Arduino prezentuje działanie bramki logicznej AND

Transkrypt

1 Arduino prezentuje działanie bramki logicznej AND Dwa przyciski połączone szeregowo Brama logiczna AND jest jednym z układów komputerowych przeznaczonych do podejmowania podstawowych decyzji dotyczących elektrycznych sygnałów wejściowych. Budowa bramki logicznej AND wymaga okablowania styków elektrycznych dwóch przełączników w obwodzie łańcuchowym lub szeregowym. Decyzja na wyjściu bramki logicznej AND jest oparta na obu elementach danych wejściowych (tj. obu przełączników przyciskowych) znajdujących się w tym samym stanie. W tym opracowaniu znajdziemy trochę informacji na temat bramki logicznej AND, budując przy użyciu Arduino bramkę logiczną i wykorzystując dodatkowo fotokomórkę, przełączniki przyciskowe i diody LED. Do skonstruowania naszego układu bramki logicznej AND na Arduino potrzebne są następujące elementy:! Mikrokontroler Arduino! Zestaw MakerShield! S1: przełącznik przyciskowy! S2: przełącznik przyciskowy! R1: rezystor 1kΩ (paski: brązowy, czarny, czerwony)! R2: potencjometr 10kΩ (dla obwodu podstawowego bramki logicznej AND)! R2: fotokomórka (dla obwodu bramki logicznej AND Arduino)! R3: rezystor 1kΩ (paski: brązowy, czarny, czerwony) dla obwodu podstawowego bramki logicznej AND! R3: rezystor 10kΩ (paski: brązowy, czarny, pomarańczowy) dla obwodu bramki logicznej AND Arduino! R4: rezystor 330Ω (pasek pomarańczowy, pomarańczowy, brązowy)! LED1: zielona dioda LED (dla obwodu bramki logicznej AND Arduino)! LED1: czerwona dioda LED (dla obwodu podstawowego bramki logicznej AND)! Battery1: bateria 3V DC Rysunek 1 przedstawia zmontowaną bramkę logiczną Arduino AND. Rys. 1. Widok zmontowanej na bazie Arduino bramki logicznej AND Uwaga techniczna W elektronice cyfrowej stan TRUE jest wtedy, gdy bit danych jest ustawiony na 1 lub pin wyjściowy jest ustawiony na +5 V lub wyłącznik jest zamknięty. Stan FALSE jest wtedy, gdy bit danych jest równy 0 lub pin wyjściowy jest ustawiony na 0V lub przełącznik jest otwarty (rozwarty). Opis działania obwodu Bramka logiczna AND to obwód komputerowy, który wyprowadza TRUE, jeśli dwa elementy danych wejściowych mają taki sam stan. Elektronika cyfrowa używa dwóch stanów binarne: TRUE lub FALSE. Obwody elektryczne stosowane w cyfrowych układach elektronicznych do budowy bram logiki komputerowej będą zamykane lub otwierane, reprezentując stan TRUE lub FALSE. 1

2 SW1 SW1 Bateria 5V SW2 R2 Bateria 5V SW2 R2 R1 LED1 LED OFF R1 LED1 LED ON Rys. 2. Schemat układu przedstawiający bramkę logiczną AND sterującą diodą LED Na rysunku 2 przedstawiono podstawowy schemat elektryczny bramki logicznej AND w dwóch różnych stanach. Po lewej stronie pokazano obwód z obydwoma przełącznikami wyłączonymi (otwartymi). W tym stanie wyjście dla obu przycisków jest FALSE, a dioda LED będzie wyłączona (nie świeci). Po prawej stronie pokazano obwód, gdy oba przełączniki są zwarte (zamknięte). W tym stanie wyjście jest TRUE, a dioda LED jest włączona (świeci). Działanie bramki logicznej AND można łatwo zaprogramować w mikrokontrolerze Arduino, jak pokazano na rysunku 1. Tworzenie bramki logicznej AND Arduino wymaga kilku podstawo- LED1: S2: Dioda LED Przycisk 2 czerwona Battery1: Dwie baterie 3VDC typu AA S1: Przycisk 1 R4: Rys. 3. Schemat połączeń bramki logicznej; po płaskiej stronie diody LED znajduje się wyprowadzenie ujemne ( ) 2

3 wych elementów elektronicznych wchodzących w skład zestawu Ulitmate Microcontroller Pack. Operator logiczny AND jest częścią biblioteki szkicu Arduino. Bramka logiczna Arduino AND włącza diody LED, gdy dwa sygnały wejściowe są TRUE i mają stan logiczny HIGH. Powodem używania mikrokontrolera Arduino do zbudowania bramki logicznej AND są zalety używania inteligentnego układu scalonego do tworzenia logicznych funkcji bramek. Uwaga techniczna Gdy podzespoły elektryczne / elektroniczne są połączone z wyjściem jednego elementu wchodzącego w skład następnego, mówimy o obwodzie szeregowym. Rysunek 3 na poprzedniej stronie przedstawia schemat okablowania naszego układu bramki logicznej AND. Podobnie jak bramka logiczna NOT, bramka logiczna AND posiada specjalny symbol schematowy pokazany na rysunku 4. Tablica prawdy (TT truth table) przedstawia operacje bramki logicznej. Na rysunku 5 pokazano tablice prawdy bramki logicznej AND. INPUT 1 (WEJŒCIE 1) INPUT 2 (WEJŒCIE 2) Rys. 4. Symbol bramki logicznej AND WYJŒCIE INPUT 1 INPUT 2 OUTPUT WEJŚCIE 1 WEJŚCIE 2 WYJŚCIE OFF OFF OFF OFF ON OFF ON OFF OFF ON ON ON Rys. 5. Tabela prawdy bramki logicznej AND Dlaczego warto użyć mikrokontrolera Arduino do zbudowania bramki logicznej AND? Bramka logiczna AND to prosty obwód elektryczny, w którym ciąg przełączników przyciskowych jest połączony szeregowo. Można teraz połączyć je przewodami i uzyskać te same wyniki bez Arduino. Tak więc pytanie Dlaczego używać mikrokontrolera Arduino do zbudowania bramki logicznej AND? jest bardzo ważne. Mikroprocesor Arduino, podobnie jak wszystkie mikrokontrolery, posiada pakiet instrukcji programowania, które są zbudowane zasadniczo wokół operatorów logicznych (AND, exclusive OR [XOR], OR i NIE [Complement (CPL)]). Te operatory logiczne można wykorzystać do podejmowania decyzji w oparciu o stan przełączników przycisków (otwartych lub zamkniętych) i przy użyciu odpowiedniego operatora logicznego. Jak zobaczymy, rzeczywiście można sprawić, że ten sam obwód zachowuje się inaczej, po prostu zmieniając kod Arduino! Czy świat komputerów nie jest wspaniały? Brama logiczna Arduino AND Powtórzymy budowę bramkę logiczną AND, używając Arduino. Aby układ był interesujący, użyjemy fotokomórki, aby wymienić jeden z przełączników przyciskowych z rysunku 1. Na rysunku 6 pokazano bramkę logiczną Arduino AND, z wyłączoną diodą LED. Umieszczenie kawałka taśmy na fotokomórce (aby nie dopuścić do niej światła, tak symulując noc) spowoduje, że pin wejściowy D4 TRUE dla mikrokontrolera Arduino. Naciśnięcie przycisku powoduje, że PIN D3 staje się TRUE. Przy obu wejściach TRUE zielona dioda LED włącza się, jak pokazano na rysunku 7. Rysunek 8 przedstawia schemat okablowania do wykorzystania przy budowaniu bramki logicznej Arduino AND. Jak pokazano na rysunkach 1, 7 i 8, można zbudować bramkę logiczną Arduino AND na nakładce MakerShield. Maker- Shield sprawia, że projekt jest przenośny, dzięki czemu można go zabrać, aby pokazać rodzinie i znajomym podstawową bramę logiczną używaną w komputerach, telefonach komórkowych, robotyce i innych inteligentnych urządzeniach elektronicznych. 3

4 Rys. 6. Bramka logiczna Arduino AND z wyłączoną diodą LED Rys. 7. Bramka logiczna Arduino AND z włączoną diodą LED Uwaga techniczna Po płaskiej stronie diody LED znajduje się wyprowadzenie ujemne ( ). Przesłanie szkicu bramki logicznej Arduino AND Z bramka logiczną Arduino AND zbudowaną na MakerShield nadszedł czas, aby przesłać szkic. Przykład 1 uruchamia świecenie zielonej diody za pomocą przełącznika i fotokomórki. Oto kroki, które należy wykonać: 1. Podłączyć Arduino do komputera za pomocą kabla USB. 2. Uruchomić oprogramowanie Arduino i wpisać Przykład 1 w edytorze tekstowym oprogramowania. 3. Przesłać szkic do Arduino. 4

5 +5V GND LED1: Dioda LED czerwona D4 D7 R3 R4: 220 D3 R3 = 10k S1: Przycisk 1 R1: R2: Fotokomórka 4. Nacisnąć krótko przycisk miniprzełącznika. Bramka logiczna Arduino AND włączy diodę LED, gdy fotokomórka jest zakryta i wciśnięty zostanie przycisk. Zwolnienie przycisku lub doprowadzenie światła do fotokomórki powoduje wyłączenie diody LED, ponieważ warunek AND (w którym oba przełączniki są zamknięte) już nie istnieje. Arduino wykonuje to za pomocą operatora && w instrukcji if. && jest komputerowym symbolem programowania dla funkcji logicznej AND. 5

6 Szkic 1. Szkic bramki logicznej Arduino AND // constants won t change; they re used here to // set pin numbers: int B = 3; // the number of the B pushbutton pin int A = 4; // the number of the A pushbutton pin const int Cout = 7; // the number of the LED pin // variables will change: int AStatus = 0; // variable for reading the A pushbutton status int BStatus = 0; void setup() { // initialize the LED pin as an output: pinmode(cout, OUTPUT); // initialize the pushbutton pins as inputs: pinmode(b, INPUT); pinmode(a, INPUT); void loop(){ // read the state of the pushbutton value: AStatus = digitalread(a); BStatus = digitalread(b); // check if the pushbuttons are pressed // if it is, the buttonstatus is HIGH: if (AStatus == HIGH && BStatus ==HIGH) { // turn LED on: digitalwrite(cout, HIGH); else { // turn LED off: digitalwrite(cout, LOW); Po przesłaniu szkicu bramki logicznej Arduino AND do mikrokontrolera Arduino zielona dioda LED jest wyłączona. Jak omówiono wcześniej, naciśnięcie przycisku i zakrycie fotokomórki spowoduje włączenie zielonej diody LED. Jeśli jedno z urządzeń wejściowych jest FALSE (logiczne LOW stan logiczny niski), dioda LED wyłącza się. Aby całkowicie przetestować działanie funkcji logicznej Arduino AND, należy pamiętać, aby użyć tabeli prawdy TT, pokazanej na rysunku 5. Schemat blokowy umieszczony na rysunku 9 pokazuje bloki konstrukcyjne i elektryczny przepływ sygnału dla bramki logicznej Arduino AND. Schematy układów są wykorzystywane przez inżynierów elektryków do szybkiego konstruowania interesujących urządzeń elektronicznych. Równoważny schemat ideowy obwodów dla bramki logicznej Arduino AND przedstawiono na rysunku 10. Fotokomórka Prze³¹cznik Mikrokontroler Arduino LED Rys. 9. Schemat blokowy bramki logicznej Arduino AND 6

7 Wskazówka dotycząca rozwiązywania problemów Jeśli nie zobaczymy świecenia zielonej diody LED przy odpowiedniej logice wejściowej, należy ponownie sprawdzić okablowanie elektrycz- ne bramki logicznej. Sprawdzić również, czy ujemne wyprowadzenie zielonej diody LED jest podłączone do masy gniazda (GND) na płycie montażowej. S1 Miniprze³¹cznik 3V3 5V Vin TX/D0 RESET RX/D1 RESET 2 D2 R1 AREF N/C PWM D3 D4 R3 10k U1 Arduino Uno (Rev3) PWM D5 PWM D6 D7 D8 PWM D9 R4 SS/PWM D10 R2 Fotokomórka A0 A1 A2 MOSI/PWM D11 MISO/D12 SCK/D13 LED1 Zielona (570nm) A3 A4/SDA ICSP2 MISO A5/SCL ICSP2 SCK ICSP MOSI GND Rys. 10. Schemat Ideowy układu bramki logicznej Arduino AND 7