Υλοποίηση συσκευής ανάγνωσης παλμογράφου για άτομα με αναπηρία όρασης με μικροελεγκτή AVR

Transcript

1 Υλοποίηση συσκευής ανάγνωσης παλμογράφου για άτομα με αναπηρία όρασης με μικροελεγκτή AVR ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΚΑΜΠΕΛΟΠΟΥΛΟΣ Επιβλέπων καθηγητής: ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΣΠΥΡΙΔΩΝ Τμήμα Φυσικής Σχολή Θετικών Επιστημών Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

2 Πίνακας Περιεχομένων Περίληψη ABSTRACT Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Εισαγωγή και Κίνητρα 1.2 Σύνοψη λειτουργίας Κεφάλαιο 2 Μικροελεγκτής AVR Atmega328p 2.1 Γενικά Χαρακτηριστικά 2.2 Προγραμματισμός/Επικοινωνία με το μικροελεγκτή 2.3 Ψηφιακή είσοδος και έξοδος Εισαγωγή Καταχωρητές Εισόδου/Εξόδου 2.4 Timers και Διαμόρφωση εύρους παλμού (Pulse Width Modulation) Βασικά μέρη του Timer Διαμόρφωση εύρους παλμού Τρόποι λειτουργίας Καταχωρητές ελέγχου 2.5 Μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Ο μετατροπέας (ADC) του atmega328p Prescaling και διάρκεια μετατροπής 1

3 2.5.3 Αποτέλεσμα μετατροπής Καταχωρητής ADMUX (ADC Multiplexer) Κεφάλαιο 3 Υλοποίηση 3.1 Κύκλωμα προγραμματισμού του μικροελεγκτή 3.2 Κύκλωμα Τροφοδοσίας 3.3 Κύκλωμα φωτοκύτταρου 3.4 Κύκλωμα υπέρυθρου αισθητήρα 3.5 Κυκλώματα εξόδου Κύκλωμα Active Buzzer Κύκλωμα Vibration Motor 3.6 Κύκλωμα Push Button 3.7 Τελική διάταξη - Κατασκευή Κεφάλαιο 4 Προγραμματισμός 4.1 Εισαγωγή 4.2 Βιβλιοθήκες (Libraries) 4.3 Δήλωση μεταβλητών (Variable declaration) 4.4 Συνάρτηση main Διαμόρφωση ακροδεκτών/συστημάτων 4.5 Αρχικοποίηση συστήματος του ADC 4.6 Αρχικοποίηση συστήματος του timer Διαμόρφωση εξόδου PWM 4.7 Button debouncing 4.8 Λειτουργία σάρωσης κυματομορφής (Φωτοκύτταρο Buzzer) 2

4 4.8.1 Εκκίνηση μετατροπής Ρουτίνα ADC Συνθήκη ενεργοποίησης Buzzer 4.9 Λειτουργία κύλισης τροχού (Infrared sensor Vibrator) Κεφάλαιο 5 Συμπεράσματα 3

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η συγκεκριμένη πτυχιακή περιλαμβάνει τη διαδικασία υλοποίησης μιας συσκευής η οποία επιτρέπει σε ένα άτομο με αναπηρία όρασης να χρησιμοποιήσει αποτελεσματικά τον παλμογράφο. Στην εργασία αναλύονται αρχικά τα βασικά συστήματα και οι δυνατότητες του μικροελεγκτή AVR atmega328p της Atmel. Στη συνέχεια, αναφέρονται οι επί μέρους συνδεσμολογίες των κυκλωμάτων εισόδου, εξόδου και τροφοδοσίας και αναλύονται τα σήματα που παράγονται σε κάθε περίπτωση. Μετά την ανάλυση αυτή, στο κομμάτι του προγραμματισμού εξηγείται ακριβώς ο κώδικας που γράφτηκε για την υλοποίηση της υπό μελέτης εφαρμογής. Τέλος, αναφέρονται οι βασικές δυνατότητες αλλά και περιορισμοί της συσκευής καθώς και οι δυνατότητες περαιτέρω ανάπτυξης της διάταξης. 4

6 ABSTRACT The present essay includes the implementation of a device that will allow a person who is visually impaired to use effectively an oscilloscope. First of all, the basic systems and features of the microcontroller AVR Atmega328p by Atmel will be discussed. After that, the connections between the input, output and powering circuits will be analyzed as well as the signals that are generated in each case. Furthermore, the lines of code necessary for the correct execution of the application will be discussed in the programming part. In the end, the basic features and limitations of the device are explained as well as the potential for further development of the apparatus. 5

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Εισαγωγικά σχόλια και κίνητρα Το πρόβλημα που καλούμαστε να αντιμετωπίσουμε είναι η εύρεση ενός τρόπου για ένα άτομο με αναπηρία όρασης να οπτικοποιήσει το σχήμα της κυματομορφής που απεικονίζεται στον παλμογράφο. Η γενική ιδέα είναι η κατασκευή ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος το οποίο χρησιμοποιώντας ακουστικό τόνο και μικροδονήσεις να δώσει ικανοποιητική εικόνα για το σχήμα της κυματομορφής καθώς και προσεγγιστικές ποσοτικές μετρήσεις για το πλάτος και την περίοδό της. Επιπλέον, οι διαστάσεις του κυκλώματος θα πρέπει να είναι κατάλληλα μικρές ώστε να μπορέσει να τοποθετηθεί σε συσκευασία που να μοιάζει με στυλό. Η πτυχιακή αυτή πέρα από τη σχεδίαση και την υλοποίηση της παραπάνω εφαρμογής, αποτελεί και μια εισαγωγική μελέτη των βασικών λειτουργιών και χαρακτηριστικών του μικροελεγκτή Atmega328p. Πιο συγκεκριμένα, θα γίνει αναφορά στη διαδικασία προγραμματισμού του, θα αναλυθούν οι καταχωρητές που χρησιμοποιήθηκαν και οι διάφορες λειτουργίες του (Μετατροπή Αναλογικού σε Ψηφιακό, Timers, Interrupts, Pulse-Width-Modulation). 1.2 Σύνοψη Λειτουργίας Η συσκευή όπως προαναφέρθηκε πρέπει να καλύπτει τις ανάγκες ενός τυφλού ατόμου και να δώσει τη δυνατότητα οπτικοποίησης αλλά και μέτρησης της κυματομορφής του παλμογράφου. Οι έξοδοι, επομένως, περιλαμβάνουν ένα ακουστικό σήμα και μια δόνηση αισθητή με την αφή. 6

8 Μια κατάλληλη συσκευή με αυτές τις προϋποθέσεις είναι ένα στυλό με το οποίο, σε πρώτη φάση, ο χρήστης σαρώνει την επιφάνεια του παλμογράφου. Όταν το στυλό βρίσκεται σε κάποιο σημείο πάνω στην κυματομορφή τότε παράγεται ένας συγκεκριμένος τόνος που καθοδηγεί το χρήστη για το σχήμα της. Για τη διαδικασία μέτρησης ο χρήστης ολισθαίνει κάθετα ή οριζόντια τον ενσωματωμένο τροχό του στυλό στην οθόνη, και για κάθε DIV που σαρώθηκε προκαλείται αισθητή δόνηση. Έτσι, ο χρήστης μπορεί να καταλάβει πόσο απέχουν τα σημεία που τον ενδιαφέρουν σε μονάδες DIV. Στη συνέχεια, κάνοντας την κατάλληλη μετατροπή ανάλογα με την κλίμακα (Volts / DIV) ή (Time / DIV) πληροφορείται για την πραγματική τάση ή περίοδο της κυματομορφής. Το κύκλωμα περιλαμβάνει ένα φωτοκύτταρο (photoresistor) και έναν αισθητήρα υπέρυθρου (Infrared sensor). Το φωτοκύτταρο μεταβάλλει την τάση στα άκρα του όταν δέχεται την ακτινοβολία της δέσμης του παλμογράφου και ο μικροελεγκτής διαβάζοντας αυτή την τάση ενεργοποιεί ένα Buzzer τις κατάλληλες στιγμές. Ο υπέρυθρος αισθητήρας βρίσκεται ακριβώς πίσω από ένα μαύρο τροχό με δύο άσπρες γραμμές τοποθετημένες αντιδιαμετρικά. Η τάση του μεταβάλλεται από την εναλλαγή άσπρου μαύρου και ο μικροελεγκτής ενεργοποιεί ένα Vibration motor σε κάθε άσπρη γραμμή. Ο τροχός έχει τέτοιες διαστάσεις ώστε η μισή του περίμετρος να είναι περίπου 1 cm και τελικά ενεργοποιείται η δόνηση κάθε φορά που ο τροχός διανύει απόσταση 1 cm (ή 1 DIV). 7

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Μικροελεγκτής AVR Atmega328p 2.1 Γενικά Χαρακτηριστικά Ο μικροελεγκτής (microcontroller) είναι ένας τύπος επεξεργαστή, ουσιαστικά μια παραλλαγή μικροεπεξεργαστή, ο οποίος μπορεί να λειτουργήσει με ελάχιστα εξωτερικά εξαρτήματα, λόγω των πολλών ενσωματωμένων υποσυστημάτων που διαθέτει. Χρησιμοποιείται ευρύτατα σε όλα τα ενσωματωμένα συστήματα (embedded systems) ελέγχου χαμηλού και μεσαίου κόστους, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται σε αυτοματισμούς, ηλεκτρονικά καταναλωτικά προϊόντα (από ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές έως παιχνίδια), ηλεκτρικές συσκευές και κάθε είδους αυτοκινούμενα τροχοφόρα οχήματα. Στους σύγχρονους μικροεπεξεργαστές για μη ενσωματωμένα συστήματα (πχ τους μικροεπεξεργαστές των προσωπικών υπολογιστών), δίνεται έμφαση στην υπολογιστική ισχύ. Η ευελιξία ανάπτυξης διαφορετικών εφαρμογών είναι μεγάλη, καθώς η λειτουργικότητα του τελικού συστήματος καθορίζεται από τα εξωτερικά περιφερειακά τα οποία διασυνδέονται με την κεντρική μονάδα (μικροεπεξεργαστή), η οποία δεν είναι εξειδικευμένη. Αντίθετα, στους μικροεπεξεργαστές για ενσωματωμένα συστήματα (μικροελεγκτές), οι οποίοι έχουν μικρότερες ή και μηδαμινές δυνατότητες συνεργασίας με εξωτερικά περιφερειακά, αυτού του είδους, η ευελιξία είναι περιορισμένη, όπως και η υπολογιστική ισχύς. Οι μικροελεγκτές δίνουν έμφαση στο μικρό αριθμό ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που απαιτείται για τη λειτουργία μιας συσκευής, το χαμηλό κόστος και την εξειδίκευση. Μερικά από τα κύριο πλεονεκτήματά τους είναι: 8

10 Αυτονομία, μέσω της ενσωμάτωσης σύνθετων περιφερειακών υποσυστημάτων όπως μνήμες και θύρες επικοινωνίας. Έτσι, πολλοί μικροελεγκτές δεν χρειάζονται κανένα άλλο ολοκληρωμένο κύκλωμα για να λειτουργήσουν. Η ενσωμάτωση περιφερειακών σημαίνει ευκολότερη υλοποίηση εφαρμογών λόγω των απλούστερων διασυνδέσεων. Επίσης, οδηγεί σε χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος, μεγιστοποιώντας τη φορητότητα και ελαχιστοποιεί το κόστος της συσκευής στην οποία ενσωματώνεται ο μικροελεγκτής. Χαμηλό κόστος και μικρό μέγεθος του συνολικού υπολογιστικού συστήματος Μειωμένες εκπομπές ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών και μειωμένη ευαισθησία σε αντίστοιχες παρεμβολές από άλλες ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές. Το πλεονέκτημα αυτό προκύπτει από το μικρότερο αριθμό και μήκος εξωτερικών διασυνδέσεων καθώς και τις χαμηλότερες ταχύτητες λειτουργίας. Περισσότεροι διαθέσιμοι ακροδέκτες για ψηφιακές εισόδους-εξόδους (για δεδομένο μέγεθος ολοκληρωμένου κυκλώματος), λόγω της μη δέσμευσής τους για τη σύνδεση εξωτερικών περιφερειακών. Η βασική αρχιτεκτονική των μικροελεγκτών δε διαφέρει από αυτή των κοινών μικροεπεξεργαστών, αν και στους πρώτους συνηθίζεται η αρχιτεκτονική μνήμης τύπου Harvard, η οποία χρησιμοποιεί διαφορετικές αρτηρίες σύνδεσης της μνήμης προγράμματος και της μνήμης δεδομένων (πχ οι σειρές AVR από την Atmel και PIC από την Microchip). Στους κοινούς μικροεπεξεργαστές συνηθίζεται η ενιαία διάταξη μνήμης τύπου von Neumann. AVR ATmega328/P Ο πυρήνας του AVR περιλαμβάνει πλούσιο σύνολο εντολών με 32 καταχωρητές γενικού σκοπού. Όλοι οι καταχωρητές είναι άμεσα συνδεδεμένη στην Αριθμητική λογική μονάδα (Arithmetic Logic Unit ALU), επιτρέποντας την πρόσβαση σε δύο ανεξάρτητους καταχωρητές σε μία εντολή που εκτελείται σε έναν κύκλο ρολογιού. Η αρχιτεκτονική που προκύπτει είναι πιο αποδοτική προγραμματιστικά ενώ πετυχαίνει διαδρομές ως και δέκα φορές γρηγορότερα από συμβατικούς μικροελεγκτές αρχιτεκτονικής CISC. 9

11 Μερικά από τα κύρια χαρακτηριστικά του μικροελεγκτή ATmega328/P είναι τα παρακάτω: 32Κbyte προγραμματιζόμενης εντός συστήματος μνήμη flash (In-System Programmable Flash) με ικανότητες για Read-While-Write, 1Kbyte EEPROM, 2Kbyte SRAM, 23 γενικού σκοπού γραμμές εισόδου και εξόδου, 32 καταχωρητές γενικού σκοπού, Μετρητή πραγματικού χρόνου (Real Time Counter RTC), τρεις ευέλικτους μετρητές (Timers/Counters) με λειτουργίες σύγκρισης και PWM, ένα σειριακά προγραμματιζόμενο USART, Σειριακή Διασύνδεση (Serial Interface) δύο καλωδίων του ενός byte, 6 ADC κανάλια των 10 bit. To διάγραμμα των ακροδεκτών του μικροελεγκτή φαίνεται παρακάτω. Παρατηρούμε ότι απαρτίζεται από 28 ακροδέκτες που περιλαμβάνουν τρία PORT (PORTB, PORTC, PORTD) των 8 ακροδεκτών καθώς και τους ακροδέκτες τροφοδοσίας (VCC, GND, AREF, AVCC). Η λειτουργία κάθε ακροδέκτη προσδιορίζεται από τις τιμές που έχουν δωθεί στους καταχωρητές κατά τη διαδικασία του προγραμματισμού. Σχήμα 2.1.1: Διάγραμμα ακροδεκτών του μικροελεγκτή atmega328p [Atmel] 10

12 2.2 Προγραμματισμός/Επικοινωνία με το μικροελεγκτή Ο μικροελεγκτής διαθέτει την προγραμματιζόμενη μνήμη όπου αποθηκεύεται το πρόγραμμα της λειτουργίας που επιθυμούμε να εκτελεί. Το πρόγραμμα αυτό είναι σε γλώσσα C και θα αναπτυχθεί σε υπολογιστή. Για την κατάλληλη μετατροπή του προγράμματος σε μορφή αναγνωρίσιμη από το μικροελεγκτή αλλά και για τη μεταφορά του στη μνήμη του, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό AVRdude. Το περιβάλλον του περιλαμβάνει έναν editor εξοπλισμένο με τις βιβλιοθήκες της AVR και την εφαρμογή Mfile που μετατρέπει το πρόγραμμα σε μορφή.hex και διαχειρίζεται τις απαραίτητες ασφάλειες (fuses). Αφού το πρόγραμμα μετατραπεί στην κατάλληλη μορφή το λογισμικό αυτό επικοινωνεί με τον μικροελεγκτή μέσω ενός USB programmer, στην περίπτωσή μας τον Pocket AVR Programmer της sparkfun που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Αξίζει να σημειωθεί ότι για την αναγνώριση του προγραμματιστή από τον υπολογιστή απαιτείται η εγκατάσταση του driver libusb-win32. Σχήμα 2.1.2: Ο προγραμματιστής AVR Pocket Programmer [Sparkfun] 11

13 Όπως φαίνεται και στο σχήμα η έξοδος του προγραμματιστή είναι μια 10-pin ISP (in-system Programming) σύνδεση. Με τη χρήση καλωδίου σύνδεσης 10-pin ISP σε 6-pin ISP, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, μπορούμε να συνδέσουμε τον προγραμματιστή με το μικροελεγκτή. Αρκεί να συνδεθούν, λοιπόν, τα 6 output ISP pins στους αντίστοιχους ακροδέκτες του μικροελεγκτή. Σχήμα 2.1.3: Επεξήγηση ακροδεκτών της 10 pin και 6 pin ISP σύνδεσης Οι ακροδέκτες αυτοί όπως φαίνεται και από το διάγραμμα των pins του atmega328p είναι οι: PB5 (SCK), PB4 (MISO), PB3 (MOSI), PC6 (RESET RST), VCC και GND. Όταν η σωστή σύνδεση έχει επιτευχθεί ο προγραμματιστής μπορεί να επικοινωνήσει με τον μικροελεγκτή και να πραγματοποιήσει τη μεταφορά του προγράμματος. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο προγραμματιστής έχει τη δυνατότητα να τροφοδοτήσει από μόνος του τον AVR, αν ενεργοποιηθεί ο ενσωματωμένος διακόπτης του. Η δυνατότητα αυτή μας επιτρέπει να τροφοδοτούμε και τον προγραμματιστή και τον μικροελεγκτή από τη θύρα USB του υπολογιστή κατά τη διαδικασία προγραμματισμού του. 12

14 2.3 Ψηφιακή Είσοδος και Έξοδος Εισαγωγή H χρήση του μικροελεγκτή θα ήταν ανούσια χωρίς τις εισόδους και τις εξόδους του. Οποιαδήποτε εφαρμογή έχει ως σκοπό τη συλλογή δεδομένων από την είσοδο, την επεξεργασία τους και την έξοδο του αποτελέσματος της επεξεργασίας. Έτσι και ο μικροελεγκτής έχει τέσσερα PORT το καθένα με 8 προγραμματιζόμενα Input ή Output pins. Οι είσοδοι και οι έξοδοι που διαμορφώνονται με αυτόν τον τρόπο είναι ψηφιακές. Επομένως για την έξοδο ο μικροελεγκτής παράγει μια τάση 5 Volt (η τάση τροφοδοσίας) για το 1 ή 0 volt (η γείωση) για το 0. Για την είσοδο, αν το σήμα είναι άνω των Volt τότε έχουμε 1 ενώ αν είναι μικρότερη έχουμε 0. Αξίζει να σημειωθεί ότι για τάσεις κοντά στα 2.5 Volt (το μισό της τάσης τροφοδοσίας) η είσοδος δεν μπορεί να εκτιμηθεί με βεβαιότητα αν βρίσκεται σε κατάσταση 1 ή 0. Αυτό σημαίνει ότι αν πχ η είσοδος είναι 0 και ένα σήμα λίγο μεγαλύτερο των 2.5 Volt εφαρμοστεί στον ακροδέκτη, τότε ο μικροελεγκτής πιθανότατα να μην καταλάβει την αλλαγή και να παραμείνει στο Καταχωρητές Εισόδου/Εξόδου Για τον προσδιορισμό των ακροδεκτών που θα λειτουργήσουν ως Input ή Output τρεις καταχωρητές είναι υπεύθυνοι. Αυτοί είναι: o PORTx (Data Register), o DDRx (Data Direction Register) και ο PINx (Input Pins Address). Κάθε PORT περιλαμβάνει 8 pins, όσα και τα bit των καταχωρητών αυτών. Επομένως κάθε bit αντιστοιχεί σε ένα pin και το κάθε pin απαιτεί τρεις καταχωρητές για τη ρύθμισή του. 13

15 Καταχωρητής DDRx (Data Direction Register) O καταχωρητής DDRx καθορίζει την κατεύθυνση των pins του αντίστοιχου PORT, δηλαδή αν το pin θα χρησιμοποιηθεί ως input ή ως output. Γράφοντας 0 σε κάποιο bit του καταχωρητή ορίζει το αντίστοιχο bit ως input ενώ το 1 ως output. Καταχωρητής PINx (Input Pins Address) O PINx χρησιμοποιείται για την ανάγνωση δεδομένων από τα pins του PORT. Κάθε στιγμή περιλαμβάνει την τιμή 1 ή 0 ανάλογα με την τιμή της τάσης που εφαρμόζεται. Για να λειτουργήσει ως input πρέπει φυσικά τα αντίστοιχα bit του DDRx να έχουν οριστεί στο 0. Σε αντίθετη περίπτωση ο καταχωρητής αυτός περιλαμβάνει την τιμή που στέλνεται ως έξοδος στο pin αυτό. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο μικροελεγκτής περιλαμβάνει στο ενσωματωμένο κύκλωμά του και εσωτερικά Pull-up resistors. Το pull-up resistor όταν ενεργοποιείται συνδέει μέσω μιας αντίστασης το συγκεκριμένο pin στην τάση τροφοδοσίας έτσι ώστε να έχει ένα σταθερό σημείο αναφοράς. Σε αντίθετη περίπτωση ο ακροδέκτης θεωρείται αιωρούμενος γεγονός που μπορεί να προκαλέσει δυσλειτουργίες στο κύκλωμα. Η ενεργοποίηση του pull-up resistor κάθε ακροδέκτη γίνεται από τον καταχωρητή PORTx. Καταχωρητής PORTx (Data register) Ο καταχωρητής PORTx είναι υπεύθυνος για δύο λειτουργίες ανάλογα με το πως είναι διαμορφωμένος ο DDRx. Όταν τα bit του DDRx είναι 1 τότε τα αντίστοιχα pins αποτελούν output και οτιδήποτε γραφεί στο bit του καταχωρητή PORTx θα σταλεί ως έξοδος. Με άλλα λόγια, οτιδήποτε επιθυμούμε να δώσουμε ως έξοδο στο PORT της επιλογής μας πρέπει να το γράψουμε στον καταχωρητή αυτό αρκεί το DDRx να είναι στο 1. Στην περίπτωση που το bit του DDRx είναι 0, δηλαδή input, τότε το αντίστοιχο bit του PORTx είναι υπεύθυνο για την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση του pull-up resistor του συγκεκριμένου pin. Η τιμή 1 τον ενεργοποιεί ενώ το 0 τον απενεργοποιεί. 14

16 Όταν έχουμε input (DDRxn = 0 ) και ο pull-up είναι ενεργός τότε η προεπιλεγμένη τιμή στο pin θα είναι 1. Ακόμη και στην περίπτωση που τίποτα δεν είναι συνδεδεμένο ο μικροελεγκτής διαβάζει 1. Αν το pin συνδεθεί με τη γείωση τότε θα γίνει 0. Στην περίπτωση που o pull-up είναι ανενεργός ο ακροδέκτης βρίσκεται σε μια κατάσταση υψηλής εμπέδησης. Μπορούμε να πούμε ότι το pin είναι απλά συνδεδεμένο με το input κάποιου εσωτερικού τελεστικού ενισχυτή του μικροελεγκτή χωρίς κάποιο άλλο κύκλωμα να το οδηγεί. Έτσι, αν ο ακροδέκτης βρίσκεται ασύνδετος ακόμη και η παρουσία ενός μικρού στατικού φορτίου από τα περιβάλλοντα αντικείμενα μπορεί να αλλάξει τη λογική κατάσταση του pin. Επομένως, όταν χρειάζεται να διαβαστεί η τιμή του συγκεκριμένου bit του καταχωρητή, η κατάστασή του είναι απρόβλεπτη. Έτσι, το πρόγραμμα δε θα ανταποκρίνεται σωστά στην περίπτωση που βασιζόμαστε στο input του συγκεκριμένου pin. 2.4 Timers και Διαμόρφωση εύρους παλμού (Pulse Width Modulation) Οι timers είναι μετρητές, στη δική μας περίπτωση 8-bit, που σε κάθε κύκλο του ρολογιού τους αυξάνουν την τιμή τους κατά 1. Επίσης, με τους timers συνδέονται δύο ανεξάρτητα κανάλια εξόδου και δύο καταχωρητές σύγκρισης. Έτσι με κατάλληλη διαχείριση των λειτουργιών που περιλαμβάνουν, επιτυγχάνεται η εκτέλεση του προγράμματος με χρονική ακρίβεια καθώς και η παραγωγή της επιθυμητής κυματομορφής στην έξοδο. Πιο συγκεκριμένα, ένας μετρητής αν είναι 8 bit παίρνει τιμή από To μέγιστο MAX είναι η τιμή 255, δηλαδή το μέγιστο νούμερο που μπορεί να αποθηκευτεί σε έναν 8 bit καταχωρητή. Το 0 είναι το BOTTOM δηλαδή η πρώτη τιμή του. Παράλληλα με τον καταχωρητή που μετράει υπάρχει και ένας που χρησιμοποιείται ως συγκριτής. Αυτός περιλαμβάνει κάποιον αριθμό που καθορίζεται στο πρόγραμμα και έχει σκοπό να συγκρίνει την τιμή του μετρητή με το νούμερο αυτό. Όταν ο μετρητής 15

17 φτάσει την τιμή αυτή ο μικροελεγκτής ενημερώνεται μέσω κάποιου flag και εκτελεί τις προγραμματισμένες λειτουργίες. Σημαντικό επίσης είναι ότι ο timer διαθέτει εξόδους οι οποίες μπορούν να γίνουν αυτόματα 1 ή 0 ανάλογα με την τιμή που έχει ο μετρητής. Αυτή η εναλλαγή δίνει τη δυνατότητα παραγωγής διαμορφωμένων σημάτων στους ακροδέκτες εξόδου του μικροελεγκτή. Μια από τις διαθέσιμες λειτουργίες είναι η PWM (Pulse Width Modulation) που θα αναλύσουμε στη συνέχεια του κεφαλαίου. Αξίζει στο σημείο αυτό να σημειώσουμε ότι στην εφαρμογή χρησιμοποιήσαμε τον timer 0 και τον timer 2 που είναι και οι δύο 8 bit και η λειτουργία τους κατά βάση είναι ταυτόσημη. Για το λόγο αυτό θα αναλυθεί μόνο ο timer 0 αφού η μόνη διαφορά έγκειται στην ονομασία των καταχωρητών και των bit επιλογής του καθενός. 16

18 2.4.1 Βασικά μέρη του Timer Ένα απλοποιημένο σχηματικό διάγραμμα της λειτουργίας του 8-bit timer 0 φαίνεται παρακάτω. Με έντονη γραφή παριστάνονται οι καταχωρητές εισόδου/εξόδου που είναι διαθέσιμοι στην Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας. Η ανάλυση των καταχωρητών θα γίνει στο τέλος του κεφαλαίου. Σχήμα 2.4.1: Σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας και σύνδεσης των καταχωρητών του timer 0 [Atmel] Συνοπτικά, παρατηρούμε ότι η CPU αλληλεπιδρά με συγκεκριμένους καταχωρητές. Αυτοί είναι ο TCNTn (Counter Value Register) που είναι ο μετρητής, οι OCRnA και OCRnB (Output Compare Registers) που είναι οι καταχωρητές σύγκρισης και οι TCCRnA και TCCRnB, (Timer Control Registers) οι καταχωρητές ελέγχου του timer που καθορίζουν τις διάφορες λειτουργίες του timer. 17

19 Counter Unit To Counter Unit αποτελεί τη μονάδα μέτρησης του timer. Στη μονάδα αυτή καθορίζεται η συχνότητα του ρολογιού και η κατεύθυνση της μέτρησης, δηλαδή αν θα αυξάνεται ή θα μειώνεται η τιμή του μετρητή. Επίσης, η μονάδα αυτή είναι υπεύθυνη και για το μηδενισμό των bit του μετρητή. Παρακάτω φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας της. Σχήμα 2.4.2: Σχηματικό διάγραμμα της μονάδας μέτρησης του timer (counter unit) [Atmel] Compare Output Unit H μονάδα σύγκρισης εξόδου είναι υπεύθυνη για τη συνεχή σύγκριση του μετρητή με την τιμή που βρίσκεται στους καταχωρητές ΟCRnA και OCRnB. Κάθε φορά που ο TCNTn ισούται με τον OCRnA ή OCRnB ο συγκριτής ενεργοποιείται το flag σύγκρισης εξόδου (Output Compare Flag). H γεννήτρια κυματομορφών (Waveform Generator) χρησιμοποιεί αυτό το σήμα για να παράγει μια έξοδο σύμφωνα με το mode στο οποίο είναι ρυθμισμένα τα WGMnx και COMnx bit του καταχωρητή ΤCCRnA. Παρακάτω παρουσιάζεται το σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας της μονάδας αυτής. 18

20 Σχήμα 2.4.3: Σχηματικό διάγραμμα της μονάδας σύγκρισης εξόδου (Compare output unit) [Atmel] Διαμόρφωση εύρους παλμού (Pulse Width Modulation) Η διαμόρφωση εύρους παλμού (PWM) είναι μια τεχνική διαμόρφωσης σήματος που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της τροφοδοσίας σε κάποιο φορτίο. Πιο συγκεκριμένα, μια κυματομορφή PWM είναι ένα περιοδικό σήμα με δύο καταστάσεις ON και OFF. Στην κατάσταση ON η κυματομορφή έχει τη μέγιστη τιμή της (5V) και στην OFF τα 0 Volt. Για να περιγράψουμε τη διάρκεια κατά την οποία το σήμα βρίσκεται στην κατάσταση ΟΝ χρησιμοποιούμε την έννοια του κύκλου λειτουργίας (duty cycle). To duty cycle εκφράζει το ποσοστό της διάρκειας μιας περιόδου κατά το οποίο το ψηφιακό σήμα βρίσκεται στην κατάσταση ON. Όπως φαίνεται και από το παρακάτω σχήμα, ένας τέτοιος παλμός στην έξοδο φαίνεται σαν μια σταθερή τάση μεταξύ 0 5V ανάλογα με το duty cycle που έχει επιλεγεί. Το ποσοστό του κύκλου λειτουργίας υπολογίζεται από τη σχέση: dutycycle = Eύρος παλμού (t) Περίοδος παλμού (Τ) 19

21 Σχήμα 2.4.4: Χρονικό διάγραμμα της διαμόρφωσης εύρους παλμού (PWM) Η διαμόρφωση PWM είναι ο τρόπος με τον οποίο ο μικροελεγκτής παράγει τάση διαφορετική των 5 ή 0V ώστε να οδηγήσει τις συσκευές εξόδου. Η υλοποίηση του PWM γίνεται με τη βοήθεια της μονάδας μέτρησης και της μονάδας σύγκρισης εξόδου. Ορίζουμε το duty cycle θέτοντας μια τιμή από Η έξοδος είναι σε κατάσταση ON μέχρι ο μετρητής να ξεπεράσει την τιμή αυτή όπου μετά η έξοδος είναι στην OFF. Αυτός είναι μία μόνο μέθοδος παραγωγής PWM. Στη συνέχεια θα αναλυθούν οι διαθέσιμοι τρόποι που παρέχει ο μικροελεγκτής Atmega Τρόποι λειτουργίας Ο τρόπος λειτουργίας καθορίζει τη συμπεριφορά του μετρητή και των ακροδεκτών σύγκρισης εξόδου του. Τον τρόπο λειτουργίας τον επιλέγουμε ρυθμίζοντας κατάλληλα τα bit παραγωγής κυματομορφών και τα bit σύγκρισης εξόδου στους καταχωρητές ελέγχου TCCRnA και TCCRnB. Υπάρχουν τέσσερα διαφορετικά διαθέσιμα modes που μπορούν να επιλεγούν για τις ανάγκες κάθε εφαρμογής. 20

22 Normal mode Ο πιο απλός τρόπος λειτουργίας είναι το normal mode. Περιλαμβάνει τη συνεχή αύξηση του μετρητή μέχρι να γίνει υπερχείλιση του καταχωρητή όπου και μηδενίζεται στον αμέσως επόμενο κύκλο. Ο καταχωρητής σύγκρισης μπορεί να ρυθμιστεί κατάλληλα για να δρομολογήσει κάποια ενέργεια σε κάθε match που λαμβάνει χώρα. CTC mode (Clear Timer on Compare Match) Με το mode αυτό και με κατάλληλη χρήση του καταχωρητή OCRnA μπορεί να επηρεαστεί η ανάλυση του μετρητή. Συγκεκριμένα, ο μετρητής μηδενίζεται όταν η τιμή του γίνει ίση με αυτή του καταχωρητή σύγκρισης. Άρα ο OCRnA καθορίζει την TOP τιμή στην οποία θα φτάσει ο μετρητής και μετά θα μηδενιστεί. Συνεπώς, η λειτουργία αυτή επιτρέπει καλύτερο έλεγχο της συχνότητας με την οποία ο μετρητής TCNTn φτάνει την τιμή OCRnA. Επίσης, απλοποιεί το συγχρονισμό με εξωτερικά γεγονότα. Το διάγραμμα χρονισμού για το CTC mode φαίνεται παρακάτω. Η τιμή του μετρητή TCNTn αυξάνεται μέχρι να συμβεί ένα compare match μεταξύ του μετρητή με τον OCRnA και στη συνέχεια μηδενίζεται. Σχήμα 2.4.5: Διάγραμμα χρονισμού του CTC τρόπου λειτουργίας (Clear Timer on Compare Match) [Atmel] Η έξοδος του OCnA μπορεί να ρυθμιστεί να αλλάζει στάθμη σε κάθε match για την παραγωγή κυματομορφής. Έτσι, δίνεται η δυνατότητα ρύθμισης της συχνότητας της κυματομορφής. Αν ο καταχωρητής OCRnA έχει τιμή 0x00 τότε η κυματομορφή εξόδου 21

23 θα έχει τη μέγιστη συχνότητα f OCn = f CLK /2. H συχνότητα της κυματομορφής εκφράζεται από την παρακάτω σχέση: f OCn = f CLK 2 N (1 + OCRnA) Όπου N παριστάνει τον παράγοντα prescaling (1, 8, 64, 256, ή 1024), δηλαδή το πόσο θα διαιρεθεί η συχνότητα του ρολογιού στην είσοδο για να χρησιμοποιοηθεί από τον timer. Fast PWM Mode To Fast PWM mode είναι μια επιλογή για την παραγωγή PWM κυματομορφής με μεγάλη συχνότητα. Διαφέρει από τις άλλες μεθόδους για PWM στο ότι διαθέτει μονής κλίσης αύξηση του μετρητή. Ο μετρητής ξεκινά από το BOTTOM και ξαναμηδενίζεται μόλις φτάσει στην TOP τιμή. Ως BOTTOM ορίζεται το 0 ενώ ως ΤΟP είτε η ΜΑΧ τιμή του καταχωρητή (0xFF) ή η τιμή του OCRnA. Στη μη αναστρέψιμη λειτουργία (non-inverting mode) o καταχωρητής σύγκρισης εξόδου OCnx γίνεται 0 κατά το compare match των TCNTn και OCRnA και 1 κατά την BOTTOM τιμή του μετρητή. Επομένως, θέτοντας κατάλληλα την τιμή του OCRnA καθορίζουμε το dutycycle της PWM κυματομορφής, Ως dutycycle ορίζουμε το ποσοστό της περιόδου του μετρητή κατά οποίο η κυματομορφή εξόδου έχει τιμή 1. Το διάγραμμα χρονισμού του για το Fast PWM mode φαίνεται παρακάτω. Η τιμή του TCNTn παρουσιάζεται ως ιστόγραμμα που παίρνει τιμές από το ΒΟΤΤΟΜ ως το TOP και στον επόμενο κύκλο ρολογιού μηδενίζεται. Οι μικρές οριζόντιες γραμμές παριστάνουν τα compare match των TCNTn και OCRnA. 22

24 Σχήμα 2.4.6: Διάγραμμα χρονισμού της λειτουργίας Fast PWM [Atmel] Για την παραγωγή PWM εξόδου θέλουμε ο μετρητής να παίρνει τιμές από το 0 μέχρι το MAX. H έξοδος ορίζεται στο 1 όταν ο μετρητής είναι στο BOTTOM και γίνεται 0 όταν γίνει το compare match μέχρι να φτάσει ο μετρητής στο MAX όπου στον επόμενο κύκλο ξαναγίνεται 1. Η συχνότητα της κυματομορφής που παράγεται για 8-bit timer δίνεται από την παρακάτω εξίσωση. f PWM = f CLK N 256 Όπου Ν είναι ο παράγοντας prescaling που έχει επιλεγεί. Phase Correct PWM Mode H λειτουργία PWM διόρθωσης φάσης παρέχει υψηλότερη ανάλυση αξιοποιώντας την διπλής κλίσης μεταβολή της τιμής του μετρητή. Πιο συγκεκριμένα, κατά τη λειτουργία αυτή ο μετρητής από το BOTTOM αυξάνεται μέχρι να φτάσει τη MAX τιμή και στη συνέχεια μειώνεται μέχρι να ξαναφτάσει την τιμή BOTTOM. Επομένως, ο μετρητής ουσιαστικά μετράει από το 0 ως το 255 και από το 255 ως το 0 κάνοντας τελικά

25 κύκλους ρολογιού μέχρι να ολοκληρωθεί η περίοδος. Αυτό μειώνει μεν τη συχνότητα της παραγόμενης κυματομορφής, αυξάνει όμως την ανάλυσή της. Η έξοδος PWM μπορεί να διαμορφωθεί με διάφορους τρόπους. Είτε σε κάθε compare match η έξοδος να αλλάζει λογική στάθμη ή να μηδενίζεται κατά το compare match όταν ο μετρητής αυξάνει και να γίνεται 1 κατά το compare match όταν ο μετρητής μειώνεται. Η τελευταία περίπτωση μπορεί επίσης να αντιστραφεί δηλαδή να τίθεται η έξοδος 1 στο compare match κατά την αύξηση του μετρητή και 0 στο compare match κατά τη μείωσή του. Παρακάτω φαίνεται το διάγραμμα χρονισμού για τις δύο αντίστροφες περιπτώσεις. Σχήμα 2.4.7: Διάγραμμα χρονισμού του Phase Correct PWM mode [Atmel] Όσον αφορά τη συχνότητα της κυματομορφής εξόδου πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι πλέον η περίοδος αποτελείται από δύο μετρήσεις: από 0 ως 255 και από 255 ως το 0. Άρα έχουμε 510 κύκλους ρολογιού για δύο διαδοχικές τιμές BOTTOM του μετρητή. Η εξίσωση της συχνότητας, επομένως, δίνεται από την παρακάτω σχέση με το N να συμβολίζει τον παράγοντα του prescaling. f PWM = f CLK N

26 2.4.4 Καταχωρητές ελέγχου (TC0 Control registers) Οι καταχωρητές ελέγχου TCCR0A και TCCR0B (για τον timer 0) καθορίζουν τη συμπεριφορά της εξόδου όταν συμβαίνουν compare match και το PWM mode το οποίο θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε. Για καθένα από τα mode οι ρυθμίσεις των bit προβλέπουν διαφορετικές λειτουργίες. Έτσι, για κάθε mode ξεχωριστά θα αναλυθεί η λειτουργία των bit ελέγχου. Καταχωρητής TCCR0A Ο καταχωρητής TCCR0A αποτελείται από τα bit ελέγχου του Compare Output mode για το κανάλι εξόδου Α και Β. Λόγω ομοιότητας των λειτουργιών των δύο καναλιών εξόδου θα αναλυθεί μόνο το Α αναφέροντας μόνο σε τι διαφέρει από το Β. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η μορφή του καταχωρητή και η ερμηνεία των bit επιλογής του. Bits 1:0 WGM0n: Waveform Generation Mode [n=1:0] Τα δύο πρώτα bits του καταχωρητή επιλέγουν τη λειτουργία PWM που επιθυμούμε. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι διαθέσιμες λειτουργίες. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο πίνακας περιλαμβάνει και ένα bit του καταχωρητή ελέγχου B, το οποίο καθορίζει το αν ο μετρητής θα κάνει reset στο compare match ή όταν γίνεται υπερχείλιση. 25

27 Πίνακας 4.4.1: Διευκρίνηση της λειτουργίας των WGM bit Bits 7:6 COM0An: Compare Output Mode Channel A [n=1:0] Αυτά τα bit ελέγχουν τη συμπεριφορά του ακροδέκτη εξόδου OC0A. Αν οποιοδήποτε από τα bit COM0A1 ή COM0A0 είναι 1 τότε ενεργοποιείται η PWM έξοδος του pin OC0A (αντίστοιχα για τα COM0B1, COM0B0 του καναλιού Β). Η λειτουργία του κάθε bit καθορίζεται από το πως έχουν επιλεχθεί τα παραπάνω bit WGM0n. O παρακάτω πίνακας δείχνει τη λειτουργία για την περίπτωση του Normal mode και του CTC (Clear Timer on Compare match) mode. Πίνακας 4.4.2: Διευκρίνηση της λειτουργίας των COM0A bit για τα Normal και CTC mode Ο επόμενος πίνακας περιέχει τη λειτουργία των bit COM0A1 και COM0A2 για το Fast PWM mode. Πίνακας 4.4.3: Διευκρίνηση της λειτουργίας των COM0A bit για το Fast PWM mode 26

28 Για το Phase Correct PWM mode η ερμηνεία των Compare Output bits φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 4.4.4: Διευκρίνηση της λειτουργίας των COM0A bit για το Phase Correct PWM mode Bits 5:4 COM0Bn: Compare Output Mode channel B Τα bits αυτά έχουν την ίδια λειτουργία με τα προηγούμενα αλλά καθορίζουν τη συμπεριφορά του ακροδέκτη εξόδου OC0B δηλαδή το κανάλι Β. Αξίζει να σημειωθεί ότι η μόνη διαφορά του καναλιού Β με το Α είναι ότι το πρώτο δεν μπορεί να κάνει toggle σε κάθε compare match. Δηλαδή στα Fast και Phase Correct PWM δεν μπορεί η έξοδος να αλλάζει στάθμη κάθε φορά που συμβαίνει compare match. Καταχωρητής TCCR0B Ο καταχωρητής αυτός είναι υπεύθυνος για τον προσδιορισμό του παράγοντα prescaling καθώς και για την εξαναγκασμένη ενεργοποίηση της εξόδου όταν δεν είναι επιλεγμένη κάποια PWM λειτουργία. Παρακάτω φαίνεται η μορφή του και αναλύεται η λειτουργία των bit επιλογής του. Bit 7:6 FOC0A, FOC0B: Force Output Compare A και B Το καθένα από τα bit αυτά αναφέρεται στο κανάλι A και B αντίστοιχα. Όταν γραφέι 1 στα bit αυτά τότε προκαλείται εξαναγκασμένο compare match στη μονάδα παραγωγής κυματομορφής. Ανάλογα με το τι λειτουργία προβλέπουν τα COMAn ή COMBn bits η έξοδος OC0A ή OC0B ενεργοποιείται ή απενεργοποιείται κατάλληλα. 27

29 Βit 3 WGM02: Waveform Generation Mode Το bit αυτό σε συνδυασμό με τα WGM01 και WGM00 όπως προαναφέρθηκε καθορίζουν το επιθυμητό PWM mode. Πιο συγκεκριμένα, το bit αυτό είναι 1 τότε ο μετρητής θα μηδενίζεται όταν παίρνει την τιμή του καταχωρητή OCRA δηλαδή στο compare match. Αν αυτό είναι 0 τότε ο μετρητής κανονικά μηδενίζεται όταν γίνει η υπερχείλιση. Bit 2:0 CS0[2:0]: Clock Select 0 [n = 0,1,2] Τα bit αυτά καθορίζουν τον παράγοντα prescaling που θα διαιρέσει τη συχνότητα του ρολογιού εισόδου. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι τιμές του παράγοντα αυτού για κάθε συνδυασμό των τριών αυτών bit. Πίνακας 4.4.5: Διευκρίνηση της λειτουργίας των CS0 bit του καταχωρητή TCCR0B 28

30 2.5 Μετατροπή Αναλογικού σήματος σε Ψηφιακό (ADC converter) Ο μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό είναι ένα περιφερειακό που μετατρέπει τα αναλογικά σήματα καθορισμένου εύρους σε ψηφιακές εξόδους (digital outputs). Στην πραγματικότητα, τα σήματα είναι κυρίως διαθέσιμα σε αναλογική μορφή. Για να χρησιμοποιήσουμε ένα μικροελεγκτή σε ένα τέτοιου είδους σύστημα, απαιτείται ένας ADC έτσι ώστε να μεταφραστούν τα σήματα αυτά σε ψηφιακές τιμές. Το λειτουργικό της εφαρμογής μπορεί στη συνέχεια να επεξεργαστεί τις τιμές αυτές και να λάβει αποφάσεις βάσει της εφαρμογής ή των απαιτήσεων του συστήματος. Ο περιορισμός που υφίσταται από τον περιορισμένο αριθμό ψηφιακών εξόδων καθορίζει το πόσο κοντά θα είναι η ψηφιακή έξοδος σε σχέση με την αναλογική είσοδο. Όσο περισσότερα bit περιλαμβάνονται στην έξοδο τόσο πιο κοντά θα είναι το ψηφιακό αποτέλεσμα στο αναλογικό σήμα. Με άλλα λόγια, η ανάλυση του μετατροπέα καθορίζεται από τον αριθμό των bit στο ψηφιακό αποτέλεσμα (8 bits ή 10 bits) και από το πόσο μεγάλη είναι τάση αναφοράς Μετατροπέας (ADC) του Atmega328p Η συσκευή περιλαμβάνει έναν 10-bit διαδοχικής προσέγγισης ADC. Αυτός είναι συνδεδεμένος σε έναν πολυπλέκτη 8 καναλιών που επιτρέπει 8 μονόπλευρες εισόδους, τους ακροδέκτες του PORT C. Οι τάσεις εισόδου υπολογίζονται με αναφορά τα 0V (GND). O ADC περιέχει ένα Sample and Hold κύκλωμα που επιβεβαιώνει ότι η τάση εισόδου του διατηρείται σε σταθερό επίπεδο κατά τη διάρκεια της μετατροπής. Το σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας του φαίνεται παρακάτω. 29

31 Σχήμα 2.5.1: Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος μετατροπής αναλογικού σε ψηφιακό του μικροελεγκτή [Atmel] Ο μετατροπέας έχει ξεχωριστό pin για την τάση τροφοδοσίας του, το AV CC. H τάση στο AV CC δεν πρέπει να διαφέρει περισσότερο από ±0.3V από την τάση τροφοδοσίας του μικροελεγκτή, V CC. 30

32 H λειτουργία του ADC είναι να μετατρέπει την τάση εισόδου σε μια ψηφιακή τιμή 10 bit μέσω διαδοχικών προσεγγίσεων. Η ελάχιστη τιμή αντιπροσωπεύει τη γείωση (GND) και η μέγιστη την τάση που εφαρμόζεται στο pin AREF. Στην περίπτωσή μας μέσω του καταχωρητή ADMUX και καθορίζοντας τα REFSn bits κατάλληλα συνδέουμε εσωτερικά το AV CC pin με το AREF. Περισσότερα για τους καταχωρητές θα αναφερθούν στη συνέχεια του κεφαλαίου Prescaling και διάρκεια μετατροπής Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα της μονάδας prescaling του μετατροπέα με τα ADPS bit που ελέγχουν τον παράγοντα διαίρεσης της συχνότητας. Σχήμα 2.5.2: Σχηματικό διάγραμμα της μονάδας prescaling του μετατροπέα [Atmel] Από προεπιλογή, το κύκλωμα διαδοχικής προσέγγισης απαιτεί είσοδο ρολογιού συχνότητας από 50 khz εως 200 khz για να επιτευχθεί μέγιστη ανάλυση. Αν η επιθυμητή ανάλυση είναι λιγότερη από 10 bit, όπως και στην περίπτωσή μας, τότε η συχνότητα του ρολογιού μπορεί να είναι υψηλότερη προς επίτευξη μεγαλύτερου ρυθμού δειγματοληψίας. 31

33 Η μονάδα του μετατροπέα ADC περιλαμβάνει έναν prescaler, ο οποίος παράγει την επιθυμητή συχνότητα ρολογιού και μπορεί να δεχθεί συχνότητες άνω των 100 khz ως είσοδο. H τιμή του prescaling καθορίζεται από τα ADPS bits (ADC Prescaler Select) του καταχωρητή ADCSRA (ADC Control and Status Register A). Ο prescaler ξεκινάει να μετράει από τη στιγμή που ο ADC ενεργοποιείται γράφοντας 1 στο ADEN bit (ΑDC Enable) του καταχωρητή και συνεχίζει να λειτουργεί μέχρι να γραφεί 0 από το πρόγραμμα. Στην περίπτωση αυτή ο prescaler κάνει συνεχώς επανεκκίνηση (reset). Εισάγοντας μια μονόπλευρη μετατροπή (single ended input), γράφοντας 1 στο ADSC bit (ADC Start Conversion) η μετατροπή ξεκινάει στην επόμενη θετική κορυφή του κύκλου ρολογιού του ADC. Μια κανονική μετατροπή κάνει 13 κύκλους. H πρώτη μετατροπή μετά την εκκίνηση του ADC κάνει 25 κύκλους μέχρι να ενεργοποιηθεί το αναλογικό κύκλωμά του. Το κύκλωμα Sample-and-hold ενεργοποιείται 1.5 κύκλους ρολογιού ύστερα από μια κανονική μετατροπή και 13.5 κύκλους ύστερα από την πρώτη μετατροπή. Όταν η μετατροπή ολοκληρωθεί, το αποτέλεσμα αποθηκεύεται στους καταχωρητές ADCL και ADCH (ADC Data Registers) και ενεργοποιείται το ADIF bit (ADC Interrupt Flag), ζητώντας από το μικροελεγκτή να ξεκινήσει τη διακοπή (interrupt). Στη λειτουργία Μονής Μετατροπής (Single conversion mode), που χρησιμοποιούμε στην περίπτωσή μας, το ADSC bit μηδενίζεται αυτόματα μετά τη μετατροπή. Για το λόγο αυτό, το πρόγραμμα πρέπει να γράφεται 1 στο bit αυτό ξανά ώστε να ακολουθήσει η επόμενη μετατροπή στον επόμενο παλμό. Ακολουθούν τα διαγράμματα χρονισμού του ADC της λειτουργίας Single Conversion για την πρώτη και τις επόμενες μετατροπές. 32

34 Σχήμα 2.5.3: Διάγραμμα κύκλων ρολογιού της λειτουργίας Single Conversion του ADC κατά την πρώτη μετατροπή [Atmel] Σχήμα 2.5.4: Διάγραμμα κύκλων ρολογιού της λειτουργίας Single Conversion του ADC μετά την πρώτη μετατροπή. [Atmel] 33

35 2.5.3 Αποτέλεσμα της μετατροπής Αφού η μετατροπή ολοκληρωθεί, το αποτέλεσμα, όπως προαναφέρθηκε, βρίσκεται στους καταχωρητές ADCL και ADCH (ADC Result Registers). Η ακρίβεια που απαιτείται από την εφαρμογή είναι 8 bit επομένως η τιμή του αποτελέσματος είναι, ADC = V IN 256 V REF Όπου V IN είναι η τάση στο input pin που επιλέξαμε και V REF η επιλεγμένη τάση αναφοράς. Η τιμή 0x000 αναπαριστά τη γείωση και η 0x3FF αναπαριστά την τάση αναφοράς μείων 1 LSB (Least Significant Bit). Για τη ρύθμιση και τον έλεγχο του μετατροπέα υπάρχουν τρεις καταχωρητές: ο πολυπλέκτης ADMUX (ADC Multiplexer), οι καταχωρητές αποτελέσματος ADCH, ADCL (ADC Result Register High and Low) και οι καταχωρητές ελέγχου και κατάστασης ADCSRA και ADCSRB (ADC Control and Status Registers). Στη συνέχεια, θα γίνει αναφορά στα βασικά bits τους και τις ρυθμίσεις που απαιτούνται για τον μικροελεγκτή της διάταξης Καταχωρητής ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register) Ο πρώτος καταχωρητής του ADC μετατροπέα είναι ο πολυπλέκτης που καθορίζει την τάση αναφοράς, τον τρόπο αποθήκευσης του αποτελέσματος και το ποια είσοδο θα επιλέξουμε να διαβάσουμε. Τα bit του καταχωρητή παρουσιάζονται και αναλύονται παρακάτω. 34

36 Bits 7:6 REFSn: Reference Selection [n = 1:0] Τα bits αυτά επιλέγουν την επιθυμητή τάση αναφοράς για τον ADC. Αν τα bit αυτά αλλάξουν κατά τη διάρκεια μιας μετατροπής, η αλλαγή αυτή θα συμβεί αφού ολοκληρωθεί η τρέχουσα. Στην εφαρμογή μας η τάση αναφοράς είναι η τάση τροφοδοσίας 5V στο pin AV CC με εξωτερικό πυκνωτή στο pin AREF του μικροελεγκτή για περιορισμό του θορύβου. Άρα σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα θέτουμε στο bit REFS1 το 1. Πίνακας 2.5.1: Διευκρίνηση της λειτουργίας των REFS bit του καταχωρητή ADMUX Βit 5 ADLAR: ADC Left Adjust Result Τo bit αυτό καθορίζει το πως παρουσιάζονται τα αποτελέσματα στον καταχωρητή αποτελέσματος. Επειδή το αποτέλεσμα είναι 10 bit, ο μικροελεγκτής πρέπει να χρησιμοποιήσει δύο καταχωρητές, τον ADCH και τον ADCL. Η τιμή του bit αυτού καθορίζει ποια ψηφία θα φαίνονται στον ADCH και ποια στον ADCL. Για τα 8 bit ακρίβειας που απαιτούμε επιλέγουμε να θέσουμε το ADLAR bit ίσο με 1 και να διαβάζουμε μόνο τον ADCΗ καταχωρητή που περιέχει το 8 bit αποτέλεσμα και έχει την παρακάτω μορφή. Bits 3:0 MUXn: Analog Channel Selection [n = 3:0] Η τιμή αυτών των bit καθορίζει ποιες αναλογικές είσοδοι είναι συνδεδεμένες στον ADC. Αφήνουμε επομένως τα bit αυτά στην τιμή 0 για να διαλέξουμε το κανάλι εισόδου ADC0 όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. 35

37 Πίνακας 2.5.2: Διευκρίνηση της λειτουργίας των ΜUX bit του καταχωρητή ADMUX Καταχωρητές ADCSRA και ADCSRB (ADC Control and Status Registers) Ο καταχωρητής ADCSRA είναι υπεύθυνος για την ενεργοποίηση του ADC κυκλώματος, για τον τρόπο εκκίνησης κάθε μετατροπής, για τα interrupts που θα σηματοδοτηθούν καθώς και για την επιλογή του κατάλληλου prescaler. Παρακάτω φαίνονται τα bit του καταχωρητή. Bit 7 ADEN: ADC Enable Γράφοντας 1 στο bit αυτό ενεργοποιείται o ADC ενώ με το 0 απενεργοποιείται. Αν αυτό συμβεί κατά τη διάρκεια μιας μετατροπής τότε αυτή τερματίζεται. Bit 6 ADSC: ADC Start Conversion Στη λειτουργία μονής μετατροπής, η οποία επιλέχθηκε, γράφοντας 1 στο bit αυτό ξεκινάμε τη μετατροπή. Αν αυτή είναι η πρώτη μετά την ενεργοποίηση του ADC ή όταν το bit γίνεται 1 ταυτόχρονα με το ADEN τότε η μετατροπή κρατάει 25 κύκλους 36

38 ρολογιού αντί για 13 που ισχύει για τις επόμενες. Η πρώτη μετατροπή εκτελεί την ενεργοποίηση του κυκλώματος του ADC. To ADEN bit γίνεται 0 αυτόματα μετά την ολοκλήρωση της μετατροπής, επομένως απαιτείται μόνο να θέσουμε 1 όταν επιθυμούμε να ξεκινήσουμε την επόμενη μέτρηση. Bit 5 ADATE: ADC Auto Trigger Enable Το bit αυτό όταν γίνει 1 ενεργοποιεί το Auto Triggering mode. Ο ADC θα ξεκινήσει τη μετατροπή κατά τη θετική κορυφή του επιλεγμένου σήματος ενεργοποίησης (trigger signal). Η πηγή του σήματος αυτού καθορίζεται από τον καταχωρητή ADCSRB. Αφήνοντας το bit στο 0, επιλέγουμε το Single Conversion mode και δεν απαιτείται κάποια ρύθμιση στον ADCSRB. Ο μικροελεγκτής,τότε, εκτελεί μία μόνο μετατροπή όταν δοθεί η τιμή 1 στο ADSC bit του καταχωρητή. Στη δική μας περίπτωση θέτουμε το ADATE bit 1 για να επιλέξουμε στη συνέχεια (καταχωρητής ADCSRB) τη λειτουργία Free Running όπου ο μικροελεγκτής εκτελεί συνεχώς μετατροπές όποτε είναι διαθέσιμος. Bit 4 ADIF: ADC Interrupt Flag Το bit αυτό τίθεται 1 όταν μια ADC μετατροπή έχει ολοκληρωθεί και οι καταχωρητές με το αποτέλεσμα έχουν ενημερωθεί. Έτσι, ο μικροελεγκτής ενημερώνεται ότι πρέπει να διακόψει την κανονική ροή του προγράμματος και να εκτελέσει τη ρουτίνα του ADC interrupt. Bit 3 ADIE: ADC Interrupt Enable Το bit αυτό απαιτείται να είναι 1 εφόσον χρειάζεται να εκτελεσθεί κάποιο συγκεκριμένο κομμάτι κώδικα κάθε φορά που ολοκληρώνεται μια μετατροπή ADC. Στο πρόγραμμα του μικροελεγκτή απαιτείται η επεξεργασία του αποτελέσματος μετά από κάθε μετατροπή, επομένως, θα θέσουμε το bit στο 1 και η κατάλληλη επεξεργασία θα συμβαίνει στη ρουτίνα του interrupt. 37

39 Bit 2:0 ADPSn: ADC Prescaler Select [n = 2:0] Τα bit αυτά ρυθμίζουν τον prescaler του ADC. Πιο συγκεκριμένα, καθορίζουν το πόσο θα διαιρεθεί η συχνότητα του ρολογιού του μικροελεγκτή για να χρησιμοποιηθεί ως είσοδος στο κύκλωμα του ADC. Όπως έχει προαναφερθεί, η επιθυμητή συχνότητα πρέπει να έιναι στα όρια khz. Επομένως, επιλέγοντας παράγοντα διαίρεσης το 64 η συχνότητα του ρολογιού του ADC είναι khz. Σύμφωνα και με τον παρακάτω πίνακα θέτουμε τα bit ADPS2 και ADPS1 στο 1. Πίνακας 2.5.3: Διευκρίνηση της λειτουργίας των bit ADPS του καταχωρητή ADCSRA O καταχωρητής ADCSRB καθορίζει ποια σήματα ενεργοποιούν τον ADC να εκτελέσει μια μετατροπή. Υπάρχουν διάφορες διαθέσιμες λειτουργίες. Μπορεί είτε να κάνει μια μετατροπή και να σταματάει (Single Conversion mode), είτε να εκτελείται συνέχεια κάθε φορα που είναι διαθέσιμος (Free Running mode), είτε όταν κάποιος μετρητής φτάσει την καθορισμένη τιμή ή υπερχειλίσει. Υπάρχει, επίσης, η επιλογή να εκτελείται μετατροπή μόνο όταν ενεργοποιηθεί κάποια εξωτερική διακοπή. Η μορφή του καταχωρητή ADCSRB φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 38

40 Bit 6 ACME: Analog Comparator Multiplexer Enable To bit αυτό όταν είναι 1 απενεργοποιείται η λειτουργία του ADC και ενεργοποιείται αυτή του συγκριτή τάσης. Στην περίπτωση της δικής μας διάταξης η ανάγκη για σύγκριση σημάτων υλοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τελεστικό ενισχυτή σε συνδεσμολογία συγκριτή τάσης προς διευκόλυνση της προγραμματιστικής διαδικασίας. Bit 2:0 ADTSn: ADC Auto Trigger Source [n = 2:0] Στην περίπτωση που το ADATE bit του καταχωρητή ADCSRA είναι 1 τότε τα bit αυτά επιλέγουν τον τρόπο που θα ενεργοποιούνται οι μετατροπές. Σύμφωνα και με τον παρακάτω πίνακα αφήνοντάς τα 0, ενεργοποιείται το Free Running mode για συνεχή μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό. Πίνακας 2.5.4: Διευκρίνηση της λειτουργίας των ADTS bit του καταχωρητή ADCSRB Αξίζει στο σημείο αυτό να σημειωθεί ότι δίνεται η δυνατότητα διακοπής της λειτουργίας του ADC όταν δεν είναι απαραίτητη κάποια μέτρηση. Ο μετατροπέας ADC καταναλώνει επιπλέον ισχύ όσο βρίσκεται ανοιχτός επομένως προκύπτει η ανάγκη απενεργοποίησής του στο προγράμμα όπου χρειάζεται ώστε η συσκευή να είναι πιο αποδοτική. 39

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Υλοποίηση 3.1 Κύκλωμα προγραμματισμού του μικροελεγκτή Στο προηγούμενο κεφάλαιο έγινε αναφορά στη διαδικασία προγραμματισμού του μικροελεγκτή. Πέρα από το απαραίτητο λογισμικό και τους drivers που θα διαχειριστούν τη μεταφορά του προγράμματος απαιτείται η κατάλληλη σύνδεση του μικροελεγκτή με τον προγραμματιστή. Ο προγραμματιστής συνδέεται στη θύρα USB του υπολογιστή μέσω της υποδοχής micro-usb. Με τον μικροελεγκτή μέσω σύνδεσης SPI (Serial Peripheral Interface) 6 ακροδεκτών θα συνδεθεί με τους κατάλληλους ακροδέκτες όπως φαίνεται στην παρακάτω σχηματική απεικόνιση του κυκλώματος προγραμματισμού. Σχήμα 3.1.1: Συνδεσμολογία προγραμματισμού του μικροελεγκτή 40

42 Πιο συγκεκριμένα, για τη μεταφορά του προγράμματος απομακρύνουμε το μικροελεγκτή από τα υπόλοιπα κυκλώματα της διάταξης. Η μόνη προσθήκη που χρειάζεται είναι ένας εξωτερικός ταλαντωτής κρύσταλλος των 10 MHz. Ο προγραμματιστής παρέχει την απαραίτητη τάση τροφοδοσίας και τη γείωση που χρειάζεται. Μετά τη σωστή σύνδεση, με μια απλή εντολή από το λογισμικό, το πρόγραμμα αποθηκεύεται στη μνήμη του μικροελεγκτή. 3.2 Κύκλωμα Τροφοδοσίας Για την τροφοδοσία της διάταξης επιλέγουμε να χρησιμοποιήσουμε μια αλκαλική μπαταρία των 9 Volt. Η τάση τροφοδοσίας του μικροελεγκτή, όμως, πρέπει να είναι μια σταθερή 5V DC τάση, χωρίς διακυμάνσεις. Έτσι θα χρησιμοποιήσουμε τον σταθεροποιητή τάσης L7805 η συνδεσμολογία του οποίου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3.2.1: Κύκλωμα τροφοδοσίας και σταθεροποίησης τάσης Ο σταθεροποιητής δέχεται τη μη σταθερή τάση των 9 Volt της μπαταρίας ως είσοδο και τη μετατρέπει σε ένα σταθερή DC τάση των 5 Volt. Επομένως στην είσοδό του θα 41

43 έχουμε τους ακροδέκτες της μπαταρίας, η έξοδος θα συνδεθεί με τον ακροδέκτη τροφοδοσίας VCC και οι γειώσεις (GND) μεταξύ τους. 3.3 Κύκλωμα φωτοκύτταρου Ένα φωτορεζίστορ ή φωτοκύτταρο είναι μια αντίσταση, η τιμή της οποίας είναι εξαρτώμενη από την ακτινοβολία που δέχεται (Light Dependent Resistors LDR). Τα φωτορεζίστορ είναι αισθητήρες που εντοπίζουν το φως. Είναι μικρά, χαμηλού κόστους και ισχύος, χρησιμοποιούνται εύκολα και είναι ανθεκτικά στο χρόνο. Η τιμή της αντίστασής τους μεταβάλλεται ανάλογα με το πόση ακτινοβολία προσπίπτει πάνω τους. Παρά τα παραπάνω θετικά χαρακτηριστικά, οι αισθητήρες αυτοί δεν είναι ακριβείς. Κάθε φωτορεζίστορ συμπεριφέρεται ξεχωριστά και διαφέρει αρκετά από κάποιο άλλο ακόμα και της ίδιας ποικιλίας. Για το λόγο αυτό οι αισθητήρες αυτοί δεν είναι ιδανικοί για να υπολογίζουν με ακρίβεια τα επίπεδα ακτινοβολίας. Αντιθέτως, μπορούν να ανιχνεύσουν μόνο βασικές αλλαγές στην προσπίπτουσα ακτινοβολία. Μπορούν, δηλαδή, να διακρίνουν αν πέφτει φως πάνω τους ή όχι. Όταν προσπίπτει φως η τιμή της αντίστασής τους μειώνεται. Με απουσία φωτός η τιμή μπορεί να φτάσει μέχρι και 10 Mohm ενώ με το φώς μπορεί να μειωθεί ως και το 1 Kohm. Γραφικά η μεταβολή της αντίστασης συναρτήσει της έντασης ακτινοβολίας σε λογαριθμική κλίμακα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 42

44 Σχήμα 3.3.1: Διάγραμμα μεταβολής αντίστασης συναρτήσει της έντασης ακτινοβολίας για το φωτοκύτταρο Επίσης, πρέπει να σημειωθεί ότι το φωτορεζίστορ έχει διαφορετική ευαισθησία στα διάφορα μήκη κύματος. Από το παρακάτω διάγραμμα της φασματικής απόκρισης, παρατηρούμε ότι ο αισθητήρας είναι κυρίως ευαίσθητος στο ορατό φάσμα με κορυφή περίπου στα 580 nm. Αυτό είναι σημαντικό καθώς η τελική διάταξη περιλαμβάνει και έναν εκπομπό υπέρυθρης ακτινοβολίας και το φωτορεζίστορ δεν πρέπει να ανταποκρίνεται σε αυτή. Όπως βλέπουμε μετά τα 700 nm η απόκριση μειώνεται αισθητά. Σχήμα 3.3.2: Διάγραμμα φασματικής απόκρισης του φωτοκυττάρου 43

45 Ο στόχος της εφαρμογής είναι καθώς σαρώνεται ο αισθητήρας πάνω στην επιφάνεια του παλμογράφου να μπορεί να αντιληφθεί πότε βρίσκεται πάνω στη φωτεινή δέσμη της κυματομορφής. Για την υλοποίηση χρειάστηκε να συνδέσουμε τον αισθητήρα σε σειρά έναν pull up resistor 10 kω στην τάση τροφοδοσίας των 5V όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3.3.3: Σχηματική διάταξη του κυκλώματος photoresistor Το ένα άκρο του συνδέεται στη γείωση ενώ το άλλο θα χρησιμοποιηθεί σαν είσοδος στο pin PC0 του μικροελεγκτή. Το σήμα εισόδου από αναλογικό μετατρέπεται σε ψηφιακό και χρησιμοποιείται, στη συνέχεια, από το πρόγραμμα λειτουργίας. 3.4 Κύκλωμα υπέρυθρου αισθητήρα O υπέρυθρος αισθητήρας (Infrared Sensor) είναι μια συσκευή που περιλαμβάνει έναν πομπό κι ένα δέκτη υπέρυθρης ακτινοβολίας. Αξιοποιώντας το φαινόμενο της ανάκλασης και της απορρόφησης του φωτός μπορεί να αντιληφθεί αν υπάρχει κάποιο αντικείμενο μπροστά του ή ακόμα και πόσο κοντά ή μακριά αυτό βρίσκεται. Επίσης, μπορεί να αναγνωρίσει τη διαφορά μεταξύ μαύρου και άσπρου σε ένα αντικείμενο ανάλογα με την αντίθεση (contrast) και τις ανακλαστικές ιδιότητες της επιφάνειάς του. 44

46 Ο αισθητήρας, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα, διαθέτει μία δίοδο υπέρυθρης ακτινοβολίας που λειτουργεί ως πομπός και ένα φωτοτρανζίστορ ως δέκτης. Η συσκευασία του είναι κατάλληλα σχεδιασμένη να εμποδίζει την ορατή ακτινοβολία και να αποκόπτει το crosstalk μεταξύ πομπού και δέκτη. Σχήμα 3.4.1: Συστατικά μέρη του αισθητήρα υπέρυθρης ακτινοβολίας Η λειτουργία του βασίζεται στην ανάκλαση της ακτινοβολίας στην επιφάνεια κάποιου αντικειμένου. Πιο συγκεκριμένα, η δίοδος, όταν εφαρμοστεί κάποια τάση στα άκρα της, άγει και εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία στο χώρο μπροστά από τον αισθητήρα. Στην περίπτωση που κάποιο αντικείμενο βρίσκεται στην πορεία της ακτινοβολίας τότε αυτή ανακλάται και μέρος της προσπίπτει στη βάση του φωτοτρανζίστορ. Στη συνέχεια, το φωτοτρανζίστορ επιτρέπει τη μεταφορά φορτίων μεταξύ εκπομπού συλλέκτη και η ένταση του ρεύματος αυξάνεται. Όσο περισσότερη ακτινοβολία δέχεται τόσο πιο υψηλή θα γίνει η τιμή του ρεύματος. Το ποσοστό της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο δέκτη εξαρτάται από την απόσταση του αντικειμένου καθώς και από την ανακλαστικότητά του. Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα του κυκλώματος του υπέρυθρου αισθητήρα, μια αντίσταση 10 kω είναι συνδεδεμένη σε σειρά με το φωτοτρανζίστορ. Κατά την πρόσπτωση ακτινοβολίας το ρεύμα του φωτοτρανζίστορ αυξάνεται όπως και η τάση στα άκρα του 45

47 αντιστάτη σύμφωνα με το νόμο του Ohm. Αυτό έχει ως συνέπεια η τάση εκπομπού συλλέκτη V CE να μειώνεται κατά το φωτισμό και να αυξάνεται με την απουσία φωτός. Σχήμα 3.4.2: Συνδεσμολογία του αισθητήρα υπερύθρου σε συνδυασμό με το συγκριτή τάσης Αυτή τη μεταβολή της τάσης στα άκρα του φωτοτρανζίστορ θα εκμεταλλευτούμε στην εφαρμογή. Στο κύκλωμα η τάση αυτή χρησιμοποιείται ως θετική είσοδος του τελεστικού ενισχυτή LM358Μ σε συνδεσμολογία συγκριτή τάσης. Στην αρνητική είσοδο υπάρχει ένα ποτενσιόμετρο των 10 kω που θέτει την τάση αναφοράς του συγκριτή. Το σήμα εξόδου θα είναι σε κατάσταση HIGH αν η τάση στη θετική είσοδο είναι μεγαλύτερη της αρνητικής ενώ στην αντίθετη περίπτωση θα είναι LOW. Το σήμα αυτό οδηγείται στον ψηφιακό ακροδέκτη PB1 του μικροελεγκτή ως είσοδος. Στην εφαρμογή της παρούσας διάταξης ο σκοπός του αισθητήρα είναι να διακρίνει τις εναλλαγές από μαύρο σε άσπρο στην επιφάνεια ενός κυλινδρικού τροχού. Ο τροχός καλύπτεται με μαύρη ελαστική επιφάνεια και σε δύο αντιδιαμετρικά σημεία έχει άσπρες γραμμές όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Η διάμετρος του τροχού είναι 0.64 cm 46

48 έτσι ώστε η ημιπερίμετρός του να ισούται με περίπου 1 cm. Αυτό σημαίνει ότι κατά την κύλιση του τροχού, δύο διαδοχικές προσπελάσεις της άσπρης γραμμής από τον αισθητήρα υποδεικνύουν ότι διανύθηκε απόσταση ενός cm. Σχήμα 3.4.3: Σχηματική απεικόνιση του τροχού και του αισθητήρα κατά την ανίχνευση Ο πομπός (Ε) του αισθητήρα εκπέμπει την υπέρυθρη ακτινοβολία στην επιφάνεια του τροχού όπου υφίσταται ανάκλαση και επιστρέφει στο δέκτη (R). Ανάλογα με το χρώμα της επιφάνειας μπροστά στον αισθητήρα έχουμε δύο περιπτώσεις. Όταν η επιφάνεια που σαρώνει ο αισθητήρας είναι μαύρη, απορροφάται περισσότερη ακτινοβολία, άρα ανακλάται λιγότερη ποσότητα φωτός πίσω στο δέκτη. Το ρεύμα του φωτορεζίστορ είναι μικρό που συνεπάγεται μικρή τάση στα άκρα του σε σειρά αντιστάτη. Έτσι, η τάση V CE (θετική είσοδος συγκριτή) είναι μεγαλύτερη. 47

49 Αντίθετα, για άσπρη επιφάνεια η ποσότητα ακτινοβολίας που προσπίπτει στο δέκτη είναι μεγαλύτερη λόγω της υψηλότερης ανακλαστικότητας συγκριτικά με το μαύρο. Το ρεύμα που δημιουργείται είναι μεγαλύτερο που σημαίνει, στην περίπτωση αυτή, μικρότερη τάση V CE ως είσοδο του συγκριτή. Καταγράφοντας τις τιμές της τάσης για την περίπτωση μαύρης και άσπρης επιφάνειας βρέθηκαν τα αποτελέσματα του παρακάτω πίνακα. Η μαύρη επιφάνεια προκαλεί τάση μεταξύ Volt και η άσπρη Volt. Επομένως, υπάρχει αρκετά μεγάλο χάσμα έτσι ώστε ο αισθητήρας να μην συγχέει τις καταστάσεις μεταξύ τους. Στη συνέχεια, ρυθμίζοντας το ποτενσιόμετρο έτσι ώστε η αρνητική είσοδος του τελεστικού να είναι 4.1 V, το κύκλωμα αντιλαμβάνεται με αξιοπιστία το χρώμα της επιφάνειας. Πίνακας 3.4.1: Τιμές τάσης στα άκρα του αισθητήρα κατά την κύλιση του τροχού Χρώμα επιφάνειας Ελάχιστη τάση (V) Μέγιστη τάση (V) Μαύρο Άσπρο Τελικά, το αποτέλεσμα είναι ο μικροελεγκτής να δέχεται στον ακροδέκτη PB1 την πληροφορία για τη διεύλεση άσπρης γραμμής. Αν η άσπρη γραμμή βρίσκεται μπροστά στον αισθητήρα τότε η θετική είσοδος του συγκριτή είναι μικρότερη της τάσης αναφοράς άρα η έξοδος θα είναι 0. Αντίθετα, όταν ο αισθητήρας σαρώνει μαύρη επιφάνεια η τάση της θετικής εισόδου είναι μεγαλύτερη της τάσης αναφοράς και η έξοδος γίνεται Κυκλώματα εξόδου Οι έξοδοι που περιλαμβάνει η διάταξη για να πληροφορήσει το χρήστη είναι δύο: ένα ενεργό Buzzer που παράγει ένα ακουστικό σήμα και ένα μικρό μοτέρ δονήσεων (Vibration motor) που δημιουργεί αισθητές δονήσεις στην συσκευή, αντιληπτές από το χρήστη. Τα εξαρτήματα αυτά είναι πολύ διαδεδομένα σε εφαρμογές αυτοματισμού λόγω του χαμηλού κόστους και της ευκολίας στη χρήση τους. Επίσης, οι ανάγκες της παρούσας εφαρμογής απαιτούν τα σήματα εξόδου να μπορούν να γίνουν αντιληπτά από κάποιον 48

50 χρήστη με απώλεια όρασης. Έτσι, ένας ηχητικός τόνος και μια δόνηση είναι οι κατάλληλες ενδείξεις που θα πληροφορήσουν το χρήστη Κύκλωμα active Buzzer Για την παραγωγή του ηχητικού τόνου χρησιμοποιήθηκε ένα ενεργό Buzzer. Τα buzzer είναι ταλαντωτές που με την εφαρμογή κατάλληλου σήματος ταλαντώνονται σε ακουστικές συχνότητες. Στη γενική περίπτωση για τη λειτουργία τους απαιτείται μια τάση τροφοδοσίας καθώς και η εφαρμογή του επιθυμητού σήματος που πρόκειται να παραχθεί. Αυτό σημαίνει ότι η ακριβής συχνότητα ταλάντωσης καθορίζεται από το σήμα που εφαρμόζεται στην είσοδό του. Εξαίρεση στο γενικό κανόνα αποτελεί το ενεργό buzzer. Η διαφορά έγκειται στο ότι η συσκευή έχει ενσωματωμένα τα απαραίτητα κυκλώματα για την παραγωγή ακουστικής ταλάντωσης συγκεκριμένης συχνότητας συντονισμού. Έτσι, μια απλή εφαρμογή κάποιας DC τάσης μπορεί να προκαλέσει ηχητικό παλμό. Η τιμή της τάσης που θα εφαρμοστεί καθορίζει την ένταση του ηχητικού παλμού. Για τη διάταξή μας, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα, ο ίδιος ο μικροελεγκτής οδηγεί το buzzer απευθείας με ένα PWM σήμα των 0.9 V που ενεργοποιείται όποτε πληρούνται οι προϋποθέσεις του προγραμμάτος. Σχήμα 3.5.1: Συνδεσμολογία ενεργοποίησης του buzzer 49

51 3.5.2 Κύκλωμα Vibration Motor Για την παραγωγή της δόνησης της συσκευής χρησιμοποιήθηκε ένας έκκεντρος περιστρεφόμενος κινητήρας δόνησης μάζας (Eccentric Rotating Mass vibration motor ERM). Πρόκειται για έναν μικρών διαστάσεων DC κινητήρα με μια ασύμμετρη μάζα προσκολλημένη πάνω του. Η εφαρμογή μιας DC τάσης περιστρέφει τον κινητήρα και η ασύμμετρη μάζα περιστρέφεται μεταβάλλοντας το κέντρο μάζας του κινητήρα. Αυτή η μεταβολή μετατοπίζει ολόκληρη την κατασκευή του κινητήρα. Δεδομένου ότι εκτελείται μεγάλος αριθμός περιστροφών ανά δευτερόλεπτο, ο κινητήρας συνεχώς τίθεται σε κίνηση προκαλώντας τελικά την επιθυμητή δόνηση. Για τις ανάγκες της διάταξης επιλέχθηκε ένας Coin Vibration motor διαμέτρου 10 mm και τάση λειτουργίας 2 ως 3.6 V. Οι μικρές διαστάσεις το κάνουν ιδανικό για την τοποθέτησή του μέσα στο στυλό και η χαμηλή τάση λειτουργίας επιτρέπει την οδήγησή του απευθείας μέσω του μικροελεγκτή. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται ένα σχηματικό διάγραμμα των στοιχείων που απαρτίζουν τον κινητήρα. Σχήμα 3.5.2: Σχηματική απεικόνιση των συστατικών μερών του κινητήρα δονήσεων [PrecisionMicrodrives] 50

52 Η κατασκευή απαρτίζεται από μια επίπεδη PCB πλακέτα πάνω στην οποία το κύκλωμα μετατροπής τριών πόλων βρίσκεται γύρω του εσωτερικού κεντρικού άξονα. Ο κινητήρας αποτελείται από δύο πηνία και μια μικρή μάζα ενσωματωμένα όλα σε έναν επίπεδο πλαστικό δίσκο με ένα ρουλεμάν στο κέντρο, τοποθετημένο στον άξονα. Δύο ακροδέκτες στην κάτοψη του πλαστικού δίσκου βρίσκονται σε επαφή με τους υποδοχείς της πλακέτας και παρέχουν τροφοδοσία στα πηνία τα οποία παράγουν ένα μαγνητικό πεδίο. Το πεδίο αυτό αλληλεπιδρά με τη ροή που δημιουργείται από ένα δισκοειδή μαγνήτη κολλημένο στον σκελετό του κινητήρα. Το κύκλωμα μετατροπής, στη συνέχεια, εναλλάσσει την κατεύθυνση του πεδίου μέσω των πηνίων κι αυτό αλληλεπιδρά με τους πόλους του μαγνήτη. Ο δίσκος περιστρέφεται και λόγω της ασύμμετρης έκκεντρης μάζας, ο κινητήρας δονείται. Ο πιο απλός τρόπος οδήγησης του κινητήρα είναι η εφαρμογή μιας DC τάσης μεταξύ των ορίων λειτουργίας στα άκρα του. Μια σταθερή τάση θα οδηγήσει τον κινητήρα σε σταθερή ταχύτητα περιστροφής και συνεπώς σε σταθερή συχνότητα και πλάτος δόνησης μέχρι να διακοπεί η τροφοδοσία. Στη γενική περίπτωση οι κινητήρες αυτοί απαιτούν μια τάση μεγαλύτερη των 2.3 V για να εξασφαλισθεί ότι θα ενεργοποιούνται κάθε φορά. Όσο αυξάνεται η τάση τροφοδοσίας τους η συχνότητα δόνησης και το πλάτος αυξάνονται. Το κύκλωμα που χρησιμοποιήθηκε φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Ο μικροελεγκτής τροφοδοτεί τον κινητήρα με ένα σήμα διαμορφωμένου εύρους (PWM) των 3.3 V όποτε το απαιτεί ο κώδικας που εκτελείται. Επίσης μια δίοδος τοποθετείται σε σειρά με τον κινητήρα για την αποφυγή της ενεργοποίησής του από ανάστροφα ρεύματα. 51

53 Σχήμα 3.5.3: Συνδεσμολογία ενεργοποίησης του κινητήρα δονήσεων 3.6 Κύκλωμα Push Button Για την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση των δύο λειτουργιών της συσκευής μας θα χρησιμοποιηθούν δύο διακόπτες. Ο χρήστης για να αναγνωρίσει το σχήμα της κυματομορφής (κύκλωμα φωτορεζίστορ και buzzer) θα πιέζει τον ένα διακόπτη ενώ για τη μέτρησή της (κύκλωμα IR και vibration motor) τον άλλο. Η συνδεσμολογία που χρησιμοποιήθηκε περιλαμβάνει όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα έναν αντιστάτη 10 kω και το διακόπτη πιέσεως. Το ένα άκρο του συνδέεται με τη γείωση ενώ το άλλο χρησιμοποιείται ως ψηφιακή είσοδος στον μικροελεγκτή. 52

54 Σχήμα 3.6.1: Συνδεσμολογία των δύο διακοπτών S1 και S2 Όταν ο διακόπτης είναι ανοιχτός, ο ακροδέκτης του μικροελεγκτή δέχεται την τάση τροφοδοσίας μέσω της αντίστασης και εμφανίζεται σε κατάσταση HIGH. Μόνο όταν πιεστεί ο διακόπτης, ο ακροδέκτης εισόδου συνδέεται με τη γείωση και ο μικροελεγκτής αντιλαμβάνεται την κατάσταση LOW. 53

55 3.7 Τελική διάταξη - Κατασκευή Αφού αναλύθηκαν τα επιμέρους κυκλώματα, στο σημείο αυτό θα παρουσιαστεί η συνολική διάταξη της συσκευής. Το κύκλωμα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3.7.1: Σχηματικό διάγραμμα της συνολικής διάταξης της συσκευής Το παραπάνω κύκλωμα τοποθετήθηκε σε τρυπητή πλακέτα διπλής όψεως διαστάσεων 2 x 12 cm. Οι διαστάσεις αυτές είναι αρκετά μικρές ώστε όλη η διάταξη να τοποθετηθεί σε συσκευασία που ο χρήστης μπορεί να χρησιμοποιήσει με το ένα χέρι. Η πλακέτα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα και περιλαμβάνει όλα τα εξαρτήματα που έχουν συζητηθεί στην παράγραφο. 54

56 Σχήμα 3.7.2: Υλοποιημένη διάταξη σε διπλής όψης πλακέτα των 2 Χ 12 cm. Η πλακέτα αυτή τοποθετήθηκε σε ξύλινη κατασκευή με ειδικές κενά για τις προεξοχές των διακοπτών και των εξαρτημάτων του κυκλώματος. Η τελική κατασκευή με τη συσκευασία της φαίνεται στο παρακάτω σχήμα Σχήμα 3.7.3: Τελική κατασκευή της συσκευής ανάγνωσης κυματομορφής παλμογράφου 55

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Προγραμματισμός 4.1 Εισαγωγή Στα προηγούμενα κεφάλαια έγινε αναφορά στις δυνατότητες του μικροελεγκτή, αναλύθηκαν οι καταχωρητές για κάθε λειτουργία που χρησιμοποιήθηκε και παρουσιάστηκε η συνδεσμολογία του κυκλώματος. Στο κεφάλαιο αυτό θα προχωρήσουμε στο προγραμματικό μέρος της εφαρμογής αναλύοντας τα βήματα λειτουργίας, τα προβλήματα που προκύπτουν καθώς και τους τρόπους επίλυσής τους. Η επικοινωνία με τον μικροελεγκτή καθώς και η συνδεσμολογία προγραμματισμού του έχει αναλυθεί σε προηγούμενα κεφάλαια. Το πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε είναι το AVRdude που παρέχει τις απαραίτητες βιβλιοθήκες και προσθήκες για τη μετατροπή του αρχείου C σε μορφή κατανοητή από το μικροελεγκτή. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε ο προγραμματιστής pocketavr της sparkfun για τη μεταφορά του προγράμματος στη μνήμη του μικροελεγκτή. Το πρόγραμμα που θα εκτελεί ο μικροελεγκτής αποτελείται από δύο μέρη: την κύρια συνάρτηση (main function) και έναν ατέρμων βρόχο που εκτελείται διαρκώς μέχρι να σταματήσει η τροφοδοσία. Το παρακάτω σχήμα απεικονίζει τη γενική μορφή του προγράμματος λειτουργίας της συσκευής. Στη συνάρτηση main εκτελούνται οι αρχικές εντολές που ρυθμίζουν τα διάφορα υποσυστήματα του μικροελεγκτή. Αυτές εκτελούνται κατά την εκκίνηση λειτουργίας και στη συνέχεια το πρόγραμμα εισέρχεται στον ατέρμων βρόχο που περιέχει τoν κώδικα λειτουργίας της συσκευής. 56

58 Σχήμα 4.1.1: Συνοπτική παρουσίαση του προγράμματος λειτουργίας του μικροελεγκτή Ο κώδικας που περιέχεται στον ατέρμον βρόγχο εκτελείται πολλές φορές το δευτερόλεπτο, τόσες που πρακτικά το κύκλωμα λειτουργεί σαν τα εκτελούνται όλες οι διαδικασίες και οι έλεγχοι ταυτόχρονα. Στην πραγματικότητα βέβαια οι εντολές εκτελούνται με τη σειρά που είναι γραμμένες η μία μετά την άλλη με μεγάλη ταχύτητα. 57

59 Πριν τη main συνάρτηση περιλαμβάνονται οι βιβλιοθήκες που χρησιμοποιήθηκαν και επίσης γίνεται η δήλωση των μεταβλητών. Μετά το κλείσιμο της main καθορίζουμε και την Interrupt Routine του μετατροπέα ADC. Το τμήμα κώδικα που περιλαμβάνεται στη ρουτίνα εκτελείται κάθε φορά που καλείται η διακοπή. Η κανονική ροή του προγράμματος διακόπτεται, και αφού εκτελεσθεί ο κώδικας της ρουτίνας, συνεχίζει από το σημείο όπου έγινε η διακοπή. Στο σημείο αυτό θα παρουσιαστεί και το πρόγραμμα στη συνολική του μορφή με την οποία μεταφέρθηκε στη μνήμη του μικροελεγκτή. 58

60 59

61 60

62 61

63 Κατά τις επόμενες ενότητες θα αναλυθούν τα επί μέρους τμήματα κώδικα που συνιστούν κάθε μία από τις λειτουργίες. Παράλληλα θα γίνει κατανοητός και ο τρόπος χειρισμού της συσκευής παρουσιάζοντας τη ροή του προγράμματος παράλληλα με τη χρήση της. 62

64 4.2 Βιβλιοθήκες (Libraries) Το πρώτο βήμα για τη δημιουργία του προγράμματος είναι να καθοριστούν οι βιβλιοθήκες που θα χρησιμοποιηθούν. Το παρακάτω τμήμα κώδικα δίνει εντολή στον compiler της C να συμπεριλάβει τις βιβλιοθήκες που επιλέχθηκαν. Η βιβλιοθήκη <avr/io.h> περιλαμβάνει τις ονομασίες των καταχωρητών του μικροελεγκτή. Έτσι, για να απευθυνθούμε σε κάποιον καταχωρητή δε χρησιμοποιούμε τη διεύθυνσή του στη μνήμη αλλά το κωδικό όνομα του που έχει προεπιλέξει ο κατασκευαστής. Η <avr/interrupt.h> είναι η βιβλιοθήκη που επιτρέπει τη διαχείρηση των διακοπών. Περιλαμβάνει εντολές για την ενεργοποίησή των διακοπών, τη ρύθμιση της ρουτίνας τους καθώς και το πότε θα αυτές θα καλούνται. Η <util/delay.h> περιλαμβάνει συναρτήσεις για την εισαγωγή καθυστέρησης. Δίνει τη δυνατότητα διακοπής της ροής του προγράμματος για το χρονικό διάστημα που θα δοθεί. Χρησιμοποιώντας την εντολή define καθορίζουμε ότι η συχνότητα λειτουργίας είναι τα 10 ΜHz. To βήμα αυτό αν παραλειφθεί τότε οι συναρτήσεις της βιβλιοθήκης θα θεωρήσουν ότι ο μικροελεγκτής τρέχει με τη συχνότητα του εσωτερικού ταλαντωτή του δημιουργώντας λανθασμένες καθυστερήσεις. 4.3 Δήλωση μεταβλητών (Variable Declaration) Οι διάφορες μεταβλητές πριν χρησιμοποιηθούν από το πρόγραμμα πρέπει να δηλωθούν πριν τις συναρτήσεις. Η δήλωση καθορίζει τον τύπο των μεταβλητών καθώς και το χώρο μνήμης που καταλαμβάνουν. Παρακάτω φαίνεται το τμήμα κώδικα για τη δήλωση μεταβλητών. 63

65 Ο τύπος uint8_t δηλώνει ακέραιο αριθμό των 8 bit και το uint16_t ακέραιο 16 bit. Να σημειωθεί ότι ακόμα και στην περίπτωση μεταβλητής του ενός bit ο χώρος που θα αποδοθεί στη μνήμη θα είναι ένα byte. Για το λόγο αυτό ακόμα και για τα flags του ενός bit αποδίδουμε 8 bit μνήμης. H προσθήκη του volatile πριν τον τύπο μεταβλητής εξασφαλίζει ότι οι συγκεκριμένες μεταβλητές θα είναι διαθέσιμες σε όλες τις συναρτήσεις και τις ρουτίνες του προγράμματος και όχι μόνο στη main. Ο σκοπός και η ερμηνεία των παραπάνω μεταβλητών θα εξηγηθούν στη συνέχεια του κεφαλαίου στα τμήματα κώδικα όπου γίνεται η χρήση τους. 4.4 Συνάρτηση main Διαμόρφωση ακροδεκτών/συστημάτων Όπως προαναφέρθηκε οι πρώτες εντολές που εκτελεί ο μικροελεγκτής είναι αυτές που βρίσκονται στη συνάρτηση main πριν τoν while βρόγχο. Αυτές αφορούν τη ρύθμιση των ακροδεκτών, τη διαμόρφωση του συστήματος του μετατροπέα ADC και των timers. Το αντίστοιχο τμήμα κώδικα παρουσιάζεται παρακάτω. 64