set of my solutions to tasks given at "Embedded systems" university course. Programs are written in C, I tested them on arduino uno, but in great majority of programs there are no traces of arduino API, so basically I was programming atmega328P microcontroller.
- basics of electric circuits
- how to use microcontroller datasheet
- I/O in AVR
- PWM and PFM modulation (Fast PWM, CTC, etc.)
- communication via UART
- 8-bit and 16-bit counters
- ADC
- interrupts
- basics of energy management in AVR
- communication via SPI, shift registers
- Play melody and make RGB led breathe ;)
(only those solved by me, in Polish)
1.1 Zrealizuj efekt przewijającej się diodki na kilku diodach zamontowanych obok siebie
na płytce stykowej, jak w serialu Nieustraszony (Knight Rider) albo oczy Cylonów.
Maksymalne punkty za elegancką realizację – wszystkie diody na jednym porcie mikrokontrolera,
przesuwanie zapalonych diod przez operacje bitowe.
1.2 Zbuduj urządzenie które zapamiętuje naciśnięcia i zwolnienia przycisku przez użytkownika,
i odtwarza je zapalając i gasząc diodę z 1 sekundowym opóźnieniem. Podpowiedź:
zastosuj bufor cykliczny.
1.3 Zbuduj wyświetlacz widmowy (ang. persistence of vision, PoV)
– zamontuj kilka diod LED jedna obok drugiej na płytce stykowej, i steruj nimi tak,
aby poruszając płytką w powietrzu pokazał się jakiś napis.
Maksymalne punkty za elegancką realizację – wszystkie diody na jednym porcie mikrokontrolera,
wyświetlenie kolumny jednym zapisem do portu, dane do wyświetlenia zapisane w tablicy.
1.4 Zbuduj i zaprogramuj układ tłumaczący tekst na kod Morse’a.
Tekst ma być wprowadzany na komputerze, a wynik ma zostać wyemitowany przy użyciu diody i brzęczyka
podłączonych pod Arduino. Do odczytu tekstu można użyć biblioteki Serial z Arduino
albo bezpośrednio przez rejestry UART.
1.5 Zbuduj układ z kilkoma diodami obok siebie oraz trzema przyciskami.
Pierwszy przycisk powinien zerować diody, pozostałe dwa powinny wywoływać wyświetlenie na diodach
następnego/poprzedniego kodu Graya. Kody należy zapetlić – odpowiednio dużo naciśnięć powinno
wracać do kodu zerowego. Zadbaj o rozwiązanie problemu drgających styków (debouncing)
– jedno naciśnięcie przycisku powinno powodować zawsze jedną zmianę kodu.
Maksymalne punkty za elegancką realizację – wszystkie diody na jednym porcie,
wyliczanie kodów operacjami bitowymi.
2.1 Zbuduj układ realizujący oddychającą diodę LED RGB. Należy wykorzystać timery do
modulowania jasności diody. Uwagi:
2.1.1 Kolor diody dla każdego cyklu "oddechu" powinien być losowany.
Losowanie osobno wartości kanałów RGB nie jest dobrą metodą losowania kolorów
– prowadzi to do częstego losowania kolorów słabo nasyconych lub ciemnych.
Najlepiej losować tylko kolory maksymalnie nasycone i maksymalnie jasne, losując tylko
składową H z układu HSV.
2.1.2 Zmiana jasności powinna sprawiać wrażenie sinusoidalnej.
Należy pamiętać o logarytmicznym postrzeganiu jasności przez wzrok: dioda, której jasność
faktycznie zmienia się sinusoidalnie, będzie zdawać się jasna przez większość
czasu oraz bardzo szybko gasnąć. Należy wspomóc się funkcją wykładniczą.
2.1.3 Mikrokontrolery z serii Atmega nie posiadają jednostki zmiennoprzecinkowej,
operacje na typachdouble i float są emulowane z dużym kosztem wydajnościowym.
Warto wykonywać obliczenia stałoprzecinkowe, a np. funkcje trygonometryczne tablicować.
2.2 Używając diody IR i detektora IR zbuduj urządzenie wykrywające zbliżenie obiektu,
np. dłoni, i sygnalizujący ten fakt za pomocą diody LED. Dostępny w wypożyczonych zestawach
odbiornik IR (OSRB38C9BA) jest czuły na częstotliwość 37,9 kHz: z taką częstotliwością
należy migać diodą IR. Miganie diody należy regularnie przerywać i wznawiać
– czujnik nie jest przystosowany do fali ciągłej.
2.3 Zbuduj układ odtwarzający próbkowany dźwięk
(np. jak z jednokanałowego WAV, próbkowanie 8 kHz, 8 bit), na przykład głos "Dzień dobry".
Próbki należy wyprowadzać za pomocą wyjścia PWM sterowanego licznikiem, wartość wypełnienia
fali prostokątnej ma odpowiadać wartości próbki. Dźwięk można wyprowadzić za pomocą
brzęczyka bez generatora (tzn. takiego, który po podpięciu do zasilania nie brzęczy,
tylko robi stuk), albo za pomocą głośniczka i prostego układu tranzystorowego wzmacniacza
(np. jak tutaj na obrazku 1). Próbki mają być zapisane w pamięci programu.
2.4 Zbuduj układ odtwarzający wybraną melodię (minimum pół minuty) z nut. Melodia ma być
zapisana w tablicy w pamięci programu, każda nuta ma być opisana jej wysokością
(np. C D E F G A H jako liczby 0 do 6) oraz czasem trwania. (Pauzę też można traktować jako nutę).
Dźwięk powinien być wyprowadzany przez wyjście sterowane licznikiem w modulacji PFM
(stałe wypełnienie 50%, zmienna częstotliwość), można wykorzystać tryb CTC licznika.
2.5 Używając licznika (np. 16-bitowego TC1) jako metody pomiaru czasu,
zmierz czas (w cyklach) wykonywania różnych operacji matematycznych na różnych typach danych:
Dodawanie, mnożenie, dzielenie i reszta z dzielenia dla typów uint8_t, uint16_t, uint32_t,
Dodawanie, mnożenie, potęgowanie dla typów float i double.
3.1 Zbuduj układ dostosowujący (średnie) natężenie światła diody do natężenia
światła panującego w otoczeniu (im ciemniej tym dioda powinna jaśniej świecić).
Do pomiaru natężenia padającego światła należy wykorzystać fotorezystor (LDR) i ADC.
Aby otrzymać maksymalną ilość punktów, należy zadbać o liniowość pomiaru od rezystancji
fotorezystora
3.2 Mierz rezystancję termistora przez ADC wybraną przez siebie metodą.
Wykonując pomiary w znanych temperaturach określ stałą B swojego termistora.
Napisz program, który będzie regularnie (np. co 1 sekundę) mierzył rezystancję
termistora i wypisywał przez UART wynik pomiaru temperatury (w stopniach Celsjusza).
3.3 Trzynóżkowy zintegrowany termometr MCP9700 (w zestawie) wytwarza napięcie liniowo
proporcjonalne do temperatury: 10 miliwoltów na stopień Celsjusza, 500 miliwoltów przy
temperaturze 0 stopni. Wykonuj pomiary używając wbudowanego napięcia referencyjnego (Aref) 1.1V
dla zwiększonej dokładności. Wykonaj prosty termostat. W tym celu zbuduj układ
z załączonego obrazka. Układ grzałki powinien składać się z kilku (2 do 4) rezystorów
o wartości 50 do 200 om, rezystory powinny być połączone równolegle i przylegać do układu
termometru. Działanie grzałki należy przetestować: włączona (5v na pinie sterującym)
powinna być ciepła w dotyku. Napisz program, który utrzymuje ustaloną temperaturę
termometru (np. 30 stopni). Niech działa on na zasadzie histerezy:
grzałka powinna być włączona aż do osiągnięcia ustalonej temperatury, po czym należy ją
wyłączyć i zaczekać, aż temperatura trochę spadnie (np. o pół stopnia),
i dopiero wtedy ponownie włączyć grzałkę. Stan grzałki powinien być sygnalizowany przez
diodę świecącą, bieżącą wartość temperatury należy wypisywac przez UART.
3.4 Zmierz za pomocą ADC napięcie zasilające.
Aby to osiągnąć, ustaw napięcie referencyjne (Aref) na napięcie zasilające, zaś multiplekser
ADC skonfiguruj, aby mierzyć wbudowane napięcie referencyjne 1.1V.
Wyliczaj w programie wartość napięcia zasilającego (w woltach) i wypisuj przez UART
(powinno wynosić około 5V). Złóż na płytce stykowej grzałkę z zadania 3.
Włączaj i wyłączaj grzałkę co sekundę; włączenie grzałki powinno powodować
zauważalny spadek zmierzonego napięcia zasilającego.
4.1 Skonfiguruj wybrany timer, aby przepełniał się co sekundę.
Wykorzystując przerwania napisz program, który realizuje dwie funkcje:
Co sekundę przez UART ma być wypisywana liczba sekund, które minęły od ostatniego resetu;
Co sekundę powinna krótko (np. 1/20 sekundy) mignąć dioda świecąca.
Zadbaj o to, aby program nie wykorzystywał aktywnego czekania;
czas pomiędzy zdarzeniami procesor powinien być uśpiony w celu redukcji poboru prądu.
(Czekanie 1/20 sekundy przez _delay_ms, oraz czekanie na dostępność UART do wysłania kolejnego
znaku w pętli while, są aktywnym czekaniem.)
4.2 Wykorzystując przerwanie timera, i nie wykorzystując przerwania od przycisków,
napisz program, który zapamiętuje naciśnięcia i zwolnienia przycisku przez użytkownika,
i odtwarza je zapalając i gasząc diodę z 1 sekundowym opóźnieniem.
Główna pętla programu powinna zawierać wyłącznie nieskończoną pętlę z instrukcją uśpienia;
logika programu powinna być w procedurze obsługi przerwania timera.
4.3 Napisz program echo używający UART: odebrane znaki powinny być wysyłane na wyjście
w kolejności odebrania. Nie wykorzystuj standardowego wejścia/wyjścia C, używaj
bezpośrednio rejestru UDR0. Zapewnij maksymalną energooszczędność rozwiązania
– należy wykorzystać przerwania UART, uśpić mikrokontroler w głównej pętli programu
oraz wyłączyć zbędne podzespoły (timery, SPI, TWI, ADC).
4.4 Napisz program, który zademonstruje wpływ trybu ADC Noise Reduction na dokładność
pomiarów przy użyciu ADC. Skonfiguruj przetwornik analogowo-cyfrowy, aby przy użyciu
napięcia zasilania jako Aref mierzył wbudowane napięcie referencyjne 1.1V.
W programie wykonaj dwie serie pomiarów przy użyciu ADC, jedną używając trybu Noise Reduction,
a drugą bez jego użycia (aktywnie czekając na wynik pomiaru w pętli).
Dla obu serii policz wariancję pomiarów. Użycie trybu Noise Reduction wymaga odpowiedniej
konfiguracji rejestru SMCR, włączenia przerwania ADC oraz usypiania procesora w trakcie pomiaru.
5.3 Zrealizuj za pomocą dwóch Arduino (zadanie można wykonać w dwie osoby)
grę typu zgadnij liczbę.
Pierwsze Arduino (SPI slave) powinno wylosować liczbę M z zakresu 0-99, po czym
przy użyciu protokołu SPI odpowiadać na pytania – czy zadana liczba N jest mniejsza,
większa czy równa liczbie M? (Można to zrobić przez dwa zapytania na magistrali:
w pierwszym master podaje liczbę N, slave odsyła 0; w drugim master wysyła 0,
slave odsyła wartość 1/0/-1). Jeśli master zgadł, liczba M powinna zostać wylosowana ponownie.
Drugie Arduino (SPI master) powinno odczytać przez UART liczbę N z komputera,
spytać o nią slave'a, po czym zaprezentować wynik (np. mignąć jedną z trzech diod i
napisać komunikat przez UART).
5.4 Połącz przewodami wybrane cztery piny Arduino z pinami MISO, MOSI, SCK, SS.
Skonfiguruj kontroler SPI jako slave. Napisz program, który będzie programowo
(przez odczyty i zapisy wartości pinów – tak zwany bit-banging) pracował jako SPI master i
komunikował się z wbudowanym kontrolerem SPI (np. przesyłając kolejno liczby 1, 2, 3...).
Odbieraj dane z kontrolera SPI (rejestr SPDR) i sprawdzaj,
czy odebrane liczby są równe wysłanym.
6.3 Napisz program, który używając sygnału PWM będzie sterował serwem modelarskim.
(W serwie z zestawu: czerwony przewód to zasilanie, czarny to ziemia, biały to sygnał sterujący)
Wychylenie serwa jest proporcjonalne do wypełnienia sygnału PWM,
należy zastosować częstotliwość ok. 50 Hz. Należy unikać skrajnych wartości wychylenia
– serwo można uszkodzić, nakazując mu obrót poza zakres!
Docelowa pozycja serwa ma być zadana przez potencjometr odczytywany przez ADC.