Systemy wbudowane Arduino, AVR

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. Systemy wbudowane Arduino, AVR Warunki zaliczenia przedmiotu: Wersja 2019 Mgr inż. Marek Wilkus http://home.agh.edu.pl/~mwilkus Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH Kraków Warunkiem otrzymania pozytywnej oceny końcowej z przedmiotu jest uzyskanie zaliczenia z laboratorium. 1 2 Przypomnienie: Prawo Ohma Tematyka zajęć Podstawy elektroniki, Układy cyfrowe, Mikrokontrolery AVR, Arduino, Moc [W] Napięcie [V] Programowanie Arduino, Interfejsy użytkownika dla własnych urządzeń, Rozwiązywanie problemów, Uzyskiwanie informacji z czujników zewnętrznych, Sterowanie różnymi urządzeniami z własnego systemu, Raspberry Pi wykorzystanie możliwości cyfrowych Raspberry Pi wykorzystanie możliwości komputera, Raspberry Pi wejście/wyjście, Rezystancja [Ω] Natężenie [A] Projektowanie układów elektronicznych, Budowa układów elektronicznych. 3 Przypomnienie: I prawo Kirchhoffa 4 Źródło: Katalog ELFA Jak płynie prąd? I=P/U=21/12=1.75A Zasilacz 12V/2A 5 Żarówka 12V/21W R=U 2/P=144/21=~6.85Ω...co i tak się zmienia... 6

Jak płynie prąd? Jak czytać schematy? Połączenie przewodów I maksymalne wyczerpanie zdolności zasilacza Skrzyżowanie przewodów Zasilacz 12V/2A Żarówka 12V/21W Zwarcie - R minimalne Magistrala (seria połączeń): Prąd płynie po linii najmniejszego oporu 7 Jak czytać schematy? 8 Elementy elektroniczne: Rezystor Vcc, GND zasilanie, masa Vaa, Vbb, Vcc, - różne napięcia zasilania Ogranicza prąd w obwodzie, 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 +... Równoległe łączenie: 9 Szeregi wartości E 10 Elementy elektroniczne: Kondensator Pojemność elektryczna [F] Każda następna wartość jest o tyle samo % większa od poprzedniej zaokrąglając do całkowitej w górę, Dla prądu stałego - magazyn energii (szczególnie kondensatory wysokiej pojemności) 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. 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). Łączenie równoległe: C=C1+C2+C3+ Łączenie szeregowe: Szereg E12 11 12

Elementy elektroniczne: Dioda Elementy elektroniczne: Źródła częstotliwości Rezonator kwarcowy źródło częstotliwości, Generatory scalone większa dokładność wyższa cena, TCXO (Thermally-Coupled Crystal Oscillator) najwyższa dokładność, jednak jeszcze wyższa cena, 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, Częstotliwość [Hz] Dokładność [ppm] Istotne prawidłowe podłączenie: Kondensatory, Jak najkrótsze ścieżki do układu! 13 Dioda Zenera przebicie w ściśle ustalonym napięciu wstecznym, Napięcie maksymalne w przód i wstecz, Maksymalne natężenie prądu w przód, Najczęściej stosowane: 1N4148 1N4001,...02 07 Elementy elektroniczne: Tranzystory Elementy elektroniczne: Układy scalone Różnorodne zastosowania, Wzmacnianie, sterowanie lub przełączanie sygnałów, Działanie: Różnorodne obudowy, w nocie katalogowej układu......mniej istotne również. IB ~β*ib 14!β*IB Przykładowo: IB Atmega328 mikrokontroler, jednostka centralna Arduino, 7805 stabilizator 5V DC, Maksymalny prąd C-E Maksymalne napięcie C-E Prąd B-E dla pełnego otwarcia Wzmocnienie (β) 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 16 Źródło wykresu: http://www.antonine-education.co.uk/pages/electronics_1/electronic_components/transistors/intro_page_6.htm Scalone układy cyfrowe 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. Układy cyfrowe Jeżeli stosowane są na raz układy technologii CMOS i TTL, często niezbędna jest konwersja poziomów: 1 1!!! W przypadku CMOS->TTL należy użyć bufora (np. 4096) względnie użyć sygnału z kilku wyjść. 17 Źródło grafiki: http://hackaday.com/2015/08/03/how-cmos-works/ 18

Czego NIE mogą układy cyfrowe? Złącza 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. 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, Dopuszczalny prąd Maksymalne napięcie Warunki pracy 19 Zworki i przełączniki konfiguracyjne 20 Płytka stykowa Służą do wprowadzenia sprzętowej konfiguracji układu, Niska wytrzymałość prądowa! Niewielka liczba cykli użycia (w łącznikach DIP), Podczas projektowania należy pamiętać o bezpieczeństwie układu. Szybkie wykonanie prototypu, Łączenie pól kabelkami z tzw. goldpin, Możliwość łatwej rekonfiguracji, Nie nadaje się do wysokich prądów 21 Pomiary 22 Metoda Muntza Napięcie w układzie: Woltomierz równolegle do źródła napięcia Pobierany prąd: Amperomierz szeregowo wraz z obciążeniem, Pomiary oporności rezystorów, pojemności kondensatorów: Element do zacisków miernika 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. 23 24

Na przykład... Gdzie szukać informacji? Literatura o elektronice, np.: 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 Play-Hookey kurs elektroniki cyfrowej http://www.play-hookey.com/ Elportal http://elportal.pl/podstawy-elektroniki/ 25 Noty katalogowe układów, Gotowe projekty w sieci, Badanie istniejących urządzeń, Konstrukcja urządzenia (1) 26 Konstrukcja urządzenia (2) 3. Czy któreś z tych urządzeń wymaga sterowników? 1. Specyfikacja problemu np. Zbieranie i przechowywanie informacji o dostarczonych produktach Odpowiednio dobrany sterownik oszczędza porty I/O Zasilanie urządzeń czy potrzebujemy dodatkowych źródeł zasilania? 2. Jakie urządzenia wejścia i wyjścia są potrzebne? np. Wejście: Czytnik kodów kreskowych, klawiatura, Wyjście: Karta SD, wyświetlacz, beeper, LEDy Czytnik kodów Czytnik kodów LCD LCD rs232 LEDy LEDy Karta SD Klawiatura Klawiatura Dzielnik napięcia Stabilizatory Karta SD 27 28 Konstrukcja urządzenia (3) Konstrukcja urządzenia (4) 4. Szkielet programu: Definicje, Ustalenie ról wejść/wyjść, założenia programu, podstawowe procedury (+ zaślepki funkcji) #define KEYBOARD A0 3. Wybór platformy systemu, ocena wydajności, możliwości rozbudowy i dostosowywania. #define LED1 A1 Czytnik kodów void store_number() setup pinmode loop... LCD rs232 LEDy Klawiatura Dzielnik napięcia UNO Stabilizatory 10..13 SD Card I/O Karta SD A0 keyboard in A1..A5 LED out 29 2..5, 6, 7 - LCD 0,1 RS232 for Scanner 30

Konstrukcja urządzenia (5) Konstrukcja urządzenia (6) 5. Przedprototyp (płytka stykowa), testowanie, dopełnianie i udoskonalanie programu korzystając z połączenia USB do Arduino. Rysowanie i poprawki schematów częściowych (sterowników poszczególnych urządzeń). 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. 31 32 Przejdźmy do zastosowania... Programowanie w pętli Pisząc program dla mikrokontrolera możemy: Sterować stanem: wysoki (ok. 5V) / niski (ok. 0-.5V) na dowolnym wyjściu ( digitalwrite(pin,stan) stan = HIGH, LOW ), Sprawdzić stan na dowolnym wejściu ( digitalread(pin) ), Zamienić pin (wyprowadzenie) z wejścia na wyjście i odwrotnie ( pinmode(pin,stan) stan = INPUT, OUTPUT, INPUL_PULLUP ) Wykorzystać szczególne właściwości wejść/wyjść. Na platformie Arduino wykonujemy to z poziomu języka podobnego do C/C++ Każdy program działający w systemie operacyjnym zaczyna się i kończy. Po zakończeniu programu następuje powrót do systemu operacyjnego. Mikrokontroler systemu operacyjnego nie posiada. Program wykonuje się w nieskończonej pętli. Można tworzyć pod-pętle wprowadzając różne tryby pracy. 33 34 Programowanie w pętli - przykład Zegar z budzikiem: Normalnie działanie: Wyświetlanie aktualnej godziny. Po naciśnięciu przycisku ustawienia godziny: bieżącą godzinę. Programowanie w pętli - przykład.22 : 56 Ust. godziny H+ Ust. alarmu M+ Po naciśnięciu przycisku ustawienia alarmu Wyświetlenie godziny alarmu godzinę alarmu. Główna pętla: Odświeżanie aktualnej godziny, Czy wciśnięty przycisk ust. godziny? Normalnie działanie: Wyświetlanie Odśwież aktualną godzinę aktualnej godziny. Jeżeli wciśnięty H+ - zwiększ zmienną godzin, Po naciśnięciu przycisku Jeżeli wciśnięty M+ zwiększ ustawienia godziny: zmienną minut, Jeżeli wciśnięty inny przycisk bieżącą godzinę. opuść pętlę, Czy wciśnięty przycisk ust. alarmu? Odśwież godzinę alarmu, Jeżeli wciśnięty H+ - zwiększ Po naciśnięciu przycisku godzinę alarmu, ustawienia alarmu Jeżeli wciśnięty M+ zwiększ minutę alarmu, Wyświetlenie godziny alarmu Jeżeli wciśnięty inny przycisk opuść pętlę, Zegar z budzikiem: 35 godzinę alarmu. 36

Budowa programu #define ledpin LED Wymagany rezystor obniżający prąd. Vcc=5V Typowy LED 3mm: IF=20mA, VF=2V 13 void setup() pinmode(ledpin, OUTPUT); void main() setup(); while(1) loop(); void loop() digitalwrite(ledpin, HIGH); digitalwrite(ledpin, LOW); R= serialevent(); Vcc-VF IF (5-2) / 0.02 = 150 Ω A w praktyce 120...470Ω 37 Wejścia idea rezystora podciągającego Wejścia idea rezystora podciągającego Stan logiczny HIGH to ok. 2..5V. Stan LOW to 0..0.8V. Gdy dołączymy do wejścia stan niski (np. masę), prąd popłynie przez rezystor, a spadek napięcia na nim będzie wystarczający by na wejściu mikrokontrolera pojawił się stan niski. Prąd pobierany przez wejście przy sprawdzaniu stanu (pomiarze) jest minimalny, Wejście niepodłączone - wiszące w powietrzu (także podłączone do otwartego łącznika) - jest podatne na zakłócenia. Stany zmieniają się w nieprzewidywalny sposób. Są to tzw. stany nieustalone, 38 Ponieważ rezystor ma sporą oporność, prąd płynący przez niego będzie zaś niski na tyle, by nie poczynić szkód w układzie. Rezystory podciągające są powszechnie stosowane w układach logicznych. HIGH Niezbędne jest użycie niewielkiego prądu, który zapewniłby wysoki stan logiczny gdy wejście jest Arduino niepodłączone, Prąd ten zapewniany jest przez rezystor podciągający (pull-up resistor) o wartości kilku kω, podłączony do zasilania. Arduino Arduino ma wbudowane rezystory podciągające i nie ma potrzeby używania zewnętrznych! 39 Arduino ma wbudowane rezystory podciągające i nie ma potrzeby używania zewnętrznych! 40 Zmienne i funkcje, wejścia #define ledpin 13 #define resetpin 11 void setup() pinmode(ledpin, OUTPUT); #define ledpin 13 void setup() pinmode(ledpin, OUTPUT); pinmode(resetpin, INPUT); void displayint(int number) void displayint(int number) for (int i=0;i<number;i++) for (int i=0;i<number;i++) digitalwrite(ledpin, HIGH); digitalwrite(ledpin, HIGH); digitalwrite(ledpin, LOW); digitalwrite(ledpin, LOW); LOW if (!digitalread(resetpin)) delay(100); k=0; void loop() k++; displayint(k); digitalwrite(resetpin,high); if (!digitalread(resetpin)) delay(100); k=0; unsigned int k = 0; #define resetpin 11 void loop() k++; displayint(k); digitalwrite(resetpin,high); Zmienne i funkcje, wejścia unsigned int k = 0; pinmode(resetpin, INPUT); LOW 41 INPUT + digitalwrite(high) = INPUT_PULLUP 42