ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΣΕΡΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ 10 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΜΕ.

Παρουσίαση με θέμα: "ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΣΕΡΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ 10 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΜΕ."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΣΕΡΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ 10 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΟΡΦΗ ΦΥΛΛΩΝ ΕΡΓΟΥ ΓΙΑ ΤΟΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟ ΤΗΣ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑΣ ARDUINO Πτυχιακή Εργασία των Δεμενίδη Χαράλαμπου (A.E.M. 839) Χριστοφιλίδη Ανδρέα (Α.Ε.Μ. 812) Επιβλέπων: Μαδεμλής Ιωάννης, Εργαστηριακός Συνεργάτης ΣΕΡΡΕΣ, 2013

2 Συνολικά προγραμματίστηκαν 22 περιφερειακά
Η παρούσα πτυχιακή εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της αναπτυξιακής υπολογιστικής πλατφόρμας ARDUINO. Στο πλαίσιο της υλοποιούνται ένα σύνολο από ασκήσεις που αξιοποιούν και επιδεικνύουν τις δυνατότητες της πλατφόρμας. 1ο κεφάλαιο: μελέτη αρχιτεκτονικής του Arduino Uno, επιμέρους συστατικών και τρόπου λειτουργίας του 2ο κεφάλαιο: ανάλυση του προγραμματισμού της πλατφόρμας σε γλώσσα wiring με το Ολοκληρωμένο Περιβάλλον Ανάπτυξης Αrduino IDE. 3ο κεφάλαιο: τρόπος διασύνδεσης με το Arduino και προγραμματισμός περιφερειακών συσκευών όπως: LED (RGB, 7-seg) Ηχητικές Διατάξεις (Buzzer, Speaker, Piezo disk) Κινητήρες (DC Motor, Step, Servo) Οθόνες (LCD, Matrix) Αισθητήρες (Ultrasonic, IR receiver, LDR, Thermistor) RTC Clock, Keypad Matrix, SD data logging, Ηλεκτρονόμος 74HC595 Shift Register, SN H-Bridge, ULN2003 Darlington Array Συνολικά προγραμματίστηκαν 22 περιφερειακά

3 Τί είναι Ενσωματωμένα Συστήματα
Η ενσωμάτωση μικροελεγκτή στη λειτουργία συστήματος με ηλεκτρονικά, μηχανολογικά και άλλα μέρη, αλλά με κύριο προσανατολισμό τις λειτουργίες του ελεγκτή και τη διεπαφή του με το περιβάλλον Μικροεπεξεργαστές και Μικροελεγκτές Μικροεπεξεργαστής: κύριο κριτήριο απόδοση - επεξεργαστική ισχύ συνδυασμός με κατάλληλες περιφερειακές συσκευές πληθώρα γενικών εργασιών Μικροελεγκτής: κύριο γνώμονα αυτοτέλεια - αυτονομία ελάχιστα εξωτερικά εξαρτήματα πολλά ενσωματωμένα υποσυστήματα (περιλαμβάνει CPU, RAM, ROM, θύρες Ι/Ο, timers) Σχεδιασμένα να εκτελούν μία μόνο συγκεκριμένη εργασία μικρή υπολογιστική ισχύ χαμηλό κόστος κατασκευής εύκολο προγραμματισμό εξειδικευμένων εργασιών

4 Ανατομία ενός μικροελεγκτή
Βασικά χαρακτηριστικά ενός μικροελεγκτή Κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) Μνήμη για το πρόγραμμα, δεδομένα (ROM, RAM) Ρολόι (Clock) Θύρες εισόδου εξόδου (Ι/O Ports) Address και data buses Συνήθη περιφερειακά Διεπαφές επικοινωνίας (SPI, I2C, USB, Ethernet, CAN) Watchdog timer (timer ασφαλείας-reset) Timers Digital-to-analog converter (DAQ) Analog-to-digital converter (ADC) Γλώσσες προγραμματισμού μικροελεγκτών C, C++ (λειτουργικότητα, ευκολία προγραμματισμού) Assembly (ταχύτητα, μικρότερο μέγεθος μνήμης)

5 Ο μικροελεγκτής arduino
αποτελεί ολοκληρωμένο αναπτυξιακό σύστημα (Ιταλία, 2005) προσφέρει δυνατότητες υλοποίησης εφαρμογών σε τομείς της ηλεκτρονικής Τα μέρη από τα οποία αποτελείται: Πλακέτα (Hardware), Ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης (Arduino IDE) γραμμένο σε JAVA, Μεγάλη κοινότητα και μια Φιλοσοφία που του δίνουν πνοή Γιατί να επιλέξω το Arduino Οικονομικό Συμβατό σε διάφορα Λειτουργικά Συστήματα Απλό, ευέλικτο προγραμματιστικό περιβάλλον Ευέλικτης προσαρμογής Υλικού / Ανοιχτού λογισμικού Μικροελεγκτής ATmega328P της ATMEL, 8-bit AVR, RISC-based, 16MHz Μνήμες Flash memory SRAM memory EEPROM memory Θύρες πλατφόρμας 14 Ψηφιακές Ι/Ο (εισόδου & εξόδου) θύρες 6 Αναλογικές Ι/Ο θύρες Τροφοδοσία USB ή εξωτερική τροφοδοσία (DC τροφοδοτικό, μπαταρίες) Θύρες: 3.3V, 5V, GND, RESET

6 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ
Arduino IDE (Ολοκληρωμένο Περιβάλλον Ανάπτυξης) γραμμένο σε Java, βασίζεται στο περιβάλλον της processing Γλώσσα προγραμματισμού Wiring με καταγωγή C/C++ Compiler: AVR gcc Βασική βιβλιοθήκη: AVR libc της C Βασική δομή, τιμές και συναρτήσεις της γλώσσας Wiring Ψηφιακές συναρτήσεις pinMode() digitalRead() digitalWrite() Αναλογικές συναρτήσεις analogRead() analogWrite() analogReference() map() constrain() Χρονικές delay() millis() Βιβλιοθήκες Arduino Βασικές (Servo, LiquidCrystal, Ethernet, EEPROM, Stepper, Serial) Τρόπος Εισαγωγής: #include<”name library”.h>

7 1o Εργαστηριακό μάθημα 1.1 Traffic Lights
Προσομοίωση Φωτεινού σηματοδότη Διακόπτης Pull down αντίσταση Ανοιχτός διακόπτης: η θύρα εισόδου γειώνεται και αποκτάει κατάσταση LOW Κλειστός διακόπτης: δημιουργείται δυναμικό τάσης 5V και κατάσταση εισόδου HIGH Παρατηρώντας αν η είσοδος είναι HIGH ή LOW μπορούμε να ανακαλύψουμε αν ο διακόπτης είναι κλειστός ή ανοιχτός. pinMode(button, INPUT); if (digitalRead(button)== HIGH) { Εντολές; }

8 1o Εργαστηριακό μάθημα 1.2 RGB LED
Μεταβολή της φωτεινότητας του κάθε χρώματος με χρήση Διαμόρφωσης κατά Πλάτους φαινόμενο persistence of vision (<25 εικόνες /sec) δίνουν την ψευδαίσθηση της συνεχόμενης κίνησης Ο μΕ μέσω του κύκλου PWM του σήματος, αναβοσβήνει στιγμιαία το led δίνοντας τη ψευδαίσθηση στην ανθρώπινη όραση μιας μέσης τιμής φωτεινότητας πειραματικά διακρίνουμε εύκολα 8 διαφορετικά χρώματα: κόκκινο, πράσινο, μπλε, κίτρινο, γαλάζιο, μωβ, πορτοκαλί και λευκό

9 1o Εργαστηριακό μάθημα 1.3 7-Segment LED Display
Εμφάνιση αριθμών με αντίστροφη μέτρηση από το 9 έως το 0 μεμονωμένα LEDs συνδυάζονται σε τμήματα (modules), τα οποία μπορούν να απεικονίσουν έναν χαρακτήρα (αριθμό ή γράμμα) Τύπος συνδεσμολογίας: Κοινής καθόδου/ανόδου

10 Υψηλή Εσωτερική Αντίσταση Πιεζο-ηλεκτρικός δίσκος
2o Εργαστηριακό μάθημα ΗΧΟΣ 2.1 Speaker Απόδοση ήχου μέσω ενός μεγάφωνου ελέγχοντας συχνότητα και διάρκεια του τόνου με χρήση 2 ποτενσιόμετρων Η ένταση του ήχου ελέγχεται από αντίσταση Το Arduino παράγει ήχο μέσω συσκευών, μετατρέποντας ηλεκτρικές ταλαντώσεις σε ηχητικά κύματα. Τέτοιες συσκευές εξόδου είναι: μεγάφωνο (speaker), βομβητής (buzzer) και πιεζο-ηλεκτρικός δίσκος (piezo element) Ένα ηχητικό κύμα χαρακτηρίζεται από διάφορα χαρακτηριστικά (που αποσκοπούν στην περιγραφή του) όπως: συχνότητα, περίοδος, ύψος, ένταση, διάρκεια κλπ Συσκευές εξόδου Πολικότητα Υψηλή Εσωτερική Αντίσταση Μεγαφωνάκι ΟΧΙ ΌΧΙ (8 Ω) Βομβητής ΝΑΙ ΟΧΙ (42Ω) Πιεζο-ηλεκτρικός δίσκος ΝΑΙ (1ΚΩ)

11 2o Εργαστηριακό μάθημα ΗΧΟΣ 2.2 Piezo Element
Ανίχνευση δόνησης ή πίεσης με χρήση πιεζοηλεκτρικού κεραμικού δίσκου, απλά μετρώντας με το arduino την αλλαγή στην τάση της εξόδου. Η παραμόρφωση του κρυστάλλου λόγω μηχανικής πίεσης, προκαλεί ανάπτυξη τάσης στα άκρα του, η οποία είναι ανάλογη της παραμόρφωσης που την προκάλεσε. Φαινόμενο αντιστρεψιμότητας, δηλαδή η εφαρμογή τάσης στα άκρα του κρυστάλλου είναι ικανή να προκαλέσει την παραμόρφωση του, και συνεπαγόμενα την παραγωγή ήχου.

12 3o Εργαστηριακό μάθημα ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΕΣ 3.1 DC Motor
Έλεγχος κατεύθυνσης και ταχύτητας δύο κινητήρων συνεχούς ρεύματος με χρήση του οδηγού SN Οι εντολές ελέγχου δίνονται µέσω του serial monitor Ηλεκτροκινητήρας: διάταξη για μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια. Μεγέθη που τους χαρακτηρίζουν: Τάση, Ένταση, Ταχύτητα, Ροπή Πυκνωτές: λειτουργία ως φίλτρο τάσης SN H-Bridge (Ι=1A V= 4.5V-36V): 2 γέφυρες ‘Η’ - 4 είσοδοι/έξοδοι οδηγός motor - διαμεσολαβητής για έλεγχο κατεύθυνσης και ταχύτητας Λογικός πίνακας Λειτουργίας H-Bridge InP1 InP2 Κατάσταση κινητήρα 0 0 Παύση λειτουργίας 0 1 Δεξιόστροφη κίνηση 1 0 Αριστερόστροφη κίνηση 1 1 Παύση λειτουργίας

13 3o Εργαστηριακό μάθημα ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΕΣ 3.2 Βηματικός Κινητήρας
Έλεγχος ταχύτητας και κατεύθυνσης βηματικού κινητήρα με χρήση ολοκληρωμένου ULN2003 Darlington Array. Βηματικός κινητήρας: ηλεκτρομηχανική διάταξη της οποίας ο άξονας περιστρέφεται σε σταθερά διακριτά βήματα Η γωνία κίνησης ονομάζεται βήμα του κινητήρα Χαρακτηριστικά: Κινήσεις μεγάλης ακριβείας Δεν χρειάζεται φρένα για να επιβραδυνθεί Μεγάλες τιμές ροπής Αξιόπιστος Μεγάλο εύρος ταχυτήτων περιστροφής Θορυβώδης λειτουργία Δύο βασικοί τύποι: Μονοπολικοί και διπολικοί Μονοπολικοί: συνήθως 5 θύρες εισόδου και 4 ηλεκτρομαγνήτες STEP COIL Α COIL Β COIL C COIL D 1 2 3 4

14 3o Εργαστηριακό μάθημα ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΕΣ 3.3 Σερβοκινητήρας
Έλεγχος 2 σερβοκινητήρων με συνδεσμολογία pan-tilt με χρήση joystick Οι σερβοκινητήρες: περιέχουν: κύκλωμα ελέγχου ανάδρασης, κινητήριο άξονα, ποτενσιόμετρο, μοτέρ συνεχούς ρεύματος, σύστημα γραναζιών διακρίνονται σε: τυπικούς και σερβοκινητήρες ταχύτητας Τρόπος ελέγχου με αποστολή παλμών από τον μικροελεγκτή Χαρακτηριστικά: Χαμηλό κόστος, μικρές διαστάσεις, μεγάλη ροπή, ενσωματωμένο κύκλωμα ανάδρασης, Χαμηλή ταχύτητα

15 4o Εργαστηριακό μάθημα LCD (Liquid Crystal Display)
Μέθοδος εμφάνισης κειμένου και εικόνας αποτελείται από pixels, πλέγμα από pixels συνθέτουν τους χαρακτήρες. Κάθε χαρακτήρας αποτελείται από 5 pixels πλάτος και 8 ύψος τυπικό μέγεθος 16x2 (16 πλέγματα χαρακτήρων σε 2 γραμμές) Ενσωματωμένος ελεγκτής HD44780 (Hitachi) Σύνδεση LCD με τον μικροελεγκτή και παρουσίαση των βασικών συναρτήσεων της LCD βιβλιοθήκης <LiquidCrystal.h> LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); lcd.begin(16, 2); lcd.clear(); lcd.print("Basic Print"); lcd.noDisplay(); lcd.display(); lcd.noCursor(); lcd.cursor(); lcd.blink(); lcd.setCursor(3,1); lcd.scrollDisplayRight();

16 5o Εργαστηριακό μάθημα ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 5.1 Υπερηχητικός Αισθητήρας
Το Ultrasonic Distance Sensor HC-SR04 λειτουργεί ως αποστασιόμετρο και ανιχνευτής εμποδίων, αποτελείται από: ενσωματωμένο κύκλωμα ανάδρασης, φίλτρα, ρολόι χρονισμού, δέκτη και πομπό. Υπολογισμό απόστασης με Υπερηχητικό Αισθητήρα και εξαγωγή αποτελεσμάτων στην LCD Λειτουργία: εκπέμπει υπερήχους - μετρά το χρόνο μέχρι να ανακλαστούν από εμπόδια Trigger pin: παράγουμε ερέθισμα (παλμό πλάτους 10 μs) Echo pin: ανίχνευση αντίλαλου S=u*dt/2 (u= ct στον αέρα περίπου 343m/s)

17 5o Εργαστηριακό μάθημα ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 5.2 Υπέρυθρος Δέκτης
Ολοκληρωμένο κύκλωμα στο οποίο ενσωματώνεται: ο IR δέκτης (PIN δίοδος) σε μαύρο περίβλημα -> φίλτρο ορατού φωτός και το απαραίτητο ηλεκτρονικό κύκλωμα μετατρέπει IR σήματα σε ψηφιακούς παλμούς Αποκωδικοποίηση παλμών μέσω IR βιβλιοθήκης σε 2αδικό/16αδικο Στην άσκηση μας: O μικροελεγκτής αντιλαμβάνεται, αποθηκεύει στη μνήμη του αναγνωρίζει το πλήκτρο του υπέρυθρου τηλεχειριστήριου που πιέζεται κάθε φορά 

18 6o Εργαστηριακό μάθημα Real Time Clock (RTC)
Εμφάνιση πραγματικής ώρας και ημερομηνίας με τη βοήθεια του RTC module DS1302 σε οθόνη υγρών κρυστάλλων LCD Ρολόι Πραγματικού Χρόνου: μετρητής χρόνου σε data-logging κατασκευές ανεξάρτητη λειτουργία με εφεδρική τροφοδοσία επικοινωνία με μικροελεγκτή μέσω αποστολής παλμών κρύσταλλος 32kHz: χρονισμός του ρολογιού Χαρακτηριστικά DS1302: τάση τροφοδοσίας 2V μέχρι 5.5V μετράει ώρα, λεπτά, δευτερόλεπτα, ημέρα, μήνα και έτος (υπολογισμό δίσεκτων ετών) σειριακό interface 3-αγωγών (3-wire), 3 γραμμές επικοινωνίας CE, SCLK και I/O με τον μικροελεγκτή μικρή κατανάλωση (<300nA) ενσωματωμένο κύκλωμα φόρτισης μπαταρίας

19 7o Εργαστηριακό μάθημα KEYPAD matrix
Σύνδεση keypad με μικροελεγκτή. Εμφάνιση πλήκτρων στο serial monitor. Ταυτόχρονα αναβοσβήνει led και ηχεί βομβητής H # αλλάζει τη κατάσταση του led (από αναμμένο σε σβησμένο και το αντίθετο) και το * όταν κρατηθεί πατημένο αναβοσβήνει συνεχόμενα το led Αριθμητικό πληκτρολόγιο: συστοιχία από (Normally Open) διακόπτες, οι οποίοι ενώνουν μια γραμμή με μια στήλη όταν πατηθούν Σχηματίζουν πίνακα γραμμών - στηλών 12 εισόδους -7 εξόδους (3 στήλες και 4 γραμμές)

20 8o Εργαστηριακό μάθημα SD κάρτα επέκτασης
Μικροελεγκτής arduino περιορισμένη μνήμη, χρήση SD CARD module για μόνιμη αποθήκευση μεγάλου όγκου δεδομένων επικοινωνία μέσω διεπαφής SPI σύστημα αρχείων FAT32 βιβλιοθήκη SD.h Διαθέτει: αντιστάσεις, πυκνωτές, υποδοχή για κάρτες μνήμης, μετατροπέα τάσης από 5V σε 3.3V μόνιμη αποθήκευση δεδομένων που λαμβάνουμε από 3 αναλογικούς αισθητήρες: ποτενσιόμετρο, αισθητήρα φωτός, θερμίστορ Ταυτόχρονη απεικόνισης της θερμοκρασίας και της ποσότητας του φωτός στη σειριακή οθόνη Initializing SD card...card initialized. 645,102,434 Resistor is 6526 Ohm Light is Dim Temp is C 838,531,480 Resistor is 8388 Ohm Light is Bright Temp is C

21 9o Εργαστηριακό μάθημα Ηλεκτρονόμος (ρελέ)
Ηλεκτρομηχανικός διακόπτης που ελέγχει ένα ηλεκτρ. κύκλωμα κάτω από τον έλεγχο ενός άλλου κυκλώματος Τζόζεφ Χένρυ, 1835 λειτουργεί ως ηλεκτρικός ενισχυτής Ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει το πηνίο του ηλεκτρονόμου -> παράγει μαγνητικό πεδίο -> έλκει τον οπλισμό που είναι μηχανικά συνδεδεμένος στη κινούμενη επαφή Είδη επαφών του ρελέ: Κανονικά-Ανοικτή NO Κανονικά-Κλειστή NC Μεταγωγική COM Οδήγηση ηλεκτρονόμου με τη βοήθεια τρανζίστορ και έξοδο (με εναλλαγή τροφοδοσίας) σε 2 φωτοδιόδους

22 10o Εργαστηριακό μάθημα 74HC595 Καταχωρητής ολίσθησης
Καταχωρητής: κύκλωμα για αποθήκευση πληροφοριών Καταχωρητής ολίσθησης (shift register): το περιεχόμενο του ολισθαίνει-μετακινείται κατά μία θέση σε κάθε εφαρμογή του παλμού ρολογιού Φόρτωση: η μεταφορά της πληροφορίας από τις εισόδους στις εξόδους του καταχωρητή Σύνδεση 16 led με χρήση 2 καταχωρητών ολίσθησης 74HC595 σε σειρά και ρυθμικό αναβόσβημά τους. χρήση 3 ψηφιακών θυρών εξόδου μικροελεγκτή για τον έλεγχο 16 ψηφιακών εξόδων σημάτων από δύο καταχωρητές.

23 Ευχαριστούμε ΤΕΛΟΣ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ