آموزش کار با پورت‌ های ورودی و خروجی GPIO در میکروکنترلر AVR

آموزش کار با پورت‌ های ورودی و خروجی GPIO در میکروکنترلر AVR ، در دنیای الکترونیک و میکروکنترلرها، پورت‌های ورودی/خروجی (GPIO) یکی از اصلی‌ترین ابزارها برای تعامل با محیط بیرونی هستند. AVR، به عنوان یکی از محبوب‌ترین خانواده‌های میکروکنترلرها، امکانات متنوعی برای استفاده از این پورت‌ها فراهم می‌کند. در این مقاله، به صورت جامع و با ارائه مثال‌های کاربردی، نحوه پیکربندی و استفاده از GPIOها در AVR را بررسی می‌کنیم. هدف این است که بتوانید به راحتی از این پورت‌ها برای کنترل دستگاه‌های خارجی یا خواندن داده‌های ورودی استفاده کنید.

آشنایی با GPIO و رجیسترهای مرتبط

هر پورت در AVR از چندین پایه (Pin) تشکیل شده که می‌توانند به صورت ورودی یا خروجی تنظیم شوند. سه رجیستر کلیدی برای پیکربندی و مدیریت این پایه‌ها وجود دارد:

1. DDRx (Data Direction Register): جهت پایه‌ها را مشخص می‌کند. اگر بیتی در این رجیستر برابر 1 باشد، پایه مربوطه به عنوان خروجی عمل می‌کند. مقدار 0 به معنای ورودی است.
2. PORTx: برای تنظیم وضعیت پایه‌های خروجی یا فعال‌سازی مقاومت پول‌آپ در پایه‌های ورودی.
3. PINx: وضعیت منطقی پایه‌های ورودی را نشان می‌دهد و برای خواندن ورودی استفاده می‌شود.

ساختار رجیسترها:

• DDRB برای تنظیم پورت B
• PORTA برای تنظیم مقدار خروجی یا مقاومت پول‌آپ در پورت A
• PINC برای خواندن وضعیت پایه‌های پورت C

پیکربندی GPIO در AVR

1. تعیین جهت پایه‌ها

جهت هر پایه باید قبل از استفاده مشخص شود:

• خروجی: بیتی از رجیستر DDR را به 1 تنظیم کنید.
• ورودی: بیتی از رجیستر DDR را به 0 تنظیم کنید.

مثال:

DDRB = 0xFF; // تمام پایه‌های پورت B به عنوان خروجی
DDRA = 0x00; // تمام پایه‌های پورت A به عنوان ورودی

2. تنظیم خروجی‌ها

رجیستر PORT برای تنظیم مقدار پایه‌های خروجی استفاده می‌شود:

• مقدار 1، ولتاژ HIGH.
• مقدار 0، ولتاژ LOW.

مثال:

PORTB = 0xFF; // تمام پایه‌های پورت B در حالت HIGH
PORTB = 0x00; // تمام پایه‌های پورت B در حالت LOW

3. خواندن ورودی‌ها

رجیستر PIN وضعیت پایه‌های ورودی را می‌خواند. هر بیتی که برابر 1 باشد، نشان‌دهنده ولتاژ بالا است.

مثال:

if (PINA & (1 << PA0)) {
    // اگر پایه PA0 در پورت A در وضعیت HIGH باشد
}

مثال‌های عملی

1. روشن و خاموش کردن یک LED

LED یکی از ساده‌ترین دستگاه‌هایی است که می‌توان با پورت‌های GPIO کنترل کرد.

مدار:

• پایه مثبت LED به یکی از پایه‌های GPIO متصل شود (مثلاً PB0).
• پایه منفی LED به مقاومت و سپس به زمین متصل شود.

کد:

DDRB |= (1 << PB0); // تنظیم PB0 به عنوان خروجی
while (1) {
    PORTB |= (1 << PB0); // روشن کردن LED
    _delay_ms(1000);    // تأخیر ۱ ثانیه
    PORTB &= ~(1 << PB0); // خاموش کردن LED
    _delay_ms(1000);
}

2. خواندن وضعیت یک دکمه فشاری

دکمه‌های فشاری معمولاً برای ورود کاربر استفاده می‌شوند.

مدار:

• یک پایه دکمه به زمین (GND) و دیگری به پایه PA0 و همچنین مقاومت پول‌آپ داخلی.

کد:

DDRA &= ~(1 << PA0); // تنظیم PA0 به عنوان ورودی
PORTA |= (1 << PA0); // فعال‌سازی مقاومت پول‌آپ داخلی
while (1) {
    if (!(PINA & (1 << PA0))) { // اگر دکمه فشرده شده باشد
        PORTB |= (1 << PB0);  // روشن کردن LED
    } else {
        PORTB &= ~(1 << PB0); // خاموش کردن LED
    }
}

3. چشمک‌زدن چندین LED به صورت ترتیبی

می‌توان چندین LED را به صورت ترتیبی روشن و خاموش کرد.

مدار:

• چندین LED به پورت B متصل شوند (PB0 تا PB3).

کد:

DDRB = 0xFF; // تنظیم تمام پایه‌های پورت B به عنوان خروجی
while (1) {
    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
        PORTB = (1 << i); // روشن کردن LED i‌ام
        _delay_ms(500);
    }
}

4. کنترل موتور DC

برای کنترل موتور، از مدار H-Bridge و پایه‌های GPIO برای ارسال سیگنال‌های کنترلی استفاده می‌شود.

مدار:

• دو پایه GPIO به ورودی‌های H-Bridge متصل می‌شوند.

کد:

DDRB |= (1 << PB0) | (1 << PB1); // تنظیم PB0 و PB1 به عنوان خروجی
while (1) {
    PORTB |= (1 << PB0); // چرخش موتور در یک جهت
    PORTB &= ~(1 << PB1);
    _delay_ms(1000);

    PORTB |= (1 << PB1); // چرخش موتور در جهت دیگر
    PORTB &= ~(1 << PB0);
    _delay_ms(1000);
}

نکات و ترفندهای کاربردی

1. استفاده از ماسک بیت‌ها: همیشه برای تغییر یک بیت خاص از عملگرهای بیتی استفاده کنید.
2. مقاومت پول‌آپ خارجی: در مدارهای حساس‌تر از مقاومت‌های پول‌آپ خارجی استفاده کنید.
3. مدیریت توان: پایه‌های بلااستفاده را به عنوان خروجی تنظیم کنید و مقدار آن‌ها را LOW قرار دهید.
4. زمان‌بندی دقیق: برای وظایف زمان‌بر مانند PWM از تایمرهای سخت‌افزاری استفاده کنید.

نتیجه‌گیری

پورت‌های ورودی/خروجی (GPIO) در AVR ابزاری قدرتمند برای ایجاد تعامل بین میکروکنترلر و محیط خارجی هستند. با پیکربندی صحیح و استفاده از این پورت‌ها، می‌توانید سیستم‌های هوشمند، ابزارهای کنترلی و پروژه‌های پیچیده‌تری بسازید. مهارت در کار با GPIOها یکی از گام‌های اساسی در مسیر یادگیری عمیق‌تر الکترونیک دیجیتال و طراحی سیستم‌های تعبیه‌شده است.

آموزش کار با پورت‌ های ورودی و خروجی GPIO در میکروکنترلر AVR

مطلب پیشنهادی

آموزش بهینه‌ سازی و کاهش توان مصرفی میکروکنترلر AVR

نحوه راه‌اندازی یک LED و استفاده از میکروکنترلر AVR برای کنترل چشمک زدن آن