Table of Contents
Светодиоды
Необходимые знания: [HW] Kontrollermoodul, [HW] Kasutajaliidese moodul,
[ELC] LED-i takisti arvutamine, [AVR] Registrid, [AVR] Digitaalsed sisendid-väljundid,
[LIB] Bitioperatsioonid, [LIB] Sisend-väljundviigud
Теория
Светодиод — это полупроводниковый прибор, который при прямом напряжении излучает свет. На английском языке светодиод называют сокращённо LED(light-emitting diode). Существуют светодиоды разных цветов, а также комбинации светодиодов, с помощью чего можно получать белый свет. У светодиодов, как и у обычных диодов, два контакта – анод и катод. На схеме у светодиода анод обозначается символом „+“, а катод „-“.
При прямом напряжении к аноду LED-а прикладывается положительное напряжение, а к катоду отрицательное. Прямое напряжение LED-а зависит от его цвета - у LED-ов при более длинной длине волны (красные) оно ~2V, у более короткой длины волны (синие) оно ~3V. Обычно мощность LED-ов несколько десятков милливатт, отсюда следует, что и ток должен быть равнозначной величины. При увеличении напряжения или тока есть опасность перегорание LED-а.
Если LED используется специально для подсветки, целесообразней применять специфические электросхемы для образования нужного напряжения и тока. Часто LED-ы используют в качестве индикатора и их питают от выводов микроконтроллера. Поскольку питающее напряжение микроконтроллера, как правило, выше прямого напряжения LED-а и сила тока больше, то нужно последовательно с LED-ом добавлять сопротивление (резистор), которое ограничивает ток и создаёт необходимое падение напряжения. Формулы вычисления сопротивления находятся в главе электроники.
LED-ы производятся в различных оболочках. У наиболее распространённых LED-ов на “ножках” круглая оболочка диаметром 3 мм или 5 мм и два длинных металлических вывода. Длинный вывод обозначает анод, короткий - катод. В оболочке компонента поверхностного монтажа (SMD - Surface-Mounted Device) для обозначения полярности на дне находится обозначение в форме буквы Т, где крыша Т обозначает местонахождение анода и острие - катода.
Практика 1
На плате модуля Контроллер Домашней Лаборатории находится одиночный LED, анод которого через сопротивление соединен с питанием +5 В и катод с ATmega128 на вывод PB7. Для того чтобы зажечь и потушить LED модуля Контроллер, нужно вывод PB7 отметить выходом и установить его соответственно верхним и нижним. Тогда в верхнем состояние вывода LED не горит, а в нижнем горит. В принципе, LED можно подключить и по-другому, так чтобы анод соединялся с выводом микроконтроллера, а катод – с землей (где-то между должнo быть и сопротивление) – в этом случае в верхнем состояние вывода LED горит, а в нижнем состоянии не горит.
Почти все практические задания ДомашнейЛаборатории, в том числе и пример зажигания LED-а, используют библеотеку выводов Домашней Лаборатории. В библиотеке выводов имеется тип данных pin, который содержит связанные с выводом адреса регистров и битовую маску выводов. Если в программе создать переменную pin-типа и её сразу в начале программы установить в начальное значение, используя макрофункцию PIN , то можно будет при помощи этой переменной свободно использовать вывод во всей программе, без какого-либо умения использовать регистры. Далee преведены 2 примера программы, которые делают тоже самое, но одна из них написана на базе библеотеки ДомашнейЛаборатории, а другая нет.
// // Программа для тестирования LED-а модуля Контроллер Домашней Лаборатории. // Основывается на библиотеке Домашней Лаборатории // #include <homelab/pin.h> // // Определение параметров переменной, связанной с выводом // pin debug_led = PIN(B, 7); // // Основная программа // int main(void) { // Настройка вывода LED-а выходом pin_setup_output(debug_led); // Зажигание LED-а pin_clear(debug_led); }
// // Программа для тестирования LED-а модуля Контроллер Домашней Лаборатории. // Основывается на непосредственном изменении регистров. // #include <avr/io.h> // // Основная программа // int main(void) { // Настраивание вывода LED-а выходом DDRB |= (1 << 7); // Зажигание LED-а PORTB &= ~(1 << 7); }
Первый пример использует библиотеку выводов (pin.h fail). Сначала в программе создается debug_led переменная типа pin , которая содержит информацию о выводе LED-а. В основной программе происходит налаживание вывода выходом при помощи функции pin_setup_output и затем обозначение этого вывода низким при помощи функции pin_clear, , в результате чего LED загорается. Во втором примере переменные не используются, обозначение LED-а выходом и зажигание происходит при изменеии значений направления шины В и регистов выхода. Читатель больше знакомый с AVR, обязательно заметит, что на самом деле для зажжения LED-а не требуется приказа ни в одном из примеров, так как по умолчанию значение выходов AVR и так равно нулю. В данном случае это сделано для корректности.
В чем же разница в использовании библиотеки выводов и регистров? Разница в удобстве использования – с библиотекой это проще, потому что не надо знать названия регистров и их действия. Самое главное преимущество библиотеки это приспосабливаемость. При использовании регистров, для изменения выводов приходится менять названия регистров и битовые маски, в случае библиотеки это придется делать только в начале программы, где переменную выводов инициализируют. При прямом использовании регистра есть одно видимое преимущество - использование вывода непосредственно и не происходит через память программы и при помощи требующих много времени функций. . На самом деле новые AVR-GCC компиляторы уже настолько сообразительные, что преобразовывают функции библиотеки в такие же непосредственные приказы манипулирования, как это было бы сделано напрямую в программе. Для уточнения следует отметить, что умение компилятора передавать распространяется только на постоянные одиночно переменные pin-типа, но не на переменные и массивы, меняющиеся во время работы.
Далее частично приведён исходный код библиотеки выводов, цель которого объяснить о происходящем в библиотеке. К сожалению, для начинающих это может быть не совсем понятным, т.к. иcпользуются указатели языка Си (на английском языке pointer), о чем в данной книге при изучении языка Си не написано. Информацию об указателях заинтересованный сможет найти в интернете и учебниках по программированию.
// Макро-константа которой обозначается знак регистра #define _REG_PTR_ volatile uint8_t * // // Тип данных вывода // typedef struct pin { _REG_PTR_ ddr; _REG_PTR_ port; _REG_PTR_ pin; uint8_t mask; } pin; // // Макро-функция для инициализации типа переменной вывода // #define PIN(port_char, bit_index) \ { \ (_REG_PTR_)&DDR ## port_char, \ (_REG_PTR_)&PORT ## port_char, \ (_REG_PTR_)&PIN ## port_char, \ bit_mask(bit_index) \ } // // Настраивание вывода выходом // inline void pin_setup_output(pin pin) { bitmask_set(*pin.ddr, pin.mask); } // // Настройка вывода верхним // inline void pin_set(pin pin) { bitmask_set(*pin.port, pin.mask); } // // Настройка вывода нижним // inline void pin_clear(pin pin) { bitmask_clear(*pin.port, pin.mask); }
Практика 2
Помимо модуля Контроллера, LED-ы находятся так же и на плате Дигитального входного-выходного модуля. Электрически они соединены так же как и LED модуля Контроллер, т.е. катод соединён с выводом AVR. Красный LED соединяется с выводом PC5, желтый с выводом PC4 и зеленый с выводом PC3. Их программа-образец, основанная на библиотеке, выглядит следующим образом:
// // Программа тестирования LED-ов Дигитально входного-выходного модуля Домашней Лаборатории // Дигитально входного-выходного модуля Домашней Лаборатории. // #include <homelab/pin.h> // // Обозначение выводов LED-а // pin led_red = PIN(C, 5); pin led_yellow = PIN(C, 4); pin led_green = PIN(C, 3); // // Основная программа // int main(void) { // Настройка выводов LED-а выходом pin_setup_output(led_red); pin_setup_output(led_yellow); pin_setup_output(led_green); // Зажигание крaсного и зел ёнoго LED-а pin_clear(led_red); pin_clear(led_green); // Отключение желтого LED-а pin_set(led_yellow); }