Работа с пьезоэлементом. 2. Работа с пьезоэлементом. Методические указания к лабораторной работе 2 Работа с пьезодинамиком По дисциплине Информационные технологии
 Скачать 1.28 Mb.
|
|
1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт математики и информационных систем Факультет автоматики и вычислительной техники Кафедра автоматики и телемеханики Методические указания к лабораторной работе №2 «Работа с пьезодинамиком» По дисциплине «Информационные технологии» 2 Цели лабораторной работы: Изучение основ работы пьезодинамиков и микросхем (сборка схем, подключение, программирование микроконтроллера для корректной работы схем), закрепление знаний о среде Arduino. МИКРОКОНТРОЛЛЕР Микроконтроллер — это небольшая микросхема, в которой уже есть процессор, оперативная память и флеш-память. Они бывают разной формы, немного различаются возможностями и производительностью, но суть остаётся неизменной. Он менее мощный, способен выполнять лишь одну задачу, но зато компактный и дешёвый. Микроконтроллер часто является мозговым центром платы, отвечающей за определённую задачу: на него приходят все сигналы, поступающие на плату, а он в свою очередь раздаёт команды всем устройствам, подключённым к ней. Микроконтроллеры используются повсеместно: от бытовых кухонных устройств до элементов управления космическим кораблём, от домофонов до систем безопасности в автомобиле, от радиоуправляемых игрушек до роботов на конвейере завода. Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. 3 Arduino uno Это последняя модель Arduino Rev3 (рисунок 1), оригинальная, произведённая в Италии. Она выполнена на базе процессора ATmega328p с тактовой частотой 16 МГц, обладает памятью 32 кБ и имеет 20 контролируемых контактов ввода и вывода для взаимодействия с внешним миром. Рисунок 1 - Микроконтроллер Arduino Rev3 Питание Arduino Uno может питаться как от USB подключения, так и от внешнего источника: батарейки или обычной электрической сети. Источник определяется автоматически. Платформа может работать при наличии напряжения от 6 до 20 В. Однако при напряжении менее 7 В работа может быть неустойчивой, а напряжение более 12 В может привести к перегреву и повреждению. Поэтому рекомендуемый диапазон: 7−12 В. На Arduino доступны следующие контакты для доступа к питанию: o Vin предоставляет тот же вольтаж, что используется для питания платформы. При подключении через USB будет равен 5 В. o 5V предоставляет 5 В вне зависимости от входного напряжения. На этом напряжении работает процессор. Максимальный допустимый ток, получаемый с этого контакта — 800 мА. o 3.3V предоставляет 3,3 В. Максимальный допустимый ток, получаемый с этого контакта — 50 мА. 4 o GND — земля. Память Платформа оснащена 32 кБ flash-памяти, 2 кБ из которых отведено под так называемый bootloader. Он позволяет прошивать Arduino с обычного компьютера через USB. Эта память постоянна и не предназначена для изменения по ходу работы устройства. Её предназначение — хранение программы и сопутствующих статичных ресурсов. Также имеется 2 кБ SRAM-памяти, которые используются для хранения временных данных вроде переменных программы. По сути, это оперативная память платформы. SRAM-память очищается при обесточивании. Ещё имеется 1 кБ EEPROM-памяти для долговременного хранения данных. По своему назначению это аналог жёсткого диска для Arduino. Ввод / вывод На платформе расположены 14 контактов (pins), которые могут быть использованы для цифрового ввода и вывода. Какую роль исполняет каждый контакт, зависит от вашей программы. Все они работают с напряжением 5 В, и рассчитаны на ток до 40 мА. Также каждый контакт имеет встроенный, но отключённый по умолчанию резистор на 20 - 50 кОм. Некоторые контакты обладают дополнительными ролями: Serial: 0-й и 1-й. Используются для приёма и передачи данных по USB. Внешнее прерывание: 2-й и 3-й. Эти контакты могут быть настроены так, что они будут провоцировать вызов заданной функции при изменении входного сигнала. PWM: 3-й, 5-й, 6-й, 9-й, 10-й и 11-й. Могут являться выходами с широтно-импульсной модуляцией (pulse-width modulation) с 256 градациями. LED: 13-й. К этому контакту подключен встроенный в плату светодиод. Если на контакт выводится 5 В, светодиод зажигается; при нуле — светодиод гаснет. Помимо контактов цифрового ввода/вывода на Arduino имеется 6 контактов аналогового ввода, каждый из которых предоставляет разрешение в 1024 градации. По умолчанию значение меряется между землёй и 5 В, однако 5 возможно изменить верхнюю границу, подав напряжение требуемой величины на специальный контакт AREF. Кроме этого на плате имеется входной контакт Reset. Его установка в логический ноль приводит к сбросу процессора. Это аналог кнопки Reset обычного компьютера. ПЬЕЗОДИНАМИК Пьезоизлучатель звука (рисунок 2) (англ. buzzer) переводит переменное напряжение в колебание мембраны, которая в свою очередь создаёт звуковую волну. Рисунок 2 - Пьезодинамик Иначе говоря, пьезодинамик — это конденсатор, который звучит при зарядке и разрядке. Основные характеристики Таблица 1 - Основные характеристики Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определяет громкость звука в зависимости от частоты управляющего сигнала, который и определяет высоту звучащей ноты. 6 Рисунок 3 - Зависимость громкости звука от частоты Идеальная АЧХ — это прямая, т.е. одинаковая громкость вне зависимости от частоты. Но мир не идеален и разные виды излучателей имеют разные отклонения от идеала. Подключение напрямую Пьезодинамик потребляет всего пару мА, поэтому можно смело подключать его прямо к микроконтроллеру (рисунок 4). Рисунок 4 - прямое подключение к микроконтроллеру Для звучания нужно подавать на динамик квадратную волну (рисунок 5). Какой частоты будет волна, такой частоты будет и звук. Рисунок 5 - квадратная волна, подаваемая на динамик 7 КОНДЕНСАТОР Конденсатор — крошечный аккумулятор, который очень быстро заряжается и очень быстро разряжается. Виды конденсаторов, используемых в Arduino, показаны на рисунке 6. Рисунок 6 - Виды конденсаторов, используемых в Arduino Основные характеристики Таблица 2 - основные характеристики Кодирование номинала Рисунок 7 - Пример кодировки номинала конденсатора 8 Номинал в пФ записан на корпусе (рисунок 7). Первые 2 цифры — основание, 3-я — множитель. Например: - 220 = 22 × 100 пФ = 22 пФ - 471 = 47 × 101 пФ = 470 пФ - 103 = 10 × 103 пФ = 10 000 пФ = 10 нФ - 104 = 10 × 104 пФ = 100 000 пФ = 100 нФ Поведение Если подаваемое напряжение больше внутреннего накопленного, конденсатор будет заряжаться. Если внешнее напряжение меньше внутреннего, конденсатор будет отдавать заряд. Разрядка и зарядка конденсатора изображены на рисунке 8. Рисунок 8 – Зарядка и разрядка конденсатора Время заряда и разряда Для связывания уровня заряда конденсатора с временем используют понятие «постоянной времени τ»: 9 - За τ секунд конденсатор заряжается или разряжается на 63% - За 5×τ секунд конденсатор заряжается или разряжается на 99% - Если резистора в схеме нет, его роль исполняет паразитное сопротивление проводов, разъѐмов, дорожек, составляющее доли Ома ИНВЕРТИРУЮЩИЙ ТРИГГЕР ШМИДТА Триггер Шмидта — это устройство, которое преобразовывает, вероятно, нестабильный аналоговый сигнал в стабильный цифровой (рисунок 9). Суть такова: o Входящий аналоговый сигнал может быть либо восходящим (↗ ), либо нисходящим (↘ ) o В триггере определены 2 пороговых значения: ≈1,6 В — для восходящего сигнала и ≈0,9 В — для нисходящего o Выход триггера становится логической единицей (5 В), только когда восходящий сигнал проходит свой порог в 1,6 В; при этом прохождение восходящим сигналом нижнего порога в 0,9 В будет проигнорированно o Аналогично, выход триггера становится логическим нулём (0 В), только когда нисходящий сигнал проходит свой порог в 0,9 В; при этом прохождение нисходящим сигналом нижнего порога в 1,6 В будет проигнорированно o В остальное время значение выхода сохраняется на прежнем уровне Зона неопределённости между порогами называется гистерезисом. Рисунок 9 - Микросхема 74HC17 (Инвертирующий триггер Шмидта) В данном чипе собраны инвертирующие триггеры. Это означает, что в дополнение к сказанному, выходной цифровой сигнал инвертируется: ноль становится единицей, единица — нулём. Триггер Шмитта может быть полезен для аппаратной стабилизации сигналов. Таких, как сигнал от тактовой кнопки, подверженной эффекту дребезга. 10 Ход работы 1 Эксперимент «Азбука Морзе»: 1.1 Собираем схему, изображенную на рисунках 10 и 11; Рисунок 10 - Визуальная схема сборки Рисунок 11 - Принципиальная схема сборки 1.2 Для приведения данной схемы в рабочее состояние напишем программный код, представленный ниже; int soundPin = 13 ; int dotDelay = 50 ; char theword [] = "help" ; 11 long time ; int rate = 100 ; void sound ( int duration ) { time = millis (); while ( millis () - time < duration ) { digitalWrite ( soundPin , HIGH ); delayMicroseconds ( rate ); digitalWrite ( soundPin , LOW ); delayMicroseconds ( rate ); } } void dot () { sound ( dotDelay ); delay ( dotDelay ); } void dash () { sound ( 3 * dotDelay ); delay ( dotDelay ); } void letterEnd () { delay ( 2 * dotDelay ); } void wordEnd () { delay ( 6 * dotDelay ); } void morseWord ( char theword []) { int len = strlen ( theword ); for ( int i = 0 ; i < len ; ++ i ) morseLetter ( theword [ i ]); wordEnd (); } void morseLetter ( char c ) { switch ( c ) { case 'a' : dot (); dash (); break ; case 'b' : dash (); dot (); dot (); dot (); break ; case 'c' : dash (); dot (); dash (); dot (); break ; case 'd' : dash (); dot (); dot (); break ; case 'e' : dot (); break ; case 'f' : dot (); dot (); dash (); dot (); break ; case 'g' : dash (); dash (); dot (); break ; case 'h' : dot (); dot (); dot (); break ; case 'i' : dot (); dot (); break ; case 'j' : dot (); dash (); dash (); dash (); break ; case 'k' : dash (); dot (); dash (); break ; case 'l' : dot (); dash (); dot (); dot (); break ; case 'm' : dash (); dash (); break ; case 'n' : dash (); dot (); break ; 12 case 'o' : dash (); dash (); dash (); break ; case 'p' : dot (); dash (); dash (); dot (); break ; case 'q' : dash (); dash (); dot (); dash (); break ; case 'r' : dot (); dash (); dot (); break ; case 's' : dot (); dot (); dot (); break ; case 't' : dash (); break ; case 'u' : dot (); dot (); dash (); break ; case 'v' : dot (); dot (); dot (); dash (); break ; case 'w' : dot (); dash (); dash (); break ; case 'x' : dash (); dot (); dot (); dash (); break ; case 'y' : dash (); dot (); dash (); dash (); break ; case 'z' : dash (); dash (); dot (); dot (); break ; case ' ' : wordEnd (); break ; } letterEnd (); } void setup () { pinMode ( soundPin , OUTPUT ); } void loop () { morseWord ( theword ); } 1.3 Проверяем работоспособность собранной схемы, подключив ее к источнику тока. 2 Эксперимент «Азбука Морзе со светодиодным индикатором»: 2.1 Собираем схему, изображенною на рисунках 12 и 13; Рисунок 12 - Визуальная схема сборки 13 Рисунок 13 - Принципиальная схема сборки 2.2 Для приведения данной схемы в рабочее состояние напишем программный код, представленный ниже; int LedPin = 12 ; int soundPin = 13 ; int dotDelay = 50 ; char theword [] = "help" ; long time ; int rate = 100 ; void sound ( int duration ) { time = millis (); while ( millis () - time < duration ) { digitalWrite ( soundPin , HIGH ); delayMicroseconds ( rate ); digitalWrite ( soundPin , LOW ); delayMicroseconds ( rate ); } } void dot () { sound ( dotDelay ); digitalWrite ( LedPin , HIGH ); delay ( dotDelay ); digitalWrite ( LedPin , LOW ); } void dash () { sound ( 3 * dotDelay ); digitalWrite ( LedPin , HIGH ); delay ( 3 * dotDelay ); digitalWrite ( LedPin , LOW ); } void letterEnd () { delay ( 2 * dotDelay ); 14 } void wordEnd () { delay ( 6 * dotDelay ); } void morseWord ( char theword []) { int len = strlen ( theword ); for ( int i = 0 ; i < len ; ++ i ) morseLetter ( theword [ i ]); wordEnd (); } void morseLetter ( char c ) { switch ( c ) { case 'a' : dot (); dash (); break ; case 'b' : dash (); dot (); dot (); dot (); break ; case 'c' : dash (); dot (); dash (); dot (); break ; case 'd' : dash (); dot (); dot (); break ; case 'e' : dot (); break ; case 'f' : dot (); dot (); dash (); dot (); break ; case 'g' : dash (); dash (); dot (); break ; case 'h' : dot (); dot (); dot (); break ; case 'i' : dot (); dot (); break ; case 'j' : dot (); dash (); dash (); dash (); break ; case 'k' : dash (); dot (); dash (); break ; case 'l' : dot (); dash (); dot (); dot (); break ; case 'm' : dash (); dash (); break ; case 'n' : dash (); dot (); break ; case 'o' : dash (); dash (); dash (); break ; case 'p' : dot (); dash (); dash (); dot (); break ; case 'q' : dash (); dash (); dot (); dash (); break ; case 'r' : dot (); dash (); dot (); break ; case 's' : dot (); dot (); dot (); break ; case 't' : dash (); break ; case 'u' : dot (); dot (); dash (); break ; case 'v' : dot (); dot (); dot (); dash (); break ; case 'w' : dot (); dash (); dash (); break ; case 'x' : dash (); dot (); dot (); dash (); break ; case 'y' : dash (); dot (); dash (); dash (); break ; case 'z' : dash (); dash (); dot (); dot (); break ; case ' ' : wordEnd (); break ; } letterEnd (); } void setup () { pinMode ( soundPin , OUTPUT ); } void loop () { morseWord ( theword ); } 15 2.3 Проверяем работоспособность собранной схемы, подключив ее к источнику тока. 3 Эксперимент «Терменвокс»: 3.1 Собираем схему, изображенную на рисунках 14 и 15; Рисунок 14 - Визуальная схема сборки Рисунок 15 - Принципиальная схема сборки 3.2 Для приведения данной схемы в рабочее состояние напишем программный код, представленный ниже; #define BUZZER_PIN 3 #define LDR_PIN A0 void setup () { pinMode ( BUZZER_PIN , OUTPUT ); } void loop () { int val , frequency ; val = analogRead ( LDR_PIN ); frequency = map ( val , 0 , 1023 , 3500 , 4500 ); 16 tone ( BUZZER_PIN , frequency , 20 ); } 3.3 Проверяем работоспособность собранной схемы, подключив ее к источнику тока. 4 Эксперимент «Мерзкое пианино»: 4.1 Собираем схему, изображенную на рисунках 16 и 17; Рисунок 16 - Визуальная схема сборки Рисунок 17 - Принципиальная схема сборки 4.2 Для приведения данной схемы в рабочее состояние напишем программный код, представленный ниже; #define BUZZER_PIN 13 #define FIRST_KEY_PIN 7 #define KEY_COUNT 3 void setup () { pinMode ( BUZZER_PIN , OUTPUT ); } void loop () { 17 for ( int i = 0 ; i < KEY_COUNT ; ++ i ) { int keyPin = i + FIRST_KEY_PIN ; boolean keyUp = digitalRead ( keyPin ); if (! keyUp ) { int frequency = 3500 + i * 500 ; tone ( BUZZER_PIN , frequency , 20 ); } } } 4.3 Проверяем работоспособность собранной схемы, подключив ее к источнику тока. 5 Эксперимент «Мерзкое пианино с 5 кнопками»: 5.1 Собираем схему, изображенную на рисунках 18 и 19; Рисунок 18 - Визуальная схема сборки 18 Рисунок 19 - Принципиальная схема сборки 5.2 Для приведения данной схемы в рабочее состояние напишем программный код, представленный ниже; #define BUZZER_PIN 13 #define FIRST_KEY_PIN 5 #define KEY_COUNT 5 int music [] = { 2500 , 3000 , 3500 , 4000 , 4500 }; void setup () { pinMode ( BUZZER_PIN , OUTPUT ); } void loop () { for ( int i = 0 ; i < KEY_COUNT ; ++ i ) { int keyPin = i + FIRST_KEY_PIN ; boolean keyUp = digitalRead ( keyPin ); if (! keyUp ) { tone ( BUZZER_PIN , music [ keyPin - 5 ], 20 ); } } } 5.3 Проверяем работоспособность собранной схемы, подключив ее к источнику тока. 6 Эксперимент «Кнопочные ковбои»: 6.1 Собираем схему, изображённую на рисунках 20 и 21; 19 Рисунок 20 - Визуальная схема сборки Рисунок 21 - Принципиальная схема сборки 6.2 Для приведения данной схемы в рабочее состояние напишем программный код, представленный ниже; #define BUZZER_PIN 12 #define PLAYER_COUNT 2 int buttonPins [ PLAYER_COUNT ] = { 3 , 13 }; int ledPins [ PLAYER_COUNT ] = { 9 , 11 }; void setup () { pinMode ( BUZZER_PIN , OUTPUT ); for ( int player = 0 ; player < PLAYER_COUNT ; ++ player ) { pinMode ( ledPins [ player ], OUTPUT ); pinMode ( buttonPins [ player ], INPUT_PULLUP ); } } void loop () { delay ( random ( 2000 , 7000 )); tone ( BUZZER_PIN , 3000 , 250 ); for ( int player = 0 ; ; player = ( player + 1 ) % PLAYER_COUNT ) { 20 if (! digitalRead ( buttonPins [ player ])) { digitalWrite ( ledPins [ player ], HIGH ); tone ( BUZZER_PIN , 4000 , 1000 ); delay ( 1000 ); digitalWrite ( ledPins [ player ], LOW ); break ; } } } 6.3 Проверяем работоспособность собранной схемы, подключив ее к источнику тока. 7 Эксперимент «Кнопочные ковбои с полосой здоровья»: 7.1 Собираем схему, изображенную на рисунке 22; Рисунок 22 - Визуальная схема сборки 7.2 Для приведения данной схемы в рабочее состояние напишем программный код, представленный ниже; #define BUZZER_PIN 12 // пин с пищалкой #define PLAYER_COUNT 2 // количество игроков-ковбоев #define LED_COUNT 3 // кол-во светодиовов для одного игрока int buttonPins [ PLAYER_COUNT ] = { 3 , 13 }; int players_led [ PLAYER_COUNT ][ LED_COUNT ] = {{ 4 , 5 , 6 },{ 7 , 8 , 10 }}; int players_health [ PLAYER_COUNT ] = { 2 , 2 }; // Жизнь в диапазон от -1 до 2 int count_kill = 0 ; // Кол-во убитых игроков // Отбираем 1 жизнь у игрока с индексом player void HealthMinus ( int player ){ digitalWrite ( players_led [ player ][ players_health [ player ]], LOW ); players_health [ player ]--; } 21 // Звук победы void SoundWin (){ for ( int i = 0 ; i <= 2 ; i ++){ tone ( BUZZER_PIN , 4000 , 200 ); delay ( 400 ); } } // Возвращаем все в исходное состояние void Clear (){ count_kill = 0 ; for ( int i = 0 ; i < PLAYER_COUNT ; ++ i ){ for ( int j = 0 ; j < LED_COUNT ; ++ j ){ digitalWrite ( players_led [ i ][ j ], HIGH ); } players_health [ i ] = 2 ; } } void setup () { pinMode ( BUZZER_PIN , OUTPUT ); for ( int player = 0 ; player < PLAYER_COUNT ; ++ player ) { for ( int i = 0 ; i < LED_COUNT ; ++ i ){ pinMode ( players_led [ player ][ i ], OUTPUT ); digitalWrite ( players_led [ player ][ i ], HIGH ); } pinMode ( buttonPins [ player ], INPUT_PULLUP ); } } void loop () { while ( true ){ // Даём сигнал «пли!», выждав случайное время от 2 до 7 сек delay ( random ( 2000 , 7000 )); tone ( BUZZER_PIN , 3000 , 250 ); for ( int player = 0 ; ; player = ( player + 1 ) % PLAYER_COUNT ) { // Запрещаем убитым игрокам участвовать в новом раунде if ( players_health [ player ] != - 1 ){ // Если игрок номер «player» нажал кнопку... if (! digitalRead ( buttonPins [ player ])) { // Отнимаем жизни у всех проигравших игроков for ( int i = 0 ; i < PLAYER_COUNT ; ++ i ){ if ( i != player ){ HealthMinus ( i ); // Проверяем, умер ли проигравший игрок if ( players_health [ i ] == - 1 ){ count_kill ++; } } } tone ( BUZZER_PIN , 4000 , 1000 ); delay ( 1000 ); break ; } } } //Если в живых остался лишь один игрок if ( count_kill == PLAYER_COUNT - 1 ){ 22 SoundWin (); break ; } } Clear (); delay ( 2000 ); } 7.3 Проверяем работоспособность собранной схемы, подключив ее к источнику тока. 8 Эксперимент «Перетягивание каната»: 8.1 Собираем схему, изображенную на рисунках 23 и 24; Рисунок 23 - Визуальная схема сборки Рисунок 24 - Принципиальная схема сборки 8.2 Для приведения данной схемы в рабочее состояние напишем программный код, представленный ниже; #define BUZZER_PIN 0 #define FIRST_BAR_PIN 4 #define BAR_COUNT 10 #define MAX_SCORE 20 23 volatile int score = 0 ; void setup () { for ( int i = 0 ; i < BAR_COUNT ; ++ i ) pinMode ( i + FIRST_BAR_PIN , OUTPUT ); pinMode ( BUZZER_PIN , OUTPUT ); attachInterrupt ( INT1 , pushP1 , FALLING ); attachInterrupt ( INT0 , pushP2 , FALLING ); } void pushP1 () { ++ score ; } void pushP2 () { -- score ; } void loop () { tone ( BUZZER_PIN , 2000 , 1000 ); while ( abs ( score ) < MAX_SCORE ) { int bound = map ( score , - MAX_SCORE , MAX_SCORE , 0 , BAR_COUNT ); int left = min ( bound , BAR_COUNT / 2 - 1 ); int right = max ( bound , BAR_COUNT / 2 ); for ( int i = 0 ; i < BAR_COUNT ; ++ i ) digitalWrite ( i + FIRST_BAR_PIN , i >= left && i <= right ); } tone ( BUZZER_PIN , 4000 , 1000 ); while ( true ) {} } 8.3 Проверяем работоспособность собранной схемы, подключив ее к источнику тока. Вопросы для самопроверки: ○ Что такое пьезоэлемент? ○ Можно ли устроить полифоническое звучание с помощью функции tone? ○ Почему разные «ноты», издаваемые пищалкой, звучат с разной громкостью? ○ В чем разница между INPUT и INPUT PULLUP? ○ Можно ли поместить в один массив элементы типа boolean и int? ○ Для чего испльзуется инвертирующий триггер Шмидта? 24 ОГЛАВЛЕНИЕ Цели лабораторной работы.........................................................................2 МИКРОКОНТРОЛЛЕР……………………………………………………...2 Arduino uno…………………………………………………………………3 Питание……………………………………………………………………..3 Память............................................................................................................4 Ввод/вывод....................................................................................................4 ПЬЕЗОДИНАМИК..........................................................................................5 Основные характеристики...........................................................................5 Подключение напрямую..............................................................................6 КНДЕНСАТОР................................................................................................7 Основные характеристики...........................................................................7 Кодирование номинала................................................................................7 Поведение......................................................................................................8 Время разряда и заряда................................................................................8 ИНВЕРТИРУЮЩИЙ ТРИГГЕР ШМИДТА................................................9 |