Ультразвуковой датчик расстояния URM37 может использоваться в радиолюбительских конструкциях (роботах, игрушках) и устройствах сигнализации.
[Подключение URM37 к микроконтроллеру AVR]
Если нужно подключить датчик к микроконтроллеру, то это сделать довольно просто благодаря наличию в датчике последовательного порта RS-232 с уровнями TTL. Для полного управления всеми возможностями датчика достаточно 5 проводов:
5V питание
GND питание, общий провод
RST сброс контроллера в URM37, если подан лог. 0 (использовать необязательно)
RXD прием данных (TTL RS232)
TXD передача данных (TTL RS232)
Есть и другие способы подключения датчика URM37 (например, чтение расстояния по сигналу PWM) - см. , но в этой статье они не рассматриваются, так как обладают ограниченными возможностями. Внимание! При подключении датчика правильно установите перемычки J1, J2, J3 (см. ), иначе можете повредить порты подключаемого микроконтроллера высоким напряжением сигнала ±12V TXD, который генерирует MAX202 (двухканальный приемопередатчик RS-232).
Подключение датчика URM37 к микроконтроллеру AVR на примере макетной платы AVR-USB-MEGA16 (ATmega32A), см. :
Чтобы осуществить работу с датчиком URM37, нужно настроить порт USART микроконтроллера на параметры соединения 9600; Parity: none; Stop bit: 1. Если используется сигнал сброса URM37 RST (что необязательно), то ножку порта RST нужно настроить как выход и вывести туда лог. уровень 1. Для чтения расстояния нужно вывести через USART 4 байта 0x22 0x00 0x00 0x22 и в ответ принять 4 байта, содержащие код команды, данные расстояния и контрольную сумму (см. в описание протокола URM37).
Пример настройки порта USART для частоты кварца 12 МГц, микроконтроллер ATmega32A (AVR-USB-MEGA16). Макрос SERIAL_2X_UBBRVAL можно подсмотреть в библиотеке LUFA, см. :
// UMSEL=0 (async UART), UPM=00 (no parity), USBS=0 (1 stop-bit),
// UCSZx=011 (8 бит), UCPOL=0 (в режиме async)
u8 ConfigMask = ((1 << UCSZ1) | (1 << UCSZ0));
// Перед реконфигурированием USART нужно выключить,
// иначе возможна некорректная работа
UCSRB = 0;
UCSRA = 0;
UCSRC = 0;
// Установка новой скорости перед конфигурированием USART
// с учетом установленного бита двойной скорости U2X
UBRR = SERIAL_2X_UBBRVAL(9600);
// Конфигурирование USART в режиме двойной скрости
UCSRC = ConfigMask;
UCSRA = (1 << U2X);
UCSRB = ((1 << RXCIE) | (1 << TXEN) | (1 << RXEN));
Пример отправки через USART команды чтения расстояния:
Пример приема через USART ответа от датчика URM37 в обработчике прерывания (реализацию обработчика прерывания и кольцевого буфера см. в библиотеке LUFA ):
ISR(USART_RX_vect, ISR_BLOCK){
u8 ReceivedByte = UDR;
if
(rxUSART_Buffer.Count<
sizeof
(rxUSART_Buffer_Data))
RingBuffer_Insert(&rxUSART_Buffer, ReceivedByte);
rxUSARTtimeout = 0;
}
[Подключение URM37 к компьютеру через RS-232]
Если же нужно подключить датчик к компьютеру, то при наличии обычного порта RS-232 это сделать довольно просто - достаточно правильно установить перемычки J1, J2, J3 (см. ) для получения ±12V уровней RS-232, и правильно развести сигналы TXD и RXD. Кроме того, для питания датчика URM37 нужно напряжение +5V. Это напряжение можно взять от порта USB, либо от внешнего стабилизированного источника питания +5 вольт. Внимание! Установите перемычки J1, J2, J3 в правильное положение, иначе рискуете испортить датчик высоким уровнем напряжения ±12V, который попадет на вход RXD датчика.
Для управления датчиком (отправки специальных команд для чтения расстояния) нужно написать специальную программу. Для проверки работоспособности подключения можно взять тест-программу URM37V3.2helpmate.exe, см. , которая позволяет отправлять команды протокола датчика URM37 и принимать от него байты данных в сыром, нерасшифрованном виде.
Сегодня мы попробовать воспользоваться более простым микроконтроллером ATtiny2313 и подключить к нему символьный дисплей LCD, содержащий две строки по 16 символов.
Дисплей мы будем подключать стандартным способом 4-битным способом.
Сначала начнём, конечно, с микроконтроллера, так как с дисплеем мы уже очень хорошо знакомы из предыдущих уроков.
Откроем даташит контроллера ATtiny2313 и посмотрим его распиновку
Мы видим, что данный контроллер существует в двух видах корпусов, но так как мне в руки он попал в корпусе DIP, то будем мы рассматривать именно эту версию корпуса, да и в принципе, они и не различаются особо, кроме чем по виду, так как количество ножек одинаково — по 20.
Так как ножек 20 по сравнению с 28 ножками контроллера ATMega8, к которым мы уже на протяжении всего времени занимаемся и ещё будем заниматься, то, соответственно, и возможностей также будет меньше.
В принципе, всё, что было у ATmega8, здесь есть, единственное то, что поменьше лапок портов. Но так как задача перед нами стоит попробовать соединить его по шине SPI с другим контроллеров, то нас это удручает не сильно.
Есть ещё некоторые отличия, но они незначительны и мы с ними познакомимся по мере необходимости.
Соберём вот такую вот схемку (нажмите на картинку для увеличения изображения)
Дисплей подключен к ножкам порта D. PD1 и PD2 — к управляющим входам, а остальные к ножкам модуля дисплея D4-D7.
Проект создадим с именем TINY2313_LCD, перенесём в него всё кроме главного модуля из проекта по подключению дисплея к Atmega8.
Конечно, некоторые вещи надо будет переделать. Для этого нужно внимательно изучить, к какой ножке что подключено. Шина E дисплея подключена к PD2, а шина RS — к PD1, поэтому внесём изменения в файл lcd.h
#define e1 PORTD |=0b000001 00 // установка линии E в 1
#define e0 PORTD &=0b111110 11 // установка линии E в 0
#define rs1 PORTD |=0b0000001 0 // установка линии RS в 1 (данные)
#define rs0 PORTD &=0b1111110 1 // установка линии RS в 0 (команда)
Как мы видим из выделения жирным шрифтом, не такие уж и кардинальные изменения у нас произошли.
Теперь информационные входы. Здесь у нас используются ножки PD3-PD6, то есть на 1 пункт сдвинуты по сравнению с подключением к Atmega8, поэтому исправим ещё и кое что в файле lcd.c в функии sendhalfbyte
PORTD &=0b1 0000 111; //стираем информацию на входах DB4-DB7, остальное не трогаем
Но это ещё не всё. Мы раньше передаваемые данные сдвигали на 4, а теперь нам в связи с вышеуказанными изменениями придётся их сдвигать только на 3. Поэтому в той же функции исправим ещё и самую первую строку
c <<=3 ;
Вот и все изменения. Согласитесь, не так уж они и велики! Это достигнуто тем, что мы всегда стараемся код писать универсальный и пользоваться именно макроподставновки. Если бы мы в своё время не потратили на это время, то нам пришлось бы исправлять код почти во всех функциях нашей библиотеки.
В главном модуле инициализацию порта D мы не трогаем, пусть весь встаёт в состояние выхода, как и в уроке 12.
Давайте попробуем собрать проект и посмотреть сначала результат в протеусе, так как для него я также сделал проект, который будет также находиться в приложенном архиве с проектом для Atmel Studio
У нас всё прекрасно работает! Вот как можно, оказывается быстро переделать проект для одного контроллера под другой.
Протеус — это очень хорошо, но на настоящие детальки посмотреть всегда приятнее. Схема вся была собрана на макетной плате, так как отладочной платы для данного контроллера я не делал и не собирал. Программатор мы подключим через стандартный разъём вот такой вот
Вот вся схема
Здесь всё стандартно. Подтягивающий резистор на RESET и т.д.
Теперь, прежде чем прошивать контроллер в avrdude, нам неоходимо выбрать контроллер и считать его флеш-память
Затем зайти во вкладки FUSES и установить правильно фьюзы. Так как у нас нет кварцевого резонатора, то мы устанавливаем фьюзы именно так
Казалось бы простая тема, а однако в комментах меня завалили вопросами как подключить микроконтроллер. Как подключить к нему светодиод, кнопку, питание. Что делать с AGND
или AREF
. Зачем нужен AVCC
и все в таком духе. Итак, раз есть вопросы, значит тема не понятна и надо дать по возможности исчерпывающий ответ. Все описываю для контроллеров AVR, но для каких нибудь PIC все очень и очень похоже. Т.к. принципы тут едины.
Питание
Для работы микроконтроллеру нужна энергия — электричество. Для этого на него естественно нужно завести питалово. Напряжение питание у МК Atmel AVR
разнится от 1.8
до 5
вольт, в зависимости от серии и модели. Все AVR
могут работать от 5 вольт (если есть чисто низковольтные серии, то просьба уточнить в комментах, т.к. я таких не встречал). Так что будем считать что напряжение питания контроллера у нас всегда 5 вольт или около того. Плюс напряжения питания обычно обозначается как Vcc
. Нулевой вывод (а также Земля, Корпус, да как только его не называют) обозначают GND
. Если взять за пример комповый блок питания. То черный провод это GND (кстати, земляной провод традиционно окрашивают в черный цвет), а красный это +5, будет нашим Vcc
. Если ты собираешься запитать микроконтроллер от батареек, то минус батареек примем за GND
, а плюс за Vcc
(главное чтобы напряжение питания с батарей было в заданных пределах для данного МК, позырь в даташите. Параметр обычно написан на первой странице в общем описании фич:
Operating Voltages
–1.8 — 5.5V (ATtiny2313V)
–2.7 — 5.5V (ATtiny2313)
Speed Grades
–ATtiny2313V: 0 — 4 MHz @ 1.8 — 5.5V, 0 — 10 MHz @ 2.7 — 5.5V
–ATtiny2313: 0 — 10 MHz @ 2.7 — 5.5V, 0 — 20 MHz @ 4.5 — 5.5V
Обрати внимание, что есть особые низковольтные серии (например 2313V низковльтная) у которых нижня граница напряжения питания сильно меньше. Также стоит обратить внимание на следующий пункт, про частоты. Тут показана зависимость максимальной частоты от напряжения питания. Видно, что на низком напряжении предельные частоты ниже. А низковольтные серии раза в два медленней своих высоковольтных коллег. Впрочем, разгону все процессоры покорны;)))))
Для работы контроллерам серии AVR достаточно только питания. На все входы Vcc надо подать наши 5 (или сколько там у тебя) вольт, а все входы GND надо посадить на землю. У микроконтроллера может быть много входов Vcc и много входов GND (особенно если он в квадратном TQFP корпусе. У которого питалово со всех сторон торчит). Много выводов сделано не для удобства монтажа, а с целью равномерной запитки кристалла со всех сторон, чтобы внутренние цепи питания не перегружались. А то представь, что подключил ты питалово только с одной стороны, а с другой стороны чипа навесил на каждую линию порта по светодиоду, да разом их зажег. Внутренняя тонкопленочная шина питания, офигев от такой токовой нагрузки, испарилась и проц взял ВНЕЗАПНО и без видимых, казалось бы, причин отбросил копыта. Так что ПОДКЛЮЧАТЬ НАДО ВСЕ ВЫВОДЫ Vcc и GND . Соединить их соответственно и запитать.
Отдельные вопросы вызвают AGND и AVCC — это аналоговая земля и питание для Аналого-Цифрового Преобразователя. АЦП это очень точный измеритель напряжения, поэтому его желательно запитать через дополнительные фильтры, чтобы помехи, которые не редки в обычной питающей цепи, не влияли на качество измерения. С этой целью в точных схемах проводят разделение земли на цифровую и аналоговую (они соединены должны быть только в одной точке), а на AVCC подается напряжение через фильтрующий дроссель. Если ты не планируешь использовать АЦП или не собираешься делать точные измерения, то вполне допустимо на AVCC подать те же 5 вольт, что и на Vcc , а AGND посадить на ту же землю что и все. Но подключать их надо обязательно!!! ЕМНИП от AVCC питается также порт А.
Warning!!!
В чипе Mega8 похоже есть ошибка на уровне топологии чипа — Vcc и AVcc связаны между собой внутри кристалла. Между ними сопротивление около (!!!) 5Ом Для сравнения, в ATmega16 и ATmega168 между Vcc и AVcc сопротивление в десятки МЕГА ом! В даташите на этот счет никаких указаний нет до сих пор, но в одном из топиков за 2004 год на AVRFreaks сказано, что люди бодались с цифровым шумом АЦП, потом написали в поддержку Atmel мол WTF??? А те, дескать, да в чипе есть бага и Vcc и AVcc соединены внутри кристалла. В свете этой инфы, думаю что ставить дроссель на AVcc для Mega8 практически бесполезно. Но AVcc запитывать надо в любом случае — кто знает насколько мощная эта внутренняя связь?
Простейшая схема подключения Микроконтроллера AVR приведена ниже:
Как видишь, добавился дроссель в цепь питания AVCC
, а также конденсаторы. Хорошим тоном является ставить керамический конденсатор на сотню нанофарад между Vcc
и GND
у каждой микросхемы (а если у микрухи много вход питания и земель, то между каждым питанием и каждой землей) как можно ближе к выводам питания — он сгладит краткие импульсные помехи в шине питания вызыванные работой цифровых схем. Конденсатор на 47мКФ в цепи питания сгладит более глубокие броски напряжения. Кондесатор между AVcc
и GND
дополнительно успокоит питание на АЦП
.
Вход AREF
это вход опорного напряжения АЦП
. Туда вообще можно подать напряжение относительно которого будет считать АЦП
, но обычно используется либо внутренний источник опорного напряжения на 2.56 вольта, либо напряжение на AVCC
, поэтому на AREF
рекомендуется вешать конденсатор, что немного улучшит качество опорного напряжения АЦП
(а от качества опоры зависит адекватность показаний на выходе АЦП
).
Схема сброса
Резистор на RESET
. Вообще в AVR
есть своя внутренняя схема сброса, а сигнал RESET
изнутри уже подтянут резистором в 100кОм к Vcc
. НО! Подтяжка это настолько дохлая, что микроконтроллер ловит сброс от каждого чиха. Например, от касания пальцем ножки RST
, а то и просто от задевания пальцем за плату. Поэтому крайне рекомендуется RST
подтянуть до питания резистором в 10к. Меньше не стоит, т.к. тогда есть вероятность, что внутрисхемный программатор не сможет эту подтяжку пересилить и прошить МК внутри схемы не удасться. 10к в самый раз.
Есть еще вот такая схема сброса:
 |
Она замечательна чем — при включении схемы конденсатор разряжен и напряжение на RST близко к нулю — микроконтроллер не стартует, т.к. ему непрерывный сброс. Но со временем, через резистор, конденсатор зарядится и напряжение на RST достигнет лог1 — МК запустится. Ну, а кнопка позволяет принудительно сделать сброс если надо.
Задержка будет примерно T=R*C для данного примера — около секунды. Зачем эта задержка? Да хотя бы для того, чтобы МК не стартовал раньше чем все девайсы платы запитаются и выйдут на установившийся режим. В старых МК (АТ89С51 , например) без такой цепочки, обеспечивающей начальный сброс, МК мог вообще не стартануть.
В принципе, в AVR
задержку старта, если нужно, можно сделать программно — потупить с пол секунды прежде чем приступать к активным действиям. Так что кондер можно выкинуть нафиг. А кнопку… как хочешь. Нужен тебе внешний RESET
? Тогда оставь. Я обычно оставляю.
Источник тактового сигнала
Тактовый генератор это сердце микроконтроллера. По каждому импульсу происходит какая нибудь операция внутри контроллера — гоняют данные по регистрам и шинам, переключаются выводы портов, щелкают таймеры. Чем быстрей тактовая частота тем шустрей МК выполняет свои действия и больше жрет энергии (на переключения логических вентилей нужна энергия, чем чаще они переключаются тем больше энергии надо).
Импульсы задаются тактовым генератором встроенным в микроконтроллер. Впрочем может быть и внешний генератор, все очень гибко конфигурируется! Скорость с которой тикает внутренний генератор зависит от настроек микроконтроллера и обвязки.
 |
Генератор может быть:
- Внутренним с внутренней задающей RC цепочкой.
В таком случае никакой обвязки не требуется вообще! А выводы XTAL1 и XTAL2 можно не подключать вовсе, либо использовать их как обычные порты ввода вывода (если МК это позволяет). Обычно можно выбрать одно из 4х значений внутренней частоты. Этот режим установлен по дефолту . - Внутренним с внешней задающей RC цепочкой.
Тут потребуется подключить снаружи микроконтроллера конденсатор и резистор. Позволяет менять на ходу тактовую частоту, просто подстраивая значение резистора. - Внутренним с внешним задающим кварцем.
Снаружи ставится кварцевый резонатор и пара конденсаторов. Если кварц взят низкочастотный (до 1МГц) то конденсаторы не ставят. - Внешним.
С какого либо другого устройства идет прямоугольный сигнал на вход МК, который и задает такты. Полезен этот режим, например, если надо чтобы у нас несколько микроконтроллеров работали в жестком синхронизме от одного генератора.
У разных схем есть разные достоинства:
В случае внутренней RC цепи
мы экономим место на плате, нам не нужно дополнительных деталек, но мы не можем развить максимальную частоту и частота немного зависит от температуры, может плавать.
У внешнего кварца отличные показатели точности, но он стоит лишних 15 рублей и требует дополнительных деталей и, что самое обидное, часто съедает пару ног I/O. Также на внешнем же кварце можно добиться максимальной производительности от МК. Частота МК определяется частотой на которую заточен выбранный кварц. Внешная RC цепь
позволяет тикать генератору МК быстрей чем от внутренней, стоит дешевле кварца, но имеет те же проблемы со стабильностью частоты, что и внутренняя RC цепь.
Способы тактования МК описаны в даташите в разделе System Clock and Clock Options
и всецело определяются конфигурацией Fuse Bit’s
. Пока же я настоятельно рекомендую НЕ ТРОГАТЬ FUSE
пока ты не будешь твердо знать что ты делаешь и зачем. Т.к. выставив что нибудь не то, можно очень быстро превратить МК в кусок бесполезного кремния, вернуть к жизни который будет уже очень непросто (но возможно!)
Подключение к микроконтроллеру светодиода и кнопки
Сам по себе, без взаимодействия с внешним миром, микроконтроллер не интересен — кому интересно что он там внутри себя тикает? А вот если можно как то это отобразить или на это повлиять…
Итак, кнопка и светодиод подключаются следующим образом:
 |
Для кнопки надо выбраную ножку I/O подключить через кнопку на землю. Сам же вывод надо сконфигурировать как вход с подтяжкой (DDRxy=0 PORTxy=1). Тогда, когда кнопка не нажата, через подтягивающий резистор, на входе будет высокий уровень напряжения, а из бит PINху будет при чтении отдавать 1. Если кнопку нажать, то вход будет положен на землю, а напряжение на нем упадет до нуля, а значит из PINxy будет читаться 0. По нулям в битах регистра PINх мы узнаем что кнопки нажаты.
Пунктиром показан дополнительный подтягивающий резистор. Несмотря на то, что внутри AVR на порт можно подключить подтяжку, она слабоватая — 100кОм. А значит ее легко придавить к земле помехой или наводкой, что вызовет ложное срабатывание. А еще эти внутренние подтягивающие резисторы очень любят гореть от наводок. У меня уже с десяток микроконтроллеров с убитыми PullUp резисторами. Все работает, но только нет подтяжки — сгорела. Вешаешь снаружи резистор и работает как ни в чем ни бывало. Поэтому, для ответственных схем я настоятельно рекомендую добавить внешнюю подтяжку на 10кОм — даже если внутреннюю накроет, внешняя послужит. В процессе обучения на это можно забить.
Светодиод
подключается на порт двумя способами. По схеме Порт-земля
или Порт-Питание
. В первом случае для зажигания диода надо выдать в порт лог1 — высокий уровень (примерно равен Vcc). Во втором случае для зажжения диода требуется выдать в порт лог0 — низкий уровень (около нуля). Для AVR
разницы вроде бы нет, а вот многие старые серии микроконтроллеров вниз тянули куда лучше чем вверх, так что схема Порт-Питание распространена чаще. Я применяю и ту и другую схему исходя из удобства разводки печатной платы. Ну, а на программном уровне разницы особой нет.
Вывод порта для работы со светодиодом надо сконфигурировать на выход
(DDRxy=1) и тогда в зависимости от значения в PORTxy на ножке будет либо высокий либо низкий уровень напряжения.
Светодиод надо подключать через резистор
. Дело в том, что прямое сопротивление светодиода очень мало. И если не ограничивать ток через него, то он просто напросто может сгореть нафиг. Либо, что вероятней, пожечь вывод микроконтроллера, который, к слову, может тянуть что то около 20-30мА. А для нормального свечения обычному светодиоду (всякие мы не рассматриваем сейчас, эти монстры могут и ампер сожрать) надо около 3…15мА.
Так что, на вскидку, считаем:
- Напряжение на выходе ноги МК около 5 вольт, падение напряжени на светодиоде обычно около 2.5 вольт (выше нельзя, иначе диод сожрет тока больше чем надо и подавится, испустив красивый дым)
- Таким образом, напряжение которое должен взять на себя ограничительный резистор будет 5-2.5 = 2.5В.
- Ток нам нужен 5мА — нефига светодиод зря кормить, нам индикация нужна, а не освещение:)
- R=U/I= 2.5/5E-3 = 500Ом. Ближайший по ряду это 510 Ом. Вот его и возьмем. В принципе, можно ставить от 220 Ом до 680 Ом что под руку попадется — гореть будет нормально.
 |
Если надо подключить много светодиодов, то на каждый мы вешаем по собственному резистору. Конечно, можно пожадничать и поставить на всех один резистор. Но тут будет западло — резистор то один, а диодов много! Соответственно чем больше диодов мы запалим тем меньше тока получит каждый — ток от одного резистора разделится между четырьмя. А поставить резистор поменьше нельзя — т.к. при зажигании одного диода он получит порцию тока на четверых и склеит ласты (либо пожгет порт).
Немного схемотехнических извратов или пара слов о экономии выводов
То что не удается запаять приходится программировать. (С) народная мудрость.
Очень часто бывает так, что вроде бы и памяти контроллера под задачу хватает с лихвой, и быстродействия через край, а ножек не хватает. Вот и приходится ставить избыточный и более дорогой микроконтроллер только потому, что у него банально больше выводов. Покажу парочку примеров как можно за счет усложнения программного кода сэкономить на железе.
Во главу угла такой экономии обычно ставится принцип динамического разделения назначения выводов во времени. То есть, например, вывод может работать на какую-либо шину, а когда шина не активна, то через этот же вывод можно проверить состояние кнопки, или что нибудь передать по другой шине. Быстро (десятки или даже тысячи раз в секунду) переключаясь между двумя разными назначениями можно добиться эффекта «одновременной работы».
Главное, тут следовать двум правилам:
- Два разных применения не должны мешать друг другу т.е. разделение во времени должно быть построено таким образом, чтобы смежная функция не искажала результат работы проверяемой функции.
- Ни в коем случае нельзя допускать конфликта уровней напряжений.
Приведу пример:
- У есть у нас вывод на который повешан выход с некого датчика и кнопка. Выход с датчика может быть 0, 1 в активном режиме и Hi-Z когда на датчик не приходит сигнал Enable.
- Кнопка же дает на линию жесткий 0, путем короткого замыкания.
 |
Как это должно работать:
Скажем, основную часть времени у нас ввод микроконтроллера настроен на вход Hi-Z и мы снимаем показания с датчика на который подан еще и сигнал Enable. Когда нам надо опросить кнопку, то мы отбираем у датчика Enable и его выходы становятся в режим Hi-Z и нам не мешают. Вывод микроконтроллера мы переводим в режим Pull-Up и проверяем нет ли на входе нуля — сигнал нажатой кнопки. Проверили? Переводим вход МК в Hi-Z вход и подаем Enable на датчик снова. И так много раз в секунду.
Тут у нас возникает два противоречия:
- Логическое противоречие
0 на линии может быть в двух случаях от датчика или от кнопки. Но в этом случае, пользуясь здравым смыслом и требуемым функционалом, мы логическое противоречие можем не брать во внимание.Просто будем знать, что нажатие кнопки искажает показания датчика, а значит когда датчик работает — мы кнопку жать не будем. А чтобы показания датчика не принять за нажатие кнопки мы, в тот момент когда ждем данные с датчика, просто не опрашиваем кнопку. От тупых действий, конечно, это не защитит. Но для упрощения примера защиту от дурака я сейчас во внимания не беру.
- Электрическое противоречие
Если датчик выставит 1, а мы нажмем кнопку, то очевидно, что GND с Vcc в одном проводе не уживутся и кто нибудь умрет. В данном случае умрет выход датчика, как более слабый — куда там хилому транзистору тягаться с медной кнопкой.Организационными методами такое противоречие не решить — на глаз нельзя определить напряжение на линии и решить можно жать кнопку или нет. Да и в каком месте сейчас программа можно тоже только догадываться. Поэтому решать будем схемотехнически.
Добавим резистор в цепь кнопки, резистор небольшой, рассчитывается исходя из максимального тока самого слабого вывода линии.Если у нас, например, вывод датчика может дать не более 10мА, то резистор нужен такой, чтобы ток через него от Vcc до GND не превышал этой величины. При питании 5 вольт это будет 510Ом. Теперь, даже если на линии со стороны датчика будет лог1, высокий уровень, то нажатие на кнопку не вызовет даже искажения логического уровня т.к. резистор рассчитан с учетом максимальной нагрузки порта
Пример получился немного сумбурный, но суть думаю понятна. Я хочу чтобы ты увидел и понял не только как делается, но и зачем это делается:)
Ну и несколько примеров нескольких функций на одной ноге:
Во-первых, ISP разьем
. Я уже давным давно забыл что такое тыкать микроконтроллер вначале в колодку программатора, потом в плату, потом обратно и так по многу раз, пока прогу не отладишь. У меня на плате торчат 6 выводов ISP разьема и при отладке программатор вечно воткнут в плату, а программу я перешиваю порой по нескольку раз в 10 минут. Прошил — проверил. Не работает? Подправил, перепрошил еще раз… И так до тех пор пока не заработает. Ресурс у МК на перепрошивку исчисляется тысячами раз. Но ISP разьем сжирает выводы. Целых 3 штуки — MOSI, MISO, SCK.
В принципе, на эти выводы можно еще повесить и кнопки. В таком случае никто никому мешать не будет, главное во время прошивки не жать на эти кнопки. Также можно повесить и светодиоды (правда в этом случае простейший может дать сбой, а вот молодцом!) тогда при прошивке они будут очень жизнерадостно мерцать:)))
На линии под ISP можно повесить и что нибудь другое, главное, чтобы при прошивке это ЧТОТО не начало ВНЕЗАПНО чудить . Например, управление стокилограммовым манипулятором висит на линии ISP и во время прошивки на него пошла куча бредовых данных — так он может свихнуться и кому нибудь бошку разнести. Думать надо, в общем. А вот с каким нибудь , который работает по шинному интерфейсу прокатит такая схема:
Переключаем выход с 0 на 1 и зажигаем то верхний то нижний диод. Если надо зажечь оба, то мы просто переводим вывод микроконтроллера в режим Hi-Z
и словно нет его, а диоды будут гореть сквозным током. Либо быстро быстро переключать диоды между собой, в этом случае на глаз они будут оба гореть. Недостаток схемы очевиден — диоды нельзя погасить. Но если по задумке хотя бы один должен гореть, то почему бы и нет? UPD:
Тут подумал, а ведь можно подобрать светодиоды и резисторы так, чтобы их суммарное падение напряжения было на уровне напряжения питания, а суммарные резисторы в таком случае загонят ток в такой мизер, что когда нога в Hi-Z то диоды вообще гореть не будут. По крайней мере на глаз это будет не заметно совсем. Разве что в кромешной тьме.
Следующий вариант он не дает экономию ножек, зато позволяет упростить разводку печатной платы, не таща к двум диодам еще и шину питания или земли:
А применив сходную тактику к кнопкам можно либо упростить разводку, либо по трем ножкам развести 6 кнопок.
Тут тоже все просто — одна нога дает подтяг, вторая косит под землю. Нажатие кнопки дает просадку напряжения на подтягивающей ножке. Это чует программа, поочередно опрашивающая каждую кнопку. Потом роли ножек меняются и опрашивается следующая кнопка.
В шестикнопочном режиме ситуация схожая — одна ножка дает подтяг, другая землю, а третья прикидывается ветошью Hi-Z и не отсвечивает. Но тут есть один побочный эффект. Например, опрашиваем мы кнопку «В». Для этого у нас верхняя линия встает на вход с подтяжкой
(PORTxy=1, DDRxy=0), средня дает низкий уровень на выходе
(PORTxy=0, DDRxy=1), нижняя не участвует в процессе ибо стоит в Hi-Z
(PORTxy=0, DDRxy=0). Если мы нажмем кнопку «В» то верхняя линия в этот момент просядет и программа поймет что нажата кнопка «В», но если мы не будем жать «В», а нажмем одновременно «Е» и «Б» то верхняя линия также просядет, а программа подумает что нажата «В», хотя она там и рядом не валялась. Минусы такой схемы — возможна неправильная обработка нажатий. Так что если девайсом будут пользоваться быдло-операторы, жмущие на все подряд без разбора, то от такой схемы лучше отказаться.
Ну и, напоследок, схема показывающая как можно обьединить кнопку и светодиод:
 |
Работает тоже исключительно в динамике. То есть все время мы отображаем состояние светодиода — то есть выдаем в порт либо 0 (диод горит) либо Hi-Z (диод не горит). А когда надо опросить кнопку, то мы временно (на считанные микросекунды) переводим вывод в режим вход с подтягом (DDRxy=0 PORTxy=1) и слушаем кнопку. Режим когда на выводе сильный высокий уровень (DDRxy=1 PORTxy=1) включать ни в коем случае нельзя, т.к. при нажатии на кнопку можно пожечь порт.
Минусы — при нажатии на кнопку зажигается светодиод как ни крути. Впрочем, это может быть не багой, а фичей:)
Вот такие пироги. А теперь представьте себе прогу в которой реализованы все эти динамические фичи + куча своего алгоритма. Выходит либо бесконечная череда опросов, либо легион всяких флагов. В таких случаях простейшая диспетчеризация или кооперативная это то что доктор прописал — каждый опрос гонишь по циклу своей задачи и не паришься. Зато юзаешь везде какую-нибудь ATTiny2313 и ехидно глядишь на тех кто в ту же задачу пихает Mega8 или что пожирней:)
Я ничего не знаю и боюсь что либо сжечь, что мне делать???
Не бояться и делать. В конце концов, микроконтроллер не такая уж дорогая вещь чтобы сокрушаться по поводу его смерти. Выкинул в помойку и достал из пакетика новый. На худой конец, если совсем уж страшно, то можно купить готовую демоплату на которой все уже спаяно и разведено как надо. Тебе останется только программировать и смотреть результат.
А потом, на примере того как сделана демоплата, попробовать сделать что то свое. Сама же демоплата представляет собой микроконтроллер + немного стартовой периферии, которой хватит на ряд несложных опытов и которая может облегчить подключение и исследование других устройств. Демоплаты есть разные, например фирменные комплексы вроде STK500 или AVR Butterfly или моя которая была спроектированна исходя из моего опыта и на которой будет строится весь дальнейший учебный курс.
Подключение светодиода к линии порта ввода/вывода
Изучив данный материал, в котором все очень детально и подробно описано с большим количеством примеров, вы сможете легко овладеть и программировать порты ввода/вывода микроконтроллеров AVR.
- Часть 2. Подключение светодиода к линии порта ввода/вывода
- Часть 3. Подключение транзистора к линии порта ввода/вывода
Программу писать будем в Atmel Studio 6.0 .
Эмулировать схему будем в Proteus 7 Professional
.
Первым примером в изучении микроконтроллеров является подключение и управление светодиодом, это самый простой и наглядный пример. Этот пример стал классическим при изучении микроконтроллеров, как программа «Hello World!» при изучении прочих языков программирования.
Максимальный ток, который способен пропустить каждый порт ввода/вывода составляет 40 mA.
Максимальный ток, который способна пропускать каждая линия порта ввода/вывода составляет 20 mA.
Прежде чем подключать нагрузку, в том числе и светодиод к линиям порта ввода/вывода нужно знать, что можно спалить микроконтроллер превысив допустимую нагрузку на линию порта ввода/вывода.
Что бы ограничить ток, который протекает через линии порта ввода/вывода микроконтроллера нужно рассчитать и подключить резистор.
Рис: Рапиновка светодиода.
Рис: Подключение светодиода анодом к микроконтроллеру.
Рис: Подключение светодиода катодом к микроконтроллеру.
Сопротивление токоограничивающего резистора подключаемого к линиям портов ввода/вывода при подключении светодиода рассчитывается по формуле:
Где:
- Vs
- напряжение источника питания;
- Vsp
- падение напряжения на линии порта ввода/вывода;
- Vd
- прямое падения напряжения на светодиоде;
- Id
- прямой ток на светодиоде;
- Кn
- коэффициент надежности роботы светодиода;
Пример:
- напряжение источника питания – 5В
;
- прямое падения напряжения на светодиоде – 2В
;
10мА
(Берётся с datasheet на светодиод)
;
- коэффициент надежности роботы светодиода – 75%
(Берётся с datasheet на светодиод)
;
- падение напряжения на линии порта ввода/вывода – 0,5В
(Берётся с datasheet на микроконтроллер: Vol(output low voltage) – если ток втекает, и Voh (output high voltage) – если ток вытекает)
;
Таким образом номинал резистора R = 166,66 Om , подбирается ближайшее большее значение сопротивления.
Если не известно прямое напряжение светодиода, сопротивление можно рассчитать по закону Ома.
Где:
- U
- напряжение, приложенное к участку цепи;
- I
Пример:
4,5В
;
- номинальный ток линии порта ввода/вывода – 20мА
.
Определив номинал резистора R , необходимо рассчитать мощность P , измеряемая в ваттах, которая будет выделяться в резисторе, в виде тепла при протекании тока в цепи.
Где:
- U
– напряжение, приложенное к участку цепи;
- I
- номинальный ток линии порта ввода/вывода.
Пример:
- напряжение, приложенное к участку цепи – 4,5В
;
- прямой ток на светодиоде – 20мА
.
Рассчитав выделяемую мощность на резисторе, выбираем ближайшее большее значение мощности резистора. Если рассеиваемой мощности резистора будет недостаточной, то он может выйти из строя.
- подключения маломощного светодиода анодом к линии порта ввода/вывода:
- подключения маломощного светодиода катодом к линии порта ввода/вывода:
// Подключаем внешние библиотеки
#include
- подключения маломощного светодиода анодом и катодом к линии порта ввода/вывода:
// Подключаем внешние библиотеки
#include
Не всегда удобно либо дорого по бюджету оставлять плату Arduino в проекте. После отладки все можно перенести на голый контроллер. В данной статье расскажем о том, что и для чего нужно для запуска ATmega8, 168, 328.
Питание контроллера
Питание контроллера (IC1) делится на цифровую часть (VCC, GND) и аналоговою (AVCC, AGND), и для ATmega8, 168, 328 должно лежать в пределах 5 вольт. В нашем случае можно смело объединить VCC с AVCC и GND c AGND.
В контроллере также присутствует вывод AREF. Напряжение, присутствующее на данном выводе, будет задавать опорное для аналоговых входов. Если данный вывод ни к чему не подключен, что мы и имеем на платах Arduino, то контроллер автоматом задает значение опорного напряжения равное 5 вольтам.
Кварцевый генератор
В контроллерах ATmega8, 168, 328 имеется внутренний кварцевый генератор работающий на частоте 8 МГЦ, т.е если нам не очень важна частота, то во внешнюю обвязку можно внешний кварц и не включать. Однако при таком варианте, потребуется прошивать соответствующий бутлоадер и добавлять новые платы в boards,txt
Большинство плат Arduino работает на частоте 16 МГц, в связи с этим необходима установка внешнего кварца. Кварц (Q1) ставится на ноги 9 и 10 (выводы XTAIL1/XTAIL2) и далее через конденсаторы (C2, C3) , нужного для работы кварца номинала (в нашем случае 18-22p), кидаются на землю.
Для возможности осуществления перезагрузки контроллера предусмотрен вывод RESET.
Когда на выводе присутствует положительный потенциал, для этого притягиеваем резистором (R1) к +5 вольтам, контроллер работает по заданной программе. Для осуществения сброса МК, вывод RESET необходимо замкнуть на землю, для этих целей служит кнопка (S1) .
Вот и все, ничего сложного нет, на этой обвязке контроллер должен уверенно запуститься.
Получение напряжения для работы контроллера
Не всегда под рукой можно найти стабилизированные 5 вольт. Самым простым способом решения данной проблемы явлеется установка широкораспространенного стабилизатора 7805 , в простонародье Кренка.
Для сглаживания входного и выходного напряжений в обвязку кренки необходимо установить конденсаторы (C4, C5) . Кренка будет работать и без них, однако напряжение может поскакивать.
Распиновка контроллера
Смотря на данные принципиальные схемы, у большинства новичков скорее всего возникнут вопросы о том, куда делись привычные, для среды Arduino, выводы D1, D2 и т.д.
Непосредственно сам контроллер Atmega разбит на три порта: PORT C (аналоговые входы) и PORT B , PORT D (цифровые входы/выходы) . При программировании на СИ, в чистом виде, в коде программы происходит обращение к выводам, по названиям из даташита. Например операция PORTB |= 1«5; установит логическую единицу на указаном порте и пине, а в среде Arduino тоже самое произойдет при функции
digitalWrite (13, HIGH );Как вы наверное уже догадались, все эти PC2, PB2, в среде Arduino спрятаны за обычными цифрами, а обращение к портам происходит в завиcимости от функций
Интерфейсы
Связь с внешним миром в контроллерах ATmega8, 168, 328 представлена 3 видами интерфейсов. Сильно углубляться здесь не буду, скопирую инфомацию из Википедии, от себя для наглядности добавлю цветовую маркировку.
I2C (Inter-Integrated Circuit) — последовательная шина данных для связи интегральных схем, использующая две двунаправленные линии связи (SDA и SCL). Используется для соединения низкоскоростных периферийных компонентов с материнской платой, встраиваемыми системами и мобильными телефонами.
UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter ) — узел вычислительных устройств, предназначенный для связи с другими цифровыми устройствами. Преобразует заданный набор данных в последовательный вид так, чтобы было возможно передать их по однопроводной цифровой линии другому аналогичному устройству. Метод преобразования хорошо стандартизован и широко применялся в компьютерной технике.
SPI (Serial Peripheral Interface, SPI bus) — последовательный периферийный интерфейс, шина SPI) — последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, разработанный компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения микроконтроллеров и периферии. SPI также иногда называют четырёхпроводным (англ. four-wire) интерфейсом.