Näidikud ja ekraanid Robootika Kodulaboris

Autor: Raivo Sell

Käesolev õpiobjekt tutvustab näidikute ja ekraanide kasutamist Robootika Kodulaboriga.

Mikrokontrolleritega kasutatakse lihtsamates rakendustes LED segmentidega indikaatoreid ja LCD ekraane. Peale nende kasutatakse mikrokontrolleritega aktiivselt ka LED maatrikseid ja tänapäeval levinud värvilisi orgaanilisi LED (OLED) ekraane. Kunagi olid levinud ka hõõgniidiga numberindikaatorid, kus iga numbri jaoks oli eraldi helendav hõõgniit. Olemas on ka elektromehaanilised ekraanid, kus erinevat värvi tahkudega segmente pööratakse füüsiliselt. Viimasel ajal on järjest populaarsemaks muutumas elektrooniline paber, mis imiteerib juba trükist. Kui esmased e-paberid (lühend elektroonilisest paberist) koosnesid erinevat värvi külgedega kuulikestest, mida pöörati elektriväljas, siis uuemad e-paberid sisaldavad aga pisikesi kapsleid, kus kahe värvi erinevalt laetud osakesi mõjutatakse elektriväljaga kas põhja vajuma või pinnale tõusma. Viimased nimetatud näidikud ja ekraanid on toodud infoks näitamaks visualiseerimise erinevaid võimalusi. Antud õpiobjektis tutvustatakse LED segmentidega indikaatorit ja kahte liiki monokromaatilist LCD ekraani, mis sisalduvad Robootika Kodulabori komplektis.

Õpiobjekti nimi: Näidikud ja ekraanid Robootika Kodulaboris

Õpiväljundid:

Pärast mooduli läbimist õpilane:

Kirjeldab ekraanide tööprintsiipi
Eristab LED ja LCD näidikuid ja ekraane
Kirjeldab monokromaatiliste LCD ekraanide tööpõhimõtet
Kirjeldab 7-segmendilise näidiku ühendusskeemi
Ühendab vajalikud moodulid õigesti

Kasutusjuhend:

Teoreetilise taustamaterjaliga tutvumine
Õppevideo vaatamine
Enesekontrolli küsimustele vastamine

Õpetatav osa: Lugeda teoreetilist ülevaadet enne riistvara reaalset ühendamist ja pingestamist. Vaadata õpivideosid korrektse riistvara käsitlemise tagamiseks. Õpitu kinnistamiseks tuleb praktilised näited reaalselt läbi teha.

Seoste loomine: Läbi õppevideo ja sõnalise selgituse järgimise.

Kinnistav osa: Iseseisev praktika reaalse riistvarakomplekti baasil.

TEOREETILINE OSA

7-segmendiline numberindikaator

7-segmendiline LED numberindikaator on seitsmest number 8-kujuliselt paigutatud valgusdioodist koosnev näidik. Vastavaid LED-e (segmente) süüdates või kustutades saab nendega kuvada numbreid nullist üheksani ning mõningaid tähti. Elektriliselt on kõigi LED-ide anoodid ühendatud ühise anoodi viiguga ca. LED-e süüdatakse nende katoode (a, b, c…) lülitades. Olemas on ka vastupidi ühendusi, kus indikaatoritel on ühine katood cc. Tavaliselt kasutatakse mitut numberindikaatorit, et kuvada mitmekohalisi arve - selleks puhuks on indikaatorid varustatud ka koma(punkti) segmendiga dp. Kokkuvõttes on ühel indikaatoril siiski 8 segmenti, kuid nimetatakse neid ikkagi numbrisegmentide arvu järgi 7-segmendilisteks. LED numberindikaatoreid on lihtne kasutada, sest neid võib juhtida kas või otse mikrokontrolleri viikudelt, kuid on ka spetsiaalseid ajureid, mis võimaldavad numberindikaatorit juhtida vähemate mikrokontrollerite viikude arvuga. LED numberindikaatoreid on erinevat värvi, nad võivad olla väga eredad ja väga suured. Kogu ladina tähestiku kuvamiseks on olemas ka lisasegmentidega indikaatoreid.

Robootika Kodulabori Kasutajaliidese mooduli plaadil on üks 7-segmendiline LED numberindikaator. Seda juhitakse läbi järjestikliidesega ajuri A6275. Ajuri järjestikliides on sarnane SPI-ga, kus kasutatakse ka taktsignaali ja andmesignaali. Erinevalt SPI-st pole kasutusel kiibi valikut (inglise keeles chip-select), kuid selle asemel on andmete lukustussignaal (inglise keeles latch). Nimetatud kolm liini on ühendatud Kontrollerplaadiga järgnevalt:
Lukustussignaal (latch) - PG2
Taktsignaal (clock) - PC7
Andmesignaal (data) - PC6

Andmed edastatakse bitthaaval andmeviigu kaudu. Iga kord, kui taktsignaal kõrgeks läheb, nihutatakse nihkeregistri sisu paremale ja kõige vasakpoolsemasse pesasse loetakse andmeviigult tulev bitt. Niiviisi laaditakse nihkeregistrisse 8 bitti. Kui lukustussignaal kõrgeks seada, laetakse nihkeregistri väärtus lukustusregistrisse, kus see jääb püsima kuni uue laadimiseni. Iga lukustusregistri pesa (bitt) on läbi voolulülituse seotud ühe numberindikaatori segmendiga. Segment põleb kõrge bitiväärtuse korral.

Alfabeetiline LCD

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 läbipaisvate 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 iseloomustaja on alfabeetilise LCD juures tema segmentide paigutus. Ekraan on jagatud paljudeks indikaatoriteks. Igal indikaatoril 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.

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 alfabeetlistel LCD ekraanidel enamasti siiski üks - reeglina must, kuid esineb ka valge ja värvilise kirjaga ekraane.

Graafiline LCD

Graafiline LCD on vedelkristall-ekraan, millega saab peale teksti ka kujundeid kuvada. Selle ehitus sarnaneb alfabeetilisele LCD-le ja põhiline erinevus seisneb selles, et graafilisel ekraanil on kõik pikslid jaotatud üle ekraani ühe suure maatriksina. Kui tegu on monokromaatilise graafilise LCD ekraaniga, siis piksel on üks pisike ruudukujuline segment. Värvilistel ekraanidel moodustab üks piksel kolmest alampikslist, millest igaüks laseb läbi värvifiltri kas punast, rohelist või sinist valgust. Kuna alampikslid on lähestikku, paistavad need kui üks piksel.

Monokromaatilised graafilised ekraanid on tavaliselt passiivmaatriksiga, suured värvilised ekraanid, kaasa arvatud arvutiekraanid, on aktiivmaatriksiga. Kogu tausta- ja pikslite värvi puudutav info on graafilistel LCD-del sarnane alfabeetiliste LCD omadustega ja sarnaselt alfabeetiliste ekraanidega on ka graafilistel ekraanidel eraldi kontroller, mis hoolitseb sideliidese kaudu info vastuvõtmise ja segmentide elektrivälja tekitamise eest. Kui alfabeetilisele LCD ekraanile piisab teksti kuvamiseks märkide indeksite saatmisest, siis graafilised ekraanid ise tähti ei moodusta - kõik tekstid ja pildid tuleb kasutajal ise pikselhaaval tekitada.