EdW 2003/08 - Elportal

50
2673
Do czego to służy?
Gdy budujemy system mikroprocesorowy,
który w założeniach ma być obsługiwany
przez człowieka, do przekazywania mu informacji
zwykle używamy klawiatur. Są to klawiatury
dołączone wprost do wyprowadzeń
mikroprocesora i masy lub plusa zasilania lub
też matrycowe. W obu przypadkach zajmują
one niemało wyprowadzeń układu, co często
jest poważnym problemem. Zwłaszcza
w 89C2051, 90S2313 lub miniaturowych
AVR-ach (np. 90S2343, 90S1200). Niekiedy
brakuje nam wyprowadzeń. Prezentowany
układ rozwiązuje powyższe problemy, gdy
potrzebna jest klawiatura o ośmiu lub mniej
przyciskach. Do jego połączenia z procesorem
wystarczy jedno wyprowadzenie. Układ
na swoim wyjściu wytwarza przebieg prostokątny
niosący informację o numerze wciśniętego
przycisku. Jest on łatwy do zdekodowania
za pomocą dowolnego procesora. Ogromną
zaletą układu jest jego bardzo niska cena
oraz to, że w spoczynku w ogóle nie pobiera
prądu, z wyjątkiem liczonych w nanoamperach
prądów polaryzacji wejść CMOS i różnych
prądów upływu. Pomiar tego prądu za
pomocą mikroamperomierza cyfrowego
o rozdzielczości 1µA nie spowodował jakiejkolwiek
reakcji miernika, nawet na tej najmniej
znaczącej pozycji – a więc prąd pobierany
w spoczynku jest dużo mniejszy od
1µA! Pobór w trakcie pracy wynosi ok.
650µA i może być zmniejszony, jeśli zajdzie
taka potrzeba poprzez zwiększenie wartości
rezystorów R2,R3 i R6, które są w modelu
stosunkowo małe. Cechy te pozwalają na zasilanie
bateryjne. I tu ujawnia się kolejne zastosowanie
opisywanego modułu – dodając
jakikolwiek generator częstotliwości nośnej
(choćby na 4047 lub 555 CMOS), możemy
zbudować taniutki i prosty pilot zdalnego
Klawiatura do mikrokontrolera,
czyli osiem przycisków w jednym
sterowania, przeznaczony do współpracy
z mikrokontrolerem. Kolejną zaletą jest wyjście
typu otwarty kolektor.
Jak to działa?
Schemat ideowy przedstawiony jest na rysunku
1. Jak widać, całość zrealizowałem
zużyciem dwóch prostych układów CMOS
i garstki elementów. W stanie spoczynku
wszystkie przyciski są rozwarte, U1 jest wyzerowany
i na jego wyjściu Q0 występuje
stan wysoki. Tranzystor T2 jest zatkany a generator
z bramką U2A nie pracuje. Na nóżce
11 U2 jest stan niski i T1 jest zatkany. Wciśnięcie
któregokolwiek z przycisków spowoduje
podanie stanu niskiego na wejście RST
układu U1 oraz otwarcie T2. Drgania występujące
na początku nie będą przeszkadzać,
gdyż obwód opóźniający R4C2 nie pozwoli
na uruchomienie generatora z bramką
U2A, zanim drgania te nie ustąpią. Gdy już
tak się stanie, generator ten zaczyna pracować,
wytwarzając przebieg prostokątny o częstotliwości
ok. 1kHz. Wraz z wystąpieniem
pierwszego zbocza narastającego stan wysoki
zniknie z wyjścia Q0 U1, bramka U2B otworzy
bramkę U2C i na wyjściu układu (kolektor
T1) pojawi się zanegowany przebieg
znóżki 3 U2 – za stan wysoki uznaję tu stan
zatkania T1, wszak jego kolektor będzie zawsze
podciągnięty do plusa zasilania sterowanego
układu mikroprocesorowego.
Przyjmijmy na początek następującą umowę:
słowem impuls będę określał połowę
okresu generatora, czyli występowanie tam
Rys. 1 Schemat ideowy
Elektronika dla Wszystkich

stanu wysokiego lub niskiego. Nie chodzi
jednak o połowę czasu, gdyż przebieg wytwarzany
przez prościutki generator na U2A wcale
nie ma wypełnienia 50%, ale to nic nie
przeszkadza. Tak więc 1 okres ma 2 impulsy,
1,5 okresu to 3 impulsy itd.. Załóżmy przykładowo,
że wciśnięto przycisk S3 oznaczony
numerem 2. Pierwsze narastające zbocze
przebiegu generatora U2A spowoduje pojawienie
się stanu wysokiego na Q1 U2 oraz
natychmiastowe wystąpienie na wyjściu stanu
niskiego. Po wygenerowaniu 2 impulsów
stan wysoki przejdzie na wyjście Q2, po 4 impulsach
pojawi się na Q3. Po wytworzeniu
piątego impulsu układ zacznie generować
szósty, ale po jego zakończeniu stan wysoki
pojawi się na wyjściu Q4, do którego dołączony
jest zwarty przycisk S3. Spowoduje to
natychmiastowe wyzerowanie U1 i zamknięcie
bramki U2C. Na wyjściu układu pojawi
się stan wysoki (zatkany T1) na czas trwania
1 okresu, czyli kolejnych 2 impulsów. Ponieważ
podczas generowania impulsu numer 6
(jak i każdego parzystego) na wyjściu również
był stan wysoki, to w rezultacie po wystąpieniu
5 impulsów pojawi się tam długi
stan wysoki o czasie trwania 3 kolejnych impulsów
(szósty impuls zleje się z dwoma następnymi).
Dalsze trzymanie S3 znów spowoduje
wystąpienie 5 krótkich impulsów i jednego
długiego itd. Puszczenie przycisku natychmiast
resetuje U1 i po chwili wyłącza generator.
Jeśli ktoś, zamiast S3, wciśnie np. S4
(numer 3), to układ wytworzy przebieg,
w którym pomiędzy dwoma impulsami długimi
będzie 7 krótkich (o 1 okres więcej – to
oczywiste), z których każdy trwa ok. 3 razy
krócej niż długi. Dla przycisku numer 1 będą
to 3 krótkie impulsy, a dla numer 0 – tylko 1.
Mam nadzieję, że dostrzegacie już ogólną zależność:
po wciśnięciu przycisku numer
N (0...7) układ generuje przebieg,
w którym pomiędzy dwoma długimi impulsami
jest 2N+1 krótkich. Pomocą będzie
rysunek 2, na którym przedstawiłem przebiegi
na wyjściu układu po wciśnięciu kilku wybranych
przycisków na tle przebiegu z nóżki
3 U2. Strzałki pokazują momenty, w których
resetowany jest U1. Przebiegi takie są łatwe
do zdekodowania przez mikroprocesor – aby
otrzymać numer przycisku, wystarczy policzyć,
ile krótkich impulsów występuje pomiędzy
dwoma długimi, odjąć 1 i podzielić
przez 2. Ze względu na to, że w układzie występuje
prościutki generator z jedną bramką,
dobrze jest do dekodowania brać nie pierwszą,
ale drugą lub trzecią serię impulsów –
w pierwszej mogą występować impulsy
o mniej jednolitych czasach niż w kolejnych
seriach. Warto też sprawdzić, czy po długim
impulsie kończącym analizowaną serię występuje
kolejny krótki impuls, rozpoczynający
serię następną. Zapobiegnie to błędom występującym
podczas ekstremalnie krótkich
naciśnięć przycisków, kiedy to mogłoby dojść
Elektronika dla Wszystkich
do sytuacji, w której analizowana seria przerwana
byłabywpołowie przez puszczenie
przycisku – dotyczy to zwłaszcza szybkich
styków popularnych microswitchów.
Przykładową, wypróbowaną w praktyce na
2051, procedurę realizującą powyższe założenia
w języku C przedstawia Listing 1. Funkcja
Wait_for_long, jak sama nazwa wskazuje,
czeka na długi impuls. Zwraca 0, gdy był to
„dobry” impuls, czyli taki, po którym wciąż
nadchodzą krótkie impulsy; zwraca 1, jeśli impuls
ten trwa zbyt długo – jest wynikiem puszczenia
przycisku. Za argument przyjmuje
wskaźnik do zmiennej w której umieszcza
wynik, czyli liczbę krótkich impulsów jakie
wystąpiły od momentu wywołania tej funkcji
do najbliższego długiego impulsu. W funkcji
main jest przykład wykorzystania: pierwsze
wywołanie Wait_for_long służy zignorowaniu
pierwszej serii, po drugiej w zmiennej numer
jest numer wciśniętego przycisku (0...7). Po
wykorzystaniu tej wartości do określonego celu
program czeka aż zwróci ona 1 – tym samym
czeka na puszczenie przycisku. Zauważcie,
jak uniwersalna jest ta funkcja i ile informacji
można z niej uzyskać. Oczywiście to
tylko przykład i kto chce może napisać swoją
własną na dowolny procesor. Moja napisana
jest dla procesora ’51 z kwarcem 11,059MHz.
Przerobienie jej na inny typ (np. AVR) sprowadza
się do zmiany realizacji opóźnienia
(Delay) zależnie od konkretnego typu i zegara.
Opóźnienie to powinno być kilkanaście...kilkadziesiąt
razy krótsze od czasu trwania
krótkiego impulsu, który dla wartości elementów
jak na schemacie jest rzędu
500µs (podkreślam – rzędu). Oprócz tego należy
wtedy dobrać liczby określające długość
określające minimalną długość impulsu długiego
i za długiego (u mnie są to 40 i 80).
Rys. 2 Przebiegi wyjściowe
Montaż i uruchomienie
Schemat montażowy przedstawiony został
na rysunku 3. Montaż jest typowy i nie wymaga
komentarza. Zaczynamy od zworek
a kończymy na tranzystorach i układach
scalonych (warto zastosować podstawki).
Miejsca do podłączenia przycisków oznaczono
ich numerami, pod jakimi będą dekodowane
w programie. Po zmontowaniu ze sprawnych
elementów układ od razu działa poprawnie.
Do jego sprawdzenia przyda się jakikolwiek
analizator stanów logicznych. W moim
przypadku był to najzwyklejszy tranzystor
NPN podłączony do portu drukarkowego
R E K L A M A · R E K L A M A · R E K L A M A · R E K L A M A
51

i darmowy programik ściągnięty z sieci.
Przebiegi na wyjściu powinny być takie jak
na rysunku 2. Oprócz programu z listingu 1
na stronie EdW (w dziale FTP) znajdziecie
prosty program (źródło i *.bin), który wyświetla
numer wciśniętego przycisku na wyświetlaczu
LCD (interfejs HD44780). Może
on służyć do przetestowania układu. Jednak ze
względu na duży rozrzut progów przełączania
bramek w różnych egzemplarzach kostek 4093
może się zdarzyć, że choć układ będzie wytwarzał
przebiegi o prawidłowym kształcie oraz
wartości elementów będą takie jak na rysunku
1, to czasy impulsów będą się bardzo różniły od
tych w modelu. Na wyświetlaczu będzie się
wtedy notorycznie pojawiał napis Error!!!! lub
jakieś „głupoty”. Sporadyczne pojawianie się
tego napisu nie świadczy o błędzie w układzie,
lecz o wystąpieniu przekłamań, które w rzeczywistym
świecie się zdarzają. Chodzi o to, aby
właściwie na nie zareagować i nie uznać błędnej
transmisji za właściwą. Najprościej jest ją
po prostu zignorować. Jeżeli jednak napis ten
pojawia się często, to należy zmierzyć czasy
analizatorem i zmienić liczby 40 i 80 w funkcji
Wait_for_long na odpowiednie. Jeśli zaś chodzi
o samą stabilność tego generatora, to choć
jest ona słaba, tutaj w zupełności wystarczy.
Rys. 3 Schemat montażowy
Wykaz elementów
Rezystory
R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100kΩ
R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220kΩ
R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22kΩ
R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470kΩ
R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1MΩ
R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10kΩ
Kondensatory:
C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10nF MKT
C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220nF MKT
C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF ceramiczny
Półprzewodniki:
U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4017
U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4093
T1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548B
T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC558B
Inne:
S1-S8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Przyciski zwierne, typ zależny od konkretnego zastosowania
(nie wchodzą w skład kitu AVT).
52
Komplet podzespołów z płytką
jest dostępny w sieci handlowej AVT
jako kit szkolny AVT-2673
Listing 1. Funkcja dekodująca
#include
#define in P3_2
unsigned char Wait_for_long(unsigned char* num)
{
_bit last;
_data unsigned char licznik,stan,i;
}
*num=0;
stan=0;
licznik=0;
in=1;
last=in;
while(1)
{
i=1;
while(i--); // DELAY
licznik++;
if(licznik>40)
stan=1;
if(licznik>80)
return 1; // zły długi
}
in=1;
if(in!=last)
{
if(stan)
return 0; // dobry długi
else
{
last=in;
licznik=0;
(*num)++;
}
}
// Przykład wykorzystania tej funkcji
main()
{
_data unsigned char numer,err;
}
}
while(1)
{
in=1;
while(in); // czeka na poczatek
while(!in); // ignorujemy pierwszy impuls
err=Wait_for_long(&numer); // ignorujemy ten numer
err=Wait_for_long(&numer); // ważny numer
// wykorzystanie zmiennej numer
// + prosta ochrona przed błędami
if(!err && numer>=1; // numer=numer/2
// .... tu wykorzystujemy zmienną numer
}
else
{
// reakcja na błąd
}
// czeka na puszczenie przycisku
while(!Wait_for_long(&numer));
Częstotliwość musiałaby się rozjechać dwukrotnie,
żeby wystąpiły błędy, a do tego w typowych
warunkach pracy nie dojdzie. Jest ona
natomiast mocno zależna od napięcia zasilania
– wspomniane liczby trzeba dobrać przy
takim napięciu, przy jakim układ ma pracować
docelowo. Ostatecznie można napisać
ulepszoną, bardziej uniwersalną funkcję, która
nie będzie miała tych liczb wpisanych „na
sztywno”. Będzie mierzyć krótkie impulsy
i czekać na wystąpienie długiego impulsu
o nie ściśle określonym czasie, ale rzeczywi-
ście ponad 2-krotnie dłuższego od krótkich.
Uniezależni to nas od rozrzutów i innych niestabilności
– wszystko w rękach programistów.
Wszystkie stałe czasowe można dobrać
wedle uznania. Gotowy moduł wstawiamy do
urządzenia z mikrokontrolerem, gdzie brakuje
nam wyprowadzeń i problem mamy z głowy.
Interesująco wygląda możliwość dołączenia
do naszej klawiaturki generatora (np. 36kHz)
i budowa prostego pilota IRED.
Arkadiusz Antoniak
hal9900@poczta.onet.pl
Elektronika dla Wszystkich