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AVR ATtiny2313 でPCに電圧表示と記録と出力制御
ATtiny2313 のアナログ比較器とコンデンサーを利用した ADC が意外にも高精度なので、それなら16文字 LCD なんかじゃなく PC ででっかく電圧表示させてやろう!と思って始めた実験だったが、やっているうちにだんだん欲が出てきて、あれもできるかこれもできるかと機能を継ぎ足していったら、実務や研究にいろいろと活用できそうなモノが出来たので公開。

①システム概要
・測定電圧を ATtiny2313 で 「 ちょびちょび充電回数 」 に変換して PCへ送信、PCではそれを解析し測定電圧値を得る。
・その電圧値を基に PC 画面上に電圧値とオートグラフの表示、データログの記録を行う。
・また電圧値を基にイベント出力とPWM出力を ATtiny2313 にオーダーする。
・PC-ATtiny2313 間の通信にはUSBインターフェイスを利用し、仲介として FT232RL搭載のUSB-シリアル変換モジュール AE-UM232R(秋月電子)を使用する。FTDI社配布VCPドライバ のインストールが必須。
・電源はUSBバスパワーで DC5V 。さらにこれを 3.300V に安定降圧し ATtiny2313 へ給電。
・ATtiny2313 のシステムクロックはクリスタル 8MHz(分周なし)。
・通信速度 38400bps(設定値)。
・測定可能電圧 0.00~12.00V /分解能 10mV
・データログはCSV形式ファイルで出力。
・マイコン用プログラム及びPC用プログラムは独自開発。

②動作確認環境
・WinXP + Pentium4(R)_2.6GHz + 1GB_ROM
・WinVista + Core(TM)2_Duo_T7100_1.80GHz + 1GB_ROM

③回路
ATtiny2313でPCに電圧表示と記録と出力制御 回路図
USB CABLE:PC側Aプラグ-変換モジュール側ミニBプラグ
AE-UM232R:USBシリアル変換モジュール/24pin-DIP
ATtiny2313:AVRマイコン ATtiny2313-20PU/20pin-DIP
EV0~3:イベント出力ピン
PWM0~1:PWM出力ピン
C1:47μF(電解)/給電安定用
C2:20pF(セラ)/XTAL安定用
C3:20pF(セラ)/XTAL安定用
C4:0.1μF(セラ)/ATtiny2313安定用
C5:0.1μF(ポリエステルフィルム・容量許容差5%)/測定電圧比較用
C6:10μF(電解)/測定変換電圧安定用
C7:20p~30pF(セラ)/ノイズ緩衝用
D1:シャントレギュレータ TL431ACZ/基準電圧生成用
D2:バリスタ/サージ電圧防止用
LED1:青φ3など/給電確認用
LED2:赤φ3など/ATtiny2313通信モニタ(送信)
LED3:緑φ3など/ATtiny2313通信モニタ(受信)
PHOTOTRIAC:フォトトライアックカプラ S21MT1/RELAY駆動用
Q1:N-ch MOSFET(ゲート電圧3Vで駆動可能なタイプ)2SK2961、2SK2493 など
Q2:NPNトランジスタ 2SC1815 など
R1:1kΩ/LED1用
R2:1kΩ/LED2用
R3:1kΩ/LED3用
R4:1kΩ/D1電流制限用
R5:10kΩ/出力電圧変換用
R6:30kΩ(10kΩ直列3連)/出力電圧変換用
R7:10kΩ/ATtiny2313安定用
R8:100kΩ/測定変換電圧安定用
R9:20kΩ(10kΩ直列2連)/測定電圧変換用
R10:100kΩ/測定電圧変換用
R11:100Ω/Q1駆動用
R12:10kΩ/Q1動作安定用
R13:1k~10kΩ/Q2駆動用
R14:10kΩ/Q2動作安定用
R15:500~1kΩ/PHOTOTRIAC一次側電流制限用
RELAY:汎用ACリレーなど
SW1:タクティクルスイッチなど/AE-UM232Rリセット用
SW2:タクティクルスイッチなど/ATtiny2313リセット用
U1:汎用デュアルオペアンプ LM358N(Aポート)/DC3.300V生成用
U2:汎用デュアルオペアンプ LM358N(Bポート)/測定電圧入力用
VR1:2kΩ(半固定)/DC3.300V出力調整用/5kΩでも可
VR2:2KΩ(半固定)/ADC校正用/5kΩでも可
XTAL:水晶発振子 8MHz/ATtiny2313 システムクロック生成用
【MEMO】
・破線で表した配線は、この変換モジュールを使用して ATtiny2313 にプログラム書込む場合に必要。外部のライターを使用する場合は不要。
・AE-UM232R基板上ジャンパの設定については以下の通り。
 J1:直接関係ないが1-2間をジャンパしておく。
 J2:ジャンパしてUSBバスパワーを使用する。
・ATtiny2313 はUSBバスパワー5Vでも十分駆動できるが、ADC は電源の安定が生命線なので D1 と U1 を使い安定 3.300V を生成しこれを給電している。AE-UM232R からも3.3V がとれるので試してみたが、安定しているとはとても言い難くNG。もっとも安定電圧値は 3.3V にこだわらずなるべく大きく取りたいところだが、U1 のスイングからするとこの辺りが妥当。
・また U1 の最大出力が 40mA と小さいため、EV や PWM出力ピンに負荷を直接繋ぐことは出来ない。回路図記載の参考図に示すように MOSFET やトランジスタなどを介して負荷を駆動する。
・C5にはルビコン社製 50F2D104J を使用。同品使用を推奨するが、秋月で売っている NISSEI製 MMT 0.1uF やパナソニック社製 ECQV1H104JL などでも代用確認済。ただどの部品にしても個々に容量誤差があるため、できれば複数個入手し校正しやすいものを選んで使用するとよいだろう。
・回路は最初ブレッドボード上に作り十分動作確認されることをお勧めする。基板上に作る場合は AE-UM232R や ATtiny2313 を繋ぐための ICソケットやピンソケットが別途必要。
・部品種は出来るだけ少なくなるように工夫した。出力ピン接続負荷や取寄せ送料を別とすれば 2300~2500円ぐらい。製作所要時間の短さやプログラムライタとしても使用できるメリットを考えれば安価だと思う。

I-O board for Amic2313
こちらはブラスト工法で作成した専用プリント基板に構成したもの。
掲載回路からは外部給電用の部品やターミナルなどが追加されている。
基板はCEM-3グリーンエポ 70×90×t1.6mm。

④プログラム

Voltemia with ATtiny2313 モニター画面

Voltemia with ATtiny2313 Ver2.00
Windows用フリーソフト (マイコン用HEXファイル同梱)
取扱説明書ダウンロード

<主な特徴>
・サンプリング間隔を自由に設定できる
・測定電圧のオートグラフ表示
・設定電圧でのイベント出力制御(4点)及び PWM出力制御(2点)
・イベント出力に連動させ外部ファイルの実行ができる(ver2.00~)
・データログのファイル出力
・製作容易かつローコストで制御学習用に最適

校正は VR1 で ATtiny2313 給電圧を一旦 3.300V に調整した後、VR2 で測定電圧とモニタウィンドウ表示電圧値をあわせる。容量誤差が大きくて VR2 で表示が合わせきれない場合は、再度 VR1 で ATtiny2313 給電圧を上げ下げ(3.26~3.38V程度)することで調整可能になる。加えて ver2.00からはユーザー設定画面でスパン率の変更ができるので、これを併用すればさらなる微調整が可能。

きちんと校正すればかなりの安定性と精度が得られるハズ(最大誤差20mV程度)。

変更履歴:
 09/7/20 C5コンデンサについての補足と校正方法を追記
 09/10/3 回路図変更(LED2及びLED3の結線誤記修正)
 09/11/4 C5コンデンサ対応品追記
 09/11/5 専用プリント基板への構成写真を追加
 09/11/10 プログラムバージョンアップ(Ver1.01)
 10/1/3 プログラムバージョンアップ(Ver2.00)、主な特徴及び校正法追記
 10/5/21 参考図変更(安定化抵抗位置)

タグ : AVR USB マイコン 制御 PWM 電圧 IO ADC 計測 データロガー

2009-07-15 15:36 マイコン応用
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2013-11-01 /
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