ADC analogno-digitalni pretvornik. Digitalni termometer, LM35 in PIC16f877a

Izdelali bomo merilnik temperature. Izmerjena temperatura naj se prikazuje v stopinjah Celzija (°C) in v stopinjah Fahrenheita (°F) na LCD prikazovalniku 2x16. Za krmiljenje termometra bomo uporabili mikrokontroler PIC16f877a, za merjenje temperature pa temperaturni senzor LM35.

Vsaka fizikalna veličina, ki jo najdemo v naravi, kot so temperatura, vlaga, tlak, sila, je analogna. Če želimo te veličine obdelovati z računalnikom oziroma z mikrokontrolerjem, jo moramo pretvoriti v digitalno. To naredimo z analogno digitalnim pretvornikom. Analogno digitalni pretvornik ali ADC je naprava, ki neprekinjeno pretvarja analogno veličino (v našem primeru napetost) v ustrezne digitalne vrednosti.

Za merjenje temperature bomo uporabili temperaturni senzor LM35. Napetost na izhodu senzorja je linearno odvisna od temperature in se spreminja za 10 mV/°C. Pri temperaturi 25°C znaša izhodna napetost temperaturnega senzorja LM35 250 mV. Z višanjem temperature izhodna napetost senzorja narašča in pri temperaturi 150°C znaša 1500 mV oziroma 1,5 V.

Slika 1: Temperaturni senzor LM35 (vir: http://www.mileti.com.ar/hoy/?p=413)

Mikrokontroler PIC16f877a vsebuje 8 ADC vhodov. Nahajajo se na PORTA od AN0 do AN7 (RA0/AN0 do RA7/AN7).

Izbrali bomo taki način delovanja, da bo spodnja vrednost referenčne analogne napetosti 0 V (Vss), zgornja vrednost referenčne analogne napetosti pa 5 V (Vdd).

• • Vref- = 0 V

  • Vref+ = 5 V

Mikrokontroler vhodno vrednost analogne napetosti, ki se spreminja (izhod temperaturnega senzorja), neprestano primerja z referenčno napetostjo. AD pretvornik pa spreminjajočo analogno napetost pretvarja v digitalno vrednost. Digitalna vrednost je pravzaprav število, ki ustreza izmerjeni napetosti, podano je v binarni obliki kot zaporedje enic in ničel.

Mikrokontroler PIC16f877a vsebuje 10-bitni, 8 kanalni ADC. To pomeni, da bo imela izhodna vrednost ADC ločljivost od 0 - 1023 (210 – 1 = 1023). Najmanjša vrednost spremembe analogne napetosti, ki jo 10-bitni ADC zazna je 5 V/1023 = 0,0048876 V oz. 4,8876 mV.

Poglejmo digitalne vrednosti za nekaj primerov:

Za nastavitve in pravilno delovanje modula ADC ima mikrokontroler PIC16f877a namenjene štiri registre:

• • ADCON0 => A/D Control Register 0

  • ADCON1 => A/D Control Register 1

  • ADRESL => A/D Result Low register

  • ADRESH => A/D Result High register

• • Bit 7 in bit 6, ADCS1 in ADCS0, ta dva bita skupaj z bitom ADCS2 iz registra ADCON1 določata čas, v katerem se izvede AD pretvorba.

  • Bit 5 - 3, biti CHS2, CHS1 in CHS0 določajo izbiro analognega vhoda.

Tabela 2: Izbira analognega kanala v odvisnosti od nastavitve bitov CHS <2:0>

• • Bit 2, GO/DONE je kontrolni bit AD pretvorbe. Ko postavimo vrednost tega bita na 1, se sproži analogno digitalna pretvorba. Ko je AD pretvorba končana, se ta bit postavi na 0.

• Bit 0, ADON, če je vrednost tega bita 1, je AD pretvorba omogočena, če pa je vrednost tega bita 0, je AD pretvorba onemogočena.

• • Bit 7, ADFM določa, v kakšni poravnavi bo pretvorjen 10-bitni digitalni rezultat. Če je vrednost tega bita 1, bo poravnava desna, sicer pa leva.

  • Bit 6, ADCS2 skupaj z bitoma ADCS1 in ADCS0 ki sta v registru ADCON0 določa čas, v katerem se izvede AD pretvorba.

  • Bit 3 - 0, PCFG3, PCFG2, PCFG1, PCFG0 določajo obnašanje analognih vhodov na PORTA, ali so določeni kot analogni ali kot digitalni. Z ustrezno nastavitvijo teh bitov lahko izbiramo tudi vrednost referenčne napetosti Vref. Ta je lahko Vdd in Vss, lahko pa izbiramo druge vrednosti referenčne napetosti, ki jih določimo na pinih RA3/AN3 in RA2/AN2.

Več podatkov najdemo v priloženi dokumentaciji za mikrokontroler PIC16f877a.

Za branje rezultata AD pretvorbe bomo upoštevali naslednje korake:

• 1. Inicializiramo modul AD pretvorbe.

  2. Izberemo analogni kanal (pin na PORTA).

  3. Zaženemo AD pretvorbo s postavitvijo bita GO/DONE na 1.

  4. Počakamo da se postavi bit GO/DONE na 0, takrat je AD pretvorba končana.

  5. Preberemo rezultat AD pretvorbe iz registrov ADRESH in ADRESL.

Inicializacija modula AD pretvorbe:

         ADCON0 = 0b10000001  

         ADCON1= 0b10001110 

ADON = 1 => AD pretvorba je omogočena.

Biti ADCS2, ADCS1 in ADCS0 imajo vrednost 010 => Čas v katerem se izvede AD pretvorba je 32 Tosc = 32 * 0,25 µs = 8 µs (oscilator 4 MHz).

Biti PCFG3, PCFG2, PCFG1, PCFG0 imajo vrednost 1110 => Pin RA0/AN0 je analogni, vsi ostali (RA1/AN1 - RA7/AN7) so digitalni. Vref+ = Vdd, Vref- = Vss.

Rezultat AD pretvorbe:

Rezultat AD pretvorbe se zapiše v registra ADRESH in ADRESL. Oba registra sta 8-bitna, rezultat AD pretvorbe pa je 10-bitni. Mi smo izbrali desno poravnavo rezultata (ADFM = 1), zato bo rezultat AD pretvorbe v osmih bitih registra ADRESL in v prvih dveh bitih registra ADRESH (tabela 5). Najmanj pomemben bit (LSB) je prvi bit (bit 0) registra ADRESL, najbolj pomembni bit (MSB) pa je drugi bit (bit 1) registra ARDESH. Zadnjih šest bitov registra ADRESH (biti 2 - 7) imajo vrednost 0.

Izhod temperaturnega senzorja LM35 bomo priključili na pin RA0/AN0. Ostale elemente, LCD zaslon, tipko reset, kristalni oscilator in druge elemente pa bomo priključili na mikrokontroler PIC16f877a kot prikazuje načrt (slika 3).

Program za digitalni termometer:

 /*

  Merjenje in prikaz temperature na LCD zaslonu.

  Okolje MPLAB IDE v8.92, HI_TECH compiler for PIC10/12/16 MCUs V9.82, oscilator 4 MHz.

  Avtor: Milan Ivič, nov. 2017.

*/

    #include <htc.h>

    #include <pic.h>

    #include <math.h>

//Definiranje priključnih pinov za LCD:

    #define RS RB1

    #define EN RB3

    #define D4 RB4

    #define D5 RB5

    #define D6 RB6

    #define D7 RB7

    #define _XTAL_FREQ 4000000

    __CONFIG(FOSC_XT & WDTE_OFF & PWRTE_ON & CP_OFF & BOREN_ON & LVP_OFF);

    #include "lcd.h"           //Vključitev header (zaglavne) datoteke lcd.h

    const unsigned short Posebni_znaki5x8[] = {

    0b01100,0b10010,0b10010,0b01100,0b00000,0b00000,0b00000,0b00000                //Koda za CGRAM, posebni znak za °

    };

    char tempC[] = "00";                 //Deklariranje 1 dimenzionalnega polja za niz spremenljivk tipa char (znaki), enice in desetice

    char tempF[] = "000";                //Deklariranje 1 dimenzionalnega polja, enice, desetice, stotice

    unsigned long temp_vrednost;         //Deklariranje spremenljivke dolžine 32 bitov

    unsigned long rezultat;

    unsigned long rezultatF;

    char a, b;                           //Deklariranje spremenljivk a in b tipa char (dolžina 8 bitov)

    unsigned int j;                      //Deklariranje spremenljivke j dolžine 16 bitov

 void ADC_Init()

 {

    ADCON0 = 0b10000001;                 //AD pretvorba je omogočena, časovni takt za pretvorbo je 32*Tosc

    ADCON1 = 0b10001110;                 //RA0/AN0 je analogni, vsi ostali so digitalni. Vref+ = Vdd, Vref- = Vss

 }

 unsigned int ADC_beri(unsigned char kanal)

 {

    if(kanal > 0)                        //Zanima nas signal na AN0 (na kanalu 0)

    {

        return 0;

    }

    ADCON0 &= 0b11000101;                //Nastavitev ustreznih bitov registra ADCON0

    ADCON1 = 0b10001110;                 //Izbira analognega vhoda AN0 in izbira desne poravnave rezultata 

    __delay_ms(3);                       //Čas potreben za polnjenje kondenzatorja (dokumentacija za PIC16f877a)

    GO_nDONE = 1;

    while(GO_nDONE);

    return ((ADRESH<<8)|ADRESL);         //Vrni se iz funkcije z rezultatom AD pretvorbe (10-bitni rezultat)

 }

 void main()

 {

    TRISB = 0x00;                               //Vsi pini na PORTB so izhodni

    TRISA = 0xFF;                               //Vsi pini na PORTA so vhodni

    LCD4bitni_Init();                           //Za komunikacijo z LCD-jem uporabimo zaglavno datoteko (header file) lcd.h

    LCD4bitni_Clear();

    LCD4bitni_Set_Cursor(1,1);

    LCD4bitni_Pisi_niz("Temperatura:");

    LCD4bitni_Cmd(0x04);                        //Naslov CGRAM za posebni znak (° => stopinja)

    LCD4bitni_Cmd(0x00);

    for (j = 0; j <= 7 ; j++)

    {

        LCD4bitni_Pisi_Znake(Posebni_znaki5x8[j]);          //Preberi in zapiši vseh 8 bytov (od 0 do 7) znaka °

    }

    LCD4bitni_Set_Cursor(2,4);

    LCD4bitni_Pisi_znak(0);                                 //V drugi vrstici (2) na petem mestu (znak 4) zapiši °

    LCD4bitni_Set_Cursor(2,10);

    LCD4bitni_Pisi_znak(0);

    LCD4bitni_Set_Cursor(2,5);

    LCD4bitni_Pisi_niz("C");

    LCD4bitni_Set_Cursor(2,11);

    LCD4bitni_Pisi_niz("F");

    ADC_Init();

    do

    {

        __delay_ms(50);

        temp_vrednost = ADC_beri(0);                            //Klicanje funkcije za branje in AD pretvorbo signala na AN0 (RA1/AN0)

        rezultat = ((temp_vrednost*500)/1023);                  //Iz binarne v decimalno vrednost

        rezultatF = ((rezultat*9)/5 + 32);                      //Iz °C v °F

        a = rezultat%10;                                        //V spremenljivko a se shrani ostanek vrednosti rezultata deljenega z 10

        tempC[1] = a + 48;                                      //Eniška vrednost temperature (48 ASCII => številka 0)

        rezultat = rezultat/10;

        a = rezultat%10;

        tempC[0] = a + 48;                                      //Desetiška vrednost temperature

        b = rezultatF%10;

        tempF[2] = b + 48;                                      //Enice, eniška vrednost temperature v  °F

        rezultatF = rezultatF/10;

        b = rezultatF%10;

        tempF[1] = b + 48;                                      //Desetice, desetiška vrednost temperature v °F

        rezultatF = rezultatF/10;

        b = rezultatF%10;

        tempF[0] = b + 48;                                      //Stotice, stotiška vrednost temperature v °F

        LCD4bitni_Set_Cursor(2,2);

        LCD4bitni_Pisi_niz(tempC);

        LCD4bitni_Set_Cursor(2,8);

        LCD4bitni_Pisi_niz(tempF);

    }

    while(1);

 }

Izdelali smo še lastni znak za stopinjo (°), kot prikazuje slika 4 in v programu določili, na katerih mestih LCD-ja se naj izpisuje.