در دنیای الکترونیک دیجیتال، تعامل کاربر با سیستم یکی از اجزای حیاتی محسوب می‌شود. استفاده از صفحه کلید (Keypad) برای ورود اطلاعات و نمایشگر LCD برای نمایش خروجی، جزو رایج‌ترین روش‌ها برای این تعامل هستند. در این مقاله قصد داریم راه اندازی LCD و Keypad با میکروکنترلر AVR را به صورت کامل با استفاده از نرم‌افزار Proteus و محیط برنامه‌نویسی CodeVisionAVR آموزش دهیم. این پروژه برای دانشجویان، علاقه‌مندان به الکترونیک و محققانی که به دنبال انجام یک پروژه میکرو AVR کاربردی و شبیه‌سازی شده هستند، بسیار مفید خواهد بود.
هدف این آموزش، طراحی یک سیستم ساده است که با فشردن کلیدهای روی کیپد، کاراکتر متناظر روی LCD با AVR در Proteus نمایش داده شود.
آشنایی با اجزای پروژه میکرو avr
برای اینکه بتوانید یک پروژه حرفه‌ای در زمینه میکروکنترلر داشته باشید، ابتدا باید اجزای اصلی آن را به‌خوبی بشناسید. در پروژه‌ای که قرار است LCD و Keypad را با AVR راه‌اندازی کنیم، هر قطعه نقشی کلیدی ایفا می‌کند. آشنایی با این اجزا نه‌تنها فهم عملکرد مدار را آسان‌تر می‌کند، بلکه به شما کمک می‌کند تا در طراحی، عیب‌یابی و توسعه پروژه‌های بعدی نیز عملکرد موفق‌تری داشته باشید.
در ادامه، با مهم‌ترین اجزای پروژه پروژه راه‌اندازی LCD و Keypad با میکروکنترلر AVR آشنا خواهید شد. این ترکیب ساده اما کاربردی، پایه‌ی بسیاری از پروژه‌های میکرو AVR را تشکیل می‌دهد.
۱- میکروکنترلر ATmega32
میکروکنترلر ATmega32 مغز اصلی پروژه است که نقش کنترل و پردازش ورودی‌ها از کیپد و ارسال خروجی‌ها به LCD را بر عهده دارد. این میکروکنترلر دارای چهار پورت ورودی/خروجی (A، B، C، D) است که امکان اتصال و مدیریت چندین قطعه سخت‌افزاری را فراهم می‌کند. با پشتیبانی کامل از زبان برنامه‌نویسی C در محیط CodeVisionAVR، برنامه‌نویسی و توسعه پروژه‌های مبتنی بر AVR را بسیار ساده می‌کند. حافظه فلش ۳۲ کیلوبایتی آن فضای کافی برای ذخیره کدهای پیچیده و پروژه‌های آموزشی و صنعتی کوچک فراهم می‌سازد، بنابراین ATmega32 انتخابی ایده‌آل برای پروژه‌های میکرو AVR و راه‌اندازی LCD با AVR در پروتئوس است.
۲- LCD کاراکتری ۱۶×۲
این نمایشگر یکی از پرکاربردترین‌ها برای نمایش داده‌ها و پیام‌های خروجی در پروژه‌های میکروکنترلری است. LCD 16×۲ قادر است در هر دو ردیف خود، مجموعاً ۱۶ کاراکتر را نمایش دهد و به همین دلیل برای نمایش متن‌های ساده، اعداد و نمادها بسیار مناسب است. این LCD معمولاً به صورت ۴ بیتی راه‌اندازی می‌شود تا تعداد پایه‌های مورد نیاز کاهش یابد و صرفه‌جویی در اتصال به میکروکنترلر صورت گیرد. پایه‌های اصلی این نمایشگر شامل RS، RW، E و پین‌های دیتا از D4 تا D7 هستند که کنترل کامل عملکرد و ارسال داده‌ها را فراهم می‌کنند. استفاده از این نوع LCD در پروژه‌های راه اندازی LCD با AVR، به دلیل سهولت و وضوح نمایش، بسیار محبوب است.
۳- کیپد ماتریسی ۴×۴ (Keypad 4×۴)
یک ابزار ورودی مهم در پروژه‌های میکروکنترلری است که امکان وارد کردن داده توسط کاربر را فراهم می‌کند. این کیپد شامل ۴ سطر و ۴ ستون است و کلیدهای عددی از ۰ تا ۹ به همراه نمادهایی مانند +، -، *، /، = و ON/C را در خود جای داده است. ارتباط کیپد با میکروکنترلر از طریق ۸ پایه انجام می‌شود؛ ۴ پایه مربوط به سطرها و ۴ پایه مربوط به ستون‌ها. با استفاده از روش اسکن سطری و خواندن وضعیت ستون‌ها، میکروکنترلر می‌تواند کلید فشرده شده را به‌دقت تشخیص دهد. این ویژگی، کیپد ۴x۴ را به گزینه‌ای ایده‌آل برای پروژه‌های راه اندازی Keypad با AVR تبدیل کرده است.
۴- پتانسیومتر 10k اهم
پتانسیومتر ۱۰ کیلو اهم یکی از اجزای کلیدی برای تنظیم کنتراست LCD در پروژه‌های میکروکنترلری است. این قطعه با اتصال یک سر به VCC، سر دیگر به GND و سر وسط به پایه V0 نمایشگر LCD، امکان تنظیم دقیق میزان وضوح و شفافیت تصویر را فراهم می‌کند. با چرخاندن دسته پتانسیومتر، می‌توان کنتراست صفحه نمایش را به دلخواه تغییر داد تا بهترین کیفیت نمایش داده‌ها روی LCD به دست آید. این تنظیم ساده ولی بسیار مهم، تجربه کاربری بهتری را در پروژه‌های راه اندازی LCD با AVR تضمین می‌کند.
۵- نرم‌افزار CodeVisionAVR
یکی از محبوب‌ترین گزینه‌ها برای برنامه‌نویسی میکروکنترلرهای AVR است. این محیط دارای ابزار گرافیکی CodeWizardAVR می‌باشد که امکان پیکربندی آسان پورت‌ها، تایمرها، LCD و دیگر ماژول‌ها را بدون نیاز به کدنویسی دستی فراهم می‌کند. همچنین از زبان برنامه‌نویسی C پشتیبانی می‌کند و توابع آماده‌ای برای راه‌اندازی LCD و تا حدی برای کیپد دارد، که باعث ساده‌تر شدن فرایند توسعه پروژه‌هایی مانند پروژه میکرو AVR می‌شود.
۶- نرم‌افزار Proteus
از نرم‌افزار Proteus برای شبیه‌سازی مدار الکترونیکی استفاده می‌شود. با استفاده از Proteus، می‌توان بدون نیاز به سخت‌افزار واقعی، عملکرد مدار را به‌صورت مجازی بررسی کرد. شما قادر خواهید بود تا با فشردن هر کلید روی کیپد، پاسخ سیستم را مشاهده کرده و نتیجه آن را به‌صورت مستقیم روی LCD ببینید. این شبیه‌سازی به شما این امکان را می‌دهد تا قبل از ساخت مدار واقعی، اتصالات را بررسی کرده، ایرادات احتمالی را برطرف کنید و عملکرد پروژه را با اطمینان کامل تحلیل و ارزیابی نمایید.
معرفی پروژه راه اندازی LCD و Keypad با میکروکنترلر AVR
اگر به دنبال یک پروژه میکرو AVR ساده اما کاربردی برای تمرین برنامه‌نویسی و شبیه‌سازی در محیط Proteus هستید، این پروژه گزینه‌ای فوق‌العاده برای شروع است. در این پروژه آموزشی، نحوه‌ی اتصال و راه‌اندازی LCD با AVR در Proteus همراه با یک Keypad 4×۴ آموزش داده شده است. میکروکنترلر ATmega32 وظیفه پردازش ورودی‌های کیپد را بر عهده دارد و با فشردن هر کلید، عدد یا علامت مربوطه بلافاصله روی LCD 16×۲ نمایش داده می‌شود. همچنین کلید ON/C برای پاک کردن نمایشگر در نظر گرفته شده است.
برنامه‌نویسی این پروژه با CodeVision انجام شده و شبیه‌سازی آن در Proteus به‌طور کامل تست و بررسی شده است. پروژه شامل فایل HEX، شماتیک کامل، کد برنامه و یک گزارش کار دقیق ۱۱ صفحه‌ای می‌باشد. این پروژه نه‌تنها برای دانشجویان رشته برق و الکترونیک مفید است، بلکه برای علاقه‌مندان به طراحی سیستم‌های تعاملی با AVR نیز یک تمرین عالی به حساب می‌آید. با یادگیری این پروژه، یک گام مهم در مسیر تسلط بر پروژه‌های میکرو AVR برمی‌دارید و آماده‌ی پیاده‌سازی پروژه‌هایی مانند دستگاه ورود رمز، ماشین حساب ساده یا سیستم‌های منو محور خواهید شد.
🔗 دریافت پروژه راه اندازی کیپد و LCD با میکرو کنترلر AVR در پروتئوس
مراحل اتصال سخت‌افزاری
در این بخش به مراحل اتصال سخت‌افزاری پروژه راه‌اندازی LCD و Keypad با میکروکنترلر AVR می‌پردازیم. این مراحل برای پیاده‌سازی مدار در نرم‌افزار Proteus یا روی برد بورد در دنیای واقعی کاربرد دارد.
۱- اتصال LCD با میکروکنترلر AVR
برای اتصال LCD با میکروکنترلر AVR در این پروژه، باید پایه‌های کنترلی و داده‌ای را به درستی به پورت C از میکروکنترلر ATmega32 متصل کنید. به‌صورت دقیق، پایه RS به PC0، پایه RW به PC1، پایه E به PC2 متصل می‌شود و خطوط داده نیز به ترتیب D4 به PC4، D5 به PC5، D6 به PC6 و D7 به PC7 متصل خواهند شد. این اتصال‌ها بر اساس حالت ۴ بیتی انجام می‌شوند، به این معنا که تنها چهار خط داده (D4 تا D7) برای ارسال اطلاعات به LCD مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش باعث کاهش تعداد سیم‌های موردنیاز شده و در بسیاری از پروژه‌های میکرو AVR مانند راه اندازی Keypad با AVR، گزینه‌ای بهینه و رایج محسوب می‌شود.
۲- اتصال کیپد ۴×۴ با AVR
برای اتصال کیپد ۴×۴ با AVR، باید ۸ پایه آن را به‌درستی به پورت‌های میکروکنترلر متصل کنید. این پایه‌ها شامل ۴ پایه مربوط به سطرها (Rows) و ۴ پایه مربوط به ستون‌ها (Columns) هستند. در این پروژه، اتصالات به شکل زیر انجام می‌شود:
- Row1 تا Row4 به ترتیب به پایه‌های PD0 تا PD3 متصل می‌شوند (به عنوان ورودی).
- Col1 تا Col4 به ترتیب به پایه‌های PD4 تا PD7 متصل می‌شوند (به عنوان خروجی).
این چینش به گونه‌ای طراحی شده است که می‌توان با ارسال سیگنال به ستون‌ها و خواندن وضعیت سطرها، فشرده‌شدن هر کلید را تشخیص داد. این روش اسکن در بسیاری از پروژه‌های میکرو AVR کاربرد دارد و از اصول پایه در راه اندازی Keypad با AVR به شمار می‌رود. استفاده از این ساختار ساده و مؤثر، امکان کنترل ورودی کاربر را در پروژه‌هایی مانند دستگاه‌های رمز ورود، منوهای دیجیتال یا ماشین‌حساب‌ها فراهم می‌سازد.
راه اندازی Keypad با AVR در CodeVision
برای راه‌اندازی این پروژه، ابتدا تنظیمات اولیه را با استفاده از ابزار CodeWizardAVR انجام می‌دهیم:
۱- پیکربندی پورت‌ها
در مرحله پیکربندی پورت‌ها برای راه اندازی Keypad با AVR با استفاده از ابزار CodeWizard، ابتدا باید پورت C را به‌طور کامل به‌عنوان خروجی برای اتصال به LCD 16×۲ تنظیم کنید. سپس نوبت به پورت D می‌رسد که به‌صورت ترکیبی پیکربندی می‌شود؛ به این صورت که بیت‌های ۰ تا ۳ به‌عنوان ورودی برای خواندن سطرهای کیپد و بیت‌های ۴ تا ۷ به‌عنوان خروجی برای کنترل ستون‌های آن در نظر گرفته می‌شوند. این مرحله، یکی از مهم‌ترین گام‌ها در اجرای صحیح پروژه میکرو AVR است، زیرا عملکرد دقیق کیپد و LCD به همین تنظیمات پورت‌ها بستگی دارد.
۲- فعال‌سازی LCD
برای فعال‌سازی LCD در CodeWizard، وارد بخش تنظیمات LCD شوید و گزینه‌های زیر را با دقت انتخاب کنید. ابتدا نوع LCD را ۱۶×۲ تعیین نمایید، سپس حالت اتصال را روی ۴ بیتی قرار دهید تا انتقال داده‌ها به شکل بهینه انجام شود. در ادامه، اتصال پایه‌ها مانند RS، RW، E و پایه‌های داده D4 تا D7 را مطابق با اتصال سخت‌افزاری واقعی پروژه مشخص کنید. در نهایت، زبان نمایشگر را English انتخاب نمایید. این مرحله از راه‌اندازی، نقش مهمی در نمایش صحیح اطلاعات ورودی از کیپد داشته و در کنار سایر مراحل، تکمیل‌کننده فرآیند راه اندازی Keypad با AVR در یک پروژه میکرو AVR می‌باشد.
۳- فعال‌سازی تاخیر زمانی
در مرحله سوم، برای عملکرد صحیح LCD و اسکن کلیدهای کیپد، لازم است در CodeWizard گزینه delay library را فعال کنید. این گزینه امکان استفاده از توابع تأخیر زمانی مانند delay_ms() را فراهم می‌کند که نقش مهمی در هماهنگی بین ارسال داده به LCD و خواندن ورودی از کیپد دارد. بدون فعال‌سازی این کتابخانه، اجرای دقیق پروژه ممکن نخواهد بود. استفاده از توابع تأخیر یکی از مراحل کلیدی در راه اندازی Keypad با AVR محسوب می‌شود و در هر پروژه میکرو AVR که شامل ارتباط با سخت‌افزارهایی مانند LCD و Keypad باشد، ضرورت دارد.
طراحی شماتیک پروژه در Proteus
برای شبیه‌سازی این پروژه در نرم‌افزار Proteus، مراحل زیر را به‌صورت دقیق دنبال کنید تا یک مدار کامل و تست‌شده برای ارتباط بین میکروکنترلر، کیپد و LCD بسازید.
- افزودن اجزای لازم: در مرحله اول، برای شروع طراحی شماتیک در Proteus، باید اجزای موردنیاز را از کتابخانه قطعات انتخاب کرده و به محیط شماتیک اضافه کنید. این قطعات شامل میکروکنترلر ATmega32 به عنوان واحد پردازش مرکزی، Keypad 4×۴ برای دریافت ورودی از کاربر، LCD 16×۲ برای نمایش کاراکترها و اطلاعات، کریستال ۸ مگاهرتز جهت تأمین نوسان کلاک دقیق، مقاومت‌های Pull-up برای ورودی‌های کیپد به‌منظور تثبیت وضعیت منطقی، و خازن‌های مناسب برای کریستال می‌باشند. انتخاب و چینش صحیح این قطعات پایه‌گذار اجرای بدون خطای پروژه خواهد بود.
- اتصال دقیق قطعات: برای اتصال دقیق قطعات، LCD را به‌صورت کامل و مطابق توضیحات به پورت C میکروکنترلر وصل کنید، سپس کیپد ۴×۴ را با استفاده از ۸ سیم به پورت D متصل نمایید. منبع تغذیه ۵ ولت را برای تأمین ولتاژ مدار در نظر بگیرید و در نهایت، فایل HEX تولیدشده توسط CodeVision را روی میکروکنترلر ATmega32 بارگذاری کنید تا پروژه آماده اجرای شبیه‌سازی شود.
- بررسی عملکرد: در هنگام اجرای شبیه‌سازی، با کلیک روی هر کلید از کیپد، عدد یا علامت مربوطه بلافاصله روی LCD نمایش داده می‌شود و با فشردن کلید خاص مانند کلید C، تمام محتوای نمایشگر پاک خواهد شد.
ویژگی‌های آموزشی پروژه
این پروژه آموزشی راه‌اندازی Keypad با AVR و نمایش اطلاعات روی LCD، گزینه‌ای بسیار مناسب برای دانشجویان رشته مهندسی برق و الکترونیک، علاقه‌مندان به برنامه‌نویسی میکروکنترلر، محققانی که با نرم‌افزار Proteus و میکروکنترلرهای AVR کار می‌کنند، و همچنین طراحان پروژه‌های صنعتی ساده محسوب می‌شود. این آموزش می‌تواند به عنوان پایه‌ای برای پیاده‌سازی پروژه‌هایی مانند دستگاه ورود رمز، ماشین حساب ساده، سیستم کنترل منو و ترمینال کاربری در سیستم‌های کوچک مورد استفاده قرار گیرد و نقش مهمی در درک بهتر مفاهیم ورودی/خروجی و ارتباط سخت‌افزار با نرم‌افزار ایفا کند.
نکات کلیدی پروژه میکرو AVR
- استفاده از کیپد و LCD به عنوان دو ابزار ورودی و خروجی در کنار میکروکنترلر، از اصول طراحی رابط کاربری در سیستم‌های میکروکنترلری است.
- اتصال سخت‌افزاری صحیح نقش کلیدی در عملکرد پروژه دارد.
- استفاده از نرم‌افزارهای کمکی مانند CodeWizard و Proteus فرآیند طراحی و تست را بسیار آسان می‌کند.
- این پروژه می‌تواند نقطه شروعی برای پروژه‌های پیشرفته‌تر باشد، مانند سیستم‌های کنترل دسترسی یا دستگاه‌های قابل‌برنامه‌ریزی.
جمع‌بندی
در این مقاله، یک پروژه عملی و آموزشی با عنوان راه اندازی LCD و Keypad با میکروکنترلر AVR را معرفی کردیم. بدون استفاده از کدنویسی، به توضیح کامل اتصالات سخت‌افزاری، تنظیمات نرم‌افزاری در CodeVision و طراحی شبیه‌سازی در Proteus پرداختیم. این پروژه نمونه‌ای عالی از پروژه میکرو AVR است که در آن، ورودی کاربر از طریق کیپد گرفته شده و خروجی روی LCD نمایش داده می‌شود.
