Przypomnienie: Prawo Ohma Moc [W] Napięcie [V] Systemy wbudowane Arduino, AVR Wersja 2018 Rezystancja [Ω] Natężenie [A] Mgr inż. Marek Wilkus http://home.agh.edu.pl/~mwilkus Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH Kraków 1 4 Źródło: Katalog ELFA Przypomnienie: I prawo Kirchhoffa Warunki zaliczenia Warunki zaliczenia laboratorium: Student otrzymuje punkty na każdych zajęciach za wykonane zadania według scenariusza. Każda nieobecność powoduje utratę możliwości zdobycia punktów (w przypadku okazania zwolnienia lekarskiego student ma możliwość odrobienia zajęć). Warunkiem koniecznym do otrzymania zaliczenia jest obecność na minimum 50% zajęć. Warunki zaliczenia przedmiotu: Ocena końcowa z przedmiotu = 0.5 * OCL + 0.5 * Egzamin. Warunkiem otrzymania pozytywnej oceny końcowej z przedmiotu jest uzyskanie zaliczenia z laboratorium. 2 Tematyka zajęć 5 Jak płynie prąd? Podstawy elektroniki, Układy cyfrowe, I=P/U=21/12=1.75A Mikrokontrolery AVR, Arduino, Programowanie Arduino, Interfejsy użytkownika dla własnych urządzeń, Zasilacz 12V/2A Rozwiązywanie problemów, Uzyskiwanie informacji z czujników zewnętrznych, Sterowanie różnymi urządzeniami z własnego systemu, Projektowanie układów elektronicznych, Żarówka 12V/21W R=U2/P=144/21=~6.85Ω...co i tak się zmienia... Budowa układów elektronicznych. 3 6
Jak płynie prąd? Elementy elektroniczne: Rezystor Ogranicza prąd w obwodzie, I maksymalne wyczerpanie zdolności zasilacza Zasilacz 12V/2A Spadek napięcia na nim jest zależny liniowo od prądu przezeń płynącego, Istotna wielkość: Opór elektryczny R, [Ω] (Ohm), Najczęściej wartość zapisana jest w postaci kodu barwnego Szeregowe łączenie: R = R1+R2+R3+... Żarówka 12V/21W Zwarcie - R minimalne Równoległe łączenie: Prąd płynie po linii najmniejszego oporu 7 10 Jak czytać schematy? Szeregi wartości E Połączenie przewodów Skrzyżowanie przewodów Magistrala (seria połączeń): 8 Jak czytać schematy? Każda następna wartość jest o tyle samo % większa od poprzedniej zaokrąglając do całkowitej w górę, Najczęściej można dobrać bliską żądanej wartość w zadanej tolerancji (np. E12 10%) Elementy o wartościach z szeregu są znacznie tańsze niż o wartościach na zamówienie. Szereg E12 11 Elementy elektroniczne: Kondensator 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 Vcc, GND zasilanie, masa Vaa, Vbb, Vcc, - różne napięcia zasilania Istotna wartość: Pojemność (C) [F] Dla elektrolitycznych również rezystancja zastępcza (ESR). Łączenie równoległe: C=C1+C2+C3+ Łączenie szeregowe: 9 12
Elementy elektroniczne: Układy scalone Elementy elektroniczne: Źródła częstotliwości Różnorodne zastosowania, Rezonator kwarcowy źródło częstotliwości, Generatory scalone większa dokładność wyższa cena, TCXO (Thermally-Coupled Crystal Oscillator) najwyższa dokładność, jednak jeszcze wyższa cena, Istotne parametry: Różnorodne obudowy, Istotne parametry: w nocie katalogowej układu......mniej istotne również. Przykładowo: Atmega328 mikrokontroler, jednostka centralna Arduino, 7805 stabilizator 5V DC, Częstotliwość [Hz] Dokładność [ppm] DHT11 czujnik temperatury i wilgotności, ULN2803 Zestaw tranzystorów do sterowania, Istotne prawidłowe podłączenie: 74LS00, 74LS04 itp. - układy realizujące funkcje logiczne Kondensatory, Jak najkrótsze ścieżki do układu! Warto używać podstawek (niska odporność na ciepło) 13 Elementy elektroniczne: Dioda Scalone układy cyfrowe 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,...02 07 14 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. Elementy elektroniczne: Tranzystory 17 Układy cyfrowe Wzmacnianie, sterowanie lub przełączanie sygnałów, Działanie: IB ~β*ib 16 Jeżeli stosowane są na raz układy technologii CMOS i TTL, często niezbędna jest konwersja poziomów: 1 1!β*IB!!! IB Istotne parametry: Maksymalny prąd C-E Maksymalne napięcie C-E Prąd B-E dla pełnego otwarcia Wzmocnienie (β) W przypadku CMOS->TTL należy użyć bufora (np. 4096) względnie użyć sygnału z kilku wyjść. 15 Źródło wykresu: http://www.antonine-education.co.uk/pages/electronics_1/electronic_components/transistors/intro_page_6.htm Źródło grafiki: http://hackaday.com/2015/08/03/how-cmos-works/ 18
Czego NIE mogą układy cyfrowe? Płytka stykowa 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. Szybkie wykonanie prototypu, Łączenie pól kabelkami z tzw. goldpin, Możliwość łatwej rekonfiguracji, Nie nadaje się do wysokich prądów 19 22 Pomiary Złącza Napięcie w układzie: Woltomierz równolegle do źródła napięcia 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: Pobierany prąd: Amperomierz szeregowo wraz z obciążeniem, Pomiary oporności rezystorów, pojemności kondensatorów: Element do zacisków miernika Dopuszczalny prąd Maksymalne napięcie Warunki pracy 20 Zworki i przełączniki konfiguracyjne 23 Metoda Muntza Służą do wprowadzenia sprzętowej konfiguracji układu, Niska wytrzymałość prądowa! Niewielka liczba cykli użycia (w łącznikach DIP), Istnieje bardzo duża różnica techniczna pomiędzy tym jak układ POWINIEN być zrobiony a tym jak MOŻE być zrobiony, Podczas projektowania należy pamiętać o bezpieczeństwie układu. Jeżeli znane są punkty pracy układu, można go optymalizować. Ta różnica w eksploatacji jest marginalna. 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. 21 24
Na przykład... Konstrukcja urządzenia (2) 3. Czy któreś z tych urządzeń wymaga sterowników? Odpowiednio dobrany sterownik oszczędza porty I/O Zasilanie urządzeń czy potrzebujemy dodatkowych źródeł zasilania? Czytnik kodów LCD rs232 LEDy Klawiatura Dzielnik napięcia Stabilizatory Karta SD 25 28 Gdzie szukać informacji? Konstrukcja urządzenia (3) Literatura o elektronice, np.: 3. Wybór platformy systemu, ocena wydajności, możliwości rozbudowy i dostosowywania. Nuhrman D. - Elektronika łatwiejsza niż przypuszczasz Horowitz P., Hill W. - Sztuka Elektroniki Rozdziały teoretyczne w katalogach Darmowe kursy, np.: Talking Electronics: http://www.talkingelectronics.com/pay/tei-index-full.html Czytnik kodów Play-Hookey kurs elektroniki cyfrowej LCD rs232 http://www.play-hookey.com/ LEDy Elportal http://elportal.pl/podstawy-elektroniki/ Noty katalogowe układów, Gotowe projekty w sieci, Badanie istniejących urządzeń, Klawiatura Stabilizatory Karta SD 29 Konstrukcja urządzenia (4) 4. Szkielet programu: Definicje, Ustalenie ról wejść/wyjść, założenia programu, podstawowe procedury (+ zaślepki funkcji) #define KEYBOARD A0 1. Specyfikacja problemu np. Zbieranie i przechowywanie informacji o dostarczonych produktach 2. Jakie urządzenia wejścia i wyjścia są potrzebne? #define LED1 A1 np. Wejście: Czytnik kodów kreskowych, klawiatura, Wyjście: Karta SD, wyświetlacz, beeper, LEDy void store_number() { setup { pinmode loop {... LCD LEDy Klawiatura UNO 26 Konstrukcja urządzenia (1) Czytnik kodów Dzielnik napięcia 10..13 SD Card I/O Karta SD A0 keyboard in A1..A5 LED out 27 2..5, 6, 7 - LCD 0,1 RS232 for Scanner 30
Konstrukcja urządzenia (5) 5. Przedprototyp (płytka stykowa), testowanie, dopełnianie i udoskonalanie programu korzystając z połączenia USB do Arduino. Rysowanie i poprawki schematów częściowych (sterowników poszczególnych urządzeń). 31 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. 32 Dziękuję za uwagę 33