Entwicklung von Praktikumsversuchen mit einem PIC-Controller

Diplomarbeit von Josef Fuhrer

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:

	Kurzfassung	II
	Aufgabenstellung	III
	Inhaltsverzeichnis	IV
1.	Einführung	1
2.	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	7
3.	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	10
3.1.3	Entfernungsmesser mit Ultraschall	11
3.1.4	Temperaturregelung mit Lüfter	11
3.1.5	Zählungen mit Lichtschranke	11
3.1.6	Drehzahlsteuerung und -messung	12
3.1.7	Software-Radio	12
3.1.8	RFID Experiment	12
3.1.9	Sprachausgabe/-eingabe	13
3.1.10	Geschwindigkeitsmessung mit Kameras	13
3.1.11	Schrittmotoransteuerung	13
3.1.12	Ansteuerung diverser Sensoren	13
3.2	Auswahl der zu realisierenden Plattformen	14
4.	Auslesen einer Matrixtastatur und Ausgabe auf dem LCD	15
4.1	Verwendung von I/O-Ports	16
4.2	Ausgabe von ASCII-Zeichen auf dem LCD	17
4.2.1	Aufbau des Displays	17
4.2.2	Programmierung der Übergabefunktionen	18
4.3	Auslesen der Matrixtastatur	20
4.3.1	Grundlagen der Matrixtastatur	20
4.3.2	Programmierung der Auslesefunktion	21
4.4	Das Hauptprogramm des Versuchs	22
5.	Temperaturregelung mit einem Lüfter	23
5.1	Aufbau der Platine	24
5.2	Der A/D-Wandler des PIC 18F458	27
5.3	Programmierung des Versuchs	29
6.	RFID-Lesekopf Versuch	31
6.1	Aufbau und Ablauf des Versuchs	32
6.2	Die USART-Hardware	33
6.3	Programmierung des Controllers	34
7.	RFID mit Sprachmodul	36
7.1	Aufbau und Funktion des Versuchs	36
7.2	Timer0 des PIC 18F458	39
7.3	Programmierung	40
8.	Praktikumsversuche für Studenten	43
8.1	Erster Versuch: Ansteuern von I/O-Ports	43
8.2	Zweiter Versuch: Auslesen eines Temperatursensors	44
8.3	Dritter Versuch: Auslesen von Transponder-IDs	45
	Literaturverzeichnis	46
	Abbildungsverzeichnis	47
	Anhang	48
	A.1 Erster Versuch: Ansteuern von I/O-Ports	48
	A.2 Zweiter Versuch: Verarbeitung von Daten eines Temperatursensors	52
	A.3 Dritter Versuch: Auslesen von Transponder-IDs	55

Textprobe:

Kapitel 3, 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 Entwicklungsboards realisierbar sind. Es werden die Schwerpunkte jedes Experimentes 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 I2C-Interface angeschlossen sind. Mithilfe dieser Anzeigen könnte eine Laufschrift erzeugt werden, deren Laufrichtung und Geschwindigkeit variabel ist. Der Fokus liegt dabei im Umgang mit dem im Controller integrierten MSSP-Modul.

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 Matrixtastaturund die Ausgabe der gedrückten Taste auf dem LCD. Um beide Peripheriemodule 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 Ultraschall 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 hierfür eine externe Baugruppe erstellt werden. Der Aufbau könnte die Form eines Stiftes aufweisen. Es wird auf das Objekt gezielt, dessen Abstand gemessen werden soll. Die Entfernung wird dann auf dem LCD des Entwicklungsboards ausgegeben.

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 Heizwiderstand kühlt. Der Widerstand kann dadurch mithilfe einer automatischen Regelung auf einer gewünschten Solltemperatur gehalten werden. Die Eingabe des Sollwertes 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.

3.1.5, Zählungen mit Lichtschranke:

Mit dem Mikrocontroller wird eine Lichtschranke angesteuert. Diese könnte beispielsweise 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 realisiert werden können.