Μάρτιος 2002 Αριθ. Τευχους 235 3,5 ΛΕΚΎ Ο Ρ Αναπτυξιακό σύστημα με PIC Μικτής για φώτα και για εσκο : I J "3!g 2 ' 2 2 = a Ολοκληρωμένο για όλα τα είδη μοντέλων '. ' fi y ~ ~ Γ ιλ Λ ί\ Οι *7; \ ΙΤελικός ενισχυτής ευρείας χρήσης Έλεγχος της εξόδου S/PDIF Μετατροπή στάθμης Ηλεκτρονικό φορτίο t m v a h 33ε» Φ TL331KH p c -»*o i!
Αρ.Τεύχους 235 Μάρτιος 2002 Περιεχόμενα Αναπτυξιακό σύστημα μεριο Ο PICee με τον PIC 16F 84 είναι ένας μικροϋπολογιστής μιας πλακέτας για εκπαιδευτικούς σκοπούς είναι εύκολος στν χρήση έχει χαμηλό κόστος και μπορεί να επεκταθεί. 12 Αγορά 14 Αναπτυξιακό σύστημα με PIC Τελικός ενισχυτής ευρείας χρήσης Ένας τελικός ενισχυτής με ένα μόνο ολοκληρωμένο αλλά με καλές επιδόσεις που μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε σε παράλληλη σύνδεση, σε γέφ υ ρα, σε ενεργά ηχεία κ.λπ. Πολύ εύκολος στην κατασκευή και ευχάριστος στην ακοή. 20 Εκπαιδευτική σειρά για μικροελεγκτές (2) 25 Μετατόπιση στάθμης 28 Εύκολοι έλεγχοι θυρών S/P DIF 32 Ρυθμιζόμενο φορτίο Ισχύος Ελεγκτής πολλαπλών λειτουργιών για μοντέλα Ένας σχεδόν μοναδικός μικροελεγκτής με ικανότητα υποστήριξης δεκατεσσάρων διαφορετικώ ν λειτουργιών που μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε μοντέλο. 35 Τελικός ενισχυτής ευρείας χρήσης. 43 Μικτής φωτισμού. 51 Πομποδέκτης υπερύθρου για PC 43 Μικτής φωτισμού. Με οκτώ ανεξάρτητα κανάλια, μεταγώμενη γεννήτρια ρυθμού, ενδείκτες τάσης εξόδου, έλεγχος από PC, επεκτάσιμος και μικρό κόστος. Ό τ ι δηλαδή χρειάζεστε. ' 58 Ελεγκτής πολλαπλών λειτουργιών για μοντέλα. 64 Αναβίωση των ενισχυτών με λυχνίες ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002
Μ1ΚΡ0ΕΛΕΓΚΤΕΣ Αναπτυξιακό σύστημα με PIC Βασισμένος στον PIC16F84 Ο PICee είναι ένας μικροϋπολογιστής μιας πλακέτας σχεδιασμένος για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Κύρια γνωρίσματα του είναι το χαμηλό κόστος, η επεκτασιμότητα και η ευκολία χρήσης. Η κατασκευή που περιγράφουμε στις επόμενες σελίδες αφορά στον PICee, ένα ευέλικτο υπολογιστικό σύστημα κτισμένο' γύρω από τον δημοφιλή μικροελεγκτή PIC16F84 της Microchiρ. Κύριος σκοπός της είναι η κατανόηση των γλωσσών προγραμματισμού χαμηλών επιπέδου, όπως είναι π.χ. η συμβολική των PIC, χωρίς όμως να υποβαθμίζεται και η σημασία της ανάπτυξης εφαρμογών αυτοματισμού. Διαθέτει μνήμη Flash που εγγράφεται και διαγράφεται με ηλεκτρικό τρόπο (Electrically Erasable PROM), από την οποία άλλωστε πήρε και τα δύο τε λευταία γράμματα του ονόματος του (τα δύο e' στο PICee"). Σε αντίθεση με τον μικροελεγκτή AT89C8252 της πλακέτας που περιγράψαμε στο τεύχος του Ιανουάριου 2002, ο PIC16F84 δια θέτει πυρήνα τύπου RISC (Reduced Instruction Set Computer, Υπολογιστής μικρού πλήθους εντολών). Αυτό σημαίνει πως το ρεπερτόριό των εντολών του είναι μικρό (μόλις 35!), Η πλακέτα φιλοξενεί στην επιφανειά της μια πληθώρα βοηθητικών εξαρτημάτων επαρκή για την ανάπτυξη πολλών διαφορε- 14 ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002
Μ1ΚΕΩΕΔΕΓΚΤΕΣ Σχ. 1. Το διάγραμμα του εκπαιδευτικού συστήματος. Το πλήθος τω ν περιφερειακώ ν για πειραματισμούς είναι μεγάλο. τικών εφαρμογών. Μπορείτε να ξεκινήσετε από απλά φωτεινά εφέ αναβοσβήνοντας λαμπάκια και να καταλήξετε στην δημιουργία ενός ρολογιού ακρίβειας. Οι ενδείξεις της ώρας απεικονίζονται σε μια ενσωματωμένη αλφαριθμητική οθόνη LCD. Το υλικό μέρος Στη θέση της βάσης του IC3 μπορείτε να τοποθετήσετε οποιονδήποτε μικροελεγκτή της οικογένειας PIC16F84 που έχει συχνότητα χρονισμού από 4 έως 20 MHz. Ολα τα μέλη της οικογένειας διαθέτουν ενσωματωμένο ταλαντωτή, η συχνότητα του οποίου καθορίζεται από ένα απλό δικτύωμα RC ή από ένα κρύσταλλο. Ο διακόπτης S2 επιτρέπει την επιλογή ενός εκ των δύο δικτυωμάτων χρονισμού σύμφωνα με τις δικές σας ανάγκες. Το δικτύωμα RC αδυνατεί να φθάσει σε υψηλές συχνότητες, έχει όμως χαμηλό κόστος. ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002 Τα αντίστροφο ισχύει για τους κρυστάλλους που πρέπει να τους προτιμάτε όταν θέλετε να έχετε υψηλη ακρίβεια στις εφαρμογές σας. Θα σας προτείναμε να χρησιμοποιήσετε κατ' αρχήν το δικτύωμα RC και μετά, αφού μετρήσετε τη συχνότητα λειτουργίας του μικροελεγκτή, να το αντικαταστήσετε με έναν κρύσταλλο. Το ρυθμιστικό Ρ1 επιτρέπει τον καθορισμό οποιοσδήποτε επιθυμητής συχνότητας ταλάντωσης. Στο κύκλωμα της αρχικοποίησης συμμετέχουν, εκτός της εσωτερικής βαθμίδας, η δίοδος D2 και η αντίσταση R5. Με τη βοήθειά τους εξασφαλίζεται ότι στην ακίδα MCLR θα επιβάλλεται τόση +5 V (υψηλή στάθμη) καθ' όλη τη διάρκεια της λειτουργίας του μικροελεγκτή. Ο πιεστικός διακόπτης S3 μας επιτρέπει να την διακόπτουμε προσωρινά όταν θέλουμε να επανεκκινήοουμε το μικροελεγκτή. Στην ίδια ακίδα καταλήγει, μέσω της R5) και η έξοδος του TL497 (IC2). Το ολοκληρωμένο αυτό είναι ένας μετατροπέας τάσης τύπου DC/DC, που σαν μοναδικό σκοπό έχει να παράγει τάση +13,5 V κάθε φορά που πρέπει να (επαν)εγγραφεί η μνήμη Flash. Για να τεθεί σε λειτουργία αρκεί να ενώσετε τις επαφές του διακόπτη S1, που με τη σειρά του ενώνει όλο το κύκλωμα του μετατροπέα στη γη. Σαν επιβεβαίωση της παρουσίας της τάσης προγραμματισμού ανάβει το LED D21. Ο κώδικας που εγγράφεται στην μνήμη του μικροελεγκτή φθάνει σε αυτόν μέσω του συνδετήρα Κ2. Στην υποδοχή του συνδέεται ένα τυπικό σειριακό καλώδιο 1:1 (όχι μηδενικού μόντεμι), η άλλη άκρη του οποίου καταλήγει στον υπολογιστή που αναπτύσσετε την εφαρμογή σας. Μέσα από το καλώδιο μεταφέρονται εννέα διαφορετικά σήματα που καταλήγουν σε δύο βύσματα ισάριθμων ακίδων αρσενικό sub D 9 και θηλυκό sub D 9. Η τοποθέτηση του καλωδίου σύνδεσης υεταεύ του υπολονιστπ και m e πλακέταο πρέπει να νίνε- 15
M IK P Q E A m ie I Σχ. 2. Η πλακέτα (μονής όψης) και η τοποθέτηση τω ν υλικών πάνω σε αυτήν. 16 ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002
ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΕΣ ται U0VO όταν η πλακέτα είναι εκτόο λειτουονίας. Αφού αποκατασταθεί η σύνδεση μπορείτε να 'τρέξετε' το λογισμικό υποστήριξης προγραμματισμού. Τα σειριακά σήματα DATA και CLOCK που απαιτούνται για την εγγραφή του κώδικα στην μνήμη του μικροελεγκτή, μετατρέπονται σε ισοδύναμα στάθμης TTL με τη θοήθεια των απομονωτών IC4C και IC4D. Οι τελευταίοι οδηγούν τις ακίδες RB6 και RB7 αντίστοιχα Ο απομονωτής IC4B φροντίζει για την εκπομπή των σημάτων DATA πίσω στον υπολογιστή κατά τη διάρκεια της επιβεβαίωσης της εγγραφής ή της απλής ανάγνωσης της μνήμης Flash. Τέλος, ο IC4A καθορίζει τη στάθμη της ακίδας MCLR ελέγχοντας την ακριβή στιγμή που θα επιβληθεί η τάση προγραμματισμού, όπως επίσης και το πότε θα γίνει η επανεκκίνηση του μικροελεγκτή. Για την δημιουργία ενός περισσότερο ευέλικτου συστήματος, οι σχεδιαστές της πλακέτας δεν περιορίστηκαν μόνο στις ενσωματωμένες περιφερειακές μονάδες του μικροελεγκτή. Το εξόπλισαν και με κάμποσες εξω τερικές, δημιουργώντας με αυτόν τον τρόπο μια εξαιρετικά Ισχυρή πλακέτα. Τρία είναι τα βασικά περιφερειακά, που όλα τους αξιοποιούνται από μια σειρά έτοιμων εφαρμογών γραμμένων ειδικά για αυτά Οι δίοδοι LED D8 έως D20 αποτελούν το απλούστερο περιφερειακό εξόδου. Συνδέονται στις ακίδες των θυρών RB και RA παρέχοντας άμεσες ενδείξεις για τις ηλεκτρικές καταστάσεις που επικρατούν σε αυτές. Αποδεικνύονται ιδιαίτερα χρήσιμες στα πρώτα βήματα των εκπαιδευόμενων, αφού μέοω αυτών επαληθεύονται με οπτικό τρόπο τα αποτελέσματα των εντολών του εκτελούμενου προγράμματος. Για να αξιοποιήσετε αυτή τη δυνατότητα θα πρέπει να έχετε επιλέξει σήμα χρονισμού μέσω του δικτυώματος RC και να έχετε στρέψει το Ρ1 προς εκείνη τη μεριά που παράγει την ελάχιστη δυνατή συχνότητα. Φυσικά, ο σκοπός τους δεν είναι μόνο αυτός. Μπορείτε να τρέξετε διάφορα προγράμματα που τις μετατρέπουν σε ενδεικτικά στάθμης, κυλιόμενα φώτα, απλά εξαρτήματα αναλαμπών κ.α. Το ίδιο εύκολα μπορείτε να αυξομειώσετε την ένταση του φωτός που παράγουν, διαμορφώνοντας το ρεύμα που τις διαρρέει κατά PWM. Η ενεργοποίηση / απενεργοποίησή τους επιτυγχάνεται μέσω του διακόπτη S8. Αμέσως μετά το στοιχειώδες περιφερειακό εξόδου είναι σκόπιμο να αναφερθούμε σε ένα άλλο, εξ ίσου απλό, περιφερειακό εισόδου. Το Κατάλογος υλικών Αντιστάσεις: R1,R15-R22,R25-R29-1,5ΚΩ R2,R24,R34,R35 = 4,7ΚΩ R3,R4,R6-R8,R10 = 10ΚΩ R5.R12 = 1 ΚΩ R9.R11 = 470Ω R13 = 12ΚΩ R14 = 10Ω R23 = 33Ω R30 = 470ΚΩ R31.R32-270Ω R33 = 3.3ΚΩ Ρ1 = 100ΚΩ ρυθμιστικό Ρ2 = 10ΚΩ ρυθμιστικό Πυκνωτές: C 1,C2,C3,C5.C6,C7,C 10.C 11,C 12 = 100nF C4 = 220pF C8.C9 = 27pF C13 = 470μΡ 25 V κατακόρυφος C114,C15,C16-47pF 16V κατακόρυφος Ημιαγωγοί: D1 = 1N4007 D2-D7 = 1N4148 D8-D11.D16-D19 = κίτρινο LED 3 mm υψηλής απόδοσης D12-D18,D20,D21 = κόκκινο LED 3 mm υψηλής απόδοσης D22 = πράσινο LED 3 mm υψηλής απόδοσης T1.T2.T3 = BC547 IC1 = 7805 IC2 = TL497AC IC3 = PIC16F84 IC4 = 74HCT125 Διάφορα: K1 = υποδοχή τροφοδοτικού πρίζας κατάλληλο για τυπωμένο κύκλωμα Κ2 = θηλυκός συνδετήρας sub D 9 επαφών με γωνιασμένες ακίδες κατάλληλο για τυπωμένο κύκλωμα Κ3 - συνδετήρας DIN41612 model Β (Conrad Electronics # 741582) Κ4 = μονή σειρά 16 θηλυκών υποδοχών (SIL) L1 = πηνίο 100μΗ S1,S2,S4.S8,S9,S10 = διακόπτης ΟΝ/OFF μιας επαφής ή σειρά τριών ακίδων με βραχυκυκλωτήρα S3.S5,S6,S7 = πιεστικοί διακόπτες (αχ. Shadow type D6 της ITT) X1 = κρύσταλλος χαλαζία με βάση Ψύκτης για το IC1 π.χ. ICK35 (Fischer ή Dau Components) Πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, κωδικός: 010062-1 Δισκέτα με λογισμικό και παραδείγματα εφαρμογών, κωδικός: 010062-11 ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002 17
ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΕΣ πληκτρολόγιο που φιλοξενείται πάνω στην πλακέτα αποτελείται από τους διακόπτες S5, 56 και S7 συνδέεται στις ακίδες 0 και 1 της θύρας RA. Ό ταν πιέζεται ο διακόπτης S6 ή ο 57 εφαρμόζεται υψηλή στάθμη (λογικό Τ ) στις ακίδες RA1 ή RA0 αντίστοιχα Ό ταν πιέζεται ο S7 εμφανίζεται υψηλή στάθμη και στις δύο ταυτόχρονα Το λογισμικό που 'τρέχει' ο μικροελεγκτής καταφέρνει να ξεχωρίζει τι γίνεται κάθε φορά προσδιορίζοντας με ακρίβεια το διεγερμένο πλήκτρο. Οι δίοδοι D3, D4. D6 και D7 είναι εκείνες που μας επιτρέπουν να 'στριμώξουμε' τα τρία πλήκτρα σε δύο ακίδες, αξιοποιώντας με τον καλύτερο δυνατό τρόπο τις γραμμές εισόδου / εξόδου του PIC16F84. Μια προσεκτική μελέτη θυμίζει οε όλους δύο πύλες OR τύπου RDL, εκ των οποίων η πρώτη οδηγεί την ακίδα RAO (D3, D7, R34) και η δεύτερη την RA1 (D4, D6, R35). Οι δύο αντιστάσεις θα μπορούσαν να λείπουν, αφού ωραιότατα μπορούν να υποκατασταθούν από τις εσωτερικές του ολοκληρωμένου. Επειδή όμως οι τελευταίες έχουν πολύ μεγάλη τιμή και παράλληλα με τα πλήκτρα είναι τοποθετημένες και οι δίοδοι LED D16 και D17, η παρουσία τους είναι απαραίτητη. Ό ταν πάνω σε μια (σβηστή) δίοδο LED πέφτει έντονο λευκό φως, τότε η δίοδος μετατρέπεται σε μια φωτοδίοδο, το ρεύμα της οποίας μπορεί να γίνει αντιληπτό από τις ακίδες υψηλής αντίστασης του μικροελεγκτή. Οι αντιστάσεις R34 R35 το μηδενίζουν ελαχιστοποιώντας την περίπτωση να νομίσει ο PIC16F84 ότι έχει πιεαθεί κάποιο πλήκτρο. Αν αναρωτιέστε γιατί τοποθετήθηκαν τρία πλήκτρα και όχι δύο ή περισσότερα, θα απαντούσαμε πως ο αριθμός αυτός αποτελεί μια χρυσή τομή απέναντι στην εξοικονόμηση ακίδων και στην λειτουργικότητα. Εχοντας τρία πλήκτρα, είμαστε σε θέση να ορίσουμε πολλές διαφορετικές λειτουργίες. Αν π.χ. το ένα από αυτά χρησιμοποιηθεί για την επιλογή μιας από αυτές που εμφανίζονται σε ένα μενού και τα άλλα δύο για την αύξηση ή μείωση των παραμέτρων που τη χαρακτηρίζουν, τότε η πλακέτα μας είναι σε Αναφορές Σχ. 3. Το λογισμικό προγραμματισμού NTPicprog. Σχ. 4. Ο ι ρυθμίσεις που πρέπει να γίνουν στο περιβάλλον του ICPROG. Δικτυακές διευθύνσεις http://www.microchip.com http://www.wolfoana-kvnast.de/pic.htm http://www.ludwio-oeissler-schule.de/docs/picee/picee.html Easy PIC'n, υπό David Benson. Εκδόσεις Square I PIC'n up the Race, υπό David Benson. Εκδόσεις Square I PICs in Practice, υπό F. Volpe. Εκδόσεις Elektor Electronics Publishing Ξανά στα θρανία! To κύκλωμα που περιγράψαμε παραπάνω σχεδιάσθηκε και αναπτύχθηκε αποκλειστικά και μόνο για εκπαιδευτικούς σκοπούς στο σχολείο Ludwig-Geissler στο Hanau της Γερμανίας. Η πλακέτα, με την πληθώρα των περιφερειακών, χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για πολλά χρόνια σε όλες σχεδόν τις τάξεις. Φυσικά, εκτός από τα μαθήματα που έγιναν πάνω σε αυτήν, η ίδια πλακέτα αποτέλεσε το μυαλό και για αρκετές εφαρμογές αυτοματισμού. Αξιοποιήθηκε για τον έλεγχο ραδιοεραοιτεχνικών πομποδεκτών, για τον έλεγχο μικροσυσκευών και σε άλλες εφαρμογές. Και όλα αυτά με κόστος μικρότερο από 60 Ευρώ. 18 ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002
θέση να ελέγξει κυριολεκτικά τα πάντα! Κάτι ανάλογο, άλλωστε, δεν κάνουμε όταν ρυθμίζουμε την ώρα στα επιτραπέζια ψηφιακά ρολόγια ή επιλέγουμε τους σταθμούς στα ραδιόφωνα των αυτοκινήτων; Το πληκτρολόγιο μπορείτε να το θέτετε εντός ή εκτός λειτουργίας μέσω του διακόπτη S10. Το τρίτο περιφερειακό είναι το πιο 'δυνατό' από όλα. Πρόκειται για μια αλφαριθμητική οθόνη LCD βασισμένη στον ελεγκτή HD44780 της Hitachi. Μπορείτε να την τοποθετήσετε, εφόσον οας χρειάζεται, πάνω στις υποδοχές που έχουν προβλεφθεί γγ αυτήν. Για την οδήγησή της έχουν δεσμευτεί δύο ακίδες του μικροελεγκτή. Η RA2 μεταφέρει το σήμα Ε (Enable, Ενεργοποίηση), ενώ η RA3 το σήμα RS (Register Select, Επιλογή Καταχωρητή). Η είσοδος R/W (Read / Write, Ανάγνωση / Εγγραφή) της οθόνης, αυτή δηλαδή που επιτρέπει στον ενσωματωμένο ελεγκτή να αντιλαμβάνεται εάν θέλουμε να πάρουμε ή να δώσουμε πληροφορία σε αυτόν, έχει οδηγηθεί μόνιμα στη γη. Η 'εκκεντρική' αυτή σύνδεση δεν δημιουργεί κανένα πρόβλημα στην πλακέτα αφού το πλείστον των προσπελάσεων στην οθόνη αφορούν εγγραφές. Το ρυθμιστικό Ρ2 επιτρέπει τη ρύθμιση της αντίθεσης, ενώ ο διακόπτης S4 φροντίζει για το φωτισμό της οθόνης. Τέλος ο S4 παίζει τον ρόλο του γενικού διακόπτη λειτουργίας της οθόνης. Ό λα τα σήματα του μικροελεγκτή μαζί με τους αγωγούς τροφοδοσίας των +5 V εμφανίζονται στις ακίδες του συνδετήρα Κ3. Πρόκειτα ι για ένα θηλυκό συνδετήρα τύπου DIN41612 των 32 επαφών, που τοποθετείται κατά πλάτος της πλακέτας. Με τη βοήθεια ενός αντίστοιχου αρσενικού, κολλημένου σε μια θυγατρική πλακέτα, μπορείτε να επεκτείνετε το βασικό κύκλωμα της κατασκευής επαυξάνοντάς το με περισσότερες περιφερειακές μονάδες. Ο έλεγχός τους θα εξασφαλίζεται, φυσικά, με τη βοήθεια του PIC16F84. Η θυγατρική πλακέτα μπορεί να είναι μια διάτρητη πλακέτα γενικής χρήσης ή μια οποιαδήποτε σχεδιασμένη από εσάς. Η απαραίτητη τάση τροφοδοσίας εξασφαλίζεται από ένα εξωτερικό τροφοδοτικό πρίζας 9 έως 12 V, η έξοδος του οποίου εφαρμόζεται στον συνδετήρα Κ1. Ο σταθεροποιητής 7805 (IC1) φροντίζει να την υποβιβάζει στα +5 V παρέχοντας ταυτόχρονα το απαραίτητο ρεύμα. Η δίοδος LED D22 δείχνει το πότε υπάρχει. Αν θέλετε να τροφοδοτήσετε την κατασκευή σας από μπαταρίες μπορείτε να παραλείψετε τόσο τον σταθεροποιητή όσο και τη δίοδο προστασίας ανάστροφης πολικότητας D1 και να αναζητήσετε τέσσερις μπαταρίες Ni-Cd. Τοποθετώντας τις στην κατάλληλη μπαταριοθήκη θα έχετε μια τάση ίση με 4,8 V, επαρκή για τον μικροελεγκτή και τα υπόλοιπα κυκλώματα. Η τοποθέτηση των υλικών πάνω στην πλακέτα φαίνεται στο σχ. 2. Τα εξαρτήματα κολλιούνται πάνω σε αυτήν με τη βοήθεια ενός κολλητηριού μικρής ισχύος. Προτού όμως ξεκινήσετε την τοποθέτησή τους είναι καλύτερο να κολλήσετε τις 18 γέφυρες που σημειώνονται καθαρά στο διάγραμμα Αν σας φαίνονται πολλές, σίγουρα δεν έχετε άδικο. Θα έπρεπε όμως να είχατε προετοιμαστεί γι' αυτές αφού η πλακέτα είναι μονής και όχι διπλής όψης όπως οι περισσότερες πλακέτες μικροϋπολογιστών. Σας προτείνουμε να χρησιμοποιήσετε βάσεις για όλα τα ολοκληρωμένα και να ελέγξετε σχολαστικά την πολικότητα όλων των εξαρτημάτων που τοποθετούνται κατά μια συγκεκριμένη φορά. Όπως σημειώσαμε παραπάνω, όλες οι ακίδες εισόδου / εξόδου του μικροελεγκτή καταλήγουν στον συνδετήρα DIN που είναι τοποθετημένος στο μέσον της πλακέτας. Λίγο πιο πάνω από αυτόν συναντούμε τις οπές σύνδεσης της οθόνης υγρών κρυστάλλων. Οι τρόποι που μπορείτε να την ενώσετε με την πλακέτα είναι πολλοί. Ο απλούστερος προϋποθέτει την παρουσία μιας καλωδιοταινίας 16 αγωγών τα άκρα της οποίας θα κολληθούν στην πλακέτα και στην οθόνη. Ένας άλλος περισσότερο βολικός τρόπος απαιτεί την κόλληση μιας σειράς εσοχών πάνω στην πλακέτα και μιας σειράς ακίδων πάνω στην οθόνη (ή το αντίστροφο). Εισάγοντας τις ακίδες μέσα στις εσοχές αποκαθίσταται η επικοινωνία και συνάμα εξασφαλίζεται η (στοιχειώδης) στήριξη της οθόνης. Τέλος σημειώνουμε πως όλοι οι διακόπτες μπορούν να αντικατασταθούν με σειρές τριών ακίδων και βραχυκυκλωτήρες. Το (δωρεάν) λογισμικό Η διάδοση των μικροελεγκτών PIC είναι τόσο μεγάλη που όποια πέτρα και αν σηκώσετε θα βρείτε πολλά για αυτούς. Πράγματι, η διαθέσιμη βιβλιογραφία, έντυπη και ηλεκτρονική, είναι τόσο μεγάλη που σίγουρα καλύπτει τις ανάγκες οποιοσδήποτε εφαρμογής. Εξ άλλου, όλα τα τεχνικά εκπαιδευτήρια διαθέτουν στις Δυκτιακές τους σελίδες επαρκείς πληροφορίες για αυτούς. Δεν έχετε παρά να δώσετε μια σχετική λέξη - κλειδί (π.χ. την 'PIC16F84') στη μηχανή αναζήτησης που χρησιμοποιείτε, για να πάρετε κατεβατά από σχετικές τοποθεσίες. Φυσικά, θα χρειασθείτε και το κατάλληλο λογισμικό μέσω του οποίου θα καταφέρετε να φορτώσετε τη μνήμη Flash με το πρόγραμμα της εφαρμογής σας. Και αυτό όμως είναι πολύ εύκολο να το βρείτε και μάλιστα δωρεάν. Το πακέτο MPLAB που διατίθεται από την ίδια την Microchip, αποτελεί ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΕΣ ένα θαυμάσιο εργαλείο γι' αυτόν τον σκοπό. Περιλαμβάνει έναν κειμενογράφο, ένα ουμβολομεταφραστή, έναν προσομοιωτή, όπως επίσης και πολλά παραδείγματα εφαρμογών. Αν πάλι προτιμάτε το παλιό καλό DOS, τότε 'κατεβάστε' τα MPASM.exe (συμβολομεταφραστή) και MPSIM.exe (προσομοιωτή) που και αυτά διατίθενται δωρεάν από την Microchip. Μαζί με αυτά θα σας προτείναμε να κατεβάσετε' και το αρχείο PDF που περιλαμβάνει όλα τα τεχνικά χαρακτηριστικά του PIC16F84. Ένα από τα πιο συνηθισμένα πακέτα που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή είναι το ΝΤ- Picprog που είναι διαθέσιμο από τον δικτυακό τόπο: http://home.swidnet.se/'w24528/ntpicdroa (βλ. σχ. 3). Το ίδιο κατάλληλο αποδεικνύεται και το ICPROG.exe που και αυτό μπορείτε να το 'κατεβάσετε' δωρεάν από την διεύθυνση www.ic-droq.com. Από τη στιγμή που τρέξετε' κάποιο από αυτά έχοντας ουνδεδεμένη την πλακέτα στη σειριακή θύρα του υπολογιστή σας, θα διαπιστώσετε πως η κατασκευή οας αναγνωρίζεται σαν προγραμματιστής τύπου JDM Programmer' (βλ. σχ. 4). Τέλος δεν θα πρέπει να παραλείψουμε να αναφέρουμε το γνωστό λογισμικό προγραμματισμού ΡΙΡ02 που 'τρέχει' θαυμάσια κάτω από το περιβάλλον του DOS. Είναι γνωστό στους περισσότερους αναγνώστες του Ελέκτορ, μιας που έχουμε μιλήσει πολλές φορές γι' αυτό. Σε ότι αφορά στη συνολική διαδικασία μετατροπής του πηγαίου κώδικα σε δεκαεξαδικό, τα πράγματα είναι μάλλον απλά. Ξεκινάτε από το πηγαίο κώ δικα (χ ρ ησ ιμ οπ οιή σ τε οπ οιονδήπ οτε κειμ ενο γρ ά φ ο θ έ λ ε τε με έξοδο ASCII), συνεχίζετε καλώντας το συμβολομεταφραστή κα ι ε π ιβ ε β α ιώ ν ε τε (π ρ ο α ιρ ε τικ ά ) τη ν συμπεριφορά του προγράμματος μέοω του προσομοιωτή. Ο δεκαεξαδικός κώδικας, που αντιλαμβάνεται ο μικροελεγκτής οδηγείται κατόπιν στο λογισμικό του προγραμματιστή, με τη βοήθεια του οποίου μεταφέρεται στη Flash. Ό λα τα απαραίτητα για την ανάπτυξη και την εγγραφή προγραμμάτων θα τα βρείτε στη δισκέτα με τον κωδικό 010062-1, που μπορείτε να παραγγείλετε στα γραφεία του περιοδικού. Μέσα σε αυτήν περιέχονται επίσης πολλά παραδείγματα εφαρμογών. (010062-1) ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002 19
ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΕΣ Εκπαιδευτική σειρά για μικροελεγκτές (2) Μέρος 2ο: Χαρακτηριστικά και προσπέλαση των θυρών Σ τ ο πρώτο μέρος του άρθρου αναφερθήκαμε στη σημασία και τη χρήση της συμβολικής γλώσσας. Τώρα ήρθε η ώρα για μερικές χρήσιμες πρακτικές εφαρμογές. Προτού όμως περάσουμε σε αυτές θα μιλήσουμε για τη φύση και τα χαρακτηριστικά των θυρών του μικροελεγκτή. Ό λοι όσοι έχουν έστω και μια μικρή σχέση με τους μικροελεγκτές γνωρίζουν πως οι θύρες τους διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους. Οι διαφορές αυτές υφίστανται ανεξάρτητα από το αν οι θύρες είναι συμβατές με στάθμες TTL ή CMOS ή είναι τύπου ανοικτού συλλέκτη (ή εκροής), push pull ή τριών καταστάσεων. Είναι διαφορές που εντοπίζονται στη φύση των κυκλωμάτων που σχηματίζουν τις θύρες. Κάτι ανάλογο συμβαίνει και με τον AT89S8252 που φιλοξενείται στην πλακέτα των εφαρμογών μας. Η θύρα Ρ1 που διαθέτει αν και είναι συμβατή με σήματα στάθμης TTL έχει πολλές σημαντικές διαφορές από τις αντίστοιχες θύρες οποιοσδήποτε άλλου μικροελεγκτή. Ο κατασκευαστής του εξαρτήματος την ονόμασε Ήμι-κατευθυντική' (Quasi-bidirectional) προσπαθώντας να προσδιορίσει την ικανότητά της να συμπεριφέρεται τόσο σαν είσοδος όσο και σαν έξοδος χωρίς την παρέμβαση κάποιου ειδικού κυκλώματος καθορισμού της ροής των δεδομένων. Η θύρα αυτή αποτελεί πράγματι ένα μοναδικό είδος, αν λάβουμε υπόψη μας πως οι θύρες των περισσότερων μικροελεγκτών διαθέτουν απομονωτές τριών καταστάσεων τους οποίους φροντίζουν να ενεργοποιούν κατά την έξοδο και να αποκόπτουν κατά την είσοδο. Τα κυκλώματα, αλλά και η διαχείριση των θυρών ενός μικροελεγκτή είναι καθοριστικής σημασίας για μια σχεδίαση. Μέσω αυτών εισάγονται τα δεδομένα από το εξωτερικό περιβάλλον και εφαρμόζονται οι διεγέρσεις στις συσκευές που ελέγχει ο μικροελεγκτής. Πρέπει λοιπόν να είναι εκ των προτέρων γνωστή η συμπεριφορά τους, ώστε να χρησιμοποιούνται τα καταλληλότερα κατά περίπτωση εξωτερικά κυκλώματα οδήγησης και απομόνωσης. 20 Στο σχ. 1 φαίνεται το διάγραμμα των βαθμιδών που κρύβονται πίσω από κάθε μια ακίδα της θύρας Ρ1. Τα εξαρτήματα που έρχονται σε άμεση επαφή με αυτήν είναι μια αντίσταση πρόσδεσης στη θετική τροφοδοσία και ένα τρανζίστορ FET. Ό ταν το ζητούμενο είναι η εμφάνιση υψηλής στάθμης στην ακίδα, το FET αποκόπτεται και το μοναδικό εξάρτημα που ορίζει την τάση εξόδου της ακίδας είναι η αντίσταση. Με την προϋπόθεση πως το παρεχόμενο ρεύμα είναι επαρκές, μπορείτε να συνδέσετε σε αυτήν την είσοδο οποιοσδήποτε κυκλώματος (π.χ. μια πύλη CMOS) και να είσαστε βέβαιοι πως η υψηλή στάθμη θα γίνει αντιληπτή. Το ίδιο εύκολα μπορείτε να συνδέσετε και ένα εξωτερικό κύκλωμα που θα οδηγεί την ακίδα αυτή. Οταν η γραμμή οδηγηθεί σε χαμηλή στάθμη τότε το FET. παείι σε κατάσταση αγωγιμότητας, κάτι που με τη σειρά του έχει σαν συνέπεια τη σημα- ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002
vcc Σχ. 1. Η εσω τερική δομή του κυκλώματος οδήγησης μιας ακίδας ντική μείωοη της αντίστασης εξόδου της ακίδας. Αν έχοντας επιβάλλει μια τέτοια κατάσταση επιχειρήσετε να συνδέσετε την έξοδο ενός εξωτερικού κυκλώματος (π.χ. μιας πύλης CMOS) θα διαπιστώσετε πως όχι μόνο είναι αδύνατη η αλλαγή της λογικής στάθμης, αλλά και το πόσο εύκολα μπορείτε να κάψετε μια πύλη! Από αυτό και μόνο το γ ε γονός προκύπτει ένα σημαντικό συμπέρασμα: ποτέ δεν πρέπει να συνδέουμε την έξοδο ενός εξωτερικού κυκλώματος σε μια ή περισσότερες ακίδες της θύρας Ρ1, προτού βεβαιωθούμε πως οι ακίδες έχουν οδηγηθεί σε υψηλή στάθμη. Σημειώνουμε πως στην κατάσταση αυτή οδηγούνται πάντα μετά από την εφαρμογή του σήματος εκκίνησης στην ομώνυμη ακίδα του μικροελεγκτή. Μέχρι στιγμής θεωρήσαμε πως το ρεύμα εξόδου, όταν η ακίδα βρίσκεται σε υψηλή στάθμη, ορίζεται από την αντίσταση στην εκροή του FET. Η θεώρηση δεν ήταν εσφαλμένη, μόνο που στην πραγματικότητα δεν υφίσταται μια τέτοια αντίσταση. Στη θέση της υπάρχει ένα ακόμα FET συνδεσμολογημένο σαν πηγή ρεύματος (ενεργό φορτίο). Το ρεύμα της συγκεκριμένης πηγής μπορούμε να το μετρήσουμε αν, έχοντας οδηγήσει την ακίδα σε υψηλή στάθμη, την γειώσουμε μέσω ενός αμπερομέτρου. Η ένδειξη που θα δούμε στην οθόνη του οργάνου θα είναι μόλις 19 μα. Η ένταση αυτή είναι αναμφισβήτητα μικρή. Δεν αρκεί ούτε για το άναμμα ενός LED υψηλής Σχ. 2. Τρόποι σύνδεσης εξαρτημάτω ν σε ακίδες εισόδου / εξόδου. απόδοσης. Και πάλι όμως το πρόβλημα δεν έχει να κάνει μόνο με τα LED. Οποιοδήποτε εξάρτημα Kat αν συνδέσουμε στην ακίδα αυτή θα έχει σίγουρα μια μικρή χωρητικότητα εισόδου (μερικά pf). Αν θεωρήσουμε πως θέλουμε να μεταβάλλουμε την στάθμη στα άκρα αυτού του εξαρτήματος από χαμηλή σε υψηλή, θα πρέπει πρώτα να φορτίσουμε την παρασιτική χωρητικότητα και μετά να εξασφαλίσουμε την μεταβολή. Αν το ρεύμα που παρέχει η ακίδα είναι μικρό τότε η φόρτιση θα αργήσει με συνέπεια την μάλλον αργή απόκριση σε γρήγορες μεταβολές. Αυτό φυσικά το πρόβλημα εντοπίσθηκε αμέσως από τους σχεδιαστές των πρώτων μικροελεγκτών τύπου 8051 που φρόντισαν να παραλληλίσουν το ενεργό φορτίο με ένα ακόμα FET (στην πραγματικότητα όχι ένα, αλλά δύο). Το δεύτερο FET οδηγείται σε αγωγιμότητα για ένα μικρό διάστημα τη στιγμή που η ακίδα παίρνει εντολή από την Κεντρική Μονάδα να μεταβεί από χαμηλή στάθμη σε υψηλή (ή όταν στην θύρα Ρ1 εμφανίζεται πληροφορία διεύθυνσης). Το στιγμιαίο ρεύμα που απορροφά τότε το εξάρτημα είναι επαρκές για να φορτίσει γρήγορα την παρασιτική χωρητικότητά του, με συνέπεια την εμφάνιση ενός απότομου ανερχόμενου μετώπου στην ακίδα. Αν αυτό συμβεί όταν στην θέση του εξωτερικού εξαρτήματος έχετε συνδέσει ένα διακόπτη, τότε το ρεύμα που θα περάσει μέσα από τις (ενδεχομένως ενωμένες) επαφές του θα είναι σημαντικό (αρκετά ma). Επειδή όμως η εκκένωση του πυκνωτή διαρκεί πολύ λίγο, η ακίδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σάν είσοδος και μπορεί να γειωθεί χωρίς τον κίνδυνο βραχυκυκλώματος. Η υπερφόρτιση διαρκεί λιγότερο από 1 psec. Μετά από όλα όσα σημειώσαμε παραπάνω θα έχετε σχηματίσει την εντύπωση πως τα χαμηλά ρεύματα μιας ημι-κατευθυντικής ακίδας είναι ανεπαρκή για το άναμμα ενός LED. Η παρατήρηση αυτή είναι εν μέρει αληθινή μιας που αυτό ισχύει στην περίπτωση που θέλετε να συνδέσετε το LED μεταξύ της ακίδας και της γης. Αν ακολουθήσετε την τοπολογία του σχ. 2, τοποθετώντας το στην θετική γραμμή τροφοδοσίας, τότε το ρεύμα που θα περάσει μέσα από αυτό θα καθορίζεται από την αντίσταση σειράς του 1 ΚΩ και το FET του σχ. 1. Για να διαπιστώσετε του λό- 010208-3- 12 ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΕΣ Πρόγραμμα 1 Διαρκής εναλλαγή των καταστάσεων των ακίδων της θύρας Ρ1 ;flash2.asm, fast loop #include 80 5 1.H.org 0000H main mov a,#0fh 1 a = 15 mov P1,a 1 P1 - a mov a,#0f0h 1 a = 240 mov P1,a 1 P1 = a sjmp main 2.end γου το αληθές, συνδέστε ένα LED - σε σειρά με αντίσταση σε οποιαδήποτε από τις ακίδες Ρ1.4 έως Ρ1.7 και έναν πιεστικό διακόπτη στις ακίδες Ρ1.0 έως Ρ1.3 της πλακέταςαντίστοιχα. 'Τρέξτε' το πρόγραμμα που περιγράψαμε στο προηγούμενο τεύχος και θα επιβεβαιώσετε ότι το LED ανάβει. Μπορείτε επίσης να πιέσετε τον διακόπτη όσες φορές θέλετε, μιας που η στάθμη στην ακίδα που έχει συνδεθεί είναι, κάτω από συνθήκες ηρεμίας, υψηλή. Τίποτα όμως δεν θα συμβεί με αυτόν, αφού το πρόγραμμα αδιαφορεί για οποιαδήποτε αλλαγή στις ακίδες Ρ1.0 έως Ρ1.3. Για να μελετήσετε το τι μπορεί να κάνει ο μικροελεγκτής κάθε φορά που ενώνετε τις επαφές του διακόπτη, θα πρέπει να γράψετε ένα περισσότερο περιεκτικό πρόγραμμα Μια απλή διακλάδωση Μετά από αυτή τη σύντομη περιγραφή ήρθε η ώρα να κάνουμε κάτι πιο πρακτικό. Θα ξεκινήσουμε και πάλι από το πρόγραμμα που είχαμε περιγράφει στην προηγούμενη συνέχεια, μόνο που θα το αλλάξουμε ελαφρά. Αντί να ζητάμε τώρα από τον μικροελεγκτή να ορίσει μόνο μια φορά τις στάθμες των ακίδων της θύρας Ρ1, θα του ζητήσουμε να τις εναλλάσσει συνεχώς. Το Πρόγραμμα 1 δείχνει το πώς μπορεί να γίνει αυτό. Σε πρώτη φάση φροντίζει για την εμφάνιση στη θύρα Ρ1 του δεκαεξαδικού αριθμού 0FH, ενώ αμέσως μετά επιβάλλει τον 0F0H. Παρατηρήστε πως όταν θέλουμε να δηλώσουμε ένα δεκαεξαδικό αριθμό που έχει σαν πρώτο ψηφίο ένα αλφαβητικό σύμβολο (A, Β, C, D, Ε, F) φροντίζουμε πριν από αυτόν να γράψουμε τον χαρακτήρα Ό (μηδέν). Αυτή είναι μια ανάγκη που πηγάζει από τις αδυναμίες του συμβολομεταφραστή. Υπάρχουν όμως και άλλα σημεία στα οποία το πρόγραμμα αυτό διαφέρει από το προηγούμενο. Προσέξτε τη σύνταξη της εντολής mov P1,a. Η λέξη Ρ1 συμβολίζει την ομώνυμη θύρα Πουθενά όμως δεν έχει συμπεριληφθεί μια εντολή equ που θα τις απέδιδε τιμή. Αυτό είναι εν μέρει αλήθεια, μιας που το αρχείο (8051.h) από το οποίο ζητάμε να αντλήσει πληροφορίες ο μικροελεκγτής προσδιορίζει με ακρίβεια την τιμή αυτή. Και δεν περιορίζεται στη αντιστοίχιση ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002 21
ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΕΙ μόνο αυτής της δεσμευμένης λέξης, αλλά και σε οποιεοδήποτε άλλες χρειασθούμε καθ' οδόν. Ας συνεχίσουμε όμως με την επόμενη εντολή. Το μνημονικό.org ορίζει μια ψευδοεντολή που πληροφορεί τον συμβολομεταφραστή σε ποια περιοχή μνήμης θέλουμε να τοποθετήσει τον τελικό κώδικα μηχανής. Ο αριθμός που συνοδεύει το μνημονικό προσδιορίζει αυτήν τη διεύθυνση. Αν ο αριθμός αυτός είναι ο 0000Η, ο συμθολομεταφραστής ξεκινάει την τοποθέτηση του κώδικα από τη θέση 0000Η. Σε αυτήν άλλωστε τη διεύθυνση αναζητεί ο μικροελεγκτής την πρώτη εντολή κάθε φορά που δέχεται σήμα εκκίνησης. Η πιο σημαντική αλλαγή που έχει γίνει στο πρόγραμμα δεν αφορά το ουντακτικό του, αλλά τη λογική του. Η εντολή sjmp (σύντομη διακλάδωση) αναγκάζει τον μικροελεγκτή να επαναλάβει όχι μόνο ένα υποσύνολο των εντολών, αλλά όλες τις εντολές από την αρχή. Έτσι, αμέσως μετά τη διαδοχική εμφάνιση των αριθμών 0FH και 0F0H σπεύδει να επαναλάβει τα ίδια Και επειδή δεν του έχουμε ορίσει πουθενά το πόσες φορές θα εκτελέσει αυτήν την επανάληψη, θα το κάνει για πάντα! Το αποτέλεσμα αυτής της ατελείωτης εκτέλεσης των ίδιων εντολών είναι η δημιουργία παλμών στις ακίδες της θύρας που η συχνότητά τους εξαρτάται από την ταχύτητα εκτέλεσης του προγράμματος. Πράγματι, αν τοποθετήσετε την ακίδα μέτρησης ενός παλμογράφου πάνω σε μια από τις ακίδες της θύρας, θα δείτε ορθογώνιους παλμούς συχνότητας 150 KHz περίπου. Αν πάλι είναι δύσκολο να βρείτε ένα τέτοιο όργανο, στερεώστε ένα κομμάτι σύρμα 5 περίπου εκατοστών πάνω σε μια ακίδα της θύρας Ρ1 και αναζητήστε ένα ραδιόφωνο ικανό να ακούει' στα μακρά κύματα (LW). Τοποθετώντας την βελόνα κάπου κοντά στην ένδειξη των 150 KHz θα ακούσετε έναν ισχυρό φορέα Και επειδή ένα τέτοιο ραδιόφωνο θα βρείτε μόνο στο πατάρι του σπιτιού οας (...), κάνετε το ίδιο με ένα άλλο περισσότερο ούγχρονο που λαμβάνει σταθμούς στην κλίμακα των μεσαίων κυμάτων (MW). Θα ακούσετε την 5η αρμονική των 150 ΚΗζ που 'πέφτει' πάνω στους 750 ΚΗζ. Οι ορθογώνιοι παλμοί που παράγονται στις ακίδες της θύρας ακτινοβολούνται στον χώρο προκαλώντας ηλεκτρομαγνητικά παράσιτα. Αυτός είναι και ο λόγος που οι κανόνες της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας απαιτούν Πρόγραμμα 2 Ανταπόκριση σε σήματα εισόδου ;flash3.asm, input / output #include 8051.H org 0000H main jb P 1.0,ON ;P1.0 = 7 setb P1.1 ;P1.1 = 1 sjmp OFF ON clr P1.1 ;P1.1 =0 OFF sjmp main.end 22 Ρ 1.0 r GNO 0 measurement cable 1 0 2 0 8-3 - 1 3 Σχ. 3. Μέτρηση μιας φορτισμένης ακίδας εξόδου με τη βοήθεια παλμογράφου. τη θωράκιση των ψηφιακών κυκλωμάτων που χρησιμοποιούν μικροελεγκτές. Δίπλά από κάθε μια εντολή βλέπουμε ένα Ελληνικό ερωτηματικό ακολουθούμενο από ένα αριθμό. Οι αριθμοί αυτοί αποτελούν σχόλια τα οποία αν και αγνοεί τελείως ο συμβολομεταφραστής, είναι χρήσιμα για εμάς. Κάθε μια εντολή εκτελείται σε ένα συγκεκριμένο πλήθος φάσεων που στη γλώσσα των μικροελεγκτών είναι γνωστές σαν κύκλοι μηχανής'. Κάθε ένας κύκλος μηχανής ολοκληρώνεται σε 12 περιόδους του σήματος χρονισμού του μικροελεγκτή. Αυτό σημαίνει πως στο συγκεκριμένο κύκλωμα που ο κρύσταλλος έχει συχνότητα 11,059 ΜΗζ, η διάρκεια του θα είναι ίση με 12 / 11,059 ΜΗζ = 1,095 psec. Οι περισσότερες εντολές του AT89S8252 εκτελούνται μέσα σε ένα μόνο κύκλο μηχανής. Φυσικά υπάρχουν και μερικές που χρειάζονται δύο ή περισσότερους. Οι αριθμοί μετά τα ερωτηματικά δηλώνούν αυτό ακριβώς το πλήθος των κύκλων μηχανής για κάθε μια εντολή. Κάνοντας στα γρήγορα μια πρόσθεση καταλήγουμε στο συμπέρασμα πως όλο το πρόγραμμα εκτελείται σε έξι κύκλους. Αυτό σημαίνει πως μια πλήρης εκτέλεσή όλων των εντολών του απαιτεί χρόνο ίσο με 6,51 psec. Αν θεωρήσουμε ότι ο αριθμός αυτός αντιπροσωπεύει μια περίοδο της παραγόμενης παλμοσειράς, τότε η συχνότητα της τελευταίας είναι ίση με 153 ΚΗζ. Αυτό το πρόγραμμα όμως μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε και για να δούμε κάτι ακόμα: τη συμπεριφορά των FET της κάθε μιας ακίδας της θύρας όταν αυτά καλούνται να οδηγήσουν ένα φορτίο. Ας συνδέσουμε λοιπόν μια αντίσταση 33 ΚΩ σε κάποια από τις ακίδες της θύρας Ρ1 και παράλληλα με αυτήν το καλώδιο ενός παλμογράφου, όπως μας δείχνει το σχ. 3). Ας υποθέσουμε ακόμα πως η ακίδα βρίσκεται σε χαμηλή στάθμη την οποία θέλουμε να κάνουμε υψηλή. Κάτω από αυτές τις συνθήκες το FET που παίζει το ρόλο της πηγής ρεύματος αδυνατεί να οδηγήσει την ακίδα σε υψηλή στάθμη, ενώ αντίθετα το ισχυρό που είναι παράλληλα με αυτό τα καταφέρνει μια χαρά Το μεγαλύτερο όμως ενεργοποιείται μόνο για ένα σύντομο χρονικό διάστημα τη στιγμή που η Κεντρική Μονάδα του AT89S8252 οδηγεί την ακίδα σε υψηλή στάθμη. Αμέσως μετά τίθεται εκτός λειτουργίας. Αυτά φαίνονται στο σχ. 4, όπου η στάθμη του σήματος ανεβαίνει σχεδόν ακαριαία στα +5 V, αλλά αμέσως μετά πέφτει σε μια άλλη χαμηλότερη. Σε αυτήν παραμένει έως ότου ο μικροελεγκτής αποφασίσει να την κατεβάσει στα 0 V. Στο σημείο αυτό θα μας επιτρέψετε να ανασκευάσουμε για άλλη μια φορά αυτά που έχουμε πει έως τώρα To FET που παίζει το ρόλο της πηγής ρεύματος (μικρό) FET) δεν είναι στην πραγματικότητα ένα, αλλά δύο! Το κάθε ένα από αυτά συμπεριφέρεται διαφορετικά ανάλογα με τοάν η τάση είναι υψηλή ή χαμηλή. Για να εξιχνιάσουμε τη συμπεριφορά τους είναι απαραίτητο να αντικαταστήσουμε την αντίσταση των 33 ΚΩ, με μια άλλη των 6,8 ΚΩ. Κατά την μετάβαση από την χαμηλή στάθμη στην υψηλή, τον κύριο λόγο το έχει το μεγάλο FET κάτι που δικαιολογεί την γρήγορη ανάδειξη της τάσης των +5 V (βλ. σχ. 5). Μόλις αποκοπεί αυτό το FET, αναλαμβάνει το ζευγάρι των δύο άλλων και συγκεκριμένα το λιγότερο αδύναμο από τα δύο. Το ρεύμα που παρέχει είναι της τάξης των Ν *. Σχ. 4. Κυματομορφή ακίδας εξόδου φορτισμένης με αντίσταση 33 ΚΩ. Σχ. 5. Κυματομορφή ακίδας εξόδου φορτισμένης με αντίσταση 6,8 ΚΩ. ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002
ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΕΣ Σχ. 6. Έ να απλό κύκλωμα ειοόδου / εξόδου. 200 μα. Με αυτό το ρεύμα η τάση στην ακίδα δεν μπορεί να διατηρηθεί στα +5 V και βαθμιαία μειώνεται ακολουθώντας εκθετική ουμπεριφορά Μόλις η τάση αγγίξει το 1,5 V τίθεται σε λειτουργία το δεύτερο FET του ζεύγους το οποίο παρέχει μόλις 10 μα στο φορτίο. Το ρεύμα αυτό είναι τελείως ανεπαρκές και γι' αυτόν το λόγο η τάση εξόδου πέφτει σχεδόν ακαριαία στα 0 V. Το 'γόνατο' στη στάθμη του 1,5 V δικαιολογεί τη σχεδίαση του κυκλώματος. Η όλη αυτή συμπεριφορά έχει χαρακτήρα ανατροφοδότησης που μπορείτε να την επαληθεύσετε και με τη βοήθεια ενός βολτομέτρου. Συνδέστε μια πηγή τάσης σε σειρά με ένα αμπερόμετρο μεταξύ της γης και της ακίδας. Αυξομειώστε την τάση της πηγής και παρατηρήστε πως μόλις περνάτε το κατώφλι του 1,5 V το ρεύμα κάνει ένα απότομο τίναγμα μεταξύ των 10 και των 200 μα. Περισσότερες πληροφορίες για τη συμπεριφορά των ακίδων μιας ημι-κατευθυντικής θύρας θα βρείτε στα τεχνικά εγχειρίδια της Intel και της Philips. Οι υπόλοιπες εταιρίες που κατασκευάζουν μικροελεγκτές με πυρήνα 8051 αποφεύγουν να δώσουν επαρκείς λεπτομέρειες. Στο σχ. 6 φαίνεται ένα ακόμα κύκλωμα το οποίο μπορείτε να συναρμολογήσετε γύρω από τις ακίδες που αναφέρει. Η ακίδα Ρ1.1 έχει διπλό χαρακτήρα: μπορεί να οδηγείται εξωτερικά σε χαμηλή στάθμη από έναν πιεστικό διακόπτη, ή να κάνει το ίδιο κάτω από τις οδηγίες της Κεντρικής Μονάδας του μικροελεγκτή. Στη δεύτερη περίπτωση ανάβει μια δίοδο LED που με τη σειρά της φωτίζει μια αντίσταση LDR, συνδεδεμένη στην ακίδα Ρ 1.0. Η LDR είναι μια αντίσταση εξαρτώμενη από το φως συνεπώς η αλλαγή της φωτεινότητας γύρω από αυτήν προκαλεί και την αλλαγή της αντίστασής της. Το πρόγραμμα που ελέγχει τα δύο αυτά εξαρτήματα φροντίζει να διαβάζει την κατάσταση της ακίδας Ρ1.0 και να ανάβει το LED μόνο όταν τη βρει υψηλή. Εδώ πρέπει να θυμίσουμε πως το LED ανάβει όταν η κατάσταση της ακίδας Ρ1.1 είναι χαμηλή. Αυτό οφείλεται στο ότι εκμεταλλευόμαστε το ρεύμα απορρόφησης της ακίδας (που είναι μεγάλο) και όχι το ρεύμα παροχής που όπως εξηγήσαμε παραπάνω είναι μικρό. Ο διακόπτης S2 μας επιτρέπει να εφαρμόσουμε ένα είδος εξωτερικής ανατροφοδότησης μεταξύ της ακίδας εξόδου (Ρ1.1) και της ακίδας εισόδου (Ρ1.0). Αν αναρωτιέστε τι θα συμθεί αν πιέσουμε ταυτόχρονα και τους δύο διακόπτες θα σας απαντήσουμε μονολεκτικά: τίποτα Η εσωτερική δομή της θύρας επιτρέπει την ανά πάσα στιγμή βραχυκύκλωση των ακίδων της με τη γη χωρίς να υπάρχει κανένας κίνδυνος καταστροφής του μικροελεγκτή. Η μόνη παρενέργεια, αν μπορεί να την πει κανείς έτσι, είναι ότι το LED θα ανάβει συνεχώς. Διακλάδωση υπό συνθήκες Το Πρόγραμμα 2 διαβάζει την κατάσταση της ακίδας Ρ1.0 και αμέσως μετά διακλαδώνει λαμβάνοντας υπ' όψη μια συνθήκη. Τι θα πει αυτό; Αν η στάθμη της ακίδας βρεθεί υψηλή, τότε εκτελεί εκείνη την εντολή που προσδιορίζεται από την ετικέτα ΟΝ. Αν τη βρει χαμηλή, τότε προχωρά στην εκτέλεση της ακριβώς επόμενης εντολής. Στο παράδειγμά μας η εντολή που διαβάζει, αποφασίζει και ενδεχομένως μεταφέρει τον έλεγχο του προγράμματος σε μια εντολή διαφορετι ίιαμαμα1\λαααμμλ/1μμαμαμμααμλ/1/1μλλ/1μλα^ I----1 I------ 1 I---- 1 I---- 1 I----L _ J -----L I------------- 3 I--------------I I------ ------ L ι ---------------------- 1 Γ γ ~ ----------- : Σχήμα 7. Σήματα εξόδου απο την Ρ1 εώ ς Ρ1.7 Πρόγραμμα 3 Η θύρα Ρ1 σαν μετρητής 8 ψηφίων ;flash3.asm, port outputs in c lu d e 8051.Η. org 0000H main mov a,#00 next mov P1,a ;1 mov r3,#255;1 loop djnz r3,loop ;2 * 255 inc a ;1 sjmp end next 2 κή από την επόμενη, είναι η Jb Ρ1.0.ΟΝ (jump if bit set, διακλάδωσε αν το ψηφίο είναι σε υψηλή στάθμη). Η εντολή αυτή είναι η πρώτη που συναντάμε που έχει σαν κύριο γνώρισμα την επεξεργασία ενός μόνο δυαδικού ψηφίου και όχι ενός ολόκληρου byte. Για τον λόγο αυτό ανήκει σε μια ξεχωριστή ομάδα εντολών του μικροελεγκτή που είναι γνωστή σαν Ομάδα επεξεργασίας Ψηφίων. Ο προσδιορισμός μεμονωμένων ψηφίων στη γλώσσα του 8051 επιτυγχάνεται με τη βοήθεια μιας τελείας αμέσως μετά το όνομα του καταχωρητή, της θύρας ή γενικότερα της μεταβλητής μέσα στην οποία βρίσκεται το εξεταζόμενο ψηφίο. Την τελεία ακολουθεί ένας αριθμός από 0 έως 7 που προσδιορίζει την τάξη του ψηφίου μέσα στο byte. Στο παράδειγμά μας. η έκφραση Ρ1.0 προσδιορίζει το ψηφίο 0 (το λιγότερο σημαντικό δηλαδή) της θύρας Ρ1. Η αντιστοίχιση της ποσότητας Ρ1.0 σε έναν ισοδύναμο αριθμό απαραίτητο για τον μικροελεγκτή επιτυγχάνεται με τη βοήθεια των αντιστοιχιών του αρχείου 8051.Η. Μπορείτε να το επιβεβαιώσετε εκτυπώνοντας το με τη βοήθεια ενός κειμενογράφου DOS. Ας επιστρέφουμε όμως στο πρόγραμμα Αν η στάθμη της ακίδας Ρ1.0 είναι υψηλή θα γίνει διακλάδωση στην εντολή που σημειώνεται δίπλα από την ετικέτα ΟΝ. Η εντολή που φιλοξενείται εκεί είναι η Clr Ρ1.1 (clear bit, οδήγηση ψηφίου σε χαμηλή στάθμη) που μόλις εκτελεσθεί, κατεβάζει' την ακίδα Ρ1.1 σε χαμηλή. Σαν αποτέλεσμα θα έχουμε το άναμμα του LED. Αν κατά τη στιγμή της εκτέλεσης της Jb Ρ 1.0,ΟΝ η στάθμη της ακίδας Ρ1.0 είναι χαμηλή τότε ο μικροελεγκτής θα εκτελέσει την επόμενη εντολή, δηλαδή την Setb Ρ1.1 (Set bit, οδήγηση ακίδας σε υψηλή στάθμη). Μια τέτοια κίνηση σβήνει το LED (αν ήταν αναμμένο). Για να αποφύγουμε ένα ανεπιθύμητο άναμμά του λόγω της εντολής Clr Ρ1.1 που ακολουθεί στη συνέχεια, πληκτρολογούμε αμέσως μετά την Setb Ρ1.1, την Sjmp OFF που προκαλεί μια απόλυτη διακλάδωση στη θέση OFF. Από εκεί ο έλεγχος του προγράμματος επιστρέφει και πάλι στην αρχή. Το πρόγραμμα αυτό, αν και μικρό, μας επιτρέπει να κάνουμε πολλές χρήσιμες παρατηρήσεις. Η πιο ενδιαφέρουσα ίσως, είναι ότι συμπεριφέρεται σαν αναστροφέας! Αν η στάθμη της ακίδας Ρ1.0 είναι χαμηλή τότε η στάθμη της Ρ1.1 γίνεται υψηλή και αντιστρόφως. ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002 23
ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΕΣ Αυτό σημαίνει πως αν πιέοετε τον διακόπτη S1 (Ρ1.0 οε χαμηλή στάθμη) η ακίδα εξόδου Ρ1.1 θα οδηγηθεί σε υψηλή σβήνοντας το LED. Αν αντίθετα ο διακόπτης μένει οε ηρεμία (Ρ1.0 οε υψηλή στάθμη) το LED θα ανάβει συνεχώς. Είναι καιρός όμως να βάλουμε μέσα στο παιγνίδι και την LDR. Η αντίσταση αυτή είναι συνδεδεμένη στην ακίδα εισόδου Ρ1.0 και δέχεται την επίδραση του φωτός που παράγει το LED όταν διεγείρεται από την ακίδα εξόδου Ρ1.1. Υπάρχει ένα σαφές κατώφλι φωτεινότητας που όταν ξεπερνιέται προς τα πάνω κάνει την αντίσταση να έχει χαμηλή τιμή οδηγώντας την ακίδα σε χαμηλή στάθμη. ενώ όταν ξεπερνιέται προς τα κάτω την αναγκάζει να παρουσιάζει μια εξαιρετικά υψηλή αντίσταση. Η συνέπεια της υψηλής αντίστασης είναι η ανάδειξη υψηλής στάθμης στην ακίδα Ρ1.0. Από τα παραπάνω είναι προφανές πως μέσω του ζευγαριού LED - LDR επιτυγχάνεται ένα είδος ανατροφοδότησης που αξίζει να το μελετήσουμε. Προτού όμως εξετάσουμε την ανατροφοδότηση μέσω των δύο αυτών εξαρτημάτων, ας την επιβάλλουμε με καθαρά ηλεκτρικό τρόπο μέσω του διακόπτη S2. Για όση ώρα τον κρατάμε πιεσμένο η στάθμη της ακίδας Ρ1.1 επιβάλλεται στην Ρ1.0. Αν λοιπόν το LED είναι φωτεινό (Ρ1.1 σε χαμηλή στάθμη), θα εκτελεστεί η εντολή Setb Ρ1.1 η οποία θα το σβήσει αμέσως. Ο επόμενος έλεγχος θα το βρει σκοτεινό (Ρ1.1 σε υψηλή στάθμη) και θα σπεύσει να το ανάψει (Clr Ρ1.1). Η παρουσία της εντολής Sjmp main εγγυάται ότι η διαδικασία αυτή θα επαναλαμβάνεται συνεχώς για όση ώρα ο διακόπτης S2 διατηρεί κλειστές τις επαφές του. Πέραν όμως της θεωρητικής αυτής μελέτης τι θα είναι αυτό που θα βλέπουμε εμείς; Η απάντηση είναι απλή: θα βλέπουμε το LED να ανάβει με μια σαφώς χαμηλότερη ένταση. Αυτό οφείλεται στο ότι για το μισό περίπου χρόνο έχει χαμηλή στάθμη στην κάθοδό του (αναμμένο) ενώ για τον υπόλοιπο μισό έχει υψηλή (σβηστό). Το μάτι μας αδυνατεί να ξεχωρίσει τόσο σύντομες εναλλαγές με αποτέλεσμα να κατανοεί τη μέση τιμή τους. Αν επιχειρούσαμε να κάνουμε κάτι τέτοιο χρησιμοποιώντας μια πύλη, στην περίπτωση μας έναν αναστροφέα, τα αποτελέσματα θα ήταν πολύ διαφορετικά. Ένα τέτοιο εξάρτημα έχει ξεκάθαρα αναλογικές καταβολές (συμπεριφέρεται σαν ένας γρήγορος αναστρέφων ενισχυτής) με συνέπεια να μην πέρναει' τις γρήγορες αυτές εναλλαγές. Το μόνο που θα έκανε θα ήταν να οδηγήσει την έξοδο του στο μισό περίπου της τάσης τροφοδοσίας. Ένας μικροελεγκτής, που από τη φύση του είναι ένα ακολουθιακό εξάρτημα, δεν έχει τέτοια περιθώρια Ξεχωρίζει πάντοτε τις δύο στάθμες παίρνοντας πάντα ξεκάθαρες αποφάσεις. Αφήνοντας τον διακόπτη S2 σε κατάσταση ηρεμίας και φέρνοντας σε επαφή το ζευγάρι LED - LDR θα έχουμε τα ίδια ακριβώς αποτελέσματα που είχαμε και με την πίεση του διακόπτη. Επιβεβαιώστε το κάνοντας το πράξη. Μετρώντας παλμούς Το τελευταίο πρόγραμμα που παρουσιάζουμε στο δεύτερο μέρος της σειράς μας φιλοδοξεί να μετατρέψει τον AT89S8252 σε έναν μετρητή εύρους 8 δυαδικών ψηφίων. Όπως όλοι γνωρίζουμε, οι παλμοί που αναδεικνύονται στις εξόδους ενός τέτοιου εξαρτήματος έχουν συχνότητες που η κάθε μια είναι η μισή της προηγούμενης. Έτσι αν π.χ. θέλουμε να μετατρέψουμε την θύρα Ρ1 σε μετρητή θα πρέπει να φροντίσουμε η συχνότητα της ακίδας Ρ1.1 να είναι η μισή της Ρ1.0, η συχνότητα της Ρ1.2 η μισή της Ρ1.1 κ.ο.κ. Ό λα αυτά που στα παραδοσιακά ψηφιακά ηλεκτρονικά απαιτούν πολλά φλιπ - φλοπ και κάμποσες συνδέσεις μπορούν να γίνουν πολύ πιο εύκολα σε ένα μικροελεγκτή με τη βοήθεια του κατάλληλου προγράμματος. Το πρόγραμμα αυτό θα πρέπει να αποτελεί έναν ατελείωτο βρόχο, που σε κάθε μια εκτέλεσή του θα αυξάνει το περιεχόμενο της θύρας κατά μια μονάδα Υπάρχουν δύο τρόποι να γίνει αυτό: ο πρώτος προϋποθέτει τη χρήση της εντολής add a,#01 (πρόσθεση στον A μιας μονάδας), ενώ ο δεύτερος την χρήση της απλούοτερης inc a (increment a. Αύξηση του Α κατά μια μονάδα). Αν αναρωτιέστε για το ποιο είναι το σήμα χρονισμού βάσει του οποίου ο μικροελεγκτής αυξάνει το περιεχόμενο της θύρας, θα σας απαντήσουμε πως για ένα τέτοιο εξάρτημα η πρώτη ύλη για τον προσδιορισμό όλων των χρονικών διαστημάτων είναι πάντα το σήμα χρονισμού στα άκρα του κρυστάλλου. Το Πρόγραμμα 3 ξεκινάει φορτώνοντας τον Συσσωρευτή Α με την τιμή 00. Στη συνέχεια επιβάλλει την τιμή του στις ακίδες της θύρας Ρ1. Αγνοώντας τις δύο επόμενες εντολές, φθάνουμε στην Inc a η οποία αυξάνει τον Α κατά μια μονάδα και αμέσως μετά στην sjmp next που προκαλεί την εμφάνιση της αυξημένης τιμής του Α πάλι στην θύρα Ρ1. Οι δύο εντολές που παρακάμψαμε σχηματίζουν ένα βρόχο καθυστέρησης που έχει σα σκοπό να υποβιβάζει το ρυθμό της μέτρησης οε τέτοια επίπεδα έτσι ώστε οι παλμοί στην ακίδα Ρ1.7 να είναι ορατοί μέσω ενός LED. Ο βρόχος καθυστέρησης είναι από τους απλούστερους που μπορείτε να συναντήσετε. Η πρώτη εντολή του φορτώνει τον καταχωρητή γενικής χρήσης γ3 με την δεκαδική τιμή 255. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιονδήποτε από τους οκτώ καταχωρητές γενικής χρήσης (r0 - r7) διαθέτει ο AT89S8252, όπως και να δηλώσετε τον αριθμό 255 με τον δεκαεξαδικό του ισοδύναμο 0FFH. Τα αποτελέσματα θα είναι τα ίδια Η δεύτερη εντολή είναι περισσότερο σύνθετη. Εκτελεί δύο εργασίες. Η πρώτη αφορά στην μείωση της τιμής του Α, ενώ η δεύτερη στην διακλάδωση εάν η τιμή είναι διάφορη του μηδενός. Την πρώτη φορά που εκτελείται ο βρόχος, ο Συσσωρευτής Α μειώνεται κατά μια μονάδα και γίνεται 254. Η τιμή αυτή είναι διάφορη του μηδενός οπότε ο έλεγχος του προγράμματος επιστρέφει στη θέση loop. Ακολουθεί άλλη μια μείωση με αποτέλεσμα ο Α να γίνει 253. Και πάλι εκτελείται η ίδια εντολή για να δώσει ένα ακόμα μικρότερο αριθμό. Για να μην πλατειάζουμε, ο Α θα μειωθεί 255 φορές έχοντας αναγκάσει τον μικροελεγκτή να ξοδέψει ένα σημαντικό χρόνο. Αν λάβουμε υπόψη μας πως η εντολή Djnz r3,loop ολοκληρώνεται σε δύο κύκλους μηχανής, τότε η συνολική διάρκεια του βρόχου είναι ίση με 510 κύκλους μηχανής ή 558 μββο. Μαζί με τις υπόλοιπες εντολές, ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών εξόδων στη θύρα Ρ1 αγγίζει τα 564 psec που με τη σειρά τους αντιστοιχούν σε συχνότητα 1,77 KHz. Αυτή είναι και η συχνότητα του σήματος χρονισμού που επιβάλλεται στην ομώνυμη είσοδο του εικονικού αυτού μετρητή. Κατά συνέπεια στην ακίδα Ρ1.0 της θύρας Ρ1 θα έχουμε συχνότητα παλμών ίση με 1,77 ΚΗζ / 2 = 885 Ηζ, στην Ρ1.1 ίση με 443 Ηζ για να καταλήξουμε να έχουμε στην Ρ1.7 ένα ορθογώνιο σήμα συχνότητας 7 Ηζ περίπου. To LED που θα έχετε εκ των προτέρων τοποθετήσει σε αυτήν θα πρέπει να αναβοσβήνει με γρήγορους αλλά αντιληπτούς ρυθμούς. Αξίζει να ξανατρέξετε αυτό το πρόγραμμα δίδοντας διαφορετικές τιμές στον καταχωρητή r3 και παρατηρώντας τις αλλαγές στη συχνότητα των παλμών της θύρας Ρ1. Η χαμηλότερη συχνότητα επιτυγχάνεται όχι με την τιμή 255, αλλά με την 00. Αυτό οφείλεται στο ότι η τιμή αυτή μειώνεται προτού ελεγχθεί, κάτι που έχει σαν συνέπεια να εμφανισθεί διάφορη του μηδενός (255) προκαλώντας την εκτέλεση του βρόχου καθυστέρησης μια φορά ακόμα Αντίθετα, η υψηλότερη συχνότητα επιτυγχάνεται φορτώνοντας τον r3 με την τιμή 1. (010208-3) 24 ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Μετατόπιση Στάθμης για ψηφιακά σήματα του Κ. Walraven Ο αριθμός των ερωτήσεων που φθάνουν στα γραφεία μας, προερχόμενες από αναγνώστες του περιοδικού και έχουν ως αντικείμενο την διασύνδεση δύο ξεχωριστών κυκλωμάτων, τα οποία λειτουργούν τροφοδοτούμενα από διαφορετικές πηγές, ή έχουν διαφορετικές στάθμες μεταγωγής είναι εκπληκτικά μεγάλος. Τι κάνουμε λοιπόν σε αυτές τις περιπτώσεις; Μία φορά και ένα καιρό, όλα τα ψηφιακά κυκλώματα λειτουργούσαν στα 5 V. Εκτός από ελάχιστες εξαιρέσεις, προβλήματα διασύνδεσης δεν υπήρχαν και η κάθε μονάδα μπορούσε απλά να επικοινωνήσει με την άλλη. Αυτά γινόντουσαν μια φορά και ένα καιρό... Οι καιροί όμως αλλάζουν. Τώρα, το πλέον σύνηθες φαινόμενο είναι να απαιτείται κάποια μονάδα διασύνδεσης μεταξύ συστημάτων τα οποία λειτουργούν κάτω από τελείως διαφορετικές τάσεις τροφοδοσίας. Για παράδειγμα, μία τυπική διάταξη δέκτη DCF λειτουργεί με μία απλή μπαταρία 1,5 V και πρέπει να συνδεθεί με ένα σύστημα μικροεπεξεργαστή ο οποίος λειτουργεί με τροφοδοσία 5 V. Ή ακόμα χειρότερα να φανταστεί κανείς ένα ηλεκτρονόμο 12 V, ο οποίος πρέπει και αυτός να συνδεθεί με το ίδιο σύστημα μικροεπεξεργαστή. Βέβαια είναι δυνατόν να τύχει και το αντίστροφο: ένα κύκλωμα αισθητήρα το οποίο λειτουργεί στα 15 V να πρέπει να συνδεθεί σε ένα σύστημα το οποίο λειτουργεί στα 5 V. Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις αλλά και σε πολλές περισσότερες, είναι απαραίτητη κάποια μορφή μετατόπισης στάθμης. Ανοικτός συλλέκτης Ό ταν το χάσμα το οποίο πρέπει να γεφυρωθεί αναφέρεται σε διαφορετικές στάθμες σηματοδοσίας, η επιλογή εξαρτημάτων τύπου όπως καλούνται 'εξόδου ανοικτού συλλέκτη', αποτελούν μακράν την καλύτερη δυνατή λύση. Τα συγκεκριμένα εξαρτήματα διαθέτουν στην έξοδο ένα τρανζίστορ (ή FET), του οποίου ο εκπομπός (πηγή) οδηγείται στην κοινή σύνδεση (0 V ή γη), ενώ ο συλλέκτης ή η εκροή συνδέεται μέσω εξωτερικής αντίστασης με το θετικό της τροφοδοσίας. Η μονάδα DCF που αναφέραμε παραπάνω, χρησιμοποιεί και αυτή (όπως φαίνεται και στο Σχήμα 1a) μία παρόμοια έξοδο ανοικτού συλλέκτη. Στην περίπτωση όπου κάποιος θέλει να συνδέσει ένα τέτοιο εξάρτημα σε ένα κύκλωμα που λειτουργεί με διαφορετική τάση τροφοδοσίας, αρκεί να συνδέσει την αντίσταση του συλλέκτη στην θετική γραμμή τροφοδοσίας του άλλου κυκλώματος και στην συνέχεια απλά να συνδέσει τα κοινά σημεία (συνδέσεις). Στο Σχήμα 1b περιγράφεται αυτή ακριβώς η δια- 1V5 open collector Θ DCF A w U r p I *1 n P 31 h r A OUT N μρ -O-J JULI» < Urn common connection Ο 010091-11b Σχήμα 1. Μία έξοδος ανοικτού συλλέκτη, δίνει την δυνατότητα μετατόπισης τη ς στάθμης του σήματος, συνδέοντας την αντίσταση του συλλέκτη στην τροφοδοσία του δεύτερου κυκλώματος. ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002 25
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ +5V Σχήμα 3. Ό τα ν δεν υπάρχει έξοδος ανοικτού συλλέκτη, μπορεί να τοποθετηθεί ένα χωριστό τρανζίστορ. Σχήμα 2. Οι απομονωτές CMOS όπως οι 4049 και 4050 είναι ιδανικοί για την μετατροπή υψηλών τάσεων σε χαμηλότερες. δικαοία Με τον τρόπο αυτό, το πλάτος του σήματος εξόδου από την βαθμίδα ανοικτού συλλέκτη είναι πάντα ίσο με την τάση τροφοδοσίας του δεύτερου κυκλώματος -ό,τι ακριβώς δηλαδή επιδιώκεται! Απομονωτές υψηλής / χαμηλής στάθμης Σε πολλές άλλες περιπτώσεις όπου απαιτείται μετατροπή μίας υψηλότερης τάσης σε χαμηλότερη, υπάρχει μία πολύ απλή λύση. Οι απομονωτές CMOS 4049 και 4050 (αναοτρέ- φων και μη αναστρέφων αντίστοιχα), είναι σχεδιασμένοι ειδικά για αυτές τι περιπτώσεις. Τα συγκεκριμένα ολοκληρωμένα είναι σε θέση να αντεπεξέλθουν σε τάσεις εισόδου μέχρι και 18 V, ακόμη και εάν η τάση με την οποία τροφοδοτούνται είναι μόλις 3 V ή 5 V. Αυτό λοιπόν σημαίνει ότι μετατρέπουν αυτόματα την τάση εισόδου στην στάθμη (περίπου) της τάσης που υπάρχει στην θετική γραμμή της δικής τους τροφοδοσίας, όπως (ραίνεται και στο Σχήμα 2. άγει στα 0,7 V περίπου, οπότε όταν εμείς μετατρέπουμε για παράδειγμα από τα 5 V στα 15 V, τα 0,7 V πέφτουν πολύ νωρίς. Το να θέσουμε όμως το κατώφλι μεταγωγής στο ένα τρίτο περίπου, ή ακόμη και στο μισό της τάσης τροφοδοσίας, είναι πολύ καλύτερο. Για να το επιτύχουμε, δημιουργούμε πρώτα απ' όλα με την βοήθεια δύο αντιστάσεων ένα διαιρέτη τάσης και το τρανζίστορ το συνδέουμε 'πίσω' από τον διαιρέτη αυτό (Σχήμα 3). Μία εμπειρική μέθοδος λέει να διαλέξουμε τέτοιες τιμές για τις αντιστάσεις, ώστε το ρεύμα να είναι περίπου 0.5 ma. Για παράδειγμα, εάν η αντίσταση R1 είναι 1,5 ΚΩ η R2 θα πρέπει να έχει τιμή 1,8 ΚΩ, για να έχουμε το κατώφλι στο 1/3 των 5 V, δηλαδή στα 1,67 V. Αντί μεμονωμένου τρανζίστορ είναι επίσης δυνατό να χρησιμοποιηθεί κάποιο ολοκληρωμένο της σειράς ULN280X. Η συγκεκριμένη σειρά περιλαμβάνει περισσότερα από ένα τρανζίστορ Darlington σε συσκευασία ολοκληρωμένου και προορίζεται για διασυνδέσεις αυτής ακριβώς της μορφής. Τα εν λόγω ολοκληρωμένα είναι πολύ φτηνά και ιδανικά για μ ετα γω γή φ ο ρ τίω ν μ έχ ρ ι 500 ma. Το ULN2803 είναι κατάλληλο για τάσεις εισόδου μέχρι 5 V, ενώ το ULN2804 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές που παρουσιάζουν τάσεις εισόδου μεταξύ 6 V και 15 V. Στο Σχήμα 4 απεικονίζονται δύο παραδείγματα, ενώ οι αντιστάσεις που φαίνονται στο σχέδιο Επί πλέον τρανζίστορ Πως μπορεί να λυθεί το πρόβλημα όταν θέλουμε να προσαρμόσουμε μία χαμηλή τάση σε μία υψηλότερη και δεν είναι διαθέσιμη έξοδος ανοικτού συλλέκτη; Στην περίπτωση αυτή προσθέτοντας απλά ένα διακριτό τρανζίστορ στην έξοδο, δημιουργούμε σχετικά εύκολα ένα ανοικτό συλλέκτη! Εδώ όμως, εμφανίζεται ένα μικρό προβληματάκι: η επιλογή της τιμής της αντίστασης στην βάση. Ας θυμηθούμε ότι ένα τρανζίστορ αρχίζει να Σχήμα 4. Ολοκληρωμένα που περιλαμβάνουν τρανζίστορ Darlington όπως τα ULN2803 και ULN2804 είνα ι ιδανικά για να λειτουργήσουν ως έξοδοι ανοικτού συλλέκτη και μπορούν να μετάγουν μέχρι 500 ma. 26 ΕΛΕΚΤΟΡ 3/2002