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产品汪的Arduino成长之路(一):简易温度计

产品汪的Arduino成长之路(一):简易温度计

作者: Sweewu | 来源:发表于2015-04-29 15:14 被阅读781次

    一、任务介绍

    利用温度传感器和四位七段数码管制作简易温度计,将温度数据显示在数码管上。

    二、材料清单

    • 开发板:Arduino UNO
    • 温度传感器:LM35
    • 数码管:F5461AH
    • 面包板
    • 导线若干
    • 电阻若干(区分电阻的大小)

    三、背景介绍

    由于我从未有过任何的编程基础和开发经验,所以这次任务的时间周期设定为3个星期:其中,一个星期学习C语言,一个星期学习Arduino及硬件基础知识,一个星期调试代码。
    C语言的学习主要是在计蒜客的在线课程里面学习,外加《C程序设计语言》
    硬件知识的学习主要参考:Arduino官网《Arduino开发从零开始学》
    LM35温度传感器datasheet:http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf
    F5461AH数码管datasheet:http://learn.parallax.com/4-digit-7-segment-led-display-arduino-demo

    四、学习阶段

    由于零基础开始学,我决定通过修改代码的方式来学习,所以温度传感器、数码管的代码都是从网上搬过来的,最终的简易温度计合体代码也是在这个基础之上修改完成的。
    这个策略有效的缩短了我的学习时间,增加了我对代码、硬件的理解程度。但这一过程中也遇到了很多问题,尤其是在代码合体的环节,由于一个严重的问题。且听我细细道来:

    1. 温度传感器调试

    根据LM35 datasheet知道,LM35输出的电压与温度成线性关系:温度每增加1摄氏度,输出电压增加10mV(毫伏)

    Vout = 10 mv/°C × T   //公式1
    

    Arduino A0-A5口是ADC引脚,其分辨率为10位,也就是1024级,输出数值为0-1023;能够读取的电压是0 ~ 5V,所以,analogRead() 输出值 data 与 LM35 电压 Vout 之间的对应关系为:

    data / 1024 = Vout / 5  //公式2
    

    根据公式 1 和公式 2 可以得出温度值 T 与analogRead()值 data 之间的关系:

    T = data * (5  / 1024)* (1000 / 10)
    // T 为温度值, data为analogRead读到的值
    // (5 / 1024) 是模拟值的精度,单位伏特 V
    // (1000 / 10)是单位换算,将伏特转化为毫伏 mv
    

    代码来源:http://www.circuitstoday.com/temperature-logger-using-arduino*
    硬件插线、软件调试完毕之后,就可以通过Arduino IDE里面的串口监视器来查看温度数据。
    出于简便、不接线的考虑,代码作者没有使用面包板,将A0、A2口为定义为电源口,A1为信号输入口,这是个亮点。

    2. 数码管调试

    单独调试数码管的代码来源:http://www.geek-workshop.com/thread-82-1-1.html
    该教程的数码管是共阳类型,但F5461AH是共阴类型,所以对其中的代码做了相应的调整:

    • digitalWrite()初始化过程中d1、d2、d3、d4要设为高电平
    • 单独显示数字时,各段数码管的高低电平与教程代码是相反的

    整个调试过程中有这几个需要注意的事项:

    • 需根据datasheet的引脚规定接线,确保正确无误
    • 理解数码管的构造:由7段单独的数码管组合为一个显示数字
    • 理解一维数组和二维数组的概念

    当时,做引脚接线时一次就成功,代码调试过程中也都顺利一次搞定。这对于小白玩家我而言,简直是如有神助!

    3. 简易温度计组装

    在温度传感器和数码管都调试成功之后,开始组装代码。相比此前的两个独立模块而言,组装代码的核心工作是将 LM35 的温度值传给数码管显示。
    调试代码的过程中出现了一个问题:
    ** 数码管的温度数据不停的狂闪,无法稳定的显示数字**
    一开始我认为这是数码管刷新时间太长的原因造成的,所以不断地修改delay()时间,发现毫秒级别的修改无济于事之后;我又改用delayMicroseconds(),在微秒级别继续刷新数码管。
    还是无效!
    当时,我就操了。


    据说,我那会儿的表现已经跟程序员有几分神似了:

    • 一开始粗口不断、情绪狂躁(&(&!@(¥!*@)
    • 再然后,低头沉思,喃喃细语:到底哪里出错了,究竟哪里不对呢
    • 猛地异常兴奋,狂敲代码,确认猜测是否正确
    • 再就是狂抓头发,狂敲脑门:怎么就不是呢!

    再后来,无意间我把Serial.begin(9600);这条语句删了
    然后……
    一切都正常了,腰不酸了,腿不疼了,数字终于显示正常了!
    苍天啊!
    那一刻如释重负
    终于完成了这个任务

    然后一顿研究,才发现Serial.begin(9600);是板子跟电脑做串口通信的语句,是按照9600 bit / 秒 的速度来传输信息。所以不管我怎么调delay时间,都不能稳定显示。


    以上这些情景发生在昨天,当我今天写文章准备重新再测试这个Serial.begin(9600);时,发现并不会重现昨天的场景。这时我开始诚惶诚恐:
    没有详尽地记录犯罪现场,导致现在无法复原场景;
    甚至还有一种可能:根本就不是这个原因导致了问题的出现。
    想到这里,明白了养成良好开发习惯的重要性;或许我现在已经没办法复原昨天痛苦的场景和原因,但是下一次如果再遇到类似情况时,我能够:

    • 清晰的定位出问题
    • 剖析其成因
    • 找出切实可行的解决方法

    以上就是一个产品汪的第一个硬件产品开发记录。
    最后附上完整代码:

    // 设置温度传感器的引脚及温度变量
    int vcc = A0; // 为了方便,将模拟输入口A0定义为LM35的电源输入口
    int sensor = A1; // 将A1口定义为LM35的温度数据输入口
    int gnd = A2; // 将A2口定义为LM35的接地口
    int temp;
    int tempc;
    
    // 设置数码管参数---------------
    // 1.设置数码管的阳极接口,参考数码管datasheet的接线设置
    int a = 2;
    int b = 3;
    int c = 4;
    int d = 5;
    int e = 6;
    int f = 7;
    int g = 8;
    int p = 1;
    
    // 2.设置阴极极接口,参考数码管datasheet的接线设置(F5461AH为共阴数码管)
    int d4 = 9;
    int d3 = 10;
    int d2 = 11;
    int d1 = 12;
    
    // 3.设置单个数码管a~g段一维数组,方便定义数码管状态
    byte segs[7] = { a, b, c, d, e, f, g };
    
    // 4.设置二维数组,方便查询不同数值下各段数码管的通电状态
    byte seven_seg_digits[11][7] = { { 1,1,1,1,1,1,0 },  // = 0
                                     { 0,1,1,0,0,0,0 },  // = 1
                                     { 1,1,0,1,1,0,1 },  // = 2
                                     { 1,1,1,1,0,0,1 },  // = 3
                                     { 0,1,1,0,0,1,1 },  // = 4
                                     { 1,0,1,1,0,1,1 },  // = 5
                                     { 1,0,1,1,1,1,1 },  // = 6
                                     { 1,1,1,0,0,0,0 },  // = 7
                                     { 1,1,1,1,1,1,1 },  // = 8
                                     { 1,1,1,1,0,1,1 },  // = 9
                                     { 1,0,0,1,1,1,0 }   // = C
                                 }; 
    
    //设置时间变量,用于数码管的刷新显示
    int del = 100;
     
    void setup()
    {
      // 定义数码管的引脚
      pinMode(d1, OUTPUT);
      pinMode(d2, OUTPUT);
      pinMode(d3, OUTPUT);
      pinMode(d4, OUTPUT);
      pinMode(a, OUTPUT);
      pinMode(b, OUTPUT);
      pinMode(c, OUTPUT);
      pinMode(d, OUTPUT);
      pinMode(e, OUTPUT);
      pinMode(f, OUTPUT);
      pinMode(g, OUTPUT);
      pinMode(p, OUTPUT);
      digitalWrite(d1, HIGH); // 初始状态不通电,共阴状态下,应该设为高电平
      digitalWrite(d2, HIGH);
      digitalWrite(d3, HIGH);
      digitalWrite(d4, HIGH);
      digitalWrite(p, HIGH);
      
      //定义温度传感器的引脚
      pinMode(vcc, OUTPUT);
      pinMode(gnd, OUTPUT);
      pinMode(sensor, INPUT);   // A1口是LM35数值的输入口
      digitalWrite(vcc, HIGH); // 将A0设为正极
      digitalWrite(gnd, LOW);  // A2为负极
    }
    
    // 以下为主函数 
    void loop()
    { 
    
      temp = analogRead(sensor); // 读取LM35的输出数据
      tempc = (temp * 5) / 10;       // 将数值根据公式转化为摄氏温度
    
      clearLEDs();
      pickDigit(1);
      lightSegments(tempc / 10);
      delayMicroseconds(del);
    
      clearLEDs();
      pickDigit(2);
      dispDec(2);
      lightSegments(tempc % 10);
      delayMicroseconds(del);
     
      clearLEDs();
      pickDigit(3);
      lightSegments(10);
      delayMicroseconds(del);
    }
    
    // 以下为调用函数
    void clearLEDs()  //清屏函数
    {
      digitalWrite(a, LOW);
      digitalWrite(b, LOW);
      digitalWrite(c, LOW);
      digitalWrite(d, LOW);
      digitalWrite(e, LOW);
      digitalWrite(f, LOW);
      digitalWrite(g, LOW);
      digitalWrite(p, LOW);
    }
    
    void pickDigit(int x)  //定义pickDigit(x),其作用是开启dx端口
    {
      digitalWrite(d1, HIGH);
      digitalWrite(d2, HIGH);
      digitalWrite(d3, HIGH);
      digitalWrite(d4, HIGH);
     
      switch(x)
      {
      case 1: 
        digitalWrite(d1, LOW); 
        break;
      case 2: 
        digitalWrite(d2, LOW); 
        break;
      case 3: 
        digitalWrite(d3, LOW); 
        break;
      default: 
        digitalWrite(d4, LOW); 
        break;
      }
    }
     
    void dispDec(int x)  //设定开启小数点
    {
      digitalWrite(p, HIGH);
    }
     
    
    void lightSegments(int x) {   // 点亮对应数字的数码管  
      for (int i = 0; i < 7; i++) {
        digitalWrite(segs[i], seven_seg_digits[x][i]);
        
      }
    }
    

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