Arduino PC: 4 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Хотя микроконтроллер - это компьютер на микросхеме со встроенным процессором, памятью и периферийными устройствами ввода-вывода, для студента он почти не отличается от других интегральных схем DIP. Поэтому мы разработали проект «Arduino PC» как задание для старшеклассников, обучающихся по курсу «Цифровая электроника». Это требует, чтобы они спроектировали и смоделировали электронную схему в Tinkercad для достижения заданных требований проекта (обсуждаемых ниже). Цель состоит в том, чтобы дать ученикам возможность увидеть микроконтроллеры как полноценный компьютер (хотя и с ограниченными возможностями), который можно использовать с настраиваемой клавиатурой и ЖК-дисплеем (жидкокристаллическим дисплеем). Это также позволяет нам проверить их мастерство в использовании концепций, изученных в классе.

Для этого задания мы рекомендуем Tinkercad, чтобы учащимся не приходилось задерживаться в лаборатории цифровой электроники за компонентами и чтобы они могли работать в удобное для них время. Кроме того, преподаватели могут легко отслеживать статус проекта каждого учащегося через Tinkercad после того, как они поделятся им.

Проект требует от студентов:

1. Разработайте индивидуальную клавиатуру с 15 клавишами ввода (10 клавиш для цифр 0-9 и 5 для инструкций +, -, x, / и =) и максимум 4 соединительными контактами (данные) (кроме 2 контактов, используемых для подачи питания) для отправки ввода в Arduino Uno.
2. Интерфейс ЖК-дисплея с Arduino Uno.
3. Напишите простой код для Arduino Uno, чтобы интерпретировать нажатую клавишу и отображать ее на ЖК-дисплее.
4. Для выполнения простых математических операций (над целочисленными входами) предполагается, что все входные данные и результаты всегда являются целыми числами в диапазоне от -32,768 до 32,767.

Этот проект помогает студентам научиться

1. Кодируйте различные входные данные в двоичные коды.
2. Разработайте двоичный кодировщик, используя цифровую схему (это основа схемотехники клавиатуры).
3. Идентифицируйте (декодируйте) отдельные входные данные по их двоичной кодировке.
4. Напишите коды Arduino.

Запасы

Для проекта требуются:

1. Доступ к персональному компьютеру со стабильным интернет-соединением.
2. Современный браузер, поддерживающий Tinkercad.
3. Учетная запись Tinkercad.

Шаг 1: проектирование схемы клавиатуры

Разработка схемы клавиатуры - один из основных компонентов проекта, который требует от студентов кодирования каждого из 15 вводимых клавиш в различные 4-битные шаблоны. Хотя существует 16 различных 4-битных шаблонов, однако один 4-битный шаблон требуется исключительно для представления состояния по умолчанию, то есть когда не нажимается никакая клавиша. Поэтому в нашей реализации мы присвоили 0000 (то есть 0b0000) для представления состояния по умолчанию. Затем мы закодировали десятичные цифры 1-9 их действительным 4-битным двоичным представлением (т. Е. 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000 и 1001 соответственно), а десятичную цифру 0 - 1010 (т. Е., 0b1010). Математические операции «+», «-», «x», «/» и «=» кодировались как 1011, 1100, 1101, 1110 и 1111 соответственно.

Зафиксировав кодировки, мы разработали схему, как показано на рисунке, где клавиши были представлены переключателями (кнопками).

Шаг 2: Подключение ЖК-дисплея

Для просмотра вывода Arduino Uno используется ЖК-дисплей 16x2. Схема сопряжения ЖК-дисплея с Arduino вполне стандартна. Фактически, Tinkercad предоставляет предварительно созданную схему Arduino Uno, соединенную с ЖК-дисплеем 16x2. Тем не менее, можно изменить некоторые контакты Arduino Uno, соединенные с ЖК-дисплеем, чтобы лучше приспособить другие периферийные устройства, такие как пользовательская клавиатура, которую мы разработали. В нашей реализации мы использовали схему, показанную на рисунке.

Шаг 3: написание кода для Arduino Uno

Чтобы интерпретировать ввод, поступающий с клавиатуры, и отобразить результат на ЖК-дисплее, нам нужно загрузить инструкции в Arduino Uno. Написание кода для Arduino полностью зависит от вашего собственного творчества. Помните, что Atmega328p в Arduino Uno - это 8-битный микроконтроллер. Поэтому нужно импровизировать, чтобы он обнаруживал переполнение и работал с большими числами. Однако мы просто хотим убедиться, что Arduino Uno может декодировать ввод и различать числа (0-9) и математические инструкции. Поэтому мы ограничиваем наши входные данные небольшими целыми числами (от -32, 768 до 32, 767), гарантируя, что выходные данные также попадают в тот же диапазон. Кроме того, можно обойтись и проверить другие проблемы, такие как отключение кнопок.

Прилагается простой код, который мы использовали при реализации проекта. Его можно скопировать и вставить в редактор кода в Tinkercad.

Шаг 4: Собираем все вместе

В конце концов, мы соединили контакты блока питания клавиатуры с контактами Arduino и подключили контакты данных (которые несут 4-битные данные) к цифровым контактам 10, 11, 12 и 13 (в порядке, указанном в Код Arduino). Мы также подключили светодиод (через резистор на 330 Ом) к каждому из контактов данных, чтобы просмотреть двоичную кодировку каждой клавиши на клавиатуре. Наконец, мы нажимаем кнопку «Начать моделирование», чтобы протестировать систему.