Микроконтроллер Atmega 32U4. Аппаратная вычислительная платформа Arduino Leonardo

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Автоматика и системы управления»

Микроконтроллер Atmega 32U4 аппаратная вычислительная платформа Arduino Leonardo

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Микропроцессорные системы»

Омск 2016



Реферат

Пояснительная записка к курсовой работе содержит 17 страниц, 5 рисунков, 3 использованных источника, 1 приложение.

Список ключевых понятий, используемых в пояснительной записке: интерфейс USB, драйвер, микроконтроллер, Arduino, IDE, программирование.

Объектом курсовой работы является аппаратная платформа Arduino.

Цель курсовой работы - изучить назначение, область применения, архитектуру платформы. Разработать программный код, взаимодействующий с элементами, установленными на плате Arduino Leonardo

Пояснительная записка к курсовой работе выполнена в текстовом редакторе Microsoft OfficeWord 2016, графическая часть работы выполнена в графическом редакторе Microsoft OfficeVisio 2016.



Введение

Arduino -- это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторов.

Arduino позволяет компьютеру выйти за рамки виртуального мира в физический и взаимодействовать с ним. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами с помощью препроцессора, а компилируется с помощью AVR-GCC.



Область применения платформы Arduino

Arduino -- аппаратная вычислительная платформа, состоящая из двух основных компонентов: плата ввода-вывода и среда разработки на языке Processing/Wiring. Arduino удобна для разработки электронных устройств как для новичков, так и для профессионалов. Эта платформа пользуется огромной популярностью во всем мире из-за простого языка программирования, открытой архитектуры и программного кода. Особенность данной платформы является то что она программируется без использования программаторов через USB. С помощью Arduino компьютер может выйти за рамки виртуального мира в физический, благодаря множеству датчиков которые можно подключить к плате. Датчики могут получать информацию об окружающей среде, а также управлять различными исполнительными устройствами.

Существует множество микроконтроллеров и платформ для осуществления «physical computing». Parallax Basic Stamp, Netmedia's BX-24, Phidgets, MIT's Handyboard и многие другие предлагают схожую функциональность. Все эти устройства объединяют разрозненную информацию о программировании и заключают ее в простую в использовании сборку. Arduino, в свою очередь, тоже упрощает процесс работы с микроконтроллерами, однако имеет ряд преимуществ перед другими устройствами для преподавателей, студентов и любителей: Низкая стоимость - платы Arduino относительно дешевы по сравнению с другими платформами. Самая недорогая версия модуля Arduino может быть собрана в ручную, а некоторые даже готовые модули стоят меньше 50 долларов. Кросс-платформенность - программное обеспечение Arduino работает под ОС Windows, Macintosh OSX и Linux. Большинство микроконтроллеров ограничивается ОС Windows. Простая и понятная среда программирования - среда Arduino подходит как для начинающих пользователей, так и для опытных. Arduino основана на среде программирования Processing, что очень удобно для преподавателей , так как студенты работающие с данной средой будут знакомы и с Arduino.

Программное обеспечение с возможностью расширения и открытым исходным текстом - ПО Arduino выпускается как инструмент, который может быть дополнен опытными пользователями. Язык может дополняться библиотеками C++. Пользователи, желающие понять технические нюансы, имеют возможность перейти на язык AVR C на котором основан C++. Соответственно, имеется возможность добавить код из среды AVR-C в программу Arduino.

Аппаратные средства с возможностью расширения и открытыми принципиальными схемами - микроконтроллеры ATMEGA являются основой Arduino. Схемы модулей выпускаются с лицензией Creative Commons, а значит, опытные инженеры имеют возможность создания собственных версий модулей, расширяя и дополняя их. Даже обычные пользователи могут разработать опытные образцы с целью экономии средств и понимания работы.



2. Устройство и возможности платы

Рисунок - 1 Платформа Arduino Leonardo

2.1 Цифровые выводы

Выводы платформы Arduino могут работать как входы или как выходы. В данном разделе описывается функционирование выводов в этих режимах. Также необходимо обратить внимание на то, что большинство аналоговых входов Arduino (Atmega) могут конфигурироваться и работать так же как и цифровые порты ввода/вывода. Свойства порта вводы/вывода (pin), сконфигурированного как порт ввода. Выводы Arduino (Atmega) стандартно настроены как порты ввода, таким образом, не требуется явной декларации в функции pinMode (). Сконфигурированные порты ввода находятся в высокоимпедансном состоянии. Это означает то, что порт ввода дает слишком малую нагрузки на схему, в которую он включен. Эквивалентом внутреннему сопротивлению будет резистор 100 МОм подключенный к выводу микросхемы. Таким образом, для перевода порта ввода из одного состояния в другое требуется маленькое значение тока. Это позволяет применять выводы микросхемы для подключения емкостного датчика касания, фотодиода, аналогового датчика со схемой, похожей на RC-цепь. С другой стороны, если к данному выводу ничего не подключено, то значения на нем будут принимать случайные величины, наводимые электрическими помехами или емкостной взаимосвязью с соседним выводом.

2.1. 1 Подтягивающие (нагрузочные) резисторы

Если на порт ввода не поступает сигнал, то в данном случае рекомендуется задать порту известное состояние. Это делается добавлением подтягивающих резисторов 10 кОм, подключающих вход либо к +5 В (подтягивающие к питанию резисторы), либо к земле (подтягивающие к земле резисторы). Микроконтроллер Atmega имеет программируемые встроенные подтягивающие к питанию резисторы 20 кОм. Программирование данных резисторов осуществляется следующим образом.

pinMode (pin, INPUT); // назначить выводу порт ввода

digitalWrite (pin, HIGH); // включить подтягивающий резистор

Подтягивающий резистор пропускает ток достаточный для того, чтобы слегка светился светодиод подключенный к выводу, работающему как порт ввода. Также легкое свечение светодиодов означает то, что при программировании вывод не был настроен как порт вывода в функции pinMode (). Подтягивающие резисторы управляются теми же регистрами (внутренние адреса памяти микроконтроллера), что управляют состояниями вывода: HIGH или LOW. Следовательно, если вывод работает как порт ввода со значением HIGH, это означает включение подтягивающего к питанию резистора, то конфигурация функцией pinMode () порта вывода на данном выводе микросхемы передаст значение HIGH. Данная процедура работает и в обратном направлении, т. е. если вывод имеет значение HIGH, то конфигурация вывода микросхемы как порта ввода функцией pinMode () включит подтягивающий к питанию резистор. Выводы, сконфигурированные как порты вывода, находятся в низкоимпедансном состоянии. Данные выводы могут пропускать через себя достаточно большой ток. Выводы микросхемы Atmega могут быть источником (положительный) или приемником (отрицательный) тока до 40 мА для других устройств. Такого значения тока достаточно чтобы подключить светодиод (обязателен последовательно включенный резистор), датчики, но недостаточно для большинства реле, соленоидов и двигателей.

Короткие замыкания выводов Arduino или попытки подключить энергоемкие устройства могут повредить выходные транзисторы вывода или весь микроконтроллер Atmega. В большинстве случаев данные действия приведут к отключению вывода на микроконтроллере, но остальная часть схемы будет работать согласно программе. Рекомендуется к выходам платформы подключать устройства через резисторы 470 Ом или 1 кОм, если устройству не требуется больший ток для работы.

2.2 Аналоговые входы

Описание портов, работающих как аналоговые входы, платформы Arduino (Atmega8, Atmega168, Atmega328, или Atmega1280)

микроконтроллер порт плата arduino

2.2.1 Аналого-цифровой преобразователь(АЦП)

Микроконтроллеры Atmega, используемые в Arduino, содержат шестиканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Разрешение преобразователя составляет 10 бит, что позволяет на выходе получать значения от 0 до 1023. Основным применением аналоговых входов большинства платформ Arduino является чтение аналоговых датчиком, но в тоже время они имеют функциональность вводов/выводов широкого применения (GPIO) (то же, что и цифровые порты ввода/вывода 0 -- 13).Таким образом, при необходимости применения дополнительных портов ввода/вывода имеется возможность сконфигурировать неиспользуемые аналоговые входы.

2.2. 2 Цоколевка

Выводы Arduino, соответствующие аналоговым входам, имеют номера от 14 до 19. Это относится только к выводам Arduino, а не к физическим номерам выводов микроконтроллера Atmega. Аналоговые входы могут использоваться как цифровые выводы портов ввода/вывода. Например, код программы для установки вывода 0 аналогового входа на порт вывода со значением HIGH:

pinMode (14,OUTPUT);

digitalWrite (14, HIGH);

2.2.3 Подтягивающие резисторы

Выводы аналоговые входов имеют подтягивающие резисторы работающие как на цифровых выводах. Включение резисторов производится командой digitalWrite (14, HIGH); // включить резистор на выводе аналогового входа 0 пока вывод работает как порт ввода. Подключение резистора повлияет на величину сообщаемую функцией analogRead () при использовании некоторых датчиков. Большинство пользователей использует подтягивающий резистор при применении вывода аналогового входа в его цифровом режиме.

2.2. 4 Подробности и предостережения

Для вывода, работавшего ранее как цифровой порт вывода, команда analogRead будет работать некорректно. В этом случае рекомендуется сконфигурировать его как аналоговый вход. Аналогично, если вывод работал как цифровой порт вывода со значением HIGH, то обратная установка на ввод подключит подтягивающий резистор. Руководство на микроконтроллер Atmega не рекомендует производить быстрое переключение между аналоговыми входами для их чтения. Это может вызвать наложение сигналов и внести искажения в аналоговую систему. Однако после работы аналогового входа в цифровом режиме может потребоваться настроить паузу между чтением функцией analogRead () других входов.

2.3 Широтно-импульсная модуляция

Широтно-Импульсная модуляция, сокращенно ШИМ (англ. PWM). Пример использования аналогового выхода (ШИМ) для управления светодиодом доступен из меню File-> Sketchbook->Examples->Analog программы Arduino. Широтно-Импульсная модуляция, или ШИМ, это операция получения изменяющегося аналогового значения посредством цифровых устройств. Устройства используются для получения прямоугольных импульсов -- сигнала, который постоянно переключается между максимальным и минимальным значениями. Данный сигнал моделирует напряжение между максимальным значением (5 В) и минимальным (0 В), изменяя при этом длительность времени включения 5 В относительно включения 0 В. Длительность включения максимального значения называется шириной импульса. Для получения различных аналоговых величин изменяется ширина импульса. При достаточно быстрой смене периодов включения-выключения можно подавать постоянный сигнал между 0 и 5 В на светодиод, тем самым управляя яркостью его свечения. На графике зеленые линии отмечают постоянные временные периоды. Длительность периода обратно пропорциональна частоте ШИМ. Т. е. если частота ШИМ составляет 500 Гц, то зеленые линии будут отмечать интервалы длительностью в 2 миллисекунды каждый. Вызов функции analogWrite () с масштабом 0 -- 255 означает, что значение analogWrite (255) будет соответствовать 100% рабочему циклу (постоянное включение 5 В), а значение analogWrite (127) -- 50% рабочему циклу. Для примера можно взять платформу и начать трясти ее взад и вперед. Для наших глаза человека данное движение превращает в светящиеся линии мигание светодиода. Наращивание или уменьшение ширины импульса на светодиоде будет увеличивать или уменьшать светящиеся линии светодиода.

2.4 Память в Arduino

В микроконтроллере ATmega168, используемом на платформах Arduino, существует три вида памяти:

1) Флеш-память: используется для хранения скетчей.

2) ОЗУ (Статическая оперативная память с произвольным доступом): используется для хранения и работы переменных.

3) EEPROM (энергонезависимая память): используется для хранения постоянной информации.

Микроконтроллер ATmega168 имеет:

1) 16 Кб флеш-памяти (2 Кб используется для хранения загрузчика)

2) 1024 байта ОЗУ

3) 512 байт EEPROM

При работе скетча с программой на компьютере можно перебросить часть данных или расчетов на компьютер для снижения нагрузки на Arduino.

При наличии таблиц поиска или других больших массивов можно использовать минимальный тип данных для хранения значений. Например, тип данных занимает два байта, а byte -- только один (но может хранить небольшой диапазон значений).

Неизменяемые строки и данные во время работы скетча можно хранить во флеш-памяти. Для этого необходимо использовать ключ PROGMEM. Для использования EEPROM обратитесь к библиотеке EEPROM.



2.5 Аппаратные прерывания в Arduino

Как подсказывает название, прерывания -- это сигналы, прерывающие нормальное течение программы. Прерывания обычно используются для аппаратных устройств, требующих немедленной реакции на появление событий. Например, система последовательного порта или UART (универсальный асинхронный приемопередатчик) микроконтроллера должен быть обслужен при получении нового символа. Если этого не сделать быстро, новый символ может быть потерян. При поступлении нового символа UART генерирует прерывание. Микроконтроллер останавливает выполнение основной программы (приложения) и перескакивает на программу обработки прерываний (ISR), предназначенную для данного прерывания. В данном случае это прерывание по полученному символу. Эта ISR захватывает новый символ из UART, помещает в буфер, затем очищает прерывание и выполняет возврат. Когда ISR выполняет возврат, микроконтроллер возвращается в основную программу и продолжает её с точки вызова.

Все это происходит в фоновом режиме и не влияет напрямую на основной код вашего приложения. Если запускается много прерываний или прерывания генерирует быстродействующий таймер, основная программа будет выполняться медленнее, так как микроконтроллер распределяет свое машинное время между основной программой и всеми функциями обработки прерываний.

2.5.1 Прерывание по таймеру

В данном разделе будет описано на использование программного таймера 2 для периодических прерываний. Исходная идея состояла в использовании этого таймера для генерации частоты биений в звуковых проектах Arduino. Чтобы выводить тон или частоту нам нужно переключать порт ввода-вывода на согласованной частоте. Это можно делать с использованием циклов задержки. Это просто, но означает, что наш процессор будет занят, ничего не выполняя, но ожидая точного времени переключения вывода. С использованием прерывания по таймеру мы можем заняться другими делами, а вывод пусть переключает ISR, когда таймер подаст сигнал, что время пришло.

Микроконтроллер AtMega32U4-AU

Рисунок 2.1 - Схема выводов микроконтроллера семейства AtMega

Рисунок 2.2 - Обобщенная функциональная схема

Реализация программы

В качестве примера рассмотрим реализацию взаимодействия платы Arduino с модулем, называемым «Пьезоэелемент» (Piezo Transducer), который позволяет генерировать звуковые волны в диапазоне частот 20 Гц - 20 000 Гц. Не путайте с пьезобиперами и т.п., которые генерируют звук только определенной частоты при подаче на них постоянного напряжения.

Самым простым вариантом генерации звука является использование пьезоизлучателя. Пьезокерамические излучатели (пьезоизлучатели) - электроакустические устройства воспроизведения звука, использующие обратный пьезоэлектрический эффект - возникновение механических деформаций под действием электрического поля. Пьезоизлучатели бывают двух типов - со встроенным генератором и без. Пьезоизлучатели со встроенным генератором излучают фиксированный тональный сигнал сразу после подачи на них номинального напряжения. Они не могут воспроизводить произвольного сигнала. Их обычно используют для простого звукового оповещения. Если требуется проиграть мелодию, то используют пьезоизлучатели без встроенного генератора и генерируют сигнал отдельно. В эксперименте мы используем пьезоизлучатель без встроенного генератора.

Мы будем использовать ШИМ-генератор Arduino для генерирования звука на пьезоизлучателе.

Рисунок 4 - Пьезоэлемент

Рисунок 5 - Схема подключения модуля

Приступим к написанию программы.

В программе должны быть две обязательные функции: setup() и loop(). После названия функции и круглых скобок идут фигурные скобки, внутри которых будет располагаться ваш код. Говорят, что между фигурными скобками располагается блок кода для функции или тело функции.

void setup() {

}

void loop() {

}

Функция setup() запускается один раз, после каждого включения питания или сброса платы Arduino. В теле данной функции пишется код для инициализации переменных, установки режима работы цифровых портов, и т.д. В дальнейших примерах вы увидите этот механизм.

Функция loop() в бесконечном цикле последовательно раз за разом исполняет команды, которые описаны в её теле. Т.е. после завершения функции снова произойдет её вызов.

Разработанный код приведен в листинге А.



Заключение

В данной работе был изучена платформа Arduino Leonardo, микроконтроллер atMega, показана простейшая программа, взаимодействующая с портами ввода-вывода и пьезоэлементом.

По результатам проделанной работы видно, что работа с платформой проста и с аппаратной части, и со стороны программирования «прошивки», что позволяет создавать решения на базе платформы для различных сфер жизни и бизнеса.



Библиографический список

1Официальный сайт Arduino в России [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://arduino.ru.

2 Основы платформы Arduino .[Электронный ресурс] -Режим доступа: http://developer.alexanderklimov.ru/arduino/index.php

3 СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные: общие требования и правила оформления текстовых документов/ ОмГУПС, Омск, 2005.



Приложение А

(обязательное)

Исходный код программы:

constint Pin_tone = 9; // номер порта зуммера

constbyte COUNT_NOTES = 39; // Колличество нот

byte PWM_led_R, PWM_led_G, PWM_led_B;

byte pin_led_R = 3; // Номер контакта для Светодиода R

byte pin_led_G = 10; // Номер контакта для Светодиода G

byte pin_led_B = 6; // Номер контакта для Светодиода B

//частоты ноты

int frequences[COUNT_NOTES] = {

392, 392, 392, 311, 466, 392, 311, 466, 392,

587, 587, 587, 622, 466, 369, 311, 466, 392,

784, 392, 392, 784, 739, 698, 659, 622, 659,

415, 554, 523, 493, 466, 440, 466,

311, 369, 311, 466, 392

};

//длительность нот

int durations[COUNT_NOTES] = {

350, 350, 350, 250, 100, 350, 250, 100, 700,

350, 350, 350, 250, 100, 350, 250, 100, 700,

350, 250, 100, 350, 250, 100, 100, 100, 450,

150, 350, 250, 100, 100, 100, 450,

150, 350, 250, 100, 750

};

voidsetup() {

pinMode(pin_led_R, OUTPUT); // Настраиваем контакт на выход

pinMode(pin_led_G, OUTPUT); // Настраиваем контакт на выход

pinMode(pin_led_B, OUTPUT); // Настраиваем контакт на выход

pinMode(Pin_tone, OUTPUT); // Настраиваем контакт на выход

}

voidloop() {

for (int i = 0; i <= COUNT_NOTES; i++ ) { // Цикл от 0 до количества нот

tone(Pin_tone, frequences[i], durations[i] * 2); // Включаем звук, определенной частоты

PWM_led_R = random(0, 254); // Генерируем случайное число от 0 до 254

PWM_led_G = random(0, 254); // Генерируем случайное число от 0 до 254

PWM_led_B = random(0, 254); // Генерируем случайное число от 0 до 254

analogWrite(pin_led_R, PWM_led_R); // Зажигаем светодлиод на случайно сгенерированную яркость

analogWrite(pin_led_G, PWM_led_G); // Зажигаем светодлиод на случайно сгенерированную яркость

analogWrite(pin_led_B, PWM_led_B); // Зажигаем светодлиод на случайно сгенерированную яркость

delay(durations[i] * 2); // Дауза для заданой ноты

noTone(Pin_tone); // Останавливаем звук

}

}

Размещено на Allbest.ru

...