Tematyka zajęć. Przypomnienie: Prawo Ohma. Przypomnienie: I prawo Kirchhoffa. Jak płynie prąd? Jak płynie prąd?

Transkrypt

1 Tematyka zajęć Podstawy elektroniki, Układy cyfrowe, Mikrokontrolery AVR, Arduino, Systemy wbudowane Arduino, AVR Wersja Mgr inż. Marek Wilkus Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH Kraków Programowanie Arduino, Interfejsy użytkownika dla własnych urządzeń, Rozwiązywanie problemów, Uzyskiwanie informacji z czujników zewnętrznych, Sterowanie różnymi urządzeniami z własnego systemu, Projektowanie układów elektronicznych, Budowa układów elektronicznych. 1 Przypomnienie: Prawo Ohma Moc [W] 2 Przypomnienie: I prawo Kirchhoffa Napięcie [V] Rezystancja [Ω] Natężenie [A] 3 Źródło: Katalog ELFA Jak płynie prąd? 4 Jak płynie prąd? I maksymalne wyczerpanie zdolności zasilacza I=P/U=21/12=1.75A Zasilacz 12V/2A Zasilacz 12V/2A Żarówka 12V/21W R=U2/P=144/21=~6.85Ω...co i tak się zmienia... Żarówka 12V/21W Zwarcie - R minimalne Prąd płynie po linii najmniejszego oporu 5 6

2 Jak czytać schematy? Jak czytać schematy? Vcc, GND zasilanie, masa Vaa, Vbb, Vcc, - różne napięcia zasilania Połączenie przewodów Skrzyżowanie przewodów Magistrala (seria połączeń): 7 Elementy elektroniczne: Rezystor 8 Szeregi wartości E Każda następna wartość jest o tyle samo % większa od poprzedniej zaokrąglając do całkowitej w górę, Ogranicza prąd w obwodzie, Spadek napięcia na nim jest zależny liniowo od prądu przezeń płynącego, Istotna wielkość: Opór elektryczny R, [Ω] (Ohm), Najczęściej można dobrać bliską żądanej wartość w zadanej tolerancji (np. E12 10%) Najczęściej wartość zapisana jest w postaci kodu barwnego Szeregowe łączenie: R = R1+R2+R3+... Elementy o wartościach z szeregu są znacznie tańsze niż o wartościach na zamówienie. Równoległe łączenie: 9 Elementy elektroniczne: Kondensator Szereg E12 10 Elementy elektroniczne: Źródła częstotliwości Pojemność elektryczna [F] Dla prądu stałego - magazyn energii (szczególnie kondensatory wysokiej pojemności) Dla prądu zmiennego stanowi opór (tym mniejszy im większa pojemność lub f) Stąd ochrona przed zakłóceniami, usuwanie składowej stałej z sygnałów np. audio, filtrowanie przebiegów Istotna wartość: Pojemność (C) [F] Dla elektrolitycznych również rezystancja zastępcza (ESR). Rezonator kwarcowy źródło częstotliwości, Generatory scalone większa dokładność wyższa cena, TCXO (Thermally-Coupled Crystal Oscillator) najwyższa dokładność, jednak jeszcze wyższa cena, Istotne parametry: Częstotliwość [Hz] Dokładność [ppm] Istotne prawidłowe podłączenie: Łączenie równoległe: C=C1+C2+C3+ Kondensatory, Jak najkrótsze ścieżki do układu! Łączenie szeregowe: 11 12

3 Elementy elektroniczne: Dioda Elementy elektroniczne: Tranzystory Wzmacnianie, sterowanie lub przełączanie sygnałów, Działanie: Przewodzi prąd w jednym kierunku bardziej niż w przeciwnym, Używane jako prostowniki, separatory, stabilizatory (dioda zenera), Sprawne źródła światła (LED), Dioda Schottkyego szybsze działanie, mniejsza oporność w przód, Dioda Zenera przebicie w ściśle ustalonym napięciu wstecznym, Istotne parametry: Napięcie maksymalne w przód i wstecz, Maksymalne natężenie prądu w przód, Najczęściej stosowane: 1N4148 1N4001, IB ~β*ib Istotne parametry: 13 Elementy elektroniczne: Układy scalone Różnorodne obudowy, Istotne parametry: w nocie katalogowej układu......mniej istotne również. Przykładowo: Atmega328 mikrokontroler, jednostka centralna Arduino, 7805 stabilizator 5V DC, DHT11 czujnik temperatury i wilgotności, ULN2803 Zestaw tranzystorów do sterowania, 74LS00, 74LS04 itp. - układy realizujące funkcje logiczne Warto używać podstawek (niska odporność na ciepło) 15 Układy cyfrowe Maksymalny prąd C-E Maksymalne napięcie C-E Prąd B-E dla pełnego otwarcia Wzmocnienie (β) 14 Źródło wykresu: Scalone układy cyfrowe Różnorodne zastosowania,!β*ib IB Najczęściej obudowa DIP (14, 16 pin, rzadziej 18, max 24) lub odpowiednik, Realizują podstawowe funkcje logiczne, bramki, inwertery, liczniki, bufory, przerzutniki, rejestry itp. Najczęściej występujące serie: 74xx (technologia TTL) lub 40xx (technologia CMOS), Możliwe składanie układów realizujących dowolne funkcje logiczne. 16 Czego NIE mogą układy cyfrowe? Jeżeli stosowane są na raz układy technologii CMOS i TTL, często niezbędna jest konwersja poziomów: Wyjścia układów cyfrowych, w tym mikrokontrolerów AVR i Arduino, posiadają bardzo niską wydajność prądową (dla układów TTL ok. 1mA w stanie wysokim i 15-20mA w niskim, przy mikrokontrolerach AVR 20-40mA). NIE mogą bezpośrednio zasilać silników, LEDów mocy, żarówek, tym bardziej pompy czy grzałki. Niezbędne jest w tym wypadku użycie tranzystora. Jeżeli mocny tranzystor nie wystarczy, należy użyć tranzystora i przekaźnika. 1 1!!! W przypadku CMOS->TTL należy użyć bufora (np. 4096) względnie użyć sygnału z kilku wyjść. Źródło grafiki:

4 Złącza Zworki i przełączniki konfiguracyjne Służą do wprowadzenia sprzętowej konfiguracji układu, Niska wytrzymałość prądowa! Niewielka liczba cykli użycia (w łącznikach DIP), Podczas projektowania należy pamiętać o bezpieczeństwie układu. Dla sygnałów i niskich prądów: Goldpin/IDC/ Złącze ML /SIL, DIL... Większe prądy: Grubsze złącza SIL Na zewnątrz obudowy: Złącza DB/DE szufladowe, Jack Wysokie częstotliwości: Złącza koncentryczne, BNC, Istotne parametry: Dopuszczalny prąd Maksymalne napięcie Warunki pracy 19 Pomiary Płytka stykowa 20 Napięcie w układzie: Woltomierz równolegle do źródła napięcia Pobierany prąd: Amperomierz szeregowo wraz z obciążeniem, Pomiary oporności rezystorów, pojemności kondensatorów: Element do zacisków miernika Szybkie wykonanie prototypu, Łączenie pól kabelkami z tzw. goldpin, Możliwość łatwej rekonfiguracji, Nie nadaje się do wysokich prądów 21 Metoda Muntza 22 Na przykład... Istnieje bardzo duża różnica techniczna pomiędzy tym jak układ POWINIEN być zrobiony a tym jak MOŻE być zrobiony, Ta różnica w eksploatacji jest marginalna. Jeżeli znane są punkty pracy układu, można go optymalizować. Wiele elementów jest w typowych zastosowaniach zbędne i układ może działać bez nich ( Muntzing ). Łącząc aplikacje różnych układów często włączamy nadmiarowe elementy, które można bezpiecznie usunąć

5 Gdzie szukać informacji? Konstrukcja urządzenia (1) Literatura o elektronice, np.: 1. Specyfikacja problemu Nuhrman D. - Elektronika łatwiejsza niż przypuszczasz Horowitz P., Hill W. - Sztuka Elektroniki np. Zbieranie i przechowywanie informacji o dostarczonych produktach 2. Jakie urządzenia wejścia i wyjścia są potrzebne? np. Wejście: Czytnik kodów kreskowych, klawiatura, Wyjście: Karta SD, wyświetlacz, beeper, LEDy Rozdziały teoretyczne w katalogach Darmowe kursy, np.: Talking Electronics: Czytnik kodów Play-Hookey kurs elektroniki cyfrowej LCD LEDy Elportal Noty katalogowe układów, Gotowe projekty w sieci, Badanie istniejących urządzeń, 25 Konstrukcja urządzenia (2) Odpowiednio dobrany sterownik oszczędza porty I/O Zasilanie urządzeń czy potrzebujemy dodatkowych źródeł zasilania? 3. Wybór platformy systemu, ocena wydajności, możliwości rozbudowy i dostosowywania. Czytnik kodów LCD rs Konstrukcja urządzenia (3) 3. Czy któreś z tych urządzeń wymaga sterowników? Czytnik kodów Karta SD Klawiatura LCD rs232 LEDy Klawiatura Dzielnik napięcia Stabilizatory LEDy Karta SD Klawiatura Dzielnik napięcia UNO Stabilizatory Karta SD 27 Konstrukcja urządzenia (4) 28 Konstrukcja urządzenia (5) 4. Szkielet programu: Definicje, Ustalenie ról wejść/wyjść, założenia programu, podstawowe procedury (+ zaślepki funkcji) #define KEYBOARD A0 5. Przedprototyp (płytka stykowa), testowanie, dopełnianie i udoskonalanie programu korzystając z połączenia USB do Arduino. Rysowanie i poprawki schematów częściowych (sterowników poszczególnych urządzeń). #define LED1 A1 void store_number() { setup { pinmode loop { SD Card I/O A0 keyboard in A1..A5 LED out 2..5, 6, 7 - LCD 0,1 RS232 for Scanner 29 30

6 Konstrukcja urządzenia (6) 7. Końcowe rozwiązanie kwestii zasilania gotowego urządzenia 8. Projektowanie końcowego schematu. Zaprojektowanie i wykonanie płytki drukowanej łączącej mikrokontroler i niezbędne interfejsy. Końcowe testy i poprawki, umieszczenie układu w obudowie. Dziękuję za uwagę 31 32