Частота отсечки фильтра

Фильтры разработаны с учетом определенной частоты, которая называется отсечкой , или угловой частотой.

Фильтры нижних частот предназначены для пропускания частот ниже частоты среза. Идеальный фильтр нижних частот пропускает все частоты ниже частоты среза и ни одну из частот выше частоты среза.

Фильтры верхних частот предназначены для пропускания частот выше частоты среза. Идеальный фильтр верхних частот пропускает все частоты выше частоты среза и ни одну из частот ниже частоты среза.

Поскольку емкостное реактивное сопротивление зависит от частоты сигнала, фильтры могут быть спроектированы так, чтобы реактивное сопротивление резко увеличивалось выше или ниже частоты среза. Фильтр нижних частот будет спроектирован таким образом, чтобы реактивное сопротивление увеличивалось выше частоты среза, с небольшим или отсутствующим реактивным сопротивлением ниже частоты среза.

Фильтр высоких частот будет спроектирован так, чтобы реактивное сопротивление увеличивалось ниже частоты среза. с небольшим или нулевым реактивным сопротивлением выше частоты среза.

Активные и пассивные фильтры

Фильтры могут быть сконструированы как с активными, так и с пассивными компонентами схемы.

В пассивных фильтрах используются пассивные компоненты схемы, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

В активных фильтрах используются активные компоненты схемы, такие как операционные усилители (операционные усилители). Активные фильтры способны увеличивать усиление отфильтрованного сигнала.

Фильтр нижних частот

Фильтр нижних частот преимущественно ослабляет высокие частоты, так что низкие частоты могут проходить, а высокие частоты блокируются.

Идеальный фильтр нижних частот предотвратит прохождение любой частотной составляющей выше частоты среза, но настоящие фильтры нижних частот не идеальны.

В фильтрах высоких и низких частот используется комбинация резистора и конденсатора, но в каждом из них используется обратное расположение. Входной сигнал фильтра нижних частот подается непосредственно на резистор, а выходной сигнал измеряется через конденсатор:

Схема цепи фильтра нижних частот

Характеристики фильтра нижних частот обусловлены взаимодействием емкостного реактивного сопротивления и сопротивления, которые оба вносят вклад в общий импеданс.

Импеданс резистора (т.е. сопротивление) не зависит от частоты, но емкостное реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте. Это означает, что на низких частотах емкостное реактивное сопротивление высокое, а на высоких частотах емкостное реактивное сопротивление низкое.

 X_C = \ frac {1} {\ omega C} = \ frac {1} {2 \ pi fC} 

Проще всего думать о фильтрах нижних частот в отношении емкостного реактивного сопротивления и его влияния на напряжение. падение на конденсаторе, которое является выходным напряжением.

На высоких частотах емкостное реактивное сопротивление низкое. Это означает, что конденсатор позволяет сигналу проходить на землю, не вызывая значительного падения напряжения на нем.

Однако на низких частотах емкостное реактивное сопротивление велико, и на конденсаторе наблюдается значительное падение напряжения. Более высокое падение напряжения означает высокое выходное напряжение для схемы.

Фильтр высоких частот

Фильтр высоких частот преимущественно ослабляет низкие частоты, так что высокие частоты могут проходить, а низкие частоты блокируются.

Идеальный фильтр верхних частот предотвратит прохождение любой частотной составляющей ниже частоты среза, но настоящие фильтры верхних частот не идеальны.

В фильтрах высоких и низких частот используется комбинация резистора и конденсатора, но в каждом из них используется обратное расположение. Входной сигнал фильтра верхних частот подается непосредственно на конденсатор, а выходной сигнал измеряется через резистор:

Принципиальная схема фильтра верхних частот

Характеристики фильтра верхних частот обусловлены взаимодействием емкостного реактивного сопротивления и сопротивления, которые оба вносят вклад в общий импеданс.

Импеданс резистора (т.е. сопротивление) не зависит от частоты, но емкостное реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте. Это означает, что на низких частотах емкостное реактивное сопротивление высокое, а на высоких частотах емкостное реактивное сопротивление низкое.

 X_C = \ frac {1} {\ omega C} = \ frac {1} {2 \ pi fC} 

Проще всего думать о фильтрах верхних частот в отношении емкостного реактивного сопротивления и его влияния на напряжение. падение через резистор.

На низких частотах емкостное реактивное сопротивление велико, и на конденсаторе наблюдается значительное падение напряжения. Таким образом, основная часть падения напряжения происходит на конденсаторе, оставляя небольшое напряжение на резисторе.

На высоких частотах емкостное реактивное сопротивление низкое. Поэтому большая часть напряжения должна падать на резистор, что приводит к высокому выходному напряжению на высоких частотах.

Резюме

1. Основное различие между фильтром низких частот и фильтром высоких частот состоит в том, что схема фильтра низких частот пропускает частоты ниже, чем частота среза, в то время как фильтр высоких частот пропускает частоты выше, чем частота среза.
2. И фильтры нижних частот, и фильтры верхних частот используют резистор и конденсатор, но ориентация в каждом из них обратная. Фильтр нижних частот состоит из резистора, за которым следует конденсатор, а выходное напряжение измеряется на конденсаторе. Фильтр высоких частот состоит из конденсатора, за которым следует резистор, выходное напряжение которого измеряется на резисторе.

Фильтры нижних частот | Фильтры | Учебник по электронике

По определению, фильтр нижних частот — это схема, обеспечивающая легкий переход к низкочастотным сигналам и затрудненный переход к высокочастотным сигналам.Существует два основных типа схем, способных выполнить эту задачу, и множество вариаций каждой из них: индуктивный фильтр нижних частот (рисунок ниже) и емкостной фильтр нижних частот (рисунок также ниже).

Индуктивный фильтр нижних частот

Индуктивный фильтр нижних частот

Импеданс катушки индуктивности увеличивается с увеличением частоты. Этот высокий последовательный импеданс имеет тенденцию блокировать попадание высокочастотных сигналов в нагрузку.Это можно продемонстрировать с помощью анализа SPICE: (рисунок ниже)

индуктивный фильтр нижних частот
 v1 1 0 ac 1 sin l1 1 2 3
 rload 2 0 1k
 .ac lin 20 1 200
 .plot ac v (2)
 .конец
 

Отклик индуктивного фильтра нижних частот падает с увеличением частоты.

Емкостный фильтр нижних частот

Емкостный фильтр нижних частот

Импеданс конденсатора уменьшается с увеличением частоты.Этот низкий импеданс, параллельный сопротивлению нагрузки, имеет тенденцию закорачивать высокочастотные сигналы, снижая большую часть напряжения на последовательном резисторе R ₁ . (Рисунок ниже)

емкостной фильтр нижних частот
 v1 1 0 ac 1 грех
 г1 1 2 500
 c1 2 0 7u
 rload 2 0 1k
 .ac lin 20 30 150
 .plot ac v (2)
 .конец
 

Отклик емкостного фильтра нижних частот падает с увеличением частоты.

Индуктивный фильтр нижних частот — это вершина простоты, поскольку фильтр состоит только из одного компонента.Емкостная версия этого фильтра не намного сложнее, для работы требуются только резистор и конденсатор.

Однако, несмотря на их повышенную сложность, конструкции емкостных фильтров обычно предпочтительнее индуктивных, поскольку конденсаторы, как правило, являются «более чистыми» реактивными компонентами, чем катушки индуктивности, и поэтому их поведение более предсказуемо. Под «чистым» я подразумеваю, что конденсаторы проявляют меньшее сопротивление, чем индуктивности, что делает их реактивными почти на 100%.

, с другой стороны, обычно проявляют значительные диссипативные (резистивные) эффекты как из-за большой длины провода, используемого для их изготовления, так и из-за магнитных потерь материала сердечника.

Конденсаторы также имеют тенденцию меньше участвовать в эффектах «связи» с другими компонентами (генерировать и / или принимать помехи от других компонентов через взаимные электрические или магнитные поля), чем индукторы, и они менее дороги.

Тем не менее, индуктивный фильтр нижних частот часто предпочтительнее в источниках питания переменного и постоянного тока для фильтрации формы волны переменного тока «пульсации», возникающей при преобразовании (выпрямлении) переменного тока в постоянный ток, пропуская только чистую составляющую постоянного тока.

Основная причина этого — требование низкого сопротивления фильтра на выходе такого источника питания.Емкостной фильтр нижних частот требует дополнительного сопротивления последовательно с источником, тогда как индуктивный фильтр нижних частот не требует.

В конструкции сильноточной цепи, такой как источник постоянного тока, где дополнительное последовательное сопротивление нежелательно, индуктивный фильтр нижних частот является лучшим выбором.

С другой стороны, если малый вес и компактный размер являются более высокими приоритетами, чем низкое внутреннее сопротивление источника питания в конструкции источника питания, емкостной фильтр нижних частот может иметь больше смысла.

Частота среза

Все фильтры нижних частот рассчитаны на определенную частоту среза . То есть частота, выше которой выходное напряжение падает ниже 70,7% входного напряжения. Этот процент отсечки 70,7 на самом деле не является произвольным, хотя на первый взгляд это может показаться таковым.

В простом емкостном / резистивном фильтре нижних частот это частота, при которой емкостное реактивное сопротивление в омах равно сопротивлению в омах. В простом емкостном фильтре нижних частот (один резистор, один конденсатор) частота среза задается как:

Вставляя значения R и C из последнего моделирования SPICE в эту формулу, мы получаем частоту среза 45.473 Гц. Однако, когда мы смотрим на график, созданный симуляцией SPICE, мы видим, что напряжение нагрузки значительно ниже 70,7% напряжения источника (1 вольт) даже на частоте 30 Гц, ниже расчетной точки отсечки.

Что не так? Проблема здесь в том, что сопротивление нагрузки в 1 кОм влияет на частотную характеристику фильтра, искажая ее по сравнению с тем, что нам говорила формула. Без этого сопротивления нагрузки SPICE создает график Боде, числа которого имеют больше смысла: (рисунок ниже)

 емкостной фильтр нижних частот
 v1 1 0 ac 1 грех
 г1 1 2 500
 c1 2 0 7u
 * примечание: без нагрузочного резистора!
 .переменный ток 20 40 50
 .plot ac v (2)
 .конец
 

Для емкостного фильтра нижних частот с R = 500 Ом и C = 7 мкФ выходной сигнал должен составлять 70,7% при 45,473 Гц.

f _{отсечка} = 1 / (2πRC) = 1 / (2π (500 Ом) (7 мкФ)) = 45,473 Гц

Имея дело со схемами фильтра, всегда важно помнить, что характеристика фильтра зависит от значений компонентов фильтра. и импеданса нагрузки.Если уравнение частоты среза не учитывает импеданс нагрузки, оно предполагает отсутствие нагрузки и не сможет дать точных результатов для реального фильтра, проводящего мощность к нагрузке.

Применение фильтра нижних частот

Одним из частых применений принципа емкостного фильтра нижних частот является разработка схем, содержащих компоненты или секции, чувствительные к электрическому «шуму». Как упоминалось в начале предыдущей главы, иногда сигналы переменного тока могут «передаваться» из одной цепи в другую через емкость (C _stray ) и / или взаимную индуктивность (M _stray ) между двумя наборами проводников.

Ярким примером этого является появление нежелательных сигналов переменного тока («шум») на линиях питания постоянного тока, питающих чувствительные цепи: (рисунок ниже).

Помехи связаны паразитной емкостью и взаимной индуктивностью с «чистым» источником постоянного тока.

Осциллограф слева показывает «чистую» мощность от источника постоянного напряжения. Однако после связи с источником шума переменного тока через паразитную взаимную индуктивность и паразитную емкость напряжение, измеренное на клеммах нагрузки, теперь представляет собой смесь переменного и постоянного тока, причем переменный ток является нежелательным.

Обычно можно было бы ожидать, что нагрузка E _{будет в точности идентична источнику} E _{, потому что непрерывные проводники, соединяющие их, должны делать два набора точек электрически общими. Однако импеданс силового проводника позволяет двум напряжениям различаться, что означает, что величина шума может варьироваться в разных точках системы постоянного тока.}

Если мы хотим предотвратить попадание такого «шума» в нагрузку постоянного тока, все, что нам нужно сделать, это подключить фильтр нижних частот рядом с нагрузкой, чтобы заблокировать любые связанные сигналы.В своей простейшей форме это не что иное, как конденсатор, подключенный непосредственно к силовым клеммам нагрузки, при этом конденсатор имеет очень низкий импеданс по отношению к любому шуму переменного тока и замыкает его.

Такой конденсатор называется развязывающим конденсатором : (рисунок ниже)

Разделительный конденсатор, подключенный к нагрузке, фильтрует шум от источника постоянного тока.

Беглый взгляд на переполненную печатную плату (PCB) обычно показывает разбросанные повсюду развязывающие конденсаторы, обычно расположенные как можно ближе к чувствительным нагрузкам постоянного тока.

Размер конденсатора обычно составляет 0,1 мкФ или более, минимальная величина емкости, необходимая для создания достаточно низкого импеданса для короткого замыкания любого шума. Большая емкость лучше справляется с фильтрацией шума, но размер и экономика ограничивают разделительные конденсаторы скудными значениями.

ОБЗОР:

• Фильтр нижних частот позволяет легко пропускать низкочастотные сигналы от источника к нагрузке и затруднять прохождение высокочастотных сигналов.
• Индуктивные фильтры нижних частот включают индуктивность последовательно с нагрузкой; В емкостных фильтрах нижних частот резистор включен последовательно, а конденсатор — параллельно нагрузке.Первая конструкция фильтра пытается «заблокировать» нежелательный частотный сигнал, а вторая пытается его сократить.
• Частота среза для фильтра нижних частот — это частота, при которой выходное (нагрузочное) напряжение равно 70,7% входного (исходного) напряжения. Выше частоты среза выходное напряжение ниже 70,7% входного, и наоборот.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

— Компенсация потерь мощности через резистор в цепи фильтра высоких / низких частот?

Эти пассивные фильтры имеют коэффициент усиления по напряжению 1 в полосе пропускания до тех пор, пока нет нагрузки (т.е.е. сопротивление / импеданс от \ $ V _ {\ text {out}} \ $ до земли). Рассмотрим, например, фильтр нижних частот: на низких частотах конденсатор ведет себя как разомкнутая цепь, и, поскольку \ $ V _ {\ text {out}} \ $ также является разомкнутой цепью, ток через резистор отсутствует и, следовательно, нет падение напряжения на нем. Другими словами, \ $ V _ {\ text {in}} = V _ {\ text {out}} \ $, что является усилением 1. В полосе пропускания около угловой частоты наблюдается некоторое затухание, потому что нет фильтра — пассивный или активный — идеально подходит на угловой частоте.В полосе задерживания фильтра нижних частот коэффициент усиления равен 0, поскольку конденсатор действует как короткое замыкание.

Однако на практике вы вряд ли увидите обрыв цепи в \ $ V _ {\ text {out}} \ $. Будет некоторое конечное сопротивление нагрузки или импеданс, и этот действительно уменьшает усиление фильтра нижних частот. Например, если у вас есть нагрузочный резистор, равный резистору фильтра, у вас есть коэффициент усиления 1/2 (два сопротивления образуют делитель напряжения, который делит вход пополам).

Вот пассивный фильтр нижних частот, для которого вы можете смоделировать частотную характеристику и отрегулировать нагрузочный резистор, чтобы увидеть, что произойдет:

^{смоделировать эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab}

Самый простой способ исправить этот пассивный фильтр так, чтобы он имел коэффициент усиления 1 даже при нагрузке, — это добавить буфер операционного усилителя к выходу пассивного фильтра (что делает общий фильтр активным):

Источник: http: // www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_5.html

Это работает, потому что вход операционного усилителя (который подключен к выходу пассивного фильтра) имеет очень высокий импеданс — это почти разомкнутая цепь. Таким образом, у вас есть усиление 1 (в полосе пропускания) на выходе пассивного фильтра, и буфер также имеет усиление 1, так что общее усиление в полосе пропускания равно 1. Вы также можете использовать неинвертирующий усилитель на операционном усилителе вместо буфера, чтобы обеспечить усиление> 1, если необходимо / желательно.

Пассивный фильтр может быть приемлемым, если ваше сопротивление нагрузки известно (и постоянно), и вы можете принять коэффициент усиления менее 1.В этом случае вы должны выбрать резистор фильтра так, чтобы он давал приемлемое усиление в полосе пропускания даже с нагрузочным резистором.

Index 43 — — Схема усилителя — Принципиальная схема

LM3860,325 Вт Усилитель звука

Опубликовано: 12.10.2012 22:11:00 Автор: muriel | Ключевое слово: LM3860,325W, усилитель звука

LM386 — усилитель мощности, разработанный для использования в низковольтных бытовых устройствах. Внутреннее усиление установлено на 20, чтобы поддерживать низкое количество внешних компонентов, но добавление внешнего резистора и конденсатора между контактами 1 и 8 увеличит усиление до любого значения от 20 до 200.Входы заземлены, а выход автоматически смещается до половины напряжения питания. Потребляемая мощность в режиме покоя составляет всего 24 милливатта при работе от источника питания 6 В, что делает LM386 идеальным для работы от батареи. (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1436)

Улучшенный 3-х транзисторный аудиоусилитель (80 мВт)

Опубликовано: 11.10.2012 21:32:00 Автор: мюриэль | Ключевое слово: Улучшенный, 3 транзистора, аудиоусилитель, 80 милливатт

Эта схема похожа на схему выше, но использует положительную обратную связь, чтобы получить немного большую амплитуду для динамика.Я скопировал его с небольшого 5-транзисторного радиоприемника, в котором используется динамик на 25 Ом. В приведенной выше схеме резистор нагрузки для транзистора драйвера подключен непосредственно к + источнику питания. Это имеет недостаток в том, что по мере того, как выход становится положительным, падение на резисторе 470 Ом уменьшается, что снижает базовый ток на верхнем NPN-транзисторе. Таким образом, выход не может полностью перейти к питанию +, потому что не будет никакого напряжения на резисторе 470 и тока базы на NPN-транзисторе. Эта схема несколько исправляет проблему и допускает больший размах напряжения и, возможно, большую выходную мощность, но я не знаю, насколько сильно, без тщательного тестирования.Выход по-прежнему не будет перемещаться больше, чем на пару вольт, используя небольшие транзисторы, поскольку пиковый ток не будет превышать 100 мА или около того при нагрузке 25 Ом. Но это улучшение по сравнению с другой схемой, описанной выше. В этой схеме нагрузочный резистор 1 кОм подключен к динамику, так что, когда выходной сигнал становится отрицательным, напряжение на резисторе 1 кОм уменьшается, что помогает выключить верхний транзистор NPN. Когда выход становится положительным, заряд конденсатора емкостью 470 мкФ помогает включить верхний NPN-транзистор.(Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (793)

3-х транзисторный аудиоусилитель (50 мВт)

Опубликовано: 11.10.2012 21:31:00 Автор: muriel | Ключевое слово: 3 транзистора, аудиоусилитель, 50 милливатт

Вот небольшой усилитель звука, похожий на то, что вы можете найти в небольшом транзисторном радиоприемнике. Входной каскад смещен так, что напряжение питания делится поровну на два дополнительных выходных транзистора, которые слегка смещены по проводимости диодами между базами.Резистор на 3,3 Ом используется последовательно с эмиттерами выходных транзисторов для стабилизации тока смещения, поэтому он не сильно меняется в зависимости от температуры или от различных транзисторов и диодов. По мере увеличения тока смещения напряжение между эмиттером и базой уменьшается, тем самым уменьшая проводимость. Входное сопротивление составляет около 500 Ом, а коэффициент усиления по напряжению составляет около 5 с подключенным динамиком на 8 Ом. Колебание напряжения на динамике составляет около 2 вольт без искажений, а выходная мощность находится в диапазоне 50 милливатт.Более высокое напряжение питания и добавление радиаторов к выходным транзисторам обеспечили бы большую мощность. Схема потребляет около 30 мА от источника питания 9 В. (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1242)

TDA 2030 8 Вт усилитель звука

Опубликовано: 11.10.2012 21:19:00 Автор: мюриэль | Ключевое слово: TDA 2030, 8 Вт, усилитель звука

Аудиоусилитель
TDA 2030 может выдавать 20 Вт, но на этой схеме мы снизили мощность до 8 Вт и использовали динамики мощностью 10 Вт.Чувствительность входа составляет около 200 мВ, а усилитель устанавливается резисторами 47 кОм и 1,5 кОм. Схема усилителя TDA2030 (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1445)

TDA1514 Усилитель звука Hi Fi 50 Вт

Опубликовано: 11.10.2012 21:18:00 Автор: muriel | Ключевое слово: TDA1514, 50W, Hi Fi, аудиоусилитель

TDA1514 — это Hi-Fi аудиоусилитель, который может выдавать аудио мощностью 50 Вт. Напряжение питания составляет от 10 В до 30 В.Его можно использовать в качестве домашнего усилителя. Интегральная схема TDA1514 представляет собой усилитель мощности Hi-Fi для использования в качестве строительного блока в радио, телевидении и других аудиоприложениях. Цепь TDA 1514 полностью защищена, а также имеет функцию отключения звука, которая может быть настроена на период после включения с временем задержки, фиксируемым внешними компонентами. Устройство предназначено для симметричных источников питания, но также можно использовать асимметричный источник питания. Для конфигурации стереоусилителя используйте две идентичные схемы. Усилитель TDA1514 (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1277)

Автомобильный стереоусилитель TDA1557Q TDA1553Q

Опубликовано: 11.10.2012 21:18:00 Автор: muriel | Ключевое слово: стерео автомобиль, усилитель звука, TDA1557Q, TDA1553Q

Этот стереоусилитель предназначен для автомобилей и может обеспечить мощность до 2 x 22 Вт при использовании одного TDA1557Q или TDA1553Q от Philips.TDA1557Q TDA1553Q датащит (просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1721)

STK4241V Домашний стереоусилитель

Опубликовано: 11.10.2012 21:17:00 Автор: мюриэль | Ключевое слово: STK4241V, Home, Stereo Amplifier

Этот домашний стереоусилитель оснащен STK4241V, который представляет собой толстопленочную гибридную ИС, усилитель мощности AF (раздельный источник питания) (120 Вт + 120 Вт мин, THD = 0,08%). STK4241V имеет некоторые особенности, такие как: Встроенная схема приглушения для изоляции всех типов ударного шума? Схема токового зеркала для низкого уровня 0.Общий коэффициент гармонических искажений 08% Для этого домашнего стерео аудиоусилителя мощностью 2×120 Вт мы используем один моночип STK4241V, чтобы получить до 120 Вт на каждый канал. Схема усилителя СТК4241В (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1162)

Усилитель мощности звука 50Вт 2N3055 MJ2955

Опубликовано: 11.10.2012 21:16:00 Автор: мюриэль | Ключевое слово: Аудио, усилитель мощности, 50 Вт, 2N3055, MJ2955

Очень простая схема усилителя мощности звука, построенная на 741, 2N3053, 2N4037, 2N3055 и MJ2955, которые выдают до 50 Вт на динамик 8 Ом.Используйте симметричный источник питания на 3 А для монофонических приложений и 5 А для стереофонических усилителей мощности. При использовании этого аудиоусилителя соблюдайте меры предосторожности: не замыкайте короткое замыкание на выходе и не подключайте динамики! Всегда проверяйте дважды! Схема усилителя звука 2N3055 (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (2607)

Широкополосный предусилитель УКВ

Опубликовано: 11.10.2012 21:11:00 Автор: muriel | Ключевое слово: широкополосный, УКВ, предусилитель

В этом недорогом предварительном усилителе УКВ используется pnp-транзистор типа BF324 TO92 в конфигурации с заземленной базой.Схема может использоваться в качестве усилителя сигнала с УКВ-приемниками, входной каскад которых имеет низкую чувствительность (например, многие клапанные и армейские избыточные типы). Частотный диапазон предусилителя составляет примерно от 75 МГц до 150 МГц. Два индуктора в цепи самодельные. L1 состоит из 10 витков медного эмалированного провода 24SWG; внутренний диаметр 3 мм, без сердечника. Индуктор L2 имеет 13 витков такого же провода и имеет внутренний диаметр 5 мм; ядро тоже не используется. Совет по конструкции: намотайте индукторы плотно, используя сверла 3 и 5 мм соответственно в качестве временных формирователей.Прототип предусилителя успешно использовался с радиовещательным ЧМ-приемником 88-108 МГц и 2-метровым радиолюбительским УКВ-приемником. Предусилитель потребляет около 2,5 мА от источника питания 5 В. Схема широкополосного УКВ предусилителя (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (2385)

Однокристальный УКВ предусилитель

Опубликовано: 11.10.2012 21:10:00 Автор: muriel | Ключевое слово: однокристальный, УКВ, РФ, предусилитель

Вот высокопроизводительный РЧ-усилитель для всего УКВ-вещания и диапазона PMR (100-175 МГц), который может быть успешно построен без какого-либо специального испытательного оборудования.Конфигурация с заземленным затвором по своей природе стабильна без какой-либо нейтрализации, если используются соответствующие методы компоновки печатной платы. Производительность усилителя неплохая. Коэффициент шума ниже 2 дБ, а усиление более 13 дБ. Низкий коэффициент шума и хорошее усиление помогут автомобильным радиоприемникам или домашним стереоприемникам ловить маломощные местные радиостанции или радиостанции университетского городка или удаленные любительские УКВ-станции в 2-метровом диапазоне. Из-за так называемого порогового эффекта FM-приемники внезапно теряют сигнал, поэтому, если ваша любимая радиостанция начинает появляться и исчезать во время движения, этот усилитель может значительно улучшить качество звука.MAX2633 — это низковольтный малошумящий усилитель для диапазона частот от УКВ до СВЧ. Работая от одного источника питания от +2,7 В до + 5,5 В, он имеет практически ровную характеристику усиления до 900 МГц. Его низкий коэффициент шума и низкий ток питания делают его идеальным для приложений приема, буферизации и передачи ВЧ сигналов. MAX2633 имеет внутреннее смещение и имеет выбираемый пользователем ток питания, который можно регулировать путем добавления одного внешнего резистора (здесь R1). Эта схема потребляет ток всего 3 мА. Принципиальная схема предусилителя VHF RF Помимо одного резистора смещения, единственными внешними компонентами, необходимыми для семейства ВЧ-усилителей MAX2630, являются входные и выходные блокирующие конденсаторы C1 и C3 и байпасный конденсатор VCC C2.Конденсаторы связи должны быть достаточно большими, чтобы давать пренебрежимо малое реактивное сопротивление в системе 50 Ом на самой низкой рабочей частоте. Используйте следующее уравнение для расчета их минимального значения: Cc = 53000 / расход [пФ] (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1009)

Низковольтный микрофонный предусилитель

Опубликовано: 11.10.2012 21:09:00 Автор: мюриэль | Ключевое слово: Низкое напряжение, микрофонный предусилитель

Это схема предусилителя микрофона низкого напряжения с 1.Источник питания 5В. Опорный сигнал с полосой пропускания единичного усиления 500 кГц используется в качестве предусилителя с коэффициентом усиления 100. Его выходной сигнал подается через потенциометр регулировки усиления на операционный усилитель, который подключен с коэффициентом усиления 10. Комбинация дает усиление 60 дБ при полосе пропускания 10 кГц без нагрузки и 5 кГц при нагрузке 500 Ом. Входное сопротивление составляет 10 кОм. Возможно, использование эталона в качестве предусилителя может вызвать избыточный шум. Однако, поскольку опорное напряжение низкое, вклад носа, который добавляет среднеквадратическое значение, также невелик.Входное шумовое напряжение в этом соединении составляет 440-500 нВ Гц, что примерно равно напряжению усилителя. Схема микрофонного предусилителя (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (813)

ВЧ усилитель мощности 70 МГц

Опубликовано: 11.10.2012 21:08:00 Автор: мюриэль | Ключевое слово: 70 МГц, RF, усилитель мощности

В этой схеме усилителя ВЧ мощности 70 МГц используется транзистор SD1143, который обеспечивает усиление около 14 дБ в этой конструкции.Он использует тот факт, что устройство 175 МГц имеет гораздо больший коэффициент усиления при использовании на более низких частотах. Изначально усилитель был разработан для использования с трансвертером. Выходная мощность составляет от 8 до 10 Вт при входной мощности от 300 до 500 мВт. К сожалению, у нас нет значений катушек. С небольшими изменениями вы можете использовать этот усилитель для разных частот. Принципиальная схема усилителя мощности 70 МГц (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (967)

BLW96 усилитель

Опубликовано: 11.10.2012 2:26:00 Автор: muriel | Ключевое слово: BLW96 ， усилитель

BLW96 — силовой транзистор HF / VHF, предназначенный для использования в мощном промышленном и военном передающем оборудовании класса A, AB и B в диапазоне h.f. и v.h.f. группа. Усилитель BLW96 450 Вт 50 МГц Возможным недостатком этого является то, что они могут иметь не меньшее усиление на 50 МГц по сравнению с транзистором VHF, но, как видно на Рисунке 1, по крайней мере, от 12 до 14 дБ усиления можно получить на 50 МГц (BLW96 хорошо работает на 70 МГц, поскольку ну, между прочим). Чтобы достичь требуемой мощности в этой конструкции, два BLW96 были подключены параллельно, чтобы обеспечить мощность 450 Вт при мощности чуть более 20 Вт. Входная мощность разделяется с помощью делителя мощности Уилкинсона, конструкция которого подробно обсуждалась в SIX NEWS # 33, Выход двух усилителей объединяется с помощью одной и той же, только реверсированной схемы.В нормальных условиях резистор 100 Ом, соединяющий два выходных (или входных) порта, не рассеивает очень много энергии, но во время настройки это возможно. Поскольку важно, чтобы эти резисторы были действительно неиндуктивными, в их конструкции используются довольно специальные устройства. Это оконечные резисторы на 100 Ом с болтовым креплением и двумя выводами для подключения к печатной плате — по конструкции они больше похожи на транзисторы. (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1212)

Схема усилителя для наушников HiFi

Опубликовано: 10.10.2012, 1:56:00 Автор: muriel | Ключевое слово: Hi-Fi наушники, усилитель

Эта схема усилителя для наушников HiFi обычно используется для управления наушниками с относительно низким импедансом.Он обеспечивает выходную мощность в один ватт и может также использоваться в качестве выходного каскада для предусилителей в сочетании с блоками активных громкоговорителей. Усилитель для наушников состоит из OP-AMP и дополнительного транзисторного усилителя. Входные сигналы проходят через фильтр нижних частот, состоящий из R1-C2. Его использование вместе с относительно «быстрым» OPAMP обеспечивает низкий коэффициент искажений. Ток в режиме ожидания задается диодами D1… D4 и R7-R8. Резисторы обратной связи R3 и R4 устанавливают коэффициент усиления около 15 дБ.Коэффициент искажения составляет около 0,1% при полосе пропускания от 10 Гц до 30 кГц. Усилитель для наушников обеспечивает максимальную выходную мощность 1 Вт при нагрузке 8 Ом при входном уровне 500 мВ. Можно подключить наушники с высоким сопротивлением. Схема также может управлять динамиком на 4 Ом. Схема усилителя наушников Чтобы выходные транзисторы не вышли из строя в случае короткого замыкания на выходе, они должны иметь теплоотвод. Транзисторы также должны быть электрически изолированы от радиатора.Напряжение питания может быть обеспечено адаптером с выходом 6-8 вольт постоянного тока. Схема печатной платы усилителя наушников (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1887)

Схема автомобильного антенного усилителя

Опубликовано: 10.10.2012, 1:55:00 Автор: muriel | Ключевое слово: автомобильная антенна, усилитель

Этот автомобильный антенный усилитель может использоваться на частотах до 70 МГц и специально разработан для усиления слабых сигналов, захваченных автомобильной антенной.Он имеет высокое входное сопротивление и низкий коэффициент шума. Общее усиление автомобильного антенного усилителя составляет около 30 дБ, а входное сопротивление на частоте 30 МГц — около 10 кОм. Усилитель должен быть установлен непосредственно у основания антенны, чтобы избежать потерь сигнала, вызванных емкостным характером коаксиального кабеля. Этот антенный усилитель должен использоваться для немобильных приемников. Если вы собираетесь установить эту схему в наружную антенну, убедитесь, что она находится в водонепроницаемом корпусе. Используйте эту схему усилителя автомобильной антенны только для антенн приемника.Передача через него приведет к повреждению компонентов. Схема автомобильного антенного усилителя Схема печатной платы антенного усилителя (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1056)

Схема усилителя электретного микрофона

Опубликовано: 10.10.2012, 1:53:00 Автор: muriel | Ключевое слово: Электретный микрофон, усилитель

В этой статье описан компактный электретный микрофонный усилитель, но вы можете подключить динамические микрофоны с низким сопротивлением.Электретные микрофоны могут быть вставлены в одну коробку с усилителем, для этого требуется всего лишь батарея от 5 до 10 В или 9 В с потребляемым током всего 1,5 мА. Схема усилителя электретного микрофона Электретный микрофонный усилитель печатной платы (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (2180)

Rf 15W — усилитель мощности 30W KT922, KT930, KT934

Опубликовано: 10.10.2012, 1:53:00 Автор: muriel | Ключевое слово: RF, 15Вт — 30Вт, усилитель мощности

Этот высокочастотный усилитель обеспечивает мощность, необходимую для усиления небольшого передатчика.В зависимости от входной ВЧ мощности, источника питания и транзистора, этот усилитель может повышать мощность от 15 Вт до 30 Вт. Наиболее важные компоненты: 7805, диоды 1N4001, установленные последовательно, резистор 120 Ом / 2 Вт и диоды 1N4145. Ом), пока вы не получите 50 мА через T1 и 100 мА через T2. Без какого-либо входного сигнала вы должны измерить 1,5 В, как на схеме, если напряжение выше, могут сгореть 2 транзистора. При входной ВЧ-мощности 12 В и 0,1 Вт выходная мощность составляет 6 Вт, а при 0,5 Вт выходная мощность составляет 15 Вт. При 24 В и 0 .Входная мощность 1 Вт, выходная мощность составляет 10 Вт, а при 0,5 Вт выходная мощность составляет 25 Вт. Принципиальная схема усилителя мощности ВЧ (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1788)

Схема усилителя FM радио мощностью 25 Вт

Опубликовано: 10.10.2012, 1:51:00 Автор: muriel | Ключевое слово: 25Вт, FM, радиоусилитель

Простой FM-радиоусилитель мощностью 25 Вт, используемый в качестве финального каскада для передатчика 2,5 Вт. У меня общее усиление составляет 10 дБ, и мне нужен источник питания 12 В / 3 А.Оборудован KT925W или BLY88, BLY89C. Используйте очень хороший головной резистор, потому что этот транзистор сильно нагревается. Значения катушек: L1 = L3 = 4 витка / 1,5 мм / 8 мм / 10 мм в длину, L2 = 4 витка / 1 мм / 6 мм / 10 мм в длину, L4 = 20 витков / 0,8 мм / на резисторе 22 Ом. Схема усилителя FM радио мощностью 25 Вт (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1196)

Схема высококачественного усилителя

Опубликовано: 09.10.2012 22:30:00 Автор: Ecco | Ключевое слово: высококачественный усилитель

Рисунок 19.23 показана мостовая высокоточная схема с TDA2010, напряжение питания ± UB = ± 17 В, нагрузка RL = 8 Ом, выходная мощность может достигать 30 Вт, коэффициент искажения ≤ 1%. Если в той же схеме используется источник питания TDA2020, ± 14 В, выходная мощность может достигать 24 Вт. (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (1146)

Схема измерительного мостового усилителя

Опубликовано: 09.10.2012 22:25:00 Автор: Ecco | Ключевое слово: Измерительный мост, усилитель

Измерительная схема, показанная на рисунке a, состоит из резисторов R1 ~ R4, выходное напряжение UBr может быть постоянным или переменным напряжением (до 100 кГц), если это напряжение переменного тока, может использоваться емкостная связь (рисунок d).В обоих случаях для подключения к входу и выходу можно использовать схему с высокой омической изоляцией (рис. C). На рисунке b показана несимметричная и сбалансированная кривая регулировки усиления мостовой схемы. (Просмотр)

Посмотреть полную принципиальную схему | Комментарии | Чтение (879)

TinyAVR Проекты микроконтроллеров для злого гения (серия Evil Genius)

®

TinyAVR Проекты микроконтроллеров для злого гения

™

Проекты мотоциклов, самокатов и вертолетов серии Evil Genius ™ для злого гения Бионика для злого гения: 25 проектов электронных схем для злых Genius, второе издание: 64 урока с проектами Электронные гаджеты для злого гения: 28 проектов для самостоятельной сборки Электронные датчики для злого гения: 54 проекта по электрификации 50 потрясающих автомобильных проектов для злого гения 50 Зеленых проектов для злого гения 50 Модель Ракетные проекты для злого гения 51 высокотехнологичная розыгрыш для злого гения 46 проектов на научной ярмарке для злого гения Проекты топливных элементов для злого гения Голографические проекты для злого гения Мехатроника для злого гения: 25 проектов, построенных самим Проекты интеллектуального развития для злого гения: 19 умопомрачительных биохаков БОЛЬШЕ Электронных гаджетов для злого гения: 40 НОВЫХ проектов «Построй сам» 101 космический проект cts для Evil Genius 101 Шпионские гаджеты для Evil Genius 125 Физические проекты для Evil Genius 123 Эксперименты с микроконтроллером PIC® для Evil Genius 123 Робототехнические эксперименты для Evil Genius Компьютерные моды для Evil Genius: 25 пользовательских сборок для ускорения заряда вашего компьютера PICAXE Проекты микроконтроллеров для злого гения Программирование видеоигр для злого гения Проекты утилизации отходов для злого гения Проекты солнечной энергии для злого гения Телефонные проекты для злого гения 30 проектов Arduino для злого гения 25 Проекты домашней автоматизации для злого гения 22 Радио и Проекты приемников для Evil Genius

®

tinyAVR Проекты микроконтроллеров для Evil Genius ™

Дхананджай В.Гадре и Нехул Малхотра

Нью-Йорк Чикаго Сан-Франциско Лиссабон Лондон Мадрид Мехико Милан Нью-Дели Сан-Хуан Сеул Сингапур Сидней Торонто

Copyright © 2011 by The McGraw-Hill Companies. Все права защищены. За исключением случаев, разрешенных Законом США об авторском праве 1976 г., никакая часть данной публикации не может быть воспроизведена или распространена в любой форме и любыми средствами, а также сохранена в базе данных или поисковой системе без предварительного письменного разрешения издателя. ISBN: 978-0-07-174455-3 MHID: 0-07-174455-X Материал этой электронной книги также появляется в печатной версии этого заголовка: ISBN: 978-0-07-174454-6, MHID: 0 -07-174454-1.Все товарные знаки являются товарными знаками соответствующих владельцев. Вместо того, чтобы помещать символ товарного знака после каждого появления названия товарного знака, мы используем имена только в редакционных целях и в интересах владельца товарного знака без намерения нарушить права на товарный знак. Там, где такие обозначения встречаются в этой книге, они напечатаны заглавными буквами. Электронные книги McGraw-Hill доступны со специальными скидками за количество для использования в качестве надбавок и рекламных акций или для использования в программах корпоративного обучения.Чтобы связаться с представителем, отправьте нам электронное письмо по адресу [адрес электронной почты защищен]. Информация была получена McGraw-Hill из источников, которые считаются надежными. Однако из-за возможности человеческой или механической ошибки со стороны наших источников, McGraw-Hill или других, McGraw-Hill не гарантирует точность, адекватность или полноту любой информации и не несет ответственности за какие-либо ошибки или упущения или результаты. полученные в результате использования такой информации. УСЛОВИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Это произведение защищено авторским правом, и компания McGraw-Hill Companies, Inc.(«McGrawHill») и ее лицензиары сохраняют за собой все права на произведение. Использование этой работы регулируется этими условиями. За исключением случаев, предусмотренных Законом об авторском праве 1976 года и правом хранить и извлекать одну копию работы, вы не можете декомпилировать, дизассемблировать, реконструировать, воспроизводить, изменять, создавать производные работы на основе, передавать, распространять, распространять, продавать, публиковать или сублицензировать работу или любую ее часть без предварительного согласия McGraw-Hill. Вы можете использовать произведение в личных некоммерческих и личных целях; любое другое использование произведения строго запрещено.Ваше право на использование произведения может быть прекращено, если вы не соблюдаете эти условия. РАБОТА ПРЕДОСТАВЛЯЕТСЯ «КАК ЕСТЬ». McGRAW-HILL И ЕЕ ЛИЦЕНЗИАРЫ НЕ ДЕЛАЮТ НИКАКИХ ГАРАНТИЙ ИЛИ ГАРАНТИЙ В ОТНОШЕНИИ ТОЧНОСТИ, АДЕКВАТНОСТИ ИЛИ ПОЛНОМОЧИЯ ИЛИ РЕЗУЛЬТАТОВ, КОТОРЫЕ БУДУТ ПОЛУЧИТЬСЯ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАБОТЫ, ВКЛЮЧАЯ ЛЮБУЮ ИНФОРМАЦИЮ, К КОТОРОЙ МОЖЕТ БЫТЬ ДОСТУПНЫ С ПОМОЩЬЮ ГАРАНТИИ ИЛИ ПРОИЗВОДСТВА ДРУГОЙ ИНФОРМАЦИИ. , ЯВНЫХ ИЛИ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫХ, ВКЛЮЧАЯ, НЕ ОГРАНИЧИВАясь, ПОДРАЗУМЕВАЕМЫЕ ГАРАНТИИ КОММЕРЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ИЛИ ПРИГОДНОСТИ ДЛЯ КОНКРЕТНОЙ ЦЕЛИ.McGraw-Hill и ее лицензиары не гарантируют и не гарантируют, что функции, содержащиеся в работе, будут соответствовать вашим требованиям или что ее работа будет бесперебойной или безошибочной. Ни McGraw-Hill, ни ее лицензиары не несут ответственности перед вами или кем-либо еще за любые неточности, ошибки или упущения, независимо от причины, в работе или за любой ущерб, возникший в результате этого. McGraw-Hill не несет ответственности за содержание любой информации, доступ к которой осуществляется в ходе работы. Ни при каких обстоятельствах компания McGraw-Hill и / или ее лицензиары не несут ответственности за любые косвенные, случайные, особые, штрафные, косвенные или аналогичные убытки, возникшие в результате использования или невозможности использования произведения, даже если кому-либо из них было сообщено об этом. возможность таких повреждений.Это ограничение ответственности применяется к любым претензиям или причинам, независимо от того, возникают ли такие претензии или причины по контракту, правонарушению или иным образом.

Эта книга посвящена профессору Шааладжа М. Карандикару (1920–1995), в просторном доме которого с мини-библиотекой меня всегда приглашали просмотреть и взять любую книгу. И профессору Нилу Гершенфельду, благодаря которому появилась возможность написать это! —Дхананджай В. Гадре Моим родителям, которые дали мне мою личность. И моей сестре Нехе, которая моя личность! —Нехул Малхотра

Об авторах Дхананджай В.Гадре (Нью-Дели, Индия) получил степень магистра (электроника) в Университете Дели и MEng (компьютерная инженерия) в Университете Айдахо. За свою более чем 21-летнюю профессиональную карьеру он преподавал в SGTB Khalsa College, University of Delhi, работал научным сотрудником в Межуниверситетском центре астрономии и астрофизики (IUCAA), Пуна, а с 2001 года работал с Отделение электроники и коммуникаций Технологического института Нетаджи Субхаса, Нью-Дели, в настоящее время работает доцентом.Он также связан с глобальной сетью Fablab и является преподавателем Fab Academy. Профессор Гадре — автор нескольких профессиональных статей и трех книг. Одна из его книг переведена на китайский язык, а другая — на греческий. Он лицензированный радиолюбитель с позывным VU2NOX и надеется когда-нибудь спроектировать и построить любительский радиоспутник. Нехул Малхотра (Нью-Дели, Индия) получил степень бакалавра в области электроники и техники связи Технологического института Нетаджи Субхаса в Нью-Дели.Он работал в лаборатории профессора Гадре, активно участвуя в текущих проектах. Он также был генеральным директором-основателем стартапа LearnMicros. Однажды Нехул освободил джинна из бутылки, которую он нашел на пляже. В награду ему даровано 30 часов в сутки. В настоящее время Нехул учится в аспирантуре Индийского института менеджмента в Ахмедабаде, Индия.

Краткое содержание 1

Tour de Tiny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .

1

2

Светодиодные проекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3

Продвинутые светодиодные проекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

4

Графические ЖК-проекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99

5

Проекты датчиков. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

6

Аудиопроекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

7

Проекты альтернативной энергетики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

A

C Программирование микроконтроллеров AVR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

B

Проектирование и изготовление печатных плат.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

C

Лупа наглазника со светодиодной подсветкой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

191

Индекс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

vii

Эта страница намеренно оставлена ​​пустой.

Содержание

Благодарности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .

xiii

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xv

1 Tour de Tiny. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

О книге. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Микроконтроллеры tinyAVR компании Atmel. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . tinyAVR устройства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . tinyAVR Архитектура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Элементы проекта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Источники энергии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . Инструменты разработки оборудования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Разработка программного обеспечения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Изготовление собственной печатной платы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Проект 1 Привет, мир! микроконтроллеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Вывод . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 2 2 3 8 11 17 20 24 26 28

2 светодиодных проекта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

светодиода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Виды светодиодов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . Управляющие светодиоды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Мерцающая светодиодная свеча Project 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Светодиодный цветной смеситель Project 3 RGB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Генератор случайных цветов и музыки Project 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Светодиодная ручка Project 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Вывод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29 31 32 35 41 45 49 54

3 продвинутых светодиодных проекта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

Мультиплексирование светодиодов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Чарлиплексинг. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лампа настроения Project 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Измеритель VU Project 7 с 20 светодиодами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Вольтметр проекта 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Проект 9 Термометр Цельсия и Фаренгейта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Частотомер Project 10 с автоподстройкой диапазона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Проект 11 Компьютерные часы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Проект 12 RGB Dice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Крестики-нолики Project 13 RGB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Вывод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55 65 67 72 76 80 82 84 90 93 97

ix

x

tinyAVR Проекты микроконтроллеров для Evil Genius

4

Графические ЖК-проекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Принцип работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nokia 3310 GLCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Температурный плоттер проекта 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Project 15 Tengu на графическом дисплее. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Проект 16 Игра жизни. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Проект 17 Крестики-нолики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Проект 18 Веселые часы.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Проект 19 Rise and Shine Bell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Вывод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99 101 105 109 113 117 119 123 128

5 проектов датчиков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 светодиод как датчик. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Термистор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LDR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Индуктор как датчик магнитного поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Светодиод Project 20 как датчик и индикатор. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Светодиодный экран «Сердце Валентина» Project 21 с датчиком приближения. . . . . . . . . . . Электронная пожарная спичка проекта 22. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Вращающийся светодиодный волчок Project 23 с дисплеем сообщений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Бесконтактный тахометр проекта 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Индуктивный автомобильный детектор и счетчик проекта 25. . .. . . . . . . . . . . . . Электронные надувные свечи на день рождения Project 26. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Проект 27 Холодильная сигнализация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Вывод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

129 130 130 131 131 136 140 144 149 153 159 164 168

6 аудиопроектов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 169 Проект 28 Тональный Проигрыватель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Проект 29 Холодильная сигнализация Redux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Плеер Project 30 RTTTL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Проект 31 Музыкальная игрушка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Вывод . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

171 176 178 185 189

7 Проекты альтернативной энергетики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Выбор подходящего регулятора напряжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Создание генератора Фарадея. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Результаты экспериментов и обсуждение. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Беспроводной инфракрасный пульт дистанционного управления Project 32. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Электронные безбатарейные игральные кости Project 33. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Безбатарейная игрушка «Постоянство зрения» проекта 34. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Вывод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

192 194 195 196 201 206212

Программирование C для микроконтроллеров AVR.. . . . . . . . . . . . . . 213 Различия между ANSI C и Embedded C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Типы данных и операторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Эффективное управление портами ввода / вывода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Несколько важных файлов заголовков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Функции. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

214 214 217 220 220

Содержание

xi

Обработка прерываний. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Массивы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Еще C. Утилиты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

B Проектирование и изготовление печатных плат. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 EAGLE Light Edition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ОРЕЛ Windows. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EAGLE Учебник. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Добавление новых библиотек.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Размещение компонентов и трассировка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Roland Modela MDX-20 Фрезерный станок для печатных плат. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

225 225 226 227 228 228

C Лупа на глаз со светодиодной подсветкой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Версия 2 светодиодной наглазительной лупы с подсветкой. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 242 Вариант 3 осветительной светодиодной наглазительной лупы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Индекс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

xi

Эта страница намеренно оставлена ​​пустой.

Благодарности МЫ НАЧИЛИ СТРОИТЕЛЬСТВО ПРОЕКТОВ с микроконтроллерами tinyAVR несколько лет назад. Создание проектов с использованием микроконтроллеров с ограниченными возможностями было захватывающим моментом.Постепенно количество проектов росло, и мы подумали о том, чтобы задокументировать их, чтобы поделиться ими с другими. В результате появилась эта книга. Многие студенты помогали в разработке проектов, описанных в этой книге. Это Анураг Чуг, Саураб Гупта, Гаурав Миноча, Майанк Джайн, Харшит Джайн, Хашим Хан, Нипун Джиндал, Пратик Гупта, Нихил Каутиля, Критика Гарг и Лалит Кумар. Как всегда, Сатья Пракаш из Центра дизайна и технологий электроники (CEDT) NSIT оказал большую помощь в создании многих проектов.Первоначально печатные платы проекта создавались на печатных платах общего назначения, либо специальные печатные платы заказывались у производителей печатных плат. С 2008 года, когда Нил Гершенфельд, профессор Центра битов и атомов, Media Labs, Массачусетский технологический институт, представил мне фрезерный станок MDX20, скорость и простота изготовления печатных плат на дому значительно увеличились. Благодаря фрезерному станку MDX20 мы можем создать прототип схемы за несколько часов, в отличие от нашего предыдущего темпа — одного контура в неделю.Мы с благодарностью благодарны за щедрую помощь Нила Гершенфельда и его многочисленные предложения. Также выражаем благодарность Шерри Ласситер, менеджеру программы Центра битов и атомов, за поддержку нашей деятельности. Ларс Тор Ааррестаад, Марко Мартин Хоаким и Имран Шарифф из Atmel помогли с образцами устройств и инструментами. Я благодарю Роджера Стюарта, редакционного директора McGraw-Hill, за то, что он очень верил в идею этой книги, и Джойю Энтони, координатора по закупкам, за убедительность, но мягкость даже при срыве всех сроков.Вайшнави Сундарараджан проделал огромную работу по редактированию рукописи с нашей стороны, прежде чем мы отправили каждую главу редакторам. Спасибо вам, ребята! Нехул Малхотра, студент, участвовавший в нескольких проектах, внес значительный вклад в то, чтобы стать соавтором. Его настойчивость и способность много и много работать заслуживают подражания сокурсникам. Эта книга была бы невозможна без Сангиты и Чайтаньи, которые являются моей семьей и самыми важными людьми в моей жизни. Спасибо за терпение и настойчивость!

xiii

Эта страница намеренно оставлена ​​пустой.

Введение БОЛЬШЕ ДЕСЯТИ ЛЕТ НАЗАД, когда я писал книгу о микроконтроллерах AVR, AVR были новичком в этом секторе, и немногие люди слышали об этих чипах.Мне пришлось опробовать эти новые устройства, поскольку мне надоело использовать микроконтроллеры 8051, которые не предлагали достаточно функций для сложных требований. Несмотря на то, что AVR были новыми, программные инструменты, предлагаемые Atmel, были довольно надежными, и я мог прочитать все об этих чипах и запрограммировать свое первое приложение за считанные дни. Поскольку эти устройства только что дебютировали, инструменты на языке высокого уровня были нелегко доступны, или были слишком глючными, или создавали слишком объемный код даже для простых программ. Таким образом, все проекты в этой книге AVR были написаны на ассемблере.Однако сейчас все по-другому. Семейство микроконтроллеров AVR стабилизировалось и в настоящее время является вторым по объему продаж семейством восьмиразрядных микроконтроллеров во всем мире! Для семейства AVR также доступно множество качественных компиляторов C. AVR также поддерживается GCC (компилятором GNU C) как AVRGCC, что означает, что не нужно тратить деньги на компилятор C при выборе использования AVRGCC. Когда я начал использовать AVR более десяти лет назад, мое внимание привлекли несколько восьмиконтактных устройств.До этого момента восьмиконтактная интегральная схема означала 741 операционный усилитель или микросхему таймера 555. Но здесь был полноценный компьютер в восьмиконтактном корпусе. Было восхитительно видеть такие маленькие компьютеры, и еще увлекательнее было с ними разрабатывать. Очарование продолжалось на протяжении многих лет. Кроме того, Atmel не сидела на месте со своей небольшой серией микроконтроллеров. Она расширила серию и дала ей новое имя, микроконтроллеры tinyAVR, и добавила множество устройств, от шестиконтактной части до

— 28-выводной.Эти устройства являются недорогими и стоят всего 25 центов каждое. Сегодня микроконтроллеры есть повсюду, от пультов дистанционного управления телевизорами до микроволновых печей и мобильных телефонов. Чтобы научиться программировать и использовать эти устройства, люди создали множество обучающих инструментов, комплектов и сред. Одна из таких популярных сред — это Arduino. Arduino основан на семействе микроконтроллеров AVR, и вместо того, чтобы изучать язык ассемблера или C для программирования, Arduino имеет собственный язык, который легко выучить — можно начать использовать устройство Arduino за один день.Он позиционируется как микроконтроллерная система с «низким порогом обучения». Самая простая и маленькая платформа Arduino использует 28-контактный AVR, микроконтроллер ATMega8 и стоит более 12 долларов. Однако, если вы хотите управлять несколькими светодиодами или вам нужна всего пара контактов ввода-вывода для вашего проекта, вы можете задаться вопросом, зачем вам 28-контактное устройство. Добро пожаловать в мир микроконтроллеров tinyAVR! Эта книга иллюстрирует 34 завершенных, работающих проекта. Все эти проекты были реализованы с помощью микроконтроллеров серии tinyAVR и разделены на семь глав.Первая глава — это вихревой тур по AVR, в частности, архитектуре микроконтроллера tinyAVR, элементам проекта на основе микроконтроллера, рассмотрению источников питания и т. Д. 34 проекта охватывают шесть тем, охватывающих проекты светодиодов, проекты расширенных светодиодов, проекты графических ЖК-дисплеев, сенсоры проекты, аудиопроекты и, наконец, проекты с использованием альтернативной энергии. Некоторые из этих проектов уже стали популярными и доступны в виде продуктов. Поскольку все подробности о проектах микроконтроллеров tinyAVR для Evil Genius

xv

xv

xvi

описаны в этой книге, эти проекты являются отличным источником идей для хакеров и энтузиастов DIY.Идеи, представленные в этих проектах, конечно, могут быть использованы и улучшены. Схемы и файлы плат для всех проектов доступны и могут использоваться для заказа печатных плат у производителей печатных плат. Большинство компонентов можно заказать через Digikey или Farnell. Файлы проекта, такие как файлы схем и плат для всех проектов, видео и фотографии, доступны на нашем веб-сайте: www.avrgenius.com/ tinyavr1.

Глава 4: Проекты графических ЖК-дисплеев ■

Работа ЖК-дисплеев, типы ЖК-дисплеев, графический ЖК-дисплей Nokia 3310

■

Шесть проектов: плоттер температуры, тенгу на графическом дисплее, игра жизни, крестики-нолики, забавные часы, школьный звонок

Глава 5: Проекты датчиков ■

Различные типы датчиков света, температуры, магнитного поля и т. д., и их работа

■

Восемь проектов: светодиод в качестве датчика и индикатора, светодиодный дисплей сердца Валентина с датчиком приближения, электронная огнеупорная спичка, вращающийся светодиодный волчок с дисплеем сообщений, бесконтактный тахометр, индуктивный автомобильный детектор на основе петли и счетчик, электронные свечи на день рождения, сигнализация холодильника

Глава 1: Tour de Tiny ■

Архитектура tinyAVR, важные особенности микроконтроллеров tinyAVR, проектирование с использованием микроконтроллеров, разработка источника питания для портативных приложений

■

Инструменты, необходимые для строительных проектов , изготовление печатных плат, Hello World! микроконтроллеров

Глава 6: Аудиопроекты ■

Генерация музыки и звука с помощью микроконтроллера

■

Четыре проекта: звуковой проигрыватель, повторный визит в холодильник, проигрыватель RTTTL, музыкальная игрушка

Глава 2: Проекты со светодиодами ■

■

Типы светодиодов, их характеристики, управление светодиодами Четыре проекта: светодиодная свеча, смеситель цветов светодиодов RGB, генератор случайных цветов и музыки, светодиодная ручка

Глава 7: Проекты альтернативной энергетики ■

Генерация напряжения с использованием закона Фарадея и его использование для портативные приложения питания

■

Три проекта: безбатарейный пульт от телевизора, безбатарейный электронный кубик, безбатарейная игрушка с изображением точки зрения

Глава 3: Расширенные проекты светодиодов ■

Управление большим количеством светодиодов с использованием различных методов мультиплексирования

■

Восемь проектов : лампа настроения, измеритель уровня громкости с 20-светодиодным дисплеем, вольтметр, частотомер с автоматическим выбором диапазона, термометры Цельсия и Фаренгейта э-э, компьютерные часы, игральные кости RGB, крестики-нолики RGB

Приложение A: Программирование на языке C для микроконтроллеров AVR ■

Быстрый старт, который позволяет читателям быстро адаптироваться к командам C, используемым во встроенных приложениях, и использовать C для программирования микроконтроллеры tinyAVR

Введение

Приложение B: Проектирование и изготовление печатных плат ■

EAGLE, программа захвата схем и маршрутизации плат.Все печатные платы в проектах в этой книге сделаны с использованием бесплатной версии EAGLE. Платы могут быть изготовлены у поставщиков печатных плат или на фрезерном станке Modela (или другом). Также обсуждаются альтернативные методы строительства.

xvii

Приложение C: Светодиодная лупа с подсветкой ■

Создание крутой светодиодной лупы на основе микроконтроллера

Мы надеемся, что вы получите столько же удовольствия, создавая эти проекты, сколько мы с удовольствием делимся ими с вами.

Эта страница намеренно оставлена ​​пустой.

ГЛАВА

1

Tour de Tiny

СПАСИБО ЗАКОНУ Мура, емкость кремния все еще удваивается (ну, почти) каждые 18 месяцев.Это означает, что каждые полтора года производители полупроводниковых интегральных схем (ИС) могут втиснуть в два раза больше транзисторов и других компонентов в одну и ту же область кремния. Эта важная гипотеза была впервые высказана Гордоном Муром, соучредителем Intel, в середине 1960-х годов, и, что удивительно, она все еще верна — более или менее. Размер настольных персональных компьютеров (ПК) сокращается. От настольных компьютеров до тонких ПК, кубов и карманных компьютеров — у нас есть все.В последнее время появилась еще одна форма компьютеров еще меньшего размера: ПК с малым форм-фактором (SFF). Концепция SFF показывает наличие небольших компьютерных систем общего назначения, доступных для индивидуальных потребителей, и это не обязательно должны быть специализированные встроенные системы, на которых работает индивидуальное программное обеспечение. Влияние закона Мура сказывается не только на размерах персональных компьютеров, но и на повседневных электронных устройствах, которые мы используем; мой нынешний мобильный телефон, который предлагает мне гораздо больше функций, чем мой предыдущий, намного меньше, чем его предшественник! Когда мы используем термин «компьютер», это чаще всего означает обычное вычислительное устройство, которое мы используем для обработки текста, просмотра веб-страниц и т. Д.Но в наши дни почти каждое электронное устройство имеет внутри какие-то вычислительные возможности. Такие компьютеры называются встроенными компьютерами, поскольку они «встроены» в более крупное устройство,

делая это устройство более умным и способным, чем оно было бы без этого «компьютера». В своем стремлении к еще более компактным и изящным компьютерным системам и электронным устройствам мы обращаем наше внимание на компьютеры с еще меньшей площадью основания: компьютеры с форм-фактором Tiny. В отличие от остальных, это специализированные компьютерные системы, достаточно маленькие, чтобы поместиться в кармане рубашки.Многие производители предоставляют базовые части таких компьютеров, и Microchip и Atmel лидируют. При таких небольших размерах, как у шестиконтактных устройств, размером не больше рисового зерна, все, что им нужно, — это подходящий источник питания и интерфейсная схема. Добавьте специальное программное обеспечение, и у вас будет свой собственный небольшой гаджет, который может быть настолько уникальным, насколько вы хотите. Что могут делать такие маленькие встраиваемые компьютеры? Могут ли они вообще быть полезны? Мы показываем, насколько они могут быть маленькими и на что они способны.

О книге В книге шесть проектных глав. Проекты в каждой главе сгруппированы по определенной теме, например, светодиоды (светодиоды) или датчики. В этих главах нет определенной последовательности, и их можно читать в произвольном порядке. Однако если вы новичок, то рекомендуется последовательно читать главы. Глава 1 содержит вводную информацию о процессе разработки проекта, 1

2

TinyAVR Микроконтроллер Проекты для инструментов Evil Genius

, источников питания и т. Д., и это настоятельно рекомендуется, даже если вы опытный читатель, чтобы вы могли легко следовать стилю и процессу разработки, которые мы используем в следующих главах.

Микроконтроллеры tinyAVR Atmel Серия микроконтроллеров tinyAVR сейчас представлена ​​во многих вариантах. Количество контактов ввода / вывода (I / O) варьируется от 4 в самой маленькой серии, ATtiny4 / 5/9/10, до 28 в ATtiny48 / 88. Некоторые пакеты серии ATtiny48 / 88 имеют только 24 контакта ввода-вывода. Широко используемым устройством является ATtiny13, который имеет в общей сложности восемь контактов с двумя обязательными контактами для питания, а у вас остается шесть контактов ввода / вывода.Звучит не так уж и много, но оказывается, что даже с этими шестью выводами ввода-вывода можно сделать многое, даже без использования дополнительных схем расширения ввода-вывода.

Charlieplexing, позволяет подключать до 20 светодиодов, используя всего пять контактов ввода / вывода. Этот метод использовался для создания привлекательных графических дисплеев или для добавления в проекты семисегментного считывания. В других проектах, в которых нет светодиодных дисплеев, используются графические ЖК-дисплеи. Каждый проект может быть построен за выходные и может быть использован с прибылью в виде игрушки или инструмента.

Устройства tinyAVR Устройства tinyAVR отличаются друг от друга по нескольким параметрам, таким как количество контактов ввода-вывода, размер памяти, тип корпуса, например двухрядный корпус (DIP), интегральная схема с малым контуром (SOIC) или микросхема с выводами (MLF), периферийные функции, интерфейсы связи и т. Д. На рисунке 1-1 показаны некоторые tinyAVR в корпусе DIP, а на рисунке 1-2 показаны некоторые tinyAVR в корпусе SOIC устройства поверхностного монтажа (SMD). Полный список

Из таблицы устройств tinyAVR, представленной далее в этой главе, мы выбрали ATtiny13, ATtiny25 / 45/85 и ATtiny261 / 461/861 для большинства проектов.Они представляют весь спектр устройств Tiny. Все эти устройства имеют встроенную статическую память с произвольным доступом (SRAM), которая является важным условием для программирования этих микросхем с использованием C. Tiny13 имеет только 1 КБ программной памяти, тогда как Tiny861 и Tiny85 имеют 8 КБ. Tiny13 и Tiny25 / 45/85 совместимы по выводам, но устройства последних серий имеют больше памяти и функций. Если код не подходит для Tiny13, его можно заменить на Tiny25 / 45/85, в зависимости от требований к памяти. У проектов, которые запланированы для этой книги, есть отличительная особенность: почти все они имеют захватывающую визуальную привлекательность в виде больших светодиодных дисплеев.Новый метод сопряжения большого количества светодиодов с использованием относительно небольшого количества контактов ввода / вывода, называемый

Рисунок 1-1

Микроконтроллеры tinyAVR в корпусе DIP

Глава 1

ТАБЛИЦА 1-1

■

Tour de Tiny

Некоторые основные серии / устройства из семейства tinyAVR

S. №

/ Устройство

Характеристики

1

ATtiny4 / 5/9/10

Максимум 4 контакта ввода / вывода, 1,8 –5,5 В при работе, 32 Б ОЗУ, пропускная способность до 12 MIPS при 12 МГц, флэш-память программ 1 КБ в ATtiny9 / 10 и 512 Б в ATtiny4 / 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) присутствует в ATtiny5 / 10

2

ATtiny13

Максимум 6 контактов ввода / вывода, 1.Работа 8–5,5 В, SRAM 64 Б, EEPROM 64 Б, пропускная способность до 20 MIPS при 20 МГц, 1 КБ флэш-памяти программ, АЦП

3

ATtiny24 / 44/84

Максимум 12 контактов ввода / вывода, 1,8–5,5 В операции, 128/256 / 512Б SRAM и 128/256 / 512Б EEPROM в ATtiny24 / 44/84 соответственно, пропускная способность до 20 MIPS при 20 МГц, флэш-память программ 2 КБ в ATtiny24, 4 КБ в ATtiny44 и 8 КБ в ATtiny84, ADC , встроенный датчик температуры, универсальный последовательный интерфейс (USI)

4

ATtiny25 / 45/85

Максимум 6 контактов ввода / вывода, 1.Работа 8–5,5 В, 128/256/512 ГБ SRAM и 128/256/512 ГБ EEPROM в ATtiny25 / 45/85 соответственно, пропускная способность до 20 MIPS при 20 МГц, флэш-память программ 2 КБ в ATtiny25, 4 КБ в ATtiny45 и 8 КБ в ATtiny85, ADC, USI

5

ATtiny261 / 461/861

Максимум 16 контактов ввода / вывода, работа 1,8–5,5 В, 128/256 / 512Б SRAM и 128/256 / 512B EEPROM в ATtiny261 / 461/861 соответственно, пропускная способность до 20 MIPS при 20 МГц, флэш-память программ 2 КБ в ATtiny261, 4 КБ в ATtiny461 и 8 КБ в ATtiny861, ADC, USI

6

ATtiny48 / 88

Максимум 24/28 контактов ввода / вывода ( в зависимости от упаковки), 1.Работа 8–5,5 В, 256/512 Б SRAM в ATtiny48 / 88 соответственно, EEPROM 64 Б, пропускная способность до 12 MIPS при 12 МГц, флэш-память программ 4 КБ в ATtiny48 и 8 КБ в ATtiny88, ADC, последовательный периферийный интерфейс (SPI)

7

ATtiny43U

Максимум 16 контактов ввода / вывода, 0,7–1,8 В для работы, 256 ГБ SRAM, 64 ГБ EEPROM, пропускная способность до 1 MIPS на МГц, флэш-память для программ 4 КБ, АЦП, встроенный датчик температуры, USI, сверхнизкий Устройство напряжения, встроенный повышающий преобразователь автоматически генерирует стабильное напряжение питания 3 В от входа низковольтной батареи до 0.7V

этих устройств очень динамичны, поскольку Atmel регулярно добавляет новые устройства для замены старых. Последние изменения всегда можно отслеживать на сайте www.avrgenius.com/tinyavr1. Большинство этих устройств организовано таким образом, что каждый член серии отличается от других только некоторыми функциями, такими как размер памяти и т.д. суммированы в таблице 1-1 и показаны на рисунках 1-1 и 1-2.

Если вы посмотрите техническое описание любого устройства и обнаружите, что его имя имеет суффикс «A», это означает, что оно принадлежит к классу микроконтроллеров AVR с технологией picoPower и включает в себя функции для снижения энергопотребления на ходу.

Архитектура tinyAVR В этом разделе рассматриваются внутренние детали устройств Tiny. Можно отметить, что в этом разделе используется общий подход к обобщению общих черт серии Tiny. Определенные

3

4

tinyAVR Микроконтроллер Проекты для Evil Genius

временное энергонезависимое хранилище данных.На следующем рисунке показана карта памяти контроллеров Tiny. Порты ввода-вывода

Рис. 1-2 Микроконтроллеры tinyAVR

в SMD-упаковке

могут отсутствовать в некоторых устройствах, а некоторые дополнительные могут присутствовать. Дополнительные сведения об этих функциях см. В технических характеристиках отдельных устройств.

Память Архитектура AVR имеет две основные области памяти: память данных и область памяти программ. Кроме того, эти устройства имеют электрически стираемую программируемую постоянную память (EEPROM) для хранения данных.Флэш-память программ организована как линейный массив из 16-разрядных ячеек, потому что все инструкции AVR имеют ширину 16 или 32 бита. Внутренняя память SRAM использует то же адресное пространство, что и регистровый файл и регистры ввода-вывода. Самые нижние 32 адреса занимают регистры, следующие 64 ячейки занимают регистры ввода-вывода, а затем адресация SRAM продолжается с ячейки 0x60. Внутренняя EEPROM используется для

Порты ввода / вывода устройств AVR состоят из отдельных контактов ввода / вывода, которые можно настроить индивидуально для ввода или вывода.Помимо этого, когда вывод объявлен как вход, есть возможность включить или отключить подтягивание на нем. Включение подтягивания необходимо для считывания показаний датчиков, не подающих электрический сигнал, например, микровыключателей. Каждый выходной буфер имеет емкость приемника и источника 40 мА. Таким образом, штыревой драйвер достаточно силен, чтобы напрямую управлять светодиодными дисплеями. Все контакты ввода / вывода также имеют защитные диоды для VCC и заземления. На следующем рисунке показана блок-схема портов ввода-вывода AVR.

Chapter 1

Таймеры В устройствах tinyAVR обычно есть восьмиразрядные таймеры, которые могут работать как синхронно, так и асинхронно.Источники синхронных часов включают в себя часы устройства или их факторы (тактовые импульсы, разделенные подходящим предварительным делителем), тогда как источники асинхронных часов включают в себя тактовые импульсы внешнего тактового сигнала или тактовой частоты (PLL), которые увеличиваются до 64 МГц. Некоторые устройства также включают 10-битные или 16-битные таймеры. Помимо подсчета, эти таймеры также имеют блоки сравнения, которые генерируют широтно-импульсную модуляцию на выводах ввода / вывода. Эти таймеры могут работать в различных режимах, таких как нормальный режим, режим захвата, режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ), сброс таймера при сравнении совпадения и т. Д.С каждым таймером связано несколько источников прерываний, которые описаны в следующем разделе о прерываниях. На следующем рисунке показана блок-схема таймера AVR.

Прерывания AVR предоставляет несколько различных источников прерываний. Эти прерывания имеют отдельные векторные ячейки в области памяти программ. Самые низкие адреса в области памяти программ по умолчанию определены как векторы прерываний. Расположение самого низкого адреса (0x0000) назначается вектору сброса, который не совсем источник прерывания.Адрес прерывания также определяет его приоритет. Чем ниже адрес, тем выше его уровень приоритета. Итак, сброс имеет наивысший приоритет. Когда два или более прерывания возникают в одно и то же время, сначала выполняется прерывание с более высоким приоритетом, а затем прерывание с более низким приоритетом. Прерывания используются, чтобы приостановить нормальное выполнение основной программы и перевести счетчик программы в подпрограмму, известную как процедура обслуживания прерывания (ISR).После выполнения ISR счетчик программы возвращается в основной цикл. На следующем рисунке показано, как выполняется код в ISR.

Всем прерываниям назначаются индивидуальные биты разрешения, которые должны быть установлены на логическую единицу (как и глобальный бит разрешения прерывания в регистре состояния), чтобы разрешить прерывание. Когда выполняется ISR, бит разрешения глобального прерывания сбрасывается по умолчанию, и, следовательно, дальнейшие прерывания невозможны — если пользовательская программа специально не включила глобальный бит разрешения прерывания, чтобы разрешить вложенные прерывания, то есть прерывание внутри другого прерывания. .Различные периферийные устройства AVR, такие как таймеры, USI, ADC, аналоговый компаратор и т. Д., Имеют разные источники прерываний для разных состояний своих значений или состояний.

USI: универсальный последовательный интерфейс Универсальный последовательный интерфейс, или USI, обеспечивает основные аппаратные ресурсы, необходимые для последовательной связи. Этот интерфейс может быть настроен для работы либо по трехпроводному протоколу, который является

6

TinyAVR Microcontroller Projects для Evil Genius

, совместимым с последовательным периферийным интерфейсом (SPI), либо по двухпроводному протоколу, который соответствует с двухпроводным интерфейсом (TWI).В сочетании с минимумом управляющего программного обеспечения USI обеспечивает значительно более высокую скорость передачи и использует меньше места для кода, чем решения, основанные только на программном обеспечении. Включены прерывания, чтобы минимизировать нагрузку на процессор.

настроен для получения от вывода AREF, VCC и внутренних ссылок на запрещенную зону. На следующем рисунке показана блок-схема АЦП.

Аналоговый компаратор Устройства AVR имеют компаратор, который измеряет аналоговое входное напряжение на двух своих выводах и выдает логику цифрового вывода (0 или 1), в зависимости от того, высокое ли напряжение на положительной клемме или на отрицательной клемме. высокий.Положительные и отрицательные клеммы могут быть выбраны из разных контактов ввода / вывода. Изменение выхода компаратора можно использовать как источник прерывания. Выход компаратора доступен на выводе выхода аналогового компаратора (ACO). На следующем рисунке показана блок-схема аналогового компаратора.

Варианты тактовых импульсов Источники системных тактовых сигналов в устройствах AVR включают в себя осциллятор с откалиброванным резисторным конденсатором (RC), внешние тактовые импульсы, кварцевый генератор, сторожевой генератор, низкочастотный кварцевый генератор и генератор фазовой автоподстройки частоты (PLL).Основные часы могут быть выбраны как любые из них с помощью битов предохранителя. Выбранные основные тактовые импульсы могут быть дополнительно предварительно масштабированы путем установки подходящих битов в регистре предварительного делителя тактовых импульсов во время части инициализации пользовательского программного обеспечения. Выбранные основные часы распределяются между различными модулями, такими как CPU, I / O, Flash и ADC. ■

CLK_CPU Он направляется к частям системы, связанным с работой ядра AVR, таким как регистровый файл, регистр состояния и т. Д.

■

CLK_I / O Он используется большинством модулей ввода-вывода , например таймер / счетчик, USI и синхронные внешние прерывания и т. д.

■

CLK_FLASH Часы Flash контролируют работу интерфейса Flash.

■

CLK_ADC В отличие от других модулей ввода / вывода, АЦП снабжен выделенными часами, так что другие часы могут быть остановлены для уменьшения шума, создаваемого цифровыми схемами во время работы АЦП. Это дает более точные результаты преобразования АЦП. На следующем рисунке показаны различные варианты часов.

Аналого-цифровой преобразователь Эти устройства имеют десятиразрядный АЦП последовательного приближения с несколькими односторонними входными каналами.Некоторые устройства также имеют дифференциальные каналы для преобразования аналоговой разницы напряжений между двумя точками в цифровое значение. В некоторых устройствах для увеличения разрешающей способности измерения предусмотрено усиление входного напряжения до того, как произойдет преобразование. Опорное напряжение для измерения может быть

Глава 1

■

Tour de Tiny

7

Кроме того, каждый режим имеет свой набор источников пробуждения, чтобы выйти из этого режима и перейти в состояние полной работы.

Сброс системы Сброс системы устройств AVR может быть сброшен из различных источников, кратко изложенных здесь:

Управление питанием и режимы ожидания Для современного поколения контроллеров необходимо максимально эффективно управлять своими ресурсами питания, а устройства AVR не могут позволить себе задержку позади в этой гонке оптимизации. Они поддерживают определенные режимы сна, которые могут быть настроены программным обеспечением пользователя и позволяют пользователю отключать неиспользуемые модули, тем самым экономя электроэнергию. Поддерживаемые режимы сна включают отключение питания, энергосбережение, режим ожидания, шумоподавление АЦП и т. Д.Разные устройства поддерживают разные режимы, и подробности всегда можно найти в таблицах данных.

■

Сброс при включении питания Блок микроконтроллера (MCU) сбрасывается, когда напряжение питания ниже порога сброса при включении.

■

Внешний сброс MCU сбрасывается, когда на контакте RESET присутствует низкий уровень.

■

Сброс сторожевого таймера MCU сбрасывается, когда сторожевой таймер включен и период сторожевого таймера истекает.

■

Сброс пониженного напряжения MCU сбрасывается, когда детектор пониженного напряжения активирован и напряжение питания VCC ниже порога сброса пониженного напряжения.

После сброса источник можно найти программно, проверив отдельные биты регистра состояния MCU. Во время сброса все регистры ввода / вывода устанавливаются в свои начальные значения, и программа начинает выполнение с вектора сброса. На следующем рисунке показана блок-схема различных источников сброса.

8

TinyAVR Проекты микроконтроллеров для Evil Genius

Программирование памяти Программирование устройства AVR включает в себя установку битов блокировки, установку байтов предохранителя, программирование Flash и программирование внутренней EEPROM.Эти данные также могут быть считаны с контроллера вместе с байтами подписи для идентификации устройства. Крошечные устройства можно программировать с помощью последовательного программирования или параллельного программирования высокого напряжения. Если не указано иное, на протяжении всей книги мы использовали последовательное программирование микроконтроллеров Tiny. Этот метод можно разделить на два других метода: внутрисистемное программирование (ISP) и последовательное программирование высокого напряжения (HVSP). HVSP применим только к восьмиконтактным микроконтроллерам в качестве альтернативы параллельному программированию, потому что у этих устройств слишком мало контактов для использования параллельного программирования.Внутрисистемное программирование использует внутренний последовательный периферийный интерфейс (SPI) AVR для загрузки кода во флэш-память и сегменты памяти EEPROM AVR. Он также программирует биты блокировки и байты предохранителей. Программирование ISP требует только VCC, GND, RESET и трех сигнальных линий для программирования. Есть определенные случаи, когда вывод RESET должен использоваться для ввода / вывода или других целей. Если вывод RESET сконфигурирован как ввод / вывод (через бит предохранителя RSTDISBL), программирование ISP недоступно, и устройство должно быть запрограммировано через параллельное программирование или высоковольтное последовательное программирование, в зависимости от того, что применимо.Есть еще один метод программирования этих устройств — встроенная система отладки debugWIRE, которая описывается в следующем разделе. Последняя серия шестиконтактных устройств от Atmel — ATtiny 4/5/9/10 — не поддерживает ни один из ранее упомянутых методов программирования, но имеет новый крошечный программный интерфейс (TPI), встроенный для программирования. Биты блокировки используются для защиты программного обеспечения пользователя, чтобы предотвратить дублирование, а байты предохранителей используются для начальных настроек контроллера

, которые не могут и не должны выполняться программным обеспечением пользователя.На следующем рисунке показаны сигналы для последовательного программирования ISP.

Встроенная система отладки DebugWIRE Встроенная система отладки debugWIRE представляет собой однопроводной интерфейс для аппаратной отладки и программирования памяти Flash и EEPROM. Этот интерфейс активируется программированием предохранителя debugWIRE enable (DWEN). После включения этого интерфейса контакт RESET становится шлюзом связи между целью и эмулятором. Таким образом, внешний сброс не работает, если этот интерфейс включен. Этот интерфейс использует тот же протокол, что и JTAG ICE mkII, популярный инструмент отладки от Atmel.На следующем рисунке показан интерфейс отладки WIRE.

Элементы проекта В этой книге показано несколько проектов, охватывающих широкий спектр идей и включающих несколько областей приложений. Эти проекты можно создавать как для развлечения, так и для обучения. Однако важно остановиться на процессе проектирования и разработки.

■

Глава 1

Как приступить к созданию системы или проекта, о которых раньше никто не думал? Конечно, надо думать о том, что тебе нужно.Иногда эта потребность может возникнуть, если посмотреть на проекты других людей. Это абстрактный процесс, но пример может помочь его проиллюстрировать. Предположим, вы увидели, что светодиоды используются в какой-то системе: яркие, мигающие светодиоды, захватывающие ваше воображение, и вы думаете: «Эй! что, если бы я мог разместить эти симпатичные светодиоды на кепке в некотором порядке и заставить их мигать или изменять яркость? Идея чего-то уникального — самое главное. Иллюстрация на этой странице показывает процесс проектирования и разработки.Как только идея зародится в вашем уме, вы можете продолжать ее развивать. В то же время рекомендуется поискать в Интернете, чтобы убедиться, что никто еще не придумал такую ​​же идею. Нет смысла изобретать велосипед. Если идея уже реализована, может, стоит подумать, как ее можно улучшить. Если вы действительно возьметесь за реализацию и улучшите ее, хорошим планом действий было бы поделиться ею с первоначальным источником реализации, чтобы выразить признательность за проделанную работу, а также зафиксировать свой собственный вклад.Таким образом, можно обогатить систему, внося в нее свой вклад. Эти

Отличная идея!

Research

Tour de Tiny

9

Идеи применимы к проектам, которые доступны в Интернете по какой-то «бесплатной» лицензии. В других случаях вам может потребоваться проверить, что делать. В большинстве случаев будет нормально, если вы намереваетесь использовать оригинал или свою адаптацию для личного пользования. Однако, если вы собираетесь использовать его для коммерческих приложений, абсолютно необходимо свериться с исходным источником, чтобы избежать проблем в будущем.Как видно на иллюстрации, в проекте есть два различных элемента, а именно: аппаратные компоненты и программное обеспечение. Аппаратная часть может быть реализована разными способами, но использование микроконтроллера — простой вариант, и, поскольку эта книга посвящена использованию микроконтроллеров в проектах, это то, на чем мы собираемся сосредоточиться. Помимо микроконтроллера, системе для работы необходим источник питания. Также потребуются дополнительные аппаратные компоненты, специфичные для проекта, даже несмотря на то, что современные микроконтроллеры объединяют множество функций, как показано на следующей иллюстрации.Например, даже несмотря на то, что микроконтроллер имеет цифровые выходные контакты для управления группой семисегментных дисплеев, он не имеет возможности обеспечивать достаточно большой ток, который может потребоваться, поэтому вам придется предоставить внешние драйверы тока. Точно так же, если вы хотите

Подтвердить идею. Детализируйте список TODO

Аппаратные компоненты, программное обеспечение

Разработка программного обеспечения

Тестирование

Аппаратное обеспечение + интеграция программного обеспечения

Разработка аппаратного обеспечения

PCB

Тестирование Изготовление

10

TinyAVR Проекты микроконтроллеров для Evil Genius

использовать внешний датчик, который обеспечивает аналоговое напряжение для измерения физического параметра, диапазон напряжения датчика может не подходить для использования со встроенным АЦП микроконтроллера, поэтому вам потребуется внешний усилитель для обеспечения усиления выходного напряжения датчика.На иллюстрации на этой странице показаны элементы современного микроконтроллера. Программный компонент относится к прикладной программе, которая выполняется на микроконтроллере, но может также относиться к специальной программе, которая запускается на ПК, например, для связи с микроконтроллером. Процесс разработки проекта требует, чтобы два элемента проекта, элементы оборудования и элементы программного обеспечения, разрабатывались параллельно. Программный компонент, работающий на микроконтроллере, разрабатывается на главном ПК, и большая часть кода может быть разработана даже без завершения прототипа оборудования.Программный код

Motor

LED

можно протестировать на хосте ПК на предмет логических ошибок и т. Д. Некоторые части кода, требующие внешних сигналов или синхронизации с другими аппаратными событиями, не могут быть протестированы, и это тестирование следует отложить до программное обеспечение интегрировано с оборудованием. Когда прототип оборудования готов, его необходимо интегрировать с программной частью и протестировать интегрированную версию проекта на соответствие требованиям. Интеграция может быть не гладкой и может потребовать нескольких итеративных циклов разработки.Помимо аппаратных компонентов, которые будут специфичными для данного проекта и программного обеспечения, некоторые аппаратные компоненты являются общими для большинства проектов. Они связаны с источником питания и источником синхронизации для микроконтроллера. Эти элементы проекта показаны на следующей иллюстрации. Источник питания и регулировка напряжения питания подробно обсуждаются в следующем разделе. Часы

Семисегментный дисплей

Матричный дисплей 5×7

Коммутатор

ПК

Последовательный порт

Цифровой порт ввода / вывода

Сторожевой таймер

ЦП

Часы, сброс осциллятора, детектор потемнения

RAM

Время дня

Таймер RTC

Аналоговый порт ввода / вывода

Программная память

Аналоговый дисплей

Датчик аудиовыход

Глава 1

имеет решающее значение для работы проекта.К счастью, в сам микроконтроллер часто встроен какой-то источник тактовой частоты. Обычно это RC-генератор, который не очень точен и фактическое значение которого зависит от рабочего напряжения, но вполне подходит для многих приложений. Только если приложение требует критических измерений времени, нужно подключать внешний тактовый генератор. Все микроконтроллеры в семействе AVR имеют встроенный источник тактовой частоты, и в большинстве проектов в этой книге мы используем его. Скорость выполнения программы напрямую зависит от тактовой частоты; высокая тактовая частота означает, что ваша программа выполняется быстрее.Однако у высокой тактовой частоты есть и обратная сторона: система потребляет больше энергии. Есть линейная зависимость мощности и тактовой частоты. Если вы удвоите тактовую частоту, потребление энергии также увеличится вдвое. Таким образом, не очень разумно выбирать наивысшую доступную частоту работы, а скорее определять частоту на основе требований к скорости выполнения программы. Как мы проиллюстрируем в Проекте 1 далее в этой главе, выбирая самую низкую доступную тактовую частоту, мы можем поддерживать требуемую рабочую мощность на минимальном уровне.На следующем рисунке показаны элементы проекта.

Источник питания

Устройства ввода

Регулятор напряжения

Микроконтроллер

Тактовый генератор (опция)

Подходящий корпус!

Устройства вывода

■

Tour de Tiny

11

Помимо источника часов, источника питания и регулятора напряжения, проекту требуются устройства ввода и вывода и подходящий корпус для размещения проекта, как показано на иллюстрацию.

Источники питания Для работы любой системы необходим источник питания. Без необходимого расходного материала система работает ровно как пресс-папье. Выбор правильного источника питания очень важен. Для портативной системы подключение ее к основной сети привязало бы ее к физическому месту, и тогда ее вряд ли можно было бы классифицировать как портативную систему.

Батареи Батареи — наиболее распространенный источник энергии для портативной электроники. Они доступны в различных типах, корпусах и классах энергопотребления.Рейтинг энергии батареи относится к количеству энергии, хранящейся в ней. Большинство батарей бывает двух типов: первичные и вторичные. Первичные батареи — это одноразовые батареи. Эти батареи могут обеспечивать энергию, как только они собраны, и продолжают обеспечивать энергией в течение всего срока службы или до тех пор, пока они не разрядятся. Их нельзя перезарядить, и их нужно выбросить. С другой стороны, вторичные батареи необходимо зарядить, прежде чем их можно будет использовать. Их можно перезаряжать несколько раз в течение срока их службы, поэтому они предпочтительнее первичных батарей, хотя вторичные батареи более дороги.Кроме того, плотность энергии первичной батареи лучше, чем у вторичной батареи. Плотность энергии относится к количеству энергии, хранящейся в батарее на единицу веса. Таким образом, первичная батарея с таким же весом, как вторичная, может обеспечивать рабочее напряжение дольше, чем вторичная батарея.

12

TinyAVR Проекты микроконтроллеров для злого гения

Популярная первичная батарея — это угольно-цинковая батарея. В угольно-цинковой батарее емкость сделана из цинка, который также служит отрицательной клеммой батареи.Емкость заполнена пастой из хлорида цинка и хлорида аммония, которая служит электролитом. Положительный полюс батареи представляет собой угольный или графитовый стержень, окруженный смесью диоксида марганца и углеродного порошка. По мере использования батареи цинковый контейнер становится все тоньше и тоньше из-за химической реакции (приводящей к окислению цинка), и в конечном итоге электролит начинает вытекать из цинкового контейнера. Углеродно-цинковые батареи также являются самыми дешевыми первичными батареями.Другой популярной первичной батареей является щелочная батарея. Щелочные батареи похожи на угольно-цинковые батареи, но разница в том, что в щелочных батареях в качестве электролита используется гидроксид калия, а не хлорид аммония или хлорид цинка. На Рис. 1-3 показаны некоторые щелочные батареи. Номинальное напряжение холостого хода угольно-цинковых и щелочных батарей составляет 1,5 В.

Другой общий химический состав первичных батарей включает оксид серебра и литиевый вариант. Батарея из оксида серебра обеспечивает превосходную производительность по сравнению с батареей из хлорида цинка с точки зрения плотности энергии.Он имеет напряжение на клеммах холостого хода 1,8 В. В литиевой батарее, с другой стороны, используются различные химические соединения, и в зависимости от этих соединений напряжение на клеммах холостого хода составляет от 1,5 до 3,7 вольт. На рис. 1-4 показаны литиевые и щелочные батареи в виде кнопочных элементов. Единственная проблема с первичными батареями заключается в том, что после того, как заряд батареи израсходован, ее необходимо безопасно утилизировать. Именно здесь использование вторичных батарей выглядит очень привлекательно: их можно несколько раз перезарядить, прежде чем вам понадобится их утилизировать.Перезаряжаемые батареи доступны в стандартных, а также нестандартных размерах и формах. Распространенными перезаряжаемыми батареями являются свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, никель-металлогидридные и литий-ионные батареи. На Рисунке 1-5 показана литий-ионная батарея. Для зарядки этих аккумуляторов требуется специальное зарядное устройство, и с конкретным аккумулятором следует использовать только подходящее зарядное устройство. Зарядка литий-ионной батареи с помощью зарядного устройства, предназначенного, например, для никель-металлгидридных аккумуляторов, не рекомендуется и определенно будет

Рисунок 1-4 Рисунок 1-3

Щелочная батарея в корпусах размера 9 В и AAA

Меньший Элемент LR44 — щелочная батарея.Более крупная ячейка CR2032 — это литиевая батарея.

Глава 1

■

Tour de Tiny

13

При выборе аккумулятора для вашего приложения необходимо учитывать следующие вопросы:

Рисунок 1-5

■

Энергетическая ценность или емкость Это выражается в Ач (или мАч) (ампер-час или миллиампер-час). Это важная характеристика, показывающая, как долго батарея может прослужить, прежде чем она разрядится и станет бесполезной. Для данного типа батареи емкость также определяет размер батареи.Аккумулятор с большей емкостью в Ач обязательно будет больше по объему, чем аналогичный аккумулятор с меньшим номиналом в Ач.

■

Напряжение Напряжение, обеспечиваемое аккумулятором.

■

Хранение Указывает, как следует хранить батарею, когда она не используется.

■

Срок годности Указывает, сколько заряда батареи хватит, прежде чем она разрядится сама по себе. Нет смысла покупать запас аккумуляторов на следующие десять лет, если срок хранения аккумуляторов, скажем, составляет всего один год.

■

Рабочая температура Батареи имеют заведомо плохие температурные характеристики. Это потому, что батареи зависят от химической реакции для выработки энергии, а химическая реакция зависит от температуры. Батареи плохо работают при низких температурах.

■

Рабочий цикл Некоторые батареи работают дольше, если они используются с перерывами. Рабочий цикл батареи указывает, можно ли использовать батарею постоянно или нет без потери производительности.

Литий-ионный аккумулятор

может повредить аккумулятор, а также привести к возгоранию или взрыву аккумулятора. Первичные и аккумуляторные батареи доступны во многих стандартных размерах. Некоторые из наиболее распространенных перечислены в Таблице 1-2.

ТАБЛИЦА 1-2

Номенклатура и размеры батарей

Номенклатура

Форма

Длина

Диаметр / ширина

Высота

AAA

Цилиндр

44,5 мм

12 мм

—

AA

Цилиндр

50.5 мм

14,5 мм

—

9V

Прямоугольный куб 48,5 мм

17,5 мм

26,5 мм

C

Цилиндр

50 мм

26,2 мм

—

D

Цилиндр

61,5 мм

34,2 мм

—

14

TinyAVR Микроконтроллер Проекты для злого гения

Батарея для фруктов Некоторые фрукты и овощи, которые мы едим, можно использовать для производства электроэнергии.Электролиты во многих фруктах и ​​овощах вместе с электродами из различных металлов могут использоваться для изготовления первичных элементов. Один из самых доступных фруктов, лимон, можно использовать для изготовления фруктовой клетки вместе с медными и цинковыми электродами. Напряжение на клеммах, создаваемое таким элементом, составляет около 0,9 В. Величина тока, производимого такой ячейкой, зависит от площади поверхности электродов, контактирующих с электролитом, а также от качества / типа электролита. Подготовка батареи Для батареи нам понадобится несколько лимонов для электролита, а также кусочки меди и цинка для формирования электродов.Для меди мы просто используем голую печатную плату (PCB), а для цинка мы выбрали цинковые полоски, извлеченные из батареи 1,5 В. 1. Начните с голой печатной платы. Размер платы

должен быть достаточно большим, чтобы вы могли создать на ней три или четыре островка. На каждом острове будет лежать половина лимона. 2. Затем откройте несколько батарей размером 1,5 В AA

для цинковых полосок и очистите их наждачной бумагой. Припаяйте проволоку к каждой полосе. Вместо этих цинковых полосок можно также использовать бытовые гвозди.Гвозди оцинкованы и из них легко изготовить аккумулятор.

Рисунок 1-6

Лимонная батарея

Адаптер переменного тока Если вы используете выходной адаптер переменного тока (AC), то схема выпрямителя и конденсатора фильтра должна быть встроена во встроенное приложение, как показано на Рисунке 1-7. Выпрямитель может быть построен с дискретными выпрямительными диодами (такими как 1N4001) или может использоваться полный выпрямительный блок. Выпрямитель должен иметь соответствующие характеристики с учетом текущих требований.Если блок питания должен обеспечивать ток 500 мА, диоды должны быть рассчитаны как минимум на 1 А. Другой номинал диода, который следует учитывать, — это PIV (пиковое обратное напряжение). Это максимальное пиковое обратное напряжение, которое диод может выдержать до выхода из строя. Диод 1N4001 имеет PIV 50 В, а 1N4007 рассчитан на 1000 В.

3. На голой медной печатной плате разрежьте островки напильником

или ножовкой и припаяйте другой конец провода от цинковой полосы к каждому медному островку. Для каждой ячейки вам понадобится половина лимона, один островок меди и одна полоска цинка.

+ Vcc переменного тока в

Фильтр

или постоянный ток с защитой от полярности в

4. Поместите лимоны на каждый медный островок с разрезом

лицевой стороной вниз, как показано на Рисунке 1-6. Сделайте надрезы в лимонах, чтобы вставить полоски цинка. На фотографии на рис. 1-6 показана лимонная батарея с четырьмя ячейками.

Выпрямитель

Рисунок 1-7

Схема выпрямителя и фильтрующего конденсатора: может использоваться как с входным напряжением переменного, так и с постоянным током.

Chapter 1

Пиковое выпрямленное напряжение, которое появляется на конденсаторе фильтра, равно 1.4-кратное входное напряжение переменного тока (входное напряжение переменного тока является среднеквадратичным значением [RMS]). При напряжении 10 В переменного тока на конденсаторе фильтра будет создаваться напряжение постоянного тока (DC) около 14 В. Конденсатор фильтра должен иметь достаточно большую емкость, чтобы обеспечивать постоянный ток. Конденсатор фильтра также должен быть рассчитан на работу с постоянным напряжением. Для 14 В постоянного тока следует использовать как минимум номинальный конденсатор 25 В. Схема фильтра выпрямителя, показанная на рисунке 1-7, также может использоваться с входным напряжением постоянного тока. При таком расположении не имеет значения, какая полярность постоянного напряжения подается на вход схемы.Как только будет доступно исходное постоянное напряжение, его необходимо отрегулировать перед включением встроенного приложения. Доступны схемы встроенного регулятора напряжения. Стабилизаторы напряжения в широком смысле классифицируются как линейные или переключаемые. Регуляторы переключения бывают двух типов: повышающие и понижающие. Мы рассмотрим некоторые из регуляторов напряжения, особенно так называемые регуляторы микромощности. Обычно используется трехконтактный регулятор типа 78XX. Этот регулятор производится множеством компаний и доступен во многих вариантах комплектации.Для питания процессора AVR вы должны выбрать стабилизатор 7805 для выходного напряжения 5 В. Он может обеспечивать выходной ток до 1 А и может получать входное напряжение постоянного тока от 9 В до 20 В. Вы также можете выбрать трехконтактный регулятор переменного напряжения LM317 и отрегулировать выходное напряжение до 1,25 В и выше с помощью двух резисторов. Стабилизатор напряжения является активным компонентом, и когда вы используете его для обеспечения стабильного выходного напряжения, он также потребляет некоторый ток. Этот ток составляет порядка десятков миллиампер и называется током покоя или смещения.Регуляторы Micropower — это специальные регуляторы напряжения, которые имеют чрезвычайно низкий ток покоя. LP2950 и LP2951 — линейные микромощные регуляторы напряжения от National Semiconductor с очень низким током покоя

■

Tour de Tiny

15

(тип 75 мА) и очень низким падением напряжения (тип. 40 мВ при малых нагрузках и 380 мВ при максимальном токе 100 мА). Они идеально подходят для использования в устройствах с батарейным питанием. Кроме того, ток покоя LP2950 / LP2951 лишь незначительно увеличивается при более высоких напряжениях отключения.Это самые популярные трехконтактные регуляторы мощности, и мы используем их во многих проектах.

USB Универсальная последовательная шина (USB) — популярный и теперь повсеместный интерфейс. Он доступен на ПК и портативных компьютерах. Он в основном используется для связи между ПК в качестве хоста и периферийными устройствами, такими как камера, клавиатура и т. Д. USB — это четырехпроводной интерфейс с двумя проводами для питания и двумя другими для передачи данных. Электропитание через USB обеспечивается главным компьютером (ноутбуком или нетбуком).Номинальное напряжение составляет + 5 В, но находится в диапазоне от + 4,4 В до + 5,25 В для спецификаций USB 2.0. Целью обеспечения источника питания на USB является обеспечение питания внешних устройств, которые хотят подключиться к ПК и обмениваться данными с ним. Например, для работы мыши требуется источник питания, и она может использовать питание от USB. Однако это напряжение также можно использовать для питания внешних устройств, даже если устройство не будет использоваться ПК. Мы используем USB-питание для подачи рабочего напряжения на встроенное приложение, особенно если оно будет работать рядом с ПК или ноутбуком.Встроенная схема может потреблять до 100 мА от разъема USB; хотя USB может обеспечивать больший ток, он не может этого сделать без согласования (т. е. запроса) со стороны устройства. В таблице 1-3 показаны контакты порта USB, обеспечивающие питание и сигнал.

16

TinyAVR Проекты микроконтроллеров для Evil Genius

ТАБЛИЦА 1-3

Контакты мини- или микроконнектора USB

Контакт

Имя

Цвет соединительного провода

Назначение

1

Vcc

Красный

+ 5V

2

D

Белый

Сигнал данных –ve

3

D +

Зеленый

Сигнал данных + ve

4

ID

Нет

Идентификация устройства

5

Земля

Черный

Земля

Солнечная энергия Солнечная энергия может использоваться для питания электронных схем с помощью фотоэлектрических элементов.Они обеспечивают питание до тех пор, пока ячейка подвергается воздействию солнечного света. Солнечные элементы обеспечивают разную мощность от менее чем ватт до сотен ватт. Выходная мощность солнечного элемента прямо пропорциональна падающему свету и обратно пропорциональна температуре элемента. Чтобы обеспечить максимальное окружающее освещение, солнечный элемент необходимо держать перпендикулярно падающему свету. Схема преобразования часто используется для регулирования выхода ячейки. Чаще всего солнечные элементы используются для зарядки аккумулятора, чтобы можно было получать от аккумулятора непрерывное питание.Более подробная информация об использовании солнечных батарей рассматривается в следующей главе.

Генератор на основе Фарадея Рабочее напряжение, необходимое для многих небольших встраиваемых портативных проектов, может быть обеспечено с помощью интересного устройства, преобразующего механическую энергию в электрическую. Здесь используется знаменитый закон Фарадея. Устройство, основанное на этом принципе, показано на Рисунке 1-8. В системе используется полая трубка из плексигласа подходящего диаметра и длины. Внутри трубки помещен редкоземельный магнит. Трубка намотана несколькими сотнями витков эмалированной медной проволоки.Концы трубки запломбированы. Для создания напряжения трубку просто встряхивают. Когда магнит проходит по длине трубки, он

создает переменное напряжение на медном проводе, которое может быть выпрямлено и отфильтровано с помощью схемы, показанной на рисунке 1-7, для обеспечения постоянного напряжения. Единственная проблема с этим методом заключается в том, что вам нужно продолжать трясти лампу до тех пор, пока вы хотите запитать цепь. Как только вы перестанете трясти лампу, она перестанет вырабатывать напряжение, и будет доступно только остаточное напряжение на конденсаторе.Во многих приложениях это может не быть проблемой. Одно из возможных решений — использовать суперконденсаторы вместо обычных. Однако для зарядки суперконденсаторов до необходимого напряжения потребуется много времени и больших усилий. Для постоянного напряжения, вырабатываемого на клеммах конденсатора, может дополнительно потребоваться регулятор напряжения до того, как напряжение будет подключено к цепи приложения, и рекомендуется использовать стабилизатор напряжения с низким падением и малым током покоя, такой как LP2950. На фотографии на рис. 1-9 показан выходной сигнал генератора Фарадея, снятый на осциллографе.Выходной сигнал от пика до пика составляет более 17 В.

Радиочастотная очистка Радиочастотные (RF) волны распространены повсеместно, поэтому можно принимать радиочастотную энергию с помощью подходящей антенны и преобразовывать ее в рабочее напряжение постоянного тока. К сожалению, эта схема требует большой мощности передачи от источника, или большой антенны, или непосредственной близости к источнику. Во многих эмалированных медных проводах Магнит

плексигласовая трубка Выходное напряжение переменного тока

Рисунок 1-8

Генератор напряжения на основе Фарадея

Глава 1

■

Tour de Tiny

17

Рабочее напряжение питания для требуемой цепи .Такая система может обеспечить мощность в несколько милливатт на расстояниях в несколько десятков сантиметров. Практическая система, основанная на этом подходе, описана в следующей дизайнерской идее EDN: «Беспроводная батарея питает маломощные устройства»: www.edn.com/article/CA6501085.html.

Инструменты разработки оборудования Рис. 1-9

Выход генератора Фарадея

В коммерческих приложениях радиочастотная энергия преднамеренно передается для использования такими приемниками. Одним из таких приложений являются системы устройств радиочастотной идентификации (RFID).Блок-схема такой системы показана на Рисунке 1-10. Система состоит из немодулированного радиочастотного передатчика, передающего РЧ-мощность на подходящей частоте. Частота работы определяется используемым кристаллом кварца. Более высокая частота работы потребует меньшей передающей антенны. Передатчик питается от постоянного напряжения подходящего значения. Излучаемый сигнал принимается настроенной схемой, состоящей из параллельно включенных катушек индуктивности и переменного конденсатора, настроенного на частоту передатчика.Настроенная схема питает диодный выпрямитель, фильтр и подходящий маломощный стабилизатор напряжения. Выходной сигнал регулятора обеспечивает

Для разработки и изготовления прототипов проектов, описанных в этой книге, мы использовали несколько общедоступных инструментов. К этим инструментам относятся: ■

Паяльник, 35 Вт, с тонким припоем. Паяльная станция настоятельно рекомендуется, но не является обязательной. Паяльная станция обеспечивает изолированное питание нагревателя паяльника, что снижает токи утечки от наконечника паяльника.

■

Проволока для припоя Рекомендуется припой тонкой проволоки. Мы используем припой 26 SWG. На фотографии на рис. 1-11 показаны припой и утюг.

■

Медная оплетка Часто используется при распайке компонентов.

■

Наглазочная лупа Для проверки печатных плат, паяных соединений и т. Д. На рис. 1-12 показаны наглазник и медная оплетка.

+ Vcc Кварцевый кристалл

ВЧ-осциллятор и передатчик

L Антенна

C

Выпрямитель и маломощный регулятор

Схема передачи мощности настроенной цепи

Рисунок 1-10

Электропитание от источника радиочастоты

Схема приемника питания

Выходное напряжение постоянного тока +

18

Микроконтроллер tinyAVR Проекты для Evil Genius

Рисунок 1-11

Припой и паяльник

Рисунок 1-12

Медная оплетка и наглазник

Глава 1

Рисунок 1-13

Мультиметр

Рисунок 1-14

Дополнительные инструменты

■

Tour de Tiny

19

■

Мультиметр Цифровой мультиметр с функциями измерения напряжения, тока и сопротивления. полезно для тестирования и измерений.Это показано на Рисунке 1-13.

■

Тонкий пинцет

■

Кусачки Для обрезки выводов компонентов. Это причудливое название для обычного свинцового резака. Кусачки имеют острые края, которые образуют аккуратный разрез.

■

Игольчатые плоскогубцы Обычно используются для затягивания винтов и т. Д.

■

Набор отверток Пинцет, кусачки, игольчатые плоскогубцы и набор отверток показаны на Рисунок 1-14.

■

Гайки и болты M3 Для крепления кронштейнов к печатной плате, а также для поддержки печатной платы.

■

Сверлильный станок (подойдет ручное управление) с разнообразным набором сверл. Используется для сверления отверстий в печатной плате, корпусах и т. Д.

Для изгиба выводов компонентов.

20

TinyAVR Проекты микроконтроллеров для Evil Genius

дает хорошую интегрированную среду разработки (IDE) для использования AVR-GCC в Windows. WinAVR, помимо полезных руководств по библиотеке AVR C, предоставляет следующие две основные утилиты: ■

Рисунок 1-15

■

Настольные тиски

Настольные тиски с трехдюймовыми губками Для надежного удержания печатной платы , оборудование для хранения документов или печатная плата и т. д.Это показано на Рисунке 1-15.

Блокнот программиста Это универсальная среда разработки для программирования на многих языках. Это программное обеспечение интегрировано с компилятором WinAVR. Чтобы запустить Блокнот программиста, перейдите в Windows | Программы | WinAVR (версия) | Блокнот программистов. Рисунок 1-16 — это снимок экрана Блокнота программиста. Как видите, у него есть разные вкладки. Отображается самая важная вкладка, Инструменты. Как видите, в нем есть три важные команды: ■

Make All Чтобы скомпилировать программу, запустив MAKEFILE и сгенерируя шестнадцатеричный файл.

■

Make Clean Удаление всех шестнадцатеричных файлов и других зависимостей. Обычно используется перед перекомпиляцией программы.

■

Make Program Эту программу можно использовать для записи шестнадцатеричного файла в микроконтроллер, но для этого требуется специализированный программатор ISP.

Разработка программного обеспечения Преимущества разработки программируемой системы не могут быть реализованы без написания эффективного кода для программируемых устройств вашей системы, в данном случае микроконтроллеров tinyAVR.На протяжении всей книги для их программирования мы будем использовать язык C. Синтаксис соответствует компилятору GNU AVR-GCC. C — это язык программирования высокого уровня, и код, написанный на языке C, должен быть преобразован в машинный язык, который ваш целевой контроллер понимает и может выполнять. Инструмент, выполняющий это преобразование, называется компилятором. Контроллеры Tiny понимают только двоичный формат и должны передаваться в байтах. Распространенный способ хранения набора байтов для передачи в контроллер — использовать шестнадцатеричный файл, содержащий байты в форме шестнадцатеричной записи.Так что должен быть инструмент, который может конвертировать код C в шестнадцатеричный файл. Доступно множество разновидностей компиляторов C для микроконтроллеров AVR, но мы сосредоточились на AVR-GCC по очевидным причинам. WinAVR

■

MAKEFILE Template Преобразование кода C в шестнадцатеричные файлы включает в себя множество задач, таких как предварительная обработка, компиляция, компоновка и, наконец, загрузка. Компиляторы GCC (компилятор GNU C) обычно требуют, чтобы команды давались для каждого выполняемого процесса. Если вы будете давать все команды каждый раз, одну за другой, при компиляции кода, ваша задача станет громоздкой.В этой ситуации помогает утилита MAKEFILE. Он объединяет все свои команды в одном месте и выполняет всю работу, отдавая инструкции компилятору одну за другой. WinAVR предоставляет вам базовый шаблон MAKEFILE, который вы можете изменить для своих нужд. Чтобы запустить это, перейдите в Windows | Программы | WinAVR (версия) | mFile. Задайте свои параметры и сохраните файл. Примечание

Глава 1

Рисунок 1-16

■

Tour de Tiny

21

Блокнот программиста

, что создание MAKEFILE с нуля может оказаться сложной задачей для новичков.Следовательно, если вас не устраивают опции MAKEFILE, вы можете использовать MAKEFILE, предоставленную в кодах этой книги, с небольшими изменениями в соответствии с вашими потребностями. На начальных этапах работа с WinAVR и его компонентами может быть немного сложной. С другой стороны, AVR Studio от Atmel позволяет легко управлять проектами C с автоматической обработкой команд make (необходимых для компиляции кода, написанного для компилятора GCC). Однако AVR Studio по-прежнему использует WinAVR GCC на внутренней стороне для компиляции кода на языке C, поскольку он не имеет встроенного компилятора C и предлагает только встроенный ассемблер для запуска программ на языке ассемблера.Итак, вам необходимо установить WinAVR GCC и AVR Studio, чтобы начать программировать. Последнюю версию AVR Studio

можно загрузить с http://www.atmel.com/dyn/Products/tools_card .asp? Tool_id = 2725, а версию WinAVR с http://sourceforge.net/projects/winavr/ файлы. Проекты в этой книге были скомпилированы напрямую с помощью WinAVR’s Programmer’s Notepad, с ручной обработкой команд make с помощью MAKEFILE. Однако вы можете использовать любой из двух методов. Краткое введение в программирование на встроенном C для микроконтроллеров AVR приведено в Приложении A.Далее приведены инструкции по началу работы с обоими методами.

Начало работы с проектом в AVR Studio Чтобы запустить AVR Studio, перейдите в Windows | Программы | Инструменты Atmel AVR | AVR Studio 4.

22

TinyAVR Microcontroller Projects for the Evil Genius

1. Чтобы создать новый проект, выберите New Project

из меню Project, как показано здесь:

4. Часто вам нужно сломать свой код в

2. После нажатия кнопки «Новый проект» появляется всплывающее меню

, как показано на следующем рисунке.В поле Project Type выберите AVR GCC или Atmel AVR Assembler, в зависимости от используемого языка. Здесь показаны настройки для создания проекта на языке C. Установите флажки «Создать исходный файл» и «Создать папку» и дайте проекту подходящее имя. Нажмите «Далее.

разделов для портативности и удобочитаемости. Таким образом, вы разделяете свой код на несколько файлов кода. Чтобы включить дополнительные дополнительные исходные файлы, щелкните правой кнопкой мыши Исходные файлы в разделе AVR GCC и выберите либо Добавить существующий исходный файл, либо Создать новый исходный файл, в зависимости от ваших требований.Если вы используете существующие исходные файлы, убедитесь, что они скопированы в ту же папку, что и ваш основной исходный файл (папка, созданная на шаге 2). 5. Напишите свой код в основном исходном файле. 6. В меню «Сборка» выберите команду «Сборка

» (или нажмите F7), чтобы начать компиляцию вашей программы. Если вы видите «Сборка выполнена успешно, предупреждений 0» в окне сборки, это означает, что ошибки нет и ваш шестнадцатеричный файл создан. Если вы видите «Сборка выполнена успешно» вместе с некоторыми предупреждениями, это означает, что ваш шестнадцатеричный файл был создан, но с некоторыми предупреждениями.Рекомендуется исследовать источник предупреждений, чтобы удалить их, если это возможно. Шестнадцатеричный файл находится в подкаталоге default в основной папке проекта. 3. После нажатия кнопки «Далее» появляется всплывающее меню, которое отображается следующим образом:

. Щелкните «Симулятор AVR» и в разделе «Устройство» выберите подходящий контроллер. Нажмите «Готово», и вы увидите, что основной исходный файл открыт, и вы можете начать писать свой код.

7. Вы также можете выбрать команду Build And Run

из меню Build, чтобы смоделировать вашу программу (или нажмите CTRL-F7).Переход одиночной инструкции выполняется с помощью клавиши F11. Во время симуляции содержимое регистра контроллеров, портов ввода-вывода и памяти также можно контролировать после выполнения каждой инструкции.

Глава 1

Начало работы с проектом в WinAVR Чтобы начать новый проект с помощью WinAVR, необходимо выполнить следующие шаги: 1. Создайте новую папку в любом месте на вашем ПК. 2. В эту папку скопируйте MAKEFILE из любого проекта

этой книги (скажем, главы 1).Опытные пользователи могут сделать свои собственные MAKEFILE. Этот MAKEFILE будет соответствовать большинству ваших требований. Здесь показаны критические места, в которых вы можете захотеть внести изменения в MAKEFILE для различных проектов. Строки, начинающиеся с символа #, обрабатываются как комментарии в MAKEFILE. # Имя MCU MCU = ваше устройство Пример # Имя MCU MCU = attiny861 (Это сообщает компилятору, что микроконтроллер, для которого должно быть скомпилировано приложение, — Attiny861.)

■

Tour de Tiny

23

Как объяснялось ранее , вам часто приходится разбивать код на несколько файлов кода.Чтобы включить дополнительные исходные файлы, добавьте их, как показано здесь. В предыдущем примере abc.c не включен, так как строка SRC + = abc.c закомментирована, а def.c включен. Вы можете создать свои собственные исходные файлы и добавить их сюда. 3. Затем создайте пустой текстовый документ и назовите его

main.c, как объяснялось ранее. 4. Измените MAKEFILE в соответствии с вашими потребностями. 5. Напишите свой код в файле main.c. 6. На вкладке «Инструменты» нажмите «Сделать все». Если вы видите

, код выхода процесса равен 0, это означает, что ошибки нет и ваш шестнадцатеричный файл создан.Если вы видите любой другой код выхода, это означает, что произошла ошибка и ее необходимо удалить. Если код выхода равен 0 и вы видите некоторые предупреждения, шестнадцатеричный файл все равно создается. Как указывалось ранее, по возможности постарайтесь удалить предупреждения. Иногда предупреждения во время компиляции кода приводят к нестабильной работе проекта.

# Формат вывода. (Может быть srec, ihex, binary) FORMAT = ihex (Конечный выходной файл должен быть в шестнадцатеричном формате.) # Имя целевого файла (без расширения) TARGET = main (Это имя вашего шестнадцатеричного файла.) # Перечислите здесь исходные файлы C. (Зависимости C создаются автоматически.) SRC = $ (TARGET) .c (Эта строка показывает имя исходного файла. Команда $ (TARGET) заменяется значением TARGET, которое является основным. Следовательно, вы должны сохранить имя вашего исходного файла как main.c.) # Если существует более одного исходного файла, # добавьте их выше или измените и # раскомментируйте следующее: #SRC + = abc.c SRC + = def.c

Сравнение ANSI C со встроенным C ANSI C — это стандарт, опубликованный Американским национальным институтом стандартов (ANSI) для языка программирования C.Разработчики программного обеспечения обычно следуют этому стандарту при написании переносимых кодов, работающих в различных операционных системах. Даже первоначальный создатель C, Деннис Ричи, соответствовал этому стандарту во втором издании своей знаменитой книги «Язык программирования C» (Prentice Hall, 1988). Когда разработчики программного обеспечения пишут программу на языке C для персонального компьютера, она запускается в операционной системе. Когда программа завершается, операционная система возвращает управление процессором и запускает на нем другие программы, находящиеся в очереди.В случае многопроцессорных (или многопоточных) операционных систем на персональном компьютере одновременно запускается множество различных программ. Это достигается с помощью квантования времени, то есть проектов микроконтроллеров tinyAVR для Evil Genius

24

, позволяющих каждой программе в очереди обращаться к ЦП, памяти и вводу-выводу, одну за другой, для фиксированных или переменных значений. длительности. Когда программа завершается, она удаляется из очереди. Это создает впечатление, что эти программы выполняются одновременно, но на самом деле ЦП выполняет только одну последовательность инструкций (программу) в данный момент времени.Это «планирование» управляется операционной системой, которая постоянно загружает основной процессор. В отличие от предыдущего подхода, когда кто-то пишет код C для младших микроконтроллеров (хотя AVR имеет расширенную архитектуру процессора, мы сравниваем его со стандартными процессорами ПК здесь), они являются единственными программами, работающими на оборудовании и имеющими полную контроль всех ресурсов. Операционная система не используется во встроенных системах. Эти программы обычно выполняются в бесконечных циклах и не завершаются.Отсюда очевидно, что подходы к программированию должны различаться (в определенной степени) в обоих случаях. Несмотря на это, некоторые базовые особенности программирования C, такие как типы данных, циклы, управляющие операторы, функции, массивы и т. Д., Аналогичны компиляторам ANSI C и встроенным компиляторам C.

Создание вашей собственной печатной платы Решение относительно требований к программному и аппаратному обеспечению для вашего проекта — это очень хорошо, но для фактической реализации вашего проекта вам необходимо подготовить схемы со всеми компонентами на своих местах для программирования и тестирования.За пределами определенного количества компонентов создание прототипов на макетной плате становится невозможным. Схемы, изготовленные на макетной плате, имеют больше шансов работать неустойчиво из-за нежелательных коротких замыканий, неплотных соединений или отсутствия соединений. Эти проблемы может быть трудно отладить, и вы тратите дополнительное время на решение этих проблем

, а не на тестирование своей идеи проектирования оборудования и совместимого программного обеспечения. Другой поток проектирования схем включает расширение ваших проектов печатными платами (PCB).Схемы, разработанные на печатных платах, более долговечны и менее подвержены сбоям по сравнению с схемами, изготовленными на макетных платах. После правильной сборки и пайки вы можете быть уверены в надежности всех соединений и сосредоточиться на более важных областях — проектировании системы и разработке программного обеспечения. Процесс проектирования и изготовления печатных плат можно разделить на две большие категории, описанные в следующих разделах.

Использование универсальной печатной платы Этот подход обычно используется любителями и студентами университетов для быстрой пайки своих схем.Проектирование и изготовление нестандартной печатной платы требует значительных затрат времени и ресурсов, которые доступны не каждому. В таких случаях целесообразно разместить компоненты на печатной плате общего назначения, а затем выполнить соединения путем пайки изолированных медных проводов. Одножильный луженый медный провод с тефлоновой изоляцией является довольно прочным и гибким, поэтому рекомендуется использовать его. Печатная плата общего назначения имеет отверстия, расположенные с шагом 0,1 дюйма, с припаянными контактами с одной стороны.Эти плиты бывают нескольких типов, и два популярных типа — это плиты на связке из синтетической смолы (называемые FR2) и стеклопластиковые плиты (FR4). Первые дешевле, но менее долговечны, чем вторые. Следовательно, всегда лучше использовать стеклянную эпоксидную плиту. На рис. 1-17 показана голая монтажная плата из эпоксидного стекла общего назначения, а на рис. 1-18 и 1-19 показаны две стороны универсальной платы с припаянной к ней схемой. Иногда рекомендуется протестировать и проверить небольшие модули ваших проектов на этой плате, прежде чем переходить к индивидуальной конструкции печатной платы всей схемы.Ошибки проводки на такой плате можно легко исправить, так как соединения

Глава 1

Рисунок 1-17

■

Tour de Tiny

25

Печатная плата общего назначения

Рисунок 1-19

Плата общего назначения — вид сбоку для пайки

, такие как Proteus, Orcad и EAGLE. На протяжении всей книги мы использовали бесплатную версию EAGLE от CadSoft для проектирования досок всех проектов. Платы проложены таким образом, чтобы максимальное количество дорожек приходилось на один слой, что соответствует одностороннему производству, что намного дешевле и проще, чем изготовление двусторонних печатных плат.Краткое руководство по проектированию печатных плат с использованием EAGLE приведено в Приложении B.

Рисунок 1-18

Плата общего назначения — вид сбоку компонента

, сделанная с использованием проводов, которые всегда можно переставить с одной точки на другую. Но в специальной печатной плате после того, как дорожки проложены, очень сложно изменить схемы подключения.

Создание собственной печатной платы Это более продвинутый метод проектирования схем. Цепи, изготовленные на печатных платах, имеют минимальную вероятность выхода из строя из-за неисправных соединений, если не существует каких-либо проблем в конструкции.Первым шагом в создании нестандартной печатной платы является использование специального программного обеспечения на ПК для схематического проектирования, компоновки и разводки платы. Много типов проектирования печатных плат

Разработанные печатные платы могут быть изготовлены разными способами. Они делятся на две большие категории — процессы травления и фрезерования. В методах травления обычно используются химические вещества, фотографические пленки, шелкография и т. Д. Для удаления нежелательной меди с голой печатной платы при сохранении необходимых дорожек, тогда как в процессах фрезерования излишняя медь измельчается, а медь для дорожек остается нетронутой.Операции фрезерования, в отличие от процессов травления, можно выполнять непосредственно с помощью программного обеспечения для проектирования печатных плат. Большинство печатных плат в этой книге было изготовлено на фрезерном станке Roland Modela MDX-20. Эта машина поддерживает изготовление печатных плат с одной стороны, и все печатные платы для наших проектов были адаптированы к требованиям этой машины. Процессы фрезерования являются медленными для массового производства, потому что каждый цикл изготовления печатной платы должен повторяться с самого начала.Процессы травления обычно ускоряются при массовом производстве из-за возможности повторного использования промежуточных пленок, но они дороги и медленны, когда количество требуемых единиц невелико. Как любитель, возможно, вы не будете заинтересованы в изготовлении нестандартных печатных плат. Но часто бывают случаи, когда вам нужно несколько копий вашей схемы, или монтаж схемы на плате общего назначения является обременительным из-за сложности и большого количества соединений, или вам необходимо отправить свой проект для дальнейшей оценки. В таких случаях единственной альтернативой являются нестандартные печатные платы.

S4 (Вкл. / Выкл.) Vcc

Сброс Vcc

Tiny13

SW3 LED1

LED2

R1

R2

1,5 В

1 (PB5 / Reset)

(Vcc) 8

2 (PB3)

(PB2) 7

3 (PB4)

(PB1) 6

4 (GND)

(PB0) 5

C1

SW1

1,5 В

SW2

Рисунок 1 -20 Привет, мир!

Проект 1 Привет, мир! микроконтроллеров Теперь, когда мы описали все элементы и компоненты проекта, а также особые требования для разработки проектов с микроконтроллерами AVR, вот простой проект для иллюстрации.В нем есть все элементы, как показано на рисунке в конце раздела «Элементы проекта» ранее в этой главе. В схеме есть два светодиода и два переключателя, а также переключатель сброса. Цель проекта — переключать состояние каждого светодиода при каждом нажатии и отпускании соответствующего переключателя. Проект назван так, потому что он знакомит вас с миром микроконтроллеров tinyAVR. На рисунках 1-20 и 1-21 показана принципиальная схема, использованная для этого вводного проекта.Обе схемы идентичны и иллюстрируют два популярных стиля построения схемы. В методе, показанном на рисунке 1-20, все соединения между различными компонентными сигналами явно показаны с помощью соединительных линий. В альтернативном стиле рисования схемы, показанном на рисунке 1-21, сигналам назначаются имена сигналов, такие как PB3, который является контактом 2 на

Рисунок 1-21

Hello World! Альтернативный схематический стиль

микроконтроллер. Контакт 2 должен подключаться к LED1.Итак, имя сигнала PB3 присвоено контакту 2, а также катоду светодиода LED1. Аналогичные названия сигналов используются для остальных соединений. Давайте сопоставим элементы на иллюстрации с компонентами на схеме, показанной на Рисунке 1-20 (или Рисунке 1-21). Схема питается от двух щелочных батареек AA. Как упоминалось в предыдущем разделе, щелочные батареи имеют номинальное напряжение на клеммах 1,5 В. Таким образом, две батареи обеспечивают рабочее напряжение 3 В. Диапазон рабочего напряжения Tiny13V составляет от 1 до 1.8 В и 5,5 В, поэтому рабочее напряжение 3 В подойдет. Кроме того, когда батареи разряжаются, напряжение на клеммах будет падать, но схема будет продолжать работать, пока напряжение питания не упадет до 1,8 В. Кроме того, светодиоды видимого спектра (в отличие от невидимых светодиодов, таких как инфракрасные) имеют напряжение включения, в зависимости от цвета светодиода от 1,8 В (красный) до 3,5 В (белый). Таким образом, выбор красных светодиодов для этого проекта будет хорошим решением. Компоновка платы показана на рисунках 1-22 и 1-23.На рис. 1-22 показана схема без дорожек в слое компонентов (вверху), а на рис. 1-23 показана схема без дорожек в слое припоя (нижний). Как видите, плата в основном прокладывается в слое припоя, с одной перемычкой в ​​слое компонентов. Это легко сделать с помощью физического процесса фрезерования, описанного в предыдущем разделе. Запаянный прототип показан на Рисунке 1-24. Компоновку платы в Eagle вместе со схемой можно загрузить с сайта www.avrgenius.com/tinyavr1.

■

Tour de Tiny

27

Рисунок 1-24 Hello World! припаянная плата

Код был написан таким образом, что левый переключатель переключает левый светодиод, а правый переключатель переключает правый светодиод. Таким образом, если правый светодиод не горит, и вы на мгновение нажмете и отпустите правый переключатель, он включит правый светодиод. Tiny13V запрограммирован с помощью следующего кода C: // Включить файлы #include #define F_CPU 128000UL #include

Рисунок 1-22 Hello World! Схема печатной платы со слоем припоя показана

Рисунок 1-23 Hello World! Схема печатной платы с показанным слоем компонентов

int main (void) {DDRB | = 1