Andurid ja ekraanid

Teksti LCD ehk alfabeetiline LCD on vedelkristall-ekraan (inglise keeles liquid crystal display), mis on ette nähtud tähtede ja numbrite kuvamiseks. Inglise keeles nimetatakse seda kui alphanumeric LCD. Lihtsamates vedelkristall-ekraanides kasutatakse läbipaistvate elektroodide vahele paigutatud vedelat kristalli, mis muudab elektriväljas läbiva valguse polarisatsiooni. Elektroode katavad veel polarisatsioonifiltrid, mis tagavad, et kogu ekraani saab läbida vaid ühtpidi polariseeritud valgus. Kui vedelkristall elektrivälja mõjul polarisatsiooni muudab, siis valgus ekraani või selle osa (segmenti) läbida ei saa ning see paistab tumedana.

Põhiline alfabeetilise LCD tundemärk on tema segmentide paigutus. Ekraan on jagatud paljudeks indikaatoriteks, millest igal on kas piisavalt palju segmente tähtede ja numbrite kuvamiseks või moodustub see väikeste ruudukujuliste segmentide (pikslite) maatriksist. Näiteks 5×7 pikslisest maatriksist piisab kõigi numbrite, ladina tähestiku ja täppidega tähtede kuvamiseks. Indikaatoreid on tavaliselt 1-4 rida ja 8-32 tulpa. Igal indikaatoril on väike vahe sees, täpselt nagu tekstis tähtedelgi.

Alfabeetilise LCD pikslite maatriksitest moodustatud tekst

Alfabeetiline LCD ekraan koosneb peale ekraani enda veel ka kontrollerist, mis vastavalt sideliidesest tulevatele käskudele juhib ekraani segmente. Kontrollerisse on eelnevalt sisse programmeeritud tähekaart, kus igal tähel, numbril või märgil on oma järjekorranumber ehk indeks. Ekraanil teksti kuvamine toimub põhimõtteliselt LCD kontrollerile tähtede indekseid saates. Tegelikkuses tuleb LCD kontrolleritele ka mitmeid juhtkäske saata, enne kui midagi kuvama hakatakse. Iga konkreetse LCD ekraani kasutamiseks tuleb tutvuda enne selle andmelehega, kuna neid on väga erinevaid ning ühtlasi ka nende juhtimine toimub erinevalt.

Alfabeetilised LCD ekraanid on üldjuhul passiivmaatriksiga, kus segmentide elektrivälja uuendamine toimub kordamööda. Sellest tulenevalt on passiivmaatriksiga ekraanid aeglasemad ja kehvema kontrastiga kui aktiivmaatriks-ekraanid, kus iga segmendi laengut juhib eraldi transistor. LCD ekraane on nii peegelduva taustaga kui taustvalgustusega, vahel isegi mitme erinevat värvi taustvalgustusega. Segmendi värve on alfabeetilistel LCD ekraanidel enamasti siiski üks - reeglina must, kuid esineb ka valge ja värvilise kirjaga ekraane.

Järgnevates näidetes kasutatakse Alfabeetilist (tekstilist) LCD ekraani laiendusplaati, millel on lisaks ekraanile viis sisendnuppu ja Reset nupp. Kõik sisendnupud on ühendatud ühte analoogsisendisse A0 läbi erinevate takistite. Takistite väärtused ja ühendusskeem on näha allpool pildil. Kõik ülejäänud analoogsisendid A1-A5 on laiendusplaadil eraldi kolmeviigulistes gruppides, kuhu on mugav erinevaid andureid ühendada.

Skeem töötab tavaolekus pull-up takistina (R3) analoog viigule A0. Kui üks lülititest vajutatakse alla, siis hakkab skeem toimima kui pingejagur. Olenevalt millist lülitit vajutatakse, tekib maa ja analoogsisendi vahele erinev takistuse suurus. Näiteks nupu “LEFT” vajutamisel on kogutakistus R = 330Ω + 620Ω + 1kΩ = 1,95kΩ. Mida suurem on maa ja analoogsisendi vaheline takistus, seda suurem on ka ADC väärtus.

Näidisprojektides on kasutusel järgmised andurid:

Anduri tüüp	Mõõtesuurus	Signaal	Pilt
Termistor NTCLE100E3103JB0	Takistuse muut vastavalt temperatuuri muudule	Analoogsignaal - pinge, pingejaguri väljundina
Infrapunalähedusandur E18-D80NK	Objekti kaugus 3-80 cm (tundlikkus reguleeritav reguleerkruviga)	Digitaalsignaal - 0/1
Ultraheli kaugusandur HC-SR04	Objekti kaugus 2-400 cm	Digitaalsignaal - pulsi laiuse mõõtetulemusena

NTC termistor

Termistor on takistuslik andur, mille takistus sõltub tugevalt ja mittelineaarselt temperatuurist. Termistore on kahte liiki: positiivse ja negatiivse temperatuuri koefitsiendiga. Positiivse koefitsiendiga termistori takistus temperatuuri tõustes kasvab ja negatiivsel väheneb. Vastavad lühendatud ingliskeelsed nimed on neil PTC (positive temperature coefficient) ja NTC (negative temperature coefficient).

Termistori kasutamise teeb keeruliseks tema takistuse temperatuurisõltuvuse mittelineaarsus. Lineaarne on sõltuvus vaid väikestes vahemikes, mitmekümnekraadise ja suurema mõõtepiirkonna arvutamiseks sobib Steinhart-Harti kolmandat järku eksponentsiaalne võrrand. NTC termistoride jaoks on olemas järgmine B-parameetriga lihtsustatud võrrand:

kus:

• T₀ on nimitemperatuur, näiteks 25 °C.
  
• R₀ on takistus nimitemperatuuril.
  
• B on B-parameeter.

B-parameeter on koefitsient, mis tavaliselt antakse termistori andmelehes. Samas on see ainult teatud temperatuurivahemikes piisavalt konstantne, näiteks 25–50 °C või 25–85 °C. Kui mõõdetav temperatuurivahemik on suurem, tuleb võimalusel kasutada andmelehel antud võrrandit.

Termistori takistust mõõdetakse kaudselt pingejaguriga, kus ühe takisti asemel on termistor ja mille sisendpinge on konstantne. Mõõdetakse pingejaguri väljundpinget, mis muutub koos termistori takistuse muutusega. Pinget rakendades läbib termistori aga elektrivool, mis termistori selle takistuse tõttu soojendab ja seega omakorda takistust muudab. Termistori soojenemisest tekkivat viga saab arvutuslikult kompenseerida, kuid lihtsam on kasutada suurema takistusega termistorit, mis soojeneb vähem.

Infrapunalähedusandur

Infrapunalähedusandur on digitaalne andur, mis võimaldab tuvastada objekti olemasolu või puudumist. Andur kasutab objekti tuvastuseks infrapunaspektris valguse peegeldumist ehk andur koosneb saatvast ja vastuvõtvast elemendist. Päevavalgusest tulevate häiringute vähendamiseks on välja saadetav infrapunavalgus moduleeritud ja ka vastuvõtja reageerib ainult moduleeritud signaalile. Lisaks saab anduri tundlikkust taga oleva kruvi kaudu reguleerida, mis võimaldab objekti tuvastamise kaugust muuta. Anduri väljund on tavaolekus kõrge ja objekti nähes muutub signaal madalaks.

Ultraheli kaugusandur HC-SR04

Ultraheli kaugusandur määrab objektide kaugust, mõõtes helilaine objektilt tagasipeegeldumise aega. Helilaine sagedus asub ultraheli sageduse piirkonnas, mis tagab kontsentreerituma helilaine suuna, sest kõrgema sagedusega heli hajub keskkonnas vähem. Tüüpiline ultraheli kaugusandur koosneb kahest membraanist, millest üks genereerib heli ja teine registreerib tagasipeegelduva kaja. Piltlikult öeldes on tegu kõlari ja mikrofoniga. Heligeneraator tekitab lühikese, mõne perioodi pikkuse ultraheli impulsi ja käivitab taimeri. Teine membraan registreerib peegeldunud impulsi saabumise ja peatab taimeri. Taimeri ajast on heli kiiruse järgi võimalik välja arvutada helilaine läbitud teepikkus. Objekti kaugus on ligikaudu pool helilaine teepikkusest. Keerukat taimerite seadistamist ja kasutamist saab vältida, kui kasutada Arduino teeki, mis teeb ultraheliandurite kasutamise oluliselt lihtsamaks.

Ultraheli kaugusanduril on igapäevaelus mitmeid rakendusi. Neid kasutatakse näiteks ehitusel mõõdulintide asendajatena kauguse mõõtmise seadmetes. Tänapäeva autod on varustatud tagurdamisel takistusest hoiatavate ultraheliandurite ja hoiatussignaaliga. Peale kauguse mõõtmise võivad nad lihtsalt registreerida objekti olemasolu mõõtepiirkonnas, näiteks tööstusmasinate ohualades.