Zaloguj się
Wszystkie
4 października 2024
128
Jak być może jeszcze pamiętasz, w lipcu poskładaliśmy zmierzchową lampkę LED. Nie zawierała ona ani jednego układu scalonego, a co najwyżej dwa tranzystory okraszone kilkorgiem elementów dyskretnych. Układ był bardzo prosty, a mimo to, poznanie zasady jego działania wymagało lekkiej gimnastyki umysłu. Wszak „zatkanie tranzystora innym tranzystorem”, które jest w zasadzie „załączeniem wyłączenia” może w pierwszej chwili wydawać się nieco dziwne. Miesiąc później, budując konsolę audiochaos poznałeś twór zwany układem scalonym, który zawierał w swojej strukturze bramki logiczne.
Budowana zabawka zawierała aż dwa takie układy. „Nowość” jednak nie zbiła Cię z tropu i zakładam, że całkiem nieźle poradziłeś sobie, zarówno ze zrozumieniem z grubsza zasady działania budowanego urządzenia, jak i z poprawnym jego zmontowaniem. A wiesz co stanie się dzisiaj? Dzisiaj dla odmiany użyjesz mikrokontroler, czyli mikroprocesor z zaimplementowanymi w jednej obudowie peryferiami, takimi jak pamięć czy układy wejścia/wyjścia. Można by rzec, że zbudujesz dzisiaj mały komputer. I wiesz co? Będzie to w zasadzie najprostszy układ, spośród tych, które dotychczas zbudowałeś podczas wcześniejszych spotkań w ramach cyklu EdW Junior!
Zerknij na rysunek 1, na którym przedstawiony został schemat budowanego statku kosmicznego.
Z powyższego schematu aż „bije” prostota. Spoglądając na schemat nie trudno dostrzec aż dwunastu znajdujących się tam diod LED (Light Emitting Diode) czyli diod emitujących światło, a krócej, po prostu diod świecących. Szybki rzut okiem na listę elementów widoczną w instrukcji dołączonej do zestawu AVTEDU632, czyli tzw. BOM (Bill Of Materials) pozwoli zorientować się, że elementy o desygnatorach LED1…LED12 to diody LED o średnicy 3 mm w kolorze czerwonym. Widzimy również, że wszystkie te diody LED swoimi katodami (wyprowadzeniami do których podłącza się ujemny biegun zasilania) podłączone zostały do „skrzynki” podpisanej desygnatorem IC1 oraz opatrzonej opisem ATtiny2313. Cóż to za magiczne pudełko? Jeśli widząc ów żółty prostokąt wyciągasz dłoń, rwąc się czym prędzej do odpowiedzi, że jest to układ scalony, odpowiem: bingo! Masz rację. To układ scalony. Ale nie byle jaki! To mikrokontroler! Drobiazg, który czyni budowaną zabawkę układem mikroprocesorowym. W zasadzie czyni z niej mikrokomputer.
Oprócz diod LED (LED1…LED12) i mikrokontrolera (IC1) na schemacie znajdują się trzy przyciski (S1…S3) za pomocą których będziesz mógł dostrajać generowany przez mikrokontroler i pokazywany na diodach LED efekt świetlny, cztery rezystory (R1, R2, R3 i R4), z których tylko dwa wprowadzają do obwodu jakąś rezystancję stawiając opór przepływającemu przezeń prądowi. Jeden z tych dwóch, które „coś robią” to R1, który odpowiedzialny jest za poprawny start programu zaszytego w pamięci mikrokontrolera, a drugi to R2, który ogranicza sumaryczny prąd płynący przez wszystkie diody LED, z jednej strony zapobiegając przed uszkodzeniem diod LED na skutek przepływającego przez nie zbyt dużego prądu, z drugiej strony, zabezpieczając sam mikrokontroler przed ewentualnym uszkodzeniem na skutek obciążenia zbyt dużym prądem jego wyjść. Na schemacie znajdziemy dodatkowo cztery kondensatory (C1…C3 oraz C4), wszystkie filtrują napięcie wejściowe. Te elektrolityczne (C1…C3) o pojemności 100 µF (sto mikrofaradów) każdy odfiltrowują ewentualne tętnienia o małych częstotliwościach lub pojedyncze większe skoki napięć, które mogłyby się ewentualnie pojawić w chwilach zmniejszającego się i zwiększającego poboru prądu przez układ, na przykład na skutek pracy mikrokontrolera, załączającego mniejszą bądź większą liczbę diod LED. Kondensator elektrolityczny działa jak magazyn energii, z którego układ może czerpać prąd w momencie, gdy zapotrzebowanie na energię nagle wzrośnie. Bateria, w przeciwieństwie do alternatywnych źródeł zasilania, takich jak zasilacz sieciowy, nie wprowadzi do układu żadnych dodatkowych zakłóceń. Kondensator ceramiczny C4 o pojemności 100 nF (sto nanofaradów) to standardowy filtr przeciwzakłóceniowy. Niweluje on wysokoczęstotliwościowe szumy i zakłócenia, które mogą powstawać na skutek pracy samego mikrokontrolera (przełączanie wewnętrznych tranzystorów, szumy cyfrowe) lub które mogą trafić do układu z zewnątrz, na przykład na skutek pracujących w pobliżu innych urządzeń generujących zakłócenia elektromagnetyczne (takich jak silniki, przekaźniki, elektromagnesy).
Jak wspomniałem w poprzednim odcinku kondensator ten powinien zostać dołączony możliwie najbliżej nóżek zasilających układu scalonego (w naszym przypadku – mikrokontrolera). Kolejnym elementem na schemacie jest dioda D1, która, jak każda dioda, przewodzi prąd elektryczny w jednym kierunku, od anody w stronę katody. Dołożenie jej w szereg z zasilaniem (patrz D1 na schemacie) sprawi, że gdy pomylimy się i podłączymy baterię na odwrót (plusem baterii do minusa układu i minusem baterii do plusa układu) prąd elektryczny nie popłynie i mikrokontroler (najdroższy element w zestawie) nie ulegnie zniszczeniu. Przełącznik SW1 oczywiście zamyka lub przerywa obwód zasilania, podłączając (lub odłączając) tym samym baterię do (lub od) elektroniki znajdującej się na płytce drukowanej.
To w zasadzie byłoby na tyle w temacie opisu działania układu elektronicznego. Biorąc pod uwagę Twoje doświadczenia z montażem elektroniki podczas budowania układów w poprzednich miesiącach, montaż tej płytki będzie wręcz banalny. Zbierzmy zatem wnioski i podsumujmy temat.
Wyrobiliśmy się w niecałych dwóch stronach naszego czasopisma. Kiedy patrzymy na schemat, ten wydaje się fenomenalnie prosty. Zasilanie, przyciski, mikrokontroler i diody. Sam montaż jawi się niczym drobnostka.
Wiesz do czego zmierzam? Jeśli nie, zerknij na ostatnie zdanie wstępu do dzisiejszego spotkania. Przekonałem?
Zastosowanie w układzie elektronicznym mikrokontrolera zawsze minimalizuje komplikację schematu do niezbędnego minimum. Nie trzeba wówczas implementować wielu tranzystorów i układów scalonych i okraszać ich dziesiątkami a czasem setkami elementów dyskretnych, ponieważ większość zadań (pomiarów, porównań, obliczeń, konwersji) zadzieje się wewnątrz samego mikrokontrolera zgodnie z wcześniej napisanym przez programistę i wgranym do nieulotnej pamięci mikrokontrolera programem, czyli przepisem na rozwiązanie jakiegoś zadania (na przykład cyklicznego załączania i wyłączania diod LED wedle jakiegoś pomysłu). W świecie mikrokontrolerów ten program nazywa się oprogramowaniem układowym. Często spotkasz się również z nazwami firmware lub wsad. Dla ścisłości należałoby dodać, że dwie ostatnie nazwy dotyczą programu w postaci wynikowej, a więc już skompilowanego, czyli przełożonego z kodu w miarę czytelnego dla człowieka (pisanego zazwyczaj w języku wysokiego poziomu, na przykład w języku C) na kod wynikowy (w zasadzie ciąg zer i jedynek), który można zapisać wprost do pamięci mikrokontrolera. Niemniej wszystkie te nazwy (program, oprogramowanie układowe, firmware, wsad) powinny Ci się kojarzyć z przepisem na wykonanie jakiegoś zadania przez mikrokontroler, który można trwale „wgrać” do mikrokontrolera. I na razie zapamiętaj tylko tyle. Zapamiętaj też (bo to ważne), że przed wgraniem programu do mikrokontrolera, nowy mikrokontroler, taki prosto ze sklepu, sam z siebie nie robi nic i nic nie potrafi. Włożenie do zbudowanego urządzenia nowo zakupionego mikrokontrolera i podłączenie takiego urządzenia do zasilania może rozczarować, gdy nie masz tej wiedzy. Urządzenie po prostu nie zadziała. Program trzeba albo samodzielnie napisać i skompilować, albo użyć gotowego wsadu (pobrać z Internetu, na przykład ze strony projektu, jeśli autor taki wsad udostępnia i z użyciem odpowiedniego programatora, zaprogramować tym wsadem mikrokontroler). Na szczęście Ty nie musisz zaprzątać sobie w tej chwili tym głowy, ponieważ dołączony do UFOledka mikrokontroler został wcześniej zaprogramowany przez producenta zestawu. Wystarczy, że zamontujesz go w swoim urządzeniu.
Zanim przystąpisz do budowania układu mam dla Ciebie jeszcze kilka zagadek i niespodzianek.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
