Sensor Raspberry Pi

Dalam artikel ini, oleh Rushi Gajjar , penulis buku Raspberry Pi Sensors, Anda akan melihat persyaratan dasar yang diperlukan untuk membuat project RasPi. Anda tidak dapat menghabiskan satu hari pun tanpa elektronik, bukan? Elektronik ada di mana-mana, dari sikat gigi Anda hingga mobil dan di pesawat terbang dan juga pesawat luar angkasa. Artikel ini akan membantu Anda memahami konsep elektronik yang bisa sangat berguna saat bekerja dengan RasPi.

Anda mungkin telah membaca banyak buku yang berhubungan dengan elektronik, dan mereka mungkin membuat Anda bosan dengan konsep ketika Anda benar-benar ingin membuat atau membangun proyek. Saya percaya bahwa pasti ada alasan untuk penjelasan yang diberikan tentang elektronik dan aplikasinya.

Setelah Anda mengetahui tentang elektronik, kami akan membahas protokol komunikasi dan penggunaannya sehubungan dengan komunikasi antar komponen elektronik dan berbagai teknik untuk melakukannya. Kiat dan tindakan pencegahan yang berguna dicantumkan sebelum mulai bekerja dengan GPIO di RasPi. Kemudian, Anda akan memahami fungsionalitas GPIO dan mengedipkan LED menggunakan kode shell, Python, dan C.

Mari kita bahas beberapa dasar elektronik.

(Untuk sumber daya lainnya yang terkait dengan topik ini, lihat di sini.)

Terminologi dasar elektronik

Ada banyak istilah yang digunakan dalam dunia elektronik. Dari perangkat keras hingga perangkat lunak, ada jutaan konsep yang digunakan untuk membuat produk dan proyek yang menakjubkan. Anda sudah tahu bahwa RasPi adalah komputer papan tunggal yang berisi banyak komponen elektronik bawaan, yang membuat kami sangat nyaman untuk mengontrol dan menghubungkan berbagai perangkat elektronik yang terhubung melalui port GPIO-nya. Secara umum, ketika kita berbicara tentang elektronik, itu hanya perangkat keras atau sirkuit yang terdiri dari beberapa Sirkuit Terpadu (IC ) dengan berbagai resistor, kapasitor, induktor, dan banyak lagi komponen lainnya. Tapi kasusnya tidak selalu begitu; ketika kita membangun perangkat keras kita dengan IC yang dapat diprogram, kita juga perlu mengurus pemrograman internal (perangkat lunak). Misalnya, dalam mikrokontroler atau mikroprosesor, atau bahkan dalam kasus RasPi, kita dapat memasukkan program (secara teknis, secara permanen membakar/membuang program) ke dalam IC sehingga ketika IC dihidupkan, mengikuti langkah-langkah yang tertulis dalam program dan berperilaku seperti yang kita inginkan. Beginilah cara kerja robot, mesin cuci, dan peralatan rumah tangga lainnya. Semua peralatan ini memiliki kompleksitas desain yang berbeda, yang bergantung pada aplikasinya. Ada beberapa fungsi, yang dapat dilakukan oleh perangkat lunak dan perangkat keras. Perancang harus menganalisis trade-off dengan bereksperimen pada keduanya; misalnya, fungsi decoder dapat ditulis dalam perangkat lunak dan juga dapat diimplementasikan pada perangkat keras dengan menghubungkan IC logis. Pengembang harus menganalisis kecepatan, ukuran (baik perangkat keras maupun perangkat lunak), kompleksitas, dan banyak lagi parameter lainnya untuk merancang fungsi semacam ini. Inti dari pembahasan teori-teori ini adalah untuk mendapatkan gambaran tentang betapa rumitnya elektronika. Sangat penting bagi Anda untuk mengetahui terminologi ini karena Anda akan sering membutuhkannya saat membangun proyek RasPi.

Siapa yang menemukan tegangan? Oke, itu tidak penting sekarang, mari kita pahami dulu. Konsep dasarnya mengikuti fisika di balik aliran air. Air dapat mengalir dalam dua cara; satu adalah air terjun (misalnya, dari puncak gunung ke tanah) dan yang kedua adalah aliran kuat menggunakan pompa air. Konsep di balik pemahaman tegangan serupa. Tegangan adalah perbedaan potensial antara dua titik, yang berarti bahwa perbedaan tegangan memungkinkan aliran muatan (elektron) dari potensial yang lebih tinggi ke potensial yang lebih rendah. Untuk memahami contoh sebelumnya, pertimbangkan petir, yang dapat dibandingkan dengan air terjun, dan baterai, yang dapat dibandingkan dengan pompa air. Ketika baterai dihubungkan ke sirkuit, reaksi kimia di dalamnya memompa aliran muatan dari terminal positif ke terminal negatif. Tegangan selalu disebutkan dalam volt (V). Sel baterai AA biasanya memasok 3V. Omong-omong, istilah voltase diambil dari nama ilmuwan besar Alessandro Volta, yang menemukan sel volta, yang kemudian dikenal sebagai sel baterai.

Arus adalah aliran muatan (elektron). Setiap kali perbedaan tegangan dibuat, hal itu menyebabkan arus mengalir dalam arah yang tetap dari terminal positif (lebih tinggi) ke terminal negatif (bawah) (dikenal sebagai arus konvensional). Arus diukur dalam ampere (A). Arus elektron mengalir dari terminal negatif baterai ke terminal positif. Untuk menghindari kebingungan, kita akan mengikuti arus konvensional, yaitu dari terminal positif ke terminal negatif baterai atau sumbernya.

Arti kata "melawan" dalam kamus Oxford adalah "mencoba menghentikan atau mencegah." Seperti yang dikatakan definisi, resistor hanya mencegah aliran arus. Ketika arus mengalir melalui resistor, ada penurunan tegangan di dalamnya. Penurunan ini secara langsung tergantung pada jumlah arus yang mengalir melalui resistor dan nilai resistansi. Ada rumus yang digunakan untuk menghitung jumlah jatuh tegangan pada resistor (atau dalam rangkaian), yang juga disebut sebagai hukum Ohm (V =I * R ). Resistansi diukur dalam ohm (Ω). Mari kita lihat bagaimana resistansi dihitung dengan contoh ini:jika resistansi adalah 10Ω dan arus yang mengalir dari resistor adalah 1A, maka jatuh tegangan pada resistor adalah 10V. Berikut adalah contoh lain:ketika kita menghubungkan LED pada catu 5V, kita menghubungkan resistor 330Ω secara seri dengan LED untuk mencegah matinya LED karena arus yang berlebihan. Resistor menjatuhkan beberapa tegangan di dalamnya dan melindungi LED. Kami akan banyak menggunakan resistor untuk mengembangkan proyek kami.

Sebuah resistor menghilangkan energi dalam bentuk panas. Berbeda dengan itu, kapasitor menyimpan energi di antara dua pelat konduktifnya. Seringkali, kapasitor digunakan untuk menyaring tegangan yang disuplai dalam rangkaian filter dan untuk menghasilkan suara yang jernih di rangkaian penguat. Menjelaskan konsep kapasitansi akan terlalu berat untuk artikel ini, jadi izinkan saya sampai pada poin utama:ketika kita memiliki baterai untuk menyimpan energi, mengapa kita perlu menggunakan kapasitor di sirkuit kita? Ada beberapa manfaat menggunakan kapasitor dalam suatu rangkaian. Banyak buku akan memberi tahu Anda bahwa itu bertindak sebagai filter atau penekan lonjakan arus, dan mereka akan menggunakan istilah-istilah seperti pemulusan daya, decoupling, pemblokiran DC, dan sebagainya. Dalam aplikasi kami, ketika kami menggunakan kapasitor dengan sensor, mereka menahan level tegangan selama beberapa waktu sehingga mikroprosesor memiliki cukup waktu untuk membaca nilai tegangan itu. Data sensor sangat bervariasi. Itu harus stabil selama mikroprosesor membaca nilai itu untuk menghindari perhitungan yang salah. Waktu penahanan kapasitor bergantung pada konstanta waktu RC, yang akan dijelaskan kapan kita akan benar-benar menggunakannya.

Sekarang, ada hal yang menarik untuk dicatat:ketika ada tegangan yang tersedia di terminal tetapi tidak ada komponen yang terhubung di terminal, tidak ada aliran arus, yang sering disebut rangkaian terbuka. Sebaliknya, ketika dua terminal terhubung, dengan atau tanpa komponen, dan muatan dibiarkan mengalir, hal itu disebut hubung singkat, sirkuit terhubung, atau sirkuit tertutup.

Ini peringatan untuk Anda:jangan hubung singkat (langsung sambungkan) dua terminal catu daya seperti baterai, adaptor, dan pengisi daya. Hal ini dapat menyebabkan kerusakan serius, yang meliputi kerusakan akibat kebakaran dan kegagalan komponen. Jika kita menghubungkan kawat penghantar tanpa hambatan, mari kita lihat apa yang dihasilkan oleh hukum Ohm:R =0Ω maka I =V/0, jadi I =A. Secara teori, ini disebut tak terbatas (uncountable), dan praktis, itu berarti api atau ledakan!

Dalam teori kelistrikan, ketika arus yang mengalir melalui suatu komponen tidak terbagi menjadi jalur, itu adalah sambungan seri. Juga, jika arus yang mengalir melalui setiap komponen adalah sama maka komponen tersebut dikatakan seri. Jika tegangan pada semua komponen sama, maka sambungan dikatakan paralel. Dalam suatu rangkaian, dapat terjadi kombinasi hubungan seri dan paralel. Oleh karena itu, suatu rangkaian mungkin tidak murni rangkaian seri atau paralel. Mari kita pelajari rangkaian yang ditunjukkan pada diagram berikut:

Sepintas, angka ini terlihat rumit dengan banyak notasi, tetapi mari kita lihat masing-masing komponen secara terpisah. Gambar di sebelah kiri adalah sambungan seri komponen. Baterai memasok tegangan (V ) dan saat ini (Saya ). Arah aliran arus ditunjukkan searah jarum jam. Seperti yang telah dijelaskan, pada sambungan seri, arus yang mengalir melalui setiap komponen adalah sama, tetapi nilai tegangan pada semua komponen berbeda. Oleh karena itu, V =V1 + V2 + V3 . Misalnya, jika baterai memasok 12V, maka tegangan pada setiap resistor adalah 4V. Arus yang mengalir melalui setiap resistor adalah 4 mA (karena V =IR dan R =R1 + R2 + R3 =3K ).

Gambar di sebelah kanan merupakan koneksi paralel. Di sini, masing-masing komponen mendapat tegangan yang sama tetapi arus dibagi menjadi jalur yang berbeda. Arus yang mengalir dari terminal positif baterai adalah I, yang terbagi menjadi I1 dan I2. Ketika I1 mengalir ke node berikutnya, itu lagi dibagi menjadi dua bagian dan diterbangkan melalui R5 dan R6. Oleh karena itu, pada rangkaian paralel, I =I1 + I2 . Tegangan tetap sama di semua resistor. Misalnya, jika baterai mensuplai 12V, tegangan pada semua resistor adalah 12V tetapi arus yang melalui semua resistor akan berbeda. Dalam contoh koneksi paralel, arus yang mengalir melalui setiap rangkaian dapat dihitung dengan menerapkan persamaan pembagian arus. Coba hitung!

Ketika ada kombinasi rangkaian seri dan paralel, perlu lebih banyak perhitungan dan analisis. Hukum Kirchhoff, node, dan persamaan mesh dapat digunakan untuk menyelesaikan sirkuit semacam itu. Semua itu terlalu rumit untuk dijelaskan dalam artikel ini; Anda dapat merujuk buku-buku terkait teori sirkuit standar dan mendapatkan keahlian di dalamnya.

Hukum Kirchhoff saat ini:Pada setiap simpul (persimpangan) dalam rangkaian listrik, jumlah arus yang mengalir ke simpul tersebut sama dengan jumlah arus yang mengalir keluar dari simpul tersebut.

Hukum tegangan Kirchhoff:Jumlah terarah dari perbedaan potensial listrik (tegangan) di sekitar jaringan tertutup adalah nol.

Pull-up dan pull-down resistor adalah salah satu terminologi penting dalam desain sistem elektronik. Seperti judulnya, ada dua jenis resistor penarik:pull-up dan pull-down. Keduanya memiliki fungsi yang sama, tetapi perbedaannya adalah resistor pull-up menarik terminal ke tegangan yang diberikan dan resistor pull-down menarik terminal ke ground atau jalur umum. Pentingnya menghubungkan resistor penarik ke simpul atau terminal adalah untuk mengembalikan level logika ke nilai default ketika tidak ada input pada terminal tertentu. Manfaat menyertakan resistor pull-up atau pull-down adalah membuat rangkaian rentan terhadap noise, dan level logika (1 atau 0) tidak dapat diubah dari variasi kecil dalam hal tegangan (karena noise) pada terminal. Mari kita lihat contoh yang ditunjukkan pada gambar berikut. Ini menunjukkan contoh pull-up dengan gerbang NOT (gerbang NOT memberikan output terbalik di terminal OUT-nya; oleh karena itu, jika logika satu adalah inputnya, outputnya adalah logika nol). Kami akan mempertimbangkan efek dengan dan tanpa resistor pull-up. Hal yang sama berlaku untuk resistor pull-down.

Secara umum, gerbang logika memiliki impedansi tinggi di terminal inputnya, jadi ketika tidak ada koneksi di terminal input, disebut floating. Sekarang, pada gambar sebelumnya, koneksi paling kiri tidak disarankan karena ketika sakelar terbuka (status OFF), terminal input akan mengambang dan kebisingan apa pun dapat mengubah status input gerbang NOT. Alasan kebisingan bisa apa saja. Bahkan terminal terbuka dapat bertindak sebagai antena dan dapat menimbulkan noise pada pin gerbang NOT. Rangkaian yang ditunjukkan di tengah adalah rangkaian pull-up tanpa resistor dan sangat disarankan untuk tidak menggunakannya. Koneksi semacam ini dapat disebut pull-up tetapi tidak boleh digunakan. Saat saklar ditutup (kondisi ON), VCC mendapat jalur langsung ke tanah, yang sama dengan korsleting. Arus dalam jumlah besar akan mengalir dari VCC ke ground, dan ini dapat merusak sirkuit Anda.

Gambar paling kanan menunjukkan cara terbaik untuk menarik karena ada resistor di mana beberapa penurunan tegangan akan terjadi. Saat sakelar terbuka, terminal gerbang NOT akan di-float ke VCC (ditarik ke atas), yang merupakan default. Ketika sakelar ditutup, terminal input gerbang NOT akan terhubung ke ground dan akan mengalami keadaan logika nol. Arus yang mengalir melalui resistor akan menjadi nominal kali ini. Misalnya, jika VCC =5V, R7 =1K, dan I =V/R , maka I =5mA, yang berada di daerah aman. Untuk contoh rangkaian pull-down, dapat terjadi pertukaran antara sakelar dan resistor. Resistor akan dihubungkan antara ground dan terminal input gerbang NOT. Saat menggunakan sensor dan IC, perlu diingat bahwa jika ada notasi penggunaan pull-up atau pull-down dalam lembar data atau manual teknis, disarankan untuk menggunakannya di mana pun diperlukan.

Protokol komunikasi

Sudah banyak teori sejauh ini. Ada banyak komponen, termasuk IC dan sensor digital, sebagai periferal mikroprosesor. Mungkin ada sejumlah besar data dengan perangkat periferal, dan mungkin ada kebutuhan untuk mengirimkannya ke prosesor. Bagaimana mereka berkomunikasi? Bagaimana prosesor memahami bahwa data masuk ke dalamnya dan dikirim oleh sensor? Ada serial, atau paralel, koneksi data-line antara IC dan mikroprosesor. Koneksi paralel lebih cepat daripada koneksi serial tetapi kurang disukai karena membutuhkan lebih banyak saluran, misalnya 8, 16, atau lebih dari itu. Bus PCI dapat menjadi contoh komunikasi paralel. Biasanya dalam rangkaian yang kompleks atau berkepadatan tinggi, prosesor terhubung ke banyak periferal, dan dalam hal ini, kita tidak dapat memiliki banyak pin/saluran bebas untuk menghubungkan satu IC tambahan. Komunikasi serial membutuhkan hingga empat jalur, tergantung pada protokol yang digunakan. Namun, tidak dapat dikatakan bahwa komunikasi serial lebih baik daripada paralel, tetapi serial lebih disukai ketika jumlah pin rendah. Dalam komunikasi serial, data dikirim melalui frame atau paket. Data besar dipecah menjadi potongan-potongan dan dikirim melalui garis oleh bingkai atau paket. Sekarang, apa itu protokol? Protokol adalah seperangkat aturan yang harus diikuti saat menghubungkan IC ke mikroprosesor, dan itu tidak terbatas pada koneksi. Protokol juga mendefinisikan struktur bingkai data, panjang bingkai, level tegangan, tipe data, kecepatan data, dan sebagainya. Ada banyak protokol serial standar seperti UART, FireWire, Ethernet, SPI, I2C, dan banyak lagi. Model RasPi 1 B, A+, B+, dan RasPi 2 model B memiliki satu pin SPI, satu pin I2C, dan satu pin UART yang tersedia di port ekspansi. Kita akan melihat protokol ini satu per satu.

UART adalah antarmuka, atau protokol yang sangat umum, yang ditemukan di hampir setiap PC atau mikroprosesor. UART adalah singkatan dari Universal Asynchronous Receiver and Transmitter. Ini juga dikenal sebagai standar RS-232. Protokol ini adalah full-duplex dan standar yang lengkap, termasuk karakteristik listrik, mekanik, dan fisik untuk contoh komunikasi tertentu. Ketika data dikirim melalui bus, level data perlu diubah agar sesuai dengan level bus RS-232. Tegangan yang bervariasi dikirim oleh pemancar di bus. Nilai tegangan lebih besar dari 3V adalah logika nol, sedangkan nilai tegangan kurang dari -3V adalah logika satu. Nilai antara -3V hingga 3V disebut sebagai status tidak terdefinisi. Mikroprosesor mengirimkan data ke logika transistor-transistor (TTL ) tingkat; ketika kami mengirimnya ke bus, level tegangan harus ditingkatkan ke standar RS-232. Ini berarti bahwa untuk mengubah tegangan dari level logika mikroprosesor (0V dan 5V) ke level ini dan sebaliknya, kita memerlukan IC pemindah level seperti MAX232. Data dikirim melalui konektor DB9 dan kabel RS-232. Pergeseran level berguna saat kita berkomunikasi jarak jauh.

Apa yang terjadi ketika kita perlu terhubung tanpa IC pemindah level tambahan ini? Koneksi ini disebut koneksi NULL, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut. Dapat diamati bahwa pin pengirim dan penerima dari sebuah pemancar terhubung silang, dan pin ground digunakan bersama. Ini dapat berguna dalam komunikasi jarak pendek. Dalam UART, sangat penting bahwa kecepatan baud (simbol yang ditransfer per detik) harus sesuai antara pemancar dan penerima. Sebagian besar waktu, kami akan menggunakan 9600 atau 115200 sebagai baud rate. Kerangka khas komunikasi UART terdiri dari bit awal (biasanya 0, yang memberi tahu penerima bahwa aliran data akan dimulai), data (umumnya 8 bit), dan bit stop (biasanya 1, yang memberi tahu penerima bahwa transmisi sedang berlangsung). selesai).

Untuk lebih jelasnya:Sensor Raspberry Pi