OMT (1)

ванічна розв’язка високовольтних ланцюгів і схеми керування, відсутність іскрового проміжку і т.д.

Керування реле

Для живлення обмотки реле потрібен струм, що перевищує 20 мА, тому безпосередньо підімкнути до мікроконтролера його не можна. Для керування реле, можна застосовувати найпростіший підсилювач — транзисторний ключ. На рис. 5.32 показаний приклад схеми з реле. Зверніть увагу на наявність діода, підімкненого паралельно обмотці реле — він потрібний для захисту схеми від ЕРС самоіндукції, що з’являється в процесі комутації обмотки.

+5 В

Рисунок 5.32 – Приклад схеми з реле

Аналогічно можна вмикати не реле, а яке-небудь інше навантаження, наприклад, лампу розжарювання і т.д.

У випадку, якщо необхідно керувати великим числом реле, чи інших потужних навантажень, зручно застосовувати мікросхеми ULN2003 чи ULN2803. Ці мікросхеми містять відповідно, 7 і 8 транзисторних ключів на складених транзисторах (схема Дарлінгтона). Вони дозволяють керувати навантаженням до 500 мА при напрузі до 50 В. При цьому входи цих мікросхем можуть бути підімкненні безпосередньо до ліній портів введеннявиведення мікроконтролера. Всередині мікросхем уже є вбудований захисний діод, який можна вмикати чи вимикати, здійснюючи зовнішні з’єднання. На рис. 5.33 показаний приклад схеми з використанням мікрос-

хеми ULN2003.

Для вмикання навантаження варто сформувати на відповідному виводі мікроконтролера рівень «1». При цьому струм, споживаний від виводу порту мікроконтролера, не перевищує допустимий, одночасно здійснючи керування достатньо великим навантаженням.

Керування світлодіодними цифровими індикаторами

Оскільки світлодіодні цифрові індикатори являють собою набір світлодіодів спеціальної форми, і розташовані так, щоб при засвічуванні різних їхніх комбінацій виходили цифри, то керування ними принципово не відрі-

200

зняється від керування окремими світлодіодами. На рис. 5.34 зображений приклад схеми керування семисегментним світлодіодним індикатором.

Рисунок 5.33 – Застосування мікросхеми ULN2003

Легко побачити, що при потребі керувати великим числом індикаторів, кількості виводів портів введення-виведення буде недостатньо. Для подолання цієї перешкоди застосовується динамічна індикація. На рис. 5.35 показаний приклад схеми динамічної індикації. Ідея, що лежить в основі роботи цієї схеми дуже проста — людське око досить інерційне, тому можна засвічувати не всі індикатори одночасно, а тільки один з них, потім через короткий час інший і т. д. Оскільки перемикання індикаторів відбувається досить швидко, людині здається, що всі індикатори світяться.

Рисунок 5.34 – Керування цифровим індикатором

201

Рисунок 5.35 – Динамічна індикація

5.5.2 Паралельні входи

Паралельні входи, звичайно, застосовуються для контролю стану різних комутаційних елементів: кнопок, перемикачів, блоку контактів і т.д. Також можна перевіряти стан деяких видів датчиків, але при цьому може знадобитися додаткова схема, що перетворить стан датчика до логічних рівнів (наприклад, рівень води в баці нижче чи вище певної висоти і т.д.). Дуже часто входи паралельних портів застосовуються для контролю стану кнопок керування пристроєм.

Кнопки і перемикачі

Перевіряти стан кнопок чи перемикачів досить просто. Досить під’єднати, наприклад, кнопку одним виводом до загального проводу, а іншим — до вхідної лінії порту введення-виведення, налаштованої для роботи в режимі читання. Також ця лінія повинна бути з’єднана через резистор опором приблизно 4,7... 100 КОм з проводом «плюс» живлення. При більшому опорі сумарний споживаний струм менший. При розімкнутих контактах, на відповідному виводі мікроконтролера буде «1», при замиканні контактів — «0».

Усі механічні вимикачі мають недолік — при роботі з ними спостерігається, так зване, деренчання контактів, коли при натисканні на кнопку відбувається багато замикань і розмикань контактів через те, що вони, як правило, пружинять. Тривалість періоду деречання залежить від якості контактів, і звичайно, складає від 10 до 100 мс. Боротися з цим ефектом простіше програмним способом. На рис. 5.36 показані графіки, що ілюструють деренчання контактів, а на рис. 5.37 приведена найпростіша схема з кнопкою.

202

а) ідеальний контакт

б) реальний

контакт

t деренчання

Рисунок 5.36 – Явище „деренчання” контактів

Рисунок 5.37 – Підімкнення кнопки до мікроконтролера

VD1-VD4

Д9Б

Рисунок 5.38 – Матричну схему з’єднання клавіатури з мікроконтролером

203

6 ПРИКЛАДИ РЕАЛІЗАЦІЇ МІКРОКОНТРОЛЕРНИХ ПРИСТРОЇВ

6.1 Мікропроцесорний частотомір

При побудові приладів часто виникає необхідність у реалізації функції вимірювання частотночасових параметрів сигналів (період, частота).

При безпосередньому (прямому) вимірюванні частоти періодичного сигналу найвагомішими є дві складові похибки – міри і порівняння. Похибка міри характеризується нестабільністю частоти кварцового генератора. Ця складова похибки може бути відчутною при вимірюванні дуже високих частот. Похибка порівняння характеризується, головним чином, похибкою квантування к . При вимірюванні низьких частот похибка квантування є

Таким чином, через великі похибки квантування низькі частоти безпосередньо вимірюються цифровим частотоміром із невисокою точністю. Тому вирішення проблеми зменшення впливу похибки квантування на результати вимірювання завжди було одним із важливих напрямів розробки цифрової частотовимірювальної техніки. Перед тим, як розглядати мікропроцесорний частотомір, який радикально вирішує вказану проблему, зупинимось на чотирьох способах зменшення похибки квантування при вимірюванні частоти.

1. Збільшення тривалості еталонного часового інтервалу Т, тобто часу вимірювання. Але можливості такого способу обмежені, оскільки для одержання малої похибки квантування (наприклад, к =0,01%; f x 10 Гц)

потрібний дуже великий час вимірювання:

нання даного способу поєднано із застосуванням додаткового блока помножувача частоти, що ускладнює і підвищує вартість апаратної частини.

3. Врахування випадкової природи похибки квантування. Припускається проведення багаторазових вимірювань і усереднення їх результатів. Це ефективний шлях зменшення впливу випадкової похибки на результат вимірювання.

204

4. Безпосереднє вимірювання періоду досліджуваного сигналу з наступним обчисленням частоти f x 1 Tx . Цей шлях дозволяє різко зменши-

ти похибку квантування при вимірюванні низьких частот.

Щоб побачити ефект, який досягається, скористаємось наведеним раніше прикладом. Перейдемо до вимірювання періоду.

Частота f x 10Гц. Відповідний період Tx = 0,1 с. Сформуємо стробуючнй імпульс тривалістю, що дорівнює періоду Tx і проквантуємо його

місце в цифрових частотомірах). У цьому разі похибка квантування

прямим вимірюванням частоти: похибка квантування зменшилась у 100000 разів.

Таким чином, при дослідженнях періодичних процесів у широкому діапазоні частот для досягнення заданої точності доцільно в діапазоні високих частот застосовувати цифровий частотомір, а в діапазоні низьких частот переходити до вимірювання періоду (рис. 6.1. а, б).

а) вимірювач періоду б) вимірювач частоти Рисунок 6.1 – Визначення похибки мікропроцесорного частотоміра

205

Алгоритм роботи мікропроцесорного частотоміра, що дозволяє досліджувати періодичні процеси у широкому діапазоні, наведено на рис. 6.2. Спочатку настроюють програму на режим періодоміра. Встановлюють коефіцієнт подільника частоти К=1 і проводять вимірювання невідомої частоти f x . Вимірювана частота подається на вхід аналогового компаратора.

Аналоговий компаратор вибраний з тієї причини, що він має досить гнучку програмну обробку інформації: програміст може вибрати пряму програмну обробку або обробку за перериванням. За переднім фронтом імпульсу на вході AIN0 аналогового компаратора запускають таймер на рахування імпульсів f0 K . За наступним переднім фронтом імпульсу на вході AIN0

аналогового компаратора (після закінчення періоду Тх) таймер мікроконт-

і переходять в режим вимірювання частоти. Частоту обчислюють за формулою

ра. При невиконанні цієї умови обчислюють частоту, інакше збільшують коефіцієнт подільника частоти K K K і повертаються на вимірювання періоду. Частоту обчислюють за формулою

Структурна схема мікропроцесорного частотоміра, яка дозволяє реалізувати наведений алгоритм, подана на рис. 6.3.

6.2 Мікропроцесорний фазометр

Принцип дії мікропроцесорного фазометра ґрунтується на перетворенні різниці фаз двох електричних сигналів у часовий інтервал tx з його

наступним квантуванням імпульсами опорної частоти f0 (цифровий фазо-

метр середніх значень). На рис. 6.4 наведено структурну схему мікропроцесорного фазометра, а на рис. 6.5 – алгоритм його роботи.

Основними елементами фазометра є блоки узгодження сигналів U1 і U2, мікроконтролер MCU, кварцевий резонатор частотою f0 і пристрій індикації.

Перед початком вимірювань встановлюють час вимірювань TВ і коефіцієнт подільника частоти К=1.

206

Початок

Установити K=1

Кінець

Рисунок 6.2 – Алгоритм виконання вимірювальної процедури у мікропроцесорному частотомірі

207

Рисунок 6.3 – Структурна схема мікропроцесорного частотоміра

208

Рисунок 6.5 – Алгоритм виконання вимірювальної процедури

умікропроцесорному фазометрі

6.3Мікропроцесорний вимірювач струму та напруги

Мікропроцесорні вольтметри та амперметри отримали широке поширення в техніці вимірювання на постійному і змінному струмі. У них найбільш повно втілені переваги мікропроцесорних вимірювальних приладів: подальше підвищення точності, розширення вимірювальних можливостей, спрощення і полегшення керування, можливість одержання різних

209