Подключение кнопки к линии порта ввода/вывода
Изучив данный материал, в котором все очень детально и подробно описано с большим количеством примеров, вы сможете легко овладеть и программировать порты ввода/вывода микроконтроллеров AVR.
Пример будем рассматривать на микроконтроллере ATMega8 .
Программу писать будем в Atmel Studio 6.0 .
Эмулировать схему будем в Proteus 7 Professional
.
Самой распространенной задачей при создании проектов для микроконтроллеров является подключение кнопок. Несмотря на простоту, эта задача имеет существенные, возможно и неочевидные особенности.
Если подключить один из контактов кнопки, например, к общему проводу («земле»), а второй к выбранной линии порта ввода/вывода микроконтроллера, который переключен в режим «Вход», то выяснится, что такой метод не работает. При нажатии кнопки линия порта микроконтроллера соединяется с землей, и программа будет считывать лог.«0» с этой линии порта ввода/вывода, но при отпущенной кнопке вывод микроконтроллера не будет соединен ни с чем, что часто и называют «висит в воздухе». В таком случае программа будет считать с вывода и лог.«0» и лог.«1» случайным образом, так как на не к чему не присоединённую линию порта ввода/вывода будут наводится наводки.
Правильное подключение предполагает, что в разомкнутом состоянии вывод микроконтроллера должен быть соединен через резистор, например с шиной питания, а в замкнутом - с землей, либо наоборот. Сопротивление резистора не должно быть слишком маленьким, чтобы ток, текущий через него при замкнутых контактах кнопки не был слишком большим. Обычно используют значения порядка 10-100 кОм.
Рис: Подключения кнопки с подтянутой шиной питания.
- при отжатой кнопке равно лог.«1»;
- при нажатой кнопке равно лог.«0»;
Рис: Подключения кнопки с подтянутой землей.
При таком подключении состояние линии порта ввода вывода будет:
- при отжатой кнопке равно лог.«0»;
- при нажатой кнопке равно лог.«1»;
- подключения к линии порта ввода/вывода кнопки с подтянутой шиной питания:
- подключения к линии порта ввода/вывода кнопки с подтянутой землей:
// Подключаем внешние библиотеки
#include
В предыдущих уроках я рассказывал, как с мк вывести информацию: и . А в этом уроке мы будем вводить информацию при помощи кнопок. Кнопки бывают нескольких видов: фиксирующие и тактовые.Из названия кнопки понятен принцип ее работы: тактовая - нажал, контакты замкнулись, разжал - разомкнулись; фиксирующие фиксируют своё состояние: нажал - замкнулись контакты, еще раз нажал - разомкнулись.
Стандартная схема подключения кнопок очень простая, выглядит так
Идея работы такова: на ножку через резистор 10к подается напряжение 5 вольт, на ножке логическая единица. Но когда мы нажимаем кнопку, мы ножку замыкаем на землю, а ток-то через резистор потечет маленький, и он будет не в состоянии удержать 5 вольт, и на ножке напряжение просядет до 0 вольт, а это логический 0.Эти моменты мы и будем отлавливать в программе.
Напишем программу, которая будет при нажатии кнопки включать светодиод, при отжатой - выключать
#include
В большинстве современных микроконтроллеров есть встроенный подтягивающий резистор R1, поэтому внешний можно и не ставить
Чтобы включить внутренний подтягивающий резистор нужно при инициализации порта в регистре PORTD выставить соответствующий бит, на котором висит кнопка, в единицу: PORTD=0b00000100;
А что же произойдет, если вывод будет сконфигурирован как выход:
- Если на выводе логический ноль, ничего страшного не случится
- если на выводе вдруг окажется логическая единица, то при нажатии кнопки мы попросту закоротим вывод на землю, и через него потечет ток, который ножка не выдержит (ток через ножку не должен превышать 40 милиампер), и вероятнее всего, она перегорит
Есть еще много способов как подключить кнопки к микроконтроллеру, например с помощью диодов или с помощью ацп, но я их описывать не буду, так как курс рассчитан для начинающих. Если надо, то найдете сами.
В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным – Вы уж меня простите . Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы что-то захотите добавить – буду только рад).
Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1
-включено, 0
-выключено. Начнем.
Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.
1.1 Подключение нагрузки
через резистор.
Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.
Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА . Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.
Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн
Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать – ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.
1.2 Подключение нагрузки
при помощи биполярного транзистора.
Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!
Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ . При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Транзистор может быть любойn-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Еще имеет значение рассеиваемая мощность – чтоб не перегрелся.
Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
BC547.pdf - Даташит на биполярный транзистор BC547
1.3 Подключение нагрузки
при помощи полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.
Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.
При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:
– так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
– транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.
Для применения можно порекомендовать мощные транзисторы IRF630, IRF640. Их часто используют и поэтому их легко достать.
IRF640.pdf - Даташит на полевой транзистор IRF640
1.4 Подключение нагрузки
при помощи составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.
Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
ULN2003.pdf - Даташит на сборку Дарлингтонов ULN2003
2 НАГРУЗКА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.
2.1 Подключение нагрузки
при помощи реле.
Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.
Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
2.2 Подключение нагрузки
при помощи симистора (триака).
Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль). Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора – это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.
Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.
Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов – большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе – нужны цепи подавления.
Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы типа BT138.
BT138.pdf
2.3 Подключение нагрузки при помощи твердотельного реле.
С недавних пор у радиолюбителей появилась очень замечательная штука – твердотельные реле. Представляют они из себя оптические приборы (еще их называют оптореле), с одной стороны, в общем случае, стоит светодиод, а с другой полевой транзистор со светочувствительным затвором. Управляется эта штука малым током, а манипулировать может значительной нагрузкой.
Подключать твердотельное реле к микроконтроллеру очень просто – как светодиод – через резистор.
Достоинства налицо: малые размеры, отсутствие механического износа, возможность манипулировать большим током и напряжением и самое главное оптическая развязка от опасного напряжения. Нагрузка может быть как постоянного, так и переменного тока в зависимости от конструкции реле. Из недостатков следует отметить относительную медлительность (чаще всего для коммутации используется полевик) и довольно значительную стоимость реле.
Если не гнаться за завышенными характеристиками можно подобрать себе прибор по приемлемой цене. Например, реле CPC1030N управляется током от 2мА, при этом способно коммутировать нагрузку переменного и постоянного тока 120мА и 350v (очень полезная для радиолюбителей вещь!)
BT138.pdf - Даташит на симистор (триак) BT138
CPC1030N.pdf - Даташит на твердотельное реле CPC1030N
На рынке автомобильных аксессуаров сейчас можно встретить разнообразные устройства импортного производства. Наибольшую популярность среди них получило устройство управления движением автомобильных стекол . Этот компонент электрической схемы автомобиля представляет собой некий автомат поочередного подъема стекол автомобиля, когда автомобиль ставят на охранную сигнализацию. Цены на эти устройства относительно высокие.
Если у вас есть желание оснастить свой собственный автомобиль таким устройством с дополнительными функциями, такими как – блокировка работы устройства при открытых дверях, при подсветке замка зажигания, при возникновении прегради на пути закрывающегося окна. В статье описано схема разработки подобного устройства своими руками.
Электрических доводчик , который изображен на рис. 1, предназначен для последовательного закрывания всех четырех стекол автомобиля, а также люка. Система активируется при постановке автомобиля на охранную сигнализацию.
Принцип работы схемы довольно прост. Короткий электрический импульс, который длится всего одну секунду, поступает с выхода блока охранной сигнализации и управляет центральным замком автомобиля. В зависимости от стандартов, по которым изготовили автомобиль, активным уровнем сигнала для управления центральным замком автомобиля может использоваться как положительный импульс с напряжением +12 В, так и отрицательный импульс относительно общего провода. Поэтому, в зависимости от полярности управляющего импульса, в доводчике предусмотрен специальный разъем Х2, через который и проходит импульс.
На рисунке изображена схема электрического доводчика стекол построенного на микроконтроллере PIC16F84A:
Сигнальный провод, который управляет центральным замком для отпирания дверей, а также сигнализацией, подключается к входу прерывания работы доводчика. На схеме контакты (5 и 2, разъема Х2). Активный сигнал для каждого из этих входов является положительный или отрицательный импульс.
Для того чтобы предусмотреть возможность экстренного прекращения работы доводчиков необходимо подключить сигнальный провод, который используется для разблокировки центрального замка к соответствующему входу, который отвечает за прекращение работы стеклоподъемников. Отклонением сигнала на подъем стекол могут послужить сигналы, идущие от: замка зажигания (когда ключ находится в первом положении и подключена аккумуляторная батарея), а также от выключателей, установленных на дверях (когда дверь открыта, сигнал, который поступающий от концевых выключателей посылает отрицательный сигнал и отменяет действие). Использование этой функции возможно при правильном подключении замка зажигания к соответствующим контактам доводчика. В случае с подсветкой замка зажигания – нужно подключить сигнальный провод от двери к контакту 1 разъема Х2. Дополнительные электротехнические элементы нужно подключить к доводчику так, как показано на рис. 3.
Электродвигатели модуля, который отвечает за управление подъемом стекол автомобиля, отключаются в случае присутствия электрического импульса, который возникает в результате прекращения коллекторного шума электродвигателя установленного в каждой двери машины. Этот шум можно измерять с помощью осциллографа.
На рисунке изображен этот шум, с входными данными (амплитуда сигнала -10мкВ/дел и временным интервалом -5мс/дел). Электродвигатель устройства отключается при непрерывной работе в течение 9 с.
Процесс работы доводчика
Устройство работает следующим образом. Когда сигнал поступает из блока управления охранной сигнализации через контакты К1.1 и реле К1, то электродвигатель стеклоподъемника двери получает питание на период времени равный 0,75 с. Последние 0,25 с микроконтроллер DD2 измеряет уровень частоты сигнала коллекторного шума, который усиливается на электродвигателе с помощью элемента DD1.5.
Транзисторы на линейный участок входной характеристики переводит резистор R2. Элемент DD1.2 создан в качестве буфера для усиления сигнала, поступающего на вход микроконтроллера DD2. Реле, которое питает электродвигатель остается включенным при частоте шума выше 480 Гц. – электродвигатель находится в рабочем состоянии.
В электродвигатель привода остановлен , то в таком случае когда стекло поднято до предела, реле К1 отпускает якорь, на электродвигатель прекращается подача питания. В то же время срабатывает реле К2. Описанный алгоритм работы системы повторяется до тех пор, пока микроконтроллер не проверит состояние закрытия стекол всех дверей и люка автомобиля. Для того чтобы электродвигатель стеклоподъемника после подачи на него напряжения вышел на устойчивый режим работы предусмотрена в схеме задержка 0,5 с перед началом измерения частоты шума. В том случае если стеклоподъемник поднят до своего предела, коллекторный шум вследствие работы электродвигателя отсутствует, то соответствующее реле отключает напряжение подключенное к нему. Такая процедура проводится с каждой дверью автомобиля. В любом случае время работы каждого электродвигателя доводчика, не будет превышать 9 с.
При отключении автомобиля от охранной сигнализации, сигнал который поступает с блока управления охранной сигнализации, поступает на вход прекращения работы доводчика. Затем микроконтроллер DD2 начинает выполнять подпрограмму прерывания, которая посылает сигнал на остановку электродвигателей стеклоподъемников. После выполнения всех вышеперечисленных действий программа переходит в режим ожидания нового импульса.
Разъем Х1 нужен для подключения источника питания, в данном случае аккумуляторной батареи. Устройство доводчика нужно подключить к бортовой электросети автомобиля, через предохранитель рассчитанный на 20 А. Проводы питания должный быть медными, с удельным сечением 1,5 кв.мм. Предохранитель нужно использовать в схеме устройства по той причине, что электродвигатели приводов стеклоподъемников потребляют значительный ток, до 10 А. Электропроводка автомобиля испытывает скачкообразное изменение тока во время включения электродвигателей модуля управления стеклоподъемниками.
Классическая схема подключения электродвигателей к системе управления модулем доводчика изображена на рис.2. Контакты разъема Х3 нужно подсоединить в разрыв проводов питания электродвигателей. Провод подвижного контакта реле подключаем непосредственно к электродвигателю, а сам замкнутый контакт к кнопке включения.
На рисунке изображена схема подключения модуля доводчика к двигателю стеклоподъемника:
В том случае, если схема управления стеклоподъемниками изменена, что при нажатии на штатную кнопку, подается минусовый сигнал источника питания на электродвигатель, то каждое реле электродвигателя нужно подключить к бортовой сети питания автомобиля.
Линия RB1 (вывод 7), которая подключенная к микроконтроллеру DD2 управляет электродвигателем люка. Схема включена в модуль доводчика как опция. Для того чтобы иметь возможность ее использовать необходимо дополнить электрическую схему доводчика дополнительным транзистором и реле. Реле подключаем таким же образом, как и другие исполнительные реле.
Линия RA1 (вывод 18) может использоваться для подсветки замка зажигания при открытых дверях автомобиля, а также в течение 6 с после их закрывания. На рис.3 изображена схема дополнительной опции, которую нужно внедрить в уже существующий модуль стеклоподъемников. Вместо лампы накаливания HL1, которая заменяла подсветку, можно установить подходящий по цвету и характеристикам светодиод. Анод светодиода нужно подключить к точке подключения базы, катод к точке подключения эммитера. Для того, чтобы получить необходимую яркость светодиода нужно подобрать номинал резистора R1, как указано на рис.3.
Схема подсветки светодиодом замка зажигания:
При установке на различные модели автомобилей возможно понадобится подбирать номинал резистора R2. Испытания модуля управления стеклоподъемниками на автомобиле Хонда прошли без каких-либо ложных срабатываний. Элементы цепи С1R1R2 устройства, подобраны лучшим образом.
На приборной панели также нужно установить тумблер, который отключает весь модуль от питания. Водитель будет использовать его зимой, когда окна открывать нет необходимости. Тумблер отключает функцию подсветки замка зажигания.
Схема устройства создана на основе микроконтроллера PIC16F84A-04I/P и стабилизатора напряжения 78L05. В схеме, возможно использовать любой стабилизатор рассчитанный на 5 вольт. Реле — BS-115c, отечественный аналог – реле 711.3747-02 с возможностью корректировки размеров печатной платы и ее рисунка. Микросхему CD4049 можно заменить аналогом К561ЛН2. Микросхемы в состоянии выдерживать напряжение, которое превышает питание микросхемы. Стабилитрон 1N4734A можно заменить на КС156А, а 1N4744A на отечественный аналог КС515А. Стабилитрон VD5 предназначен для уменьшения уровня выбросов напряжения в бортовой сети автомобиля. VD4 защищает элементы схемы от механического или электрического повреждения стабилизатора DA1. В нормальном режиме работы эти стабилитроны находятся в закрытом состоянии.
Печатная плата имеет размер 55мм х100мм. Плата установлена в пластиковую коробку, подходящую по размеру схемы, и прикреплена с помощью термоклея.