المداخل الرقمية: توصيل حسّاس رقمي بالمتحكّم

רמות לוגיות במבוא ספרתי – المستويات المنطقية في المدخل الرقمي (Logic Levels)

المدخل الرقمي (מבוא ספרתי) لا يقيس الجهد مثل الفولتمتر. هو يقارن جهد الطرف بحدّين، ويعيد إلى البرنامج قيمة واحدة من اثنتين: HIGH (1) أو LOW (0).

في المتحكّم ATmega328P الذي في لوحة Arduino Uno تُعطى العتبتان في ورقة البيانات ككسر من جهد التغذية V_CC، وفي ESP32 ككسر من V_DD:

وفي ESP32 (حسب ورقة البيانات): V_IH = 0.75·V_DD و V_IL = 0.25·V_DD ، حيث V_DD = 3.3 V.

מבוא צף ונגדי משיכה – المدخل العائم ومقاومات الرفع والخفض (Floating Input, Pull-up, Pull-down)

ننظر إلى زرّ موصول بين 5 V والطرف D7 فقط (الرسم الأيمن). عند الضغط يصل الطرف إلى 5 V ويُقرأ 1. لكن عند ترك الزر لا يوصل الطرف بأي شيء، فهو عائم، والقراءة لا معنى لها. الحل: مقاومة تشدّ الطرف إلى مستوى ثابت عندما يكون الزر متروكا.

في البرنامج نعرّف الطرف كمدخل عادي pinMode(7, INPUT)، فيعيد digitalRead(7) القيمة 1 عند الضغط و 0 عند الترك.

مقاومة الرفع والمنطق المعكوس – נגד משיכה למעלה ולוגיקה הפוכה:

هذا هو المنطق المعكوس (לוגיקה הפוכה): الضغط يعطي 0 والترك يعطي 1. التوصيل بمقاومة رفع هو الأكثر شيوعا، لأن الزر يوصل بـ GND فقط، ولا نمدّ سلك 5 V إلى لوحة الأزرار. وفي ATmega328P توجد مقاومة رفع داخلية على كل طرف، نشغّلها بالأمر pinMode(pin, INPUT_PULLUP)، فلا نحتاج إلى مقاومة خارجية أصلا. قيمتها بين 20 kΩ و 50 kΩ (قيمة نموذجية حسب ورقة البيانات)، أي أنها ليست قيمة دقيقة.

const int BTN = 2;
const int LED = 13;             // on-board LED

void setup() {
  pinMode(BTN, INPUT_PULLUP);   // idle = HIGH
  pinMode(LED, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int raw = digitalRead(BTN);
  bool pressed = (raw == LOW);  // inverted logic
  digitalWrite(LED, pressed ? HIGH : LOW);
  Serial.print("raw = ");
  Serial.print(raw);
  if (pressed) Serial.println("  pressed");
  else Serial.println("  released");
  delay(300);
}

raw = 1  released
raw = 1  released
raw = 1  released
raw = 0  pressed
raw = 0  pressed
raw = 1  released
raw = 1  released

קפיצות מגע, זיהוי קצה וסינון קפיצות – ارتداد التلامس وكشف الحافة (Contact Bounce and Debouncing)

عدّ الضغطات: كشف الحافة – זיהוי קצה:

نريد أن نعدّ كم مرة ضُغط الزر. الخطأ الأول: نزيد العدّاد ما دام الزر مضغوطا:

if (digitalRead(BTN) == LOW) {   // wrong: true in every loop while held
  count++;
}

الدالة loop() تدور آلاف المرات في الثانية، فضغطة واحدة تزيد العدّاد مئات أو آلاف المرات. الضغطة الواحدة هي تغيّر الحالة وليست الحالة نفسها، ولذلك نبحث عن الحافة.

لكن كشف الحافة وحده لا يكفي: كل ارتدادة هي حافة هابطة أيضا. لذلك نجمع في البرنامج التالي كشف الحافة مع إزالة الارتداد.

إزالة الارتداد بالدالة millis() – סינון קפיצות בתוכנה:

نحفظ في lastChange زمن آخر تغيّر في القراءة. إذا مرّ منذ ذلك الحين DEBOUNCE_MS ميلي ثانية، والقراءة تختلف عن الحالة المقبولة stableState، نقبلها. وإذا كانت الحالة الجديدة LOW فهذه حافة هابطة مؤكّدة: ضغطة واحدة. لا نستعمل delay() لأنه يوقف البرنامج كله، وmillis() يعطي الزمن منذ التشغيل بدون توقف.

const int BTN = 2;
const unsigned long DEBOUNCE_MS = 30;

int lastReading = HIGH;   // previous raw reading
int stableState = HIGH;   // accepted state
unsigned long lastChange = 0, presses = 0;

void setup() {
  pinMode(BTN, INPUT_PULLUP);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  unsigned long now = millis();
  int reading = digitalRead(BTN);
  if (reading != lastReading) {   // contact moved
    lastChange = now;             // restart timer
    lastReading = reading;
  }
  bool settled = (now - lastChange >= DEBOUNCE_MS);
  if (settled && reading != stableState) {
    stableState = reading;        // accept it
    if (stableState == LOW) {     // falling edge
      presses++;
      Serial.print("t = ");
      Serial.print(now);
      Serial.print(" ms  presses = ");
      Serial.println(presses);
    }
  }
}

t = 1232 ms  presses = 1
t = 2482 ms  presses = 2
t = 3743 ms  presses = 3

t = 1200 ms  presses = 1
t = 1200 ms  presses = 2
t = 1201 ms  presses = 3
t = 1202 ms  presses = 4
t = 1380 ms  presses = 5
t = 1381 ms  presses = 6

ضغطنا الزر 3 مرات، والشاشة الأولى تعطي 3 ضغطات. في الشاشة الثانية وضعنا DEBOUNCE_MS = 0، فتُقبل كل حافة فورا، وهذا هو كشف الحافة وحده. الضغطة الأولى وحدها عُدّت 6 مرات: 4 حواف في الضغط و 2 عند الترك، عندما لمس المعدن مرة أخرى للحظة. وبعد الضغطات الثلاث وصل العدّاد إلى 17 بدل 3.

חיבור חיישן 5 V לבקר 3.3 V – توصيل حسّاس 5 V بمتحكّم 3.3 V (Level Shifting with a Voltage Divider)

كثير من وحدات الحسّاسات تعمل بـ 5 V ومخرجها الرقمي 5 V ، مثل طرف ECHO في الحسّاس فوق الصوتي HC-SR04 (الفصل 7). لا نوصل هذا المخرج مباشرة بطرف ESP32 أو بطرف الراسبيري باي. أبسط حلّ للإشارات البطيئة نسبيا هو مُجزِّء الجهد (מחלק מתח):

شرطان للتصميم: V_out ≤ 3.3 V حتى عندما يكون V_in أعلى قليلا من 5 V ، و V_out ≥ V_IH = 2.475 V حتى يُقرأ 1 بثقة.

const int SENSOR = 27;    // via 10k / 15k divider

int lastState = LOW;
unsigned long objects = 0;

void setup() {
  pinMode(SENSOR, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int state = digitalRead(SENSOR);
  if (lastState == LOW && state == HIGH) {
    objects++;                  // rising edge
    Serial.print("objects = ");
    Serial.println(objects);
  }
  lastState = state;
}

objects = 1
objects = 2
objects = 3

בידוד אות תעשייתי 24 V במצמד אופטי – عزل إشارة صناعية 24 V بمقرن ضوئي (Optocoupler Isolation)

الحسّاسات الصناعية ومفاتيح نهاية المشوار في لوحات التحكّم تعمل عادة بـ 24 V مستمر. مُجزِّء الجهد هنا ليس حلا جيدا: الأسلاك طويلة، والضجيج والقمم الكهربائية في المصنع قد تصل إلى المتحكّم. الحل الصناعي هو العزل.

نستعمل المقرن الضوئي الشائع PC817. القيم من ورقة البيانات (قيم نموذجية حسب ورقة البيانات): جهد الـ LED الأمامي V_F ≈ 1.2 V ؛ نسبة نقل التيار (יחס העברת זרם) CTR = I_CI_F لا تقل عن 50% عند I_F = 5 mA ؛ وجهد التشبّع V_CE,sat ≤ 0.2 V.

المنطق هنا معكوس أيضا: إشارة 24 V موجودة ← الـ LED يضيء ← الترانزستور يوصل ← الطرف D4 عند 0 V (LOW). بدون إشارة الترانزستور مفتوح، ومقاومة الرفع R_PU تشدّ الطرف إلى 5 V (HIGH).

const int IN24 = 4;     // opto output, 10k pull-up

int lastState = HIGH;   // HIGH = no 24 V signal
unsigned long items = 0;

void setup() {
  pinMode(IN24, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int state = digitalRead(IN24);
  if (lastState == HIGH && state == LOW) {
    items++;                    // 24 V appeared
    Serial.print("items = ");
    Serial.println(items);
  }
  lastState = state;
}

items = 1
items = 2
items = 3

פסיקות חומרה לספירת פולסים – المقاطعات الخارجية لعدّ النبضات السريعة (Hardware Interrupts)

في كل البرامج السابقة قرأ loop() الطرف مرة بعد مرة. هذه الطريقة تسمى الاستطلاع (תשאול). إذا انشغل البرنامج بعمل طويل، مثل قراءة حسّاس بطيء أو كتابة على شاشة، قد تأتي نبضة قصيرة وتذهب بدون أن يراها.

مثال: مروحة حاسوب لها طرف TACH يعطي نبضتين في كل دورة (حسب المواصفة الشائعة لمراوح الحاسوب). المخرج من نوع «المجمّع المفتوح»: الترانزستور يشدّ الخط إلى GND فقط، فيحتاج إلى مقاومة رفع إلى 5 V. المروحة تتغذّى بـ 12 V ، لكن مخرجها لا يحمل 12 V ، ولذلك يكفي أرضي مشترك.

const int TACH = 2;                 // INT0 on Uno
const unsigned long PULSES_PER_REV = 2;

volatile unsigned long pulses = 0;  // set in ISR
unsigned long lastPrint = 0;

void onPulse() { pulses++; }        // ISR: short

void setup() {
  pinMode(TACH, INPUT);       // 10k pull-up to 5V
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(TACH),
                  onPulse, FALLING);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  if (millis() - lastPrint >= 1000) {
    lastPrint += 1000;
    noInterrupts();           // copy, then reset
    unsigned long n = pulses;
    pulses = 0;
    interrupts();
    Serial.print("pulses = ");
    Serial.print(n);
    Serial.print("  rpm = ");
    Serial.println(n * 60 / PULSES_PER_REV);
  }
}

pulses = 0  rpm = 0
pulses = 30  rpm = 900
pulses = 46  rpm = 1380
pulses = 54  rpm = 1620
pulses = 58  rpm = 1740
pulses = 59  rpm = 1770

• معالج المقاطعة قصير: يزيد العدّاد فقط. لا Serial ولا delay() داخله، وإلا قد يتجمّد البرنامج.
• المتغيّر الذي يتغيّر في المعالج يُعرَّف volatile، حتى يقرأه loop() من الذاكرة في كل مرة.
• المتحكّم في Uno يقرأ متغيّرا من 4 بايتات على عدة خطوات، لذلك ننسخه بين noInterrupts() و interrupts().

ملخّص قوانين الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين: