Указания по организации самостоятельной работы

Перед работой необходимо проработать теоретический материал по литературе [1, 4] и конспект лекций, ознакомиться с принципами функционирования и возможностями программирования, встроенного в микроконтроллер AVR АТMEGA 128 АЦП, изучить методику измерения температуры с помощью аналогового термодатчика.

В состав микроконтроллера AVR АТMEGA 128 входит 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), реализующий принцип последовательного приближения (см. рисунок 6.1). На входе модуля АЦП имеется
8-канальный аналоговый мультиплексор, управляющий переключением данных, поступающих с восьми каналов с несимметричными входами. В качестве источника опорного напряжения может выступать напряжение от внутреннего источника U_REF (2.56 В), напряжение питания микроконтроллера U_CC, или внешнего источника. Наибольшая точность преобразования достигается при тактовой частоте модуля АЦП порядка 50 ¸ 200 кГц. Модуль АЦП может функционировать в режимах одиночного и непрерывного преобразований. Стандартное преобразование аналогового значения в цифровое с помощью встроенного АЦП выполняется за 13 тактов, одиночное – за 25 тактов. Результат преобразования для каналов с несимметричным входом определяется из выражения:

 

,

 

где – значение входного напряжения, – величина опорного напряжения.

 

 

Рисунок 6.1 – Обобщенная структурная схема модуля АЦП

в микроконтроллере AVR АТMEGA 128

 

Для работы с модулем АЦП используются следующие регистры:

ADCW (ADCH, ADCL) – 16-разрядный регистр данных, расположенный по адресу 4h/24h. В регистре используется 10 разрядов, выровненных по левой или правой границе.

ADCSRA – регистр управления/статуса.

ADMUX – регистр управления мультиплексором входных каналов.

Форматы и описания отдельных битов регистров ADCSRA и ADMUX приводится на рисунках 6.2, 6.3 и в таблицах 6.1, 6.2 соответственно.

№ бита
06h (26h)	ADEN	ADSC	ADFR	ADIF	ADIE	ADPS2	ADPS1	ADPS0

 

Рисунок 6.2 – Регистр состояния ADCSRA

Таблица 6.1 – Описание значений управляющих битов регистра ADCSRA

Разряд	Обозначение	Описание
	ADEN	Разрешение работы АЦП: 0 – выкл.; 1- вкл.
	ADSC	Запуск преобразования (1 – начать преобразование)
	ADFR	Выбор режима работы АЦП: 1 – режим непрерывного преобразования, 0 – режим одиночного преобразования
	ADIF	Флаг прерывания (1 – произошло прерывание от АЦП). Сбрасывается аппаратно при переходе на процедуру обработки прерывания.
	ADIE	Обмен по прерыванию (1–разрешение прерывания)
2 – 0	ADPS2- ADPS0	Управление предделителем тактовой частоты АЦП
ADPS2	ADPS1	ADPS0	k

 

№ бита
07h (27h)	REFS1	REFS0	ADLAR	MUX4	MUX3	MUX2	MUX1	MUX0

 

Рисунок 6.3 – Регистр состояния ADMUX

 

Таблица 6.2 – Описание значений управляющих битов регистра ADMUX

Разряд	Обозначение	Описание
7, 6	REFS1, REFS0	Выбор источника опорного напряжения (ИОН)
REFS1	REFS0	ИОН
		Внешний, AREF
		Напряжение питания UCC
		Зарезервировано
		Внутренний (2,56 В), UREF
	ADLAR	Выравнивание 10-битового результата по границе слова: 0 –по правой, 1 –по левой.
4,3,2,1,0	MUX4 – MUX0	Управление мультиплексором входных каналов: при использовании несимметричных входов код на линиях MUX2–MUX0 соответствуетномеру канала.

Согласно формату регистров ADCSRA и ADMUX для работы с модулем АЦП в режиме одиночного преобразования необходимо при каждом чтении данных из регистра ADCW выполнить следующий инициализирующий код на языке С:

ADMUX=0b11000000; используется внутренний источник опорного

напряжения U_REF (2.56 В), оцифровывание данных,

поступающих по 0-му входному каналу;

ADCSRA=0b11000000; запуск модуля АЦП в режиме одиночного преобразования.

Если используется режим, в котором модуль АЦП генерирует прерывание ADC INT (cм. таблицу 4.1) по окончанию преобразования, то необходимо обязательно описать процедуру обработки данного прерывания.

 

6.2 Описание лабораторной установки

 

Лабораторная работа выполняется в индивидуальном порядке. На каждом рабочем месте должны быть установлены: многофункциональный лабораторный макет на базе микроконтроллера AVR ATMEGA 128, ПЭВМ типа IBM PC/AT c инсталлированным программным обеспечением: операционной системой MS–WINDOWS v. 9x, 2000, XP, программатором на основе кросс-компилятора языка программирования C CodeVision AVR, утилитой Terminal для работы с последовательным интерфейсом RS232C. Задания выполняются на лабораторном макете на базе 8-разрядного микроконтроллера AVR ATMEGA 128, к 0-му выводу порта F которого подключен аналоговый датчик температуры Analog Devices TMP–35. Данный термодатчик обладает следующими характеристиками:

Диапазон рабочих напряжений: 2,7 – 5,5 В.

Диапазон измеряемых температур: - 40°С - +125°С.

Погрешность измерений: ± 2°С

Масштабирующий коэффициент: 10 мВ/1°С.

Для функционирования термодатчика используется схема подключения, изображенная на рисунке 6.4. Уровень логического нуля на входе переводит выход термодатчика в высокоимпедансное состояние. Если отключение термодатчика в процессе работы системы не предусматривается, то вход подключается к выводу V_REF.

Дополнительно в работе используется кабель с 9-контактными разъемами DB-9 (см. рисунок 1.8) для соединения лабораторного макета с ПЭВМ через последовательный интерфейс RS232C.

 

Рисунок 6.4 – Схема подключения датчика температуры TMP–35

к лабораторному макету

 

Измерение температуры (в °С) с помощью термодатчика TMP–35 выполняется путем преобразования оцифрованного значения входного напряжения (по отношению к лабораторному макету) по следующей формуле:

 

, (6.1)

 

где – значение входного напряжения, – величина опорного напряжения; – напряжение смещения (500 мВ).

 

6.3 Порядок проведения работы и указания по ее выполнению

 

Перед началом выполнения практической части лабораторной работы проводится экспресс–контроль знаний по принципам функционирования модуля АЦП, входящего в состав микроконтроллера AVR ATMEGA 128. При подготовке к лабораторной работе необходимо составить предварительный вариант листинга программы, в соответствии с индивидуальным заданием (см. таблицу 6.3).

Задание: разработать в среде программирования Code Vision AVR программу на языке С для измерения значений температуры с помощью термодатчика Analog Devices TMP–35 в соответствии с параметрами режима работы, приведенными в таблице 6.3.

Порядок выполнения задания:

1. Включить лабораторный макет (установить выключатель электропитания в положение I, и убедиться в свечении индикатора электропитания красным цветом).

2. Запустить компилятор Code Vision AVR.

3. Создать пустой проект.

4. Создать файл ресурса для кода программы и подключить его к проекту.

5. Ввести код исходного модуля программы для считывания данных с модуля АЦП.

6. Выполнить компиляцию (нажав клавишу F9) исходного модуля программы и устранить ошибки, полученные на данном этапе.

7. Настроить параметры программатора.

8. Создать загрузочный модуль программы (нажав комбинацию клавиш Shift+F9) и выполнить программирование микроконтроллера.

9. Проверить работоспособность, загруженной в микроконтроллер программы, и показать результаты работы преподавателю.

10. В случае некорректной работы разработанной программы, выполнить аппаратный сброс микроконтроллера, провести отладку исходного модуля программы и заново проверить функционирование программы, повторив выполнение пункта 9.

 

Пример выполнения задания:разработать программу для передачи данных о температуре в ПЭВМ по интерфейсу RS232C: режим работы АЦП – непрерывное преобразование, значение делителя частоты – 128; если величина температуры превысит 27°С, то выдать сигнал предупреждения с помощью включения светодиода.

Решение:исходя из параметров режима работы модуля АЦП необходимо настроить регистры ADCSRA и ADMUX,настроить порт D на вывод данных и погасить все светодиоды, инициализироватьмодуль USART1, в цикле считывать данные из регистра ADCW, вычислять значения температуры по формуле 6.1, выводить их в регистр UDR1 и анализировать величину температуры для формирования сигнала предупреждения. Алгоритм программы приводится на рисунке 6.5, полный текст исходного модуля программы на языке С с подробными комментариями приводится ниже:

#include <mega128.h>; подключить заголовочный файл mega128.h;

#include <delay.h>; подключить заголовочный файл delay.h;

#define VREF 2560L задание константы ;

#define OFFSET 500L задание константы ;

int a;описание глобальной переменной а;

int read_adc() { описание подпрограммы считывания данных

int result; из модуля АЦП и вычисления значения

result = ADCW; температуры по формуле 6.1;

result=((result*VREF)/1024 –OFFSET)/10;

return result; }

main() { основная часть программы;

DDRD=0xFF;установка всех линий порта D в режим вывода дан-

PORTD=0xFF;ных и выключение всех светодиодов;

инициализация модуля АЦП

ADMUX=0b11000000; используется внутренний источник опорного

напряжения U_REF (2.56 В); оцифровывание данных,

поступающих по 0-му входному каналу;

ADCSRA=0b11101111;запуск модуля АЦП в режиме непрерывного

преобразования, делитель частоты равен 128;

инициализация модуля USART1:

UCSR1A=0x00;установка стандартного режима задания скорости

передачи данных;

UCSR1B=0x08;установка 3-го бита регистра UCSR1B для

инициализации USART1 в режиме передатчика;

UCSR1C=0x06;установка формата кадра: 8 бит данных с отклю

ченным режимом четности;

UBRR1H=0x00;установка значения делителя (35), соответствующего

UBRR1L=35;скорости приемаданных 19200 бит/с;

while (1) { организовать цикл с бесконечным числом итераций;

a=read_adc(); получить новое значение температуры;

delay_ms(100); установить временную задержку 100 мс;

UDR1=a;выполнить передачу значения температуры по

интерфейсу RS232C в ПЭВМ;

if (a>27) PORTD.1=0; зажечь 1-й светодиод блока индикации, если значение

else PORTD.1=1; } температуры превышает 27°С;

} завершающая операторная скобка программы;

 

Таким образом, программа будет осуществлять измерение температуры и передавать данные в ПЭВМ по интерфейсу RS232C, а также формировать сигнал предупреждения о повышении температуры на величину более 27°С. Данные, передаваемые в ПЭВМ, будут фиксироваться предварительно запущенной программой Terminal с соответствующими настройками протокола обмена данными.

 

Рисунок 6.5 – Алгоритм программы передачи данных о температуре из

микроконтроллера AVR ATMEGA 128 в ПЭВМ по интерфейсу RS232C с

формированием сигнала предупреждения при повышении температуры

 

Таблица 6.4 – Варианты индивидуальных заданий

Номер	Задание
	Разработать программу, выполняющую измерение температуры в режиме одиночного преобразования (делитель частоты равен 2) и формирующую сигнал предупреждения с помощью блока светодиодов, если значение температуры превысит 30°С.
	Разработать программу, выполняющую измерение температуры в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 8) и формирующую сигнал предупреждения с помощью блока светодиодов, если значение температуры превысит 40°С.
	Разработать программу, выполняющую измерение температуры в режиме одиночного преобразования (делитель частоты равен 64) и формирующую сигналы предупреждения с помощью блока светодиодов, если значение температуры выходит за рамки диапазона 25°С < T < 30°С.
	Разработать программу, выполняющую измерение температуры в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 128) и формирующую сигналы предупреждения с помощью блока светодиодов, если значение температуры выходит за рамки диапазона 30°С < T < 40°С.
	Разработать программу, выполняющую измерение температуры в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 4) и формирующую сигналы предупреждения с помощью блока светодиодов, если значение температуры выходит за рамки диапазонов 25°С < T < 30°С и 40°С < T < 50°С.
	Разработать программу, выполняющую измерение температуры в режиме одиночного преобразования (делитель частоты равен 32) и формирующую сигналы предупреждения с помощью блока светодиодов, если значение температуры выходит за рамки диапазонов 20°С < T < 25°С и 35°С < T < 40°С.
	Разработать программу, выполняющую измерение температуры в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 16) и формирующую сигналы предупреждения с помощью цифрового индикатораHoltek НТ1613, если значение температуры выходит за рамки диапазона 25°С < T < 35°С.
	Разработать программу, выполняющую измерение температуры в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 4) и формирующую сигналы предупреждения с помощью блока светодиодов, если значение температуры выходит за рамки диапазона 25°С < T < 40°С. Обработка данных происходит по прерыванию ADC_INT*.

 

 

Продолжение таблицы – 6.4

	Разработать программу, выполняющую измерение температуры в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 8) и выводящую значения температуры на цифровой индикаторHoltek НТ1613*.
	Разработать программу, выполняющую измерение температуры в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 32) и передающую значения температуры в ПЭВМ с помощью последовательного интерфейса RS232C.*

* задания повышенной сложности.

 

Содержание отчета

В отчете необходимо привести следующее:

– характеристики лабораторной вычислительной системы;

– исходный модуль разработанной программы;

– анализ полученных результатов и краткие выводы по работе, в которых необходимо отразить особенности использования встроенного в микроконтроллер модуля АЦП для измерения аналоговых величин.

 

Контрольные вопросы и задания

1. Поясните принцип работы встроенного в микроконтроллер
10-разрядного АЦП.

2. Назовите основные управляющие регистры АЦП, встроенного в микроконтроллер, и поясните их функции.

3. Поясните принцип измерения температуры с помощью термодатчика.

4. Для чего применяется выравнивание результата по левой или правой границе слова?

5. Поясните возможности передачи данных о температуре в ПЭВМ.

6. Поясните возможность отображения данных о температуре на экране цифрового индикатора Holtek НТ1613, рассмотренного в лабораторной работе № 3.

 

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

1. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL. – М.: Изд. дом Додэка-ХХI, 2004. – 560 с.

2. Голубцов М.С., Кириченкова А.В. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному.- М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 304 с.

3. Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы.- М.: Издательский дом “Додэка-XXI”, 2004. – 288 с.

4. http://www.atmel.ru/ – описание микроконтроллеров фирмы ATMEL на русском языке.