Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

В любом случае по окончании процесса преобразования вызывается прерывание АЦП, и результат измерения читается из соответствующих регистров. Так как число 10-разрядное, то оно займет два байта, у которых старшие 6 разрядов равны нулю. Это удобно, т. к. мы можем без опасений суммировать до 64 (2 6) результатов, не привлекая дополнительных переменных, и затем простым сдвигом, как мы обсуждали ранее, вычислять среднее.

Для иллюстрации практического использования встроенного АЦП мы сконструируем измеритель температуры и атмосферного давления. Для измерения температуры мы заимствуем аналоговую часть схемы термометра из главы 10 , перенеся ее сюда практически без изменений, за исключением того, что здесь мы запитаем схему от двуполярного источника ±5 В, чтобы обеспечить более удобный нам диапазон входных напряжений АЦП, начинающийся от 0 В в положительную сторону. Это позволит нам включить АЦП в несимметричном режиме, а не в дифференциальном, что упрощает схему и обеспечивает максимальное разрешение.

С датчиком атмосферного давления все еще проще — ряд фирм выпускают готовые датчики давления. Мы выберем барометрический датчик МРХ4115 фирмы Motorola, питающийся от напряжения 5 В и имеющий удобный диапазон выхода примерно от 0,2 до 4,6 В. Крупный недостаток таких датчиков с нашей точки зрения — то, что погрешность привязана к абсолютной шкале (в данном случае от 15 до 115 кПа, что составляет примерно 11 и 860 мм рт. ст. соответственно) и составляет не менее 1,5 %. Это без учета заводского разброса (устраняется калибровкой) и зависимости выходного напряжения от напряжения питания (устраняется путем относительных измерений — питанием АЦП и датчика от одного источника). Но даже при этих условиях 1,5 % от всей шкалы в 850 мм рт. ст. составит более 12 мм рт. ст. Это, конечно, недопустимо высокая погрешность для измерения атмосферного давления, которое на практике меняется в десятикратно меньших пределах — для большей части России, кроме горных местностей, можно выбирать диапазон от 700 до 800 мм рт. ст., даже с запасом. На самом деле это не должно нас пугать — как показал опыт, такой диапазон нас устраивает с точки зрения разрешения (одному мм рт. ст. будет соответствовать около одного разряда АЦП), а стабильность датчика оказывается вполне на высоте и обеспечивает при надлежащей калибровке разброс в пределах ±1 мм рт. ст.

При этом учтем, что большая абсолютная точность нам не требуется, как и в случае температуры — для небольших высот над уровнем моря можно считать, что при изменении высоты на каждые 10 м давление меняется примерно на 1 мм рт. ст., так что в пределах такого города, как Москва, с естественными перепадами высот 50 и более метров, оно само по себе будет «гулять» в пределах 5 мм рт. ст., даже без учета этажности зданий. И нам все равно целесообразно будет подогнать результат «по месту» так, чтобы не иметь крупных расхождений с прогнозом погоды по телевизору, иначе от показаний прибора будет мало пользы.

Схема

Схема такого прибора будет выглядеть так, как показано на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Схема измерителя температуры и давления на МК ATmega8535

Чтобы не загромождать схему, здесь не показан узел индикации, т. к. он аналогичен тому, что используется в часах из главы 14 , за исключением того, что должен содержать не четыре, а шесть разрядов (показания в формате «33,3»° и «760» мм рт. ст.). К ним можно добавить постоянно горящие индикаторы, показывающие единицы измерения (см. рис. 15.3, где они изготовлены на основе шестнадцатисегментных индикаторов типа PSA-05).

Рис. 15.3. Расположение индикаторов измерителя температуры и давления

Так как здесь выводов портов хватает, то можно назначить для управления разряды подряд (например, разряды порта С от РC0 до РС6 для управления сегментами и порта В от РВ0 до РВ5 для управления разрядами) и использовать для вывода цифры прием с формированием маски в виде констант (см. главу 13 ), что заметно сократит программу. Кроме того, надо не забыть знак температуры, который удобно изготовить из отдельного плоского светодиода. В остальном принцип индикации точно такой же, как в часах, и мы остановимся на подробностях чуть далее, когда будем разбирать программу.

Не показан на схеме и программирующий разъем, который полностью одинаков для любой схемы на AVR и показан на рис. 13.4 и 15.2 (соответствующие выводы для ATmega8535 подписаны на схеме рис. 15.2). То, что вывод MOSI (вывод 6) совпадает с выводом индикации единиц давления, вас смущать уже не должно. Однако незадействованные в других функциях выводы программирования (в данном случае MISO и SLK, выводы 7 и 8) следует подсоединить к питанию +5 Вц «подтягивающими» резисторами номиналом от 1 до 10 кОм (на схеме не показаны), так же, как и вывод Reset, только, естественно, без каких-либо конденсаторов (на схеме для вывода Reset указан номинал резистора 5,1 кОм). Как и RC-цепочка для Reset, «подтягивающие» резисторы для выводов программирования в принципе не требуются, однако их следует устанавливать. В тех случаях, когда схема представляет собой временный макет, без этих деталей можно обойтись, однако в работающей схеме без них могут быть неприятности, о чем мы уже говорили в главе 12 . Если разъем программирования вообще не предусматривается, то устанавливать резисторы к выводам программирования не нужно.

Схема источника питания показана на рис. 15.4.

Рис. 15.4. Схема источника питания для измерителя температуры и давления

Измеритель имеет четыре питания (+5 Вц, ±5 Ва и +12 В для индикации) и три «земли», причем обычным значком « » здесь обозначена аналоговая «земля» CNDa. Линия цифровой «земли» обозначена GNDц, кроме этого, имеется еще общий провод индикаторов GNDи. Все три «земли» соединяются только на плате источника питания. Отмечу, что готовый трансформатор с характеристиками, указанными на схеме, вы можете не найти. Поэтому смело выбирайте тороидальный трансформатор мощностью порядка 10–15 Вт на напряжение вторичной обмотки 10–14 В (для индикаторов), измерьте на нем число витков на вольт (как описано в главе 4 ), и домотайте три одинаковых обмотки на 7–8 В каждая поверх существующих, проводом не меньше, чем 0,3 мм в диаметре. Удобнее всего их мотать одновременно сложенным втрое проводом заранее рассчитанной длины.

Теперь немного разберемся с температурой. Сопротивление датчика составляет 760 Ом при 0 °C (~=610 Ом при -50°) и имеет крутизну примерно 3 Ом/° (о датчике см. главу 10 ). Величины резисторов в аналоговой части измерителя подогнаны так, чтобы обеспечить ток через датчик 1,3 мА. Таким образом напряжение на датчике в диапазоне температур от -50° до +50 °C будет меняться на 400 мВ, т. е. на выходе дифференциального усилителя (с учетом его коэффициента усиления около 12) диапазон напряжений составит примерно 4,9 В. Таким образом мы будем использовать весь диапазон АЦП (от 0 до U on) в полной мере с некоторым запасом. Резистор R4 устанавливает нижнюю границу диапазона, и здесь его нужно выбирать равным не сопротивлению датчика при 0°, как в схеме по рис. 10.8, а его сопротивлению при минимальной требуемой температуре. При указанных на схеме номиналах нижняя граница диапазона температур будет около -47°, а верхняя — около 55 °C. Для медного датчика с другим сопротивлением следует пересчитать коэффициент усиления усилителя (соответствующая формула приведена в главе 6 , см. рис. 6.8). Это можно делать приблизительно — окончательную калибровку под реальный датчик мы будем производить путем изменения коэффициентов пересчета в программе МК.