如何為你的開發板客製化擴充板

八月 24, 2015
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Arduino等開發板格外適用於電子專題,但使用者總要設法連接外部元件和開發板,雖說可以交給跳線來完成,但電線太多也是自找麻煩,最佳解決方法就是採用擴充板。擴充板是一種電路板,直接以排針連接微處理器的部分(或所有)排針。
擴充板是連接所有外部元件的簡易方法,可控制馬達、繼電器、LED燈泡等,你甚至可以利用原型擴充板,直接在電路板打造整個原型電路。

在這項專題中,我會介紹如何為開發板製作擴充板。

步驟一:選擇排針

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  • 擴充板一律以排針連接開發板,擴充板最常用的兩種排針,一是可斷開公針,二是可堆疊母針。
  • 可堆疊母針特別加長,如果想在擴充板上面堆疊其他擴充板時,或者暫時以跳線連接開發板時,皆可派上用場。我個人購自Adafruit,他們有一組可堆疊母針,適用於一般的Arduino開發板。
  • 其他情況大多使用可斷開公針,這種小體積的連接器,可直接焊於開發板的頂部或底部。

步驟二:選擇電路板

大多數電路板都適合製作擴充板,其中以雙面板最方便使用,雙面都有刻槽,你可以視情況決定連接任一面。如果買不到雙面板,通常會拿兩塊單面板代替,背對背疊在一起使用,達到雙面皆宜的效果,缺點是比較佔空間,我個人偏好洞洞板,可以自行連接電路。

步驟三:製作原型擴充板

  • 原型擴充板是最基本的擴充板,主要是電路板和一組排針所構成。
  • 把排針焊到電路板之前,只要稍做調整。Arduino的排針孔通常間隔0.1吋,但排針7和8之間並非如此,間隔可能稍微小一點,所以你必須輕彎這兩根排針,讓頂部適合洞洞板0.1的間距,底部適合Arduino比較小的間距。若是公針的話,你會彎曲每根排針的頂部,若換成可堆疊母針,你會彎曲排針的底部。 我建議焊接前先插看看,以確保一個蘿蔔一個坑。
  • 原型擴充板完成後,你可以添加其他元件,或者製作任何你想要的電路。

步驟四:製作繼電器的擴充板

製作基本繼電器擴充板,你必須先有原型擴充板,再來添加下列元件:

  • 5V繼電器
  • 二極體
  • NPN電晶體
  • 1kohm電阻器
  • 100ohm 電阻器
  • LED燈泡
  • 螺絲端子連接器
  • 跳線

繼電器的線圈兩端,分別連接電晶體的集極和Arduino的5V接頭。二極體平行連接繼電器的線圈,陰極連接Arduino的5V接頭。LED燈泡和電阻器也平行連接繼電器的線圈,LED燈泡可顯示繼電器何時啟動。電晶體的射極連接Arduino的GND接頭。電晶體的基極透過1kohm電阻器,連接其中一個數位接頭。最後,繼電器的開關接線端子連接螺絲端子,以便暫時連接繼電器開關。

步驟五:製作伺服機的擴充板

  • 製作伺服機的擴充板,依然要有原型擴充板,再來添加排針連接器、跳線和電源連接器。
  • 為了驅動伺服機,你必須按照下列步驟連接電線。紅色電線連接電源正極。黑色(或棕色)電線接地。第三條電線可能是白色、橘色、黃色、藍色或黑色,無論如何都是屬於信號線,必須連接其中一個數位接頭。
  • 至於低電壓的伺服機,可直接採用Arduino的馬達,但Arduino最大電壓只有200mA。若要控制多個伺服機,又若馬達需要大量電流,你就必須外接電源,例如外接電池組。若伺服機需要6V電壓,最簡單的方法就是外接4顆AA電池組,電池組必須連接Arduino的Vin接頭和GND接頭,這個電池組亦可供電給Arduino。
  • 現在我們要加上排針,即將連接伺服機。我在電路板的數位接頭連接器下方安裝三組排針。第一組排針以焊珠連接到旁邊的數位接頭連接器。下一組排針對應伺服機的正線或接地線,以跳線連接排針和Vin接頭(GND接頭亦可),第三組排針如法炮製,連接到Vin接頭或GND接頭。
  • 若有多個伺服機,你會希望正極引線彼此連接,接地線彼此連接。為了達到這個目標,可利用焊珠連接周圍端子。若你覺得排針之間太窄,難以使用焊鐵,不妨把尾針往下壓,焊接中間排針時就有更大空間,等到焊接完成以後,再把尾針推至原來的高度。
  • 現在可以連接伺服機了!光憑這種基礎的設計,一般的Arduino即可控制多達12個伺服機。

步驟六:製作馬達速度控制器的擴充板

我們最後要製作馬達速度控制器的擴充板,你需要下列元件:

  • 直流馬達
  • NPN功率電晶體
  • 二極體
  • 1 kohm 電阻器
  • 跳線
  • 電池連接器
  • 螺絲端子連接器
  • LED燈泡(可有可無)
  • 1 kohm電阻器(可有可無)

  1. 最簡單的速度控制器,採用脈波寬度調變(PWM)訊號,Arduino的任何PWM接頭皆可以產生這種訊號,只可惜數位接頭的最大電壓輸出僅40mA,不足以驅動大多數馬達,所以我們必須採用外部電源,例如外接電池組。
  2. 當你採用外部電源,你也必須有功率電晶體。ArduinoPWM接頭連接NPN電晶體的基極,你就能夠透過Arduino的訊號來控制馬達。
  3. 除了電晶體以外,你也需要電阻器,來控制通往電晶體基極的電流。你也需要加上二極體,跟馬達保持平行,以免馬達關閉時Ardhuino面臨峰值電壓。
  4. 你也可以加上LED燈泡,跟馬達平行,以顯示速度設定,我的擴充板就有這個設計。
  5. 首先,連接電池組連接器的正極和Vin接頭旁邊的電路板,然後焊接電線尾端和Vin接頭,連接電池連接器的負極和GDN接頭旁邊的電路板,最後兩者再彼此連接。
  6. 接著,把電晶體安裝到電路板上,連接射極和ArduinoGND接頭。
  7. 加上跳線,以連接這些排針和螺絲端子連接器其中一個接頭。以1 Kohm電阻器連接基極和Arduino的其中一個PWM接頭。最後以跳線連接集極和螺絲端子連接器的其中一端,螺絲端子連接器另一端則回頭連接Vin接頭。
  8. 若想加上LED顯示功能,LED燈泡兩端分別連接PWMGND。目前連接電晶體基極的PWM端子,連接電阻器的一端,電阻器另一端連接LED燈泡的正極,LED燈泡的陰極則連接GND接頭。
  9. 馬達速度控制器的擴充板大功告成!最後只要連接馬達和螺絲端子連接器即可,以類比寫入(analogWrite)指令傳送PWM訊號給馬達,就可以控制馬達的轉速。


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JASON POEL SMITH
我叫做Jason Poel Smith,工程學學士學位,一半機械工程,一半電子工程。我待過各行各業,包含水壓式高空作業車、飛機工具等。目前大多數的時間,我都在跟我的新玩具玩耍。空閒時,我會創作How-to系列連載〈DIY Hacks and How Tos〉。

(譯:謝明珊)
[原文]


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