Ovládanie otáčok jednosmerného motora pomocou mikrokontroléru
... alebo, ako na periférne moduly ADC a PWM v ATtiny13
Ronald Willem Besinga, 21.04.2011-00:00


Iste budete so mnou súhlasiť, keď poviem, že by bolo celkom zaujímavé vyskúšať, čo dokáže tento najmenší a najlacnejší 8 pinový mikrokontrolér z 8 bitovej rodiny Atmel AVR, vybavený perifériami ako dvojkanálový 8 bitový PWM modul a štvorkanálový 10 bitový A/D prevodník. Mikrokontrolér disponuje 1KB programovej pamäte, 64B pamäte RAM a rovnako veľkou 64B internou pamäťou EEPROM, čo je viac menej postačujúce pre väčšinu jednoduchých aplikácií využívajúcich moduly ADC a PWM. Ak by ste ale predsa potrebovali viac pamäte, môžete namiesto ATtiny13 použiť niektorý z jeho pinovo kompatibilných bratov nachádzajúcich sa v nasledujúcej tabuľke:


K demonštrovaniu schopností mikrokontroléra som sa ho rozhodol použiť na ovládanie otáčok ventilátora, ktorý kedysi slúžil ako chladenie procesora Intel Celeron v mojom starom počítači. Pripojením motora k výstupu OC0A (pin 5) mikrokontroléru pomocou darlingtonového tranzistora TIP120, dokážeme prostredníctvom interného PWM modulu ATtiny13 jednoducho a elegantne ovládať rýchlosť otáčok ventilátora. Rýchlosť otáčania ventilátora nastavujeme 10K trimerom R4 pripojeným k pinu 7 ATtiny13, ktorý je nakonfigurovaný ako analógový vstup. Aby to bolo celé trošku zaujímavejšie pridal som do zapojenia tlačítko S1 slúžiace na vypnutie a zapnutie ventilátora. Ďalej si na schéme môžete všimnúť diódu LED1, ktorá má za úlohu indikovať beh programu a to tak, že čím sa ventilátor točí pomalšie tým rýchlejšie bliká LEDka a naopak čím sa ventilátor točí rýchlejšie tým je blikanie LEDky pomalšie.




Skôr ako pristúpime k samotnému programu zhrnieme ešte hardvér a softvér, ktorý bol použitý v tomto projekte. Takže celkovo tu máme:

• rezistory 1x 300R, 1x 2K7, 2x 10K a 1x 10K trimer
• kondenzátory 1x 10n, 2x 100n
• jednu diódu 1N4001 a jednu LEDku
• jeden darlingtonový tranzistor TIP120
• mikrokontrolér ATtiny13
• 12V jednosmerný motor - starý ventilátor od procesora
• dosku AVRJazz Tiny2313 z www.ermicro.com/
• programovací softvér AvrOspII do Mikea Henninga a Atmel AVR Studio 4

Firmvér

K napísaniu programu do ATtiny13 som sa pre tentokrát rozhodol použiť AVR assembler namiesto jazyka C, pretože som si jednoducho chcel byť istý, že sa mi celý program vojde do tej maličkej 1KB pamäte a zároveň som bol zvedavý aká bude výsledná veľkosť kódu. Nuž pozrime sa teda na samotný program:


Prvá skupina údajov, resp. prvý odsek hlavného programu patrí inicializácii zásobníka, ktorý bol umiestnený na koniec 64B - vej pamäte RAM. Za ním nasleduje inicializácia vstupno/výstupného portu B, pričom počiatočné nastavenie logických úrovní a smeru jednotlivých pinov sa nachádza v nasledujúcej tabuľke:


Inicializácia A/D prevodníka

V programe ďalej nasleduje inicializácia periférneho modulu A/D prevodníka (pre komplexné porozumenie modulu odporúčam preštudovať si datasheet mikrokontroléra ATiny13). Na to aby sme mohli využívať služby tohto periférneho modulu, musíme najskôr vykonať nasledujúce kroky:

A. Nastaviť predeličku a aktivovať samotný periférny modul

Obvod predeličky realizuje delenie taktovacej frekvencie (z interného alebo aj externého zdroja taktovacej frekvencie) v pomere, ktorý nastavuje programátor prostredníctvom bitov ADPS2, ADPS1 a ADPS0 v registri ADCSRA. Taktovací signál za predeličkou je následne použitý pri samotnom A/D prevode, založenom na metóde postupnej aproximácie. Na získanie maximálneho možného rozlíšenia je možné vybrať si frekvenciu taktovania medzi 50 až 200 kHz, pričom v tomto projekte som zvolil deliaci pomer 1:64, čo v konečnom dôsledku znamená taktovaciu frekvenciu pre prevodník okolo 150 kHz.



Pretože nevyužívame funkcie automatického spúšťania prevodu a ani prerušenia po jeho skončení, ponecháme bity ADATA, ADIE a ADIF nastavené na nulu, vyberieme deliaci pomer 1:64 a bitom ADEN povolíme funkciu modulu (zapneme ho ...), tak ako to ukazuje nasledujúci kúsok kódu:



B. Vybrať zdroj (udalosť) spustenia A/D prevodu

V projekte je na spúšťanie A/D prevodu využitý tzv. free running mode, čo znamená, že periférny modul ADC vykoná prevod vždy keď dostane pokyn na jeho uskutočnenie. Výber tohto módu dosiahneme nastavením bitov ADTS2, ADT21 and ADTS0 v registri ADCSRB na log. nulu.





C. Zvoliť príslušný kanál

Periférny modul ADC v Atiny13 obsahuje jeden samostatný A/D prevodník, ktorý môže vykonávať prevod analógového signálu na digitálny z jedného zo štyroch možných analógových vstupov v jednom čase. Pre nás to znamená, že musíme periférnemu modulu povedať, ktorý zo vstupov budeme používať ako aktuálny zdroj analógového signálu. Toto vykonáme nastavením dvojice bitov MUX0 a MUX1 v registri ADMUX.



Z vyššie uvedenej tabuľky vidíme, že pre náš projekt (trimer R4 je pripojený na vstup PB2/ADC1) musíme nastaviť hodnoty bitov MUX0 = 1 a MUX1 = 0. Ďalej nastavením bitu REFS0 na log. jednotku zvolíme 1,1V internú napäťovú referenciu.


Po skončení A/D prevodu sa jeho výsledok bude nachádzať v registrovom páre ADCH a ADCL. Pretože v rámci tohto projektu postačoval 8 - bitový prevod, jednoducho sme nastavením bitu ADLAR v registri ADMUX na log. jednotku zarovnali výsledok prevodu na ľavú stranu a prečítali len register ADCH, pričom spodné dva bity prevodu nachádzajúce sa v registri ADCL sme ignorovali.


D. Na požadovanom pine vypnúť funkciu digitálneho vstupu/výstupu

Poslednou úlohou v inicializačnom procese je vypnúť funkciu digitálneho vstupu/výstupu na príslušnom požadovanom pine, ktorý má pracovať ako analógový vstup. Toto dosiahneme nastavením príslušného bitu v registri DIDR0 na log. jednotku, v prípade tohto projektu je to bit ADC1D.



Generovanie PWM signálu

ATtiny13 obsahuje dve nezávislé porovnávacie (komparačné) jednotky s podporou generovania PWM signálu, ktorých výstupy OC0A a OC0B sa nachádzajú na pinoch PB0 a PB1, pričom prvý z menovaných výstupov je využívaný aj v tomto projekte. K aktivácii PWM periférie v mikrokontroléri ATtiny13 potrebujeme urobiť nasledujúce kroky:

A. Zvoliť režim generovania PWM signálu

Mikrokontrolér ATtiny13 podporuje dva PWM režimy. Prvým z nich je tzv. fast PWM mode (použitý v tomto projekte) umožňujúci generovať na výstupe signál s pomerne vysokými frekvenciami. Druhým je tzv. phase correct PWM mode, ktorý na úkor nižších frekvencií generovaného výstupného signálu poskytuje väčšie rozlíšenie v porovnaní s režimom fast PWM.




Nastavením bitu COM0A1 na log.1 a bitu COM0A0 na log.0 vyberieme možnosť "clear OC0A on compare match, set OC0A on top", čo znamená, že keď sa bude hodnota v registri TCNT0 (časovač/čítač 0) rovnať hodnote v registri OCR0A, na výstupe OC0A (PB0) sa bude nachádzať logická nula a keď hodnota v registri TCNT0 dosiahne svoje maximum (255), výstup OC0A bude logická jednotka. Následne si nastavením bitov WGM2 = log.0 v registri TCCR0B a WGM1 = WGM2 = log.1 v registri TCCR0A zvolíme režim fast PWM mode.


B. Vybrať frekvenciu hodinového signálu pre časovač/čítač 0

Srdce periférneho modulu PWM je v 8-bitovom časovači/čítači. Keď spustíme počítanie, obvod generovania výstupného PWM signálu bude kontinuálne porovnávať aktuálnu hodnotu v registri TCNT0 s hodnotou v registri OCR0A a na základe výsledku porovnania generovať výstupný PWM signál. Na to aby sme aktivovali čítač, k nemu potrebujeme priviesť hodinový signál, ktorého frekvenciu si môžeme vybrať prostredníctvom internej predeličky nachádzajúcej sa v samotnom module časovača/čítača.



V tomto projekte je pre časovač/čítač použitý hodinový signál, ktorý sme získali z hodinového signálu interného oscilátora jeho delením v pomere 1:256, čo znamená, že frekvenciu generovaného PWM signálu v fast PWM mode môžeme vypočítať podľa vzťahu:


, kde N predstavuje veľkosť deliaceho pomeru pre hodinový signál časovača/čítača. Takže frekvencia PWM signálu na pine OCA0 bude mať pri internom oscilátore s frekvenciou 9,6 MHz hodnotu 146,48 Hz. Samotný deliaci pomer je závislý od jednosmerného motora, ktorý používate a tým pádom by bolo vhodné s týmto pomerom trošku experimentovať. Skúste začať s veľkým deliacim pomerom a postupne ho zmenšovať, pričom pozorujte, ako na tieto zmeny reaguje váš motor.



Jadro kódu

Samotný program je v podstate vďaka početným komentárom veľmi dobre vysvetlený, no aj napriek tomu som sa rozhodol jadro programu napísať prostredníctvom pseudo kódu v štýle jazyka C, čo Vám dúfajme lepšie pomôže pochopiť ako vlastne program funguje.


Z pseudo kódu ste mohli vidieť, že údaje vo vnútri nekonečnej slučky tvorenej príkazom for(;;) sú podobné údajom, ktoré sa nachádzajú v programe napísanom v assembleri medzi nasledujúcimi dvomi príkazmi:


Vo vnútri nekonečnej slučky sa vykonávajú činnosti ako sledovanie stavu tlačidla, aktivácia a deaktivácia PWM signálu, A/D prevod, zapínanie a vypínanie LEDky. Nastavením bitu ADSC v registri ADCSRA na log.1 dáme pokyn modulu A/D prevodníka na snímanie kanála ADC1 (pin PB2), vykonanie A/D prevodu a následne si už len počkáme kým sa samotný A/D prevod ukončí:


Ako som už spomínal predtým, LED diódu využívam na indikáciu toho či môj "program vôbec žije", ale aby to bolo zaujímavejšie, ako parameter oneskorovacej funkcie som použil výsledok A/D prevodu. Takto môžem pri "vrtení" trimrom vidieť meniacu sa hodnotu oneskorenia.


Čím väčšia bude hodnota v registri ADCH (výsledok A/D prevodu), tým dlhšie bude trvanie log. 1 v PWM signále na výstupe OC0A, čo znamená, že tým rýchlejšie sa bude točiť motor a tým dlhšie bude svietiť LED dióda. Naopak, čím bude hodnota v registri ADCH menšia, tým kratšie bude trvanie log.1 vo výstupnom PWM signále a tým pomalšie sa bude točiť motor a zároveň kratšie bude svietiť LED dióda.

Nahrávanie a spúšťanie programu

Po kompilácii a ladení (vždy by ste mali dodržiavať tento postup) by ste mali dostať výsledok, ktorý vidíte na nasledujúcom obrázku:


Skompilovaný program zaberal v pamäti okolo 128B z celkovej veľkosti 1024B, čo podľa mňa vyzerá dobre a je vidieť, že v pamäti je ešte dostatočné množstvo priestoru pre budúce rozširovanie aplikácie. Zároveň je z tohto projektu vidieť, že 1KB programová pamät v ATtiny13 je postačujúca pre priemernú aplikáciu využívajúcu periférne moduly ADC a PWM. Skôr ako pomocou programu AVR - OSP II nahráme samotný kód do mikrokontroléru je potrebné ešte skontrolovať a správne nastaviť poistky (fuse bits), pričom poistky by mali byť nastavené tak, ako je to vidieť z obrázka nižšie:


Aby ste si boli naozaj istý skontrolujte si ešte raz nastavenie poistiek, konkrétne: Int. RC Osc. 9.6Mhz; Start-up time: 14 CK + 64ms a po skontrolovaní nahrajte kód do ATtiny13.

A na záver? Projekt s ATtiny13 v akcii:


Zverejnené so súhlasom autora.
Homepage projektu: Controlling DC motor with AVR ATtiny13 PWM and ADC Project

Preklad: Kiwwicek

---

tento článok je z mikroZONE
( https://www.mikrozone.sk/pluginy/content/content.php?content.96 )