Arduino PC: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Sebbene un microcontrollore sia un computer su un chip con un processore integrato, memoria e periferiche I/O, ancora per uno studente, non sembra quasi diverso dagli altri circuiti integrati DIP. Per questo abbiamo ideato un progetto "Arduino PC" come incarico per gli studenti delle scuole superiori che frequentano il corso di "Elettronica Digitale". Richiede loro di progettare e simulare un circuito elettronico in Tinkercad per raggiungere i requisiti di progetto indicati (discussi di seguito). L'obiettivo è consentire agli studenti di vedere i microcontrollori come un computer a tutti gli effetti (anche se con capacità limitate) che può essere utilizzato con una tastiera personalizzata e un LCD (display a cristalli liquidi). Ci permette anche di verificare la loro abilità nell'usare i concetti appresi in classe.

Per questo progetto di assegnazione, consigliamo Tinkercad in modo che gli studenti non debbano restare nel laboratorio di elettronica digitale per i componenti e possano lavorare a loro piacimento. Inoltre, è facile per gli istruttori monitorare lo stato del progetto di ogni studente su Tinkercad una volta che è stato condiviso da loro.

Il progetto prevede che gli studenti:

1. Progetta una tastiera personalizzata con 15 tasti di input (10 tasti per le cifre 0-9 e 5 per le istruzioni +, -, x, / e =) e massimo 4 pin di connessione (dati) (a parte i 2 pin utilizzati per fornire alimentazione) per inviare input ad Arduino Uno.
2. Interfaccia un LCD con Arduino Uno.
3. Scrivi un semplice codice per Arduino Uno per interpretare il tasto premuto e visualizzarlo sul display LCD.
4. Per eseguire le semplici operazioni matematiche (su input interi) assumendo che tutti gli input e i risultati siano sempre interi nell'intervallo da -32, 768 a 32, 767.

Questo progetto aiuta gli studenti a imparare a

1. Codifica diversi ingressi in codici binari.
2. Progettare un codificatore binario utilizzando un circuito digitale (questo è il cuore della progettazione del circuito della tastiera).
3. Identificare (decodificare) i singoli input dalle loro codifiche binarie.
4. Scrivi i codici Arduino.

Forniture

Il progetto richiede:

1. Accesso a un personal computer con una connessione Internet stabile.
2. Un browser moderno in grado di supportare Tinkercad.
3. Un account Tinkercad.

Passaggio 1: progettazione del circuito della tastiera

La progettazione del circuito della tastiera è uno dei componenti principali del progetto, che richiede agli studenti di codificare ciascuno dei 15 input chiave in diversi modelli a 4 bit. Sebbene esistano 16 modelli a 4 bit distinti, tuttavia, è richiesto esclusivamente un modello a 4 bit per rappresentare lo stato predefinito, ovvero quando non viene premuto alcun tasto. Pertanto, nella nostra implementazione, abbiamo assegnato 0000 (ovvero 0b0000) per rappresentare lo stato predefinito. Quindi, abbiamo codificato le cifre decimali 1-9 con la loro rappresentazione binaria a 4 bit effettiva (cioè, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000 e 1001 rispettivamente), e la cifra decimale 0 per 1010 (cioè, 0b1010). Le operazioni matematiche '+', '-', 'x', '/' e '=' sono state codificate rispettivamente come 1011, 1100, 1101, 1110 e 1111.

Fissate le codifiche, abbiamo progettato il circuito come mostrato in figura, dove i tasti sono stati rappresentati da interruttori (pulsanti).

Passaggio 2: interfacciamento del display LCD

Per visualizzare l'output di Arduino Uno, viene utilizzato un LCD 16x2. La circuiteria per interfacciare l'LCD con Arduino è abbastanza standard. Infatti, Tinkercad fornisce un circuito Arduino Uno precostruito interfacciato con un LCD 16x2. Tuttavia, è possibile modificare alcuni dei pin Arduino Uno interfacciati con l'LCD per ospitare meglio altre periferiche come la tastiera personalizzata che abbiamo sviluppato. Nella nostra implementazione, abbiamo utilizzato il circuito mostrato in figura.

Passaggio 3: scrittura del codice per Arduino Uno

Per interpretare l'input proveniente dalla tastiera, e per visualizzare il risultato su LCD, dobbiamo caricare le istruzioni in Arduino Uno. Scrivere codice per Arduino dipende dalla propria creatività. Ricorda che l'Atmega328p in Arduino Uno è un microcontrollore a 8 bit. Quindi bisogna improvvisare per far sì che rilevi l'overflow e lavori per grandi numeri. Tuttavia, vogliamo solo verificare che Arduino Uno possa decodificare l'input e distinguere tra numeri (0-9) e istruzioni matematiche. Pertanto, limitiamo i nostri input a piccoli numeri interi (-32, 768 a 32, 767) assicurando al contempo che anche l'output rientri nello stesso intervallo. Inoltre, si può aggirare per verificare altri problemi come l'antirimbalzo dei pulsanti.

È allegato un semplice codice che abbiamo utilizzato nella nostra implementazione del progetto. Questo può essere copiato e incollato nell'editor di codice in Tinkercad.

Passaggio 4: mettere tutto insieme

Alla fine abbiamo interfacciato i pin di alimentazione della tastiera con quelli dell'Arduino e abbiamo collegato i pin dati (che trasportano i dati a 4 bit) ai pin digitali 10, 11, 12 e 13 (nell'ordine come indicato nel codice Arduino). Abbiamo anche collegato un LED (tramite un resistore da 330 ohm) a ciascuno dei pin di dati per visualizzare la codifica binaria di ciascun tasto sulla tastiera. Infine, premiamo il pulsante "Avvia simulazione" per testare il sistema.