Πώς να χρησιμοποιήσετε το Tinkercad για να δοκιμάσετε και να υλοποιήσετε το υλικό σας: 5 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Η προσομοίωση κυκλώματος είναι μια τεχνική όπου το λογισμικό υπολογιστή προσομοιώνει τη συμπεριφορά ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος ή συστήματος. Τα νέα σχέδια μπορούν να δοκιμαστούν, να αξιολογηθούν και να διαγνωστούν χωρίς να κατασκευαστεί πραγματικά το κύκλωμα ή το σύστημα. Η προσομοίωση κυκλώματος μπορεί να είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για την αντιμετώπιση προβλημάτων ενός συστήματος για τη συλλογή δεδομένων πριν από την πραγματική αντιμετώπιση προβλημάτων σε επίπεδο κυκλώματος. Αυτό επιτρέπει στον σχεδιαστή να καθορίσει την ορθότητα και την αποτελεσματικότητα ενός σχεδίου πριν από την πραγματική κατασκευή του συστήματος. Κατά συνέπεια, ο χρήστης μπορεί να διερευνήσει τα πλεονεκτήματα των εναλλακτικών σχεδίων χωρίς πραγματικά να κατασκευάσει φυσικά τα συστήματα. Διερευνώντας τα αποτελέσματα συγκεκριμένων αποφάσεων σχεδιασμού κατά τη φάση του σχεδιασμού και όχι της φάσης κατασκευής, το συνολικό κόστος κατασκευής του συστήματος μειώνεται σημαντικά.

Έτσι, η προσομοίωση λογισμικού είναι ένας καλός τρόπος για να δοκιμάσετε πριν κάνετε το κύκλωμα φυσικά. Το Tinkercad είναι ένα διαδικτυακό εργαλείο προσομοίωσης που θα σας βοηθήσει να δοκιμάσετε το υλικό και το λογισμικό σας χωρίς να κάνετε καμία φυσική σύνδεση ή ακόμα και χωρίς να αγοράσετε υλικό.

Έχετε νιώσει ποτέ την έλλειψη ακίδων εισόδου-εξόδου στο Arduino; Εάν σκεφτήκατε να οδηγήσετε τόνους LED ή θέλετε να φτιάξετε κύβο LED νομίζω ότι σίγουρα αισθανθήκατε την ανάγκη για καρφίτσες εισόδου/εξόδου. Γνωρίζετε ότι μπορείτε να οδηγήσετε απεριόριστο αριθμό LED χρησιμοποιώντας μόνο 3 ακίδες Arduino; Ναι, τα καταχωρητικά βάρδιας θα σας βοηθήσουν να κάνετε αυτό το μαγικό. Σε αυτό το διδακτικό, θα σας δείξω πώς μπορούμε να εφαρμόσουμε απεριόριστη είσοδο και έξοδο χρησιμοποιώντας καταχωρητές βάρδιας 74HC595. Για παράδειγμα, θα φτιάξω ένα ψηφιακό ρολόι με θερμόμετρο και μετρητή lux χρησιμοποιώντας έξι οθόνες 7 τμημάτων. Πριν κάνω τελικά το κύκλωμα υλικού, προσομοίωσα το κύκλωμα στο Tinkercad, επειδή με αυτά συνδέονται πολλές συνδέσεις. Μια προσομοίωση μπορεί να σας κάνει πιο σίγουρους και μπορείτε να δοκιμάσετε να ολοκληρώσετε το κύκλωμά σας χωρίς καμία φυσική δοκιμή και λάθος. Προφανώς, θα σας βοηθήσει να εξοικονομήσετε δαπανηρό υλικό και πολύτιμο χρόνο.

Μπορείτε να αποκτήσετε πρόσβαση στην προσομοίωση από εδώ:

Βήμα 1: Αποθηκεύστε το υλικό σας από την καύση

Όπως και άλλα ηλεκτρονικά κυκλώματα, τα κυκλώματα LED είναι πολύ ευαίσθητα στο ρεύμα. Το LED καίγεται εάν ρέει περισσότερο ρεύμα από το ονομαστικό ρεύμα (π.χ. 20mA). Η επιλογή της κατάλληλης αντίστασης είναι πολύ σημαντική για τη σωστή φωτεινότητα χωρίς να καούν τα κυκλώματα ή τα LED.

Τα κυκλώματα Tinkercad έχουν ένα εξαιρετικό χαρακτηριστικό. Σας δείχνει εάν περισσότερο από το ονομαστικό ρεύμα ρέει μέσω των στοιχείων του κυκλώματος. Στο ακόλουθο κύκλωμα, συνέδεσα μια οθόνη επτά τμημάτων απευθείας σε έναν καταχωρητή αλλαγής χωρίς καμία αντίσταση. Δεν είναι ασφαλές για τον καταχωρητή ακόμη και για την οθόνη επτά τμημάτων και και τα δύο μπορούν να καούν από αυτήν τη σύνδεση. Το Tinkercad δείχνει το γεγονός από τα κόκκινα αστέρια.

Στο ακόλουθο κύκλωμα, πρόσθεσα μία αντίσταση 180 ohm σε κάθε τμήμα του LED. Περίπου 14,5mA ρεύμα ρέει μέσω κάθε τμήματος της οθόνης που είναι αποθηκευμένο για την οθόνη. Αλλά από την προσομοίωση, φαίνεται ότι αυτή η τιμή αντίστασης δεν είναι ασφαλής για το IC. Η μέγιστη ισχύς του καταχωρητή βάρδιας είναι 50mA. Έτσι, το IC είναι ασφαλές έως τρία στο τμήμα της οθόνης (14,5 x 3 = 43,5mA). Εάν πάνω από τρία τμήματα γίνουν στο IC μπορεί να καεί (π.χ. 14,5 x 4 = 58mA). Οι περισσότεροι κατασκευαστές δεν δίνουν προσοχή σε αυτό το γεγονός. Υπολογίζουν την τιμή της αντίστασης λαμβάνοντας υπόψη μόνο την οθόνη.

Αλλά αν προσομοιώσουν το κύκλωμα στο Tinkercad, η πιθανότητα να γίνει αυτό το λάθος πηγαίνει στο μηδέν. Γιατί το Tinkercad θα σας ειδοποιήσει δείχνοντας το κόκκινο αστέρι.

Μπορείτε να παρατηρήσετε την κατάσταση όταν τοποθετείτε τον δείκτη του ποντικιού στο αστέρι, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Ο παρακάτω σχεδιασμός είναι τέλειος όταν επιλέγω αντίσταση 470 ohm για κάθε τμήμα της οθόνης. Το συνημμένο σκίτσο Arduino χρησιμοποιήθηκε κατά την προσομοίωση του κυκλώματος.

Βήμα 2: Μετρήστε την τάση, το ρεύμα, την αντίσταση και το σχήμα κύματος

Η μέτρηση ρεύματος και τάσης είναι μεγάλη ταλαιπωρία για το ηλεκτρονικό κύκλωμα, απαιτούνται πολλαπλές παράλληλες μετρήσεις. Η προσομοίωση Tinkercad μπορεί να λύσει αυτό το πρόβλημα πολύ εύκολα. Μπορείτε να μετρήσετε την τρέχουσα τάση και αντίσταση πολύ εύκολα. Μπορείτε να το κάνετε αυτό για πολλούς κλάδους ταυτόχρονα. Η παρακάτω ρύθμιση δείχνει το συνολικό ρεύμα και την τάση του κυκλώματος.

Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε έναν παλμογράφο για την παρατήρηση του σχήματος κύματος και τη μέτρηση της συχνότητας.

Στην παραπάνω ρύθμιση παλμογράφο που δείχνει το σήμα του ρολογιού από το Arduino. Μπορείτε επίσης να μετρήσετε το ρεύμα και την τάση πολλαπλών κλάδων κάθε φορά που είναι πολύ αποτελεσματικό. Εάν θέλετε να μετρήσετε ρεύμα πολλαπλών διακλαδώσεων ταυτόχρονα χρησιμοποιώντας πολύμετρο από ένα πρακτικό κύκλωμα, θα είναι πολύ δύσκολο. Αλλά στο Tinkercad μπορείτε να το κάνετε πολύ εύκολα. Στο παρακάτω κύκλωμα, χρησιμοποίησα πολλαπλά αμπερόμετρα για να μετρήσω το ρεύμα από διαφορετικούς κλάδους.

Βήμα 3: Γραφή προγράμματος & Χρήση σειριακής οθόνης

Ένα από τα ενδιαφέροντα και χρήσιμα χαρακτηριστικά του κυκλώματος Tinkercad είναι ότι διαθέτει επεξεργαστή κώδικα και μπορείτε να γράψετε ένα πρόγραμμα για Arduino και ESP8266 απευθείας από το περιβάλλον του. Μπορείτε επίσης να αναπτύξετε ένα πρόγραμμα χρησιμοποιώντας γραφικό περιβάλλον επιλέγοντας Λειτουργία αποκλεισμού. Είναι πολύ χρήσιμο για τον κατασκευαστή και τους χομπίστες που δεν έχουν εμπειρία προγραμματισμού.

Διαθέτει επίσης ενσωματωμένο πρόγραμμα εντοπισμού σφαλμάτων από όπου μπορείτε να εντοπίσετε σφάλματα στον κώδικά σας. Το πρόγραμμα εντοπισμού σφαλμάτων θα σας βοηθήσει να εντοπίσετε το σφάλμα (σφάλμα) στον κώδικά σας και να το διορθώσετε (εντοπίσετε σφάλμα).

Το κύκλωμα Tinkercad διαθέτει επίσης σειριακή οθόνη και μπορείτε να παρακολουθείτε την τιμή του αισθητήρα και να εντοπίζετε σφάλματα στο κύκλωμά σας πολύ εύκολα. Το ακόλουθο κύκλωμα χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο PIR & αισθητήρα υπερήχων και για τη = εξυπηρέτηση των δεδομένων σε σειριακή οθόνη.

Μπορείτε να αποκτήσετε πρόσβαση στο κύκλωμα από τον σύνδεσμο:

Βήμα 4: Προσομοίωση μεγάλου και σύνθετου κυκλώματος (ρολόι με θερμόμετρο & μετρητή Lux)

Στο Tinkercad μπορείτε να προσομοιώσετε οποιοδήποτε περίπλοκο κύκλωμα πριν το κάνετε πρακτικά. Μπορεί να σας εξοικονομήσει πολύτιμο χρόνο. Η πιθανότητα να κάνετε λάθος σε ένα πολύπλοκο κύκλωμα είναι πολύ μεγάλη. Εάν το δοκιμάσετε πρώτα στο Tinkercad, μπορεί να είναι πολύ αποτελεσματικό επειδή γνωρίζετε ότι το κύκλωμα και το πρόγραμμά σας θα λειτουργήσουν ή όχι. Από το αποτέλεσμα, μπορείτε επίσης να τροποποιήσετε και να ενημερώσετε το κύκλωμά σας σύμφωνα με τις απαιτήσεις σας.

Έχω προσομοιώσει ένα περίπλοκο κύκλωμα στο Tinkercad και είναι ένα κύκλωμα ρολογιού με θερμόμετρο και μετρητή lux. Το κύκλωμα τροφοδοτείται από μπαταρία 9V με ρυθμιστή 5V. Η οθόνη έξι, επτά τμημάτων χρησιμοποιείται για την εμφάνιση της ώρας με ώρα, λεπτό και δευτερόλεπτο. Τέσσερα κουμπιά που χρησιμοποιούν μία αναλογική είσοδο χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση της ώρας. Ένας βομβητής είναι συνδεδεμένος για να ρυθμίσετε το ξυπνητήρι. Το LM35 IC χρησιμοποιείται για να δείξει την αίσθηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος. Ένας αισθητήρας φωτισμού περιβάλλοντος χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του lux.

Ένας ψηφιακός διακόπτης κουμπιού χρησιμοποιείται στην καρφίτσα Arduino #7. Αυτός ο διακόπτης κουμπιού χρησιμοποιείται για την αλλαγή της επιλογής. Από προεπιλογή, εμφανίζει την ώρα ή λειτουργεί σε λειτουργία ρολογιού. Για το πρώτο πάτημα, δείχνει θερμοκρασία και δείχνει επίπεδο lux για το δεύτερο πάτημα.

Βήμα 5: Εφαρμογή με υλικό

Αφού προσομοιώσετε το κύκλωμα και ρυθμίσετε το πρόγραμμα και την αντίσταση, εκτιμήστε τον τέλειο χρόνο για να εφαρμόσετε το κύκλωμα πρακτικά. Ένα πρακτικό κύκλωμα μπορεί να εφαρμοστεί στο breadboard εάν θέλετε να φτιάξετε ένα πρωτότυπο για προβολή κάπου. Το κύκλωμα ψωμιού έχει ορισμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Το κύριο πλεονέκτημα του κυκλώματος του breadboard είναι ότι μπορεί να τροποποιηθεί εύκολα και δεν απαιτείται συγκόλληση για αυτό. Από την άλλη πλευρά, η σύνδεση του κυκλώματος του breadboard μπορεί να χαλαρώσει πολύ εύκολα και είναι πολύ δύσκολο να προσδιοριστεί για ένα πολύπλοκο κύκλωμα.

Αν θέλετε να το κάνετε για πρακτική χρήση, το καλύτερο είναι το συγκολλημένο κύκλωμα PCB. Μπορείτε να φτιάξετε το δικό σας κύκλωμα PCB στο σπίτι πολύ εύκολα. Δεν απαιτούνται ειδικά εργαλεία για αυτό. Αν θέλετε να μάθετε για το DIY PCB, μπορείτε να ακολουθήσετε αυτά τα ωραία οδηγίες.

1. Σπιτικό PCB βήμα προς βήμα με επαναφόρτωση.

2. Οδηγός κατασκευής PCB από pinomelean

Μπορείτε επίσης να παραγγείλετε online για επαγγελματικό PCB. Διάφοροι κατασκευαστές παρέχουν υπηρεσία εκτύπωσης PCB σε πολύ χαμηλή τιμή. Το SeeedStudio Fusion PCB και το JLCPCB είναι δύο πιο εξέχοντες πάροχοι υπηρεσιών. Μπορείτε να δοκιμάσετε ένα από αυτά.

[Σημείωση: Ορισμένες εικόνες συλλέγονται από το διαδίκτυο.]

Δεύτερο Βραβείο στην Πρόκληση Συμβουλών και Συμβουλών Ηλεκτρονικής