Работа с АЦП микроконтроллера ATmega8

АЦП – аналогово-цифровой преобразователь (ADC- Analog-to-Digital Converter). Преобразует некий аналоговый сигнал в цифровой. Битность АЦП определяет точность преобразования сигнала. Время преобразования – соответственно скорость работы АЦП. АЦП встроен во многих микроконтроллерах семейства AVR и упрощает использование микроконтроллера во всяких схемах регулирования, где требуется оцифровывать некий аналоговый сигнал.
Рассмотрим принцип работы АЦП. Для преобразования нужен источник опорного напряжения и собственно напряжение, которое мы хотим оцифровать (напряжение, которое преобразуется должно быть меньше опорного). Также нужен регистр, где будет храниться преобразованное значение, назовем его Z. Входное напряжение = Опорное напряжение*Z/2^N, где N – битность АЦП. Условимся, что этот регистр, как у ATmega8, 10-ти битный. Преобразование в нашем случае проходит в 10 стадий. Старший бит Z9 выставляется в единицу.

Далее генерируется напряжение (Опорное напряжение*Z/1024), это напряжение, с помощью аналогового компаратора сравнивается с входным, если оно больше входного, бит Z9 становиться равным нулю, а если меньше – остается единицей. Далее переходим к биту Z8 и вышеописанным способом получаем его значения. После того, как вычисление регистра Z окончено, выставляется некий флаг, который сигнализирует, что преобразование закончено и можно считывать полученное значение. На точность преобразования могут очень сильно влиять наводки и помехи, а также скорость преобразования. Чем медленнее происходит преобразования – тем оно точней. С наводками и помехами следует бороться с помощью индуктивности и емкости, как советует производитель в даташите:

В микроконтроллерах AVR как источник опорного напряжения может использоваться вывод AREF, или внутренние источники 2,56В или 1,23В. Также источником опорного напряжения может быть напряжение питания. В некоторых корпусах и моделях микроконтроллеров есть отдельные выводы для питания АЦП: AVCC и AGND. Выводы ADCn – каналы АЦП.

С какого канала будет оцифровываться сигнал можно выбрать с помощью мультиплексора.
Теперь продемонстрируем примером сказанное выше. Соорудим макет, который будет работать как вольтметр с цифровой шкалой. Условимся, что максимальное измеряемое напряжение будет 10В. Также пусть наш макет выводит на ЖКИ содержимое регистра ADC.

Схема подключения:

Обвязка микроконтроллера и ЖКИ WH1602A стандартна. X1 – кварцевый резонатор на 4 Мгц, конденсаторы С1,С2 – 18-20 пФ. R1-C7 цепочка на выводе reset по 10 кОм и 0,1 мкФ соответственно. Сигнальный светодиод D1 и ограничивающий резистор R2 200 Ом и R3 – 20 Ом. Регулировка контраста ЖКИ – VR1 на 10 кОм. Источник опорного напряжения мы будем использовать встроенный на 2,56В. С помощью делителя R4-R5 мы добьемся максимального напряжения 2,5В на входе PC0, при напряжении на щупе 10В. R4 – 3 кОм, R5 – 1 кОм, в их номиналу нужно отнестись тщательно, но если не возможности подобрать точно такие, можно сделать любой резистивный делитель 1:4 и программно подкорректировать показания, если это потребуется. Дроссель на 10мкГн и конденсатор на 0,1 мкФ для устранения шумов и наводок на АЦП на схеме не показан. Их наличие подразумевается само собой, если используется АЦП. Теперь дело за программой:

Программа на языке Си:

#include <avr/io.h>
 
#define RS 2 //RS=PD2
#define E  3 //E=PD3
 
#define TIME 10	//Константа временной задержки для ЖКИ
		//Частота тактирование МК - 4Мгц
 
#define R_division 3.837524 //=R4/R5 константа
 
unsigned int u=0; //Глобальная переменная с содержимым преобразования
 
void pause (unsigned int a)				
{ 
unsigned int i;
for (i=a;i>0;i--);
}
 
void lcd_com (unsigned char lcd) //Передача команды ЖКИ
{ 
unsigned char temp;
 
temp=(lcd&~(1<<RS))|(1<<E); //RS=0 – это команда
PORTD=temp; //Выводим на portD старшую тетраду команды, сигналы RS, E 
asm("nop"); //Небольшая задержка в 1 такт МК, для стабилизации
PORTD=temp&~(1<<E); //Сигнал записи команды
 
temp=((lcd*16)&~(1<<RS))|(1<<E); //RS=0 – это команда 
PORTD=temp; //Выводим на portD младшую тетраду команды, сигналы RS, E 
asm("nop"); //Небольшая задержка в 1 такт МК, для стабилизации 
PORTD=temp&~(1<<E); //Сигнал записи команды 
 
pause(10*TIME); //Пауза для выполнения команды
}
 
void lcd_dat (unsigned char lcd) //Запись данных в ЖКИ
{ 
unsigned char temp;
 
temp=(lcd|(1<<RS))|(1<<E); //RS=1 – это данные 
PORTD=temp; //Выводим на portD старшую тетраду данных, сигналы RS, E   
asm("nop"); //Небольшая задержка в 1 такт МК, для стабилизации 
PORTD=temp&~(1<<E); //Сигнал записи данных 
 
temp=((lcd*16)|(1<<RS))|(1<<E); //RS=1 – это данные 
PORTD=temp;	//Выводим на portD младшую тетраду данных, сигналы RS, E   
   asm("nop");	//Небольшая задержка в 1 такт МК, для стабилизации 
  PORTD=temp&~(1<<E);	//Сигнал записи данных 
 
  pause(TIME);	//Пауза для вывода данных
}
 
void lcd_init (void)     //Иниализация ЖКИ
{
 lcd_com(0x2c);		//4-проводный интерфейс, 5x8 размер символа
 pause(100*TIME);
 lcd_com(0x0c);		//Показать изображение, курсор не показывать
 pause(100*TIME);
 lcd_com(0x01);		//Очистить DDRAM и установить курсор на 0x00
 pause (100*TIME);
}
 
unsigned int getADC(void) //Считывание АЦП
{ unsigned int v;
 
 ADCSRA|=(1<<ADSC);	//Начать преобразование
 
 while ((ADCSRA&_BV(ADIF))==0x00) //Дождатся окончания преобразования
  ;    
 
 v=(ADCL|ADCH<<8);
 return v;
}
 
void write_data (unsigned int u)
{ unsigned char i;
  double voltage=0;
 
 lcd_com(0x84); 		//Вывод регистра ADC на ЖКИ
  for (i=0;i<10;i++)
   if ((u&_BV(9-i))==0x00) lcd_dat (0x30);
                      else lcd_dat (0x31);
 
 lcd_com(0xc2);
 voltage= R_division*2.56*u*1.024; //Расчет напряжения
 
 i=voltage/10000;		   //Выведение напряжения на ЖКИ
 voltage=voltage-i*10000;
 if (i!=0) lcd_dat(0x30+i);
 
 i=voltage/1000;
 voltage=voltage-i*1000;
 lcd_dat(0x30+i);
 
 lcd_dat(',');
 
 i=voltage/100;
 voltage=voltage-i*100;
 lcd_dat(0x30+i);
 
 i=voltage/10;
 voltage=voltage-i*10;
 lcd_dat(0x30+i);
 
 lcd_dat('v');
}
 
int main(void)
{
 DDRD=0xfc;
 
 pause(3000);		//Задержка для включения ЖКИ
 lcd_init();		//Инициализация ЖКИ
 
 lcd_dat('A');		//Пишем "ADC=" и "U=" на ЖКИ
 lcd_dat('D');
 lcd_dat('C');
 lcd_dat('=');
 lcd_com(0xc0);
 lcd_dat('U');
 lcd_dat('=');
 
ADCSRA=(1<<ADEN)|(1<<ADPS1)|(1<<ADPS0);	
//Включаем АЦП, тактовая частота бреобразователя =/8 от тактовой микроконтроллера
ADMUX=(1<<REFS1)|(1<<REFS0)|(0<<MUX0)|(0<<MUX1)|(0<<MUX2)|(0<<MUX3);			
//Внутренний источник опорного напряжения Vref=2,56, входом АЦП является PC0
 
while(1)
{ 
 u=getADC();				//Считываем данные
 write_data(u); 			//Выводим их на ЖКИ
 pause(30000);
}
 
return 1;
}

Так-же есть хитрость, чтобы не работать с дробными числами. Когда производиться вычисления входного напряжения в вольтах. Мы просто будем хранить наше напряжения в милливольтах. Например, значение переменной voltage 4234 означает, что мы имеем 4,234 вольта. Вообще операции с дробными числами кушают очень много памяти микроконтроллера (наша прошивка вольтметра весит чуть больше 4 килобайт, это половина памяти программ ATmega8!), их рекомендуется использовать только при особой необходимости. Вычисления входного напряжения в милливольтах просто: voltage=R_division*2.56*u*1.024;
Здесь R_division – коэффициент резистивного делителя R4-R5. Так, как реальный коэффициент делителя может отличаться от расчетного, то наш вольтметр будет врать. Но подкорректировать это просто. С помощью тестера меряем некое напряжение, получаем X вольт, а наш вольтметр пускай показывает Y вольт. Тогда R_division = 4*X/Y, если Y больше X и 4*Y/X если X больше Y. На этом настройка вольтметра завершена, и им можно пользоваться.

Скачать прошивку в виде проекта под AVR Studio 4.
Как работает вольтметр можно ознакомиться на видео:

Видео работы устройства:

Также можно доработать свой блок питания. Вставив в него цифровой вольтметр-амперметр на ЖКИ и защиту от перегрузки (для измерения тока нам понадобиться мощный шунт сопротивлением порядка 1 Ом).

В свой блок питания я встроил еще защиту от перегрузки, когда ток превышает 2А, то пьезо пищалка начинает усердно пищать, сигнализируя о перегрузке:

 
unsigned int getADC(void) {return (unsigned int) (ADCH<<8)|(ADCL);} 

 
ADCSRA|=(1<<ADSC);

while ((ADCSRA&_BV(ADIF))==0x00);

unsigned int getADC(void) //Считывание АЦП
{ unsigned int v;
ADCSRA|=(1<<ADSC); //Начать преобразование
while ((ADCSRA&_BV(ADIF))==0x00); //Дождаться окончания преобразования
v=(ADCL|ADCH<<8); return v; }

UBRRH = 0x00;   //Set bitrate 9600 bit/sec at 4Mhz tick
UBRRL = 0x19;
UCSRA = 0x00;
UCSRB = (1<<TXEN);
UCSRC = (1<<URSEL)|(1<<UCSZ1)|(1<<UCSZ0);

void USART_transmit(unsigned char data )
{while ( !( UCSRA & (1<<UDRE)) ); UDR = data;}

USART_transmit((u/256)&0x0003);
USART_transmit(u&0x00ff);