Arduino PC: 4 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Παρόλο που ο μικροελεγκτής είναι ένας υπολογιστής σε ένα τσιπ με ενσωματωμένο επεξεργαστή, μνήμη και περιφερειακά I/O, εξακολουθεί να είναι για έναν μαθητή, δεν διαφέρει σχεδόν καθόλου από τα άλλα ολοκληρωμένα κυκλώματα DIP. Ως εκ τούτου, σχεδιάσαμε ένα έργο "Arduino PC" ως εργασία για μαθητές λυκείου που παρακολουθούν το μάθημα "Electηφιακά Ηλεκτρονικά". Απαιτεί να σχεδιάσουν και να προσομοιώσουν ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα στο Tinkercad για να επιτύχουν τις συγκεκριμένες απαιτήσεις του έργου (που συζητούνται παρακάτω). Ο στόχος είναι να δοθεί η δυνατότητα στους μαθητές να βλέπουν τους μικροελεγκτές ως έναν πλήρη υπολογιστή (αν και περιορισμένο στις δυνατότητες), ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ένα προσαρμοσμένο πληκτρολόγιο και μια οθόνη LCD (Liquid Crystal Display). Μας επιτρέπει επίσης να ελέγξουμε την ικανότητά τους στη χρήση των εννοιών που μαθαίνουν στην τάξη.

Για αυτό το έργο ανάθεσης, προτείνουμε το Tinkercad, έτσι ώστε οι μαθητές να μην κολλάνε στο εργαστήριο ψηφιακών ηλεκτρονικών για τα εξαρτήματα και να μπορούν να εργάζονται με τη δική τους ευκολία. Επίσης, είναι εύκολο για τους εκπαιδευτές να παρακολουθούν την κατάσταση του έργου κάθε μαθητή μέσω του Tinkercad μόλις το μοιραστούν μαζί τους.

Το έργο απαιτεί από τους μαθητές:

1. Σχεδιάστε ένα προσαρμοσμένο πληκτρολόγιο με 15 πλήκτρα εισόδου (10 πλήκτρα για ψηφία 0-9 και 5 για οδηγίες +, -, x, / και =) και έως και 4 ακίδες σύνδεσης (δεδομένων) (εκτός από τις 2 ακίδες που χρησιμοποιούνται για την παροχή ρεύματος) για αποστολή εισόδου στο Arduino Uno.
2. Διασυνδέστε μια οθόνη LCD με το Arduino Uno.
3. Γράψτε απλό κώδικα για το Arduino Uno για να ερμηνεύσει το πατημένο πλήκτρο και να το εμφανίσετε στην οθόνη LCD.
4. Για την εκτέλεση των απλών μαθηματικών πράξεων (πάνω από ακέραιες εισόδους) υποθέτοντας ότι όλες οι είσοδοι και τα αποτελέσματα είναι πάντα ακέραιοι εντός του εύρους -32, 768 έως 32, 767.

Αυτό το έργο βοηθά τους μαθητές να μάθουν

1. Κωδικοποιήστε διαφορετικές εισόδους σε δυαδικούς κώδικες.
2. Σχεδιάστε έναν δυαδικό κωδικοποιητή χρησιμοποιώντας ψηφιακό κύκλωμα (αυτή είναι η καρδιά του σχεδιασμού κυκλώματος πληκτρολογίου).
3. Προσδιορίστε (αποκωδικοποιήστε) τις μεμονωμένες εισόδους από τις δυαδικές κωδικοποιήσεις τους.
4. Γράψτε κωδικούς Arduino.

Προμήθειες

Το έργο απαιτεί:

1. Πρόσβαση σε προσωπικό υπολογιστή με σταθερή σύνδεση στο Διαδίκτυο.
2. Ένα σύγχρονο πρόγραμμα περιήγησης που μπορεί να υποστηρίξει το Tinkercad.
3. Λογαριασμός Tinkercad.

Βήμα 1: Σχεδιάζοντας το κύκλωμα πληκτρολογίου

Ο σχεδιασμός του κυκλώματος πληκτρολογίου είναι ένα από τα κύρια συστατικά του έργου, το οποίο απαιτεί από τους μαθητές να κωδικοποιήσουν καθεμία από τις 15 εισόδους κλειδιών σε διαφορετικά μοτίβα 4-bit. Παρόλο που υπάρχουν 16 διακριτά μοτίβα 4-bit, ωστόσο, ένα μοτίβο 4-bit απαιτείται αποκλειστικά για να αντιπροσωπεύει την προεπιλεγμένη κατάσταση, δηλαδή, όταν δεν πατηθεί κανένα πλήκτρο. Επομένως, στην εφαρμογή μας, αναθέσαμε το 0000 (δηλ. Το 0b0000) να αντιπροσωπεύει την προεπιλεγμένη κατάσταση. Στη συνέχεια, κωδικοποιήσαμε τα δεκαδικά ψηφία 1-9 με την πραγματική δυαδική αναπαράσταση 4-bit (δηλαδή, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000 και 1001 αντίστοιχα), και το δεκαδικό ψηφίο 0 κατά 1010 (δηλ., 0b1010). Οι μαθηματικές πράξεις '+', '-', 'x', '/' και '=' κωδικοποιήθηκαν ως 1011, 1100, 1101, 1110 και 1111 αντίστοιχα.

Έχοντας σταθεροποιήσει τις κωδικοποιήσεις, σχεδιάσαμε το κύκλωμα όπως φαίνεται στο σχήμα, όπου τα πλήκτρα αναπαρίστανται με διακόπτες (κουμπιά).

Βήμα 2: Διασύνδεση της οθόνης LCD

Για προβολή της εξόδου του Arduino Uno, χρησιμοποιείται LCD 16x2. Τα κυκλώματα για τη διασύνδεση της οθόνης LCD με το Arduino είναι αρκετά στάνταρ. Στην πραγματικότητα, το Tinkercad παρέχει ένα προκατασκευασμένο κύκλωμα Arduino Uno που διασυνδέεται με οθόνη LCD 16x2. Ωστόσο, μπορεί κάποιος να αλλάξει κάποιους από τους ακροδέκτες Arduino Uno που έχουν διασυνδεθεί με την οθόνη LCD για να προσαρμόζονται καλύτερα σε άλλα περιφερειακά όπως το προσαρμοσμένο πληκτρολόγιο που αναπτύξαμε. Στην εφαρμογή μας, χρησιμοποιήσαμε το κύκλωμα που φαίνεται στο σχήμα.

Βήμα 3: Γράφοντας κώδικα για το Arduino Uno

Για να ερμηνεύσουμε την είσοδο που προέρχεται από το πληκτρολόγιο και να εμφανίσουμε το αποτέλεσμα στην οθόνη LCD, πρέπει να φορτώσουμε τις οδηγίες στο Arduino Uno. Η συγγραφή κώδικα για το Arduino εξαρτάται από τη δημιουργικότητα του καθενός. Θυμηθείτε ότι το Atmega328p στο Arduino Uno είναι ένας μικροελεγκτής 8 bit. Πρέπει λοιπόν κάποιος να αυτοσχεδιάσει για να το κάνει να ανιχνεύσει υπερχείλιση και να δουλέψει για μεγάλους αριθμούς. Ωστόσο, θέλουμε απλώς να επαληθεύσουμε ότι το Arduino Uno μπορεί να αποκωδικοποιήσει την είσοδο και να διαφοροποιήσει τους αριθμούς (0-9) και τις μαθηματικές οδηγίες. Ως εκ τούτου, περιορίζουμε τις εισόδους μας σε μικρούς ακέραιους αριθμούς (-32, 768 έως 32, 767) ενώ διασφαλίζουμε ότι η έξοδος πέφτει επίσης στο ίδιο εύρος. Επιπλέον, μπορείτε να εργαστείτε για να ελέγξετε άλλα ζητήματα, όπως το κλείσιμο κουμπιών.

Επισυνάπτεται ένας απλός κώδικας που χρησιμοποιήσαμε στην υλοποίηση του έργου. Αυτό μπορεί να αντιγραφεί και να επικολληθεί στον επεξεργαστή κώδικα στο Tinkercad.

Βήμα 4: Συνδυάζοντας τα πάντα μαζί

Στο τέλος, διασυνδέσαμε τους ακροδέκτες τροφοδοσίας του πληκτρολογίου με αυτούς του Arduino και συνδέσαμε τους ακροδέκτες δεδομένων (που μεταφέρουν τα δεδομένα 4-bit) με τους ψηφιακούς ακροδέκτες 10, 11, 12 και 13 (με τον τρόπο που αναφέρεται στο Κωδικός Arduino). Συνδέσαμε επίσης ένα LED (μέσω αντίστασης 330 ohm) σε κάθε μία από τις ακίδες δεδομένων για να δείτε την δυαδική κωδικοποίηση κάθε πλήκτρου στο πληκτρολόγιο. Τέλος, πατάμε το κουμπί "Έναρξη προσομοίωσης" για να δοκιμάσουμε το σύστημα.