Spis treści. Od wydawcy 6 Od autora 7 1. Co to jest mikrokontroler? «...». 9

Transkrypt

1

2 Spis treści Spis treści Od wydawcy 6 Od autora 7 1. Co to jest mikrokontroler? «...» Kryteria wyboru mikrokontrolera Charakterystyka wybranych mikrokontrolerów Mikrokontrolery rodziny ' Mikrokontrolery PIC, Mikrokontrolery AVR, Inne mikrokontrolery...' Projektowanie standardowych obwodów współpracujących z mikrokontrolerem Zasilanie systemu mikroprocesorowego Zasilanie sieciowe Zasilanie bateryjne i akumulatorowe Obwody zasilania awaryjnego Obwody włączania zasilania Fizyczna realizacja obwodów zasilania Układy generowania sygnału zerującego (RESET) Podstawowe obwody zerowania Rozbudowane układy zerowania Układy nadzorujące typu watchdog Układy generowania sygnału zegarowego Generatory wbudowane Oscylatory wewnętrzne z zewnętrznym rezonatorem kwarcowym Generatory zewnętrzne Porty wejścia-wyjścia mikrokontrolerów Budowa wewnętrzna portów typowych mikrokontrolerów Linie portów w trybie wejścia Linie portów w trybie wyjścia Magistrale transmisji danych systemu mikroprocesorowego Standardowa magistrala systemowa Dołączanie zewnętrznej pamięci programu i danych Dekoder adresów i dołączanie układów peryferyjnych Łącze równoległe Łącza szeregowe Standardowe łącze szeregowe Magistrala RS Magistrala RS Magistrala I 2 C 85

3 Spis treści Sygnały start i stop transmisji Wysyłanie danych Odbieranie danych interfejs SPI :.:...:.:.::...;. ;...;...: :...: Wysyłanie i odbiór danych...*.*».-...»»..., «...w.i.v.j.'..u.. i Interfejs 1-Wire ,*... w ;.^... v r Zerowanie magistrali 1-Wire r,...«...,., Wysyłanie danych.. v...,j.^r.^...,..., Odbieranie danych...*.^...,...,. M...,,. < Urządzenia wejściowe systemu mikroprocesorowego Czujniki.....'., Czujniki stykowe.v...w...vói^.^*.^w^.^ Czujniki optoelektroniczne...,,...^...,...^,^^.^,,, Stosowanie innych czujników specjalizowanych Tr i^.>j..,^>(^^(^f V.. ft Problem długich linii połączeniowych czujników,,^.. ł T^.,..,* Klawiatury *" " ^^r^tr-rmsh^h Klawiatura o niewielkiej liczbie przycisków ^^^- śm^i^ttti >i,h\.<->\ H Klawiatura matrycowa,..,^, rr... w ^v^lrt.. y j r., ł...., Wykorzystanie standardowej klawiatury komputera osobistego Obwody wejściowe sygnałów analogowych Wzmacniacze.,.;.,^... 1rhv Filtry rf,^.^^.,;..,., Komparatory zewnętrzne i wbudowane...«^,. #^;* iai» Urządzenia wyjściowe systemu mikroprocesorowego Wyświetlacze '.'.'.w Wyświetlacze LED Wyświetlacze statyczne......;...i...^i.v... t Wyświetlacze multipleksowane...:.^!!:j^.. r.l Wyświetlacze LCD... f^.:.,. T,...;.,^;.^A...».,. i^; Wyświetlacze z wbudowanym sterownikiem...i.^,....w..i.» ; Układy wyjściowe dużej mocy ^...ii...^ Sterowanie tranzystorów przełączających MOSFET * Sterowanie przekaźników i styczników Sterowanie triaków....' Walka z zakłóceniami wnoszonymi przez urządzenia dużej mocy Rozwiązania układowe praktycznych problemów konstrukcyjnych... M. M... M... MM. MMM... MM. MM.. MM... M Obsługa wyświetlacza i klawiatury za pomocą magistrali I 2 C i układu PCF Wyświetlacz matrycowy LED 8x35 punktów Dołączenie klawiatury do układu wyświetlacza multipleksowanego Prosty czestotliwościomierz cyfrowy

4 Spis treści Zewnętrzny zegar czasu rzeczywistego z wysokostabilnym wzorcem częstotliwości Detektor zaniku napięcia zasilania zapewniający zachowanie danych w pamięci nieulotnej Pamięć Flash dużej pojemności do układu archiwizującego Układ odłączający rezerwowe źródło zasilania przed jego całkowitym rozładowaniem Komunikacja RS-232 ze sprzętową kontrolą transmisji Wykorzystanie interfejsu USB do połączenia mikrokontrolera z komputerem PC Sterowanie silnika krokowego Montaż i uruchamianie systemu mikroprocesorowego Montaż urządzenia Uruchamianie systemu mikroprocesorowego Uruchamianie i testowanie sprzętu Część analogowa Część cyfrowa Pisanie, uruchamianie i testowanie oprogramowania Przygotowanie dokumentacji Testowanie urządzenia w rzeczywistych warunkach pracy 22 Informacje dodatkowe 23 Dodatek A. Tablica kodów ASCII 24 Dodatek B. Wyprowadzenia typowych wyświetlaczy LCD i VFD z interfejsem równoległym 26 Dodatek C. Znaki zawarte w generatorze znaków sterownika HD Dodatek D. Konwersja między kodem szesnastkowym i dziesiętnym 29 Dodatek E. Wyprowadzenia najpopularniejszych elementów elektronicznych 211 Skorowidz 215

5 Od autora Od autora Każdy z Czytelników zapewne przyzna mi rację, jeśli powiem, że żyjemy w czasach, w których nie można się obejść bez urządzeń elektronicznych wyposażonych w mikroprocesory. Niemal każde współcześnie projektowane urządzenie elektroniczne ma na swoim pokładzie przynajmniej jeden mikroprocesor, niejednokrotnie o olbrzymiej mocy obliczeniowej. Poczynając od typowych komputerów klasy PC, poprzez sterowniki przemysłowe, sprzęt RTV, telefony komórkowe, samochody, a kończąc na pralkach i lodówkach - wszędzie zastosowanie mikroprocesorów stało się równie powszechne jak obecność energii elektrycznej w domu. Trend komputeryzacji i automatyzacji otoczenia najpewniej jeszcze się umocni wskutek niepohamowanego rozwoju technik produkcji coraz wydajniejszych układów i spadku ich cen. Warto zatem w obecnych czasach poznać choćby podstawowe zasady projektowania systemów i urządzeń elektronicznych, których działanie opiera się głównie na wykonywaniu programu poprzez układ mikroprocesora czy mikrokontrolera. Niniejsza książka jest przeznaczona dla osób o ogólnej wiedzy z elektroniki, często bardzo rozbudowanej teoretycznie, jednak nie mających zbyt dużego doświadczenia praktycznego. Mogę z czystym sumieniem powiedzieć, że niejednokrotnie w czasie swojej edukacji, zarówno podczas studiów, jak i wcześniej, w technikum, spotykałem się z nauczycielami i wykładowcami, których podejście do nauki danego przedmiotu ograniczało się do wypisania na tablicy suchych wzorów i wykresów, żmudnego wyprowadzania równań i dyktowania definicji, natomiast brakowało czasu (a być może również umiejętności), aby przedstawić praktyczne zagadnienia związane z danym tematem oraz sposoby rozwiązywania problemów projektowych czy sytuacji awaryjnych. Dodatkowo wiele książek rekomendowanych do nauki przedmiotów technicznych również nie traktuje o sytuacjach z praktyki zawodowej technika czy inżyniera, ale prezentuje czysto teoretyczne podejście, które pozostaje bezwartościowe w przypadku braku poparcia praktyką. Pisząc tę książkę myślałem o osobach, które zostały odstraszone teoretycznymi wynurzeniami i prawdopodobnie nigdy na poważnie nie zajmą się układami mikroprocesorowymi, czy ogólnie elektroniką. Czytelnik nie znajdzie tutaj wielu wzorów, tabel, wykresów czy list rozkazów łatwych do odszukania w razie potrzeby w katalogach udostępnianych przez producentów układów lub w innych pozycjach książkowych. Znajdzie natomiast dużo praktycznych informacji dotyczących projektowania systemów cyfrowych zbudowanych z wykorzystaniem mikrokontrolerów, które niemal całkowicie wyparły standardowe mikroprocesory z konstrukcji specjalizowanych urządzeń elektronicznych. Dodatkowo, przedstawione rozwiązania układowe zrealizowano zarówno na specjalizowanych układach scalonych, jak i na łatwych w zakupie i tanich standardowych elementach elektronicznych. Podyktowane zostało to tym, że wiele osób swoją elektroniczną drogę" rozpoczyna od wykonywania pojedynczych egzemplarzy urządzeń na własny użytek, więc nie jest wskazane używanie w tych konstrukcjach elementów dostępnych wyłącznie na zamówienie czy kosztujących kilkadziesiąt złotych. Rozwiązania układowe są wsparte również przykładowymi funkcjami napisanymi w języku C, który oprócz dużych" komputerów upowszechnił się także wśród programistów mikrokontro-

6 Od autora lerów. Programy napisano w sposób ukazujący istotę problemu, pozwalający na uniezależnienie się od platformy, co jednak pociąga konieczność modyfikacji kodu podczas adaptowania go do współpracy w konkretnym układzie. Uwagi praktyczne dotyczące wykorzystania konkretnego mikrokontrolera w takim, a nie innym układzie pracy, odnoszą się do najpopularniejszych w naszym kraju typów mikrokontrolerów: zwłaszcza mikrokontrolerów rodziny '51 (przede wszystkim najprostszych układów firmy Atmel), a także układów PIC i AVR. Na zakończenie chciałbym życzyć wszystkim Czytelnikom miłej lektury oraz powodzenia w konstruowaniu własnych urządzeń mikroprocesorowych. W tym miejscu chciałbym również podziękować wszystkim nauczycielom i wykładowcom, których spotkałem w trakcie swojej edukacji, a którzy, oprócz realizowania nienajlepszego nieraz programu nauczania, potrafili zainteresować prowadzonym przez siebie przedmiotem, umieli odpowiadać na pytania dociekliwych słuchaczy czy też, w razie potrzeby, potrafili przyznać się do błędu czy niewiedzy. Ta książka powstała również dzięki nim. Autor

7

8 1 1. Co to jest mikrokontroler? Mikroprocesor, mikrokontroler - czy to jest to samo? Chociaż często w literaturze mikrokontrolery nazywa się mikroprocesorami, to jednak pomiędzy tymi dwoma określeniami istnieją zbyt duże różnice, aby postawić między nimi znak równości. Mikroprocesor jest elementem, który nie jest w stanie pracować samodzielnie - do jego działania potrzebne jest dość rozbudowane otoczenie, składające się z magistrali systemowej (magistrala danych, adresowa i sterująca) oraz pamięci programu, pamięci danych i układów wejścia/wyjścia. Odwołując się do architektury komputerów PC łatwo zauważyć, że wkładany w podstawkę na płycie głównej mikroprocesor jest tylko niewielkim elementem w stosunku do pozostałej zawartości blaszanej skrzynki". Mikrokontroler jest za to niczym innym jak mikroprocesorem zamkniętym w jednej obudowie wraz z całym niezbędnym do pracy otoczeniem, który może funkcjonować bez konieczności współpracy z układami zewnętrznymi (stąd nazwy: mikrokontroler lub mikrokomputer jednoukładowy). Widać stąd, że określenie system mikroprocesorowy w przypadku mikroprocesora opisuje pewną liczbę współpracujących urządzeń, natomiast w przypadku mikrokontrolera może ograniczać się do pojedynczego układu scalonego. W zależności od typu zastosowanej jednostki centralnej oraz liczby i funkcji zamkniętych w obudowie układów peryferyjnych, taki pojedynczy układ scalony może być stosowany w różnych aplikacjach - począwszy od obsługi świateł na skrzyżowaniu, a skończywszy na systemie telemetrycznym rakiety kosmicznej. Chociaż mikrokontrolery są wolniejsze od produkowanych obecnie mikroprocesorów oraz mają mniejszą elastyczność (nie da się np. otworzyć obudowy w celu dołożenia pamięci, a często dołączenie dodatkowej pamięci zewnętrznej jest niemożliwe), to znajdują szerokie zastosowanie w aplikacjach, gdzie taka elastyczność i moc obliczeniowa po prostu nie jest wymagana - są to różnego rodzaju sterowniki przemysłowe, sprzęt RTV i AGD, zabawki czy jakiekolwiek inne urządzenia, które zyskują na funkcjonalności po zastosowaniu do ich budowy mikrokontrolera. Dodatkową zaletą mikrokontrolerów jest łatwość projektowania urządzeń z nimi. Ogromna popularność mikrokontrolerów przyczyniła się do dynamicznego rozwoju oprogramowania niezbędnego do wykonania części programowej systemu mikroprocesorowego - producenci układów często dostarczają bezpłatnie oprogramowanie (czasami o ograniczonej funkcjonalności), także sprzedawcy profesjonalnych pakietów uruchomieniowych często udostępniają darmowe wersje do zastosowań niekomercyjnych. Równie łatwo można znaleźć bezpłatne procedury programowe do obsługi określonych zadań. Umożliwia to amatmatorom-elektronikom kompleksową i profesjonalną realizację projektu bez ponoszenia jakichkolwiek kosztów. Nowoczesne mikrokontrolery z rodzin PIC, AVR i innych, a zwłaszcza układy z rodziny 851 produkowane m.in. przez firmę Atmel, zawdzięczają swoją popularność przede wszystkim cenie oraz wbudowanej pamięci programu Flash, która zwalnia projektanta od konieczności stosowania pamięci EPROM i/lub symulatorów pamięci stałej, niezbędnych przy realizacji systemów mikroprocesorowych z zewnętrzną pamięcią programu. Gwarantowana przez producenta minimalna liczba cykli zapisu pamięci programu zwykle przekracza 1, co w zupełności wystarcza do przygotowania, przetestowania i wprowadzenia poprawek do dowolnie skomplikowanego oprogramowania.

9 1.1. Kryteria wyboru mikrokontrolera Kryteria wyboru mikrokontrolera Mnogość producentów i typów mikrokontrolerów oraz nieustannie wprowadzane do oferty nowe typy układów dosyć znacznie komplikują decyzję o wyborze konkretnego układu do zastosowania w projektowanym urządzeniu. W praktyce produkcji wielkoseryjnej często wpływ na decyzję o wyborze mikrokontrolera mają kontakty z producentem oferującym określone układy, przyzwyczajenia pracowników firmy, czasem nawet niechęć do pojawienia się nowej pozycji magazynowej w zakładzie produkcyjnym przedsiębiorstwa. O podjęciu takiej, a nie innej decyzji w praktyce amatorskiej decydować powinny zwłaszcza cechy funkcjonalne projektowanego urządzenia, a również cena i dostępność wybranego układu (co w dobie rozwoju internetowych sklepów z podzespołami elektronicznymi traci nieco na znaczeniu). Jednym z najważniejszych kryteriów wyboru jest określenie liczby linii sterujących niezbędnych do współpracy z pozostałymi elementami systemu mikroprocesorowego. Chociaż kłopoty z mikrokontrolerem o niewielkiej liczbie linii we/wy mogą być rozwiązanie poprzez dodanie innych układów współpracujących, to jednak warto dokładnie wyważyć podejmowaną decyzję, aby przypadkiem nie okazało się, że tańszy mikrokontroler o mniejszej liczbie wyprowadzeń wraz z dodatkowym układem rozszerzającym jego możliwości będzie droższy niż mikrokontroler o większych możliwościach, który jest w stanie samodzielnie spełnić wszystkie założenia. Czasem opłacalne staje się nawet zastąpienie kilku scalonych układów cyfrowych rozbudowanego systemu drugim mikrokontrolerem o niewielkich możliwościach, wystarczających jednak zupełnie do programowego zrealizowania niejednokrotnie dużo droższego rozwiązania sprzętowego. Dodatkowo takie rozwiązanie zazwyczaj jest mniej prądożerne, a na pewno zajmuje dużo mniej miejsca na płytce drukowanej. Kolejnym kryterium jest fakt wyposażenia danego mikrokontrolera w układy peryferyjne rozszerzające jego możliwości. Najczęściej zwraca się uwagę na parametry najpopularniejszych układów peryferyjnych wbudowywanych w mikrokontroler - timerów i liczników. W dalszej kolejności brane są pod uwagę: liczba przerwań, układy umożliwiające współpracę z układami analogowymi (są to najczęściej komparatory, przetworniki A/C i C/A, generatory PWM), niekiedy ważna jest również sprzętowa realizacja niektórych rodzajów interfejsów: układu transmisji szeregowej, magistrali I 2 C, czy SPI. Innym kryterium decydującym o wyborze są przewidywane wymagania programu. Tutaj do najważniejszych parametrów należą: wielkość pamięci programu, wielkość pamięci przeznaczonej na dane, architektura, lista rozkazów mikrokontrolera i maksymalna częstotliwość taktowania wpływające bezpośrednio na szybkość wykonywania programu. W zależności od budowanego urządzenia czasami trzeba też zwrócić uwagę na takie prozaiczne parametry jak napięcie zasilania i pobór prądu, a także możliwość wprowadzenia mikrokontrolera w stan uśpienia, czy zmniejszenie szybkości jego pracy w celu zaoszczędzenia energii (dotyczy to zwłaszcza urządzeń z zasilaniem bateryjnym lub akumulatorowym). Niekiedy konieczne jest również określenie obciążalności prądowej linii we/wy, stosowanych do sterowania elementów innych niż standardowe układy cyfrowe.

10 12 1. Co to jest mikrokontroler? Chociaż przedstawione powyżej kryteria wyboru nie wyczerpują wachlarza możliwości mogących wystąpić w praktyce, to dokładne określenie potrzeb i zweryfikowanie ich z możliwościami finansowymi z pewnością zaowocuje wyborem konkretnego układu Charakterystyka wybranych mikrokontrolerów Na rynku mikrokontrolerów istnieje wiele firm produkujących układy o różnych parametrach. Niektóre z nich stawiają na opracowanie i produkcję własnych mikrokontrolerów, inne podejmują się modyfikacji i unowocześniania sprawdzonych konstrukcji. W efekcie projektant systemu mikroprocesorowego ma do wyboru wiele układów należących do kilku rodzin. Poniżej zamieszczono krótką charakterystykę wybranych mikrokontrolerów najpopularniejszych wśród polskich elektroników: Mikrokontrolery rodziny '51 Protoplastą wszystkich mikrokontrolerów należących do tej rodziny jest opracowany przez firmę Intel mikrokontroler 851. Powodzenie rynkowe, jakie osiągnęły układy tej rodziny jest w dużej mierze efektem ciągłej pracy różnych producentów wypuszczających coraz to nowsze typy układów mające coraz wymyślniejsze układy peryferyjne oraz dysponujące coraz większą mocą obliczeniową. Równocześnie zachowywana jest zgodność programowa z podstawową wersją 851, co pozwala na łatwe przenoszenie aplikacji pomiędzy różnymi typami mikrokontrolerów. Charakterystyczną cechą tej rodziny układów jest bardzo rozbudowana lista rozkazów, składająca się z ponad 1 instrukcji wykonywanych w czasie od 1 do 4 cykli maszynowych, umożliwiająca efektywne pisanie programów. Lista rozkazów mikrokontrolerów rodziny '51 została zoptymalizowana z punktu widzenia operacji na pojedynczych bitach, co znakomicie ułatwia stosowanie tych układów w różnego rodzaju systemach sterowania i automatyki. Duża liczba profesjonalnych sterowników przemysłowych (PLC) jest wyposażona właśnie w mikrokontroler należący do tej rodziny. Do wad układu należałoby zaliczyć dosyć przestarzałą architekturę, której praca opiera się na cyklu maszynowym trwającym 12 taktów zegara systemowego. Niektórzy producenci poradzili sobie z tym problemem opracowując jednostkę centralną pracującą 2, 3, a nawet 12 razy szybciej od standardowego układu 851 (1 cykl zegara = 1 cykl maszynowy). Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę układów rodziny '51, zawierającą zarówno układy najprostsze i najchętniej stosowane w konstrukcjach amatorskich, jak i mikrokontrolery bardzo rozbudowane, stosowane w wymagających układach. Mikrokontrolery AT89C151, AT89C251, AT89C451 Układy te, produkowane przez firmę Atmel, należą do najpopularniejszych układów stosowanych w niezbyt wymagających aplikacjach. Ich główne cechy to: - obudowa 2-pinowa, 15 linii we/wy, - napięcie zasilania od 2,7 V do 6 V, - częstotliwość taktowania od do 24 MHz (możliwość zatrzymania pracy mikrokontrolera),

11 1.2. Charakterystyka wybranych mikrokontrolerów 13-2 tryby pracy z redukcją poboru mocy, - 1 kb, 2 kb lub 4 kb pamięci programu Flash (odpowiednio dla Cl51, C251 ic451), - 64 bajty (dla Cl51) lub 128 bajtów (C251, C451) pamięci danych (RAM), - wbudowany komparator analogowy, - wbudowane liczniki/timery: 1 w C151 lub 2 w C251 i C451, - wbudowany układ transmisji szeregowej (oprócz Cl51). Mikrokontroler AT89C51 Układ ten, produkowany przez firmę Atmel, jest niemal identyczny pod względem parametrów z protoplastą 851. Jego główne cechy to: - obudowa 4-pinowa, 32 linie we/wy - napięcie zasilania od 4 V do 6 V, - częstotliwość taktowania od do 24 MHz, - 4 kb pamięci programu Flash, bajtów pamięci danych RAM, - możliwos'ć dołączenia zewnętrznych 64 kb pamięci programu i 64 kb pamięci danych, - 2 tryby pracy z redukcją poboru mocy, - 2 liczniki/timery, - wbudowany układ transmisji szeregowej, Mikrokontroler AT89C52 Kolejny układ firmy Atmel o parametrach identycznych z AT89C51, za wyjątkiem: - 8 kb pamięci programu Flash, B pamięci danych RAM, - dodatkowy, trzeci licznik/timer o rozbudowanych możliwościach pracy, Mikrokontroler AT89C55 Jest to układ AT89C52 rozbudowany o następujące elementy: - 2 kb pamięci programu Flash, - częstotliwość taktowania od do 33 MHz, - podwójny rejestr DPTR (wykorzystywany przy adresowaniu pamięci danych i programu), - wbudowany układ watchdog i wykrywania włączenia napięcia zasilania. Mikrokontrolery P89C66, P89C662, P89C664, P89C668 Są to układy produkowane przez firmę Philips o dosyć rozbudowanych funkcjach. Najważniejsze parametry: - obudowa 44-pinowa, 32 linie we/wy, - 16 kb (C66), 32 kb (C62) lub 64 kb (C664 i C668) pamięci programu Flash, - możliwość programowania w systemie za pomocą wbudowanego interfejsu szeregowego i zapisanej na stałe procedury ładującej, B pamięci danych RAM,

12 14 1. Co to jest mikrokontroler? B (C66), 1 kb (C662), 2 kb (C664) lub 8 kb (C668) dodatkowej pamięci danych RAM (traktowanej jako zewnętrzna pamięć danych), - częstotliwość taktowania do 2 MHz (dla cyklu 6-taktowego) lub 33 MHz (dla standardowego cyklu 12-taktowego), - wbudowany układ watchdog, - wbudowany interfejs transmisji szeregowej i interfejs I 2^ - trzy timery/liczniki, - tablica liczników (PCA) mogąca realizować funkcję generatora PWM, - podwójny rejestr DPTR, - programowane wyjście sygnału taktującego dla współpracujących układów. Mikrokontroler DS89C42 Jest to bardzo szybki mikrokontroler produkowany przez firmę Dallas (obecnie Maxim). Charakteryzuje się unowocześnionym jądrem 8C52 wzbogaconym o następujące elementy: - częstotliwość taktowania od do 3 MHz z cyklem maszynowym trwającym jeden takt sygnału zegarowego, - 16 kb pamięci programu Flash, - programowanie w systemie poprzez wbudowany interfejs szeregowy, - 1 kb dodatkowej pamięci danych RAM (traktowanej jak pamięć zewnętrzna), - dwa porty szeregowe, - układ watchdog, - dostosowywanie dostępu do pamięci zewnętrznej dla wolniejszych układów peryferyjnych, - podwójny rejestr DPTR z automatyczną inkrementacją/dekrementacją. Mikrokontroler ADuC834 Jest to mikrokontroler firmy Analog Devices pochodzący z rodziny określanej przez producenta mianem microconverters, zaprojektowanej z punktu widzenia jak najlepszej pracy w systemach akwizycji danych. Ma on jądro 8C51 wraz z bardzo rozbudowanymi układami współpracy z sygnałami analogowymi: - obudowa 56-pinowa, 26 linii we/wy (cyfrowych), - taktowanie zegarkowym" kwarcem 32 khz (wewnętrzny generator z PLL zapewnia wytwarzanie sygnału zegarowego synchronizowanego z dołączonym rezonatorem Hz), - zasilanie od 3 V do 5 V, - 62 kb pamięci programu Flash, - programowanie w systemie poprzez wbudowany port szeregowy, bajtów wewnętrznej pamięci danych RAM, - 4 kb wewnętrznej pamięci danych Flash, ~* 16- i 24-bitowy przetwornik A/C, obydwa pracujące niezależnie, - 12-bitowy przetwornik C/A z wyjściem napięciowym - dwa 16-bitowe przetworniki C/A - PWM, - wbudowany czujnik temperatury układu,

13 1.2. Charakterystyka wybranych mikrokontrolerów 15-3 liczniki/timery i jeden licznik przedziałów czasu, - układ watchdog, - interfejs szeregowy, I 2 C i SPI, - monitor napięcia zasilania z ostrzeganiem o jego zaniku Mikrokontrolery PIC Są to układy opracowane i produkowane przez firmę Microchip, mające bardzo ciekawe właściwości. W mikrokontrolerach tych zastosowano architekturę harwardzką, w której pamięć programu nie ma wspólnych obszarów adresowych z pamięcią danych oraz obie pamięci mają inną długość słowa. Pamięć danych operuje na standardowym słowie 8-bitowym, natomiast pamięć programu na słowie dłuższym, np. 12-, 14- czy 16-bitowym (zależnie od typu mikrokontrolera), co pozwoliło m.in. na umieszczenie w jednym słowie pamięci programu 8-bitowego operandu wraz z kilkubitową informacją o rozkazie do wykonania. Można uznać, że mikrokontrolery te należą do grupy układów typu RISC - charakteryzują się bowiem niezbyt rozbudowaną listą rozkazów (trzydzieści kilka, w zależności od typu układu). Dość ubogi zestaw rozkazów jest jednak rekompensowany dużą szybkością ich wykonywania. W układach tych jeden cykl maszynowy (równy czterem taktom zegara) wystarcza na wykonanie pobranego wcześniej rozkazu oraz na pobranie i zdekodowanie rozkazu następnego. Jest to przykład najprostszego przetwarzania potokowego, kiedy jeden rozkaz jest wykonywany w tym samym czasie, gdy do wykonywania jest przygotowywany rozkaz następny. W mikrokontrolerach PIC jedynie instrukcje skoków i wywołań podprogramów potrzebują na wykonanie dwóch cykli z tego względu, że nie można pobrać kolejnego rozkazu, jeżeli nie jest znany adres, spod jakiego ma on być odczytany. Rodzina mikrokontrolerów PIC jest stale rozbudowywana o nowe układy, producent stworzył również rodzinę układów nazwaną rfpic, której przedstawiciele oprócz mikrokontrolera z rodziny PIC zawierają w jednej strukturze układ transceivera umożliwiającego komunikację na niewielkie odległości za pomocą fal radiowych. Powstała również nowa rodzina dspic, która grupuje mikrokontrolery 16-bitowe zoptymalizowane pod kątem aplikacji DSP {Digital Signał Processing). Poniżej przedstawiono krótkie charakterystyki najpopularniejszych grup układów z rodziny PIC wyposażonych w pamięć programu EPROM lub Flash. Mikrokontrolery PIC12C58, PIC12C59, PIC12CE518, PIC12CE519 Są to najprostsze układy należące do rodziny PIC, o niewielkich możliwościach i niezbyt rozbudowanych układach peryferyjnych, jednak bywają często stosowane zwłaszcza w niewymagających aplikacjach. Wykorzystywane są w układach, które mimo prostoty zyskują na funkcjonalności w przypadku zastosowania do ich budowy mikrokontrolera. Ich podstawowe parametry to: - obudowa 8-pinowa, do 6 linii we/wy (w zależności od rozwiązania taktowania), - napięcie zasilania od 3 V do 5,5 V (dla wersji LC od 2,5 V), pobór prądu przy maksymalnej częstotliwości taktowania poniżej 2 ma,

14 16 1. Co to jest mikrokontroler? - częstotliwość taktowania od do 4 MHz, przy czym układy umożliwiają zarówno dołączenie rezonatora kwarcowego, ceramicznego, dwójnika RC, jak i wykorzystanie wbudowanego w układ generatora RC (4 MHz), - pamięć programu EPROM 512 (dla '58 i '518) lub 124 (dla '59 i '519) słów 12-bitowych z możliwością programowania w systemie (bez wymontowywania układu z urządzenia), producent oferuje również wersje bez okienka w obudowie (OTP), - pamięć danych RAM o pojemności 25 (dla '58 i '518) lub 41 (dla '59 i '519) bajtów, - pamięć danych EEPROM o pojemności 16 bajtów (tylko dla '518 i '519), - 8-bitowy licznik/timer z 8-bitowym programowalnym preskalerem, - układ zerowania po włączeniu zasilania, - układ watchdog, - brak układu przerwań, - możliwość wprowadzenia układu w tryb uśpienia. Mikrokontrolery PIC12F629, PIC12F675 Są to układy nieco bardziej rozbudowane od poprzednio opisanych, przeznaczone do aplikacji niewymagających zbyt dużej liczby linii sterujących. Ich podstawowe cechy to: - obudowa 8-pinowa, do 6 linii we/wy, - napięcie zasilania od 2 V do 5,5 V, - częstotliwość taktowania od do 2 MHz przy zastosowaniu rezonatora kwarcowego lub ceramicznego, wbudowany generator wewnętrzny 4 MHz kalibrowany z dokładnością 1%, - pamięć programu Flash o pojemności 124 słów 14-bitowych, programowalna w systemie przy użyciu dwóch pinów, - pamięć danych RAM o pojemności 64 bajtów, - pamięć danych EEPROM o pojemności 128 bajtów, - jeden licznik/timer 8-bitowy i jeden 16-bitowy, - wbudowany komparator analogowy, - wbudowany 1-bitowy przetwornik A/C (w 675), - układ zerowania po włączeniu zasilania, - układ watchdog, - układ przerwań reagujący na zmianę stanu wyprowadzeń, - możliwość wprowadzenia układu w stan uśpienia. Mikrokontrolery PIC16F83, PIC16F84 Są to chyba najpopularniejsze układy serii PIC, oferujące większą w stosunku do poprzednio omawianych liczbę linii we/wy, zachowując jednak przystępną cenę i łatwą dostępność. Ich główne cechy funkcjonalne to: - obudowa 18-pinowa, 13 linii we/wy, - napięcie zasilania od 2 V do 6 V,

15 1.2. Charakterystyka wybranych mikrokontrolerów 11 - częstotliwość taktowania od do 1 MHz, możliwość stosowania rezonatorów kwarcowych, ceramicznych lub dwójnika RC, - pamięć programu Flash o pojemności 512 (dla 16F83) lub 124 (dla 16F84) słów 14-bitowych, programowalna w systemie przy użyciu dwóch pinów, - pamięć danych RAM o pojemności 36 (16F83) lub 68 (16F84) bajtów, - pamięć danych EEPROM o pojemności 64 bajtów, - 8-bitowy licznik/timer z 8-bitowym programowalnym preskalerem, - układ przerwań o czterech źródłach przerwania, - układ zerowania po włączeniu zasilania, - układ watchdog z własnym wbudowanym oscylatorem RC, - możliwość wprowadzenia układu w stan uśpienia. Mikrokontrolery PIC16F873, PIC16F874, PIC16F876, PIC16F877 Układy te są jednymi z bardziej rozbudowanych mikrokontrolerów należących do rodziny PIC. Charakteryzują się dużą liczbę linii we/wy, rozbudowanymi układy peryferyjnymi oraz dużą pojemnością pamięci programu i danych. Ich parametry zamieszczono poniżej: - obudowa 28-pinowa, 22 linie we/wy (dla 16F873, 16F876), 4-pinowa, 33 linie we/wy(dla 16F874, 16F877), - napięcie zasilania od 2 V do 5,5 V, - częstotliwość taktowania od do 2 MHz, możliwość stosowania rezonatorów kwarcowych, ceramicznych lub dwójnika RC, - pamięć programu Flash o pojemności 496 słów (dla 16F873 i 16F874) lub 9192 słów (dla 16F876 i 16F877) 14-bitowych, programowalna w systemie, -pamięć danych RAM o pojemności 192 (16F873, 16F874) lub 368 (16F876, 16F877) bajtów, - pamięć danych EEPROM o pojemności 128 (16F873, 16F874) lub 256 (16F876, 16F877) bajtów, - dwa liczniki/timery 8-bitowe, jeden 16-bitowy, - dwa 16-bitowe układy porównywania mogące pracować jako 1-bitowe generatory PWM, - 1-bitowy przetwornik A/C o 5 (16F873 i 16F876) lub 8 (16F874, 16F877) wejściach, - port szeregowy, I 2 C i SPI, - 8-bitowy port równoległy (w 16F874 i 16F877), - układ przerwań o czternastu źródłach przerwania, - układ zerowania po włączeniu zasilania, - układ watchdog z wbudowanym oscylatorem RC, - możliwość wprowadzenia układu w stan uśpienia Mikrokontrolery AVR Oprócz produkcji klonów 851 na licencji Intela, firma Atmel opracowała również własny standard mikrokontrolerów tworzących rodzinę AVR. Do grupy tej zaliczają

16 18 1. Co to jest mikrokontroler? się trzy podrodziny mikrokontrolerów: liny AVR, AVR i Mega AVR. Do grupy Tiny należą układy o niewielkich możliwościach, zamknięte w obudowach o niewielkiej liczbie wyprowadzeń, przeznaczone do bardzo prostych urządzeń. Grupa AVR, stanowiąca niejako podstawowy filar rodziny, skupia układy o standardowych parametrach, wystarczających do większości aplikacji. Funkcje wyprowadzeń tych układów są zazwyczaj identyczne z wyprowadzeniami mikrokontrolerów rodziny '51 produkowanych przez Atmela, co sugeruje możliwość przesiadki" z '51 na AVR bez konieczności modyfikacji współpracującego z mikrokontrolerem sprzętu. Do grupy Mega AVR należą najbardziej rozbudowane układy. Mają one pojemne pamięci programu i danych, rozbudowane układy peryferyjne i dużą dopuszczalną częstotliwość taktowania. Są to mikrokontrolery przeznaczone do najbardziej wymagających aplikacji, rozbudowanych zarówno sprzętowo, jak i programowo. Mikrokontrolery AVR* podobnie jak PIC, mają jądro zbudowane w technologii RISC. Zrezygnowano tutaj jednak z wykorzystania przetwarzania potokowego na rzecz takiego zaprojektowania układu, że większość rozkazów jest pobierana, dekodowana i wykonywana w tym samym cyklu maszynowym, który dodatkowo trwa tylko jeden cykl zegara. Pamięć programu jest w tych mikrokontrolerach zorganizowana w słowa 16-bitowe, natomiast lista instrukcji zawiera w zależności od układu od 9 do 133 rozkazów. 'Ciekawą cechą tych mikrokontrolerów jest fakt, że każdy z 32 wbudowanych w jądro rejestrów może pełnić funkcję akumulatora, co pozwala uniknąć dużej liczby instrukcji przesyłających operand rozkazu do akumulatora. Na przykład w mikrokontrolerach AVR dodanie dwóch operandów umieszczonych w rejestrach ogranicza się do pojedynczego rozkazu. Poniżej przedstawiono krótki opis wybranych mikrokontrolerów rodziny AVR. Mikrokontrolery ATTiny 11, ATTiny 12 i ATTiny 15 Są to układy reprezentujące najmniej rozbudowaną grupę mikrokontrolerów AVR» Mimo swojej prostoty mogą jednak być nieocenione w przypadku niezbyt skomplikowanych układów niewymagających zbyt wielu sygnałów sterujących. Mikrokontrolery te mają następujące parametry: - obudowa 8-pinowa, do 6 linii we/wy, - napięcie zasilania od 1,8 V (dla wersji niskonapięciowych) do 5,5 V, - częstotliwość taktowania od do 8 MHz (w zależności od wersji), możliwość dołączenia zewnętrznego rezonatora lub dwójnika RC, wbudowany wewnętrzny generator RC o częstotliwości 1 MHz (ATTiny 11) lub 1,2 MHz, - pamięć programu Flash o pojemności 1 kb (512 słów 16-bitowych), - pamięć danych RAM o pojemności 32 bajtów (32 rejestry). - pamięć danych EEPROM o pojemności 64 bajtów (oprócz ATTiny 11), - licznik/timer 8-bitowy, - wbudowany komparator analogowy, - układ watchdog, - układ zerowania po włączeniu zasilania, - układ przerwań reagujący na zmianę stanu wyprowadzeń, - możliwość wprowadzenia układu w stan uśpienia.

17 1.2. Charakterystyka wybranych mikrokontrolerów 19 Mikrokontrolery AT9S12 i AT9S2313 Mikrokontrolery te należą do grupy standardowych układów AVR, ich cechą charakterystyczną jest obudowa o wyprowadzeniach odpowiadających małym" mikrokontrolerem z rodziny '51 - AT89CxO51. Układy te są przeznaczone do urządzeń o większym stopniu skomplikowania niż mikrokontrolery z serii ATTiny. Ich najważniejsze parametry to: - obudowa 2-pinowa, 15 linii we/wy, - napięcie zasilania od 2,7 V do 5,5 V, - częstotliwość taktowania od do 12 MHz (1 MHz dla S2313), możliwość dołączenia zewnętrznego rezonatora lub dwójnika RC, wbudowany wewnętrzny generator RC o częstotliwości 1 MHz (tylko w S12), - pamięć programu Flash o pojemności 1 kb (S12) lub 2 kb (S2313), zorganizowana w słowa 16-bitowe, - pamięć danych RAM o pojemności 32 bajtów (32 rejestry), dodatkowo AT9S2313 ma 128 bajtów standardowego RAM-u, - pamięć danych EEPROM o pojemności 64 bajtów (w S12) lub 128 bajtów (ws2313), - jeden licznik/timer 8-bitowy, w S2313 dodatkowo jeden licznik/timer 16-bitowy, - wbudowany komparator analogowy, - w S2313 wbudowany układ transmisji szeregowej, - w S2313 wbudowany generator PWM, - układ watchdog, - układ zerowania po włączeniu zasilania, - możliwość wprowadzenia układu w stan uśpienia. Mikrokontrolery AT9S8515 i AT9S8535 Układy te zamykają od góry środkową grupę mikrokontrolerów AVR. Ich obudowy są zgodne wyprowadzeniami ze standardowymi mikrokontrolerami rodziny '51. Mikrokontrolery te mają następujące cechy funkcjonalne: - obudowa 4-pinowa, 32 linie we/wy, - napięcie zasilania od 2,7 V do 5,5 V, - częstotliwość taktowania od do 8 MHz (4 MHz dla S8535), poprzez dołączenie zewnętrznego rezonatora, - pamięć programu Flash o pojemności 8 kb (496 słów 16-bitowych), - pamięć danych RAM o pojemności 32 bajtów (32 rejestry), plus 512 bajtów standardowego RAM-u, - pamięć danych EEPROM o pojemności 512 bajtów, - jeden licznik/timer 8-bitowy (w S8535 dwa), jeden licznik/timer 16-bitowy, - wbudowany komparator analogowy, - wbudowany układ transmisji szeregowej i interfejs SPI, - wbudowany generator PWM o dwóch (w S8535 trzech) kanałach, - w S8535 wbudowany 8-wejściowy 1-bitowy przetwornik A/C, - w S8535 wbudowany zegar czasu rzeczywistego,

18 2 1. Co to jest mikrokontroler? - układ watchdog, - układ zerowania po włączeniu zasilania, - możliwość wprowadzenia układu w stan uśpienia. Mikrokontroler ATmega 128 Jest to układ należący do najbardziej zaawansowanej grupy ATmega, będący jednocześnie jej jednym z najlepiej wyposażonych przedstawicieli. Układ ten jest przewidziany do wykorzystywania w zaawansowanych aplikacjach, opartych na rozbudowanym oprogramowaniu. Parametry tego układu to: - obudowa 64-pinowa, 53 linie we/wy, - napięcie zasilania od 4,5 V do 5,5 V, - częstotliwość taktowania od do 16 MHz (4 MHz dla S8535), poprzez dołączenie zewnętrznego rezonatora, ma również wbudowany układ generatora RC, - pamięć programu Flash o pojemności 128 kb (65536 słów 16-bitowych), programowalna z wykorzystaniem układu transmisji szeregowej i bootloadera zapisanego na stałe w pamięci mikrokontrolera, - pamięć danych RAM o pojemności 32 bajtów (32 rejestry), plus 4 kb standardowego RAM-u, - pamięć danych EEPROM o pojemności 4 kb, - wbudowany sprzętowy układ mnożenia dwóch liczb, - dwa liczniki/timery 8-bitowe, dwa 16-bitowe, - wbudowany komparator analogowy, - wbudowane dwa układy transmisji szeregowej i interfejs SPI, - wbudowany generator PWM, - wbudowany 8-wejściowy 1-bitowy przetwornik A/C, - wbudowany zegar czasu rzeczywistego, - układ watchdog, - układ zerowania po włączeniu zasilania, - możliwość wprowadzenia układu w stan uśpienia Inne mikrokontrolery Oprócz przedstawionych powyżej kilkunastu mikrokontrolerów, należących do trzech najpopularniejszych na polskim rynku rodzin, istnieje także wiele innych układów, które z powodzeniem mogą pełnić funkcję głównego elementu w projektowanym systemie mikroprocesorowym. Takie mikrokontrolery jak: należące do rodziny 68HC firmy Motorola, układy ST62 firmy STM, procesory firmy Zilog, czy specjalizowane do zastosowań DSP mikrokontrolery opracowane przez Texas Instruments nie są z pewnością układami niewartymi uwagi, jednak są one w Polsce niezbyt popularne, zwłaszcza wśród amatorów i niewielkich producentów systemów mikroprocesorowych. Każdy z wymienionych procesorów może być zastosowany do budowy systemu mikroprocesorowego, jeżeli akurat będzie spełniał wymogi dotyczące parametrów dyktowanych przez układ docelowy i projektanta.

19

20 22 2. Projektowanie standardowych obwodów współpracujących z mikrokontrolerem Pod pojęciem obwodów standardowych" skrywają się te elementy systemu mikroprocesorowego, bez których nie może być mowy o poprawnej jego pracy. Mowa tutaj o takich podstawowych komponentach, jak zasilacz dostarczający napięć potrzebnych w systemie, generator sygnału zegarowego taktującego mikrokontroler i inne elementy tego wymagające, układ zerowania generujący sygnał RESET po włączeniu zasilania lub w sytuacji awaryjnej i tym podobne komponenty. Jeżeli projektowany przez nas system mikroprocesorowy nie wymaga niestandardowych rozwiązań tych układów, to często komponenty te, raz zaprojektowane w prawidłowy i przemyślany sposób, mogą być z powodzeniem używane w kolejnych konstrukcjach Zasilanie systemu mikroprocesorowego Jak wiadomo, każde urządzenie elektroniczne potrzebuje do pracy energii elektrycznej. Najczęściej do dostarczania tej energii wykorzystuje się źródła napięcia, zazwyczaj o standardowych parametrach, charakterystycznych dla danego systemu. Wraz z pojawieniem się scalonych układów cyfrowych powstał standard zasilania tych układów napięciem stałym o wartości 5 V. Później, wraz z rozwojem techniki cyfrowej, pojawiła się konieczność stosowania napięć o mniejszych wartościach (3,3 V, 2,7 V i mniej) w celu ograniczenia poboru mocy, co związane jest z koniecznością odprowadzenia znacznych ilości ciepła z coraz mniejszych i coraz szybszych układów. W układach wytwarzanych przez amatorów oraz w urządzeniach małoseryjnych stosuje się zazwyczaj napięcie zasilania o wartości 5 V, która mieści się w przedziale napięć zassania wszystkich popularnych mikrokontrolerów. Czasem korzystniej jest zastosować napięcia niższe (3,3 V lub 3 V), najczęściej robi się to wtedy, gdy grupa układów współpracujących z mikrokontrolerem wymaga takiego właśnie napięcia zasilania, a z punktu widzenia zastosowania danego mikrokontrolera nie ma to znaczenia (bo jest przystosowany do pracy w szerokim przedziale napięć). Czasem oprócz głównego napięcia zasilającego część mikroprocesorową urządzenia, potrzeba dodatkowych napięć zasilania o innych wartościach (np. 9 V, 12 V, 15 V, 24 V), niekiedy również symetrycznych, koniecznych do popranej pracy innych współdziałających układów. Układ zasilacza rozbudowuje się wówczlas o dodatkowe moduły dostarczające potrzebnych napięć. Oprócz doboru napięcia zasilania dla projektowanego systemu ważnejest również, przynajmniej przybliżone (powiedzmy z dokładnością do 1%), określenie poboru mocy przez budowany układ. Jest to niezbędne ze Względu na konieczność zastosowania odpowiednio wydajnego zasilacza. Wykonanie zbyt słabego" zasilacza prowadzi często do nieprzewidzianych efektów podczas uruchamiania czy nawet wykorzystywania układu - przeciążony zasilacz,, w zależności od rozwiązania układowego, może się wyłąjczyć lub dawać napięcie zaniżone lub o nieodpowiedniej jakości (zakłócone przebiegami zmiennymi), co może wywołać niestabilną pracę urządzenia wskutek powstających w ten sposób zakłóceń wnoszonych przez linie zasilania. Budowa układów zasilania na zapas" co prawda nie wpłynie negatywnie na pracę systemu mikroprocesorowego, jednak na pewno podniesie jego cenę oraz spowoduje zwiększenie gabarytów.

21 2.1. Zasilanie systemu mikroprocesorowego Zasilanie sieciowe Najpopularniejszym obecnie sposobem zasilania wszelkich urządzeń elektronicznych, nie tylko mikroprocesorowych, jest wykorzystanie energii sieci energetycznej prądu przemiennego 23 V, 5 Hz, która jest dostępna w niemal każdym budynku. Choć to rozwiązanie należy do najpopularniejszych, to nie oznacza to, że jest ono najprostsze. Do rozwiązania pozostają dwa problemy: zamiana prądu zmiennego na stały oraz o wiele trudniejsze pod względem technicznym zmniejszenie wartości napięcia (ponad 4-krotne) z odpowiednio dużą sprawnością. Układy zasilania z sieci prądu przemiennego możemy podzielić na dwie główne kategorie: - do urządzenia jest doprowadzone napięcie sieciowe 23 V, a wbudowany do systemu zasilacz odpowiada za jego przetworzenie na napięcia niezbędne do pracy układu, - zasilacz znajduje się poza urządzeniem (osobne urządzenie, np. popularny zasilacz wtyczkowy), do układu jest doprowadzone bądź napięcie końcowe wymagane przez system, bądź napięcie o wartości pośredniej, bezpieczne z punktu widzenia możliwości porażenia (np. 24 lub 12 V), często również przemienne, które jest następnie przetwarzane wewnątrz systemu. Obie grupy rozwiązań mają wady i zalety: pierwszy sposób jest z pewnością wygodny dla użytkownika gotowego urządzenia - wystarczy włączyć wtyczkę do kontaktu i urządzenie jest już gotowe do pracy. Wadą tego rozwiązania jest fakt, że pełne napięcie sieci jest obecne wewnątrz urządzenia, co powoduje konieczność stosowania dodatkowych obwodów zabezpieczających przed przebiciem i ewentualnym pojawieniem się tego napięcia na dostępnych z zewnątrz elementach metalowych obudowy czy złącz (konieczność stosowania odpowiednio wykonanego uziemienia, podwójna izolacja elementów znajdujących się pod napięciem sieci). Dodatkowo rozwiązanie takie wymaga większej uwagi podczas napraw, pomiarów, czy wykonywania innych czynności na działającym urządzeniu wewnątrz jego obudowy, w bezpośredniej bliskości napięcia niebezpiecznego dla życia. W przypadku chęci produkcji i sprzedaży tego typu urządzeń, konieczne staje się uzyskanie atestu bezpieczeństwa na dane urządzenie, co wiąże się z dość sporymi kosztami. Drugie rozwiązanie ma tą niezaprzeczalną zaletę, że separacja od napięcia sieci energetycznej zachodzi z dala od samego urządzenia. Stosowanie atestowanych zasilaczy do zasilania budowanego systemu praktycznie zwalnia nas z obowiązku zadbania o zabezpieczenie przed porażeniem - ten obowiązek przejmuje od nas producent zasilacza gwarantujący w ten sposób bezpieczne działanie i obsługę całego układu. Oprócz bezpieczeństwa zyskujemy także pewną elastyczność w zasilaniu urządzenia - zamiast zasilacza możemy zastosować również inne źródła napięcia (np. akumulator) lub w razie konieczności (np. podczas wyjazdu za granicę do kraju o innym standardzie napięcia sieciowego) inny zasilacz, bez konieczności ingerencji we wnętrze urządzenia. Wadą takiego rozwiązania jest konieczność stosowania dodatkowego urządzenia, co nie zawsze będzie pożądane, a w niektórych przypadkach może być niewygodne i niezbyt energooszczędne (np. zasilacz bez wyłącznika pozostający cały czas w gniazdku).

22 24 2. Projektowanie standardowych obwodów współpracujących z mikrokontrolerem Rys Podstawowy układ zasilania sieciowego Najpopularniejszym rozwiązaniem zasilania sieciowego jest zastosowanie transformatora o napięciu uzwojenia wtórnego wyższym o kilka woltów od pożądanego napięcia zasilania (lub zasilacza wtyczkowego dostarczającego takie napięcie), mostka prostowniczego, kilku kondensatorów oraz scalonego stabilizatora napięcia. Najprostszy taki układ przedstawiono na rysunku 2.1. Zastosowano tutaj scalony stabilizator 785 dostarczający wyjściowego napięcia o wartości 5 V i wydajności prądowej 1 A. Należy pamiętać, że układy stabilizatorów serii 78xx (xx oznacza napięcie wyjs'ciowe) potrzebują napięcia zasilającego około 3 V (minimum) wyższego niż napięcie wyjs'ciowe, co dla układu 785 daje wartość minimalną około 8 V. Jeżeli napięcie na wejściu będzie niższe, spowoduje to także spadek napięcia wyjściowego, zmniejszy się tłumienie tętnień zasilania i stabilizator ogólnie mówiąc przestanie pełnić swoją funkcję (choć mikrokontroler i układy współpracujące ciągle mogą działać - nie będzie to jednak praca pewna). Kondensatory C2 i C3 powinny być umieszczone jak najbliżej wyprowadzeń stabilizatora - zapobiegają one jego wzbudzeniu. Pojemność kondensatora C4 nie powinna być zbyt duża (dla systemów pobierających kilkanaście...kilkadziesiąt ma kondensator C3 jest zbyteczny), dużo ważniejsza jest wartość pojemności kondensatora Cl przed stabilizatorem, dająca odpowiedni zapas energii redukujący tętnienia sieci. Ze stabilizatora 785 można uzyskać prąd o maksymalnej wartości 1 A, co jest wartością całkowicie wystarczającą dla większości aplikacji. Ważniejszą sprawą jest jednak moc tracona na stabilizatorze, która przy napięciu zasilającym stabilizator 12 V i wyższym (maks. 24 V dla tego elementu) dla bardziej prądożernych systemów zmusza nas do stosowania radiatora, czasem pokaźnych rozmiarów. Rys Zasilacz o kilku napięciach wyjściowych zrealizowany w oparciu o stabilizatory 78xx/79xx

23 2.1. Zasilanie systemu mikroprocesorowego 25 Rys Układ stabilizatora o regulowanym napięciu wyjściowym Na wejściu sieciowym układu zastosowano bezpiecznik, którego wartos'ć należy dobrać z uwzględnieniem maksymalnego poboru prądu z sieci 22 V oraz maksymalnej wartości prądu uzwojenia pierwotnego transformatora. Wyjście układu zasilacza nie jest zabezpieczone w sposób jawny, jednak zabezpieczenie stanowi tutaj sam stabilizator. Jest on wyposażony w wewnętrzne obwody ograniczające prąd wyjściowy w przypadku jego nadmiernego wzrostu lub w przypadku zbytniego nagrzania się struktury układu. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, aby również na wyjściu stabilizatora zastosować bezpiecznik. Będzie on jednak przydatny tylko w przypadku, gdy prąd pobierany przez układ z zasilacza będzie dużo mniejszy niż maksymalna wydajność stabilizatora. W przeciwnym przypadku to stabilizator spowoduje ograniczenie prądu w sytuacjach awaryjnych (np. zwarcie), gdyż czas zadziałania bezpiecznika topikowego jest stosunkowo długi i nie zdąży się on przepalić zanim stabilizator ograniczy prąd. Oczywiście, w razie potrzeby na wejściu układu należy zastosować wyłącznik sieciowy pozwalający na całkowite odcięcie zasilania od urządzenia. W przypadku konieczności budowy zasilacza dającego napięcia o kilku wartościach napięć zasilających, można wykorzystać kilka prezentowanych układów (pracują- Tab Parametry popularnych transformatorów stosowanych w zasilaczach sieciowych małej mocy Typ transformatora TS2/14 TS2/16 TS2/44 TS 2/36 TS4/13 TS 4/34 TS5/9 TS 6/47 TS 1/32 TS1/35 TS 15/34 TS 15/39 TS2/13 Parametry uzwojenia wtórnego (pierwotne - 23V) 8,2 V/,22 A 6V/,22A 14 V/,1 A 2x12V/,8A 7,4V/,3A 13,3V/,2A 8 V/,4 A 2x15V/,25A 8V/,7A, 18,3V/,35A 9V/1 A 2x13,5V/,5A 2x16V/,4A 14V/1,5A Parametry zasilacza ze stabilizatorem (np.78xxlublm317) 5 V (lub niższe), 2 ma 5 V (lub niższe), 2 ma 12 V (lub niższe), 8 ma ±12 V (lub niższe), 6 ma 5 V (lub niższe), 28 ma 12 V (lub niższe), 18 ma 5 V (lub niższe), 38 ma ±15 V (lub niższe), 23 ma 5 V(lub niższe), 68 ma, 15 V (lub niższe), 33 ma 9 V (lub niższe), 98 ma ±12 V (lub niższe), 48 ma ±15 V (lub niższe), 38 ma 12 V (lub niższe), 1,45 A

24 26 2. Projektowanie standardowych obwodów współpracujących z mikrokontrolerem cych z jednym transformatorem o odpowiednim napięciu wtórnym), stosując w zależności od potrzeby różne wersje napięciowe układów 78xx (lub 79xx będących stabilizatorami napięcia ujemnego). Przykładowy zasilacz dostarczający napięcia o wartościach +5 V oraz ±15 V przedstawiono na rysunku 2.2. W tablicy 2.1 zawarto listę produkowanych w kraju transformatorów sieciowych wykorzystywanych w zasilaczach systemów mikroprocesorowych. Wykorzystując dane z tablicy do doboru transformatora, należy zauważyć, że maksymalny prąd pobierany z zasilacza jest mniejszy niż maksymalny prąd uzwojenia wtórnego. Związane jest to z poborem prądu wprowadzanym przez sam stabilizator, co uwzględniono podając orientacyjne parametry gotowego zasilacza. W razie bardziej rozbudowanej konstrukcji (np. kilka stabilizatorów pracujących z jednym transformatorem) należy odpowiednio skorygować podane dane. Jeżeli do zasilania układu potrzebne są napięcia o niestandardowych wartościach, wówczas dobrym sposobem na realizację takiego zasilacza jest zastosowanie układu stabilizatora LM317 (dla napięć ujemnych jest produkowany układ o oznaczeniu LM337). Schemat części stałoprądowej takiego zasilacza przedstawiono na rysunku 2.3. W układzie tym wartość napięcia U wv jest określona zależnością: (2.1) co dla wartości rezystora R 1=22 Cl, pozwala określić R2 posługując się wzorem: R2al76-(U wy -l,25) [Cl] (2.2) Jako R2 można zastosować rezystor z szeregu o wartości najbliższej obliczonej lub wykorzystać rezystor nastawny i podczas uruchamiania zasilacza ustawić wymaganą wartość napięcia wyjściowego. Stosowanie stabilizatora LM317 jest również korzystne w przypadku standardowych wartości napięć, gdyż układ ten ma wyższą wydajność prądową (do 1,5 A) oraz charakteryzuje się ogólnie lepszymi właściwościami stabilizacyjnymi. Omówione podstawowe układy zasilające mają jedną niekorzystną cechę - są wyposażone w stabilizatory liniowe, co daje się odczuć pod postacią niewielkiej sprawności i, co za tym idzie, znacznych strat mocy. Jest to szczególnie odczuwalne, gdy napięcie wejściowe dostarczane do stabilizatora jest dużo wyższe niż napięcie wyjściowe. Dużo wyższą sprawność, sięgającą 9% i więcej, mają stabilizatory impulsowe. Charakteryzują się one bardziej skomplikowaną zasadą działania i nie są zbyt łatwe do wykonania z elementów dyskretnych, jednak obecnie na rynku dostępnych jest wiele nowoczesnych układów stabilizatorów impulsowych wymagających do pracy dołączenia jedynie kilku elementów zewnętrznych. Przykładowe schematy dwóch stabilizatorów impulsowych (o stałej lub regulowanej wartości napięcia wyjściowego) przedstawiono na rysunku 2.4. Wykorzystano tutaj stabilizatory typu LM2574, które są układami scalonymi zamkniętymi w obudowach DIP- 8 (lub SOIC-14), produkowanymi w wersjach o regulowanym lub stałym (3,3 V, 5 Vi 12 V) napięciu wyjściowym. Układy te mogą dostarczyć prądu" o wartoscii do,5 A przy napięciach wejściowych do 4 V. Podczas ich pracy straty mocy są tak niewielkie, że do ich rozproszenia wystarcza sama obudowa układu scalonego