Een microprocessorbord, ook wel een development board of dev board genoemd, is een hardwareplatform dat is ontworpen om ontwikkelaars en hobbyisten in staat te stellen om gemakkelijk te experimenteren, prototypen te bouwen en software te ontwikkelen voor elektronische toepassingen. Het biedt vaak een gestandaardiseerde en gebruiksvriendelijke manier om te werken met een bepaalde microcontroller, microprocessor of chip, en het omvat vaak een reeks ingebouwde componenten en interfaces die nodig zijn voor het uitvoeren van diverse taken.

Belangrijkste kenmerken en componenten van een ontwikkelingsboard:

1. Microcontroller of Microprocessor: Het hart van het ontwikkelingsboard, dat de rekenkracht en controle levert voor het uitvoeren van programma’s en het aansturen van componenten.
2. Geheugen: Ingebouwd geheugen, zoals RAM en flashgeheugen, voor het opslaan van programma’s, gegevens en tijdelijke informatie.
3. Voeding: Aansluitingen voor stroomtoevoer en vaak ook regelingsmogelijkheden voor verschillende spanningsniveaus.
4. Invoer/Uitvoer Interfaces: Microprocessorborden bieden verschillende interfaces, zoals GPIO-pinnen (General Purpose Input/Output) voor het aansluiten van sensoren, actuatoren en andere elektronische componenten. Ze kunnen ook analoge pinnen hebben, digitale pinnen, PWM (Pulse Width Modulation) pinnen en communicatiepoorten zoals UART, I2C en SPI.
5. Connectiviteit: Mogelijkheden zoals Wi-Fi, Bluetooth, USB en andere interfaces waarmee het ontwikkelingsboard kan communiceren met andere apparaten en netwerken.
6. USB-Interface: Een USB-interface wordt vaak gebruikt voor het programmeren van het bord, het overdragen van gegevens en het aansluiten op een computer.
7. Extra Componenten: Afhankelijk van het specifieke doel van het bord, kunnen er extra componenten zijn ingebouwd, zoals sensoren, LED’s, knoppen, displays en meer.

Ontwikkelingsboards worden gebruikt voor verschillende doeleinden, waaronder:

1. Prototyping: Ontwikkelaars kunnen snel ideeën testen door componenten aan te sluiten, code te schrijven en te experimenteren zonder dat ze een volledig afgewerkt product hoeven te bouwen.
2. Leren en Educatie: Ontwikkelingsboards zijn ideaal voor educatieve doeleinden. Ze helpen studenten en beginners te begrijpen hoe elektronica werkt en hoe programmeerlogica wordt toegepast.
3. IoT-ontwikkeling: Met ontwikkelingsboards kunnen IoT-apparaten (Internet of Things) worden gemaakt, die verbinding kunnen maken met het internet en gegevens kunnen verzenden en ontvangen.
4. Embedded Systems Development: Ontwikkelingsboards worden vaak gebruikt om embedded systemen te ontwikkelen, zoals industriële besturingen, medische apparaten en elektronische apparatuur. (Een embedded system is een gespecialiseerd computersysteem dat is ontworpen voor een specifieke taak binnen een groter systeem, waarbij optimalisatie, beperkte functionaliteit en vaak real-time respons van belang zijn.)
5. Proof of Concept: Voor bedrijven worden ontwikkelingsboards gebruikt om snel te laten zien dat een bepaald concept technisch haalbaar is voordat ze grotere investeringen doen in de ontwikkeling.
6. Hobbyprojecten: Hobbyisten en makers kunnen ontwikkelingsboards gebruiken voor het creëren van allerlei leuke en nuttige elektronische projecten, van slimme spiegels tot robotica en domotica.

Microprocessorborden zijn essentieel om het proces van elektronische systeemontwikkeling te stroomlijnen, dienend als een platform voor zowel beginners als ervaren ontwikkelaars om ideeën om te zetten in werkende prototypes en toepassingen, terwijl ze tevens een praktische en toegankelijke manier bieden om te experimenteren met elektronica en software, en daarmee een cruciale rol spelen in innovatie en technologische vooruitgang.

Zie ook Wat is een Single Board Computer.

Een Single Board Computer (SBC) is een volledige computer die is geïntegreerd op één enkele printplaat. Met “volledige computer” wordt bedoeld dat deze ten minste een microprocessor, geheugen, opslag, uitvoerpoorten (bijvoorbeeld voor een beeldscherm) en invoerpoorten (zoals USB-poorten voor een toetsenbord) bevat. Single Board Computers zijn ontworpen voor demonstratie, ontwikkeling en educatieve doeleinden, hoewel ze tegenwoordig voor uiteenlopende toepassingen worden ingezet. Worden ze voor veel meer dingen gebruikt.

De focus van deze tekst ligt op de Raspberry Pi, een specifiek type Single Board Computer. Er zijn inmiddels ook andere merken die Single Board Computers maken. Raspberry Pi’s zijn beschikbaar in diverse varianten, waaronder de Raspberry Pi A / A+, Pi B / B+, Pi 2 / 3 / 4, Pi Zero, Pi Zero W / 2W, en de Pi 400, die het meest lijkt op een complete computer doordat deze eruitziet als een toetsenbord.

Om een Raspberry Pi te laten functioneren, is een besturingssysteem vereist. Meestal wordt hiervoor een Linux-versie gebruikt. Het is mogelijk om meerdere programma’s gelijktijdig uit te voeren en vaak is er een grafische gebruikersinterface aanwezig (hoewel dit niet nodig is, bijvoorbeeld in het geval van een server).

Mogelijke toepassingen
De mogelijkheden van de Raspberry Pi zijn uitgebreid en divers. Je kunt programma’s schrijven in verschillende talen, zoals: C, Java, Python om maar een paar bekende te noemen. Ook kun je externe componenten aansturen via de General Purpose Input/Output (GPIO) poort. Hiermee is het mogelijk om bijvoorbeeld LED’s, schakelaars en diverse sensoren (bijvoorbeeld voor temperatuur, beweging en afstandsmeting) te controleren en uit te lezen. Ook is het mogelijk om er een server van te maken, bijvoorbeeld een webserver of bestandsserver.

Het is een leuke computer om mee te experimenteren.

Zie ook Wat is een ontwikkelingsboard.

Hieronder volgt een stapsgewijze uitleg voor het configureren van de ESP32-DevKitC in de Arduino IDE, versie 1.18.19. Let op: als je een andere versie van de Arduino IDE hebt geïnstalleerd, kunnen de stappen enigszins verschillen.

int ledPin = 2;

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  delay(1000);
}

Breadboards zijn in verschillende kleuren en afmetingen te krijgen. Hieronder staan er 3 afgebeeld. Van deze wil ik de eigenschappen/verschillen toelichten.

We beginnen met een klein breadboard, afb. 1. Hier zitten alleen verbindingsgaatjes op, deze zijn onderling verbonden. Maar op een gestructureerde manier. De gaatjes zitten per rij met elkaar verbonden, dus A1, B1, C1, D1 en E1 zijn met elkaar verbonden. Maar A1 is NIET verbonden met A2. A2 is weer met B2, C2, D2 en E2 verbonden. Ook zijn E1 en F1 NIET met elkaar verbonden. F1 is weer met G1, H1, I1 en J1 verbonden. De verbindingen zijn dus in het midden gescheiden door een grotere opening. Hier zit meestal een dieper sleuf in. Dit verdeelt het breadboard in een boven- en onderdeel.

In afb. 2 staat een middel breadboard afgebeeld. Dit is in het middenstuk gelijk opgebouwd als het kleine breadboard. Maar bij dit bord zit er aan de onder- en bovenkant 2 rijen met extra gaatjes. Deze gaatjes zijn alleen horizontaal met elkaar verbonden. Onder de zwarte lijn zit één rij die horizontaal met elkaar verbonden is. Zo’n rij is zowel aan de boven- als aan de onderkant van het breadboard aanwezig. Hier staat een minteken (-) links en rechts ervan. De lijn die erboven (of eronder staat, afhankelijk hoe om je het breadboard houdt) is zwart of blauw. Er staat ook niet altijd een minteken (-) bij. En dan heb je ook nog de rode lijn, de gaatjes zitten ook weer als één rij horizontaal met elkaar verbonden (zowel aan de boven- als aan de onderkant van het breadboard). Hier staat een plusteken (+) links en rechts ervan. De kleur van de lijn is rood.

In afb. 3 staat een groot formaat breadboard afgebeeld. Deze is bijna hetzelfde opgebouwd als het middel groot breadboard. Het enige verschil is dat de min (de blauwe lijn) en plus (de rode lijn) rijen in het midden onderbroken zijn. Het linker en rechter deel van de bovenste en onderste rijen zijn niet met elkaar verbonden. Om dit duidelijk te maken heb ik in de vierde afbeelding (afb. 4) groene lijnen ingetekend hoe de gaatjes met elkaar verbonden zijn over het gehele breadboard. Deze structuur is dus ook aanwezig bij de andere twee breadboards.

Er zijn borden die een andere indeling kunnen hebben, maar het overgrote deel in volgens deze manier ingedeeld.

Op afb. 5 zie je een voorbeeld van een klein breadboard met een eenvoudig opstelling.
Er zitten 2 draadjes, een weerstand en een ledje op ingestoken.
De zwarte draad komt van buiten het breadbord en gaat naar het gaatje E8. Omdat de rij A8, B8, C8, D8 en E8 met elkaar verbonden zijn, is er dus een verbinding tussen het zwarte draadje en het linker pootje van het ledje. Het rechter pootje van het ledje is dus ook verbonden met E9 waar de weerstand ingestoken is. Er is geen verbinding tussen E9 en G9 op het breadboard. De verbinding wordt gemaakt door de weerstand. Zo kan deze zijn werk doen. Wel is er weer een verbinding tussen de weerstand en het groene kabeltje (J9) door het breadboard.

Dus als er 5 volt op het groene draadje staat en het zwarte draadje is verbonden met aarde, dan zal het ledje gaan branden.
Deze opstelling wordt gebruikt in de workshop 1 ‘Led aan en uit’.

Twee breadboards combineren
Om een ESP32-DevKitC op een breadboard is lastig, omdat er te weinig gaatjes zijn. Je kunt maar aan één zijde van de ESP32 kabeltjes steken.

Wat je kunt doen is het combineren van 2 middel of 2 grote breadboards en ze te combineren tot een board. Maar je moet dan wel een spanningsrail verwijderen en ze dan koppelen. Aan een zijde zitten uitsparingen en aan de andere zijde zitten uitsteeksels. Deze kun je aan elkaar klikken. De meeste breadboard hebben aan de onderzijde een plakstrip. Hiermee zou je ze op een plankje kunnen plakken voor stevigheid. Als je nu een ESP32-DevKitC op het breadboard steekt, heb je aan een zijde 2 gaatjes voor kabeltjes en aan de andere zijde zelfs 3 gaatjes. Als je 2 grote breadboards neemt kun je ook gemakkelijk de componenten kwijt. Zie hieronder een afbeelding van zo een opstelling.

De LED heeft dus een plus aansluiting die men anode noemt en een min aansluiting die men kathode noemt.

Hoe herken je die plus en die min nu?
De anode (plus) zijde van een LED heeft een langer pootje en de kathode (min) zijde heeft dus het korte pootje. Maar de LED heeft (met een ronde behuizing) een afgevlakte zijde aan de kant van de kathode (min).

Let op!!!
Een LED werkt op een lagere spanning dan wat de meeste Single Board Computers leveren. De Raspberry Pi’s leveren 3,3 volt op de pinnen en de Arduino’s zelfs 5 volt. Hierdoor gaat de LED stuk.
Je moet een voorschakelweerstand gebruiken om de spanning omlaag te brengen.

Met de wet van Ohm kun je uitrekenen hoe groot de waarde van de weerstand moet zijn.
Je weet welke spanning de pin van de Single Board Computer levert. Hier trek je de spanning waarop een LED werkt vanaf. Hieronder een tabel met gegevens van enkele LED’s.

Berekening
We gaan even uit van een Arduino die 5 volt levert op een pin en we gaan een Blauwe LED gebruiken. De spanning die we moeten overbruggen is dus 5 volt (pin) – 3 volt (LED) = 2 volt.
Volgens de wet van Ohm kunnen we de weerstand berekenen door:

R (weerstand, Ohm) = U (spanning, volt) / I (Stroom, Ampère)

dus: 2 volt / 0,03 Ampère (= 30 mA) = 67 Ohm (Ω)

In bovenstaande tabel heb ik in de laatste 2 kolommen de berekende waarden gezet. Je hoeft niet al deze weerstanden te hebben, Je kunt 150 Ω of groter voor elke LED als voorschakelweerstand gebruiken. Als de waarde van de voorschakelweerstand te groot wordt, zal je zien dat de LED minder fel brandt.

Het elektrisch symbool van een LED.
Links is de anode en rechts de kathode.

De eenheid van een weerstand is Ohm aangeduid met de Griekse letter Omega ‘Ω’. De weerstand die een weerstand biedt wordt op de weerstand met gekleurde ringen aangegeven. Dus aan deze ringen kun je aflezen wat de weerstand van een weerstand is. Er zijn over het algemeen weerstanden met vier, vijf of zes gekleurde ringen. Het maakt niet uit hoe je hem plaatst, hij werkt in beide richtingen.

Hoe lees je deze kleurcodes
Afhankelijk hoeveel ringen een weerstand in totaal heeft zijn de eerste 3 of eerste 4 ringen die de waarde bepalen van de weerstand. Bij 4 ringen bepalen de eerste 3 ringen de waarde van de weerstand. Bij 4 of meer ringen zijn de eerste 4 ringen bepalend.

Bij 4 ringen
op een weerstand geven de eerste 2 ringen een getal aan, de derde ring de vermenigvuldiger en de vierde ring de tolerantie (dit is de afwijking die een weerstand kan hebben).
Dus heb je een weerstand met de ringen rood, rood, bruin en zilver. Dan krijg je de waarde 220 Ohm. Want rood staat gelijk aan het getal ‘2’ (rood komt 2 keer voor) dus krijg je ’22’. De derde ring is bruin (dit is de vermenigvuldiger) en deze kleur geeft een vermenigvuldiging van ‘x 10’ aan. Dit houdt in dat je 22 x 10 = 220 krijgt, dit is dus 220 Ohm. De laatste ring geeft de tolerantie aan, bij zilver is dit 10%. Dit is dus de afwijking die deze weerstand kan hebben.

Bij 5 of meer ringen
op een weerstand geven de eerste 3 ringen een getal aan, de vierde ring de vermenigvuldiger, de vijfde ring de tolerantie en bij zes ringen de zesde ring de invloed die de temperatuur heeft op de weerstand.
Dus heb je een weerstand met de ringen rood, rood, zwart, zwart en zilver. Dan krijg je de waarde 220 Ohm. Want rood staat gelijk aan het getal ‘2’ (rood komt 2 keer voor) en zwart staat gelijk aan getal ‘0’, dus je krijgt dan ‘220’. De vierde ring is zwart (dit is de vermenigvuldiger) en deze kleur geeft een vermenigvuldiging van ‘x 1’ aan. Dit houdt in dat je 220 x 1 = 220 krijgt, dit is dus 220 Ohm. De laatste ring geeft de tolerantie aan, bij zilver is dit 10%. Dit is dus de afwijking die deze weerstand kan hebben.
Mocht je een weerstand met 6 ringen hebben, wordt de waarde hetzelfde bepaald als bij een weerstand met 5 ringen. Alleen geeft de zesde ring de afwijking aan door invloed van temperatuur op de weerstand. PPM of ppm/°C staat voor: parts per million per graden Celsius (dit is heel erg klein, vandaar dat dit niet van toepassing is voor algemeen gebruik).

Zie de schema’s hieronder voor de kleurcodes.

Hieronder enkele foto’s met rekenvoorbeelden.
Je zult hieronder ook zien dat de kleuren soms erg moeilijk te bepalen zijn. Dit komt ook omdat niet elke fabrikant de zelfde kleur gebruikt, zie de foto van de 330 Ohm en 1k Ohm weerstanden.

Deze weerstand heeft de kleuren bruin, groen, zwart, zwart en bruin.

Dus: 1   5   0   x1   en   1%

Resultaat: 150 x1 = 150 Ohm met 1% afwijking.

Deze weerstand heeft de kleuren rood, rood, zwart, zwart en bruin.

Dus: 2   2   0   x1   en   1%

Resultaat: 220 x1 = 220 Ohm met 1% afwijking.

Deze weerstand heeft de kleuren oranje, oranje, zwart, zwart en bruin.

Dus: 3   3   0   x1   en   1%

Resultaat: 330 x1 = 330 Ohm met 1% afwijking.

Deze weerstand heeft de kleuren bruin, zwart, zwart, bruin en bruin.

Dus: 1   0   0   x10   en   1%

Resultaat: 100 x10 = 1.000 Ohm of 1k Ohm met 1% afwijking.

Deze weerstand heeft de kleuren rood, rood, zwart, bruin en bruin.

Dus: 2   2   0   x10   en   1%

Resultaat: 220 x10 = 2.200 Ohm of 2,2k Ohm of 2k2 Ohm met 1% afwijking.

Deze weerstand heeft de kleuren bruin, zwart, zwart, rood en bruin.

Dus: 1   5   0   x100   en   1%

Resultaat: 100 x100 = 10.000 Ohm of 10k Ohm met 1% afwijking.

Het elektrisch symbool van een weerstand.

Een drukknop is een schakelaar, vergelijkbaar met de schakelaar waarmee je het licht in een kamer aan- en uitzet. Het grote verschil met een schakelaar is dat als je een drukknop loslaat deze weer in de begin positie terug gaat. Je hebt ze in verschillende uitvoeringen en groottes. Er zijn er voor het gebruik op een breadbord (onderaan de foto de 3^de, 4^de, 5^de, 6^de) en andere die je ergens inbouwt. Zie de foto hieronder voor enkele voorbeelden. Op deze foto zie je ook een aantal schakelaars (van links de tweede, rechts onder en boven van rechts nr 1 en 2).

De drukknoppen onder in het midden (met de blauwe kap erop en de twee rechts ernaast) hebben vier pootjes. Bij deze zijn linksboven en linksonder altijd met elkaar verbonden. Rechtsboven en rechtsonder zijn ook altijd met elkaar verbonden. Als je de knop indrukt wordt dus de linker- en rechterzijde met elkaar verbonden (Afb. 2) en als je hem weer loslaat weer verbroken (Afb.1).

Het elektrisch symbool van een drukknop.

Pull-up weerstanden worden in veel elektronische circuits gebruikt, niet alleen bij drukknoppen. Hier zijn enkele andere toepassingen:

• Digitale ingangen: Om de staat van een digitale ingang (hoog of laag) duidelijk te definiëren wanneer deze niet actief is.
• I2C-bus: Worden gebruikt voor de SDA (data lijn) en SCL (klok lijn) om de lijnen hoog te trekken wanneer geen enkel apparaat communiceert.
• SPI-bus: Soms gebruikt op de chip select lijnen om te verzekeren dat een apparaat alleen communiceert wanneer expliciet geselecteerd.
• Resetlijnen: Om ervoor te zorgen dat microcontrollers of andere IC’s niet per ongeluk resetten door ruis op de resetlijn.
• Logic level conversion: Om een veilig en duidelijk hoog signaalniveau te bieden in logische circuits die werken op verschillende voedingsspanningen.

Deze weerstanden helpen bij het voorkomen van ongewenste ruis en zorgen voor een stabiele staat in digitale circuits wanneer een ingang niet actief wordt aangestuurd.

Let op!
Het betreft standaard weerstanden. Hun functie als pull-up of pull-down weerstand wordt bepaald door hun positie in het elektrische circuit.

Een zwevende aansluiting
Een waarde die je uitleest op een digitale poort, kan in theorie twee waarden hebben, namelijk ‘HIGH’ (ook wel 1 of ‘true’) of ‘LOW’ (ook wel 0 of ‘false’). Alleen is het niet zo zwart/wit. Op een bijvoorbeeld ESP, die we in onze workshops gebruiken, kan een spanning van 0 t/m 3,3 Volt staan. En daar zitten dus veel waarden tussen. Dus wanneer is het HIGH of LOW? Deze overgang ligt ergens in het midden en kan verschillen per microprocessorboard. Een zwevende aansluiting kan daar dus ergens zitten (de spanning is niet steeds gelijk) en zodoende kan dit het ene moment een HIGH geven en even later een LOW.

Hieronder wordt uitgelegd hoe je een pull-up of pull-down-weerstand gebruikt in combinatie met een drukknop.
Als je een drukknop gebruikt dan wordt een kant van de drukknop op de min aangesloten en de andere kant op de aansluiting (van het microprossecorboard) die je gaat uitlezen. Als de knop ingedrukt is en je leest de waarde van de aansluiting, dan is deze ‘LOW’ (0 of ‘false’). Maar als de knop niet ingedrukt is, is deze waarde zwevend. De waarde kan ‘LOW’ (0 of ‘false’) of ‘HIGH’ (1 of ‘true’) zijn. Kort gezegd weet je niet of de knop nu echt niet ingedrukt is.

Hier gaat de Pull-up of Pull-down weerstand ons helpen.

Pull-up weerstand
Het probleem is dat als de knop niet ingedrukt is, de waarde zwevend is. Dit moeten we dus wijzigen. We doen dit door een weerstand (10KΩ of groter) te plaatsen. De ene kant van de weerstand verbindt je met de plus en de andere kant met de zijde van de drukknop waar ook het draadje aanzit dat naar de aansluiting gaat die je gaat uitlezen. Hierdoor is deze aansluiting verbonden met de plus als de drukknop niet ingedrukt is en geeft dus altijd een waarde ‘HIGH’ (ook wel 1 of ‘true’). Als de drukknop ingedrukt wordt, wordt de aansluiting naar de min geleid. Dit geeft altijd een waarde ‘LOW’ (ook wel 0 of ‘false’).

Pull-down weerstand
Nu wordt de weerstand aan de ene kant weer op de drukknop aangesloten waar ook het draadje op aangesloten zit dat naar de aansluiting gaat die je gaat uitlezen. De andere kant van de weerstand wordt nu met de min verbonden. De andere kant van de drukknop wordt nu met de plus verbonden. Het resultaat is dat als de drukknop niet ingedrukt wordt de uit te lezen aansluiting via de weerstand naar de min gaat en dus altijd een ‘LOW’ (0 of ‘false’) geeft. En als de drukknop ingedrukt wordt, wordt er een verbinding gemaakt met de plus. Dit geeft dan altijd een ‘HIGH’ (1 of ‘true’).
Sommige aansluitingen moeten bij het opstarten ‘LOW’ zijn (zij hebben bij het opstarten een dubbele functie).

Zie de afbeelding hieronder hoe dit er uitziet op een breadboard. Het blauwe draadje gaat naar de ingang die je gaat uitlezen.

Let op!
Bij een Pull-up weerstand is de waarde bij een NIET ingedrukte drukknop ‘HIGH’ (1 of ‘true’) en bij een Pull-down weerstand is deze ‘LOW’ (0 of ‘false’).

Er is nog een andere oplossing. Je gebruikt op het breadboard de zwevende toestand situatie (meest linker opstelling in de afbeelding). Bij het definiëren van de ingang in de software (programma) geef je aan dat de aansluiting (waar de drukknop op aangesloten zit) het microprocessorboard gebruik moet maken van een interne Pull-up weerstand. Niet elke aansluiting heeft deze interne Pull-up weerstand, zie de pin bezetting van het microprocessorboard dat je gebruikt.

De wet luidt: U_volt = I_Ampère x R_Ohm

Met deze formule kun je dus de spanning, stroom en weerstand berekenen.
En wel als volgt:

- Spanning:  U = I X R
- Stroom:    I = U / R
- Weerstand: R = U / I

Met onderstaand schema kun je ze gemakkelijker onthouden.