatore interno ed è utile per alimentare altri circuiti compatibili con i 5 volt;

<3.3V; questo pin fornisce i 3,3 volt ricavati dal regolatore corrispondente e consente di alimentare circuiti compatibili con tensioni di 3,3 volt (la massima corrente prelevabile e di 150 mA);

Connettore POWER

 

Interfaccia seriale

Per l’interfaccia seriale come già detto nell’introduzione, la scheda Arduino UNO non utilizza un chip FTDI (il FT232RL) per convertire i segnali da USB a TTL e viceversa.   È invece utilizzato un microcontrollore ATmega8U2 in cui è integrato un transceiver USB liberamente programmabile.


Schema elettrico della sezione interfaccia.


Dettaglio zona interfaccia

U3 - Processore ATmega8U 8-bit Microcontroller with USB controller

Codice RS - 715-3811

Piedinatura Datasheet Foto dell'integrato

Specifiche

Altezza  

 1.05mm

Lunghezza  

 7mm

Profondità  

 7mm

Montaggio  

 Per montaggio superficiale

Pin Count  

 32

Package fornitore  

 LQFP

Funzione  

 Microcontrollore

Famiglia  

 ATmega

Architettura set istruzioni  

 RISC

Clock rate massimo  

 16MHz

Device Core  

 AVR

Dimensione memoria  

 8KB

Dimensione RAM  

 512Byte

Larghezza bus dati  

 8Bit

Numero I/O programmabili  

 22

Numero timers  

 2

SPI  

 1

Temperatura massima  

 85°C

Temperatura minima  

 -40°C

Tensione alimentazione massima  

 5.5V

Tensione minima di funzionamento  

 2.7V

Tensione tipica di funzionamento  

 3.3, 5V

Tipo interfaccia  

 SPI/USART/USB

Tipo memoria  

 Flash

USART  

 1

USB  

 1

Velocità massima  

 16MHz

In questo modo a differenza del chip della FDTI, per il quale era necessario installare appositi driver, con I'utilizzo dell'integrato ATmega8U2 ciò non è più necessario, perché sono usati i driver comuni della periferica USB già disponibili con il sistema operativo.  La presenza del connettore ICSP1 permette agli utenti avanzati di riprogrammare il processore, trasformando la scheda Arduino UNO in un diverso tipo di dispositivo USB.      Per esempio si potrà usare la scheda come tastiera, mouse, disco driver o come un'interfaccia MIDI, ecc     Il clock del processore è fornito di quarzo da 16 MHz Q1

Processore

Come visibile nello schema, il cuore della scheda Arduino UNO è rappresentato, come nella precedente scheda Arduino 2009, dal processore ATMEGA328  un microcontrollore ad alte prestazioni con bus a 8 bit prodotto dalla Atmel con architettura di tipo RISC (acronimo di Reduced Instruction Set Computer) le caratteristiche salienti di questo processore sono:

< Memoria flash da 32KB ISP con possibilità di lettura/scrittura

< Memoria EEPROM da 1KB

< Memoria SRAM da 2KB.

< 23 porte general purpose di I / O

< 32 registri di lavoro general purpose

< Tre flessibili timer / contatori con modalità di confronto

< Possibilità d’interrupts esterni e interni

< Una seriale USART programmabile,

< Un’interfaccia seriale a 2fili compatibile I2C

< Una porta SPI seriale

< 6 convertitori A / D a 10-bit

< Timer watchdog programmabile con oscillatore interno

< Cinque modalità di risparmio energetico selezionabili via software.

< Tensione di funzionamento compresa tra 1,8-5,5 volt.


Dettaglio sezione processore ATMaga328

IC1 - Processore ATmega328 8-bit Microcontroller with 32K Bytes In-System Programmable Flash

Codice RS - 696-2260

Piedinatura Datasheet Foto dell'integrato

Specifiche

Altezza  

3.28mm

Lunghezza  

37.4mm

Profondità  

6.76mm

Montaggio  

Foro passante

Package fornitore  

PDIP

Pin Count  

28

Architettura set istruzioni  

RISC

Clock rate massimo  

20MHz

Device Core  

AVR

Dimensione memoria  

32KB

Dimensione RAM  

2KB

Famiglia  

ATmega

Funzione  

Microcontrollore

Larghezza bus dati  

8Bit

Numero I/O programmabili  

23

ADC On-Chip  

6-chx10-bit

Numero timers  

3

SPI  

1

Temperatura massima  

85°C

Temperatura minima  

-40°C

Tensione alimentazione massima  

5.5V

Tensione minima di funziomanento

1.8V

Tensione tipica di funzionamento  

2.5, 3.3, 5V

Tipo interfaccia  

2 fili/I2S/SPI

Tipo memoria  

Flash

USART  

1

Velocità massima  

20MHz

La memoria

Il microcontrollore ATmega328 dispone di 32 kB di memoria di programma, della quale 0,5 kB sono usati per il bootloader, abbiamo poi di 2 kB di SRAM (Static Random Access Memory) ed 1 kB di EEPROM che possiamo leggere o scrivere utilizzando la EEPROM library.

Pin d’ingresso e uscita.

Pin digitali

Ciascuno dei 14 pin digitali presenti sulla Arduino UNO può essere utilizzato indifferentemente come un ingresso o un'uscita, utilizzando le funzioni

pinMode(), digitalWrite(), e digitalRead().

Le uscite operano a 5 volt e ogni pin può fornire o ricevere un massimo di 40 mA ed è dotato di una resistenza pull-up (sconnessa di default) del valore di 20-50 kΏ.
Inoltre, alcuni pin hanno funzioni specializzate:


Connettore Pin Digitali

< Pin: 0 (RX) e 1 (TX): possono essere utilizzati per ricezione (RX) e trasmissione (TX) dei dati seriali TTL. Questi sono collegati ai pin corrispondenti della porta USB-TTL del processore ATmega8U2.

< Pin 2 e 3: possono essere configurati come trigger per eventi esterni, come ad esempio il rilevamento di un fronte di salita o di discesa di un segnale in ingresso.

< Pin 3, 5, 6, 9, 10 e 11: possono essere configurati via software con la funzione analogWrite() per generare segnali PWM con risoluzione di 8 bit. Tramite un semplice filtro RC è possibile ottenere tensioni continue di valore variabile.

< Pin 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): possono essere programmati per realizzare una comunicazione SPI, utilizza un’apposita libreria SPI.

< Pin 13 è connesso a un LED interno alla scheda, utile per segnalazioni di diagnostica. Quando il livello del pin è HIGH, il LED è acceso, quando il livello del pin è LOW, è spento.

Pin Analogici

La Uno ha 6 ingressi analogici, etichettati da A0 ad A5, ognuno dei quali fornisce 10 bit di risoluzione (in pratica 1024 valori diversi). Per impostazione predefinita possono misurare una tensione di 5V riferita a massa, anche se è possibile cambiare l'estremità superiore del loro intervallo utilizzando il pin AREF e la funzione analogReference().
Inoltre, come per i pin digitali alcuni piedini hanno funzionalità specifiche:


Connettore Pin Analogici

I pin A4 (SDA) e A5 (SCL). permettono di realizzare una comunicazione nello standard I2C a due fili, in abbinamento alla libreria Wire

Pin con funzioni specifiche

Alcuni pin presenti sulla scheda hanno funzioni speciali, questi sono:

< AREF. Tensione di riferimento per gli ingressi analogici. Utilizzato con analogReference().

< Reset. Portando questa linea a livello basso permette di resettare il microcontrollore.  Generalmente utilizzato per aggiungere un pulsante di reset sugli shields esterni.  La funzione corrispondente può essere attivata anche tramite il pulsante presente sulla scheda Arduino.

 

Elenco revisioni
29/11/2010 Emissione preliminare