معرفی کتاب پروژه های میکروکنترلر AVR:

این کتاب در ابتدا با متدی کاملا جدید و در قالب چندین پروژه کاربردی به آموزش برنامه نویسی و کار با امکانات AVR در محیط بسکام پرداخته سپس با ارائه اطلاعات میکروکنترلری و غیرمیکروکنترلری پیش نیاز برای طراحی پروژه های الکترونیک، خواننده را آماده طراحی پروژه های پیچیده تر می کند. سپس شروع به آموزش پروژه های کاربردی در زمینه های الکترونیک نوری یا Optoelectronics، ارتباطات بیسیم یا Wireless، پروژه های حفاظتی و و کنترل و پروژه های صوتی می نماید. از پروژه های برجسته این کتاب که بیشتر مورد توجه هنرآموزان و دانشجویان قرار دارد می توان به ارسال و دریافت Wireless اطلاعات و آموزش طراحی تابلوهای روان از نوع پیام ثابت، با قابلیت اجرای متن فارسی، متن انگلیسی، انیمیشن و همچنین تابلوهای خطی با قابلیت وارد کردن متن به صورت دستی در ابعاد و اندازه های متفاوت اشاره کرد.

کتاب پروژه های میکروکنترلر AVR حاوی نکات علمی، کاربردی و تجربی فراوانی است و می تواند جهت اهداف آموزشی برای طیف وسیعی از خوانندگان از جمله هنرآموزان و دانشجویان رشته های الکترونیک و کامپیوتر در گروه های سنی مختلف مورد استفاده قرار گیرد.

پیشگفتار:

امروزه میکروکنترلرهای AVR به دلیل مصرف توان کم، زبان های برنامه نویسی متعدد، امکانات گسترده، فناوری حافظه پیشرفته با ظرفیت بالا و بسیاری مزایای دیگر یکی از پرطرفدارترین میکروکنترلرها در میان هنرآموزان و دانشجویان الکترونیک و کامپیوتر می باشد. از این رو نویسنده در کتاب پروژه های میکروکنترلر AVR به آموزش پروژه های کاربردی پیاده سازی شده توسط میکروکنترلرهای سری AVR پرداخته است. در پروژه های این کتاب از چهار میکروکنترلر خانواده AVR با نام های AT90S2313, ATmega8, ATmega16, ATmega32 و برای برنامه نویسی آن ها از کامپایلر بسکام BascomeAVR استفاده شده است.

از این رو در فصل اول به معرفی کامل میکروکنترلرهای برگزیده پرداخته شده، سپس در فصل دوم برنامه نویسی، پیکره بندی و کار با امکانات AVR در محیط بسکام با متدی کاملا متفاوت و در قالب چندین پروژه کاربردی آموزش داده می شود. پس از آن در فصل سوم با ارائه اطلاعات میکروکنترلری و غیرمیکروکنترلری پیش نیاز از قبیل طراحی رگولاتورهای ولتاژ، نحوه استفاده از ترانزیستور در نواحی قطع و اشباع در پروژه های سوئیچینگ، نحوه راه اندازی انواع رله توسط ترانزیستور و میکروکنترلر و … خواننده را آماده طراحی پروژه های پیچیده تر کرده، سپس در فصل های بعدی کاربردی ترین پروژه های الکترونیک در زمینه های الکترونیک نوری، ارتباطات Wireless، پروژه های حفاظتی و کنترل پروژه های صوتی ارائه می شود.

خوانندگان عزیز این کتاب باید توجه داشته باشند که پروژه های این کتاب در صورت امکان با سیمولاتور پروتئوس و در غیر این صورت به صورت عملی تست شده و عاری از هرگونه اشغال می باشند. نویسنده از خوانندگان این کتاب تقاضا دارد که اگر مواردی یافتید که قابل بحث بیشتر بوده و یا مطالب جدیدتر، حتما با ایشان در میان بگذارند. البته نویسنده ذکر می دارد که چنانچه پروژه های عملی و ابتکارات مربوط به میکروکنترلرهای AVR که توسط خوانندگان ارسال شوند، اگر جالب و برجسته باشند، در نشرهای بعدی کتاب با نام خودشان چاپ خواهد شد.

فهرست مطالب کتاب:

فصل اول: معرفی چهار میکروکنترلر برگزیده در این کتاب   ———————–  ۱۱

پیشرفت علم و الکترونیک در طراحی و ساخت مدارهای مجتمع در طول چند دهه اخیر، منجر به ساخت قطعات دیجیتالی پیشرفته و میکروپروسسورها شده است. هنگام استفاده از میکروپروسسورها، با توجه به ساختار و معماری آن­ها، به­کارگیری قطعات جانبی نظیر PIO و حافظه­های ROM، RAM و تجهیزات دیگر، امری اجتناب­ناپذیر است. همچنین در بعضی از شرایط فرکانس کاری میکروپروسسورها نیاز کاربر را تامین نمی کند. از این رو پس از میکروپروسسورها بیشتر است، به بازار عرضه شده­اند. اما میکروکنترلرهایی نظیر خانواده ۸X51 که بیشتر مورد استفاده قرار می­گیرند، دارای کمبودهایی بودند که از آن جمله می­ توان به عدم وجود WATCHDOG، نداشتن پروتکل سریال TWO wire (12C) و عدم تنوع زیاد این خانواده از میکروکنترلرها اشاره نمود. از آنجایی که در کاربردهای صنعتی، کاربر تمایل دارد میکروکنترلرها را برحسب نیاز خود انتخاب نماید و از طرف دیگر در محیط­های پرنویز صنعتی امکان هنگ کردن میکروکنترلر وجود دارد و میکروکنترلرها خانواده ۸X51 امکان WATCHDOG و یک سری امکانات دیگر را ندارد، این خانواده از میکروکنترلرها در حال جایگزین شدن با میکروکنترلرهای خانواده AVR و PIC هستند.

میکروکنترلرهای AVR علاوه بر اینکه امکانات تمامی میکروکنترلرهای قبلی را دارا هستند مشکلات آن ها را رفع کرده و امکانات جالبی را نیز فراهم کرده­اند.

۱- میکروکنترلرهای خانواده AVR

۲- ساختار هسته مرکزی ATmega32

۳- حافظه Flash

۴- حافظه SRAM

۵- حافظه EEPROM

۶- واحد Interrupt Unit

۷- اسیلاتور خارجی کریستال

۸- فیوز بیت های میکروکنترلرهای ATmega16, 32, 8

۹- ریست JTAG

۱۰- حالت های مختلف تحریک وقفه INT0

۱۱- …

میکروکنترلرهای خانواده AVR

مصرف توان کم، زبان های برنامه نویسی متعددی شامل زبان های سطح پایین و هم چنین سطح بالا (HIGH LEVEL LANGUAGH) امکانات گسترده، فناوری حافظه پیشرفته با ظرفیت بالا، دستورالعمل های قوی و توانایی اجرای آن ها در یک سیل ساعت و توانایی های دیگر، میکروکنترهای خانواده AVR را به یکی از پرطرفدارترین میکروکنترها تبدیل کرده است.

این میکروکنترلرها دارای امکانات گسترده ای از جمله ۳۲ رجیستر ۸ بیتی همه منظوره (GENERAL PURPOSE) حافظه فلش داخلی قابل برنامه ریزی، حافظه EEPROM داخلی با قابلیت ۱۰۰۰۰۰ بار نوشتن و پاک کردن (ERASE , WRITE) و حافظه RAM داخلی، چندین تایمر/ کانتر، وقفه­های سخت افزاری و نرم افزاری متعدد، ارتباط سریال SPI،(۲WIRE) I2C و JTAG، استفاده از تکنولوژی CMOS و معماری RICS (کم کردن دستورالعمل های میکروکنترلرها) در ساختار آن­ها و… می­باشند.

فصل دوم: معرفی دستورات و آموزش برنامه نویسی، پیکره بندی و کار با امکانات AVR در محیط بسکام   ———————–  ۶۳

۱- آموزش برنامه نویسی در محیط Bascom

۲- تعریف فرکانس کاری میکرو و نحوه تنظیم فیوز بیت های مربوطه

۳- پیکره بندی پورت ها به صورت ورودی و  خروجی

۴- نحوه طراحی یک کلید ورودی به صورت Active Low

۵- حلقه DO-LOOP

۶- نحوه خواندن مقادیر لحظه ای یا Latch

۷- زیر برنامه و نحوه استفاده از آن

۸- نحوه پیکره بندی LCD کاراکتری

۹- پروژه ماشین حساب ساده

۱۰- نحوه نمایش تصویر بر روی LCD گرافیکی

۱۱- فونت فارسی

۱۲- دستور TOGGLE

۱۳- پروژه تولید سیگنال PWM با استفاده از مد مقایسه ای تایمر ۲

۱۴- پروژه نوشتن، ارسال و دریافت پیام کوتاه از طریق UART سخت افزاری

۱۵- پروژه ارسال اطلاعات به صورت یک طرفه  از طریق باس SPI

۱۶- پیکره بندی مقایسه کننده آنالوگ در محیط Bascom

۱۷- دستورات اجرای مدهای SLEEP در محیط Bascom

۱۸- …

در پروژه­های این کتاب از ۴ میکروکنترلر معرفی شده در فصل اول استفاده شده است که میکروکنترلر ATMEGA32 نسبت به ۳ میکروکنترلر دیگر از امکانات و کارایی بالاتری برخوردار بوده و همه امکانات مربوط به خانواده AVR را داراست. از این رو در این فصل برای آموزش برنامه نویسی و کار با امکانات خانواده AVRدر محیط BASCOM، از میکروکنترلر نمونه ATMEGA32 استفاده شده است، شما می­توانید هنگام طراحی پروژه­های مختلف با توجه به نیاز خودتان و باتوجه به امکانات هریک از میکروکنترلرهای خانواده AVR نمونه موردنظر خود را انتخاب کنید. برای نوشتن برنامه­های این فصل به غیر از برنامه­های مربوط به LCD گرافیکی از کامپایلر BASCOM1.11.7.4استفاده شده است. برای نوشتن برنامه­های مربوط به LCD گرافیکی می­توانید از کامپایلر BASCOM1.11.8.7 استفاده کنید.

پیشنهاد می­شود برای یادگیری و تسلط پروژه­های این فصل را توسط سیمولاتور PROTEUS شبیه سازی کرده و نتیجه کار خود را مشاهه کنید، نرم افزار PROTEUS یک شبیه ساز کامل مدارهای دیجیتال و آنالوگ می­باشد، از خصوصیات بارز این نرم افزار توانایی آن در شبیه سازی مدارهای میکروکنترلری است. برای شبیه سازی پروژه­های این کتاب به غیر از پروژه­هایی که مربوط به LCD گرافیکی می­باشد از PROTEUS7.1 استفاده شده است. برای شبیه سازی پروژه­های مربوط به LCD گرافیکی می­توانید از PROTEUS.2 استفاده کنید.

برای مشاهده نتیجه نهایی سیمولاتور پروتئوس بهترین شبیه ساز می­باشد ولی برای مشاهده محتوای متغیرها در حین اجرای برنامه همچنین اجرای خط به خط برنامه و مشاهده تغییرات موجود بر روی متغیرهای تعریف شده در برنامه و رجیسترهای RO تاR31، رجیسترهای I/O و منابع وقفه می­توان از SIMULATOR داخلی BASCOM استفاده نمود.

فصل سوم: اطلاعات کاربردی   ———————–  ۲۴۳

۱- سوئیچینگ با ترانزیستور

۲- نحوه تشخیص ناحیه اشباع

۳- نحوه طراحی درایو Speaker با خروجی Inverted

۴- مدت زمان های ton و toff ترانزیستور

۵- نحوه راه اندازی رله با استفاده از ترازیستور

۶- تولید ولتاژ مثبت و منفی توسط آی سی LM386

۷- پروژه کنترل دیجیتالی ولتاژ برش در مدار برش قله با استفاده از کلید های CMOS

۸- نحوه طراحی مولد موج سینوسی با میکروکنترلر AVR

۹- حفاظت اسیلاتور مدارات میکروکنترلری در مقابل نویز

۱۰- مدیریت توان (صرفه جویی در توان مصرفی) در میکروکنترلرهای AVR

۱۱- …

سویچینگ یا ترانزیستور

از یک ترانزیستور دو قطبی می­ توان به عنوان یک کلید وصل (در ناحیه اشباع) و یک کلید قطع (در ناحیه قطع) استفاده نمود برای این منظور مشخصات نواحی قطع و اشباع را مورد بررسی قرار می­دهیم. در ناحیه اشباع ترانزیستور مانند یک کلید وصل بین کلکتور و امیتر و در ناحیه قطع ترانزیستور مانند یک کلید قطع بین کلکتور و امیتر عمل می­کند. یک ترانزیستور دو قطبی را می­توان مانند شکل ۱-۳ توسط دو دیود مدل کرد.

در ناحیه اشباع دیود BE، BC در بایاس مستقیم قرار دارند (برای این که دیود در بایاس مستقیم باشد بایستی ولتاژ آنود آن نسبت به کاتود مثبت­تر باشد.) در ناحیه قطع دیود BE، BC در بایاس معکوس قرار دارند.

نکته مهم در روابطه با جهت جریان­­ها در یک ترانزیستور BJT:

توجه داشته باشید در یک ترانزیستور BJT از نوع NPN همواره جهت جریان کلکتور و امیتر تابعی از جهت جریان بیشس می­باشد به عنوان مثال اگر جریان بیس وارد ترانزیستور شود، جریان کلکتور هم وارد ترانزیستور می­شود. در این حالت جهت جریان امیتر که نسبت عکس با جهت بیس دارد به سمت خارج ترانزیستور خواهد بود. همچنین در ترانزیستور BJT از نوع PNP اگر جریان بیس وارد ترانزیستور شود جریان امیتر هم وارد ترانزیستور خواهد شد و جهت جریان کلکتور که نسبت عکس با جهت جریان بیس دارد به سمت خارج ترانزیستور خواهد بود.

فصل چهارم: AVR در الکترونیک نوری   ———————–  ۲۸۹

۱- نور و خواص آن در الکترونیک نوری

۲- نمایشگرهای هفت قسمتی یا   ۷-Segment

۳- پاسخ معمول ترکیب مغز انسان با چشم او به چشمک نوری

۴- طراحی تابلو روان با استفاده از میکروکنترلر AVR

۵- برنامه اجرای متن فارسی بر روی ماتریس ۸*۱۶

۶- برنامه اجرای متن انگلیسی بر روی ماتریس ۸*۱۶

۷- برنامه اجرای متن فارسی، متن انگلیسی و انیمیشن به صورت پشت سر هم بر روی ماتریس ۸*۱۶

۸- طراحی تابلو روان با ماتریس ۱۶*۳۲

۹- برنامه اجرای متن فارسی در تابلوی ۱۶*۶۴

۱۰- طراحی تابلو ۱۶*۳۲ با قابلیت وارد کردن متن با کی پد

۱۱- …

الکترونیک نوری (OPTOELECTRONICS)

نور یکی از پدیده­های مهم طبیعت است که نه تنها در زندگی روزمره و حیات انسان اهمیت دارد، بلکه در پیشرفت و توسعه تکنولوژی هم نقش بسیار مهمی ایفا می­کند. نور و خواص آن از ابتدای پیدایش بشر مهم و مورد توجه بوده است. به­طوری که انسان های اولیه آن را مظهر قدرت می­ دانستند،خورشید پرستی و آتش پرستی نمونه­های بارزی از توجه انسان به نور بوده است. در مورد نور و ماهیت آن نظریه های گوناگونی ساخته و پرداخته شده است. انسان­های اولیه چنین می­پنداشتند که نور از چشم خارج و به اجسام برخورد می­کند تا آن­ها قابل روئیت شوند. بعدها این نظریه کنار گذاشته شد و انسان فهمید که منبع نور خارج از چشم او در محیط اطراف است. نیوتن در قرن هفدهم نور را به صورت ذره تعریف کرده و براساس آن برخی از خواص نور را توجیه کرد. ولی دانشمندان دیگری مثل هویگنس با آزمایش های گوناگون ثابت کردند نور موج الکترومغناطیسی است که از منبع خارج و به صورت کروی در محیط انتشار پیدا می­کند.

طبق این نظریه نور از دو مولفه عمود برهم مغناطیسی و الکتریکی تشکیل شده است که با سرعت ۳*۱۰ˆ۸ متر بر ثانیه در محیط انتشار پیدا می­کند. بسیاری از خواص نور براساس تئوری موجی بودن نور توجیه و ثابت شدند و نظریه نیوتن به فراموشی سپرده شد تا این که در اواخر قرن نوزدهم و شروع قرن بیستم انیشتن یک بار دیگر تعریف ذره­ای بودن نور را بیان داشت و در اثبات آن مطالبی را بیان نمود. به هرحال در مورد این که نور ذره و یا موج الکترومغناطیسی است هنوز هم بحث و جدل­هایی وجود دارد و ما ناچاریم تلفیقی از این دو نظریه و در بعضی موارد متناسب با شرایط یکی از این دو نظریه را به کار ببریم. در نظریه جدیدی که پیرامون نور وجود دارد گفته می­ شود که نور از ذرات ریزی بنام فوتون اهمیت و جایگاه ویژه­ای برای ما در الکترونیک نوری دارد.

و اما الکترونیک نوری یا OPTO ELECTRONICS:

این نام نخستین بار به طور عام در طول دهه ۱۹۷۰ مورد استفاده قرار گرفت که به طر کلی شاخه ای ا الکترونیک را در رابطه با کاربردهای عملی ابزارهای نوری جدید توصیف می کند. در این مبحث یک ابزار نوری عمدتا می­ تواند به عنوان وسیله ای برای عمل کردن در محلی با وجود بخشهای نوری مرئی یا نامرئی از طیف الکترومغناطیس مورد بحث قرار گیرد به عبارتی علمی تر این ابزار در توابع بین محدوده­ طول موج های ۱۰ نانومتر یا ۱۰۰ میکرومتر از طیف الکترومغناطیس معمولی عمل می­ کنند. شکلی در کتاب جزئیات طیف الکترومغناطیس و همچنین محدوده تقریبی الکترونیک نوری را نشان می­دهد.

فصل پنجم: AVR در ارتباطات Wireless یا بیسیم   ———————–  ۳۷۱

۱- وایرلس Wireless چیست؟

۲- تشریح کامل یک ریموت کنترل رادیویی

۳- طراحی یک ریموت کنترل RF، هشت کاناله میکروکنترلری

۴- پروژه ارسال و دریافت پیام کوتاه با استفاده از ماژول های RF

۵- طراحی یک ریموت کنترل مادون قرمز میکروکنترلری

۶- پروژه ارسال و دریافت پیام کوتاه از طریق کانال ارتباطی مادون قرمز

۷- …

Wireless چیست؟

Wireless تکنولوژی است که در آن انتقال سیگنالهای اطلاعاتی میان دو دستگاه از طریق امواج رادیویی، امواج مادن قرمز، امواج مایروویو و غیره بدون استفاده از کابل و سیم صورت می­گیرد، در حالت کلی این سیستم­ ها به سه دسته تقسیم بندی می­ شوند.

۱- سیستم های Wireless ثابت که در آن امواج رادیویی با خط دید مستقیم برای برقراری ارتباط استفاده می­ شوند. از نمونه های برقراری این ارتباط می توان به اتصال پرسرعت به اینترنت اشاره کرد.

۲- سیستم های Wireless قابل حمل که در آن از امواج رادیویی و مایکروویو برای انتقال سیگنال های اطلاعاتی استفاده می شود و نمونه های آن در لپ تاپ ها و گوشی های موبایل دیده می شود.

۳- سیستم های Wireless مادون قرمز که بهترین نمونه آن دستگاههای ریموت (کنترل از راه دور) تلویزیونهاست و از امواج مادون قرمز در آن استفاده میشود. نمونه دیگری از این سیستم با نام infrared در گوشی های موبایل استفاده می شود.

تشریح یک ریموت رادیویی

به طور کلی بلوک دیاگرام سیستم های ریموت (فرستنده) به صورت زیر است.

بلوک شماره ۱: شامل کلیدهای ورودی ریموت می باشد که بسته به نیاز طراح و همچنین تعداد کانال های آی سی ENCODER تعدادشان متفاوت است به طور معمول از میکرو سوئیچ های مخصوص ریموت به عنوان کلید ورودی استفاده می شود.

بلوک شماره ۲: بلوک شماره ۲ شامل آی سی انکدر یا رمزگذار می­ باشد این آی سی اطلاعات ورودی را تبدیل به اطلاعاتی می­ کند که توسط بلوک های بعدی قابل شناسایی و ارسال می باشد در پروژه های این کتاب از آی سی PT2262 به عنوان ENCODER استفاده شده است.

فصل ششم: AVR در پروژه های حفاظتی و کنترل   ———————–  ۴۲۵

۱- پروژه کنترل وسایل برقی توسط کامپیوتر

۲- طراحی قفل رمزی دیجیتالی توسط میکروکنترلر AVR

۳- پروژه کنترل سرعت موتور DC با استفاده از سیگنال PWM

۴- تایمر میکروکنترلری دقیق با مدت زمان قابل تنظیم از یک دقیقه تا ۲۵۰ ساعت

۵- دماسنج دیجیتالی با قابلیت تحریک رله هنگام خارج شدن از محدوده دمائی تعیین شده

۶- کنترل وسایل برقی با استفاده از خط تلفن

پروژه­ کنترل وسایل برقی توسط کامپیوتر

با استفاده از پورت سریال میکروکنترلر AVR و پایه های RXD , TXD پورت COM کامپیوتر می توان اطلاعات را به صورت سریال توسط کامپیوتر و میکروکنترلرهای AVR رد و بدل کرد، برای این کار کافی است استاندارد RS- 232 را با استاندارد TTL سازگار کنیم، شما می­توانید از مبدل های ترانزیستوری شکل ۱-۶ برای تبدیل این دو استاندارد به یکدیگر استفاده کنید.

برای ارسال و دریافت داده­های سریال بین میکروکنترلر و کامپیوتر بایستی از محیط TERMINAL EMULATOR در داخل کامپایلر BASCOM استفاده کنید. برای این منظور پس از برقراری ارتباط سخت افزاری بین میکروکنترلر AVR و پورت COM کامپیوتر محیط EMULATOR TERMINAL را با Ctrl+T بالا بیاورید.

فصل هفتم: AVR در مدارات و پروژه های صوتی   ———————–  ۴۶۳

۱- ارگ الکترونیکی با استفاده از AVR

۲- طراحی تلفن داخلی دو طرفه

۳- ارسال دیجیتالی سیگنال صوتی با استفاده از مدولاسیون PWM

برای ایجاد صدا با استفاده از مدارات دیجیتالی می توانید یک سیگنال مربعی ایجاد کرده و آن را از طریق مدار درایور به Speaker اعمال کنید. برای تغییرات صوت ایجاد شده می توانید فرکانس سیگنال مربعی را تغییر دهید. در صورتی که سیگنال مربعی اعمال به Speaker دارای فرکانس ثابت باشد صدای سوت شنیده خواهد شد. توسط دستور Sound می توان پالس هایی با فرکانس دلخواه را به یکی از پین های میکروکنترلر ارسال کرد.