MICPRG opdracht 3.

Deze pagina is bestemd voor studenten van de Haagse Hogeschool - Academie voor Technology, Innovation & Society Delft groep EQ1.2.

Bierkelder.

Volgens de website http://www.biernet.nl/bier/merken is de ideale drinktemperatuur van een bepaald biertje 4 tot 10 °C. Een student die niet beschikt over een koele kelder voor het koelen van dit bier heeft de volgende oplossing bedacht.

De temperatuurmeter geeft een analoge spanning af. Deze spanning wordt via ingang PA0 in de AVR ingelezen. Het verwarmings- en koelelement worden met een digitale uitgang (0V = uit, 5V = aan) aangestuurd. De uitgang PB7 van de AVR wordt gebruikt om het verwarmingselement aan te sturen en de uitgang PB6 wordt gebruikt voor het koelelement. De LED is verbonden met de uitgang PB5 van de AVR. Op de LCDisplay moet bij elke verandering van toestand één van de volgende teksten verschijnen:

Het verwarmings- element is aan.
Het koelelement is aan.
De temperatuur is perfect!

Om te voorkomen dat de verwarming of koeling steeds aan en dan weer uitgeschakeld wordt, moet slechts (ongeveer)1x per minuut de temperatuur worden gemeten. De LED moet knipperen om aan te geven dat de installatie goed functioneert. Ongeveer 1 seconde aan en 1 seconde uit.

De temperatuur wordt gemeten met behulp van een NTC weerstand WNC2013 van Western Electronic Components Corporation. Deze NTC weerstand is opgenomen in de volgende schakeling:

U_in=5V, R₀ = 47K, R_T = NTC en U_uit is verbonden met PA0 van de ATmega32. De specificaties van de NTC WNC2013 kun je via deze link vinden.

Schrijf een programma voor de AVR zodanig dat:

De LED continue knippert (1 seconde aan, 1 seconde uit).
De spanning van de temperatuurmeter 1x per minuut gemeten wordt.
Het verwarmingselement alleen aan is als de temperatuur 5 °C of lager is.
Het koelelement alleen aan is als de temperatuur 9 °C of hoger is.
De status van de bierbewaarplaats op het LCDisplay wordt weergegeven.

Test dit programma met behulp van het AVR STK500 practicumbord.

Uitleg en tips.

Om het verwarmings- en koelelement op het juiste moment aan te sturen is het niet nodig om in je programma de temperatuur te bepalen. Je kunt met behulp van wat rekenwerk en de tabellen van de NTC bepalen bij welke uitgangswaarden van de ADC (Analog Digital Converter) van de AVR het verwarmings- en/of koelelement aan/uit geschakeld moet worden.

In de specificaties van de NTC WNC2013 is gegeven dat de Dissipation Constant 2 mW/°C bedraagd. Doordat er stroom door de NTC loopt warmt deze zichzelf op. Deze zogenaamde "self-heating" veroorzaakt een meetfout. De dissipation constant geeft aan dat er 2 mW vermogen nodig is om de temperatuur van de NTC met 1 °C te laten stijgen. De gekozen NTC heeft bij 25 °C een weerstand van 20K. Als R₀ 47K wordt gekozen en U_in 5V bedraagt dan is het opgenomen vermogen in de NTC bij 25 °C 0,11 mW. De fout ten gevolge van self-heating is in dit geval dus te verwaarlozen.

Op het AVR STK500 practicumbord bevindt zich een potentiometer. Met deze potentiometer kun je de spanning op PA0 varieren. De potentiometer vervangt dus bij het testen de temperatuurmeter.

Aanpak.

Je kunt natuurlijk gewoon achter een PC gaan zitten hacken.... maar een meer systematische aanpak levert hoogstwaarschijnlijk sneller een beter resultaat op! Maak eerst een ontwerp van je programma voordat je gaat coderen (b.v. in de vorm van een flowchart, Nassi–Shneiderman diagram of in pseudocode). Probeer niet het gehele probleem in een keer op te lossen maar verdeel het probleem in deelproblemen en los deze 1 voor 1 op. Deze methode wordt functionele decompositie, of ook wel verdeel en heers, genoemd. Maak een stappenplan en maak een schatting van de tijd die je denkt voor elke stap nodig te hebben zodat je een goede tijdsplanning kunt maken. Een voorbeeld van een stappenplan voor het maken van deze opdracht zou kunnen zijn:

Het programma moet meerdere dingen "schijnbaar" tegelijkertijd doen. Bedenk welke delen van het progamma in het hoofdprogramma worden uitgevoerd en welke op interrupt basis. Bijvoorbeeld:
- Het hoofdprogramma handelt de communicatie met het LCD af.
- Een periodieke interrupt service routine zorgt voor het meten van de spanning en het aansturen van de LED, het verwarmings- en het koelelement.
Ontwerp een programma dat een regel tekst b.v. "Hallo daar!" op de LCD zet met behulp van de functies waarmee het LCD kan worden aangestuurd. Implementeer en test dit programma.
Ontwerp een interrupt gestuurd programma dat 1x per seconde uitgang PB5 inverteert zodat de LED knippert. Implementeer en test dit programma.
Ontwerp een uitbreiding op het programma uit stap 3 dat 1x per minuut de analoge spanning op ingang PA0 inleest en indien nodig het verwarmings- of het koelelement aan/uit schakelt. Bedenk dat je kunt bepalen of er een minuut is verstreken door de seconden die verstreken zijn te tellen. Implementeer en test dit programma.
Combineer de programma's uit stap 2 en stap 4 en zet de juiste tekst op het LCD als de toestand veranderd:
- Het verwarmings- element is aan.
- Het koelelement is aan.
- De temperatuur is perfect!
Let op het correct gebruik van volatile bij het doorgeven van de toestand (verwarmen/koelen/perfect) vanuit de Interrupt Service Routine (ISR) naar het hoofdprogramma!

Bedenk dat het bovenstaande stappenplan slechts een voorbeeld is! Voor sommige studenten zijn de stappen te groot (zij hebben meer tussenstappen nodig) voor andere studenten zijn de stappen juist te klein. Je kunt ook een andere aanpak kiezen. Maak indien nodig een persoonlijk stappenplan! Maak voordat je een (deel)programma gaat coderen eerst een ontwerp op papier (b.v. in de vorm van een stukje pseudocode).

Aansturen van de ADC van de ATmega32.

In het hoofdstuk "Analog to Digital Converter" van de datasheets van de ATmega32 wordt uitgelegd hoe de ADC gebruikt kan worden. De belangrijkste gegevens, registers en tabellen zijn hieronder weergegeven:

Eenvoudig blokschema.

Registers en tabellen.

Bit 7 – ADEN: ADC Enable
Writing this bit to one enables the ADC. By writing it to zero, the ADC is turned off. Turning the ADC off while a conversion is in progress, will terminate this conversion.
Bit 6 – ADSC: ADC Start Conversion
In Single Conversion mode, write this bit to one to start each conversion. In Free Running Mode, write this bit to one to start the first conversion. The first conversion after ADSC has been written after the ADC has been enabled, or if ADSC is written at the same time as the ADC is enabled, will take 25 ADC clock cycles instead of the normal 13. This first conversion performs initialization of the ADC. ADSC will read as one as long as a conversion is in progress. When the conversion is complete, it returns to zero. Writing zero to this bit has no effect.
Bit 5 – ADATE: ADC Auto Trigger Enable
When this bit is written to one, Auto Triggering of the ADC is enabled. The ADC will start a conversion on a positive edge of the selected trigger signal. The trigger source is selected by setting the ADC Trigger Select bits, ADTS in SFIOR.
Bit 4 – ADIF: ADC Interrupt Flag
This bit is set when an ADC conversion completes and the Data Registers are updated. The ADC Conversion Complete Interrupt is executed if the ADIE bit and the I-bit in SREG are set. ADIF is cleared by hardware when executing the corresponding interrupt handling vector. Alternatively, ADIF is cleared by writing a logical one to the flag.
Bit 3 – ADIE: ADC Interrupt Enable
When this bit is written to one and the I-bit in SREG is set, the ADC Conversion Complete Interrupt is activated.

The successive approximation circuitry requires an input clock frequency between 50 kHz and 200 kHz.