FRANZIS AKADEMIE.

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2 FRANZIS AKADEMIE Die Franzis Akademie 100% Know-how vom ältesten Technikverlag Deutschlands für die Ausund Weiterbildung in allen Bereichen der Elektronik und Elektrotechnik. Die Franzis Akademie informiert über neueste Entwicklungen, Trends und Techniken. Die Anmeldung erfolgt kostenlos über: Das Franzis Know-how-Zertifikat Experimentieren, lernen, weiterbilden! Testen Sie Ihr erworbenes Wissen in kleinen spezifischen Tests und erwerben Sie Ihr persönliches Franzis Zertifikat unter: Schnell und einfach zum Ziel! Sie beantworten bis zu fünf Fragen in einem Onlinetest. Die Fragen können Sie leicht und schnell beantworten, wenn Sie die Experimente in diesem Lernpaket erfolgreich durchgeführt haben. Mit diesem offiziellen und unvergleichbaren Zertifikat der Franzis Akademie weisen Sie Ihr Wissen in diesem Spezialgebiet nach. Sie erhöhen damit Ihre Chance im Job. Dieses einmalige Zertifikat können Sie Ihrer Bewerbung nach dem Studium, im Beruf oder auf einen Ausbildungsplatz beifügen. Erwerben Sie das persönliche Zertifikat kostenlos unter Sie erhalten das Zertifikat nach dem erfolgreichen Bestehen des Onlinetests per von der Franzis Akademie zugeschickt.

3 3 Vorwort Mikrocontroller zu programmieren wird, wie man in den verschiedensten Foren und Fachzeitschriften beobachten kann, in den letzten Jahren immer populärer. Das liegt daran, dass Mikrocontroller und zusätzliche Peripheriebausteine immer günstiger angeboten werden und an Schulen zunehmend in Mikrocontroller und Computertechnik unterrichtet wird. Dieser Lehrgang baut auf dem beliebten Basic-Compiler Bascom AVR auf. Bascom ist ein moderner Basic-Compiler mit integrierter Entwicklungsumgebung, geeignet für fast alle 8-Bit-AVR-Mikrocontroller der Firma ATMEL. Bascom erfreut sich nicht nur bei Einsteigern, sondern auch bei Entwicklungsprofis immer größerer Beliebtheit und stellt inzwischen schon fast einen Basic-Standard bei AVRs dar. Viele Problemstellungen, die früher zeitaufwendig in Assembler oder C gelöst werden mussten, können durch diesen modernen Compiler blitzschnell mit wenigen Befehlen erledigt werden. Beispielsweise genügt ein einziger Befehl, um aus einem I/O-Port eine RS232-Schnittstelle, einen I2C-Bus oder Servoanschluss zu machen. Solche Dinge erfordern in anderen Programmiersprachen oft einen enormen Aufwand. Bascom erzeugt optimierten Maschinen-Code. Es werden alle AVR-RISC-Controller mit internem RAM der Serien AT90S, ATmega und ATTiny unterstützt. Mit einigen Einschränkungen sind jetzt auch ATTiny-Controller ohne SRAM mit BASCOM-AVR programmierbar. Dazu steht die $TINY-Funktion zur Verfügung. ATxmega-Controller werden bereits teilweise unterstützt. Genau aus diesen Gründen ist der Bascom Basic-Compiler ideal für den Einstieg in die Mikrocontroller-Programmierung geeignet. Er ist sehr leistungsfähig und garantiert auch optimierte komplexe Softwareentwicklungen mit Profianforderungen. Großer Vorteil ist auch, dass diese Entwicklungsumgebung in hohem Tempo weiterentwickelt wird und die Updates kostenlos sind. So war Bascom auch eine der ersten AVR-Entwicklungsumgebungen, die unter Vista liefen. Ich wünsche Ihnen nun viel Spaß beim Lesen und Experimentieren mit diesem Buch! Ulli Sommer, Waidhaus, Juli 2009

4 5.6 PWM (Pulse Width Modulation) 23 5 Inhaltsverzeichnis 1 Die CD-ROM zum Buch Inhalt der CD-ROM GPL (General Public License) Systemvoraussetzung Updates und Support Mikrocontroller Grundlagen Aufbau und Funktionsweise Die CPU Arbeits- und Programmspeicher Peripherie Technologievergleich: RISC und CISC CISC-Technologie RISC-Technologie Vergleich Mikrocontroller-Programmierung Was ist ein Programm? Programmierung in Basic Konzept von Basic Vorteile von Basic Programmierung in Assembler Übersicht über die ATMEL AVR-Controller AT90Sxxx ATmega ATTiny ATxmega Der ATmega88 des Lernpakets Die interessantesten Pins des ATmega88 auf einen Blick Taktfrequenz Speicher I/O-Ports ADC (Analog Digital Converter) PWM (Pulse Width Modulation)

5 6 Inhaltsverzeichnis 5.7 UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) IRQ (Interrupt) Bootloader Stromversorgung des ATmega ISP-Grundbeschaltung des ATmega Programmiergeräte Unser Bascom-Lernsystem Bauteileliste Das Experimentier-Board ATmega Sicherheitshinweise Die Bauteile des Lernpakets Leuchtdioden Widerstände Kondensatoren Transistoren Diode Piezo-Schallwandler (Buzzer) Schaltdraht Die ersten Vorbereitungen (Inbetriebnahme) Treiberinstallation Das Tool MProg für den FT232RL FT232R mit MProg programmieren Bascom installieren Der Basic-Compiler Bascom Landessprache auswählen Die Bascom IDE Bascom-Hilfe Bascom-Einstellungen Der erste Test: Es Blinkt Was haben wir getan? Grundlagen des Programmierens Bits und Bytes Grundsätzlicher Aufbau eines Programms Sequenzieller Programmablauf

6 14.10 String und String-Bearbeitung Interruptgesteuerter Programmablauf Der Aufbau eines Bascom-Programms Bascom AVR Basic Grundlagen Kommentare im Quelltext Datentypen und Variablen Variablen-Namen Lokale und globale Variablen Variablen-Zuweisung Arrays Operatoren Kontrollstrukturen (If Then Else, Select Case und Goto) If Then End if If Then Else End if If und ElseIf Select Case Schleifen (For Next, Do Loop, Do Until, While Wend) For Next Do Loop und Do Loop Until While Wend Funktionen, Prozeduren und Labels Subroutinen Funktionen Gosub Goto On String und String-Bearbeitung Strings Ucase Lcase Bin Hex Hexval Val Str String Space Fusing Format Len Instr Mid

7 8 Inhaltsverzeichnis Split Left Right Ltrim Rtrim Trim Input-/Output-Konfiguration und Portsetzen Interne Pull-up-Widerstände benutzen Der Bascom-Simulator Timer als Timer verwenden Timer als Counter verwenden Der Analog-Digital-Wandler (ADC) Externe Interrupts Die UART-Schnittstelle Input Software-UART Sleep-Mode Weitere Experimente Tasten entprellen Einschaltverzögerung Ausschaltverzögerung LEDs am ATmega Größere Verbraucher schalten Tonerzeugung mit dem Befehl Sound Töne über Timer0 erzeugen Morsecode-Generator Impulszähler mit Timer Impulslängenmessung PWM (Pulse Width Modulation) Die PWM-Parameter DAC mit PWM-Ports Transistor-LED-Dimmer LED-Dimmer mit Timer Softer Blinker Zufallszahlen mit Bascom Zahlenraten mit Bascom Romantisches Mikrocontroller-Kerzenlicht Überwachung des Personalausgangs RTC (Real Time Clock) Schuluhrprogramm Lüftersteuerung

8 21 Literaturverweis Dämmerungsschalter Alarmanlage Komfort-Treppenlichtautomat Codeschloss Kapazitätsmesser mit Autorange Potenziometer professionell auslesen Sensortaster State-Maschine Kanal-Voltmeter Spannungs-Plotter selbst programmiert Das ATmega88-Speicheroszilloskop StampPlot der Profi-Datenlogger zum Nulltarif Steuern über VB.NET Leuchtdiodentester GPS-Mouse auslesen Temperaturschalter Temperaturmessung mit dem LM MIN/MAX-Thermometer Temperatur-Logger Aquariumsteuerung mit Überwachung Programm über ISP-Programmer auf den AVR übertragen Escape-Sequenzen ASCII-Tabelle Reservierte Worte in Bascom Bezugsquellen Literaturverweis

9 11 1 Die CD-ROM zum Buch Diesem Lernpaket liegt eine CD-ROM bei, die verschiedene Programme, Tools, Datenblätter und Beispiele enthält. Die CD-ROM erleichtert Ihnen das Arbeiten mit diesem Lehrgang. Die hier abgedruckten Beispiele sind auf ihr enthalten. 1.1 Inhalt der CD-ROM Bascom Basic (Demoversion 4KB) Beispiel-Programmcode zum Lehrgang Diverse Tools Datenblätter 1.2 GPL (General Public License) Sie können Ihre eigenen Programme selbstverständlich mit anderen Anwendern über das Internet austauschen. Die Beispielprogramme stehen unter der Open-Source-Lizenz GPL (General Public License). Daher sind Sie berechtigt, die Programme unter den Bedingungen der GPL zu modifizieren, zu veröffentlichen und anderen Anwendern zur Verfügung zu stellen, sofern Sie Ihre Programme dann ebenfalls unter die GP-Lizenz stellen. 1.3 Systemvoraussetzung Ab Pentium III-PC, Windows 98SE/ME/XP oder höher, CD-ROM-Laufwerk 1.4 Updates und Support Der Compiler BASCOM-AVR wird ständig weiterentwickelt. Updates können Sie sich kostenlos von der Website des Herstellers laden (es fallen nur Ihre üblichen Online- Kosten an). Dies ist besonders bequem mit der in die BASCOM-AVR integrierten Autoupdate-Funktion möglich. Sie können das Update auch direkt laden und mit dem Passwort auspacken. Das Passwort erhalten Käufer der Vollversion kostenlos nach Registrierung beim Entwickler. Informationen finden Sie in der auf der CD mitgelieferten Readme-Datei. Der Hersteller bietet auch Support und ein Supportforum.

10 12 2 Mikrocontroller Grundlagen Bevor wir uns nun näher mit Bascom und dem Lernsystem beschäftigen, ist es wichtig, einen allgemeinen Überblick über die Mikrocontroller zu erhalten. Mikrocontroller werden vor allem im Bereich der Automatisierungs- sowie der Mess-, Steuer- und Regeltechnik eingesetzt. Der Vorteil eines Mikrocontroller-Systems ist es, auf kleinstem Raum energie- und kosteneffizient physikalische Größen zu messen und zu interpretieren, um darauf aufbauend Entscheidungen zu treffen und Aktionen durchzuführen. Abb. 2.1: Beispiel einer Ein- und Ausgabeverarbeitung anhand eines Gewächshauses Das Spektrum möglicher Anwendungen von Mikrocontrollern reicht vom privaten Bereich, zum Beispiel von der Steuerung eines Gewächshauses oder der Hausbelichtung, bis hin zum industriellen Bereich, wo komplette Anlagen mit Mikrocontroller- Systemen gesteuert, gewartet und betrieben werden können. Das obige Bild zeigt eine typische Datenverarbeitung zur Steuerung einer Bewässerungsanlage eines Gewächshauses, der Controller nimmt dabei über Sensoren die Messwerte der Umgebungstemperatur und Bodenfeuchte auf. Die Messwerte werden durch eine digitale Logik im Mikrocontroller (kurz µc genannt) interpretiert und daraufhin wird die Pumpe für die Bewässerung entsprechend angesteuert.

11 2.3 Arbeits- und Programmspeicher Aufbau und Funktionsweise Als vollwertiger Computer im Kleinstformat weist jeder Mikrocontroller, ähnlich einem PC, grundlegende Bausteine auf, die in Abbildung 2.2 dargestellt sind. Als Grundbausteine eines jeden Mikrocontrollers wären hier die CPU, der Arbeitsspeicher (RAM) sowie der Programmspeicher (FLASH) und die Peripherie zu nennen. Abb. 2.2: Prinzipieller Aufbau eines Mikrocontrollers 2.2 Die CPU Die wichtigste Funktionseinheit ist die zentrale Recheneinheit, die CPU (Central Processing Unit). Sie kann als Gehirn des Mikrocontrollers verstanden werden. Dort werden Signale ausgewertet und Befehle und arithmetische Operationen abgearbeitet. 2.3 Arbeits- und Programmspeicher Arbeits- und Programmspeicher werden in vielen Darstellungen in der Regel logisch getrennt. Das Benutzerprogramm wird dabei meist in einem nichtflüchtigen FLASH- Speicher, dem Programmspeicher, abgelegt. Je nach Controllersystem kann man auf (implementierten) Programmspeicher von mehreren Kilo- bis Megabyte zurückgreifen. Bei einigen Systemen ist es darüber hinaus möglich, den Programmspeicher durch externe FLASH-Komponenten aufzustocken.

12 14 2 Mikrocontroller Grundlagen Abb. 2.3: Der Flashspeicher des ATmega88 (Quelle: ATMEL Datenblatt): Der Arbeitsspeicher dient zur temporären Ablage von Rechen-, Mess- und Steuergrößen. Ziel ist es, möglichst schnell auf eine begrenzte Anzahl von Daten zugreifen zu können. Dieser RAM(Random Access Memory)-Speicher ist in der Regel deutlich kleiner als der FLASH-Speicher, dafür aber um ein Vielfaches schneller. Die Werte des RAM werden zur Laufzeit erzeugt und sind, im Gegensatz zum FLASH-Speicher, flüchtig. Das heißt, dass nach einem Neustart des Controllers im RAM keine Werte gespeichert sind. Abb. 2.4: Der RAM-Speicher des ATmega88 (Quelle: ATMEL Datenblatt)

13 2.7 RISC-Technologie Peripherie Als Peripherie bezeichnet man jene Komponenten eines Mikrocontrollers, die nicht durch die CPU und Speicherbausteine abgedeckt werden, insbesondere solche Komponenten, die eine Schnittstelle zur Außenwelt darstellen. Digitale Ein- und Ausgänge (kurz: I/Os für Input/Output) werden zu den Peripherie-Bausteinen gezählt. Die meisten Mikrocontroller bieten eine Vielzahl von Ein- und Ausgängen mit verschiedenen Funktionen wie digitale, aber auch analoge Ein- und Ausgänge (ADC und DAC). 2.5 Technologievergleich: RISC und CISC Die Charakterisierung der RISC- und CISC-Technologie ist eigentlich schon ein tiefer gehender Einblick in die Digital- und Mikrocontrollertechnik. Die AVR-Controller basieren jedoch auf der RISC- und nicht der CISC-Technologie. Es ist daher sinnvoll, sich zumindest einen Überblick über die RISC- und CISC-Technologie zu verschaffen. 2.6 CISC-Technologie Bei der CISC-Technologie wird der Programmspeicher in dem RAM des Systems geladen und teilt sich diesen mit dem Programmspeicher. Man spricht auch davon, dass sich Programmcode und Daten den gleichen Speicher teilen. Das war insbesondere bei den ersten Computersystemen sinnvoll, da Arbeitsspeicher teuer war. Ein weiteres, für Mikrocontroller viel entscheidenderes Merkmal ist der Aufbau von Befehlen. Ein CISC-Rechner verfügt über ein großes Sortiment an teils sehr speziellen Befehlen. Dabei ist in der Digitaltechnik ein Befehl eine Reihenfolge von bestimmten Bytes. Ein Byte kann 256 (0 bis 255) verschiedene Zustände annehmen. Um mehr als 256 verschiedene Befehle zu implementieren, benötigt man weitere Bytes. So kann es sein, dass ein spezialisierter Befehl aus mehren Bytes (zum Beispiel fünf Byte) besteht. Das Laden eines solchen Befehls dauert länger als das Laden eines Befehls, der nur ein Byte lang ist. 2.7 RISC-Technologie Man hat festgestellt, dass bei CISC-Rechnern in der Regel etwa 90 % eines Quelltextes aus nur 30 verschiedenen Befehlen bestehen. Auf dieser Grundlage entstand der Gedanke, in der CPU nur wenige, dafür aber kurze und schnelle Befehle zu implementieren. So findet man auf RISC-Mikrocontrollern in der Regel keine Befehle, die aus mehr als drei oder vier Bytes bestehen. Damit verfügt man nicht mehr über so viele

14 16 2 Mikrocontroller Grundlagen spezialisierte Befehle und muss diese aus mehreren kurzen Befehlen zusammensetzen. Um dabei mindestens die gleiche Leistungsfähigkeit zu erzielen, wie sie ein CISC- Rechner hat, verfügen die meisten RISC-Rechner über eine große Anzahl von Registern. Ein Register ist ein in der CPU befindlicher temporärer, extrem schneller Speicher. Ein weiterer Gegensatz zur CISC-Technologie ist eine klare physikalische und logische Trennung zwischen Programm- und Datenspeicher. 2.8 Vergleich Bei einem CISC-Rechner hat man eine Vielzahl spezialisierter Befehle, die in der Regel jedoch eine lange Abarbeitungszeit beanspruchen. Deutlich kürzere Abarbeitungszeiten erreichen die Befehle eines RISC-Rechners. Ein Nachteil dieser Technologie ist jedoch, dass hier die spezialisierten Befehle durch mehrere Befehle nachgebildet werden müssen. Die Vor- und Nachteile der CISC- oder RISC-Technologie halten sich dabei in etwa die Waage. Außerdem sollte beachtet werden, dass es keinen reinen RISC- und keinen reinen CISC-Rechner gibt. Abb. 2.5: ATmega88-Blockschema: Hier sind die internen Strukturen des Controllers gut zu erkennen. (Quelle: ATMEL Datenblatt)

15 17 3 Mikrocontroller- Programmierung Mit der zunehmenden Integration von Halbleiterbauteilen wie Mikroprozessoren hielten Mikrocontroller immer mehr Einzug in die Anwendungsgebiete der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik. Aber auch im Hobbybereich wurden die Mikrocontroller immer beliebter. Das liegt zum einen daran, dass heute komplexe, meist analoge Schaltungen durch einfachere digitale Mikrocontroller-Schaltungen ersetzt werden. Ein anderer ausschlaggebender Punkt ist heute das unschlagbare Preis-Leistungs-Verhältnis von Mikrocontrollern. 3.1 Was ist ein Programm? Ein Programm ist die Beschreibung eines Informationsverarbeitungsprozesses. Im Laufe eines solchen Prozesses wird aus einer Menge von variablen oder konstanten Eingangswerten eine Menge von Ausgangswerten berechnet. Die Ausgangswerte sind entweder selbst Ziel der Informationsgewinnung oder dienen mittelbar zur Reaktion auf die Eingangswerte. Neben den eigentlichen Berechnungen kann ein Programm Anweisungen zum Zugriff auf die Hardware des Computers oder zur Steuerung des Programmflusses enthalten. Ein Programm besteht aus mehreren Zeilen sogenannten Quelltextes. Dabei enthält jede Zeile eine oder mehrere Rechen- oder Steueranweisungen. Außer diesen Anweisungen selbst bestimmt ihre Reihenfolge ganz wesentlich die eingangs beschriebene Informationsverarbeitung. Die Ausführung der den Anweisungen entsprechenden Operationen durch den Steuercomputer erfolgt sequenziell, also nacheinander. Eine Folge von Programmanweisungen mit einem bestimmten Ziel nennt man auch Algorithmus. 3.2 Programmierung in Basic Basic ist eine einfach zu erlernende Programmiersprache. Für die Bascom wurde ein Basic-Dialekt angelehnt an QBASIC und Visual Basic von Microsoft entwickelt. Dadurch ist es für einen ehemaligen QBASIC- oder Visual-Basic-Programmierer ein Leichtes, auch eine Hardware zu programmieren. Basic ist besonders bei Anfängern beliebt, wird aber auch für professionelle Anwendungen eingesetzt. Bascom erstellt aus dem Basic-Programm einen hochoptimierten Maschinen-Code, der anderen Programmiersprachen wie C in nichts nachsteht.

16 18 3 Mikrocontroller-Programmierung 3.3 Konzept von Basic Der hier betrachtete Basic-Dialekt ist modular aufgebaut. Dafür definiert man ein oder mehrere Unterprogramme, die verschiedenste Befehlsfolgen kapseln. Die Abarbeitung der Befehle erfolgt weitestgehend intuitiv. Das bedeutet, dass man den Controller durch einfache Befehle dazu anweist, bestimmte Aufgaben zu erfüllen. Es gibt insbesondere für Computer, die mit Windows oder Linux arbeiten, auch objektorientierte Basic-Dialekte, die im Gegensatz zu der hier gezeigten Programmiersprache weniger intuitiv bedient werden. 3.4 Vorteile von Basic Ein entscheidender Vorteil von Basic ist, dass ein schneller Einstieg in die Welt der Mikrocontroller ermöglicht wird. Der hier thematisierte Basic-Dialekt Bascom ist so ausgelegt, dass er die Hardware optimal und effizient anspricht und der Entwickler trotzdem übersichtlich strukturierten Quellcode schreiben kann. 3.5 Programmierung in Assembler Bascom unterstützt zu Basic auch noch Assembler, sogenannten Inline-Assembler. Es können somit bestimmte Programmabschnitte, dort, wo es auf jeden Takt ankommt oder bestimmte Register angesprochen werden sollen, in Assembler programmiert werde. Ein richtiger Assembler übersetzt ein Assemblerprogramm in der Regel 1:1 in Maschinencode, also in Befehle, die direkt vom Mikroprozessor abgearbeitet und ausgeführt werden können. Der Programmierer muss dabei über fundiertes Wissen über die Systemarchitektur des Mikroprozessors verfügen. Da es eine Fülle von Registern, Befehlen und Adressierungsarten gibt, fällt es insbesondere Anfängern schwer, sich in die Assemblerprogrammierung einzuarbeiten. Hinzu kommt, dass jede Mikroprozessorgeneration und jeder Typ über einen anderen Befehlssatz verfügen. Selbst jemand, der sich gut mit dem Intel-Assembler für PCs auskennt, benötigt eine lange Einarbeitungszeit, um auch beispielsweise für einen Atmega88 ein Assemblerprogramm entwickeln zu können. Der große Vorteil von Assembler ist, dass man über nahezu jedes Bit und jede Operation frei verfügen kann. Damit können sehr leistungsstarke und dennoch schlanke Programme entwickelt werden, sofern man sich mit den Spezialbefehlen des Mikroprozessortyps auskennt. Manche Anwendungen lassen sich aus Gründen der Schnelligkeit nur in Assembler verwirklichen. Heute setzt man Assembler häufig nur in kleinen Programmstücken ein, wo ein Höchstmaß an Leistung gefordert wird. Der Aufruf des Programms erfolgt dann aus einer Hochsprache wie Basic oder C. Auch die Auswertung der Ergebnisse des Assembler-Programms kann von einer Hochsprache übernommen werden.

17 19 4 Übersicht über die ATMEL AVR-Controller 4.1 AT90Sxxx Die Basic-Line der Atmel AVR-Reihe beinhaltet die ersten AVRs, die produziert wurden und deren Bezeichnung mit AT90S beginnt. Alle Typen wurden mit der Zeit von den beiden Nachfolgereihen ersetzt: ATmega oder ATTiny. Einige neue AVR-Controller tragen eine mit AT90 ohne S beginnende Bezeichnung, haben aber einen moderneren Kern. Z. B. sind die Typen AT90PWM2/3 und AT- 90CAN128 vom Funktionsumfang (interner RC, UART etc.) den ATmegas zuzuordnen. 4.2 ATmega Die ATmega-Mikrocontroller sind ein Teil der AVR-Controllerfamilie. Zusammen mit den ATTiny lösen die ATmega die AT90S-Serie schrittweise ab, wobei es in den meisten Fällen weitgehend pin- und funktionskompatiblen Ersatz für angekündigte Controller gibt (Atmega8 statt AT90S4433, Atmega8515 statt AT90S8515 usw.). Atmel ATmega-AVRs werden mit aktiviertem internem Taktgeber ausgeliefert. Schließt man eine andere externe Taktquelle an (Quarz, Quarzoszillator o. ä.), wird sie nicht automatisch genutzt. Zum Aktivieren müssen die Fuse-Bits des Controllers entsprechend eingestellt werden. Hinweis: ATmegas mit integriertem JTAG-Interface (zzt. solche ab 16 kb Flash- Speicher und mehr als 28 Pins) werden ab Werk mit aktiviertem JTAG-Interface ausgeliefert. Dieses Interface belegt vier Port-Pins (z. B. am PORTC bei ATmega16/32), die nicht für eigene Anwendungen genutzt werden können, solange das JTAG-Interface aktiviert ist. Das Interface lässt sich über ein Fuse-Bit (JTAGEN) dauerhaft und über ein Bit (JTD) in dem (oder einem der) MC-Kontrollregister (Datenblatt nach JTD durchsuchen) per Software zur Laufzeit an- und abschalten. Weiteres finden Sie im Datenblatt des jeweiligen Controllers in den Abschnitten Memory-Programming (Fuse) und JTAG/ICE (JTD).

18 20 4 Übersicht über die ATMEL AVR-Controller Beim Atmega128 ist ab Werk die Mega103-Kompatibilitäts-Fuse gesetzt. Um alle Erweiterungen des Mega128 gegenüber dem Mega103 nutzen zu können, muss die Fuse deaktiviert werden. Die Fuse sorgt außerdem dafür, dass das SRAM in einem anderen Adressbereich liegt. 4.3 ATTiny Die ATTiny stellen das untere Ende der neuen AVR-Linie von Atmel dar und waren zunächst durch das Fehlen von internem SRAM gekennzeichnet. Mittlerweile gibt es aber so bemerkenswerte Controller wie den Attiny2313, deren Möglichkeiten und Funktionen den ATmegas in nichts nachstehen. Ein weiterer Unterschied zu den ATmegas ist der fehlende Hardware-Multiplizierer. Jede Multiplikation muss also in Software ausgeführt werden. Eine Übersicht über die Verfügbarkeit verschiedener Befehle bietet die AVR-Assembler-Befehlsvergleichstabelle. 4.4 ATxmega Die lange erwarteten XMEGA-Controller von Atmel scheinen 2009 endlich auf den Markt zu kommen. Die XMEGA-Reihe basiert auf dem erfolgreichen 8-Bit-AVR-Kern, enthält aber einige interessante Neuerungen wie DMA, Crypto-Engine für AES und DES: einfach Key und Daten in Register schreiben, der Rest läuft automatisch. Das Event-System: ähnlich Interrupts, aber für die Kommunikation zwischen Peripherieeinheiten ohne CPU-Beteiligung. Die Speicherausstattung ist mit bis zu 256 KB Flash und 16 KB RAM ähnlich wie bei den ATmegas. Dazu kommen bis zu acht UARTs, mehrere bis zu 2 MS/s schnelle 12-Bit-AD- und -DA-Wandler sowie acht Timer. Für Bastler sind sie vorerst nicht unbedingt geeignet, es sind nämlich keine 5-V-kompatiblen Modelle angekündigt (die spezifizierte Betriebsspannung ist 1,6 V bis 3,6 V), DIL-Gehäuse sucht man ebenfalls vergeblich. Mehr Informationen gibt es auf der XMEGA-Webseite von ATMEL.

19 21 5 Der ATmega88 des Lernpakets Der ATmega88 ist der Mikrocontroller, der im vorliegenden Lernsystem verwendet wird. Es handelt sich hier um einen modernen Ein-Chip-Mikrocontroller (MCU = Micro Controller Unit) der Firma ATMEL der Baureihe ATmega AVR, der in HCMOS- Technologie geliefert wird und vielseitig verwendbar ist. Er besitzt ein TQFP-Gehäuse (engl. Thin Quad Flat Pack) mit 32 Pins. Davon können jedoch nicht alle Pins genutzt werden. Einige werden jedoch zur Grundbeschaltung benötigt. Abb. 5.1: Pinbelegung des ATmega88 im TQFP-Gehäuse (Quelle: ATMEL-Datenblatt) Hier sehen wir auch gleich die Pins, die nicht genutzt werden können. Es handelt sich hier um VCC, 2x GND, AREF, AVCC und RESET.

20 22 5 Der ATmega88 des Lernpakets 5.1 Die interessantesten Pins des ATmega88 auf einen Blick UART Pin 30 und 31 2 Interrupt-Eingänge INT1 und 2 an Pin 1 und 32 8 analoge Eingänge mit 10-Bit-Auflösung, Pin 23 bis PIN 28, Pin 16 und 22 I²C-BUS-Pin 27 und 28 (entweder ADC oder I²C-BUS) SPI-Interface-Pin 15 bis 17 Timer0 Eingang Pin 2, Timer1 Pin 9 AREF-Eingang der Referenzspannung des Analog-Digital-Wandlers an PIN20 Die I/O-Pins können wahlweise als Aus- oder Eingang konfiguriert werden. Wie man das macht, lernen wir ein paar Kapitel später. Dieser kleine Controller bietet bereits sehr viele Funktionen und wird deshalb sehr gerne verwendet. Um nun den ATmega88 zum Laufen zu bringen, wird nicht mehr viel an externer Beschaltung benötigt. Es wird lediglich eine 5-Volt-Spannung, die wir aus der USB-Schnittstelle unseres PCs gewinnen, ein Widerstand für die Reset-Beschaltung sowie ein 100-nF-Kondensator für die ADC-Beschaltung benötigt. Damit wäre die Grundbeschaltung bereits erledigt. 5.2 Taktfrequenz Damit unser Mikrocontroller ein Programm ausführen kann, wird ein Oszillator benötigt. Dieser ist bereits in den ATmega88 integriert und benötigt nur noch einen externen Quarz zwischen 1 und 16 MHz, um zu arbeiten. Zudem besitzt der Mikrocontroller einen internen RC-Oszillator, den wir in unserem Lernsystem verwenden. Dadurch können wir uns die Quarzbeschaltung sparen. Getaktet wird der interne RC- Oszillator mit 8 MHz. Nachteil des internen RC-Oszillators ist, dass er recht ungenau und zudem temperaturabhängig ist. Dadurch kann es vorkommen, dass die UART-Schnittstelle bei zu niedrigen Umgebungstemperaturen von ca. < 10 C oder zu hohen Umgebungstemperaturen von ca. > 40 C nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert, da der Baudratenfehler zu groß ist. 5.3 Speicher Er besitzt 8 KB Programmspeicher (FLASH), ein 512 Byte großes EEPROM zur Datenspeicherung und Byte SRAM. Dieser Speicher reicht in der Regel auch für komplexe Programme vollkommen aus.

21 5.8 IRQ (Interrupt) I/O-Ports Es sind 25 I/O-Pins aus dem TQFP-Gehäuse herausgeführt. Davon können wir 23 Pins unabhängig voneinander als Ein-/ oder Ausgang sowie für Sonderfunktionen wie PWM, Zählereingang und Spannungsmessung fei programmieren. Die beiden anderen sind fest mit dem ADC verbunden. Die I/O-Pins können in Summe maximal 200 ma liefern oder gegen Masse ziehen. Ein einzelner Pin kann maximal +/ 40 ma Strom liefern oder ableiten. Bei der Beschaltung ist also zwingend darauf zu achten, dass diese Daten nicht überschritten werden. 5.5 ADC (Analog Digital Converter) Um analoge Spannungen messen und erfassen zu können, besitzt der ATmega88 einen internen Analog-Digital-Wandler (ADC = Analog Digital Converter) mit einer Auflösung von 10 Bit. 5.6 PWM (Pulse Width Modulation) Bei der Pulsweitenmodulation (engl. Pulse Width Modulation, abgekürzt PWM) wird die Ein- und Ausschaltzeit eines Rechtecksignals bei fester Grundfrequenz variiert. Unser ATmega88 besitzt acht PWM-Kanäle. 5.7 UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) Der Mikrocontroller ist mit einer seriellen Hardware-Schnittstelle ausgestattet (UART). Über sie lässt sich der Mikrocontroller in Verbindung mit einem Bootloader programmieren oder sie kann zur Datenausgabe über ein Terminalprogramm oder eine eigene Software verwendet werden. 5.8 IRQ (Interrupt) Es besteht die Möglichkeit, das Programm zu unterbrechen, sobald ein Ereignis an einem IRQ-Pin auftritt, dies kann eine steigende oder fallende Flanke sein. Wie der IRQ (engl. Interrupt Request) reagieren soll, wird im Programmcode festgelegt. Wichtig ist zu wissen, dass mit diesem Eingang das Programm an jeder Stelle unterbrochen werden kann, um in die vorgegebene IRQ-Routine zu springen und den dort angegebenen Code abzuarbeiten. Ein typisches Einsatzgebiet für einen IRQ sind schnelle

22 24 5 Der ATmega88 des Lernpakets Zähleingänge oder Notaus-Taster (Schalter). Die IRQ-Routine wird auch ISR (Interrupt Service Routine) genannt. 5.9 Bootloader Der Bootloader sorgt dafür, dass wir unser Bascom-Programm ohne einen ISP- oder HV-Programmer auf den ATmega88 aufspielen können. Es handelt sich dabei um ein Programm, dass zuvor über einen ISP- oder HV-Bootloader auf den µc aufgebracht werden muss. Unser ATmega88 hat bereits ab Werk einen Bootloader vorinstalliert. Der MCS-Bootloader mit Bascom funktioniert folgendermaßen: Der Bootloader- Code wird, abhängig vom Controller, in den hinteren Bereich des SRAM im ATmega gelegt. Aktiviert man die Fusebits für den Sprung zum Bootloader-Bereich, springt der Controller zur Speicherstelle und arbeitet den Code dort ab, wo sich der reservierte Bereich für den Bootloader im Controller befindet. Der nutzbare FLASH-Speicher wird um die Größe des Bootloaders verkleinert. Um den beiliegenden Bootloader neu zu kompilieren, benötigt man jedoch die Vollversion von Bascom, da der komplette Speicher des Controllers berechnet wird, unsere Demoversion jedoch nur bis 4 kb kompilieren kann. Sie finden den Bootloader auf der CD-ROM im Verzeichnis Bascom Bootloader. Dort liegt auch ein bereits fertig kompiliertes HEX-File, das dem des Bootloaders unseres Lernpaketes entspricht Stromversorgung des ATmega88 Die Stromversorgung trägt maßgeblich zum sicheren Betrieb des Controllers bei. Der ATmega88 kann mit einer Gleichspannung zwischen 2,7 und 5,5 Volt versorgt werden.

23 25 6 ISP-Grundbeschaltung des ATmega88 Sofern wir später nicht mehr das Franzis-Experimentier-Board benutzen möchten und eigene Schaltungen entwickeln, können wir die folgende Grundbeschaltung des ATmega88 verwenden. Die Programmierung erfolgt dann über ISP (engl. In-System Programming). Abb. 6.1: Grundbeschaltung des ATmega88 im DIL-Gehäuse im Betrieb mit internem Oszillator und ISP-Schnittstelle. Diese Beschaltung gilt auch für das TQFP-Gehäuse. Der ATmega88 läuft bei der Auslieferung mit dem internen Oszillator auf 1 MHz. Der ISP-Anschluss dient somit dazu, dass wir unser Programm in Verbindung mit einem ISP-Programmer auf den ATmega88 schreiben können (Programmieranschluss). Der mitgelieferte ATmega88 des Lernsystems benötigt keinen ISP-Programmer, da auf ihm bereits ein Bootloader vorinstalliert wurde. Es ist dadurch möglich, die Programme über einen USB-zu-UART-Konverter auf den ATmega88 zu übertragen.

24 26 6 ISP-Grundbeschaltung des ATmega Programmiergeräte Der ISP-Programmer ist das Programmierzwischenstück zwischen PC und Mikrocontroller. Man kann ihn kaufen oder auch selbst bauen. Der Programmer besteht im einfachsten Fall nur aus einem SUB-D-25-Stecker für die parallele Schnittstelle und ein paar Widerständen. Bei der besseren Lösung ist anstatt der Widerstände ein Bus- Treiber-IC 74HC244 enthalten. Da der Parallelport selbst keinen Schutz gegen Kurzschluss enthält, sollte man immer die Methode mit dem Bus-Treiber wählen, da dieser den wertvollen Parallelport vor Kurzschlüssen schützt. Viele Notebooks und PCs besitzen heute keinen Parallelport mehr, sondern nur noch mehrere USB-Anschlüsse. In einen Desktop-PC können wir eine PCI-Steckkarte für den Parallelport nachrüsten, beim Notebook leider nicht. Dafür gibt es aber mit dem USB-ISP-Dongle bereits eine Lösung. Die Aufgabe dieses Dongles ist die gleiche wie die des Parallelen, nur dass dieser direkt am USB-Port des Rechners betrieben wird. Abb. 6.2: USB-ISP-Programmierkabel der Firma Robotikhardware Haben Sie Lust zu löten und eine Bastelkiste, in der sich das eine oder andere Bauteil befindet, können Sie einen eigenen Programmieradapter bauen. Der folgende Schaltplan zeigt, wie die Beschaltung vorzunehmen ist.

25 6.1 Programmiergeräte 27 Abb. 6.3: Der Parallelport ISP-Programmer STK200/300-kompatibel Auch die Firma ATMEL selbst bietet ein sehr gutes Entwicklungs-Board an, auch wenn es etwas teurer als die Eigenbauvariante ist. Das STK500 stellt definitiv die Referenz zu allen Evaluationboards dar. Abb. 6.4: ATMEL AVR Entwicklungs-Kit STK500 Das neueste Entwicklungs-Kit der Firma ATMEL ist jedoch das STK600. Es dürfte aber derzeit von den Anschaffungskosten her jede Hobbykasse überfordern.

26 28 6 ISP-Grundbeschaltung des ATmega88 Abb. 6.5: ATMEL AVR und XMEGA Entwicklungs-Kit STK600

27 29 7 Unser Bascom-Lernsystem Wir haben in den letzten Kapiteln einiges über die ATMEL-AVR-Controller und deren Anwendungsgebiete sowie die Programmierung erfahren. Nun ist es an der Zeit, uns an das Bascom-Lernsystem zu wagen. Sie finden in Ihrem Lernsystem folgende Teile vor: 7.1 Bauteileliste 1x LDR R10= kohm / R01=5 MOhm 1x LM335 1x BC548C 1x 1N4148 1x Piezo-Schallwandler 1x LED rot 1x LED grün 1x LED gelb 1x Widerstand 4,7 kohm 1x Widerstand 220 kohm 1x Widerstand 10 kohm 1x Widerstand 3,3 kohm 3x Widerstand 1,5 kohm 1x Widerstand 68 kohm 1x Kondensator 1 µf 1x Wickel-Schaltdraht Vergewissern Sie sich, dass alle Bauteile unbeschädigt im Paket vorhanden sind. Sollte ein Bauteil fehlen oder defekt sein, wenden Sie sich bitte an den Support des Franzis Verlags. 7.2 Das Experimentier-Board ATmega88 Die kleine Experimentierplatine mit dem USB-Anschluss stellt die Verbindung zwischen PC und AVR her und dient durch die bereits vorhandene Hardware-Ausstattung zusätzlich als Basis für die Experimente in diesem Buch. Bauen Sie einfache Experimente mit dem beiliegenden Experimentiermaterial auf und laden Sie die vorbereiteten Programme über diesen Schnittstellenwandler in den AVR. Spielend leicht lernen Sie die Funktionen der Bauteile und zugleich die Grundlagen der Mess- und Steuerungstechnik kennen sowie die Programmierung mit Visual Basic Dot Net und den Umgang mit dem Mikrocontroller.

28 30 7 Unser Bascom-Lernsystem Das ATmega88-Experimentierboard ist das hardwarenahe Testfeld für unsere Experimente. Auf dem Board ist ein USB-zu-UART-Brückenchip zum Datenaustausch zwischen µc Und PC vorhanden. Zusätzlich liefert der USB-Anschluss des PCs auch eine Spannung von +5 Volt, die Sie bis ca. 200 ma belasten können. Alle Anschlüsse sind über Präzisionskontakte erreichbar. Zudem ist noch ein Trimmer P1, der mit dem ADC-PORT (7) verbunden ist, vorhanden. Eine Power-LED signalisiert, dass unser Experimentier-Board mit Strom versorgt wird. Zwei LEDs, die fest mit Portb.6 und Portb.7 verbunden sind, sind frei programmierbar. Zwei Taster (interruptfähig) und zwei frei zu beschaltende LEDs mit Vorwiderstand sind vorhanden. In den Präzisions- IC-Sockel können die Drähte und Bauteile direkt eingesteckt werden. Zusätzlich besitzt die Platine ein kleines Experimentierfeld, auf dem Sie eigene Erweiterungen auflöten können. Abb. 7.1: Die ATmega88-Experimentierplatine Die Stromversorgung am Pin +5 Volt ist über einen Schutzwiderstand von 10 Ohm mit dem Stromversorgungsanschluss am USB-Kabel verbunden. Falls Sie einmal versehentlich einen Kurzschluss zwischen +5 Volt und GND (Masse) erzeugen, schützt dieser Widerstand den PC vor der Zerstörung. Der maximale Strom ist auf 500 ma begrenzt. Für einen kurzen Moment hält der Schutzwiderstand die Belastung aus. Bei einem länger anhaltenden Kurzschluss würde der Widerstand wie eine Sicherung durchbrennen und dies mit einer kleinen Rauchwolke anzeigen. Das ist immer noch besser als ein beschädigter PC. Mit etwas Geschick könnten Sie dann einen neuen Widerstand einlöten.

29 7.2 Das Experimentier-Board ATmega88 31 Abb. 7.2: Schaltplan der ATmega88-Experimentierplatine

30 32 7 Unser Bascom-Lernsystem Der FT232RL setzt die USB-Signale mit geringster externer Beschaltung in eine serielle Schnittstelle um. Damit hat man die serielle Sendeleitung TxD, die serielle Empfangsleitung RxD und die üblichen Handshake-Leitungen (darunter zwei Ausgänge und vier Eingänge, diese sind aber auf unserem Board unbeschaltet). Die Software verwendet alle Leitungen wie eine normale serielle Schnittstelle. Für die Aufgabe mit Bascom und dem bascomeigenen Bootloader benötigen wir nur die Leitungen TxD, RxD und DTR. Die DTR-Leitung führt für uns den Rest des Mikrocontrollers aus. Aber wie wir in diesem Lehrgang noch sehen werden, können wir diesen Wandler nicht nur zur Programmierung des Controllers benutzen, sondern auch, um Daten zwischen PC und Mikrocontroller auszutauschen. 7.3 Sicherheitshinweise Die USB-Platine ist weitgehend gegen Fehler abgesichert, sodass es kaum möglich ist, den PC zu beschädigen. Ein Schutzwiderstand von 10 Ohm in der Versorgungsleitung schützt den PC bei Kurzschluss gegen zu hohe Ströme. Die Anschlüsse der USB-Buchse sind auf der Platinenunterseite nicht isoliert. Wenn Sie die Platine auf einen metallischen Leiter stellen, kann es daher zu einem höheren Strom kommen und dadurch können der PC und die Platine beschädigt werden. Nach der USB-Spezifikation sollte er an seinen USB-Downports eine Strombegrenzung haben, sodass eigentlich nichts passieren sollte. Allerdings besteht die Schutzschaltung in einzelnen Fällen aus kleinen Widerständen, die dann wie eine Sicherung durchbrennen. Beachten Sie deshalb bitte die folgenden Sicherheitsregeln. Vermeiden Sie metallische Gegenstände unter der Platine oder isolieren Sie die gesamte Unterseite mit einer nicht leitenden Schutzplatte oder Isolierband. Halten Sie Netzteile, andere Spannungsquellen oder führende Leiter mit mehr als 5 V fern von der Experimentierplatine. Schließen Sie die Platine nach Möglichkeit nicht direkt an den PC, sondern über einen Hub an. Dieser enthält meist eine zusätzliche wirksame Schutzschaltung. Und wenn doch einmal etwas passiert, wird im Normalfall nur der Hub und nicht der PC beschädigt.

31 33 8 Die Bauteile des Lernpakets Die wichtigsten Bauteile unseres Lernpakets werden folgend kurz vorgestellt und ihre Funktionen beschrieben. Aber erst die realen Experimente vermitteln praktische Erfahrungen mit der Schaltungstechnik der Elektronik. 8.1 Leuchtdioden Unser Lernpaket enthält rote, gelbe und grüne LEDs. Hier muss grundsätzlich die Polung beachtet werden. Der Minusanschluss heißt Kathode und liegt am kürzeren Anschlussdraht. Der Pluspol ist die Anode und liegt am etwas längeren Anschlussdraht. Im Inneren der LED erkennt man ein kelchartiges Gebilde. Dies ist der Halter für den LED-Kristall, der an der Kathode liegt. Der Anodenanschluss ist durch ein extrem dünnes Drähtchen mit einem Kontakt der Oberseite des Kristalls verbunden. Aber Vorsicht: Beachten Sie immer die Polung der Diode und verbinden Sie niemals die Diode direkt mit einer Batterie oder der USB-Stromversorgung. Dadurch würden die Diode und evtl. auch der Schutzwiderstand des Experimentier-Boards zerstört. Abb. 8.1: Die Leuchtdiode und ihr Schaltzeichen 8.2 Widerstände Die Widerstände im Lernpakt sind Kohleschicht-Widerstände mit einer Toleranz von +/ 5 %. Das Widerstandsmaterial ist auf einen Keramikstab aufgebracht und mit Schutzlack überzogen. Die Beschriftung erfolgt in Form eines Farbcodes. Neben dem Widerstandswert ist auch die Toleranzangabe als Farbring aufgedruckt. Abb. 8.2: Der Widerstand und sein Schaltzeichen Widerstände mit einer Toleranz von +/ 5 % gibt es in Werten der E24-Reihe, wobei jede Dekade 24 Werte mit etwa gleichmäßigem Abstand zum Nachbarwert enthält.

32 34 8 Die Bauteile des Lernpakets Die Widerstände der E-24 Normreihe siedeln sich wie folgt an: 1,0 / 1,1 / 1,2 / 1,3 / 1,5 / 1,6 / 1,8 / 2,0 / 2,2 / 2,4 / 2,7 / 3,0 / 3,3 / 3,6 / 3,9 / 4,3 / 4,7 / 5,1 / 5,6 / 6,2 / 6,8 / 7,5 / 8,2 / 9,1 Der Farbcode wird ausgehend von dem Ring gelesen, der näher am Rand des Widerstands liegt. Die ersten beiden Ringe stehen für die zwei Ziffern, der dritte für den Multiplikator des Widerstandswerts in Ohm. Ein vierter Ring gibt die Toleranz an. Abb. 8.3: So wird der Widerstandswert abgelesen. Abb. 8.4: Tabelle für Widerstände mit vier Farbringen Ein Widerstand mit den Farbringen Gelb, Violet, Braun und Gold hat den Wert 470 Ohm bei einer Toleranz von +/ 5 %. Versuchen Sie doch gleich einmal, die Widerstände in unserem Lernpaket zu identifizieren. 8.3 Kondensatoren Ein Kondensator besteht im Grunde aus zwei Metallflächen, die sich gegenüberstehen, und einer Isolierschicht. Legt man eine elektrische Spannung an, bildet sich zwischen den Kondensatorplatten ein elektrisches Kraftfeld, in dem Energie gespeichert ist. Ein

33 8.4 Transistoren 35 Kondensator mit einer großen Plattenfläche kann mehr Energie speichern als ein Kondensator mit einer kleineren Plattenfläche. Die Kapazität eines Kondensators wird in Farad F angegeben und gemessen. Die hier im Lernsystem und im Allgemeinen in der Elektronik verwendeten Kondensatoren haben eine Kapazität zwischen 10 nf (0, F) und µf (0,001 F). Das Isoliermaterial (Dielektrikum) vergrößert die Kapazität gegenüber der Luftisolation. Die keramischen Scheibenkondensatoren verwenden ein spezielles Keramikmaterial, mit dem große Kapazitäten bei kleiner Bauform erreicht werden. Abb. 8.5: Der Kondensator und sein Schaltzeichen In der Abbildung ist ein Elektrolytkondensator zu sehen, wie er auch in unserem Lernsystem vorkommt. Bei diesem Kondensatortyp ist auf die Polung zu achten, da er bei falscher Polung explodiert. Im Schaltzeichen ist der Minuspol durch einen ausgefüllten Balken gekennzeichnet, der Pluspol hingegen besteht aus einem Rechteck ohne Füllung. Auf den Elektrolytkondensatoren ist zudem der Minuspol mit einem weißen Balken gekennzeichnet. Ein weiteres Merkmal ist die unterschiedliche Länge der Anschlussbeine. Ähnlich wie bei der Leuchtdiode ist das lange Beinchen der Pluspol und der kürzere der Minuspol. Ungepolte Kondensatoren hingegen haben keine Polbezeichnung. Im Schaltplan kann man an diesen Kondensatoren erkennen, dass sie mit zwei parallel gegenüberstehenden Balken (schwarz) ohne Polangabe gezeichnet werden. Abb. 8.6: Schaltzeichen des Keramikkondensators INFO: In unserem Lernsystem werden keine Keramikkondensatoren benötigt. 8.4 Transistoren Transistoren sind Bauteile zur Verstärkung kleiner Ströme. Ein kleiner Basisstrom bewirkt einen großen Kollektorstromfluss. Diese Bauteile besitzen drei Anschlüsse: Basis B, Kollektor (engl. Collector) C und einen Emitteranschluss E.

34 36 8 Die Bauteile des Lernpakets Abb. 8.7: Der NPN-Transistor und sein Schaltzeichen In Ihrem Lernpakt finden Sie den Typ BC548C vor. Es handelt sich hier um einen universalen Kleinsignaltransistor für kleine Spannungen und Ströme. 8.5 Diode Eine Diode ist ein elektronisches Ventil und lässt den Strom nur in eine Richtung durch. Man unterscheidet Dioden nach ihrem Ausgangsmaterial Germanium (Ge) oder Silizium (Si). Im Lernpaket befinden sich Siliziumdioden des Typs 1N4148. Es sind sehr beliebte Si-Dioden, die Ströme bis zu 100 ma vertragen. Wie bei der LED und dem Kondensator muss auch hier die Polung beachtet werden. Der Minuspol ist durch einen kleinen Ring am Gehäuserand gekennzeichnet. Abb. 8.8: Die Diode und ihr Schaltzeichen 8.6 Piezo-Schallwandler (Buzzer) Der Piezo-Schallwandler dient als einfacher kleiner Lautsprecher, Sensor und Mikrofon. Der Aufbau ähnelt dem eines keramischen Scheibenkondensators, wobei allerdings das Dielektrikum zusätzlich elektrisch vorgespannt ist. Dadurch entsteht eine Kopplung zwischen mechanischer und elektrischer Spannung. Der piezoelektrische Effekt tritt in ähnlicher Weise auch bei natürlichen Quarzkristallen auf. Ein gutes Beispiel ist auch ein elektrisches Feuerzeug. Hier ist jedoch die erzeugte Spannung deutlich höher als bei unserem Piezo-Schallwandler. Abb. 8.9: Der Piezo-Schallwandler und sein Schaltzeichen

35 8.7 Schaltdraht Schaltdraht Im Lernpaket finden Sie einen kleinen Wickel Schaltdraht vor. Mit ihm werden die Verbindungen auf unserer Experimentierplatine hergestellt. Schneiden Sie mit einem kleinen Seitenschneider oder einer Schere die passenden Längen herunter und isolieren Sie beide Enden ab. Heben Sie die Drähte auf, Sie werden sie noch öfter benötigen.

36 38 9 Die ersten Vorbereitungen (Inbetriebnahme) Bevor wir mit dem Experimentieren und Programmieren beginnen können, müssen diverse kleine Vorbereitungen erfolgen. Dazu gehören die Installation der Treiber auf den PC für den Programmieradapter sowie die Installation der Programmier-/Entwicklungsumgebung Bascom. 9.1 Treiberinstallation Zuerst installieren wir die Treiber für den Programmieradapter. Dieser besitzt als USBzu-UART-Wandler einen Chip der Firma FTDI mit der Bezeichnung FT232RL. Der auf der Experimentierplatine aufgelötete ATmega88 besitzt ab Werk einen seriellen Bootloader. Der FT232RL stellt die benötigte Verbindung zwischen der USB- und der UART-Schnittstelle des ATmega88 her. Die Experimentierplatine erscheint im Gerätemanager deshalb als virtueller Comport (virtuelle serielle Schnittstelle). Abb. 9.1: Bildschirm nach Ausführen der CDMxxx.exe Wenn Sie mit dem Lernpaket beginnen, ist nicht auszuschließen, dass sich bereits ein Treiber für den FT232R auf Ihrem PC befindet. Es könnte allerdings ein älterer Treiber sein, der nicht alle Funktionen des Chips unterstützt. Ein aktueller Treiber wird nun automatisch installiert.

37 9.2 Das Tool MProg für den FT232RL 39 Stellen Sie sicher, dass kein USB-seriell-Wandler von FTDI am USB angeschlossen ist. Starten Sie dann den automatischen Installer CDM exe im Verzeichnis Software. Das Programm entfernt ältere FTDI-Treiber und installiert den für das Lernpaket benötigten Treiber. Beim Anschließen der USB-Platine wird die neue Hardware erkannt und der Treiber ohne weitere Aktionen des Benutzers geladen. Abb. 9.2: Information von Windows nach dem Anstecken der USB-Platine Auf Ihrem PC existiert nun eine neue serielle Schnittstelle, z. B. COM2, COM3 oder auch höher. Die Nummer erfährt man im Hardware-Manager. Falls Sie bereits mehrmals USB-seriell-Wandler installiert haben, vergibt Windows eine hohe COM-Nummer. In diesem Fall kann das neue Gerät z. B. auch COM35 heißen. Die Nummer lässt sich jedoch leicht in den Eigenschaften des Comports ändern, da Bascom Probleme mit zu hohen Comport-Nummern hat. Abb. 9.3: Windows-Meldung nach erfolgreich installierten Treibern 9.2 Das Tool MProg für den FT232RL Der USB-Chip enthält zahlreiche Einstellungen, die vom Benutzer geändert werden können. Die entsprechenden Einstellungen können mit dem Programm MProg durchgeführt werden, das Sie im Verzeichnis Software auf der CD-ROM finden. Mit einem Doppelklick auf MProg3.0_Setup.exe installieren Sie das Programm MProg auf Ihrem PC. Verbinden Sie dann die Platine mit dem USB-Anschluss und starten Sie MProg.

38 40 9 Die ersten Vorbereitungen (Inbetriebnahme) Abb. 9.4: Beginn der Installation, klicken Sie auf Weiter Abb. 9.5: Jetzt können Sie die Sprache des Programms auswählen.

39 9.2 Das Tool MProg für den FT232RL 41 Abb. 9.6: Die Lizenzvereinbarung Abb. 9.7: Das Zielverzeichnis können Sie frei wählen.

40 42 9 Die ersten Vorbereitungen (Inbetriebnahme) Abb. 9.8: Wenn Sie ein Desktop Symbol wünschen, setzen Sie das Häkchen und klicken auf Weiter. Abb. 9.9: Das Programm wurde erfolgreich auf Ihrem Rechner installiert. Starten Sie nun MProg. Klicken Sie auf File\New und danach auf Tools\Scan. Jetzt wählen Sie unter Device Type FT232R aus. Öffnen Sie nun das File BASCOM.ept, das Sie im Verzeichnis MProg Files vorfinden. Jetzt klicken Sie auf Device\Programm.

41 9.3 FT232R mit MProg programmieren 43 ACHTUNG: Stellen Sie davor sicher, dass kein anders Gerät mit einem FTDI-Chip am PC angeschlossen ist! Abb. 9.10: Die Einstellungen in MProg 9.3 FT232R mit MProg programmieren File New Device Type FT232R USB Power Option Bus Powered 200 ma Invert RS232-Signals keine Häkchen I/O Controls alle auf I/O bis auf C4 (SLEEP#) Alle Einstellungen speichern Jetzt können Sie Device Programm ausführen USB-Platine einmal neu verbinden (ab-/anstecken), fertig!

42 44 9 Die ersten Vorbereitungen (Inbetriebnahme) Nach der Programmierung erscheint die Platine als neues USB-Gerät. Ziehen Sie den USB-Stecker einmal ab und verbinden Sie die Platine erneut. Windows erkennt ein neues Gerät und installiert automatisch den vorhandenen Treiber. Der FT232RL erhält damit eine neue Comport-Nummer. Hinweis: Aktuelle PCs besitzen oft noch eine serielle Schnittstelle, teilweise ist sie aber nicht mehr an einen Anschluss geführt. Mit dem angeschlossenen FT232R erhält der PC eine weitere Com-Schnittstelle. Windows unterscheidet nicht zwischen einer Hardware-Com und einer virtuellen Com-Schnittstelle. Ihre neue Schnittstelle erhält den nächsten freien Namen, z. B. COM2. Es kann sich allerdings auch um eine höhere Com-Nummer handeln, wenn Sie bereits zuvor mehrere andere USBseriell-Wandler installiert hatten. Durch die Umstellung der Signalleitungen mit MPROG erhielt das IC eine neue interne Gerätenummer und wurde wieder als neues Gerät erkannt, was auch eine neue Com-Nummer bedingt, z. B. COM3. Im Allgemeinen sind Com-Nummern über COM9 hinaus problematisch, weil nicht jede Software damit umgehen kann. Andererseits sind die Nummern unter COM10 zwar möglicherweise durch ein früher installiertes Gerät belegt, jedoch nicht aktuell in Gebrauch. Es ist daher sinnvoll, die USB-Platine auf z. B. COM2 umzustellen.