Finish week5 report

.gitignore

@@ -0,0 +1,7 @@
+
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+

tpl.tex

@@ -0,0 +1,126 @@
+\documentclass[12pt,a4paper]{article}
+\usepackage[top=0.75in, bottom=0.75in, left=0.75in, right=0.75in]{geometry}
+\usepackage[utf8]{inputenc}
+\usepackage{amsmath}
+\usepackage{amsfonts}
+\usepackage{amssymb}
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+\usepackage{listings}
+\usepackage{xcolor}
+
+\usepackage{booktabs}
+
+\lstset{ % General setup for the package
+    language=C,
+    basicstyle=\footnotesize\ttfamily,
+    numbers=left,
+     numberstyle=\small,
+    frame=tb,
+    tabsize=4,
+    columns=fixed,
+    showstringspaces=false,
+    showtabs=false,
+    keepspaces,
+    commentstyle=\color{gray},
+    keywordstyle=\color{blue}
+}
+
+\usepackage{xeCJK}
+\setCJKmainfont{TW-Kai}
+\setCJKmonofont{Noto Sans Mono CJK TC}
+\author{1082B0006 林宏信}
+\title{}
+
+
+\begin{document}
+
+\begin{titlepage}
+  \begin{center}
+    \vspace*{1cm}
+
+    \Huge
+    \textbf{國立臺北科技大學}
+
+    \vspace{0.5cm}
+    \textbf{學生實習心得報告}
+
+    \vspace{1.5cm}
+
+    \textbf{}
+
+    \vspace*{\fill}
+
+    \begin{flushleft}
+      \large
+      學期：110 學年度第 2 學期\\
+      科別：智慧自動化控制科 \\
+      班級：三年級 \\
+      學號：1082B0004、1082B0006 \\
+      姓名：劉予安、林宏信\\
+      課程名稱：機電整合與實習\\
+      授課老師：李政宏 博士\\
+    \end{flushleft}
+  \end{center}
+\end{titlepage}
+
+\section{單元名稱：LED 特效燈}
+\section{實習設備與材料}
+
+\begin{table}[h!]
+  \begin{center}
+    \begin{tabular}{c|c|c|c}
+      \toprule
+      項次 & 品名 & 數量 \\
+      \midrule
+      1 & Arduino & 1 \\
+      2 & LED & 8 \\
+      3 & 按鈕 & 4 \\
+      \bottomrule
+    \end{tabular}
+  \end{center}
+\end{table}
+
+\section{實習步驟}
+
+這次的實作是要製作一個可透過按鈕切換不同模式的特效燈，每個特效運用 8 個數位 LED 做出各式的效果。這個實作在一開始的設計就有一個需要注意之處：由於按鈕可能在任何時間被按下，然而一個模式跑的過程需要時間，若沒有特別設計，就會需要使用者按著按鈕直到一個模式的週期結束，而這是不佳的使用者體驗。因此我在此運用與第一次實作相同的技巧，用計時器來取代 delay，達到非阻塞的設計。
+
+首先是切換模式的函式，本函式運用靜態區域變數 last 儲存前一個狀態，在按下按鈕時，將其設為對應的模式並回傳。
+
+\lstinputlisting[linerange={41-51}]{week4-4.ino}
+
+接著即是程式的主迴圈，每次依據現在的模式，呼叫對應的函式。
+
+\lstinputlisting[linerange={103-118}]{week4-4.ino}
+
+接著是這個程式最特別之處：call\_interval。這個函式會每隔 DELAY 的時間，執行傳入的函式指標 f。雖然目前是使用固定的 DELAY 常數，但這個函式可以透過多接受一個參數，來改變要等待的時間，就可以實現不同的模式跑不同的 delay。藉由 call\_interval 函式，各模式燈光控制的函式就可以簡化為一個單次執行的程式。
+
+\lstinputlisting[linerange={26-33}]{week4-4.ino}
+
+最後就是三種模式各別的控制函式，每個函式會接受一個 clk 或 value 的參數，用來代表目前執行到第幾次。首先是二進位模式，我使用右移運算元來將數字除二，接著再取餘，即可用一行程式碼做出二進位的燈光。
+
+\lstinputlisting[linerange={57-61}]{week4-4.ino}
+
+格雷碼則是先將輸入用格雷碼的公式運算後，代入前面的二進位程式。
+
+\lstinputlisting[linerange={63-65}]{week4-4.ino}
+
+最複雜的則是隨機點亮燈光的程式，由於一個燈光點亮後會持續 3 個週期，因此需要用變數儲存每個燈的狀態。我運用一個陣列來存每個燈光剩餘的「血量」，0 代表不亮，大於 0 則代表亮，每個週期會將亮著的燈血量減一。接著是隨機點亮的程式，使用 do while 迴圈，在選到沒亮的燈前，會不停抽選燈，將其點亮。
+
+\lstinputlisting[linerange={71-95}]{week4-4.ino}
+
+\section{問題與討論}
+
+在 get\_mode 的地方仍然有個小 bug：當按著比較前面的按鈕時，同時按後面的按鈕，會讓後面的按鈕觸發。如按著 B4 還沒放開時，同時按下 B1，這時模式會被切為 1 號模式；但反之按著 B1 時按下 B4，仍然會是 1 號模式。這是由於程式是由前往後檢查，找到一個按下的按鈕就會回傳。但由於只要按鈕按著就會不停的重設計數器，要等到放開所有按鈕，燈光才會開始動作，經過評估沒有必要設計更複雜邏輯來解決。
+
+\section{心得與建議}
+
+這次的實驗過程體驗到了一個不斷讓程式碼精進的過程，從一開始的原型開發，專注在功能的實作，接著不斷的簡化、重構程式碼，使其愈加精鍊，最後得到了相當簡潔的程式碼，這樣的過程給了我很大的成就感。
+
+\pagebreak{}
+
+\section{完整程式碼}
+
+\lstinputlisting{week4-4.ino}
+
+
+\end{document}

week5-5/week5-5.ino

@@ -36,27 +36,27 @@ int get_mode() {
 void show(byte digits[4]) {
   for (int i = 0; i < 4; i++) {
     digitalWrite(LATCH, LOW);
-    shiftOut(DATA, CLK, MSBFIRST, ~digits[i]);
+    shiftOut(DATA, CLK, MSBFIRST, ~digits[i]); // 低態觸發
     digitalWrite(LATCH, HIGH);
-    digitalWrite(scan[3 - i], LOW);
+    digitalWrite(scan[3 - i], LOW); // 點亮一毫秒
     delay(1);
     digitalWrite(scan[3 - i], HIGH);
   }
 }
 
 void mode_display() {
-  static byte digits[4];
-  static byte p = 0;
+  static byte digits[4];  // 所有數字的狀態
+  static byte p = 0; // 現在要改變的數字
   static unsigned long checkpoint = 0;
   show(digits);
   if (millis() - checkpoint > 200) {
     if (p == 4) {
-      // all the numbers are turned on, reset
+      // 所有 LED 皆點亮，重設所有值
       p = 0;
       for (int i = 0; i < 4; i++) digits[i] = 0;
     }
-    digits[p] <<= 1;
-    digits[p] += 1;
+    digits[p] <<= 1;  // 向左移位
+    digits[p] += 1;   // 補一
     if (digits[p] == 0xFF) {
       // if current digit is full, change to the next one
       p++;

week5-5/week5.tex

@@ -0,0 +1,123 @@
+\documentclass[12pt,a4paper]{article}
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+}
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+\begin{document}
+
+\begin{titlepage}
+  \begin{center}
+    \vspace*{1cm}
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+      學期：110 學年度第 2 學期\\
+      科別：智慧自動化控制科 \\
+      班級：三年級 \\
+      學號：1082B0004、1082B0006 \\
+      姓名：劉予安、林宏信\\
+      課程名稱：機電整合與實習\\
+      授課老師：李政宏 博士\\
+    \end{flushleft}
+  \end{center}
+\end{titlepage}
+
+\section{單元名稱：七段顯示器}
+
+本次的主題是七段顯示器，七段顯示器本身只是七個 LED 燈排成數字 8 的形狀，透過不同的燈光組合來呈現不同的數字。然而由於有 7 個 LED 燈就會佔用 7  個接腳，Arduino 上的接腳數量有限，就無法控制多個燈光。因此七段顯示器多半會搭配 74HC595 電晶體，它是 serial in - parallal out 的移位暫存器，即可只使用 clock、latch、serial in 三支腳位，輸出 8 位元的資料，連結到四個七段顯示器上，在使用 enable 控制哪幾個要亮起。
+
+然而我們的開發板上只有一顆 74HC595，因此只能夠同時儲存 8 位元的資料，因此不可能同時讓兩個七段顯示器亮兩個不同的數字，所以實際上是使用輪閃的方式，運用視覺暫留來製造同時亮的效果。
+
+本次的實作題目是設計透過按鈕切換的兩個模式，第一個是控制四個七段顯示器從左到右照 a、b、c...g 的順序逐一亮起，第二則是控制 4 個 LED 的霹靂燈。
+
+\section{實習設備與材料}
+
+\begin{table}[h!]
+  \begin{center}
+    \begin{tabular}{c|c|c}
+      \toprule
+      項次 & 品名 & 數量 \\
+      \midrule
+      1 & Arduino & 1 \\
+      2 & 七段顯示器 & 4 \\
+      3 & 74HC595 & 1 \\
+      \bottomrule
+    \end{tabular}
+  \end{center}
+\end{table}
+
+\section{實習步驟}
+
+一開始是先實作控制四個七段顯示器的函式，我透過一個四個元素的陣列，儲存四個七段顯示器分別要亮起的二進制編碼（8 bits）。show 函式會將四個七段顯示器輪流寫入資料、點亮 1ms、熄滅、換下一個七段顯示器。74HC595 透過 shiftOut 函式來寫入串列資料，在打開 latch 後，將 digits[i] 裡面的二進制編碼，先做 binary NOT 後，每個 clock 會推入一位元到 DATA pin 中，一共推入八個位元。此函式即可讓四個七段顯示器顯示任意的四個數字，但必須持續呼叫才會亮，因此主函式必須採用非阻塞寫法，所有的函式也不能有 delay。
+
+\lstinputlisting[linerange={36-45}]{week5-5.ino}
+
+再來是模式一的函式，此程式會每 200ms 將現在指定的數字往左移位並補一，即可做出燈光逐一亮起的效果。當一個七段顯示器的所有 LED 皆亮起時，則將 p 移至下一個數字。當四個數字都已被點亮，則重置所有 LED。
+
+\pagebreak
+
+\lstinputlisting[linerange={47-66}]{week5-5.ino}
+
+至於模式二則是一個相當簡單的輪閃程式，我用硬體接線來實作老師要求的特殊順序：1、3、2、4。
+
+\lstinputlisting[linerange={68-78}]{week5-5.ino}
+
+其餘模式切換與主函式都與上一次報告類似，便不加贅述。
+
+\section{問題與討論}
+
+這次由於 74HC595 只有一顆的緣故，是使用輪閃的方式來實作，然而過程中可以觀察到，眼睛雖然看不出有閃，但是亮度跟持續亮著有差別，若今天要控制的是十六個七段顯示器，輪閃造成的亮度損失可能會相當嚴重。因此我想更好的做法，應為每個七段顯示器搭配一個 74HC585，再透過多工器來將 clock、latch、serial in 接到每個 74HC595 上，這樣即可做到輪流更新、同時亮起，在沒有更新數值的時候也不需時時更新 74HC595，更重要的，不會有亮度減低的不良影響。
+
+\section{心得與建議}
+
+這次學習到了如何操作七段顯示器及 74HC595，一開始沒有搞清楚串列輸入、輪閃等等的性質，遇到了一些奇怪的錯誤，在一次次嘗試中才慢慢理解實際運作原理。在幫助同學的過程中發現，大部分人都是卡在「輪閃」這個點上，我自己猜想是因為不了解 shiftOut 這個陌生指令究竟做了什麼，加上有多層的迴圈，邏輯確實是複雜了些。也許需要讓大家更了解程式各段的架構、邏輯究竟代表什麼，當然也需要搭配每個人的實作，從錯誤中去理解運作原理，但不能只是「程式能動就好」，而必須能解釋程式為什麼能動，才是真正的學會。
+
+\pagebreak{}
+
+\section{完整程式碼}
+
+\lstinputlisting{week5-5.ino}
+
+
+\end{document}