Wer seine ersten Erfahrung mit Mikrocontrollern machen möchte, kann an diesem Tag unter Anleitung diesen Bausatz aufbauen und dann natürlich auch mitnehmen.

Ziel des Bausatzes ist es, eine nette elektronische Kleinigkeit aufzubauen, die einerseits einen gewissen Nutzen hat. Andererseits steht der Spaß und die Erfahrung beim Aufbau im Vordergrund, entsprechend sollte der Bauteilpreis möglichst gering sein. Durch den Einsatz von SMD-Bauteilen (Bauteile in Oberflächenmontage anstatt durch Löcher zu steckender Drähte) für wesentliche Elemente außer den LEDs selbst sowie eines Mikrocontrollers zum Realisieren der eigentlichen Funktionalität soll ein Gefühl für zeitgemäße Elektronik vermittelt werden. Die Wahl der Gehäusegrößen ist dabei ein Kompromiss bezüglich der Handhabbarkeit für die Handlötung mit nur einfachen Hilfsmitteln (Lupe und Pinzette).

Bedienungsanleitung

Das Thermometer beginnt mit dem Einsetzen der Batterien mit seiner Arbeit. Einen separaten Ein-/Ausschalter gibt es nicht. Die erwartete Batterielebensdauer für zwei übliche LR03-Zellen (Alkaline) beträgt mehrere Wochen. Die jeweils aktuelle Temperatur wird durch eine helle LED signalisiert, die entweder blinkt (halber aktueller Skalenwert) oder dauerhaft leuchtet (voller Skalenwert). Im Bandbetrieb (s.u.) werden die LEDs links der aktuellen LED mit geringer Helligkeit zusätzlich aktiviert, im Punktbetrieb bleiben sie dunkel. Ist die Temperatur geringer als der untere Skalenwert, so blinkt die erste LED abgedunkelt. Bei einer Temperatur oberhalb des Maximalwertes blinken alle LEDs abgedunkelt.

Jumper JP1 legt die Wahl des Anzeigebereichs fest. Ist er gesteckt, dann ist der vorgesehene Bereich 12 °C bis 32 °C, die mittlere LED signalisiert 22 °C („Wohlfühltemperatur“ im Wohnzimmer). Ist er gezogen, ist der Bereich von 0 °C bis 40 °C vorgesehen, mittlerer Wert 20 °C (Außentemperaturbereich).

(Gezogene Jumper steckt man zweckmäßig auf nur einen der beiden Steckerstifte, damit sie nicht verloren gehen.)

Jumper JP2 schaltet, wenn er gesteckt wird, die Firmware in einen Justiermodus. Damit kann die angezeigte Temperaturskala geschoben werden, um Exemplarstreuungen des Temperatursensors auszugleichen. Prinzipiell ist dadurch natürlich eine beliebige Verschiebung der oben genannten Skalenbereiche realisierbar.

Zum Justieren benötigt man eine Pinzette o.ä., mit der sich immer zwei Anschlüsse von J3 kurzzeitig verbinden lassen. Verbindet man dabei Pins 1 und 6 (links unten und rechts oben), dann erhöht sich die angezeigte Temperatur. Verbindet man Pin 3 und 6 (unten Mitte und rechts oben), verringert sie sich. Schließlich kann man durch Verbinden von Pin 4 und 6 (oben Mitte und rechts oben) zwischen Band- und Punktanzeige wechseln. Achtung! Niemals Pins 2 und 6 verbinden (links und rechts oben), denn damit wird die Batterie kurzgeschlossen.

Nach erfolgter Justage wird JP2 wieder herausgezogen. Die Einstellungen werden dann in einem nicht flüchtigen Speicherbereich innerhalb des Mikrocontrollers hinterlegt, sodass sie auch nach einem Batteriewechsel erhalten bleiben.

Beschreibung der Schaltung

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Übersicht

Zentrales Element der Schaltung ist ein so genannter Mikrocontroller (U1 im Schaltplan, nachfolgend „Controller“ genannt). Dabei handelt es sich um einen kleinen Computer, der außer der CPU den kompletten Programm- und Arbeitsspeicher auf dem Chip enthält sowie verschiedene Peripheriegeräte, über die er mit seiner Umwelt kommunizieren kann. Wie alle digitalen Schaltkreise in CMOS-Technik benötigt er einen Kondensator an seinen Betriebsspannungsleitungen (C1), der wie eine kleine Batterie wirkt für die teils sehr kurzen aber intensiven Stromimpulse, die er im Betrieb aufnimmt.

Wesentliche vom Controller anzusteuernde Elemente sind die Leuchtdioden (LEDs) D1 bis D11. Sie benutzen insgesamt 6 der verfügbaren 11 Anschlüsse (Portpins). Von den verbleibenden 5 Anschlüssen werden drei für die Programmierschnittstelle J3 verwendet. Wenn das Programm läuft, kann man über diese drei Anschlüsse außerdem die Justage der Temperaturanzeige sowie die Umschaltung zwischen Punkt- und Bandbetrieb der LEDs vornehmen. Die letzten beiden verbleibenden Portpins schließlich werden für die Abfrage der beiden Steckbrücken (so genannte „Jumper“, JP1 und JP2) benutzt.

Der Schaltungsteil links oben (U2, C2, R1) ist optional. Damit ließe sich ein externer Temperaturfühler anschließen. Für den Bausatz wurde vorerst vor allem aus Kostengründen auf diese Variante verzichtet, da der im Controller enthaltene interne Sensor sich (nach Justage) als ausreichend für diese kleine Thermometer-Schaltung erwiesen hat.

Anschluss der LEDs

Die LEDs sind in Gruppen zu je sechs LEDs an je drei Portpins des Controllers geschaltet. Jede einzelne LED wird dabei nur einen Bruchteil der gesamten Zeit eingeschaltet. Die Trägheit des Auges lässt uns dies als Dauerlicht erscheinen, sofern das Einschalten häufig genug erfolgt. Grundsätzlich bezeichnet man eine solche Anordnung als „(zeit-)multiplex“, der Sinn des Ganzen ist eine Einsparung von Portpins im Vergleich zu einem direkten Anschluss der LEDs (je LED ein Portpin). Im vorliegenden Fall wurde dabei die „Charlieplexing“ genannte Variante der Anschaltung benutzt, die mit sehr wenigen Portpins auskommt: wenn man N Portpins zur Verfügung hat, kann man N · (N - 1) LEDs damit ansteuern. Dies wird möglich, indem man die Pins dynamisch (sehr schnell, innerhalb von Mikrosekunden) nicht nur als Ausgang mit positivem oder negativem Potenzial sondern auch als „unbeteiligt“ (englisch tri-state) festlegen kann. Als Nachteil entsteht dabei, dass man pro Zeiteinheit immer nur eine einzige LED ansteuern kann. (Beim klassischen Multiplexing werden die LEDs in einer Matrix angeordnet, und man kann pro Zeiteinheit bis zu eine ganze Zeile bzw. Spalte gleichzeitig bedienen.) Die LED muss daher innerhalb dieses Zeitschritts einen genügend hellen Lichtimpuls erzeugen, damit der Lichteindruck im Auge ausreichend für die nachfolgende lange Dunkelperiode ist. Als Kompromiss wurden daher die vorgesehenen LEDs in zwei Gruppen zu je 6 LEDs eingeteilt, sodass jede von ihnen, wenn sie eingeschaltet ist, 1/6 der Zeit von Strom durchflossen wird.

Die sechste LED der zweiten Gruppe wurde weggelassen: mit einer ungeraden Anzahl von LEDs ergibt sich bei der vorgesehenen symmetrischen Skala eine einzelne LED, die genau in der Mitte liegt und den Zentralwert der Anzeige darstellt (22 bzw. 20 °C, je nach Messbereich).

Warum haben die LEDs nun keinen Vorwiderstände? Normalerweise kann man eine LED nicht einfach direkt an eine Spannungsquelle wie eine Batterie anschließen: ihre Betriebsspannung variiert stark mit der LED-Farbe und unterliegt Exemplarstreuungen im Rahmen der Produktion sowie verändert sich mit der Temperatur. Die Helligkeit der LED hängt einigermaßen linear von der Stärke des Stroms ab, der durch sie fließt. Daher schaltet man sie üblicherweise mit einem Vorwiderstand an eine Spannungsquelle, über den der durch sie fließende Strom festgelegt wird. In unserem Falle übernehmen die Ausgangstransistoren im Controller die Funktion des Vorwiderstands. Durch den Betrieb mit nur 3 V (Nennspannung) haben diese Transistoren bereits einen recht hohen Innenwiderstand im eingeschalteten Zustand. Unsere LEDs wiederum benötigen typisch etwas über 2 V Betriebsspannung für sich („Flussspannung“ genannt), es bleibt also ohnehin nur wenig Spannungsdifferenz für die Vorwiderstände übrig. Da wir durch das Multiplexing außerdem mit kurzen Lichtblitzen arbeiten, muss ohnehin der Strom durch die gerade aktive LED 6mal so hoch sein, wie wenn man sie dauerhaft mit Gleichstrom betreiben würde. Alles in allem genügt daher die Anschaltung ohne zusätzliche Widerstände gerade so, dass die LEDs im Multiplexbetrieb überhaupt noch die gewünschte Helligkeit erreichen. Zusätzlicher Vorteil: es verringern sich die Materialkosten, und es ist weniger Lötarbeit nötig. Als Nachteil muss in Kauf genommen werden, dass sie mit entladener Batterie sichtbar dunkler werden.

Temperatursensor

Als Temperatursensor fungiert eine interne Schaltung im Controller, an der bei entsprechender Aktivierung eine temperaturabhängige Spannung entsteht. Diese wird mit einem so genannten ADC (Analog-Digital Converter) in einen Computer-Zahlenwert umgewandelt und von da entsprechend einer vom Hersteller angegebenen Formel umgerechnet. Dabei ist infolge von Fertigungstoleranzen der Wert dieser Spannung für eine bestimmte Temperatur (bspw. 20 °C) für ein bestimmtes Controller-Exemplar nicht sehr exakt vorhersagbar, sodass wir eine Möglichkeit zur Justage des fertigen Geräts benötigen. Die Veränderung der entsprechenden Spannung mit der Temperatur (der „Temperaturkoeffizient“ dieser Spannnung) hingegen ist weitgehend durch physikalische Effekte dominiert und daher vorab bekannt, sodass für einfache Anwendungen die Justage bei einer einzigen Temperatur bereits ausreichend ist.

Programmierschnittstelle

Als Programmierschnittstelle fungiert der 6polige Steckverbinder J3, der sich unten in der Mitte der Platine befindet. Es handelt sich dabei um eine so genannte ISP-Schnittstelle (In-System Programming), d.h. der Controller muss zum Einbringen eines neuen Programms („Flashen“ genannt, da es im Controller in Flash-Speicherzellen hinterlegt wird) nicht aus der Schaltung entnommen werden. Die für die Programmierung benutzten Portpins lassen sich außerhalb des Programmierbetriebs wie reguläre Portpins benutzen, weshalb wir sie für die Justagemöglichkeit verwenden. Für die Programmierung selbst benötigt man einen entsprechenden Programmieradapter, der die auf dem PC vorliegende Firmware (also das Programm) dann über die ISP-Schnittstelle in den Flash-Speicher des Controllers überträgt.

Steckbrücken

Die „Jumper“ genannten Steckbrücken JP1 und JP2 werden benutzt, um im Programm des Controllers Abläufe zu ändern. Zu diesem Zweck wird im Controller ein kleiner Vorwiderstand von der positiven Betriebsspannung angeschaltet. Ein gesteckter Jumper schließt dann diese Spannung nach Masse (negative Betriebsspannung) kurz, und die Software kann beim Abfragen des Pins diese Tatsache feststellen.

Beschreibung der Software

<Download Programm>

Allgemeines

Die Software für dieses Gerät wurde in der Programmiersprache C geschrieben. Diese Sprache wurde in den 1970er Jahren beim US-amerikanischen Telefonkonzern AT&T für die UNIX-Betriebssysteme ihrer Computer entwickelt vor allem mit dem Ziel, auch sehr nahe an der Hardware agierende Programmteile des Betriebssystems damit realisieren zu können statt in der bis dahin üblichen Programmierung in Assemblersprache. Aus diesem Grund ist diese Programmiersprache mittlerweile für die Programmierung von Mikrocontrollern ebenfalls sehr verbreitet, denn auch dort kommt es vor allem auf hardwarenahe Programmierung an. Zum Anderen bietet sie einiges an Komfort bis hin zur Formulierung mathematischer Ausdrücke mittels so genannter Gleitkommazahlen, bei denen mit guter Genauigkeit von sehr kleinen bis zu sehr großen Zahlen gerechnet werden kann. Dies wird im vorliegenden Fall für die Umrechnung der Spannungswerte des Temperatursensors in Temperaturwerte benutzt.

Aus dem in C geschriebenen Quellprogramm (Sourcecode) fertigt eine Werkzeugkette (Toolchain) anschließend ein maschinenlesbares Programm an, welches man bei Mikrocontrollern üblicherweise als „Firmware“ bezeichnet. Für das hier gezeigte Programm wird der freie, quelloffene Compiler GCC einschließlich seiner Begleitwerkzeuge (GNU Binutils) genutzt in der Variante für die AVR-Mikrocontroller der Firma Microchip (vormals Atmel). Ergänzt werden sie dabei durch die Programmbibliothek avr-libc, die für diese Controller-Famile viel Unterstützung für den Zugriff auf die Hardware bietet. Zum Übertragen der Firmware über die ISP-Schnittstelle wird schließlich zusammen mit einem entsprechenden Adapter (Programmiergerät) die Software AVRDude benutzt.

Programmstruktur

Während Programme auf einem PC in der Regel einen Anfang und ein Ende haben, läuft die Firmware eines Controllers nach ihrem Start unbegrenzt weiter, solange sich dieser an der Versorgungsspannung befindet. Daher wird die typische Programmstruktur einer Controller-Firmware bestimmt durch Handlungen, die nur einmalig beim Start erfolgen (Funktion setup()), gefolgt von einer Endlosschleife, innerhalb der sich die eigentliche Funktion der Firmware befindet (loop()). Diese Abfolge steht ganz am Ende des Quelltexts.

setup()

Wesentliche Aufgabe dieser Funktion ist es, die Peripherie-Baugruppen des Controllers in der gewünschten Weise einzurichten. Die vorliegende Firmware benutzt vor allem drei Peripherieblöcke des Controllers: einen Zeitgeber (TIMER1) zur zeitlichen Steuerung aller Abläufe, den AD-Wandler (ADC) für das Einlesen des internen Temperatursensors sowie die Portpins (PORT) zum Ansteuern der LEDs und Einlesen von Eingängen (Jumper, Justierfunktion). Weiterhin wird der im Controller enthaltene EEPROM genutzt, um die Justierdaten zu hinterlegen. Deren aktueller Zustand wird daher beim Start des Programms eingelesen und im Arbeitsspeicher abgelegt.

TIMER1

Der Zeitgeber TIMER1 wird so programmiert, dass er mit 600 Hz Umlauffrequenz arbeitet. Da jede LED jeder Gruppe 1/6 der Zeit eingeschaltet ist, ergibt sich damit eine Wiederholfrequenz von 100 Hz für die LEDs, was deutlich oberhalb der Flimmergrenze des menschlichen Auges (ca. 30 Hz) ist. Zusätzlich löst der Durchlauf des Timers durch 1/20 seines Endwerts ein weiteres Ereignis (TIM1_COMPB_vect)aus, welches dazu benutzt wird, dass die abgedunkelt dargestellten LEDs wieder ausgeschaltet werden. Beim Erreichen des Endwerts (TIM1_COMPA_vect) erfolgt ein Weiterschalten der LEDs innerhalb der jeweiligen Gruppe. Für jeden Zeitschlitz wird dabei festgestellt, ob die zugehörigen Portpins auf Ausgang/high, Ausgang/low oder hochohmig (Eingang) geschaltet werden müssen. Diese Entscheidung erfolgt in der Funktion led_update(). Die Funktion led_dim() entscheidet beim Durchlauf des Timers durch 1/20 des Endwerts darüber, ob sich die aktuelle LED in einem abgedunkelten Zustand („dim“) befindet und daher vorzeitig abzuschalten ist.

Nach dem Weiterschalten des LED-Charlieplexings wird noch eine interne Variable weitergezählt. Erreicht sie den halben Wert der Frequenz des Zeitgebers (was nach 0,5 s der Fall ist), dann wird einerseits eine neue Temperaturmessung im AD-Wandler gestartet, andererseits werden die Werte der Justier-Anschlüsse eingelesen und intern in der Variablen calib_jumpers hinterlegt. Daraus ergibt sich, dass die Justierfunktion jeweils maximal ein Ereignis pro 0,5 s verarbeiten kann.

ADC

Der AD-Wandler ist dauerhaft voreingestellt auf Kanal 8, welcher mit dem internen Temperatursensor verbunden ist. Nach dem Start durch den Zeitgeber benötigt er eine kurze Zeit (knapp 2 ms), um sein Ergebnis zu ermitteln. Dieses wird in der Interrupt Service Routine (ISR) ADC_vect() in einer globalen Variablen adc_result hinterlegt, von wo es später abgeholt wird, um die tatsächliche Temperatur zu ermitteln. Dieser Wert ist erst einmal nur ein Zahlenwert, der die gemessene Spannung relativ zu einer Referenzspannung in Höhe von 1,1 V auf 1024 Schritte aufteilt; der Wert 0 entspricht also 0 V, der Wert 1023 entspricht 1,1 V.

display_temperature()

In dieser Funktion erfolgt die Umwandlung des gemessenen Spannungswertes vom Temperatusensor in die LED-Anzeige. Zuerst wird dabei die Temperatur gemäß der Formel aus dem Datenblatt ermittelt unter Berücksichtigung des Justierwertes (calib_data.t_offset). Danach wird in Abhängigkeit davon, ob JP1 gesetzt oder gezogen ist, ermittelt, welche LEDs wie zu aktivieren sind. Zuerst werden dabei alle LEDs auf „OFF“ gesetzt, danach werden die LED-Muster für die Temperaturanzeige in den Vektor leds[] eingetragen, aus dem dann der Algorithmus fürs Charlieplexing die jeweiligen Aktivitäten an den Portpins zyklisch ermittelt.

Justierfunktion

Nachdem das LED-Muster für die aktuelle Temperatur ermittelt worden ist, fragt die Funktion loop() die Stellung des Jumpers JP2 ab. Wird bei diesem erkannt, dass ein bislang gesteckter Jumper (Justierfunktion, Variable opmode im Programm hatte den Wert CALIBRATION) nun gezogen worden ist, so werden die aktuellen Justierdaten in den EEPROM zurückgeschrieben, damit sie bei einem Neustart des Programms von da eingelesen werden können. Falls sich das Programm im Justiermodus befindet, werden mit jedem Halbsekundenschritt hier die entsprechenden Werte für Band-/Punktbetrieb und Temperatur-Offset nachgeführt.

Nachdem die Funktion loop() dies erledigt hat, versetzt sie die CPU in den Schlafzustand, um Energie sparen zu können. Die Peripheriegeräte arbeiten in diesem Zustand entsprechend ihrer Programmierung uneingeschränkt weiter und bestimmen damit den weiteren Ablauf.

Update 2022-06-17

Die global Chipkrise bewirkt, dass wir für die anstehenden Veranstaltungen in den TSD froh sind, statt der ursprünglichen ATtiny44A wenigstens die kleineren ATtiny24A kaufen zu können. Leider war der ursprüngliche Code geringfügig größer als die nunmehr zur Verfügung stehenden 2048 Bytes im Flash. Ein wesentlicher Anteil des ursprünglichen Flash-Verbrauchs ging darauf zurück, dass die Rechnung mit Gleitkommazahlen durchgeführt worden ist, um den im Datenblatt erwähnten Korrekturfaktor gegenüber dem Idealwert bei der Temperaturmessung zu berücksichtigen. Da aber letztlich der Korrekturfaktor zu 0,996 ermittelt worden war, also nur 0,4 % Abweichung vom Idealfall, und da dieser geringe Unterschied mit der recht groben Auflösung der 11 LEDs in der Anzeige kaum ins Gewicht fällt, wurde er einfach weggelassen. Damit kann die komplette Rechnung mit ganzen Zahlen (integer) erfolgen, und der Code passt nunmehr bequem in den Flash des ATtiny24A hinein.