Sensibelchen

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Praxis | Mikrocontroller im LAN
Benjamin Benz, Thorsten Thiele
Sensibelchen
Mikrocontroller-Programmierung:
Timer, Sensoren und Drehgeber
Der c’t-Mikrocontroller-im-LAN kann verschiedenste
Sensoren abfragen, um Temperaturen, Lichtintensitäten
und andere physikalische Größen zu messen. Wenige
Zeilen Programmcode fragen dazu Sensoren ab oder
ermöglichen es, den Controller mit einem inkrementellen
Drehgeber bequem zu bedienen.
D
as c’t-Projekt Mikrocontroller-im-LAN aus den Artikeln [1, 2] soll nun praktische Aufgaben übernehmen und
Temperaturen und andere physikalische Größen messen. Die
nötigen Messschaltungen für
eine Vielzahl von Sensoren befinden sich schon auf dem B-Modul,
wurden aber noch nicht detailliert besprochen. Bislang konnte
der Controller (ATMega 8535)
schon testweise Daten an PCs im
Netzwerk übermitteln oder diese
auf dem Display anzeigen. Die
Benutzerführung auf dem LCD
236
gestaltete sich mit den bislang verwendeten Komponenten
etwas schwierig. Hier sorgt ein
inkrementeller Drehgeber, wie
man ihn aus vielen modernen
Geräten kennt, für Abhilfe.
Bevor sich eine physikalische
Größe mit einem Mikrocontroller
messen lässt, muss ein geeigneter Sensor die Ursprungsgröße
in eine elektrisch messbare verwandeln – zum Beispiel eine
Temperatur in einen Widerstandswert. Im zweiten Schritt
fällt über diesem Widerstand eine
Spannung ab, die dann schließ-
lich ein Analog-Digital-Umsetzer
(ADU) in einen digitalen Wert verwandelt. Andere ebenfalls nutzbare Zwischengrößen sind Kapazitäts- (Kondensator) und Induktivitätsänderungen (Spule), die
man beispielsweise in einen
Schwingkreis einbauen kann. Gemessen wird dann die veränderte Frequenz des Schwingers.
Edelmetall
Zur Temperaturmessung bieten
sich Messwiderstände wie der
PT100 an. Diese sind in internationalen (IEC 751 und EN 60751)
und einer deutschen Norm (DIN
60751) genau spezifiziert. Als Material kommt Platin (Pt) zum Einsatz, das in weiten Bereichen seinen Widerstand annähernd linear mit der Temperatur verändert. Die Zahl hinter dem
Elementzeichen gibt den Wider-
standswert (100 Ω) bei 0 °C an.
Da die Widerstandsänderung jedoch nicht über den gesamten
Temperaturbereich konstant ist,
muss man für eine korrekte Umrechnung der gemessenen OhmWerte in Temperaturen zwei Abschnitte getrennt betrachten.
Zwischen 0 °C und 180 °C gilt folgender Zusammenhang:
R(T) = R0(1 + A·T + B·T2)
A=3,9083·10–3·°C–1; B=–5,775·10-7 °C–2
im Bereich von –200 °C bis 0 °C
kommt noch ein Term dritter
Potenz hinzu:
R(T) = R0(1 + A·T + B·T2 + C·T3)
C=–4,183·10–12·°C–3
PT100-Temperaturfühler sind
nach internationalen Normen
spezifiziert und decken einen
Messbereich von –200 °C bis
+850 °C ab.
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Praxis | Mikrocontroller im LAN
reich durch sukzessive Approximation in 1024 (210) gleich große
Stufen ein. Als Referenzspannung und Obergrenze des Messbereichs dient entweder die analoge Versorgungsspannung (im
vorgestellten Modul AVCC mit
5 Volt), der Eingang AREF oder
eine interne Referenzspannung
von 2,56 Volt.
Welche der drei Varianten zum
Einsatz kommt, legt die Firmware über die obersten
beiden Bits im ADMUXRegister fest. Um die beiden PT100-Sensoren auszuwerten, nutzt unser Beispielcode die interne Referenz und
richtet die zehn Daten-Bits
rechtsbündig im 16-Bit-Ergebnis
aus (ADLAR=0):
#include <avr/io.h>
...
ADMUX=(1<<REFS1)+(1<<REFS0)+—
(0<<ADLAR);
Das B-Modul besitzt zwei
komplette analoge Messschaltungen für Temperatursensoren,
die versuchen, möglichst viele
Störeinflüsse zu vermeiden.
Dazu betreibt es den Sensor an
einer Konstantstromquelle, die
ungefähr 1 mA durch den Sensor fließen lässt. Diese Aufgabe
übernimmt etwas zweckentfremdet der einstellbare Spannungsregler LM317L (IC6). Er regelt seine Ausgangsspannung
so, dass zwischen dem Justiereingang ADJ und dem Ausgang
VO immer 1,25 V anliegen. Da
der Widerstand R1 mit 1,3 kΩ
deutlich größer als der PT100 ist,
fließt durch beide näherungsweise konstant 1 mA. R38 dient
nur dazu, den Spannungsregler
ein wenig zu belasten, damit die
Regelung einwandfrei arbeitet.
Stufen zum Erfolg
Nach dem Ohmschen Gesetz
(U = R·I) fällt bei einem Messstrom von 1 mA am PT100 bei
0 °C 100 mV Spannung ab, bei
100 °C entsprechend 137,6 mV.
Diese relativ kleinen Spannungswerte sind empfindlich gegenüber Störungen oder Belastungen, wie sie eine direkte Analognach-Digital-Umsetung mit sich
bringen würde. Daher entkoppelt zunächst ein Verstärker mit
dem Verstärkungsfaktor eins
(IC4A) den Eingang von der folgenden Schaltung.
Diese subtrahiert zunächst
den Offset von 100 mV, damit
der Messbereich bei 0 °C beginnt. Dazu erzeugt der Spannungsteiler R2/R3 eine Spannung von ebenfalls 100 mV, die
IC4C wieder entkoppelt und
IC4B als Subtraktor vom Messsignal abzieht. Zuletzt verstärkt
IC4D das Signal so weit, dass es
den Messbereich des A/D-Umsetzers voll ausnutzt. Die Verstärkung kann man mit dem Spindelpotentiometer TR1 relativ
genau einstellen.
Möchte man den Messbereich
verschieben, um beispielsweise
Temperaturen unter 0 Grad zu
messen, muss man die OffsetSpannung (Spannungsteiler R2/
R3) anpassen. Die Schaltung ist
ziemlich universell – die Subtraktionsstufe (R2, R3, IC4C) verschiebt die Eingangsspannung
um beliebige Offsets und legt
damit das untere Ende des Messbereiches fest, der nachgeschaltete Verstärker (TR1, IC4D) das
obere Ende. So lassen sich auch
alle anderen Sensoren anschließen, die eine Ausgangsspannung
oder eine Widerstandsänderung
erzeugen.
Verwandlungskünstler
Bevor der Mikrocontroller den
Messwert weiter verarbeiten
kann, muss er das analoge Signal
in digitaler Form erhalten. Dazu
besitzt der ATMega 8535 acht
Eingänge (PA0 bis PA7), die über
einen Multiplexer an einem einzigen 10-Bit-D/A-Umsetzer hängen. Dieser teilt den Eingangsbe-
Die ADMUX-Bits null bis zwei
wählen den Eingang aus, der mit
dem Umsetzer verbunden werden soll. Die übrigen Bits (drei
und vier) sind nur in speziellen
Betriebsarten nötig und aktivieren unter anderem die differenzi-
ellen Eingänge und den internen
Verstärker. Genaue Informationen dazu liefert das Datenblatt
(Soft-Link). Beim Eintragen der
gewünschten Kanalnummern in
die zuständigen Bits müssen alle
anderen unverändert bleiben,
was man durch das logische Oder
(|-Operator) und die Maskierung
(&-Operator) erreicht:
ADMUX = ADMUX | (channel &; 0x07);
Die Verknüpfung einzelner Bits
kann man in C auch kürzer schreiben, wie die folgenden Zeilen mit
dem logischen Und-Gleich (&=Operator) zeigen. Sie schalten
den ausgewählten Kanal als
Input-Pin und deaktivieren den
internen Pullup-Widerstand, der
nur für die Nutzung als digitaler
Eingang benötigt wird:
DDRA &= ~(1<<(channel & 0x07));
PORTA &= ~(1<<(channel & 0x07));
Für die Approximation eines Signals benötigt der Umsetzer ein
Taktsignal, das ungefähr zehnbis fünfzehnmal höher liegt als
die erwünschte Abtastrate. Diese
sollte, sofern die maximale Auflösung erwünscht ist, 15 kHz nicht
überschreiten. Daraus ergibt sich
c’t-Projekt Mikrocontroller-im-LAN
Der c’t-COM-auf-LAN-Adapter
aus dem ersten Teil des Projektes [1] verbindet Geräte, die
nur eine RS-232-Schnittstelle
besitzen, mit dem LAN. So lässt
sich zum Beispiel eine Telefonanlage im Keller fernwarten
oder ein Modem aus der Ferne
nutzen. Die PCs im LAN können sich auch ein so angeschlossenes Gerät teilen.
Der c’t-Mikrocontroller-im-LAN
[2] erweitert das Projekt um
einen Mikrocontroller, der analoge Signale misst und über
digitale Eingänge verfügt. Er
kann über zwanzig digitale
Ports steuern und mit seriellen
Geräten kommunizieren. Aufgesteckt auf das COM-auf-LANModul lässt er sich über das
Netzwerk fernsteuern und mit
einem beliebigen Webbrowser
überwachen.
Die Webseiten zur Abfrage der
Sensoren dürfen auch Java-Applets enthalten und können
auf dem integrierten Webserver des A-Moduls abgelegt
werden. Beispielcode dazu fin-
Die untere Platine (c’t-COMauf-LAN) verbindet das
B-Modul mit dem LAN. Über
den integrierten Webserver
und ein kleines Java-Applet
kann jeder PC im Netzwerk
den c’t-Mikrocontrollerim-LAN fernsteuern und
Messwerte abfragen.
det sich auf der Projektseite
(Soft-Link). Wer lieber mit einer
eigenen Software den Controller fernsteuert, dem steht sowohl für Linux als auch für
Windows eine virtuelle COMSchnittstelle zur Verfügung.
Hartgesottene können die beiden Module auch direkt über
einen TCP/IP-Port ansprechen.
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Praxis | Mikrocontroller im LAN
P6
PT 100
Der PT100-Sensor ist über eine
Dreileiterschaltung mit dem
Eingang verbunden, bei der
die Adern erst am Messpunkt
miteinander verbunden sind.
So fließt auf der Signalleitung
nur ein sehr kleiner Strom und
der Leitungswiderstand beeinflusst die Messung kaum.
ein sinnvoller Umsetzertakt von
maximal 200 kHz, den ein Teiler
aus dem Chiptakt (14,7456 MHz)
erzeugt. Wir haben uns für ein
Teilerverhältnis von 128 (die
drei untersten Bits im Register
ADCSRA) beziehungsweise eine
Frequenz von 115 kHz entschieden.
ADCSRA=(1<<ADPS2)+(1<<ADPS1)+—
(1<<ADPS0);
Das Setzen zweier weiterer Bits
leitet die Konvertierung schließlich ein:
AVCC
3
2
1
4
R38
470Ω
AVCC
3
+
2
–
AVCC
IC4B
TLC2264
5 +
6 –
10k
7
IC4D
TLC2264
12
13
R2
100k
VO
R1
1,3k
ADJ
R3
2k
mit dem PT100 (adc) und mit
einem normalen Thermometer
(T). Die Faktoren errechnen sich
dann wie folgt: d = (T1–T2)/
(adc1–adc2) und e = T1–d·adc. Im
Beispiel-Quelltext (Soft-Link) kann
man am Anfang der Datei adc.c
die zwei Messpaare eintragen
und die Temperaturen mit der
Funktion pt100_read(kanal) in Hundertstel-Grad auslesen.
Genau wie die Temperaturfühler kann man auch alle anderen Sensoren, über denen eine
10 +
9 –
IC4C
TLC2264
8 R5
while ((ADCSRA&(1<<ADSC))!=0){}
adc = ADCL + (ADCH<<8);
Um aus dem ADC-Wert eine Temperatur zu berechnen, müsste
man eigentlich die weiter oben
gennanten Formeln genau auflösen. Da die Faktoren B und C aber
relativ klein sind und im Temperaturbereich zwischen 0 und 100 °C
daher nur wenig ins Gewicht fallen, darf man sie im Regelfall vernachlässigen. Es ergibt sich dann
eine einfache Geradengleichung:
T = d·adc + e, deren Koeffizienten
d und e sich anhand von zwei
Stützstellen bestimmen lassen.
Dazu misst man zwei möglichst
weit auseinander liegende Temperaturen (zum Beispiel Zimmerund Heizungstemperatur) jeweils
1
2
3
4
+VO
GND
–VO
VCC
Spannung zwischen 0 und 2,56 V
abfällt, auslesen. Ein Licht-Sensor
(LDR) ändert seinen Widerstandswert zwischen 100 Ω und 20 kΩ
und so reicht ein einfacher Spannungsteiler (R19) aus, um ihn direkt an den ADU anzuschließen
(P9 auf dem B-Modul). Für empfindlichere Sensoren bietet sich
eine Anpassung der oben beschriebenen PT100-Schaltung an.
Wer Sensoren mit integrierter
Messbrücke wie einen Magnetfeldsensor (zum Beispiel KMZ10B
von Philips) verwenden will,
kann einen der Differenz-Ein-
R8
P10
4k7
ATMega
8535
TR1
50k
10k
gänge mit internem Verstärker
des ATMega nutzen.
1, 2, 3 … Unterbrechung
Für regelmäßige Messungen lassen sich die Sensoren in einer
Endlosschleife ständig abfragen,
aber damit blockiert man den
Mikrocontroller völlig. Viel eleganter ist es, einen der eingebauten Timer zu benutzen.
Diese generieren in einstellbaren
Intervallen Interrupt-Signale. Der
Der Magnetfeldsensor KMZ10B besitzt eine interne Messbrücke
und kann direkt an einen der analogen Differenzeingänge des
ATMega angeschlossen werden.
Ein lichtempfindlicher Widerstand (LDR) direkt am Analogeingang des Controllers reicht
als Sensor für eine Dämmerungsschaltung aus. Zusammen
mit den eingebauten Timern
lässt sich eine helligkeitsabhängige Zeitschaltuhr mit
Ethernet-Port aufbauen.
238
14
–
10k
ADCSRA|=(1<<ADEN)+(1<<ADSC);
Sobald das Ergebnis bereitliegt, steht das ADSC-Flag im
ADCSRA-Register wieder auf
null. Darauf wartet die Firmware
in einer Warteschleife und setzt
danach das Ergebnis aus den
zwei 8-Bit-Registern in einer 16Bit-Variablen (adc) zusammen:
+
R7
IC6
LM317LZ
VI
11
R6
10k
IC4A
TLC2264
1 R4
Prozessor unterbricht daraufhin
seine aktuelle Arbeit und verzweigt in die zugehörige Interrupt-Service-Routine (ISR). Diese
liest die Sensoren aus, speichert
das Ergebnis ab und kehrt dann
zum eigentlichen Code zurück.
Der ATMega8535 bringt
gleich drei solcher Timer mit
(zwei mit 8- und einen mit 16Bit-Zähler), von denen jeder
mehrere Interrupts auslösen
clock
Clear
clock/
8
kann. Wir betrachten hier einen
der 8-Bit-Timer, da er für das periodische Auslesen der Sensoren
ausreicht. Der Timer zählt ein
8-Bit-Register
(TCNT0)
mit
jedem Clock-Signal um eins
hoch, vergleicht es dann mit
dem Compare-Register (OCR0)
und löst wenn nötig einen Interrupt aus (OCF0 bei OCR0 gleich
TCNT0, TOV0 bei Zählerüberlauf). Wie schnell dies geschieht,
entscheidet der verwendete
Zählertakt.
Ein Vorteiler stellt verschiedene Frequenzen zur Verfügung,
die er durch Teilen aus dem
Systemtakt (14,7456 MHz) erzeugt. Im Timer-Control-Register
(TCCR0) legen drei Bits (CS00 bis
CS01) fest, welchen Takt der
Zähler verwendet (Tabelle im
Datenblatt). Temperaturen ändern sich vergleichsweise langsam – eine Messung alle 3 ms
reicht für viele Zwecke aus. Der
Acht-Bit-Timer kann nur bis 255
zählen und so fällt die Wahl auf
den höchstmöglichen Teiler
(1024) und somit einen Takt von
14,4 kHz. Der Vergleichswert ergibt sich dann zu (14,400 kHz x
3 ms –1 = 42):
#define XTAL 14745600
#define clock 333 // 3ˇms --> 333ˇHz
...
TCCR0 = (1<<CS00) | (1<<CS02) | —
(1<<WGM01);
OCR0 = (XTAL/1024/clock)–1;
Das WGM01-Bit sorgt dafür, dass
der Zähler nach jedem Erreichen
10-BIT PRESCALER
clock/
64
clock/
256
clock/
1024
PSR10
0
CS10
CS11
CS12
0
CS00
CS01
CS02
TIMER/COUNTER1
CLOCK SOURCE
TIMER/COUNTER0
CLOCK SOURCE
Aus dem Chiptakt von 14 MHz generiert der Teiler vier verschiedene Takte, die für die Timer als Referenz zur Verfügung stehen.
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Mit einem inkrementellen
Drehgeber kann man bequem
durch Menüs scrollen und durch
Drücken des Drehknopfes die
Auswahl bestätigen. Geschickt
programmierte Abfrageroutinen berücksichtigen
auch die Drehgeschwindigkeit.
des Vergleichswertes wieder bei
null anfängt zu zählen. Den Anfangswert schreibt man direkt in
das Timer-Register und aktiviert
zuletzt die Interrupts:
TCNT0 = 0;
TIMSK |= (1<<OCIE0);
sei();
Das OCIE0-Bit im TIMSK-Register
schaltet den Vergleichs-Interrupt
ein und das Makro sei(), das in
avr/interrupt.h definiert ist, aktiviert systemweit alle Interrupts.
Die Interrupt-Service-Routine
unterscheidet sich dank weiterer
Makros aus avr/signal.h kaum
von einer gewöhnlichen C-Funktion. Sie beginnt mit dem
Schlüsselwort SIGNAL, gefolgt
vom Namen des zu behandelnden Interrupts:
SIGNAL (SIG_OUTPUT_COMPARE0){
Temp[0]=read_adc(0);
Temp[1]=read_adc(1);
}
Während der Ausführung der
Funktion sind alle anderen Interrupts blockiert. Wer das nicht
will, nutzt statt SIGNAL das
Makro INTERRUPT, muss dann
aber selbst dafür sorgen, dass
sich Aufrufe nicht gegenseitig
überlappen. Grundsätzlich gilt,
dass ein Programm möglichst
wenig Zeit in ISRs verbringen
soll. Aufwendige Operationen
gehören dort nicht hin, daher
rechnet auch erst das Hauptprogramm die Sensorwerte in Grad
Celsius um.
Rechts – Links
In der regelmäßig aufgerufenen
ISR kann man neben Sensoren
auch Eingabegeräte wie einen
Drehimpulsgeber, kurz Drehgeber, auslesen. Da sich dessen Zustand vergleichsweise langsam
ändert, klappt dieses einfache
Polling-Verfahren. Bei schnell
wechselnden Eingangssignalen
bieten sich hingegen die Eingänge an, die bei jeder Pegeländerung einen eigenen Interrupt
auslösen. Handelsübliche inkrementelle Drehgeber erzeugen
beim Drehen an jedem ihrer
zwei Ausgänge ein Rechtecksignal. Beide sind um 90 Grad zueinander
phasenverschoben
(siehe Grafik). So entsteht ein 2Bit-Code, bei dem sich immer
nur ein Bit auf einmal ändert
(Graycode). Die Drehrichtung
kann man dann aus einer Zustandstabelle ablesen.
Einen Anschlag zur Winkelbegrenzung, wie bei Potentiometern üblich, gibt es nicht. Die aktuelle Position des Gebers kann
folglich nur inkrementell durch
kontinuierliches Mitrechnen ermittelt werden. Als Zusatzfunktion besitzen viele Drehgeber
noch einen Taster, mit dem man
beispielsweise in einem Menü
die Auswahl bestätigen kann.
Dieser wird wie jeder andere
Taster auch ausgelesen [2].
Vor der Auswertung des Graycodes werden die drei Ports
(2xGeber und 1xTaster) als Eingänge geschaltet und ihre internen Pull-up-Widerstände aktiviert. Eine logische Eins am Port-
A
Ein Drehgeber erzeugt einen
Graycode, bei dem zwei
aufeinander folgende Werte
sich immer in genau einem Bit
unterscheiden. Die Drehrichtung liest man dann aus
der Zustandstabelle aus.
B
A
B
BA
0
1
2
1 1 0 0
1 0 0 1
3 1 0 2
1 1 0
1 0 0
3 1 0
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Praxis | Mikrocontroller im LAN
IO4
IO5
IO6
IO7
IO9
P10
1
2
3
4
5
6
const int8_t graytab[] = {
0,-1,1,0,
1,0,0,-1,
–1,0,0,+1,
0,1,-1,0 };
R23
4k7 Drehgeber/
Joystick
Das B-Modul besitzt schon
einen Anschluss für den Drehgeber. Vertauscht man Pin
eins und zwei, dann ändert
sich auch die Zählrichtung
der Geberauswertung.
Diesen kumuliert die globale Variable drehgeber, die das Hauptprogramm auslesen kann. Es muss
dabei nur beachten, dass je nach
Bauform der Geber pro Rastung
mehrere Zählerstände durchlaufen kann. Unser Exemplar zählt
pro Rastung um zwei weiter, weswegen man seine Funktion nicht
Bauteile
Bauteil
PT100
KMZ10B
EVQWTA
MPY 54C569
ULN2803
Bezugsquellen
Beschreibung
Temperaturfühler
Magnetfeldsensor
Drehgeber mit Taster
Fotowiderstand
Transistor Array (NPN)
Quelle
www.emedia.de
www.segor.de
über der Betriebsspannung liegen. Der maximale Kollektorstrom richtet sich nach dem Innenwiderstand der Last.
Um diese Schaltung für mehrere Ausgänge nicht jeweils ein-
Pin entspricht damit einem
geöffneten, eine Null dem geschlossenen Schalter.
#define DREH_A 0x10
#define DREH_B 0x20
#define DREH_TAST 0x40
DDRC &= ~ (DREH_A + DREH_B + —
DREH_TAST);
PORTC |= (DREH_A + DREH_B + —
DREH_TAST);
Zum Abfragen des Drehgebers
muss man der Timer-ISR nur
einen Aufruf der im folgenden
erklärten Funktion dreh_isr() hinzufügen. Der von uns verwendete Drehgeber erzeugt pro ganzer
Drehung 60 Zustandsänderungen (zwei pro Rastung). Für die
Abtastfrequenz von 333 Hz bedeutet dies: Alles unter zweieinhalb Umdrehungen pro Sekunde wird garantiert fehlerfrei abgetastet. Wem das nicht reicht,
der kann den Wert im OCR0-Register herabsetzen. Die Abfrageroutine liest bei jedem Aufruf
den aktuellen Zustand der beiden Geber-Pins ein und speichert sie in derselben Variable
(Bits zwei und drei), in der auch
die des letzten Aufrufes stehen
(Bits null und eins):
void dreh_isr(void){
graycode >= 2;
if( (PINC & DREH_A) == DREH_A )
graycode |= 0x04;
if( (PINC & DREH_B) == DREH_B ) —
graycode |= 0x08;
drehgeber += graytab[graycode];
...
}
Dadurch entsteht ein Code, der
für jede der möglichen Zustandsänderungen einen eigenen Wert enthält. Eine einfache
Tabelle (graytab[]) mit 16 Werten
verbindet jeden Zustand mit
einem Wert für die Positionsänderung (+1 für Rechtsdrehung,
–1 für eine Linksdrehung).
240
Ein Feuchtesensor wandelt
Änderungen der relativen Luftfeuchtigkeit zwischen zehn
und neunzig Prozent in Kapazitätsänderungen von 100 bis
150 pF um.
Einen IR-Sensor schließt man
am besten an einen der Mikrocontroller-Eingänge an, die bei
Pegeländerung einen Interrupt
auslösen können. Die Dekodierung der RC5-Fernbedienungscodes erfolgt dann in Software.
vollständig mit einem DigitalMultimeter nachprüfen kann. Die
oben beschriebene Funktion eignet sich auch, um den Taster des
Gebers mit auszulesen (Soft-Link).
zeln aufbauen zu müssen, gibt
es ICs mit Transistor-Arrays (zum
Beispiel ULN2803, Ausgangsspannung bis 50 V). Sie enthalten sieben oder acht einzelne
Transistoren mit zusammengeschalteten Emittern und integrierten Basiswiderständen. Für
induktive Lasten halten sie noch
eine Freilaufdiode für jeden Ausgang bereit.
An – Aus – An
Der Atmega kann nicht nur Signale aufnehmen, sondern sie
auch mit seinen I/O-Pins erzeugen. Jeder Port-Pin kann bis zu
20 mA in beide Richtungen
(nach High und nach Low) treiben. Allerdings ist der Gesamtstrom pro Port auf rund 100 mA
und für den kompletten Chip auf
200 mA begrenzt. Die 20 mA
eines Pins sind gut geeignet, um
LEDs anzusteuern – für Relais,
Motoren oder Glühbirnen reicht
das aber nicht aus. Zudem sind
die Ausgänge nicht potenzialfrei
und können nur Geräte ansteuern, die mit demselben Massepotenzial arbeiten.
Benötigt man nur mehr Strom
oder Spannung bei gleichem Bezugspotenzial, so reicht ein Transistor am Ausgang. Der Transistor
muss sowohl zum gewünschten
Laststrom als auch zur Betriebsspannung des Verbrauchers (V+)
passen. Die Sperrspannung muss
Vermittler
Potenzialfreie Ausgänge erhält
man zum Beispiel mit einem
kleinen Relais, das ein Transistor
V+
Px
4k7
ATMega
Die Ausgänge des Controllers
liefern bis zu 20 mA Strom.
Reicht dies nicht aus oder ist
eine höhere Schaltspannung
nötig, hilft ein NPN-Transistor
mit Basiswiderstand weiter.
Bauteil
Platinen A- und B-Modul
Bauteilsätze
treibt. Dabei schützt eine Diode
(1N4148) in Gegenrichtung (Kathode an Betriebsspannung)
parallel zur Relaisspule den Transistor vor Spannungsspitzen.
Diese entstehen in der Spule
beim Abschalten der Relaisspannung. Netzspannung sollte man
mit dem Relais aber keinesfalls
schalten, da für das 230-VoltNetz zahlreiche Sicherheitsbestimmungen zu beachten sind.
Deutlich schneller und langlebiger als Relais sind Optokoppler. Sie bestehen aus einer
Leuchtdiode und einem Fototransistor in einem lichtdichten
Gehäuse. Die Leuchtdiode lässt
sich mit einem Vorwiderstand
direkt von einem Port-Pin des
Atmega ansteuern, der Fototransistor arbeitet als normaler
Schalttransistor im Zielsystem.
Ausblick
Um die Messwerte von den einzelnen Sensoren komfortabel
auszuwerten und auch die Stellgrößen für die Ausgänge zu verändern, bietet sich der Webserver des A-Moduls an. Codebeispiele dazu gab es bereits im
zweiten Teil des Projektes [2].
Das B-Modul bietet genug
Raum für eigene Experimente,
auch mit Sensoren, die ihre Kapazität oder Induktivität ändern.
Sie erfordern aber deutlich mehr
Beschaltungsaufwand, da ihre Eigenschaftsänderungen nicht direkt eine Messspannung erzeugen. Für den Austausch von eigenen Ideen steht weiterhin das
Leserforum (Soft-Link) zur Verfügung. Dort gibt es schon rege
Diskussionen zu möglichen Erweiterungen von Hard- und Software. Programme von Lesern
stellen wir auch gerne auf die
Projektseite (Soft-Link).
(bbe)
Literatur
[1]ˇBenjamin Benz, Brücken bauen,
Umsetzer von Ethernet nach RS232 im Eigenbau, c’t 13/04, S. 200
[2]ˇBenjamin Benz, Fernkontrolle, Mikrocontroller zum Messen und
Steuern über das LAN, Teil 2,
c’t 14/04, S. 214
Soft-Link 0422236
c
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