Светодиоды

Необходимые знания: [HW] Kontrollermoodul, [HW] Kasutajaliidese moodul,
[ELC] LED-i takisti arvutamine, [AVR] Registrid, [AVR] Digitaalsed sisendid-väljundid,
[LIB] Bitioperatsioonid, [LIB] Sisend-väljundviigud

Светодиод с 5 мм ножками

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 „-“.

Схематическое oбозначение и полярность светодиода.

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.

Обозначение выводов светодиода с ножками и компонента поверхностного монтажа

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.

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);
}

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);
}