Komputer Arduino: 4 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Chociaż mikrokontroler to komputer na chipie ze zintegrowanym procesorem, pamięcią i urządzeniami peryferyjnymi I/O, nadal dla studenta nie różni się niczym od innych układów scalonych DIP. Dlatego opracowaliśmy projekt „Arduino PC” jako zadanie dla uczniów szkół średnich, którzy uczęszczają na kurs „Cyfrowa elektronika”. Wymaga od nich zaprojektowania i zasymulowania obwodu elektronicznego w Tinkercad, aby spełnić podane wymagania projektowe (omówione poniżej). Celem jest umożliwienie uczniom zobaczenia mikrokontrolerów jako pełnoprawnego komputera (choć z ograniczonymi możliwościami), który może być używany z niestandardową klawiaturą i wyświetlaczem LCD (wyświetlacz ciekłokrystaliczny). Pozwala nam również sprawdzić ich sprawność w posługiwaniu się pojęciami wyuczonymi na zajęciach.

W przypadku tego projektu przydziału zalecamy Tinkercad, aby uczniowie nie musieli trzymać się cyfrowego laboratorium elektroniki dla komponentów i mogli pracować w dogodnym dla nich czasie. Instruktorzy mogą również łatwo śledzić status projektu każdego ucznia w Tinkercad, gdy zostanie on przez nich udostępniony.

Projekt wymaga od uczniów:

1. Zaprojektuj niestandardową klawiaturę z 15 klawiszami wejściowymi (10 klawiszy dla cyfr 0-9 i 5 dla instrukcji +, -, x, / i =) i maksymalnie 4 pinami łączącymi (dane) (oprócz 2 pinów służących do zasilania) do wysyłania danych wejściowych do Arduino Uno.
2. Interfejs LCD z Arduino Uno.
3. Napisz prosty kod dla Arduino Uno, który zinterpretuje wciśnięty klawisz i wyświetli go na wyświetlaczu LCD.
4. Aby wykonać proste operacje matematyczne (na danych wejściowych liczb całkowitych), zakładając, że wszystkie dane wejściowe i wyniki są zawsze liczbami całkowitymi z zakresu -32,768 do 32,767.

Ten projekt pomaga uczniom w nauce:

1. Zakoduj różne wejścia w kody binarne.
2. Zaprojektuj koder binarny za pomocą obwodu cyfrowego (jest to serce projektu obwodu klawiatury).
3. Zidentyfikuj (odkoduj) poszczególne wejścia z ich kodowania binarnego.
4. Napisz kody Arduino.

Kieszonkowe dzieci

Projekt wymaga:

1. Dostęp do komputera osobistego ze stabilnym połączeniem internetowym.
2. Nowoczesna przeglądarka obsługująca Tinkercad.
3. Konto Tinkercad.

Krok 1: Projektowanie obwodu klawiatury

Zaprojektowanie układu klawiatury jest jednym z głównych elementów projektu, który wymaga od uczniów zakodowania każdego z 15 klawiszy wejściowych w różne 4-bitowe wzorce. Chociaż istnieje 16 różnych 4-bitowych wzorców, jednak jeden 4-bitowy wzorzec jest wymagany wyłącznie do reprezentowania stanu domyślnego, tj. gdy żaden klawisz nie jest naciśnięty. Dlatego w naszej implementacji przypisaliśmy 0000 (tj. 0b0000) do reprezentowania stanu domyślnego. Następnie zakodowaliśmy cyfry dziesiętne 1-9 według ich rzeczywistej 4-bitowej reprezentacji binarnej (tj. odpowiednio 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000 i 1001), a cyfrę dziesiętną 0 przez 1010 (tj., 0b1010). Operacje matematyczne „+”, „-”, „x”, „/” i „=” zostały zakodowane odpowiednio jako 1011, 1100, 1101, 1110 i 1111.

Po ustaleniu kodowania zaprojektowaliśmy obwód, jak pokazano na rysunku, gdzie klawisze były reprezentowane przez przełączniki (przyciski).

Krok 2: Interfejs LCD

Aby wyświetlić wyjście Arduino Uno, używany jest wyświetlacz LCD 16x2. Obwody służące do połączenia wyświetlacza LCD z Arduino są dość standardowe. W rzeczywistości Tinkercad zapewnia gotowy obwód Arduino Uno połączony z wyświetlaczem LCD 16x2. Można jednak zmienić niektóre piny Arduino Uno połączone z wyświetlaczem LCD, aby lepiej dostosować się do innych urządzeń peryferyjnych, takich jak niestandardowa klawiatura, którą opracowaliśmy. W naszej realizacji wykorzystaliśmy obwód pokazany na rysunku.

Krok 3: Pisanie kodu dla Arduino Uno

Aby zinterpretować dane wejściowe z klawiatury i wyświetlić wynik na wyświetlaczu LCD, musimy wczytać instrukcje do Arduino Uno. Pisanie kodu dla Arduino zależy od własnej kreatywności. Pamiętaj, że Atmega328p w Arduino Uno to 8-bitowy mikrokontroler. Trzeba więc improwizować, aby wykrywał przepełnienie i pracował dla dużych liczb. Chcemy jednak tylko sprawdzić, czy Arduino Uno potrafi dekodować dane wejściowe i rozróżniać liczby (0-9) i instrukcje matematyczne. Dlatego ograniczamy nasze dane wejściowe do małych liczb całkowitych (-32,768 do 32,767), zapewniając jednocześnie, że dane wyjściowe również mieszczą się w tym samym zakresie. Co więcej, można obejść, aby sprawdzić inne problemy, takie jak odrzucenie przycisku.

W załączeniu prosty kod, który wykorzystaliśmy przy realizacji projektu. Można to skopiować i wkleić w edytorze kodu w Tinkercad.

Krok 4: Składanie wszystkiego razem

W końcu połączyliśmy piny zasilania klawiatury z pinami Arduino i połączyliśmy piny danych (które przenoszą dane 4-bitowe) z pinami cyfrowymi 10, 11, 12 i 13 (w kolejności, jak wspomniano w kod Arduino). Podłączyliśmy również diodę LED (poprzez rezystor 330-omowy) do każdego z pinów danych, aby wyświetlić kodowanie binarne każdego klawisza na klawiaturze. Na koniec klikamy przycisk „Rozpocznij symulację”, aby przetestować system.