Arbeitsblätter - ADC-Grundlagen -

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1 Seite 1 / 8 Wenn es darum geht Spannungen zu messen, wird der Analog Digital Converter benutzt. Er konvertiert eine elektrische Spannung in eine Digitalzahl. Diese kann dann in gewohnter Weise von einem Mikrocontroller weiterverarbeitet werden. Natürlich kann der ADC nicht beliebig hohe Spannungen verarbeiten. Die Grenze bis zu der der ADC arbeitet, ohne Schaden zu nehmen, ist systemtechnisch festgelegt. Handlungsaufgabe 1: Bestimmen Sie mit Hilfe des Datenblattes des ATMegas a) wie und wo die Referenzspannung eingestellt wird und b) wie groß diese maximal sein darf. Der Eingangswiderstand des ADC liegt in der Größenordnung von einigen Megaohm, so dass der ADC die Signalquelle praktisch nicht belastet. Da die AD-Umsetzung eine bestimmte Zeit dauert enthält der Mikrocontroller eine sog. Sample & Hold Schaltung. Diese ist wichtig, wenn sich während des Wandlungsvorgangs die Eingangsspannung verändert. Die Sample & Hold-Stufe speichert zu Beginn der Wandlung die anliegende Spannung und hält sie während des Wandlungsvorgangs konstant. Handlungsaufgabe 2: Ihr Mikrocontroller soll Spannungen zwischen 0V und 15V messen können. Da dieser Spannungsbereich nicht für den Controller ausgelegt ist, sollen Sie sich eine einfache Schaltung überlegen (inkl. Berechnung der Parameter), mit der Sie diese Werte trotzdem digital mit dem System ermitteln können. Schließen Sie diese Schaltung bitte am Eingang ADC5 an.

2 Seite 2 / 8 Handlungsaufgabe 3: Der ADC des ATMegas ist ein 10-Bit ADC, d.h. er liefert Messwerte im Bereich 0 bis. Liegt am Eingangskanal 0V an, so liefert der ADC einen Wert von. Hat die Spannung am Eingangskanal die Referenzspannung erreicht, so liefert der ADC einen Wert von. Unterschreitet oder überschreitet die zu messende Spannung diese Grenzen, so liefert der ADC 0 bzw Dieser Zustand kann jedoch auch zur Zerstörung des Mikrocontrollers führen! Bestimmen Sie eine allgemeingültige Formel, mit der Sie die Bereichsbreite einer zu messenden Spannung bei einem 10-Bit-ADC ermitteln können. (mit und ohne Vorteiler) Formel Bestimmen Sie bitte umgekehrt, welchen 10-Bit Digitalwert eine zu messende Spannung nach Handlungsschritt 2 mit einem Spannungswert von 9,5V besitzt. Handlungsaufgabe 4: Wie bei vielen analogen Schaltungen unterliegt auch der ADC einem Rauschen. Das bedeutet, dass man nicht davon ausgehen sollte, dass der ADC bei konstanter Eingangsspannung auch immer denselben konstanten Wert ausgibt. Ein "Zittern" der niederwertigsten 2 Bits ist durchaus nicht ungewöhnlich. Besonders hervorgehoben werden soll an dieser Stelle nochmals die Qualität der Referenzspannung. Diese Qualität geht in erheblichem Maße in die Qualität der Wandelergebnisse ein. Bestimmen Sie zwei Maßnahmen, mit der die Referenzspannung einen (einigermaßen) stabilen Wert erhalten kann.

3 Seite 3 / 8 Handlungsaufgabe 5: Die Konfiguration des ADC gehört zu einem der einfachsten Modulkonfigurationen eines Mikrocontrollers. Nennen Sie die beiden Register für die Konfiguration und geben Sie die Einstellungsmöglichkeiten an. Handlungsaufgabe 6: Bei der Programmierung des ADC kann man mit zwei Methoden sein Ziel erreichen: 1. Polling Mode 2. Interrupt Mode Stellen Sie die grobe Vorgehensweise bei der Abfrage von ADC-Werten gegenüber. Polling Mode: Interrupt Mode:

4 Seite 4 / 8 Handlungsaufgabe 7: Konfigurieren Sie den ATMega32 so, dass die Spannung aus Handlungsschritt 2 gemessen werden kann und das Ergebnis als 8-Bit Binärwert auf Port C ausgegeben wird. HINWEIS: Die Software soll den Analogwert kontinuierlich erfassen und ausgeben. Lösung mit Interrupt Mode:

5 Seite 5 / 8 Lösung mit Polling Mode:

6 Seite 6 / 8 Weiterführende Übungen leicht (Pflichtaufgabe) mittelschwer schwer ADC_polling_1.c Die Analogspannung am ADC7 wird eingelesen. Der digitale Messwert wird in der 8-Bit Variablen "messwert8" gespeichert und damit dann die Blinkfrequenz der roten LED verändert. 1) ADC_polling_2.c Die Analogspannung am ADC Kanal 7 wird eingelesen. Der gesamte digitale 10-Bit Messwert wird hier allerdings in der 16-Bit Variablen "messwert16" gespeichert und damit dann die Blinkfrequenz der LED verändert. ADC_polling_UP.c Lagern Sie die im Programm ADC_polling_2.c erstellte Routine zur Ermittlung eines Messwertes in folgendes Unterprogramm (Funktion) aus und Platzieren Sie die Funktion über dem Hauprogramm. int getadc( ) { // hier kommt Ihre erstellte ADC-Routine hinein (inkl. Initialisierung) return messwert; } Rufen Sie im Hauptprogramm dann die Funktion folgendermaßen auf: messwert16 = getadc( ); Was ist die Besonderheit dieser Programmierung? ADC_polling_UP_KanalWahl.c Ergänzen Sie die Funktionalität aus dem Programm ADC_polling_UP.c darauf hin, dass Sie beim Aufruf des Unterprogramms den Messkanal mit übergeben. Ändern Sie hierzu u.a. den Funktionskopf folgendermaßen ab: int getadc ( uint8_t kanal ) Der Aufruf der Funktion kann z.b. wie folgt sein: messwert16 = getadc( 7 ); ADC_LCD.c Verwenden Sie die Funktion aus Aufgabe ADC_polling_UP_KanahlWahl.c und wählen Sie mit den Taster S1 und S2 jeweils einen anderen Messkanal. Geben Sie das Messergebnis auf einem LDC- Display aus. 2) ADC_Interrupt.c Entspricht dem Programm ADC_polling_2.c. Die Analogspannung an ADC Kanal 7 soll hier jedoch mittels Interrupttechnik ermittelt werden. ADC_Fehlerkorrektur.c Erstellen Sie ein Programm, dass Analogwerte am ADC-Kanal 7 einliest, Messfehler korrigiert und das bereinigte Messergebnis auf einem LCD-Display ausgibt. 2) Routine: Zur Fehlerkorrektur soll der Messwert 10x hintereinander eingelesen und in einer 16-Bit Variabel aufaddiert werden. Danach wird mit Division durch 10 der Mittelwert aller Messungen ermittelt und das Ergebnis in der Variablen messwert zur Weiterverarbeitung gespeichert. 1 Verwenden Sie für diese Aufgabe die erweiterte Delay-Methode (siehe moodle im Kapitel: Nützliche Tools/Librarys...) 2 Siehe auch das Kapitel Sensoren, Aktoren, Info-Display in moodle

7 Referenzeinstellung Arbeitsblätter Seite 7 / 8 - Praxisprojekt - Blumenwächter Die Urlaubszeit kommt immer näher, und somit auch die Zeit, wo wir auf fremde Hilfe bei der Pflege von Topfpflanzen angewiesen sind. Um es der Urlaubsvertretung leichter zu machen, sollen Sie einen Blumenwächter mit folgenden Features erstellen: - Über einen Feuchtigkeitssensor 3 soll die Feuchtigkeit der Pflanzenerde ermittelt werden. - Da Pflanzen eine Grundfeuchtigkeit verlangen, soll diese mittels eines Trimmers (auf dem µcontrollerboard an ADC7) einzustellen sein. - Mit Hilfe von drei LEDs (ROT, GELB und GRÜN) soll der Zustand der Blumenkübelfeuchtigkeit angezeigt werden. (verwende die LEDs des µcontrollerboards) ROT = SOFORT gießen!!! GELB = Die Pflanze verlangt bald Wasser. GRÜN = Die Pflanze hat noch genügend Feuchtigkeit zum leben - Zusätzlich soll über ein LCD-Display (4x20) der aktuelle Feuchtigkeitszustand über einen Lauf-/Statusbalken angezeigt werden. > >>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>>>>>>>>>> trocken feucht Wasser OK (100%) Erstellen Sie bitte zuerst einen Schaltplan, bei dem die Anschlüsse aller o.g. Komponenten am ATMega32 deutlich werden. Erstellen Sie dann nach dieser Vorgabe das entsprechende µcontrollerprogramm. Pinbelegung des LCD-Moduls Pin-Nr 1: GND Pin-Nr 9: --- Pin-Nr 2: +5V Pin-Nr 10: --- Pin-Nr 3: Kontrast Pin-Nr 11: Data 4 Pin-Nr 4: RS Pin-Nr 12: Data 5 Pin-Nr 5: R/W Pin-Nr 13: Data 6 Pin-Nr 6: E Pin-Nr 14: Data 7 Pin-Nr 7: --- Pin-Nr 15: LED + Pin-Nr 8: --- Pin-Nr 16: LED - Feuchtigkeitssensor U b = 5V HD Ub = 5V Ub = 5V siehe auch Anschlüsse in der lcd.h 3 TROCKEN: Umess=0V NASS: U mess=5v

8 Referenzeinstellung Arbeitsblätter Seite 8 / 8 Erweiterung (ADC + LCD + Datenübertragung ) Um den Blumenwächter auch für mehrere Blumentöpfe einsetzen zu können, soll das Programm von Seite 7 so erweitert werden, dass nun 7 Pflanzen überwacht werden. Zusätzlich soll neben der LCD-Ausgabe das µcontrollerprogramm die Daten über die (serielle) Schnittstelle zum PC 4 senden. Ergänzen Sie zuerst den Schaltplan mit allen Komponenten und den entsprechenden Anschlüssen. Überlegen Sie sich ein Protokoll, das für die Datenübertragung zum Einsatz kommt. Erstellen Sie im Anschluss das passende µcontrollerprogramm. BlumenNr zu trocken: BlumenNr zu trocken: BlumenNr zu trocken: 3 BlumenNr zu trocken: --KEINE-- HD Feuchtigkeitssensor 1 Feuchtigkeitssensor 2 Feuchtigkeitssensor 3 Feuchtigkeitssensor 4 Feuchtigkeitssensor 5 Datenübertragung (FTD232RL) RxD TxD Feuchtigkeitssensor 6 Feuchtigkeitssensor 7 U b = 5V 4 In einer späteren Übung sollen die Daten mittels einer APP auf einem Smartphone angezeigt werden. Als Schnittstelle wird dann das Bluetooth-Modul verwendet.