KE6af 03

Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Kurseinheit 6
06.09.2012
0. Vorstellung der Ferienprojekte der Teilnehmer
1. Elektronik
Halbleiterwiderstände
Lichtabhängiger Widerstand
(LDR)
Temperaturabhängiger
Widerstand (NTC)
2. Mikrorechnertechnik
Prinzip eines D/A-Wandlers
Prinzip eines A/D-Wandlers
Der A/D-Wandler des
ATmega328
3. Software
Analog-Library
Programm AnalogLDR1
Programm AnalogLDR2
4. Anhang
Datenblatt Temperatursensor
Datenblatt Lichtsensor
Axel Schultze, DK4AQ, Email: [email protected]
1
Spaß an Technik: Elektronik
Elektronik
Bauteile,Theorie, Formeln...
DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze
2
Spaß an Technik: Elektronik
Halbleiter-Widerstände
Aus Halbleitermaterial lassen sich Widerstände
bauen, die ihren Widerstand abhängig von
physikalischen Größe verändern. Diese
Widerstände eignen sich gut als Sensoren.
Beispiele sind :
Si
Si
Si
+
1.Temperaturabhängige Widerstände (NTC)
2. Lichtempfindliche Widerstände (LDR)
3. Spannungsabhängige Widerstände (VDR)
Widerstände 1. und 2. beruhen auf dem Prinzip,
dass durch äußere Energiezufuhr (Licht, Wärme)
aus einem Halbleitergitter mit schlechter
Leitfähigkeit Elektronen aus ihrem festen Verbund
herausgeschlagen werden und dann als freie
Elektronen die Leitfähigkeit verbessern. Je mehr
Energie zugeführt wird, desto besser leitet der
Halbleiterwiderstand.
Si
Energie
Si
Löcherstrom
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Si
Si
+
Si
Elektronenstrom
3
Spaß an Technik: Elektronik
Bauelement Lichtabhängiger Widerstand LDR
(Light Dependent Resistor)
Bauformen: vergossen und offen
Schaltbild
Iv (Lichtstrom)
1 footcandle (fc) = 10.76391 lux
6k
2fc
Quelle:
Reichelt, www.reichelt.de,
Perkin Elmer, A 906009
Quelle: Wikipedia
VT82N1:
Dunkelwiderstand: > 100kOhm
Widerstand bei 2fc (~20lx): typ. 6KOhm
Widerstand bei 10lx: typ.12kOhm
Kurvenauswahl:
1. Suche 2fc-Wert aus Tabelle
2. Zeichne den Widerstand in die Kurve ein
3. Zeichne Kurve durch den Punkt und
parallel zur Linie mit dem geringsten Abstand
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4
Spaß an Technik: Elektronik
Bauelement Temperaturabhängiger Widerstand NTC
(Temperature Dependent Coefficient))
Schaltbild NTC
- ϑ (Temperatur)
35000
NTC-Widerstände werden auch als
Heissleiter bezeicnet. Der
Kuvenverlauf ist nichtlinear und die
Fertigungstoleranz ist erheblich. Man
kann für Meßzwecke selektierte
Toleranzklassen bekommen.
Widerstand in Ohm
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
-20
-10
Quelle:
www.conrad.de
Quelle Voelkner-Katalog
www.voelkner.com
Epcos Heißleiter K164 4.7 K Ω K164
Ordering Code B57164K472J
0
10
20
30
40
50
60
Temparatur in Grad Celsius
70
80
Kurve erstellt mit Tabellenkalk. aus
http://www.epcos.de/web/generator/
Web/Sections/DesignSupport/Tools/
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Mikrorechnertechnik
Prinzipien,Strukturen, Eigenschaften...
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6
Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Wie funktioniert ein D/A – Wandler ?
Es gibt mehrere Arten von A/D-Wndlern. Ein sehr häufig verwendeter Typ basiert auf
einem D/A-Wandler. Der ist relativ einfach auch in integrierten Schaltungen
realuisierbar.
Über die gestrichelten Leitungen
Quelle: H.Lohninger,
www.vias.org/mikroelektronik/da_converter.html
wird ein Binärzähler angeschlossen, der immer ab Null
höchläuft. Das WiderstandsNetzwerk ist so dimensioniert,
das beim Zuschalten eines
Zweiges sich die Ausgangsspannung um einen der
Wertigkeit des geschalteten
Binärbits entsprechenden erhöht.
Die Summe der Spannungen am
Ausgang entspricht der Addition
der Binär-Wertigkeiten der eingeschalteten Zweige. Mit dieser
Anordnung wird also bei Verwendung eines Zählers treppenförmig die Spannung hochlaufen.
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Wie funktioniert ein A/D-Wandler ?
Quelle: H.Lohninger,
http://www.vias.org/mikroelektronik/adc_succapprox.html
Zur Erlangung eines schnelleren Ergebnisses
kann man anstelle des einfachen Zählers auch
ein etwas komplizierteres Verfahren nutzen.
Man zählt erst die hochwertigen Bits des
Zählers hoch bis der Vergleicher anzeigt: „zu
hoch“. Nun nimmt man 1 Bit zurück und lässt
von dem Stand aus die niederwertigen Bits
weiterzählen bis der Vergleicher sagt „zu hoch“
und so weiter. („Suzessive Approximation“)
Wenn man einen D/A-Wandler zur
Verfügung hat, so lässt sich mit
Hilfe eines analogen Vergleichers
leicht ein A/D-Wandler darstellen.
Es wird lediglich ein analoger
Vergleicher (Comparator) benötigt
und ein Zähler samt Steuerung.
Wenn der Zähler von Null aus
hochzählt, überschreitet die
Ausgangsspannung des D/AWandlers irgendwann die
Eingangsspannung. Dann wird der
Komparator dieses erkennen und
ein digitales Ausgangssignal
erzeugen. Dieses Ausgangssignal
hält den Zähler an. Der Zählerstand
ist dann das Eregbnis der
Wandlung.
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Der A/D-Wandler der Atmega328-Controllers (1)
Gesamtschaltung zur
Übersicht
Quelle: Datenblatt Atmega328
www.atmel.com
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Der A/D-Wandler der Atmega328-Controllers (2)
Ausschnitt
A/D-Wandler
Digitale
AusgangsWerte Zähler
Zähler und
Ablaufsteuerung
ReferenzSpannungen
D/A-Wandler
Analoge
Eingangsspannung
Vergleicher
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Der A/D-Wandler der Atmega328-Controllers (3)
Eingebauter
Sensor auf dem
Chip zur
Temperaturmessung
Digitales Auswahl-Signal
Ausschnitt
Multiplexer
Analoges
Signal zum
A/D-Wandler
8 AnalogEingänge
Dem Eingang des A/D-Wandlers ist ein
analoger Umschalter (Mutiplexer) vorgesetzt. Dadurch lassen sich nacheinander bis zu 8 Analogeingänge an den
Wandler schalten. Die Auswahl ist über
ein Steuerregister im Prozessor möglich
und wird bei Arduino z.B. durch die
Analog-Library gesteuert.
Zusätzlich ist auf dem 9. Eingang ein
interner Temperatursensor vorgesehen.
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Eigenschaften des ATmega328-Wandlers
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Spaß an Technik: Software
Anschluß von Widerstandssensoren an Arduino Nano
Arduino kann die verfügbaren Analog-Eingänge A0 bis A7 einlesen. Die Wandler
erwarten eine Spannung zwischen 0 und 5V. Dieser Wert kann falls gewünscht auf 3,3V
gelegt werden (externe Verbindung der Pins REF und 3,3V).
0...Uref → 0...1023
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Spaß an Technik: Software
Der Spannungsteiler
Wenn man eine Widerstandsänderung mit einem Analog/
Digitalwandler messen will, dann kann
man am besten einen Spannungsteiler verwenden. Einer der
Widerstände ist fest, der andere ist
der veränderliche Widerstand.
U=R*I
Iq = UB / (R1+R2)
UA= U2 = Iq * R1
UB
R1
U1
Iq
UA
R2
U2
UA = UB * R1 / (R1 +R2)
Der Spannungsteiler teilt die Eingangsspannung
Im Verhältnis R2 / (R1 + R2). Wenn R2 sich also
verändert und die Eingangsspannung konstant bleibt, dann ändert sich die
Ausgangsspannung abhängig vom Widerstand R2 nach der beschriebenen Formel.
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Anhang: Beschaltung mit Widerständen
Dimensionierung der Widerstände
Die Analogeingänge des ATmega328 haben folgende Eigenschaften:
Der interne Pull-Up-Widerstand Rp beträgt 20...50 kΩ.
Der interne Pull-Up-Widerstand kann durch Beschreiben des Eingangs
(!) mit LOW abgeschaltet werden !
Der Eingangsstrom ohne Pull-Up beträgt maximal 1 µA.
Für schnelle Wandlungen beträgt Ri dynamisch nur 1 kΩ !
Der interne Pull-Up-Widerstand Ru sollte abgeschaltet sein, da er
tendenziell die Linearität verändert und durch seine hohe Toleranz
einen ungünstigen Einfluss hat. Arduino hält den Widerstand bei ADEingängen abgeschaltet.
Bei langsamen Messungen sollte der Strom durch den
Spannungsteiler ca. 10-100 mal größer sein als der max.
Eingangsstrom (Leckstrom).
Bei schnellen Wandlungen (Auswertung von Signalen mit der
maximalen Wandlungsrate ) sollte der Strom durch den
Spannungsteiler wesentlich größer sein und damit der Gesamtwiderstand des Spannungsteiles wesentlich kleiner. Durch den hohen
Stromfluss besteht die Gefahr der Erwärmung des Sensors . Evtl ist
hier eine aktive Verstärkung notwendig.
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Spaß an Technik: Software
Software
Programmierung, Strukturen, Werkzeuge...
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Programme
AnalogLDR1:
Ein Widerstandssensor in einer Spannungsteilerschaltung soll über den A/D-Wandler
eingelesen werden. Überschreitet die Helligkeit eione bestimmte Schwelle soll eine LED
agesteuert werden. Man beachte die Richtung der Spannungsänderung !
AnalogLDR2:
Bei Erhöhung der Helligkeit soll oberhalb der ersten Schwelle erst eine grüne LED, nach
überschreiten einer zweiten Schwelle zusätzlich eine gelbe LED und bei weiter
zunehmender Helligkeit eine dritte rote LED eingeschaltet werden.
AnalogLDR3:
Bei Erhöhung der Helligkeit soll oberhalb der ersten Schwelle erst eine grüne LED
eingeschaltet werden, nach Überschreiten einer zweiten Schwelle eine gelbe LED
eingeschalter und die grüne LED wieder ausgeschaltet werden. Bei weiter zunehmender
Helligkeit soll eine dritte rote LED eingeschaltet werden und die gelbe LED wieder
ausgeschaltet werden..
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Aufbauvorschlag für AnalogLDR1
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Schaltung für AnalogLDR1
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
AnalogLDR1(1)
Symbolische Konstante für A1 als
Analog-Eingang
Festlegung von A1 als Analog-Eingang
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
AnalogLDR1(1)
Einlesen von AnalogEingang A1
Wenn LDR dunkel, dann
LED AUS (LED lietgt
gegen +5V)
Wenn LDR hell, dann
LED EIN (LED lietgt
gegen +5V)
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Schaltung für AnaloLDR2 und
AnalogLDR3
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
AnalogLDR2(1)
Symbolische Konstanten für LED-Pins
Symbolische Konstanten für
Helligkeitsschwellen
Initialisieren der LED-Ausgänge
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
LDR-Wert einlesen
AnalogLDR2(2)
Rote LED Ein wenn Spannungswert
Kleiner ROTSCHWELLE (sehr hell)
Gelbe LED Ein wenn Spannungswert
Kleiner GELBSCHWELLE (mittelhell)
Rote LED Ein wenn Spannungswert
Kleiner ROTSCHWELLE (dunkel))
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Eigene Aufgabe AnaloLDR3:
Wie muss das Programm AnalogLDR2 geändert werden, wenn jeweils nur ein der
drei LEDs gleichzitig brennen soll ?

Ein
Ersetze den LDR durch einen NTC
und passe durch Beobachtung der
Spannungswerte über den Serial
Monitor die Schwellen so an, dass
der NTC durch Handerwärmung alle
3 Stufen durchläuft.

LED
grün
LED
gelb
LED
rot
ROTSCHWELLE
GELBSCHWELLE
GRUENSCHWELLE
Aus
Helligkeit
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Komplexe Bedingungen
Verzweigungen und Loops werden durch Bedingungen gesteuert.
If ( a == b)....
If (a != b)....
If (a > b)....
If (a < b)....
If (a >= b)....
If (a <= b)....
If (a & b).....
If (a | b)......
Wenn a gleich b ist dann....
Wenn a ungleich b ist dann....
Wenn a größer als b ist.....
Wenn a kleiner als b ist.....
Wenn a größer oder gleich b ist dann....
Wenn a kleiner oder gleich b ist dann.....
Wenn das Bitmuster a verUNDet mit dem Bitmuster b gleich 0 ist dann.....
Wenn das Bitmuster a verODERt mit dem Bitmuster b gleich 0 ist dann.....
Es sind auch Verknüpfungen von Bedingungen möglich:
If ((a >b) && (a <= c))....
If ((a == c) || (d))....
Wenn a größer als b ist UND a kleiner oder gleich c ist dann.....
Wenn a gleich c ist ODER d größer als Null ist....
(z.B. Digitaleingang)...
Ergebnisse von Bedingungen können wahr (1) oder falsch (0) sein. Daher werden
Rechenoperationen für 1-bit-Größen verwendet : UND &&, ODER ||, NICHT !, XOR ^
Achtung! Typische Fehlerquelle, & bedeutet eine bitweise VerUNDung eines Wortes !
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Spaß an Technik: Elektronik
Anhang
Datenblätter
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Spaß an Technik: Elektronik
T[°C
]
R nom
[Ohm]
R min
[Ohm]
R max
[Ohm]
T[°C
]
R nom
[Ohm]
R min
[Ohm]
R max
[Ohm]
-25
58126
50535
65716
50
1708,8
1570
1847,6
-20
43406
38147
48665
55
1418,6
1295,4
1541,8
-15
32937
29245
36629
60
1183,9
1074,7
1293,1
-10
25217
22611
27824
65
993,4
896,53
1090,3
-5
19392
17551
21234
70
837,47
751,53
923,42
0
15040
13733
16347
75
709,2
632,91
785,5
5
11743
10815
12672
80
603,16
535,36
670,95
10
9241,1
8579,9
9902,4
85
514,54
454,3
574,79
15
7330,3
6859
7801,6
90
440,61
387,02
494,21
20
5855
5519,7
6190,4
95
379,59
331,74
427,45
25
4700
4465
4935
100
328,26
285,46
371,06
30
3776,7
3561,2
3992,2
105
284,14
245,9
322,38
35
3071,3
2876,6
3266
110
246,74
212,52
280,96
40
2512,4
2337,7
2687,2
115
214,98
184,31
245,65
45
2066,4
1910,4
2222,4
120
187,87
160,34
215,4
125
164,42
139,71
189,14
DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze
EPCOS NTC
4k7 K164
Widerstand
abhängig
von
Temperatur
Quelle:
http://www.ep
cos.com/desi
gntools/ntc/
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Spaß an Technik: Elektronik
Epcos Heißleiter K164 4.7 K Ω K164
Ordering Code B57164K472J
35000
30000
Widerstand in Ohm
25000
20000
15000
10000
5000
0
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
Temparatur in Grad Celsius
DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze
29
80
Spaß an Technik: Elektronik
VT82N1:
1 footcandle (fc) = 10.76391 lux
6k
2fc
DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze
30
Anhang: Beschaltung mit Widerständen
Dimensionierung Widerstände
Die Analogeingänge des ATmega328 haben folgende Eigenschaften:
Der interne Pull-Up-Widerstand Rp beträgt 20...50kΩ.
Der interne Pull-Up-Widerstand kann durch Beschreiben des Eingangs
(!) mit LOW abgeschaltet werden !
Der Eingangsstrom ohne Pull-Up beträgt maximal 1µA.
Für schnelle Wandlungen beträgt Ri dynamisch nur 1kΩ !
Der interne Pull-Up-Widerstand Ru sollte abgeschaltet werden, da er
tendenziell die Linearität verändert und durch seine hohe Toleranz
einen ungünstigen Einfluß hat.
Bei langsamen Messungen sollte der Strom durch den
Spannungsteilern ca. 10-100mal größer sein als der max.
Eingngsstrom (Leckstrom).
Bei schnellen Wandlungen (Auswertung von Signalen mit der
maximalen Wandlungsrate ) sollte der Strom durch den
Spannungsteile wesentlich größer sein und damit der Gesamtwiderstand des Spannungsteiles wesentlich kleiner. Durch den hohen
Stromfluss besteht die Gefahr der Erwärmung des Sensors . Evtl ist
hier eine aktive Verstärkung notwendig.
Langsame Signalauswertung:
Bei einer Spannung von UB = 5V und einem max. Eingangsstrom von
5V sollte in die Summe Ru und Rv nicht größer als ca. 50...500k sein.
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Spaß an Technik: Ferienaufgaben
Empfehlenswerte Quellen zum Nachlesen
Angewandte Mikroelektronik,
Das vorliegende elektronische Buch "Mikroelektronik" wurde von H. Lohninger als
„Unterrichtsmaterial für diverse Lehrveranstaltungen an Universitäten und Fachhochschulen entwickelt und geschrieben. Die nun der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellte
online-Version ist naturgemäß gegenüber dem eigentlichen eBook deutlich eingeschränkt, sollte aber dennoch genügend Material bieten, um den Studierenden wie
auch den Lehrenden einen ausreichenden Grundstock an Lehr- und Lernunterlagen
zur Verfügung zu stellen. „
Eine sehr klare gut lesbare Darstellung von Verfahren und Funktionsgruppen. Auch als
eBook. Zu empfehlen !
http://www.vias.org/mikroelektronik/index.html
DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze
32
Ende
DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze
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