Entwicklung von Praktikumsversuchen mit einem PIC-Controller

Fuhrer, Josef

Entwicklung von Praktikumsversuchen mit einem PIC-Controller

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Einleitung:
Heutzutage befinden sich in nahezu allen elektronischen Geräten Mikrocontroller. Diese universell einsetzbaren Ein-Chip-Systeme können je nach Anwendung individuell programmiert werden. Sie kommen zum Einsatz wenn es darum geht, Steuerungsprobleme zu lösen und dabei den Platzbedarf so gering wie möglich zu halten.
Sie ersetzen Schaltungen, deren Realisierung mit analogen oder diskreten Bauteilen einen mehr oder weniger hohen Arbeits- und Zeitaufwand erfordern würde. Da sie in Applikationen eingebettet sind, werden sie als Embedded Systems bezeichnet.
Studierende der Fachrichtung Elektrotechnik an der Hochschule Augsburg sollen anhand motivierender praktischer Versuche in den Umgang mit Mikrocontrollern eingeführt werden. Deshalb ist die Absolvierung eines Mikrocontrollerpraktikums Teil dieses Studiums. Auf Grundlage eines neuen Entwicklungsboards sollen nun Versuche erstellt werden, die einen guten Einblick in das Arbeiten mit Embedded Systems vermitteln. Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
KurzfassungII
AufgabenstellungIII
InhaltsverzeichnisIV
1.Einführung1
2.Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge2
2.1PIC Universal Board2
2.2Mikrocontroller PIC 18F4583
2.3MPLAB IDE v8.10 mit C18-Compiler v3.225
2.4USB PIC Programmer7
3.Versuchsplattformen10
3.1Ideensammlung10
3.1.1Laufschrift auf den 7-Segment Anzeigen10
3.1.2Auslesen einer Matrixtastatur und Ausgabe auf dem LCD10
3.1.3Entfernungsmesser mit Ultraschall11
3.1.4Temperaturregelung mit Lüfter11
3.1.5Zählungen mit Lichtschranke11
3.1.6Drehzahlsteuerung und -messung12
3.1.7Software-Radio12
3.1.8RFID Experiment12
3.1.9Sprachausgabe/-eingabe13
3.1.10Geschwindigkeitsmessung mit Kameras13
3.1.11Schrittmotoransteuerung13
3.1.12Ansteuerung diverser Sensoren13
3.2Auswahl der zu realisierenden Plattformen14
4.Auslesen einer Matrixtastatur und Ausgabe auf dem LCD15
4.1Verwendung von I/O-Ports16
4.2Ausgabe von ASCII-Zeichen auf dem LCD17
4.2.1Aufbau des Displays17
4.2.2Programmierung der Übergabefunktionen18
4.3Auslesen der Matrixtastatur20
4.3.1Grundlagen der Matrixtastatur20
4.3.2Programmierung der Auslesefunktion21
4.4Das Hauptprogramm des Versuchs22
5.Temperaturregelung mit einem Lüfter23
5.1Aufbau der Platine24
5.2Der A/D-Wandler des PIC 18F45827
5.3Programmierung des Versuchs29
6.RFID-Lesekopf Versuch31
6.1Aufbau und Ablauf des Versuchs32
6.2Die USART-Hardware33
6.3Programmierung des Controllers34
7.RFID mit Sprachmodul36
7.1Aufbau […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Josef Fuhrer

Entwicklung von Praktikumsversuchen mit einem PIC-Controller

ISBN: 978-3-8366-3718-3

Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2010

Zugl. Universität Augsburg, Augsburg, Deutschland, Diplomarbeit, 2009

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http://www.diplomica.de, Hamburg 2010

Josef Fuhrer

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Realisierung von Plattformen und Versu-

chen auf der Basis des PIC Universal Boards. Sie dienen als Grundlage für eine

mögliche Neugestaltung des Praktikums Mikrocomputertechnik an der Hoch-

schule Augsburg.

Der erste Teil dieser Arbeit gibt dem Leser eine Einführung in die verwendeten

Werkzeuge. Hierbei wird das PIC Universal Board vorgestellt, der verwendete

Mikrocontroller, sowie der Programmer und die Entwicklungsumgebung MPLAB

v8.10 mit C18-Compiler v3.22.

Eine Ideensammlung für mögliche realisierbare Projekte erfolgt im darauf folgen-

den Abschnitt. Aus diesen wird eine Auswahl von vier Versuchen mit unter-

schiedlichen Themenschwerpunkten entwickelt. Dies beinhaltet zusätzlich die

Entwicklung von drei Platinen, die als Peripherie auf das Entwicklungsboard

gesteckt werden können.

Aus diesen Projekten werden drei Praktikumsversuche abgeleitet, welche in der

vorgegebenen Zeit des Praktikums Mikrocomputertechnik durchführbar sind.

Dabei werden die jeweiligen Anforderungen und vermittelten Fähigkeiten an die

Studenten erläutert.

Der Anhang beinhaltet schließlich konkrete Versuchsanleitungen zu den drei

Praktikumsversuchen. Dies umfasst die Aufgabenstellungen zur Vorbereitung

und mögliche Lösungsvorschläge.

Josef Fuhrer

III

Aufgabenstellung

Teil des Studiums Elektrotechnik an der Hochschule Augsburg ist die Absolvie-

rung des Praktikums Mikrocomputertechnik. Als Praktikumsboard wird derzeit

der NF-300 Rechner zusammen mit dem Mikrocontroller 68332 verwendet. Auf

der Grundlage eines vorgegebenen PIC Universal Boards sollen nun neue Versu-

che entwickelt werden.

Als erstes muss ein geeigneter Mikrocontroller ausgewählt werden, welcher mit

dem Entwicklungsboard und dem Programmer kombinierbar ist. Weiter soll eine

Software gewählt werden, die frei verfügbar, aber dennoch professionell ist. Als

Programmiersprache ist vorzugsweise die Hochsprache C zu wählen.

Anhand der ausgewählten Entwicklungswerkzeuge sollen im Anschluss drei bis

vier Versuche entwickelt werden, auf dessen Grundlage den Studenten der Um-

gang mit Mikrocontrollern nähergebracht werden kann. Die Versuche können

entweder mit den Funktionsgruppen auf dem Entwicklungsboard realisiert wer-

den, oder durch Anfertigung zusätzlicher Peripherie. Die Ausmaße der Plattfor-

men sollen dabei nicht allzu groß sein, sodass es den Studenten möglich ist, die

Plattformen mit nach Hause zu nehmen.

Zum Schluss sollen aus den erstellten Versuchen drei Praktikumsversuche abge-

leitet werden, welche in der vorgegebenen Zeit der Praktikumstermine von den

Studenten realisierbar sind. Dazu gehören jeweils eine Versuchsanleitung für

Studenten sowie ein Lösungsvorschlag zur Realisierung.

Inhaltsverzeichnis

Josef Fuhrer

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung ... II

Aufgabenstellung ...III

Inhaltsverzeichnis ... IV

Einführung ... 1

Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge ... 2

2.1

PIC Universal Board ... 2

2.2

Mikrocontroller PIC 18F458 ... 3

2.3

MPLAB IDE v8.10 mit C18-Compiler v3.22 ... 5

2.4

USB PIC Programmer ... 8

Versuchsplattformen ... 10

3.1

Ideensammlung...10

3.1.1

Laufschrift auf den 7-Segment Anzeigen ...10

3.1.2

Auslesen einer Matrixtastatur und Ausgabe auf dem LCD ...11

3.1.3

Entfernungsmesser mit Ultraschall ...11

3.1.4

Temperaturregelung mit Lüfter ...11

3.1.5

Zählungen mit Lichtschranke ...12

3.1.6

Drehzahlsteuerung und messung ...12

3.1.7

Software-Radio ...12

3.1.8

RFID Experiment...13

3.1.9

Sprachausgabe/-eingabe...13

3.1.10

Geschwindigkeitsmessung mit Kameras ...13

3.1.11

Schrittmotoransteuerung ...13

3.1.12

Ansteuerung diverser Sensoren ...14

3.2

Auswahl der zu realisierenden Plattformen ...14

Inhaltsverzeichnis

Josef Fuhrer

Auslesen einer Matrixtastatur und Ausgabe auf dem LCD ... 16

4.1

Verwendung von I/O-Ports ...17

4.2

Ausgabe von ASCII-Zeichen auf dem LCD ...18

4.2.1

Aufbau des Displays ...18

4.2.2

Programmierung der Übergabefunktionen ...19

4.3

Auslesen der Matrixtastatur...21

4.3.1

Grundlagen der Matrixtastatur ...21

4.3.2

Programmierung der Auslesefunktion ...22

4.4

Das Hauptprogramm des Versuchs ...23

Temperaturregelung mit einem Lüfter ... 24

5.1

Aufbau der Platine...25

5.2

Der A/D-Wandler des PIC 18F458 ...28

5.3

Programmierung des Versuchs...30

RFID-Lesekopf Versuch ... 32

6.1

Aufbau und Ablauf des Versuchs ...33

6.2

Die USART-Hardware ...34

6.3

Programmierung des Controllers ...35

RFID mit Sprachmodul... 37

7.1

Aufbau und Funktion des Versuchs ...37

7.2

Timer0 des PIC 18F458 ...40

7.3

Programmierung ...41

Praktikumsversuche für Studenten... 44

8.1

Erster Versuch: Ansteuern von I/O-Ports...44

8.2

Zweiter Versuch: Auslesen eines Temperatursensors ...45

8.3

Dritter Versuch: Auslesen von Transponder-IDs ...46

Literaturverzeichnis... 47

Inhaltsverzeichnis

Josef Fuhrer

Abbildungsverzeichnis... 48

Anhang ... 49

A.1 Erster Versuch: Ansteuern von I/O-Ports...49

A.2 Zweiter Versuch: Verarbeitung von Daten eines Temperatursensors...53

A.3 Dritter Versuch: Auslesen von Transponder-IDs ...56

1 Einführung

Josef Fuhrer

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Einführung

Heutzutage befinden sich in nahezu allen elektronischen Geräten Mikrocontroller.

Diese universell einsetzbaren Ein-Chip-Systeme können je nach Anwendung indi-

viduell programmiert werden. Sie kommen zum Einsatz wenn es darum geht,

Steuerungsprobleme zu lösen und dabei den Platzbedarf so gering wie möglich zu

halten.

Sie ersetzen Schaltungen, deren Realisierung mit analogen oder diskreten Bautei-

len einen mehr oder weniger hohen Arbeits- und Zeitaufwand erfordern würde.

Da sie in Applikationen eingebettet sind, werden sie als ,,Embedded Systems"

bezeichnet.

Studierende der Fachrichtung Elektrotechnik an der Hochschule Augsburg sollen

anhand motivierender praktischer Versuche in den Umgang mit Mikrocontrollern

eingeführt werden. Deshalb ist die Absolvierung eines Mikrocontrollerpraktikums

Teil dieses Studiums. Auf Grundlage eines neuen Entwicklungsboards sollen nun

Versuche erstellt werden, die einen guten Einblick in das Arbeiten mit Embedded

Systems vermitteln.

2 Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge

Josef Fuhrer

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Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge

In diesem Abschnitt werden die Komponenten bekannt gemacht, welche in dieser

Arbeit verwendet werden. Hierzu zählen ein Entwicklungsboard mit PIC-

Mikrocontroller, ein dazugehöriger Programmer und die Entwicklungsumgebung

MPLAB IDE v8.10 mit C18-Compiler v3.22.

2.1 PIC Universal Board

Die Basis aller Versuche bildet das PIC Universal Board, welches in Abb. 1 darge-

stellt ist. Es handelt sich dabei um ein Experimentier- und Entwicklungsboard für

Einsteiger und fortgeschrittene Anwender. Es unterstützt alle Controller der

PIC12x- bis PIC18x-Reihen im PDIP Gehäuse, mit einer Pinanzahl von 8, 18, 28

und 40.

Abb. 1: PIC Universal Board

2 Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge

Josef Fuhrer

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Auf dem Board sind eine Reihe von Funktionsgruppen angeordnet, die per DIP-

Schalter oder über Jumperleisten mit dem Mikrocontroller verbunden werden

können. Des Weiteren sind sämtliche Portpins mit Steckerleisten und Schraub-

klemmen verbunden. Dadurch sind externe Baugruppen problemlos an den Mi-

krocontroller anschließbar.

Zu den wichtigsten On-Board-Funktionsgruppen zählen:

Alphanumerisches LCD-Modul mit 4x20 Zeichen

12er Matrixtastatur

Temperaturfühler

RS232-Schnittstelle

4-stellige 7-Segmentanzeige mit Segment-Treiber

8 LEDs für einzelne I/O-Pins

Miniatur-Lautsprecher

Spannungsteiler für Analogeingänge

Weitere Funktionsgruppen sowie eine detaillierte Beschreibung des Boards kön-

nen im Downloadbereicht unter www.embedded-channel.de kostenlos herunter-

geladen werden. Dem Entwickler stehen somit eine ganze Reihe von Möglichkei-

ten zur Verfügung Projekte zu entwickeln und erste Simulationen mit der

Peripherie durchzuführen.

2.2 Mikrocontroller PIC 18F458

Bei einem PIC im Allgemeinen handelt es sich um einen Mikrocontroller, welcher

von der Firma Microchip Technology Inc. hergestellt wird. Sie werden eingeteilt in

verschiedene Familien.

Die kleineren PIC-Familien PIC10x, PIC12x und PIC16x werden vorzugsweise in

Assemblersprache programmiert. Ihre kleinen und zerklüftet organisierten Spei-

cher erfordern in der Regel den Einsatz von optimiertem Assemblercode. Im Nor-

malfall werden Mikrocontroller heutzutage aber in Hochsprachen programmiert.

2 Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge

Josef Fuhrer

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In einer Hochsprache, wie z.B. C, lassen sich Programme viel schneller und fehler-

freier erstellen. Die Hochsprachenprogrammierung bringt aber auch Nachteile mit

sich. Darunter zählen vor allem der höhere Speicherbedarf und der langsamere

Programmlauf.

Die PIC18x-Typen haben im Vergleich zu den kleineren Familien deutlich größere,

linear adressierbare Speicher und sind schneller als diese. Deshalb kompensieren

sie die typischen Nachteile und eignen sich gut für eine Programmierung in C.

Für sehr anspruchsvolle Projekte gibt es noch die Familien PIC24x, dsPICx und

PIC32x. Diese sind für komplizierte mathematische Berechnungen ausgelegt, wie

sie in der digitalen Signalverarbeitung auftreten. Darunter zählen z. B. Fourier-

Analysen oder digitale Filter [1].

In dieser Arbeit wird ausschließlich der Mikrocontroller PIC 18F458 mit einem

externen Systemtakt von 4 MHz verwendet. Dieser besitzt die Gehäuseform PDIP

mit einer Pinanzahl von 40. Tab. 1 gibt eine Übersicht hinsichtlich der physikali-

schen Eigenschaften sowie integrierter Hardware-Module. Zum Vergleich des

Unterschieds zwischen ähnlichen Typen sind diese ebenfalls aufgelistet.

Tab. 1: Eigenschaften des PIC 18F458 [Datenblatt PIC18F458]

Wie ersichtlich ist, ist der verwendete Mikrocontroller sehr flexibel einsetzbar und

daher für diese Arbeit bestens geeignet.

2 Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge

Josef Fuhrer

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Abb. 2 gibt die Belegung der einzelnen Pins wieder. Da ,,nur" 40 Pins zu Verfü-

gung stehen, sind diese fast alle für verschiedene Verwendungszwecke mehrfach

belegt. Das dazugehörige Datenblatt des Controllers gibt genaueren Aufschluss

über die Bedeutung der einzelnen Bezeichnungen.

Abb. 2: Pinbelegung PIC 18F458 [Datenblatt PIC 18F458]

2.3 MPLAB IDE v8.10 mit C18-Compiler v3.22

Microchip Technology Inc. stellt unter www.microchip.com für die Entwicklung

von eingebetteten Applikationen die Entwicklungsumgebung ,,MPLAB IDE"

kostenfrei zum Download bereit. Diese unterstützt den Entwickler mit einer Reihe

von Werkzeugen bei der Realisierung eines Projekts. Durch den integrierten As-

Plastic Dual Inline Package; Gehäuseform für elektronische Bauelemente

2 Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge

Josef Fuhrer

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sembler und Linker ist die Software dafür ausgelegt, Programme in Assembler-

sprache zu erstellen.

Da in dieser Arbeit aber die Programmiersprache C zum Einsatz kommen soll,

muss der Entwicklungsumgebung noch ein C-Compiler hinzugefügt werden. Für

Mikrocontroller der PIC18x-Familie gibt es von Microchip Technology Inc. einen

Compiler zum Download. Es handelt sich hierbei um den C18-Compiler. Dieser ist

in der Studentenversion ebenfalls kostenlos. Für die Dauer der ersten 60 Tage

unterscheidet sich die Software nicht von der Vollversion. Nach Ablauf dieser Zeit

ist als Einschränkung der erweiterte Befehlssatz nicht verfügbar. Daraus resultiert

ein längerer Assemblercode. Des Weiteren ist die vorhandene Codeoptimierung

nicht frei konfigurierbar. Sie wird nach einem Defaultschema durchgeführt, was

einen Kompromiss zwischen Codegröße und Schnelligkeit darstellt [2]. Für diesen

Verwendungszweck spielt dies aber nur eine untergeordnete Rolle und auf den

Kauf der Vollversion kann deshalb verzichtet werden.

Somit ist die integrierte Entwicklungsumgebung vollständig. Der C-Compiler

übersetzt das C-Programm zusammen mit dem integrierten Assembler in eine

Objektdatei vom Typ ,,*.o". Der Linker enthält Angaben über den physikalischen

Aufbau des Controllers und verknüpft Programmteile zu einem ausführbaren

Code. Er erstellt aus der Objektdatei eine Ladedatei vom Typ ,,*.hex". Der HEX-

Code wird letztendlich in den Controller geladen.

Für MPLAB IDE gibt es einen ausführlichen ,,MPLAB IDE User Guide". Falls bei

der Installation Probleme auftreten sollten, wird hier auf dieses Dokument im

Anhang verwiesen. Für den C18 Compiler stellt Microchip Technology Inc. das

Dokument ,,MPLAB C18 Getting Started" zur Verfügung. Zur Installation des

Compilers ist dieses heranzuziehen. Dort sind die einzelnen Installationsschritte

ausführlich beschrieben. Es soll hier nur angemerkt werden, dass es sinnvoll ist,

bei der Installation des C18-Compilers unter den Configuration Options alle Ha-

ken zu setzen, wie Abb. 3 zeigt. Dadurch werden Dateipfade des Compilers in

MPLAB IDE eingefügt und ein komfortableres Arbeiten ist somit möglich.

2 Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge

Josef Fuhrer

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Abb. 3: C18 Configuration Options

Nach erfolgreicher Installation muss ein neues Projekt erstellt werden. Hierfür

sind einige Schritte nötig, deren Beschreibung hier den Rahmen der Diplomarbeit

sprengen würde. Deshalb wird ebenfalls auf das Dokument ,,MPLAB C18 Getting

Started" verwiesen. Die Vorgehensweise ist dort in Kapitel 3 sehr gut dokumen-

tiert, weshalb an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen wird. Zusätzlich

sind dort Anfängerprogramme in Kapitel 4 ausführlich beschrieben. Es wird

empfohlen diese abzuarbeiten, da sie einen grundlegenden Einblick in den Um-

gang mit der Software geben. Ein ausführlicher ,,C18-User Guide" befindet sich

ebenfalls im Anhang. Auf diesen kann zurückgegriffen werden, falls Interesse an

einem tieferen Einarbeiten in das Programm besteht.

Microchip Technology Inc. stellt mit dem C18-Compiler zahlreiche Bibliotheken

bereit, die dem Entwickler Programmierarbeit abnehmen. Im Anhang befindet

sich das Dokument ,,MPLAB C18-Libraries", welches eine gute Übersicht über die

mitgelieferten Bibliotheken vermittelt. Oft sind auch Anwendungsbeispiele gege-

ben, was eine schnelle Einarbeitung in den Umgang mit diesen ermöglicht.

2 Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge

Josef Fuhrer

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2.4 USB PIC Programmer

Zum Beschreiben des Controllers mit einem HEX-Code wird der ,,Universal USB

PIC Programmer" verwendet (Abb. 4). Dieser ist neben eines Nullkraftsockels mit

einer ICSP

-Schnittstelle ausgestattet. Zur Programmierung wird normalerweise

der Controller in den Nullkraftsockel eingesetzt. Dies hat den Nachteil dass der

Controller bei jeder Programmierung aus dem Zielsystem genommen werden

muss. Hierbei ist äußerste Sorgfalt angebracht, da die Pins sehr empfindlich sind

und leicht abbrechen.

Abb. 4: USB PIC Programmer

Da aber das Entwicklungsboard ebenfalls mit einer ICSP-Schnittstelle ausgestattet

ist, kann durch Verbinden dieser Schnittstellen eine Onboard-Programmierung

durchgeführt werden. Somit braucht der Controller nicht mehr aus dem Ziel-

system genommen werden. Hierbei ist aber zu beachten, dass am Mikrocontroller

ein Dauerreset ansteht, sobald diese Schnittstellen verbunden sind. Deshalb muss

nach erfolgreicher Programmierung diese Verbindung wieder getrennt werden.

Zum Programmer wurde die Software ,,MicroPro" mitgeliefert. Mithilfe dieser

wird die Ladedatei vom Typ *.hex in den Controller geladen. Zuvor müssen aber

unbedingt die Configuration-Bits angepasst werden. Mit ihnen wird die allgemei-

In-Circuit Serial Programming

2 Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge

Josef Fuhrer

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ne Konfiguration des Mikrocontrollers bestimmt. Dies geschieht durch Klicken

des in Abb. 5 dargestellten Buttons ,,Fuses".

Abb. 5: USB PIC Programmer Software

Es öffnet sich daraufhin ein weiteres Fenster. Hier muss der Watchdog Timer und

Low Voltage Programm deaktiviert, sowie der Oszillator auf XT gestellt werden.

Abb. 6 zeigt das geänderte Fenster. Bei Nichtänderung beginnt der Controller

nach der Programmierung nicht mit der Arbeit.

Abb. 6: USB PIC Programmer Fuse Edit

2 Vorstellung der Entwicklungswerkzeuge

Josef Fuhrer

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Somit sind die Entwicklungswerkzeuge vollständig und es können eigene Projekte

entwickelt werden.

Versuchsplattformen

Bei den Versuchsaufbauten soll es den Studenten möglich sein, diese mit nach

Hause zu nehmen. Dadurch sind auch die Ausmaße der Aufbauten beschränkt.

Am sinnvollsten sind hierbei Platinen, die auf das Entwicklungsboard gesteckt

werden können.

3.1 Ideensammlung

In diesem Abschnitt werden mögliche Versuche aufgelistet, die mithilfe des Ent-

wicklungsboards realisierbar sind. Es werden die Schwerpunkte jedes Experimen-

tes geschildert und die dazu benötigten Komponenten abgeschätzt.

3.1.1 Laufschrift auf den 7-Segment Anzeigen

Auf dem Entwicklungsboard befinden sich vier 7-Segment-Anzeigen, die an einen

LED-Treiberbaustein mit I

C-Interface angeschlossen sind. Mithilfe dieser Anzei-

gen könnte eine Laufschrift erzeugt werden, deren Laufrichtung und Geschwin-

digkeit variabel ist. Der Fokus liegt dabei im Umgang mit dem im Controller in-

tegrierten MSSP

-Modul.

Master Synchroner Serieller Port

3 Versuchsplattformen

Josef Fuhrer

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3.1.2 Auslesen einer Matrixtastatur und Ausgabe auf dem LCD

Ebenfalls befinden sich auf dem Entwicklungsboard eine 3x4 Matrixtastatur und

ein LCD

für 4x20 Zeichen. Der Versuch beinhaltet das Auslesen der Matrixtasta-

tur und die Ausgabe der gedrückten Taste auf dem LCD. Um beide Peripherie-

module ansteuern zu können, muss der Umgang mit der parallelen Schnittstelle

des Controllers erlernt werden.

3.1.3 Entfernungsmesser mit Ultraschall

Im Internet sind viele Module erhältlich mit welchen sich Entfernungen per Ultra-

schall messen lassen. Sie besitzen zur Ansteuerung unterschiedliche serielle

Schnittstellen. Dieser Versuch eignet sich gut, um den Umgang mit den seriellen

Hardware-Modulen des Controllers zu erlernen. Für die Realisierung muss hier-

für eine externe Baugruppe erstellt werden. Der Aufbau könnte die Form eines

Stiftes aufweisen. Es wird auf das Objekt gezielt, dessen Abstand gemessen wer-

den soll. Die Entfernung wird dann auf dem LCD des Entwicklungsboards ausge-

geben.

3.1.4 Temperaturregelung mit Lüfter

Auf einer Platine befindet sich ein Heizwiderstand, dessen Temperatur mit einem

Sensor gemessen wird. Zusätzlich ist ein Lüfter verbaut, welcher den Heizwider-

stand kühlt. Der Widerstand kann dadurch mithilfe einer automatischen Regelung

auf einer gewünschten Solltemperatur gehalten werden. Die Eingabe des Sollwer-

tes erfolgt über die Matrixtastatur, die Ausgabe des Soll- und Istwertes auf dem

LCD. Der Temperaturwert wird durch das Ergebnis des A/D-Wandlers bestimmt,

welcher als integriertes Hardware-Modul Teil des Mikrocontrollers ist. Eine 2-

Punkt-Regelung sollte anfangs für diesen Versuch genügen.

Liquid Crystal Display

3 Versuchsplattformen

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3.1.5 Zählungen mit Lichtschranke

Mit dem Mikrocontroller wird eine Lichtschranke angesteuert. Diese könnte bei-

spielsweise an der Seite eines Rohres angebracht sein, durch das Kugeln fallen. Bei

jeder Unterbrechung wird ein Zähler inkrementiert, wodurch sich am Ende die

Gesamtanzahl bestimmen lässt. Die Ansteuerung der Lichtschranke erfolgt hierbei

entweder durch Verwendung von I/O-Ports oder per serielle Schnittstelle.

3.1.6 Drehzahlsteuerung und messung

Als Erweiterung für den Temperaturregelungsversuch kann die Drehzahl des

Lüfters gesteuert werden. Es könnte aber auch einen eigenständigen Versuch

darstellen. Zur Drehzahlsteuerung muss ein puls-weiten-moduliertes Signal vom

Mikrocontroller erzeugt werden. Dazu muss das CCP

-Modul verwendet werden.

Wird dieser Versuch als Erweiterung zur Temperaturregelung realisiert, ließen

sich Funktionen für unterschiedliche Regelungen implementieren und somit das

Regelverhalten untersuchen. Weiter könnte die aktuelle Drehzahl des Lüfters

bestimmt werden. Eine Idee zur Realisierung ist beispielsweise das Auslösen eines

Interrupts bei jedem Drehzahlimpuls und Inkrementierung eines Zählers. Aus

dem Zählerstand lässt sich dann die Geschwindigkeit berechnen.

3.1.7 Software-Radio

Mit dem Mikrocontroller werden Hardwareteile eines Hochfrequenzempfängers

durch Software ersetzt. Zusätzlich muss hierfür eine Platine erstellt werden, auf

welcher die Empfangsantenne und Lautsprecher mit Verstärker untergebracht

sind. Weiter muss erarbeitet werden, welche Teile des Hochfrequenzempfängers

als Hardware-Modul auf der Platine untergebracht und welche per Software reali-

siert werden können.

Capture/Compare/PWM

3 Versuchsplattformen

Josef Fuhrer

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3.1.8 RFID Experiment

Ein RFID-Modul liest die Codes verschiedener Transponder aus und sendet diese

über eine serielle Schnittstelle an den Mikrocontroller. Auf dem LCD wird danach

der aktuelle Transpondercode dargestellt. Somit liegt der Schwerpunkt hier eben-

falls im Umgang mit einer seriellen Schnittstelle.

3.1.9 Sprachausgabe/-eingabe

Mit einem Sprachmodul könnte per Sprachsteuerung die Richtung eines Roboter-

arms mit beispielsweise einer integrierten Kamera gelenkt werden. Weiter wäre es

möglich, durch die Sprachausgabe diverse akustische Feedbacks zu erhalten. Mit

der Sprachausgabe könnte darüber hinaus das RFID-Experiment mit einem sol-

chen Modul erweitert werden. Bei Erkennung eines Transponders könnte die

jeweilige Person namentlich begrüßt werden.

3.1.10 Geschwindigkeitsmessung mit Kameras

Auf einer Modellschiene befindet sich ein Rollwagen, an dessen Unterseite zwei

Kameras in einem bestimmten Abstand angebracht sind. Durch Erkennung der

Querbalken der Gleise lässt sich daraus die Geschwindigkeit des Wagens bestim-

men. Hierfür muss der Datenstrom der Kameras mit dem Mikrocontroller verar-

beitet werden. Die aktuelle Geschwindigkeit ließe sich auf dem LCD oder auf den

7-Segment-Anzeigen darstellen.

3.1.11 Schrittmotoransteuerung

Auf einer Platine ist ein kleiner Schrittmotor platziert, welcher mit dem Mikro-

controller angesteuert wird. Dabei muss zur Positionsbestimmung ein Geber aus-

gelesen und die neue Sollposition durch Einbezug der Istwerte berechnet werden.

3 Versuchsplattformen

Josef Fuhrer

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3.1.12 Ansteuerung diverser Sensoren

Für Anschauungszwecke sind unterschiedlichste Sensoren für Temperatur, Licht,

Ultraschall, Druck usw. auf einer Platine angeordnet. Per Software kann ein be-

stimmter Sensor ausgewählt, sein Messsignal mit dem Controller verarbeitet und

auf dem LCD dargestellt werden.

3.2 Auswahl der zu realisierenden Plattformen

Aus den in unter Abschnitt 3.1 aufgeführten möglichen Versuchen sollen nun vier

Stück ausgewählt und realisiert werden. Um das Praktikum sinnvoll und ab-

wechslungsreich zu gestalten, sollten die Versuche unterschiedliche Themen-

schwerpunkte haben. Dadurch ist ein umfassender Einblick in die Möglichkeiten

beim Arbeiten mit dem PIC-Controller gegeben.

Der Versuch ,,Auslesen einer Matrixtastatur und Ausgabe auf dem LCD" ist ein

gut verwendbarer Anfangsversuch, da dort der Umgang mit digitalen I/O-Pins

ausführlich abgehandelt wird. Des Weiteren wird hierbei möglicherweise das

Interesse mancher Studenten geweckt, sich auch im privaten Bereich mit Mikro-

controller zu beschäftigen. Vor allem bei Ausgaben auf einem LCD sind unzählige

Anwendungsmöglichkeiten für eigene Projekte denkbar.

Als Aufbauversuch wird die Temperaturregelung mit Lüfter gewählt. Hierbei

liegt der Fokus im Umgang mit dem im Controller integrierten A/D-Wandler.

Meist besitzen heutzutage sogar die kleinsten Vertreter der Mikrocontroller we-

nigstens einen A/D-Wandler. Viele Sensoren unterschiedlichster Einsatzbereiche

stellen am Ausgang ein analoges Messsignal bereit. Dieses kann somit ohne ein

zusätzliches externes Bauteil weiterverarbeitet werden. Deshalb ist es sinnvoll dies

in einem Versuch abzuhandeln.

Da die meisten Peripheriegeräte heutzutage untereinander über serielle Schnitt-

stellen kommunizieren, sollte mit einer solchen in einem Praktikumsversuch gear-

beitet werden. Deshalb wird der RFID-Versuch realisiert.

Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Jahr: 2009
ISBN (eBook): 9783836637183
DOI: 10.3239/9783836637183
Dateigröße: 2.3 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Universität Augsburg – Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Erscheinungsdatum: 2009 (Oktober)
Note: 1,7
Schlagworte: mikrocontroller mplab programmierung versuchsaufbau

Autor

Josef Fuhrer (Autor:in)

Entwicklung von Praktikumsversuchen mit einem PIC-Controller

Zusammenfassung

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Details

Autor

Josef Fuhrer (Autor:in)