Laboratorium 1.3 – Wojciech Tarnawski

Zakres laboratorium:

Program testowy
Wykorzystanie przerwań wewnętrznych – praca z dokumentacją mikrokontrolera – dokumentacja
Przerwania zewnętrzne – obsługa przycisków
Konfiguracja układu licznikowego do pracy z zadanymi parametrami
Obsługa wyświetlacza 7-segmentowego na przerwaniach
Obsługa enkodera mechanicznego – impulsator

1. Program testowy

podłączyć diodę do pinu PD0
napisać program, który będzie migał diodą z częstotliwością 1Hz
program w pętli while powinien zajmować tylko dwie linijki -> dwie komendy

2. Przerwania wewnętrzne, konfiguracja

podłączyć diodę do pinu PD1
wgrać do środowiska programistycznego poniższy kod programu
uzupełnić fragmenty aby uruchomić przerwanie na liczniku Timer1 działające z częstotliwością 2Hz
uzupełnić przerwanie o komendę migania diodą na porcie PD1

C++

#include <avr/io.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <util/delay.h>
 
#ifndef _BV
#define _BV(bit)        (1<<(bit))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(reg,bit)    reg |= (_BV(bit))
#endif
 
#ifndef cbi
#define cbi(reg,bit)    reg &= ~(_BV(bit))
#endif

#ifndef tbi
#define tbi(reg,bit)    reg ^= (_BV(bit))
#endif


void timerInit() {
  //Wybranie trybu pracy CTC z TOP OCR1A

 
  //Wybranie dzielnika czestotliwosci - częstotliwość Atmega328: 16 MHz

 
  //Zapisanie do OCR1A wartosci odpowiadajacej 0,5s

 
  //Uruchomienie przerwania OCIE1A

}


//volatile -informacja dla kompilatora aby nie optymalizował zmiennej, 
//zmienna bezpieczna do wykorzystania w przerwaniach
volatile int zmienna=0; 



int main() {
  timerInit();
  sei(); //Uruchamia przerwania globalne
  sbi(DDRD,PD0);
  sbi(DDRD,PD1); 
 
  while (1) {
 //kod programu przełączajacy diodę LED

    _delay_ms(500);
  }
}

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
 
}

#include <avr/io.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <util/delay.h>

#ifndef _BV

#define _BV(bit) (1<<(bit))

#endif

#ifndef sbi

#define sbi(reg,bit) reg |= (_BV(bit))

#endif

#ifndef cbi

#define cbi(reg,bit) reg &= ~(_BV(bit))

#endif

#ifndef tbi

#define tbi(reg,bit) reg ^= (_BV(bit))

#endif

void timerInit() {

//Wybranie trybu pracy CTC z TOP OCR1A

//Wybranie dzielnika czestotliwosci - częstotliwość Atmega328: 16 MHz

//Zapisanie do OCR1A wartosci odpowiadajacej 0,5s

//Uruchomienie przerwania OCIE1A

}

//volatile -informacja dla kompilatora aby nie optymalizował zmiennej,

//zmienna bezpieczna do wykorzystania w przerwaniach

volatile int zmienna=0;

int main() {

timerInit();

sei(); //Uruchamia przerwania globalne

sbi(DDRD,PD0);

sbi(DDRD,PD1);

while (1) {

//kod programu przełączajacy diodę LED

_delay_ms(500);

}

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {

}

Pytania – zrobić notatkę:

jak działa ten program?
czy w pętli głównej programu możemy napisać kod blokujący (taki, który blokuje program na dłuższy czas), a dioda i tak będzie migać z dobrą częstotliwością?
co się stanie jak w zablokujemy przerwanie, np. dodamy “_delay_ms(5000)” ? Jak będą działać diody?

3. Przerwania zewnętrzne – dioda LED

na bazie programu z zadania 2, wykonać kolejne zadanie
dioda podłączona do PD0 ma ciągle migać w pętli głównej programu. Dioda z pinu PD1 – działa w przerwaniu od Timer1
podłączyć kolejną diodę do pinu PD5
podłączyć przycisk do pinu gdzie jest możliwość obsługi przerwania zewnętrznego (INT0)
skonfigurować pin do obsługi przycisków (PULL-UP)
skonfigurować przerwanie zewnętrzne dla wybranego pinu z reakcją na zbocze opadające (należy ustawić dwa bity zgodnie z dokumentacją)
funkcja przerwania INT0-> ISR(INT0_vect)
każde przyciśnięcie przycisku generuje przerwanie, w przerwaniu powinna być przełączania dioda podłączona do pinu PD5

Pytania – zrobić notatkę:

co to jest zbocze opadające, zbocze narastające?
czy program przełączy stan diody natychmiast, czy będzie opóźnienie z innego przerwania lub pętli głównej? Jak zadziała jeśli w pętli głównej będzie dłuższe zadanie?
co się stanie jak w przerwaniu od przycisku dodamy opóźnienie 5000ms? (przerwanie należy ciągle wywoływać, naciskać przycisk)
co się stanie jak w przerwaniu od licznika dodamy opóźnienie 5000ms?
dlaczego dwa powyższe zadania działają inaczej, jaka jest różnica i dlaczego?

4. Wyświetlacz 7-segmentowy na przerwaniach

przerobić program z poprzedniego laboratorium tak aby wyświetlacz 7-segmetnowy obsługiwał liczby w zakresie 0-9999,
powinna być zmienna globalna “liczba”, której wartość jest wyświetlana na wyświetlaczu
odświeżanie wyświetlacza (multipleksowanie) należy przenieś do przerwania wewnętrznego, należy odpowiednio skonfigurować czasy przerwania
w wywołaniu przerwania nie wolno używać funkcji opóźniających, kod programu powinien być jak najszybszy
w pętli głównej zrobić licznik liczący od 0 do 250 co jedną sekundę, wartość wyświetlić na wyświetlaczu

5. Enkoder mechaniczny – impulsator

na bazie zadania 4 przygotować program, który zmienia wartość zmiennej “wartosc” za pomocą enkodera i prezentuje ją na wyświetlaczu 7-segmentowym. Skasować licznik z pętli głównej programu.
działanie enkodera zostało zaprezentowane na rysunku poniżej
podłączyć enkoder, piny “Enc_A” i “Enc_B” do pinów mikrokontrolera, pin “Enc_com” do GND
skonfigurować piny jak do obsługi przycisków (PULL-UP)
napisać program, który odczyta kierunek obrotu enkodera i będzie zwiększał, zmniejszał zmienną “wartosc”
zmienna “wartosc” ma być wyświetlana na wyświetlaczu 7-segmentowym
zakres liczb jakie może przyjmować zmienna “wartość” to -100 do 100. Napisać odpowiednie zabezpieczenia i wyświetlanie liczby ujemnej

Zakres laboratorium 2017-2021 (nie aktualne)

Zakres laboratorium:

Wykorzystanie przerwań wewnętrznych – praca z dokumentacją mikrokontrolera
Obsługa wyświetlacza 7 segmentowego – 1 segment
Obsługa wyświetlacza 7 segmentowego – 4 segmenty
Zegarek na wyświetlaczu 7 segmentowym
Zadanie domowe

Zadania do wykonania:

Zadanie 1.1
Zadanie 1.2
Zadanie 2.1
Zadanie 3.1
Zadanie 4.1
Zadanie domowe

1. Wykorzystanie przerwań wewnętrznych – praca z dokumentacją mikrokontrolera

Zadanie 1.1

Skopiować do pliku “main.cpp” poniższy kod programu (plik “GLOBAL.h“), zapoznać się z zmiennymi i funkcjami jakie występują.

C++

#include "GLOBAL.h"

volatile uint8_t minuty, sekundy;
volatile uint16_t liczba7Seg;

volatile char znaki[4];

char cyfra[10] = { 0b1111111, 0b1111111, 0b1111111, 0b1111111, 0b1111111,
		0b1111111, 0b1111111, 0b1111111, 0b1111111, 0b1111111};

//Inicjalizacja Timer1 do wywolywania przerwania co 1s
void TimerInit() {
	//Wybranie trybu pracy CTC z TOP OCR1A

	//Wybranie dzielnika czestotliwosci

	//Zapisanie do OCR1A wartosci odpowiadajacej 0,5s

	//Uruchomienie przerwania OCIE1A

}

//Inicjalizacja portow do obsługi wyswietlacza 7 segmentowego
void seg7Init() {
	//Inicjalizacja kolumn

	//Inicjalizacja segmentu

}

//Wyswietla na wyswietlaczu 7 segmentowym cyfre z argumentu
void seg7ShowCyfra(uint8_t cyfraDoWyswietlenia) {
	//PORTC = cyfra[cyfraDoWyswietlenia]   //co to robi - wytlumaczyc prowadzacemu
}

//Wyswietla na wyswietlaczu 7 segmentowym wartosc ze zmiennej liczba7Seg
void seg7Show4Cyfry() {

}

//Funkcja wyswietla na wyswietlaczu litery, cyfry z tablicy znaki
/*      zadanie na ocenę 5.5              */
void seg7Show4Litery() {

}

int main() {
	minuty = 0;
	sekundy = 0;
	liczba7Seg = 0;
	TimerInit();
	seg7Init();

	sei();	//funkcja uruchamia globalne przerwania

	while (1) {
		seg7ShowCyfra(5);
		_delay_ms(100);
	}

	return 0;
}

//Funkcja uruchamiana z przerwaniem po przepelnieniu licznika w timer1
ISR(TIMER1_COMPA_vect) {

}

#include "GLOBAL.h"

volatile uint8_t minuty, sekundy;

volatile uint16_t liczba7Seg;

volatile char znaki[4];

char cyfra[10] = { 0b1111111, 0b1111111, 0b1111111, 0b1111111, 0b1111111,

0b1111111, 0b1111111, 0b1111111, 0b1111111, 0b1111111};

//Inicjalizacja Timer1 do wywolywania przerwania co 1s

void TimerInit() {

//Wybranie trybu pracy CTC z TOP OCR1A

//Wybranie dzielnika czestotliwosci

//Zapisanie do OCR1A wartosci odpowiadajacej 0,5s

//Uruchomienie przerwania OCIE1A

}

//Inicjalizacja portow do obsługi wyswietlacza 7 segmentowego

void seg7Init() {

//Inicjalizacja kolumn

//Inicjalizacja segmentu

}

//Wyswietla na wyswietlaczu 7 segmentowym cyfre z argumentu

void seg7ShowCyfra(uint8_t cyfraDoWyswietlenia) {

//PORTC = cyfra[cyfraDoWyswietlenia] //co to robi - wytlumaczyc prowadzacemu

}

//Wyswietla na wyswietlaczu 7 segmentowym wartosc ze zmiennej liczba7Seg

void seg7Show4Cyfry() {

}

//Funkcja wyswietla na wyswietlaczu litery, cyfry z tablicy znaki

/* zadanie na ocenę 5.5 */

void seg7Show4Litery() {

}

int main() {

minuty = 0;

sekundy = 0;

liczba7Seg = 0;

TimerInit();

seg7Init();

sei(); //funkcja uruchamia globalne przerwania

while (1) {

seg7ShowCyfra(5);

_delay_ms(100);

}

return 0;

}

//Funkcja uruchamiana z przerwaniem po przepelnieniu licznika w timer1

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {

}

Przerwania – jest to mechanizm, który pozwala mikrokontrolerowi na przerwanie bieżąco wykonywanych zadań na skutek otrzymania jakiegoś zdarzenia, które wymaga pilnej obsługi. Źródłem przerwań mogą być:

wewnętrzne układy
- liczniki – przepełnienie licznika, odliczenie ustalonej ilości impulsów
- moduł komunikacji – zdarzenie informujące o zakończeniu transmisji
- przetworniki – zdarzenie informujące o zakończeniu przetwarzania
- itd.
zewnętrzne (sygnały podawany na wyprowadzenia mikrokontrolera)
- wciśnięcie przycisku
- enkodery – liczenie impulsów
- układy zewnętrzne generujące przerwania (czujnik pomiaru temperatury – skończył pomiar i generuje przerwanie w celu poinformowania mikrokontrolera, że może już pobrać wynik pomiaru)
- itd.

Przerwanie wewnętrzne

Należy wykorzystać przerwanie wewnętrzne pochodzące od Timer1 w celu wygenerowania sygnału prostokątnego na wyprowadzeniu mikrokontrolera PD6 o częstotliwości 1s (0,5sekundy stan niski, 0,5 sekundy stan wysoki).

Pierwsze kroki:

podłączyć diodę z linijki diodowej do wyprowadzenia PD6, skonfigurować wyprowadzenie do pracy jako wyjście, ustawić stan w jakim dioda jest wyłączona (funkcja “main”)

Zadanie 1.2

skonfigurować TIMER1 w funkcji “TimerInit()” tak aby wywoływał przerwanie dokładnie, co 0,5 sekundy (konfiguracja rejestrów mikrokontrolera – dokumentacja)
uzupełnić kod przerwania “ISR(TIMER1_COMPA_vect)”, którego działanie będzie polegać na mruganiu diodą LED podłączoną do portu PD6 (makro “tbi”)
jak działa program, co się dzieje w pętli głównej programu

2. Obsługa wyświetlacza 7 segmentowego – 1 segment

Budowa pojedynczego segmentu:

Schemat wewnętrzny wyświetlacza 7-segmentowego — Schemat wewnętrzny pojedynczego segmentu wyświetlacza 7-segmentowego.

Powyżej został przestawiony schemat wewnętrzny jednego segmentu wyświetlacza ze wspólną anodą. Nazwa wyświetlacza bierze się od 7 diod LED (A,B,C,D,E,F,G) dodatkowo wyświetlacz posiada 8 diodę, która odpowiada za znak kropki (DP). Diody są ustawione w segment przedstawiony na rysunku:

Oznaczenia diod LED w pojedynczym segmencie

Takie ułożenie pozwala na wyświetlenie wszystkich liter i całego alfabetu za pomocą odpowiedniego wysterowania 7 diodami LED. Np. wyświetlenie cyfry “0” to włączenie diod LED oznaczonych A,B,C,D,E,F. Literę “A” można uzyskać przez włączenie A,B,C,E,F,G.

Schemat wyświetlacza i jego podłączenia na płytce edu został przedstawiony na rysunku poniżej. W górnej części schematu znajduje się tranzystory typu PNP, które pozwalają na wysterowanie/
uruchomienie odpowiedniej kolumny wyświetlacza – tak aby każdy z 4 segmentów mógł wyświetlić inną wartość.

Schemat podłączenia wyświetlacza na płytce EDU

Pierwsze kroki:

podłączyć wyświetlacz zgodnie z schematem:
Podłączenie wyświetlacza 7-segmentowego do mikrokontrolera

Zadanie 2.1

skonfigurować wykorzystane porty mikrokontrolera jako wyjścia -zrobić to w funkcji “seg7Init()”
na wyprowadzenia W1,W2,W3,W4 podać stan niski – przed pętlą “while(1)” w funkcji “main” (jest to rozwiązanie chwilowe – pozwoli na testowanie jednego segmentu)
uzupełnić kod funkcji “seg7ShowCyfra()” tak aby wyświetlała liczby z zakresu 0-9 z wykorzystaniem tablicy “cyfra” (seg7ShowCyfra(0) – ma wyświetlić 0, seg7ShowCyfra(5) ma wyświetlić 5). Należy uzupełnić tablicę cyfra aby wartości odpowiadały za wyświetlanie prawidłowych cyfr.

3. Obsługa wyświetlacza 7 segmentowego – 4 segmenty

W celu obsługi wyświetlacza składającego się z 4 kolumn 7 segmentowych można wykorzystać multipleksowanie. Metoda ta pozwala ograniczyć ilość potrzebnych portów mikrokontrolera, ponieważ na każdy kolejny segment wystarczy 1 wyprowadzenie, czyli do obsługi naszego wyświetlacza mającego 4 kolumny z 7 segmentami wykorzystamy 11 wyprowadzeń (7+4). Sterują bez
multipleksowania potrzebowalibyśmy na każdy segment 7 wyprowadzeń, czyli musielibyśmy wykorzystać 28 wyprowadzeń (7*4). Można prosto ograniczyć ilość potrzebnych połączeń jednak kosztem trudniejszego sterowania. Multipleksowanie polega na szybkim przełączaniu kolejnych segmentów i wyświetlaniu odpowiedniej wartości. Robiąc to odpowiednio szybko ludzkie oko będzie oszukiwane i człowiek zobaczy na wyświetlaczu stałą wartość. Do zrozumienia jak taki efekt uzyskać na płytce EDU należy wrócić do rysunku “Schemat podłączenia wyświetlacza na płytce EDU”, gdzie w górnej części są tranzystory PNP, które pozwalają włączyć/wyłączyć każdą kolumnę niezależnie.

Algorytm multipleksowania:

włączyć kolumnę Wx
wyświetlić cyfrę dla kolumny Wx
wyłączyć kolumnę Wx
operacje powtórzyć dla wszystkich 4 kolumn

Robiąc to odpowiednio szybko otrzymamy stałą wartość składającą się z 4 znaków (4 kolumny)

Zadanie 3.1

usunąć kod realizujący zadanie: “na wyprowadzenia W1,W2,W3,W4 podać stan niski – przed pętlą “while(1)” w funkcji “main”
zmienić główną pętlę “while” na”

C++

while (1) { seg7Show4Cyfry(); _delay_ms(10); }

1
2
3
4

while (1) {
seg7Show4Cyfry();
_delay_ms(10);
}
przygotować funkcję “seg7Show4Cyfry()”, która pozwala wyświetlić na wyświetlaczu liczbę z zakresu 0-9999
wykorzystać przerwanie do zwiększania wartości liczby jaką wyświetlamy (dopisać kod do funkcji “ISR(TIMER1_OVF_vect)”)

4. Zegarek na wyświetlaczu 7 segmentowym

Należy przygotować program, który będzie realizował funkcje zegarka – sekundy odmierzane z wykorzystaniem przerwania wewnętrznego. Czas wyświetlany na wyświetlaczu 7 segmentowym.

Zadanie 4.1

do odmierzania czasu należy wykorzystać przerwanie pochodzące od TIMER1 (skonfigurować przerwanie aby było wywoływane z okresem 1 sekundy)
w funkcji przerwania “ISR(TIMER1_OVF_vect)” należy odpowiednio operować na zmiennych “minuty” i “sekundy” w celu uzyskania prawidłowo odmierzania czasu
wykorzystać funkcję z poprzedniego zadania “seg7Show4Cyfry()” (wpisywać odpowiednią wartość do zmiennej “liczba7Seg”) i zaprezentować aktualny czas na wyświetlaczu 7 segmentowym

5. Zadanie domowe

schemat podłączenia wyświetlacza 7 segmentowego do mikrokontrolera

Zadania na ocenę 5,5:

przygotować funkcję “seg7Show4Litery()” – do tablicy “znaki[4]” -wpisujemy dowolne cyfry, liczby i funkcja wyświetla zawartość na wyświetlaczu 7-segmentowym
przepisać funkcję odpowiedzialną za multipleksowanie do przerwania – tak aby w pętli głównej programu operacje nie blokowały wyświetlacza

Zagadnienia na przyszłe zajęcia:

przetwornik ADC