MEMS cvičenie 3: Rozdiel medzi revíziami

Verzia z 13:57, 18. február 2022

Cieľom tohoto cvičenia je zobraziť meranú veličinu na displeji a v počítači.

Lokálne zobrazenie meranej veličiny

V tejto časti cvičenia zobrazíme meranú veličinu na miestnom LED alebo LCD displeji mikropočítača. Displej môžeme použiť buď 7-segmentový s LED alebo komplexnejší programovateľný LCD. Z tejto časti vám nevyplýva žiadna úloha, len si pozrite príklady aby ste ich vedeli prípadne implementovať na svojom vlastnom reálnom Arduine s nejakým displejom.

Sedemsegmentový zobrazovač

Ak sa vám príklad nezobrazí správne priamo tu, použite tento odkaz.

Sedemsegmentový 4-miestny LED displej

4-miestny 7-segmentový displej
- Product page http://www.gme.sk/hd-m324rd-p512-924
- Datasheet http://www.gme.sk/img/cache/doc/512/924/hd-m324rd-datasheet-1.pdf
- Animácia k 7seg displeju: http://www.uize.com/examples/seven-segment-display.html

Programovanie

Z tejto časti nemusíte mať obavy, programovanie je jednoduché a budeme využívať existujúce programy s knižnicami, ktoré si len zľahka modifikujete pre svoje potreby.

Programovací jazyk aj prostredie: Arduino
Knižnica SevSeg: https://github.com/sparkfun/SevSeg

Ukážkové programy:

#include <SevSeg.h>

SevSeg MyDisp; //Instantiate a seven segment controller object

void setup()
{
  byte numDigits = 4;   
  byte digitPins[] = {2, 3, 4, 5};                    // Digits:   1,2,3,4
  byte segmentPins[] = {6, 7, 8, 11, 12, 13, 14, 15}; // Segments: A,B,C,D,E,F,G,Period

  MyDisp.begin(COMMON_ANODE, numDigits, digitPins, segmentPins);
  MyDisp.setBrightness(80); 
}

void loop()
{
  MyDisp.setNumber(1234,9);  // Second argument is decimal place

  MyDisp.refreshDisplay();   // Must run repeatedly
}

#include "SevSeg.h"
SevSeg myDisplay;

#define FOUR_DIGITS 4
#define A1 2
#define A2 3
#define A3 4
#define A4 5
#define SegA 6
#define SegB 7
#define SegC 8

int value;
int oldvalue;
char tempString[5];

//-------------------------------------------------------------------------------------------

void setup()
{
  value = 0;
  oldvalue = 0;

  myDisplay.Begin(COMMON_ANODE, FOUR_DIGITS, A1, A2, A3, A4, SegA, SegB, SegC, 11, 12, 13, 14, 15);
  myDisplay.SetBrightness(100); //Set the display to 100% brightness level
}
//-------------------------------------------------------------------------------------------
void loop()
{
  value = analogRead(5);                          // measurement
  value = (15*oldvalue + value)/16;               // simple filter
   sprintf(tempString, "%4d",  (long)value, DEC); // create output string
   myDisplay.DisplayString(tempString, 0);        // display value on disp
   oldvalue = value;
    
}
//-------------------------------------------------------------------------------------------

Rozličné neusporiadané linky:

Animácia k 7seg displeju: http://www.uize.com/examples/seven-segment-display.html
Nas displej:
- Product page http://www.gme.sk/hd-m324rd-p512-924
- Datasheet http://www.gme.sk/img/cache/doc/512/924/hd-m324rd-datasheet-1.pdf
Schema zapojenia Arduino https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/Arduino-Pro-schematic.pdf

Programovateľný LCD displej

LCD zobrazovač. Klávesnica.
Obšírnejšie informácie o displejoch (prednáška z predmetu MMP)

Ak sa vám príklad nezobrazí správne priamo tu, použite tento odkaz.

LCD Modul

Vlastnosti:

2x8 LCD Displej bez podsvetlenia
4 Tlačítka
Trimer na zmenu kontrastu

Technické parametre:

Napájanie: 5 V @ 15 mA
Pripojenie: 4-Bit parallel interface (Hitachi HD44780 compatible)
Rozmery: 60 x 50 x 20 mm
Pracovná teplota: 0 až +70 °C

Najprv sa snažte pochopiť, ako je vytvorený vzorový program, ako sa konfiguruje pripojenie LCD k portom, skontrolujte konfiguráciu. Potom modifikujte program z predošlého cvičenia tak, aby sa meraná hodnota polohy potenciometra zobrazila na displeji. Zobrazte aj inžinierske jednotky.

Literatúra

Katalógové listy
- Radič Hitachi HD44780
- Displej 2x16 DEM 16216 SYH-LY
- Displej 2x16 DEM 20231 SYH-PY
- 2x16 Parallel LCD datasheet
- Podrobné manuály sú aj u výrobcu Hantronix.

Peter Ouwehand: How to control a HD44780-based Character-LCD
Ian Harries: HD44780-Based LCD Modules'
Tomáš Dresler: Inteligentní displeje a jejich připojení k PC. [hw.cz]
Nuts & Volts: Demystifying Character Based LCDs
Stamp Works - pp. 73 and more [1]

Arduino

Nasledovný príklad je pre Arduino.

Pozn.: Ak budete vypisovať najprv štvorciferné číslo a potom trojciferné, nezabudnite to štvorciferné najprv vymazať, inak vám tam posledná cifra bude "visieť". Vymazať sa dá napríklad takto:

  //        12345678
 lcd.print("        ");

LCD Library

/*
  LiquidCrystal Library - Hello World
 
 Demonstrates the use a 8x2 LCD display.  
 
   The circuit:
 * LCD RS pin to digital pin 3
 * LCD R/W pin to digital pin 2
 * LCD Enable pin to digital pin 1
 * LCD D4 pin to digital pin 4
 * LCD D5 pin to digital pin 5
 * LCD D6 pin to digital pin 6
 * LCD D7 pin to digital pin 7                    
 */

#include <LiquidCrystal.h>           // include the library 

// initialize the library with the numbers of the interface pins
//  LiquidCrystal(RS, RW, EN, D4, D5, D6, D7) 
LiquidCrystal lcd( 3,  2,  1,  4,  5,  6,  7);

void setup() {
  // set up the LCD's number of columns and rows: 
  lcd.begin(8, 2);
  // Print a message to the LCD.
  lcd.print("Ahoj!");
}

void loop() {
  // set the cursor to column 0, line 1
  // (note: line 1 is the second row, since counting begins with 0):
  lcd.setCursor(0, 1);
  // print the number of seconds since reset:
  lcd.print(millis()/1000);
  // print the status of buttons:
  lcd.setCursor(6, 0);
  lcd.print(ReadButtons(),HEX);
  
}


/* ------------------------------------------------------- */
/*  Read and debounce the LCD AppMod buttons               */
/*                                                         */
/*  Returns 0 if nothing  is pressed                       */
/*  Returns 1 if button A is pressed                       */
/*  Returns 2 if button B is pressed                       */
/*  Returns 4 if button C is pressed                       */
/*  Returns 8 if button D is pressed                       */
/*  Returns combination if more is pressed (e.g. 6 for B+C)*/
/*                                                         */
/* ------------------------------------------------------- */

unsigned char ReadButtons()
{
  DDRD  = 0b00001110;                // make LCD bus inputs
  unsigned char state = 0xFF;           // assume nothing pressed
  
  for(int scan = 1; scan<=10; scan++)
  {
   state = state & ((PIND&0xF0)>>4); // make sure button held
   delay(5);                     // debounce 10 x 5 ms
  }

  DDRD  = 0b11111110;				 // return bus to outputs
  
  return(state);
}

Misc:

Prečo je takto napísaná a ako vlastne funguje lepšie zistíte, keď si preštudujete schému zapojenia:

Zobrazenie v PC

Vysielač - Arduino

Meranú veličinu odmeriame procesorom, po prevode A/D prevodníkom a úprave linearizáciou z predošlých cvičení budeme hodnotu posielať po sériovej linke s parametrami 9600-N-8-1 do PC. Ak máte doma Arduino, môžete použiť program na vysielanie hodnoty z potenciometra pripojeného na niektorý analógový vstup, alebo len posielať náhodne vygenerované hodnoty. Program môže vyzerať napríklad takto:

int adcValue = 0;

void setup() {

      Serial.begin(9600);
}


void loop() 
{

 /* This part of code is for real measurement from Channel 0 */

  adcValue = 0;                           // Filter - average from 16 values 
  for (int i = 1; i<=16; i++)
    adcValue = adcValue + analogRead(0);
  adcValue = adcValue/16;
 
/* Uncomment this part of code, if you want just simulated values */
/*
     if (adcValue < 1023)
          adcValue = adcValue + random(-1,2);
      else
          adcValue = 0;
*/
 
  char tempString[10];                     // Used for sprintf
  sprintf(tempString, "%4d",adcValue);     // Convert into a string that is right adjusted
  //sprintf(tempString, "%d", adcValue);   // Convert into a string that is left adjusted (requires digit 1 command)
  //sprintf(tempString, "%04d", adcValue); // Convert into a string with leading zeros
  //sprintf(tempString, "%4X", adcValue);  // Convert int  HEX, right adjusted
  
 
  Serial.println(tempString);              // Send the value using serial to PC

  delay(100);
}

Hodnoty, ktoré PC prijíma si môžete pozrieť v terminálovom okne priamo v prostredí Arduino, alebo použite radšej profesionálny sériový terminál (napr. Terminal).

Serial Terminal by Bray

Na testovanie a prvé pokusy so sériovým rozhraním sa vám určite zíde aj nejaký terminálový program, masochisti môžu použiť aj Hyperterminál z Windows. Terminál je jednoduchý program, v ktorom sa zobrazujú všetky prijaté znaky a naopak, je možné nejaké iné znaky odvysielať. Dajú sa samozrejme aj nastaviť základné komunikačné parametre.

Terminal by Bray++, neinštaluje sa, len spustí.
Terminal -- lokálna kópia

Ukážka práce s Terminalom vrátane správneho nastavenia parametrov

Prijímač - Processing

Ak hodnoty chodia tak ako potrebujeme (skontrolujte nastavenie parametrov rýchlosť-parita-počet bytov-počet stopbitov) navrhneme si krajší zobrazovací program (appku, ak chcete).

Na to využijeme prostredie Processing, ktoré vyzerá veľmi podobne ako to Arduinovské, ale generuje program pre Windows (alebo aj pre linux, či iOS). Prostredie Processing je na počítačoch v laboratóriu už nainštalované, doma si môžete nainštalovať odtiaľto: https://processing.org/

Okrem toho si stiahnite a nainštalujte do svojho OS tento pekný font https://fontlibrary.org/en/font/segment7 ktorým budeme veličinu vypisovať.

V prostredí processing preložte a spustite nasledovný program

import processing.serial.*;

 int adcValue = 0;        // value received from Serial 
 // String Unit="mA";
 // String Unit="kΩ";
 // String Unit="°C";     // We can use Unicode chars directly
 String Unit="\u00B0C";   // Unicode codes may be entered as well
 
 Serial myPort;
 PFont Segment, Units; 

 void setup() {
                          // Setup the display window 
  size(480, 180);         // Size of the window
  Segment = createFont("Segment7", 150);  // Assign fonts and size 
  Units = createFont("Arial", 40);
  textFont(Segment);
  textAlign(RIGHT);        // Text align 
  fill(250,250,0);         // Font color is yellow = red + green

  println(Serial.list());    // List all the available serial ports
  // Then open the port  you're using, my is the first, i.e. '0'
   myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600);
 // don't generate a serialEvent() unless you get a newline character:
   myPort.bufferUntil('\n');
 }

void draw()
{                      // Let's start to display
  background(0,0,0);   // set the background color black

  textFont(Segment);
  text(adcValue, 400, 150);
  
  textFont(Units);
  text(Unit,465,65);
}


void serialEvent(Serial myPort) 
{
 String inString = myPort.readStringUntil('\n');    // get the ASCII string:
 if (inString != null) 
    {
     inString = trim(inString);     // trim off any whitespace
     adcValue = int(inString);      // convert into an integer
     adcValue =int(map(adcValue, 0, 1023, 0, 1023));  // possible range adjusting
    }
 }

Preštudujte aj komentované časti programov!

Ak chceme aj nejaký grafický výstup, tak použijeme buď G4P knižnicu, alebo knižnicu Meter pre Processing. Pekný príklad je napr. tu: https://deepbluembedded.com/esp32-temperature-sensor-lm35-interfacing-arduino/

Pomôcky

Ako si v Processingu vyberiem, na ktorý port bude pripojený?

Po spustení programu príkazom println(Serial.list()); do konzoly vypíšeme zoznam dostupných portov.

Na obrázku vyššie vidno, že máme dostupné tri porty, COM1:, COM2: a COM3:

Ak chceme komunikovať cez COM2:, musíme pri otváraní použiť index 1, t.j. Serial.list()[1] a nastaviť rýchlosť 9600.

Ako si v Processingu vyberiem font?

Font musíte najprv normálne nainštalovať do operačného systému (stiahnuť font, kliknúť, zobrazí sa ukážka, nainštalovať). Potom príkazom Segment = createFont("Segment7", 150); spravíte smerník na príslušný font, ale musíte vedieť, ako sa volá. Niekedy je problém v tom, že súbor s fontom sa nazýva inak, ako samotný font. Napokon treba v menu Processing zvoliť Tools -> Create Font. Tým sa vytvorí v priečinku so zdrojákom vášho programu podadresár 'data' a v ňom potrebné bitmapy pre váš program.

Nemám doma Arduino!

Ak nemáte Arduino, môžete si program v Processingu vyskúšať aj tak. Nainštalujete si dvojicu virtuálnych sériových portov napr. https://www.eltima.com/products/vspdxp/ - stačí základnú verziu Standard, ktorá je bezplatne k dispozícii 14 dní. V systéme vám vzniknú dva nové sériové porty. Jeden otvoríte v termináli, cez neho budete posielať čísla, ktoré chcete zobraziť. Druhý port použijete ako prijímací v Processingu.

Nepovinne: Grafické priebehy na PC --Serial Plotter =

Serial Plotter je trocha sofistikovanejší program ako Terminal, jeho úlohou je zakresliť graficky všetky prijaté informácie. Najjednoduchšie je posielať mu čísla, pričom ich môže byť aj viac, oddelených čiarkami. Každá jedna n-tica hodnôt musí končíť znakom pre nový riadok. V knižnici Serial použite bloky Serial Write Number pre čísla, Serial Write String pre čiarky a Serial Write Line pre ukončenie riadka. Neposielajte hodnoty príliš často, aby sa nepreplnil vstupný buffer.

Graphics in Arduino IDE: http://www.idogendel.com/en/archives/489
https://rheingoldheavy.com/new-arduino-serial-plotter/

Trocha zlozitejsie:

Linearizácia prevodovej charakteristiky

1. Look-up table

 #include <avr/pgmspace.h>

 const PROGMEM int table[] = {11,12,15,...};
 
 return( table[adcValue] );

Viac info tu: https://www.arduino.cc/en/Reference/PROGMEM

2. Po častiach lineárna náhrada

  /* segment 1 */
 if (adcValue > x0) && (adcValue <= x1)
   y = k1 * adcValue + q1;

  /* segment 2 */
if (adcValue > x1) && (adcValue <= x2)
   y = k2 * adcValue + q2;

 return(y)

Dá sa použiť aj funkcia map v Arduine - https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/math/map/

3. Aproximácia funkcie

   y = a2 * adcValue^2 + a1 * adcValue + a0;
   return(y);

http://terpconnect.umd.edu/~toh/spectrum/CurveFitting.html

Úlohy

Úlohy, ktoré treba odovzdať:

1. cvičenie: reálna alebo nasimulovaná charakteristika snímača
2. cvičenie: linearizovaná reálna alebo simulovaná charakteristika
3. cvičenie: screenshot alebo video z prenosu dát do PC

Hodnotenie: 3 body

Deadline: 14. 3. 2021

Návrat na zoznam cvičení...