Entwicklung von Mikrocontroller-Praktikumsversuchen für Hochschulen

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1 Josef Fuhrer Entwicklung von Mikrocontroller-Praktikumsversuchen für Hochschulen PIC 18F458 und PIC-Universal-Board Diplomica Verlag

2 Josef Fuhrer Entwicklung von Mikrocontroller-Praktikumsversuchen für Hochschulen PIC 18F458 und PIC-Universal-Board ISBN: Herstellung: Diplomica Verlag GmbH, Hamburg, 2010 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Die Informationen in diesem Werk wurden mit Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden und der Verlag, die Autoren oder Übersetzer übernehmen keine juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für evtl. verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen. Diplomica Verlag GmbH Hamburg 2010

3 Kurzfassung Das vorliegende Buch beinhaltet die Realisierung von Versuchen mit einem Mikrocontroller auf der Basis des PIC Universal Boards. Sie dienen als Grundlage für die Gestaltung eines Praktikums für Mikrocontrollertechnik an Hochschulen. Der erste Teil gibt dem Leser eine Einführung in die verwendeten Werkzeuge. Hierbei wird das PIC Universal Board, der verwendete Mikrocontroller PIC 18F458, sowie der Programmer und die Entwicklungsumgebung MPLAB v8.10 mit C18-Compiler v3.22 vorgestellt. Eine Ideensammlung für mögliche Projekte erfolgt im darauf folgenden Abschnitt. Aus diesen werden vier Versuche mit unterschiedlichen Themenschwerpunkten zur Realisierung ausgewählt. Dies beinhaltet neben der Programmierung zusätzlich die Entwicklung von drei Platinen, welche als Peripherie auf das Entwicklungsboard aufgesteckt werden können. Aus den erstellten Projekten werden zum Schluss drei Praktikumsversuche abgeleitet, welche in der vorgegebenen Zeit eines Praktikums durchführbar sind. Dabei werden die jeweiligen Anforderungen und vermittelten Fähigkeiten an die Studenten erläutert. Der Anhang beinhaltet schließlich konkrete Versuchsanleitungen zu den drei Praktikumsversuchen. Dies umfasst die Aufgabenstellungen zur Vorbereitung und mögliche Lösungsvorschläge. Für alle Projekte sind die Quellcodes ebenfalls abgedruckt. I

4 Inhaltsverzeichnis Kurzfassung...I Inhaltsverzeichnis... II 1 Einführung Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge PIC Universal Board Mikrocontroller PIC 18F MPLAB IDE v8.10 mit C18-Compiler v USB PIC Programmer Versuchsplattformen Ideensammlung Laufschrift auf den 7-Segment Anzeigen Auslesen einer Matrixtastatur und Ausgabe auf dem LCD Entfernungsmesser mit Ultraschall Temperaturregelung mit Lüfter Zählungen mit Lichtschranke Drehzahlsteuerung und messung Software-Radio RFID Experiment Sprachausgabe/-eingabe Geschwindigkeitsmessung mit Kameras Schrittmotoransteuerung Ansteuerung diverser Sensoren Auswahl der zu realisierenden Plattformen...14 II

5 4 Auslesen einer Matrixtastatur und Ausgabe auf dem LCD Verwendung von I/O-Ports Ausgabe von ASCII-Zeichen auf dem LCD Aufbau des Displays Programmierung der Übergabefunktionen Auslesen der Matrixtastatur Grundlagen der Matrixtastatur Programmierung der Auslesefunktion Das Hauptprogramm des Versuchs Temperaturregelung mit einem Lüfter Aufbau der Platine Der A/D-Wandler des PIC 18F Programmierung des Versuchs RFID-Lesekopf Versuch Aufbau und Ablauf des Versuchs Die USART-Hardware Programmierung des Controllers RFID mit Sprachmodul Aufbau und Funktion des Versuchs Timer0 des PIC 18F Programmierung Praktikumsversuche für Studenten Erster Versuch: Ansteuern von I/O-Ports Zweiter Versuch: Auslesen eines Temperatursensors Dritter Versuch: Auslesen von Transponder-IDs...45 III

6 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Anhang A.1 Quellcodes der Dateien...48 A.2 Erster Praktikumsversuch: Ansteuern von I/O-Ports...79 A.3 Zweiter Praktikumsversuch: Auslesen eines Temperatursensors...83 A.4 Dritter Praktikumsversuch: Auslesen von Transponder-IDs...86 IV

7 1 Einführung Heutzutage befinden sich in nahezu allen elektronischen Geräten Mikrocontroller. Diese universell einsetzbaren Ein-Chip-Systeme können je nach Anwendung individuell programmiert werden. Sie kommen zum Einsatz wenn es darum geht, Steuerungsprobleme zu lösen und dabei den Platzbedarf so gering wie möglich zu halten. Sie ersetzen Schaltungen, deren Realisierung mit analogen oder diskreten Bauteilen einen mehr oder weniger hohen Arbeits- und Zeitaufwand erfordern würde. Da sie in Applikationen eingebettet sind, werden sie als Embedded Systems bezeichnet. Um Studierende anhand motivierender praktischer Beispiele in den Umgang mit Mikrocontroller einzuführen, beinhaltet dieses Buch die Realisierung von Versuchen auf Grundlage des PIC-Universal-Boards. 1

8 2 Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge In diesem Abschnitt werden die Komponenten bekannt gemacht, welche in dieser Studie verwendet werden. Hierzu zählen ein Entwicklungsboard mit PIC- Mikrocontroller, ein dazugehöriger Programmer und die Entwicklungsumgebung MPLAB IDE v8.10 mit C18-Compiler v PIC Universal Board Die Basis aller Versuche bildet das PIC Universal Board, welches in Abb. 1 dargestellt ist. Es handelt sich dabei um ein Experimentier- und Entwicklungsboard für Einsteiger und fortgeschrittene Anwender. Es unterstützt alle Controller der PIC12x- bis PIC18x-Reihen im PDIP Gehäuse, mit einer Pinanzahl von 8, 18, 28 und 40. Abb. 1: PIC Universal Board 2

9 Auf dem Board sind eine Reihe von Funktionsgruppen angeordnet, die per DIP- Schalter oder über Jumperleisten mit dem Mikrocontroller verbunden werden können. Des Weiteren sind sämtliche Portpins mit Steckerleisten und Schraubklemmen verbunden. Dadurch sind externe Baugruppen problemlos an den Mikrocontroller anschließbar. Zu den wichtigsten On-Board-Funktionsgruppen zählen: Alphanumerisches LCD-Modul mit 4x20 Zeichen 12er Matrixtastatur Temperaturfühler RS232-Schnittstelle 4-stellige 7-Segmentanzeige mit Segment-Treiber 8 LEDs für einzelne I/O-Pins Miniatur-Lautsprecher Spannungsteiler für Analogeingänge Weitere Funktionsgruppen sowie eine detaillierte Beschreibung des Boards können im Downloadbereich unter kostenlos heruntergeladen werden. Dem Entwickler stehen somit eine ganze Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung, Projekte zu entwickeln und erste Simulationen mit der Peripherie durchzuführen. 2.2 Mikrocontroller PIC 18F458 Bei einem PIC im Allgemeinen handelt es sich um einen Mikrocontroller, welcher von der Firma Microchip Technology Inc. hergestellt wird. Sie werden eingeteilt in verschiedene Familien. Die kleineren PIC-Familien PIC10x, PIC12x und PIC16x werden vorzugsweise in Assemblersprache programmiert, da ihr Speicherplatz eher gering ist und zerklüftet organisiert ist. Im Normalfall werden Mikrocontroller heutzutage aber in Hochsprachen programmiert. In einer Hochsprache, wie z.b. C, lassen sich Pro- 3

10 gramme viel schneller und fehlerfreier erstellen. Die Hochsprachenprogrammierung bringt aber auch Nachteile mit sich. Darunter zählen vor allem der höhere Speicherbedarf und der langsamere Programmlauf. Die PIC18x-Typen haben im Vergleich zu den kleineren Familien deutlich größere, linear adressierbare Speicher und sind schneller als diese. Deshalb kompensieren sie die typischen Nachteile und eignen sich gut für eine Programmierung in C. Für sehr anspruchsvolle Projekte gibt es noch die Familien PIC24x, dspicx und PIC32x. Diese sind für komplizierte mathematische Berechnungen ausgelegt, wie sie in der digitalen Signalverarbeitung auftreten. Darunter zählen z. B. Fourier- Analysen oder digitale Filter [1]. In dieser Studie wird ausschließlich der Mikrocontroller PIC 18F458 mit einem externen Systemtakt von 4 MHz verwendet. Dieser besitzt die Gehäuseform PDIP 1 mit einer Pinanzahl von 40. Tabelle 1 gibt eine Übersicht hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften sowie integrierter Hardware-Module. Zum Vergleich des Unterschieds zwischen ähnlichen Typen sind diese ebenfalls aufgelistet. Tab. 1: Eigenschaften des PIC 18F458 [Datenblatt PIC18F458] Wie ersichtlich ist, ist der verwendete Mikrocontroller sehr flexibel einsetzbar und daher für diese Studie bestens geeignet. 1 Plastic Dual Inline Package; Gehäuseform für elektronische Bauelemente 4