Microcontrollers

Algemene Introductie

Wat is een microcontroller

Een Integrated Circuit dat een computer systeem bevat.

Het is geen CPU maar het bevat er één

Tot op een zekere hoogte is een microcontroller "self-sustaining"

• Er zijn nog enkele randcomponenten nodig zoals een voeding, programmer, ...

Dus we hebben hardware nodig?

We maken gebruiken van een ontwikkelingsplatform

Arduino

Specifiek: Arduino Nano

Je krijgt een uitleenkit met alle nodige materialen voor het labo

Een puur hardware vak?

Nee, een microcontroller heeft een specifieke functionaliteit die de nodige programmatie vereist

Arduino .... Wat is dat?

• Platform
• Hardware
• Software
• Resources

Arduino: Platform

Fast electronics prototyping tool

Doelpubliek: Designers / Elektronica leken

Voorziet:

Hardware

Software

IDE

Documentatie

Veel resources beschikbaar

Arduino platform

Voordelen

Inexpensive

Cross-Platform

Simple, clear programming environment

Open source and extensible software

Open source and extensible hardware

Arduino: Hardware

Arduino Boards

Boards zijn gebaseerd rond een microcontroller

Remember: Arduino != Microcontroller

Boards voorzien de nodige hardware om met de microcontroller te werken.

Boards zijn uitbreidbaar met shields

Verschillende boards met specifieke doelen.

Arduino: Boards

Arduino: Uno

1. Reset switch
2. USB B Connector:
• Connectie met PC
• Voedingsbron (5V)
3. Barrel jack:
• Voedingsbron
• Input spanning 7V - 12V
4. Voltage regulator

Arduino: Uno

5. 16MHz kristal
6. ATMega8U2
• Hulp microcontroller
• USB naar UART bridge
7. ATmega328p
• Hoofd microcontroller
• 8 bit mcu
• AVR familie
• Brein van het Arduino board

Arduino: Uno

8. Digitale IO pinnen
9. Analoge IO pinnen
10. Voeding / ground / referentie spanningen

Arduino Uno vs Arduino Nano

Wat zijn de verschillen

• Vormfactor
• Power opties

Wat zijn de gelijkenissen

• De microcontroller (ATmega328p)
• Pinout

Waarom

• Nano is makkelijk te gebruiken met een breadboard

Waar kunnen een microcontroller voor gebruiken ?

Embedded Systemen

Systemen ....

Een microcontroller is een stukje programeerbare hardware

Op zijn eigen is de functionaliteit gelimiteerd dus zoeken we naar een input en out voor de microcontroller

We hebben dus extra componenten nodig....

We zoeken naar een "toetsenbord, muis en scherm" voor een microcontroller

We zoeken peripherals

Arduino Peripherals

Arduino: Shields

Arduino Open Source Hardware

Schematics zijn beschikbaar

Veel klonen beschikbaar

Goedkopere alternatieven

Rechtstreeks bestellen uit China

Wat gaan wij met een microcontroller doen?

Wat zit er in de Microcontroller Kit ?

Wat gaan wij met een microcontroller doen?

Mogelijke opdrachten

Kennismaking met Kit, Oefeningen maken op gebruik van individuele componenten, Arduino as DUT

Opdrachten met verschillende componenten te gelijk / Interrupts Maken van chronometer met 7 segment

Werken met een ATtiny

Seriële communicatie met een ATtiny (i2c)

Mini Project: Maken van menu LCD met Rotary Encoder

Arduino .... Wat is dat?

Platform

Hardware

Software

Resources

Arduino: Software

De microcontroller op een Arduino bord word in C/C++ geprogrammeerd

Arduino is geen programeertaal

Beschikbaar stellen van libraries

Libraries zijn geschreven in C/C++

Neemt abstractie van de hardware

Code kan voor meerdere boards compileren

Werking van de microcontroller is verstopt

Gebaseerd op:

Wiring

Processing

avr-libc

Dit was het eerste deel van Microcontrollers

Het vak is Microcontrollers niet Arduino

Arduino is een simpele manier om met een microcontroller prototypes te maken

Arduino's originele doelpubliek waren designers

Als studenten Elektronica - ICT willen we weten hoe een microcontroller van binnen werkt

Welke Microcontroller staat er op de Arduino Nano

ATMega328p

ATmega328p

Lid van de AVR Microcontroller familie

Ontworpen door Atmel

8bit (bus breedte)

Aangepaste harvard architectuur

Flash memory ipv EEPROM

Populair door makkelijk beschikbare tools en Arduino

ATmega328p

8bit mcu

2 timers

6 PWM kanalen

8 kanaals 10bit adc

6 kanaals 8bit adc

UART

SPI

I²C

Watchdog

Comperator

23 programmeerbare lijnen

ATmega Datasheet

• Samenvatting
• Specificaties
• Functioneel blokdiagram
• Pinout
• Absolute maximale waardes
• Waarheidstabellen
• Timing diagrammen
• Mogelijke toepassingen
• Tutorial: Datasheets lezen
• FYI: Datasheets ATmega328p - 444 blz.

Tegen het eind van het semester moet jullie dit documenten begrijpen en gebruiken om microcontroller toepassing te maken

De hardware kunnen we ook verkleinen

Oplossing Mogelijk Vaardigheidsexamen

enum states  {IDLE = 'i', SET = 's', GET = 'g', TOGGLE = 't', COMPARE = 'c'};
uint8_t set_value, last_adc_val;


volatile uint8_t state = IDLE;
uint8_t last_state = GET;


void setup() {
  Serial.begin(9600);
  ADMUX |= (1 << REFS0) | (1 << MUX2) | (1 << MUX0);
  ADCSRA |= (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS0) | (1 << ADATE) | (1 << ADEN) | (1 << ADSC);

  DDRD |= (1 << DDD3);
  DDRB |= (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3);

  EICRA |= ((1 << ISC10) | (1 << ISC11))  ;
  EIMSK |= (1 << INT1);

  TCCR0A = 0;
  TCCR0B = 0;
  TCCR1A = 0;
  TCCR1B = 0;

  TCCR1A |= (1 << WGM10) | (1 << WGM00) | (1 << COM1A1) | (1 << COM1B1);
  TCCR1B |= (1 << CS11) | (1 << CS10);

  TCCR2A |= (1 << WGM20) | (1 << COM0A1);
  TCCR2B |= (1 << CS22);
}

ISR(INT1_vect) {
  state = COMPARE;
}

void set_values() {
  Serial.print("Geef de  waarde in: ");
  set_value = Serial.parseInt();
  Serial.println(set_value);

}

void toggle() {
  EIMSK ^= (1 << INT1);
}

void compare() {
  int diff = set_value - ADC / 4;  
  if (diff < 0) {
    OCR2A = 0;
    OCR1AL = abs(diff);
  }
  if (diff > 0) {
    OCR1AL = 0;
    OCR2A = abs(diff);
  }
}


void loop() {
  if (Serial.available()) state = Serial.read();
  if (state != last_state) {
    switch (state) {
      case (IDLE):
        Serial.println("Entered Idle State");
        break;
      case (SET):
        set_values();
        break;
      case (GET):
        Serial.println("Current ADC value: ");
        Serial.println(ADC / 4);
        break;
      case (TOGGLE):
        toggle();
        break;
      case (COMPARE):
        compare();
        break;
    }
    last_state = state;
  }
  if (last_state != TOGGLE) OCR1BL = ADC / 4;

}
  

Dit was de contextuele schetsing van het vak Microcontrollers

Nu de praktische zaken

Lesgevers

Geert Vanhulle

• Labos in Module 1
• Theorie in Module 2
• geert.vanhulle@ap.be

Maarten Luyts

• Labos in Module 2
• Theorie in Module 1
• maarten.luyts@ap.be

Heb je vraag? Stuur een email naar ons beide

Voorlopige Planning

Voorlopige Planning

Indienen van labos

Labos indienen voor de deadline

Labos worden niet nagekeken doorheen het jaar

Wenst u feedback, maak de opstelling en laad de code op de Arduino en toont dit tijdens de labos

Tijdens het vaardigheidsexamen kunnen er mogelijke vragen zijn over jouw oplossing

Evaluatievorm

Regels

• Optijd komen
• Bent u te laat, dan moet je inkom betalen
• Betalen doe je door het opkuisen van het labo
• Lees: the job of your life
• Geen eten, alleen drinken in een sluitbare container
• U komt niet in de kasten in het labolokaal
• Werk in rust
• Vaste werkplek in het labo
• Heb respect voor het materiaal
• Ruim op na het labo

Getting started met Arduino

Hoe maak ik een schakeling?

Programmeeromgeving ?

Hoe krijgen we onze code op de Arduino ?

Basisoefening ?

Hoe maak ik een schakeling ?

Eerst moeten we weten wat de pinnen van een Arduino doen

We kunnen dit opzoeken in de datasheet

Hierin staan de pinnen van de ATMega328P niet die van de Arduino. Er is wel een mapping

We vinden dit terug in een pinout diagramma

Pinout Takeaway

De Arduino pinnen zijn gemapt op de pinnen van de microcontroller

Specifieke functionaliteit van de microcontroller zijn gemapt op specifieke pinnen

D0 en D1 zijn RX en TX Pinnen --> Communicatie met PC

D2 en D3 zijn interrupt pinnen --> Zie later

D3,D5,D6,D9,D10,D11 zijn PWM pinnen --> AnalogWrite

IO Pinnen

• Literatuur: General Purpose In/Out (GPIO)
• Doorverbinding van de pinnen van de ATmega328P
• 2 Onderverdelingen
• Digitaal (0 - 1)
• Analoog (0 - 1023)
• Pinnen kunnen vasthangen aan specifieke functionaliteit
• Er gelden stroom limieten voor de pinnen

Digitale IO Pinnen

• Sturen een logisch signaal
• HIGH (5v)
• LOW (0v)
• 2 richtingen

Analoge IO Pinnen

• Kan spanningen uitlezen
• Zet deze spanning om naar een discrete waarde
• Mapping van 0v tot 5v naar een waarde van 0 tot 1023
• Kan een "spanning schrijven"
• Een digitale waarde omzetten in fysisch signaal
• Mapping van de waarde 0 tot 255 naar een signaal van 0v tot 5v
• Kan dubbel gebruikt worden als een digitale pin

Arduino Programmeer omgeving

• Arduino IDE installeren
• Example openen
• Code uploaden

Arduino: IDE

Arduino: IDE

1. Verify:
   Compileert de code met avr-gcc
2. Upload:
   Compileert de code met avr-gcc en
   upload de code met avrdude
3. New
4. Open
5. Save

Arduino: IDE

1. Serial Monitor
2. Filename
3. Sketch
4. Statusbar
5. Build output
6. Board settings

Arduino: IDE

• Aan te raden instellingen
• Display line numbers
• Code folding

Sketches

• Sketches = Arduino programma's
• Examples sketches beschikbaar in de Arduino IDE
• .ino extensie
• 2 grote componenten

• void setup();

• void loop();

• Documentatie

Blink Sketch

  void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);


  void loop() {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
    delay(1000);                       // wait for a second
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
    delay(1000);                       // wait for a second
  }
  

Sketches

Arduino: Documentatie

Code Uploaden

• Example sketch openen
  File > Examples > 01. Basic > Blink
• COM Poort selecteren
  Tools > Port > COMX
• Board selecteren
  Tools > Board > Arduino Nano / Duemilanove / Uno

Getting Started: Programmatie

Programmer

Extern toestel data schrijft op het geheugen van de microcontroller

Dit is omslachtig

Extra hardware

Compatibiliteit

Wordt nog gebruikt voor productie

Voor ontwikkeling: Bootloader

Arduino as ISP

Bootloader

• Hetzelfde concept als de bootloader van een computer
• Vertelt CPU waar het operating systeem staat
• Ook mogelijk om het "OS" te overschrijven
• Werking Arduino Nano
• Data wordt verstuurt vanuit PC
• ATmega8u2 zet data om van USB naar UART
• ATmega8u2 reset ATmega328p
• ATmega8u2 stuurt data door naar ATmega328p
• ATmega328p detecteert data op de UART binnen een tijds interval na reset
• Bootloader op ATmega kopieert data naar het flash geheugen
• Tijdsinterval afgelopen, ATmega328p boot met bestaande code

Basis IO Operaties

• pinMode
• DigitalRead
• DigitalWrite
• analogRead
• analogWrite

PinMode

void setup() {
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); 
pinMode(POTPIN, INPUT);
pinMode(BTNPIN, INPUT_PULLUP);


void loop() {
  //doSomething
}
  

DigitalWrite

void setup() {
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);


void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
  delay(1000);
}
    

DigitalRead

void setup() {
  pinMode(pushButton, INPUT);
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  // read the input pin:
  int buttonState = digitalRead(pushButton);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, buttonState);
}
  

AnalogWrite

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  for (int fadeValue = 0 ; fadeValue <= 255; fadeValue += 5) {
    analogWrite(ledPin, fadeValue);
    delay(30);
  }

  for (int fadeValue = 255 ; fadeValue >= 0; fadeValue -= 5) {
    analogWrite(ledPin, fadeValue);
    delay(30);
  }
}
    

AnalogRead

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int sensorValue = analogRead(A0);
  Serial.println(sensorValue);
  delay(1); 
}
  

Oefeningen

• Aansturen van LED (met en zonder PWM)
• Uitlezen van PWM Signaal en Potentiometer
Uitlezen van een drukknop

Projecten Smart Systems

Arduino Summer School @ St Polten

IoT Projecten

Zordon

Smart buildings