Arduino 演練 - 利用七段顯示器實作亂數選號器

最近研讀關於七段顯示器的章節，發現要顯示七段顯示器的程式還比接線路還要簡單的說!

而本演練的重點將在於以顯示七段顯示器的數字當基礎，實作出亂數選號器!

在此不會畫相關線路圖，僅以提供實際拍的圖片，也由於接的線路八成都是來自於書本內，

僅有額外接的元件，如按鍵、紅外線接收器、蜂鳴器等，但這幾個元件的線路都很簡單，因

此可以以書本為原型來接出此線路!

在此使用的素材如下：
1. Arduino Uno R3
2. 麵包板
3. 74HC595*1
4. 共陰極七段顯示器*1
5. 220Ω*7
6. 麵包線*24
7. 10KΩ*1
8. LED燈(藍)*1
9. 按鍵開關*1
10.蜂鳴器*1
11.紅外線接收器*1
12.單晶片遙控器*1

 書中的實驗7-2 提供七段顯示器接74HC595藉以減少使用控制板的PIN腳，相關素材為1~6

 ，而7 ~ 12的部分在此自行加上以此完成亂數選號器的製作!

實際電路接法一

實際電路接法二

遙控器發射訊號 → 紅外線接收器


一、演練效果說明

1. 當板子接上電源後，顯示器初始化顯示為0
2. 當使用者按下按鍵，此時顯示器會從0開始，一路由0 ~ 9自動選號，當過了很多輪之後直到
    程式符合相關條件後才會停下!
3. 當顯示器已經在選號時，若持續按著按鍵將發出聲響提醒已開始選號了，不用再按囉!
4. 當顯示器已經在選號時，若此時利用遙控器點選數字，板子上的LED二極體將發光表示收
    到訊號了，顯示器的選號將立即停止並顯示該數字!

二、簡單說明一下電路接法

排除七段顯示器接74HC595的部分之後，剩下要接為紅外線接收器、按鍵開關、蜂鳴器等!

紅外線接收器(正面)左 Vout → 數位 2
紅外線接收器(正面)中 GND → 接地
紅外線接收器(正面)右 Vcc → 正極
74HC595序列輸入腳  → 數位 3
74HC595暫存時脈腳  → 數位 4
74HC595序列時脈腳  → 數位 5
按鍵開關 → 數位 6
蜂鳴器(+) → 數位 7
遙控器發射訊號 → 輸入數字 0 ~ 9(不相關硬加上XD)

三、程式說明

這邊由於需要使用到紅外線訊號接收的功能，因此需要載入相關程式庫

請將解壓縮後的IRremote目錄放至 Arduino安裝目錄下的libraries\

首先在setup method內進行相關初始化動作及宣告相關全域變數
  1. #include <IRremote.h>
  3. int RECV_PIN = 2;
  4. const byte DATA_PIN = 3;
  5. const byte TMP_PIN = 4;
  6. const byte CLOCK_PIN = 5;
  7. const byte SW_PIN = 6;
  8. const byte BUZZER_PIN = 7;
  10. IRrecv irrecv(RECV_PIN);
  12. void setup() {  
  13.   // put your setup code here, to run once:
  14.   //Serial.begin(9600);
  15.   pinMode(DATA_PIN, OUTPUT);
  16.   pinMode(TMP_PIN, OUTPUT);
  17.   pinMode(CLOCK_PIN, OUTPUT);
  18.   pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
  19.   pinMode(SW_PIN, INPUT);
  20.   
  21.   irrecv.blink13(true);
  22.   irrecv.enableIRIn();
  23.   
  24.   randomSeed(analogRead(0));
  25. }

在此需注意的是

irrecv.blink13(true);表示紅外線接收器若收到訊號，則正極接13腳位的二極體會自動閃爍。randomSeed(analogRead(0)); 設定randomSeed初始化，並且assign未被連接的類比腳位

再來是loop()內使用到的全域變數部分
  1. //七段顯示器 共陰極 0 ~ 9
  2. const byte LEDs[10] = {
  3.   B01111110,
  4.   B00110000,
  5.   B01101101,
  6.   B01111001,
  7.   B00110011,
  8.   B01011011,
  9.   B01011111,
  10.   B01110000,
  11.   B01111111,
  12.   B01111011
  13. };
  15. int COUNT = 0;
  16. int DELAY_MILLISEC = 20;
  17. boolean autoExec = false;
  18. int index = 0;
  19. long randNumber;

LEDs array的index 0 ~ 9相當於七段顯示器顯示數字的二進位表示
B → 這個base表示為binary，後面可指定 0 or 1共8 bit values (官方說明)
COUNT → 表示亂數選號是否須停止使用
DELAY_MILLISEC → 一開始選號轉動delay的時間
autoExec → 判斷是否為自動執行亂數選號動作
index → 記錄目前要顯示哪個LEDs array的index值
randNumber → 產生的亂數值

loop()程式如下：
  1. void loop() {
  2.   // put your main code here, to run repeatedly:
  3.   boolean on = digitalRead(SW_PIN);
  4.   digitalWrite(TMP_PIN, LOW);
  6.   //Get remote control signal and convert to LEDs's index
  7.   int sendRECV = convertRECVtoIndex();
  8.   if(sendRECV != -1){
  9.     index = sendRECV;
  10.     showLEDs();
  11.     autoExec = false; //interrupt auto exec
  12.     if(index == 0){
  13.       index++;
  14.     }
  15.   }
  17.   if(COUNT == 0 && index == 0){
  18.     showLEDs();
  19.     index++;
  20.   }
  22.   //Auto execute selection number
  23.   if(on || autoExec){
  24.     //1. about Beating device
  25.     if(on && autoExec){
  26.       unsigned char i;
  27.       for(i=0;i<80;i++){
  28.         digitalWrite(BUZZER_PIN, HIGH);
  29.         delay(1);
  30.         digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);
  31.         delay(1);
  32.       }  
  33.     }
  34.     //2. about switch
  35.     if(on && !autoExec){
  36.       if(index == 1){ //current number display 0
  37.         initialize();
  38.         autoExec = true;
  39.         randNumber = generateRandomNum();
  40.         //Serial.println(randNumber);
  41.       }else{
  42.         index = 0;
  43.       }
  44.       delay(300);
  45.     }
  46.     //3. if auto execute and get stop condition
  47.     checkAutoExecState();
  48.     //4. change 七段顯示器燈號 by index
  49.     showLEDs();
  50.     delay(DELAY_MILLISEC);
  51.     //5. condition calculation
  52.     index++;
  53.     if(index == 10){
  54.       index = 0;
  55.     }
  56.     if(autoExec && COUNT != randNumber){
  57.       COUNT++;
  58.     }  
  59.   }
  60. }

由於顯示七段顯示器使用了74HC595，因此在呼叫shiftOut前需先將TMP_PIN set LOW

3.1 紅外線接收訊號處理

再來是呼叫convertRECVtoIndex()，以此將接收到的紅外線訊號轉換成LEDs's index
  1. int convertRECVtoIndex(){
  2.   int cindex = -1;
  3.   if (irrecv.decode(&results)) { // 接收紅外線訊號並解碼
  4.     long receive = results.value;
  5.     switch(receive){
  6.       case 16738455:{//0
  7.         cindex = 0;
  8.         break;
  9.       }
  10.       case 16724175:{//1
  11.         cindex = 1;
  12.         break;
  13.       }
  14.       case 16718055:{//2
  15.         cindex = 2;
  16.         break;
  17.       }
  18.       case 16743045:{//3
  19.         cindex = 3;
  20.         break;
  21.       }
  22.       case 16716015:{//4
  23.         cindex = 4;
  24.         break;
  25.       }
  26.       case 16726215:{//5
  27.         cindex = 5;
  28.         break;
  29.       }
  30.       case 16734885:{//6
  31.         cindex = 6;
  32.         break;
  33.       }
  34.       case 16728765:{//7
  35.         cindex = 7;
  36.         break;
  37.       }
  38.       case 16730805:{//8
  39.         cindex = 8;
  40.         break;
  41.       }
  42.       case 16732845:{//9
  43.         cindex = 9;
  44.         break;
  45.       }
  46.     }
  47.     irrecv.resume(); // 準備接收下一個訊號
  48.   }
  49.   return cindex;
  50. }

針對上述的十進位數值如何取得，乃事前先一一輸入後印出得到的值，再將它設到程式內。

當得到回傳值之後，若得到非-1表示接收到紅外線有效的訊號值

如此一來可以呼叫showLEDs();
  1. void showLEDs(){
  2.   shiftOut(DATA_PIN, CLOCK_PIN, LSBFIRST, LEDs[index]);
  3.   digitalWrite(TMP_PIN, HIGH);
  4. }

這一段乃是課本範例使用到的，呼叫shiftOut再將TMP_PIN set to HIGH

這樣子燈號就會顯示相關的數字囉!

關於shiftOut的語法為 shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, value)

dataPin and clockPin上面已經有宣告了

bitOrder，在此搭配array value及麵包板接的順序須採用最低位元先傳
以LED[0]來說 → B01111110 最低位元在最右邊的0
搭配板子上接的順序 a ~ g(七段顯示器編號) 對應 74HC595為 1 ~ 7
因此最右邊的0先傳給g，其他七段顯示器的編號都將會是1，因此最後燈號顯示的是0
PS. 這邊可以搭配書本7-11的圖片說明及7-14的電路圖來參考較好理解

value表示LEDs's value

再來當接收到符合的紅外線訊號後，若當下已經在自動選號的情況下將會停止

並判斷index若為0需累計1，表示當按下按鍵後可以顯示燈號1

3.2 初始化顯示

當程式初始化時判斷if(COUNT == 0 && index == 0)成立後會顯示0

3.3 亂數選號

從if(on || autoExec)判斷可以得知，進去的條件為按下按鍵或者是自動選號執行當下

當從停下的燈號，第一次按下按鍵後(on => 1)才會開始執行選號動作

請看註解2. about switch這一段code，滿足此時autoExec為false

若index == 1表示目前燈號停留在0，此時呼叫initialize()
  1. void initialize(){
  2.   DELAY_MILLISEC = 20;
  3.   COUNT = 0;
  4. }

並呼叫generateRandomNum()取得一亂數值
  1. long generateRandomNum(){
  2.   long num = random(50,300);
  3.   if(num > 150 && num < 200){
  4.     num = num - 50;
  5.   }else if(num >= 200 && num < 250){
  6.     num = num - 100;
  7.   }else if(num >= 250){
  8.     num = num - 150;
  9.   }
  10.   return num;
  11. }

取得亂數值越大，數字就會轉動越久，因為每一次的loop會進行COUNT累加，然後再判斷

是否已等於亂數值，同時為了要製造轉動後越來越慢等於快得到結果的效果，因此delay內

的數值會越來越大!  取得亂數值時range是設成50 ~ 300之間，並做簡單的判斷來使亂數值相

對應縮小!

若index != 1表示停下來的燈號是顯示0以外的數值，因此按鍵按下會先歸零且不動

再來請看註解3. if auto execute and get stop condition，此時呼叫checkAutoExecState()
  1. void checkAutoExecState(){
  2.   if(autoExec){
  3.     DELAY_MILLISEC += 2;
  4.     if(COUNT == randNumber && COUNT % 10 == index){
  5.       autoExec = false;
  6.     }
  7.   }
  8. }

這邊就是在檢查自動選號當下，自動累加DELAY_MILLISEC變數使得數字變換會越來越

慢，並且判斷COUNT的計數是否等於亂數值了，原本一開始只設定這個條件，後來發現

每次選號停下來的index會有重複性高的情況! 因此再加上第二個條件，那就是前者成立後

選號還是不會停止，直到COUNT(相當於亂數值)的個位數等於index後才會停止!

如此一來，若此次的亂數值為129，表示最後選號會落在9這個數值! 完全由亂數值來決定

最後的index值，這樣子的效果就比較不會有重複性選到一樣的數字!

註解4. change 七段顯示器燈號 by index已重複提過，顯示燈號並且做delay間隔的效果

註解5. condition calculation，只不過是一些變數的累加

最後則是註解1. about Beating device

這段code是搭配蜂鳴器的使用，程式碼也很簡單。目的是當使用者按下按鍵後，此時已開始

自動選號，若還按著按鍵不放蜂鳴器就會開始響!! 做一個警示作用!

DEMO影片如下：



參考資料
1. 葉難的Arduino練習：紅外線傳送與接收
2. 趙英傑著 超圖解 arduino 互動設計入門第3版第七章節

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