atmega doku

Ltanleitung fr das Atmega-Basis-Board

Version 1.2

Benjamin Reh

November 26, 2012

Contents

1 Einleitung 2

2 Zusammenbau 2

2.1 Teileliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2 Ausrichten der Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.3 Atmega Sockel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.4 Spannungsversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.5 LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.6 Quarz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.7 Programmieradapter und Reset-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.8 Spannungsversorgung fr den ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.9 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.10 Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.11 Ltbrcken SJ1 und SJ2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Inbetriebnahme 7

3.1 Fusebits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.2 Erstes Programm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4 Anhang 7

4.1 Fehlersuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4.2 Berechnung eines Vorwiderstands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4.3 Abbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1

Version Mrz 2012 IWR-Robotiklabor

1 Einleitung

Dieses Dokument dient als Hilfe beim Zusammenbau des Atmega Boards. Da die Platinen

nicht bedruckt sind, mssen die Bauteile mit Hilfe von Abbildung 1 und dieser Anleitung

richtig positioniert werden.

Der hier beschriebene Vorgang fhrt zum Vollausbau der Platine. Einzelne Abschnitte kn-

nen bersprungen werden, sofern die Hardware nicht bentigt wird.

2 Zusammenbau

2.1 Teileliste

Bezeichnung Wert Bauteil

C1, C4, C5, C6 100nF Keramik-Kondensator

C7,C8 22pF Keramik-Kondensator

C2 220F Elektrolyt-Kondensator

C3 10F Elektrolyt-Kondensator

IC1 Atmega168 IC

IC2 A7805 Spannungsregler

Q1 16Mhz Quarz

JP22 Verpolungssicherer Pin

LED1 3mm LED

R1 10kOhm Widerstand

R2 10Ohm Widerstand

R3 22OOhm

1

Widerstand

JP1 Wannenstecker

Q2, Q3 BS250 Transistor

2.2 Ausrichten der Platine

Als erstes ist es ntig zu erkennen, von welcher Seite aus die Platine bestckt wird und von

welcher Seite geltet wird. Am Besten legt man sich die Platine gem der nebenliegenen

Abbildung (Abb. 1) hin. Die Platine ist von beiden Seiten beschriftet. Auf der Seite, auf der

die Zeile Robotiklabor an der Uni Heidelberg steht, wird bestckt. Dem zufolge wird auf der

anderen Seite geltet.

Ab Version 1.2 sind die Platinen mit oben (Bestckungsseite) und unten (Ltseite) beschriftet.

2.3 Atmega Sockel

Der Atmega selbst wird in einen Sockel gesteckt, um ihn gegebenenfalls austauschen zu knnen.

Der Sockel wird in die Lcher in der Mitte platziert und zwar so, da die Markierung in Form

einer Einbuchtung an der kurzen Seite nach links zeigt. Den Atmega selbst steckt man am

Besten erst nach dem Zusammenbau ein.

2


Figure 1: Board in der Version 1.1

2.4 Spannungsversorgung

Die Spannungsversorgung besteht aus einen 5V Spannungsregler, drei Kondensatoren undeinem Doppelpin zum Anschlieen der Spannung von auen.

1. Als erstes werden die 2 Pins mit der Verpolungsschutz verltet. Der Verbinder wird so

eingeltet, da die Fahne zur Platineninnenseite zeigt.

2. Als Spannungregler wird hier ein LM7805 im TO-220 Gehuse verwendet (Abb.2 ) Er

wird so eingeltet, da die Khlfahne nach auen von der Platine weg zeigt.

3. Der Keramikkondensator (C1) wird in die zwei Ltpunkte vor dem Spannungsregler ein-

geltet, die Polung ist wie bei allen Keramik-Kondensatoren unwichtig.

4. Der kleine Elektrolytkondensator (C3) wird in die zwei groen Lcher weiter zur Mitte

leicht oberhalb eingeltet. Die mit mehreren Minus-Zeichen gekennzeichnete Seite mu

dabei nach auen zeigen.

5. Der etwas grere Elektrolytkondensator (C2) wird nun noch links unterhalb der Span-

nungsversorgung eingeltet. Minus ist oben auf der Platine.

Achtung: Bei Elektrolytkondensatoren ist die richtige Polung wichtig! Sonst wird das Bauteil

zerstrt!

Figure 2: A7805 Spannungsregler

3


Direkte Spannungsversorgung (alternativ)

In seltenen Anwendungsbereichen mchte man die Spannung nicht wie oben beschrieben glt-

ten. Das ist aber eher ein Spezialfall, z.B. wenn die Versorgung von auen bereits ausreichend

gut ist. Hier wird gezeigt, wie die externe Spannung direkt angeschlossen wird.

Schliet man die Basis-Platine an eine externe Schaltung an, die schon 5 Volt liefert, so ist

der Spannungsregler nicht ntig. Der Mikrocontroller vertrgt eine Spannung zwischen 4.5 und

5.5 Volt. Statt des Spannungsreglers wird dann ein in der Mitte isolierter Draht als Brcke

eingeltet, der die beiden ueren Ltaugen verbinden. Er darf aber nicht den Ground am

mittleren Kontakt berhren, deshalb ist die Isolation notwendig. (Siehe Abbildung 3)

Einer der beiden Elkos ist dann auf jeden Fall berssig. Ist die externe Versorgungsspan-

nung ausreichend stabil, so knnen theoretisch auch alle drei Kondensatoren der Spannungsver-

sorgung weggelassen werden.

Figure 3: Ltbrcke anstelle des Spannungsreglers

2.5 LED

Die Leuchtdiode an sich dient lediglich dem Zweck, das Anliegen der Spannung anzuzeigen.

Sie kann nicht geschaltet werden. Abhngig von der Farbe der LED ist ein entsprechender

Widerstand R3 zu whlen. Typische Werten liegen zwischen 140 und 220. Zur Berechnungdes Vorwiderstands siehe 4.2.

Die LED wird mit dem krzeren Bein (Kathode) nach unten hin in die zwei Lcher ganz

rechts unten eingeltet. Der dazugehrige Vorwiderstand R3 stehend in die zwei Pins direkt

darber.

Figure 4: LED

Die Schaltung ist jetzt bereit fr den ersten Test. Schliet man eine Spannung von mindestens

6 bis 7 V bei vorhandenem Spannungsregler an, so sollte die LED nun leuchten

2.6 Quarz

Der Quarz wird bentigt, um den Atmega mit einer Taktfrequenz 16Mhz betreiben zu knnen.

4


Der Quarz (Q1) selbst wird in die zwei Lcher auf der unteren Seite zwischen den beiden

groen Pinfelder, die zwei Kerkos (C7, C8) rechts und links vom Quarz eingeltet. Die

Polung ist dabei unwichtig.

2.7 Programmieradapter und Reset-Schaltung

Achtung: Bei Version 1.1 ist der Resetknopf vor der Wannenstecker einzulten!

Der Reset-Knopf kommt in die vier Lcher links unten, unterhalt die Wannenbuchse.

Die Wannenbuchse wird ganz links in die Pins eingeltet. Die Aussparung in der Buchse

zeigt zum Atmega hin.

Der Pullup-Widerstand (R1) fr den Reset kommt bei Platinen-Versionen < 1.2 direkt

darunter etwas weiter rechts. Ab Version 1.2 wird er stehend links oberhalb des Atmegas

eingeltet.

Als letztes wird noch ein Kondensator (C4) zwischen Reset-Schalter und dem Keramikkon-

densator des Quarzes bentigt.

2.8 Spannungsversorgung fr den ADC

Um den Analog-Digital-Wandler benutzen zu knnen, mssen zwei Kerkos und ein Widerstand

eingeltet werden.

Der Widerstand R2 wird direkt zwischen der Stiftleiste oben rechts und dem Atmega-

Sockel eingeltet.

Die Kondensatoren C5 und C6 kommen in die verbleibenden Postionen links daneben.

2.9 Transistoren

Mit einem Pin an einem Mikrocontroller knnen nur sehr begrenzte Strme geschaltet werden.

Einmal ist das durch die Fhigkeit eines einzelnen Pins begrenzt, zum anderen auch durch den

maximalen Gesamtstrom, den der Controller aufnehmen darf. Bereits sehr helle LEDs oder

Infrarot-Dioden knnen da zu viel sein. (Nheres bitte im Datenblatt des zu verwendenden

Controllers nachlesen).

Mchte man hhere Strme schalten, so bietet sich dazu ein Transistor an. Das Platinende-

sign sieht dafr zwei pMOS Transistoren vor, die mit den Pins PB1 und PB2 geschaltet werden

knnen. Diese Pins knnen auch im Pulsweiten-Modus betrieben werden und sind deshalb ideal

z.B. fr die Regelung der Helligkeit einer Lampe/LED oder die Geschwindigkeit eines Motors.

Ist nicht ganz klar, ob die Transistoren fr den geplanten Aufbau erforderlich sind, so sollte

Rckfrage gehalten werden.

Aufbau

Die zwei Transistoren Q2 und Q3 selbst werden in die zwei mal 3 Lcher rechts vom Atmega,

unterhalb des gren Kondensators und oberhalb des Spannungsreglers eingeltet. Die ache

Seite des Transistors zeigt dabei jeweils zur Mitte hin, die runde nach auen. Der mittlere Pin

5


mu unter Umstnden etwas weggebogen werden, um in das mittlere, leicht versetzte Loch zu

passen.

An der 2x2 (als Teil der 2x3 Leiste) Pinleiste ganz rechts oben liegen zur Mitte hin die

Ausgangssignale an, auen Ground.

2.10 Pins

Nun fehlen lediglich die Pins, an denen die Peripherie angeschlossen werden. Dazu sind jeweils

drei Pins vorgesehen. Der Platinenuere hat Ground, der mittlere 5V und der dem Atmegazugewandte ist mit einem Pin auf dem Mikrocontroller verbunden.

Getrennte Versorgunsspannung (Ab Version 1.1)

Unter Umstnden kann es sinnvoll sein, da man an den Pin fr die Versorgungsspannung

nicht die vorgelterte Spannung des Atmega anlegen mchte. Das knnte dann sein, wenn

man z.B. fr Servos mehr als nur 5V bentigt oder wenn die Spannung zum Beispiel durch einServo derart gestrt wird, da der Atmega abstrzen wrde. Auch wenn hhere Strme ieen,

bietet es sich an, diese an dem Spannungsregler der Platine vorbeizufhren. Deshalb ist die

Versorgungsspannung auf den oberen Pinleisten abgetrennt.

Mchte man die Abtrennung nicht und einfach die Pins mit Platinenspannungspannung

versorgen, so ist einfach ein Jumper auf die zwei linken Pins der oberen 2x3-Pin-Matrix zu

stecken. Alternativ kann auch eine Drahtbrcke eingeltet werden.

Ansonsten kann der Pin oben links der 2x3-Matrix zur Versorgung mit einer Alternativspan-

nung genutzt werden.

2.11 Ltbrcken SJ1 und SJ2

Ab Version 1.2

Zuknftige Programmieradapter knnen die Mglichkeit bieten, zustzlich zum Aufspielen der

Software auch noch eine serielle Verbindung von PC und Controller bereitstellen. Aus diesem

Grund ist es mglich, durch die Ltbrcken SJ1 und SJ2 links unten auf der Platine die RX-

und TX-Pins des Mikrocontrollers auf den Programmieradapter zu legen. Dazu sind einfach

die zwei Kontakte je Ltbrcken mit etwas Ltzinn zu verbinden.

Workaround

Leider ist bei der Umstellung auf Version 1.2 mit der Einfhung der Ltbrcken eine kleine

Inkompartibilitt mit vorhandenen Programmieradaptern entstanden. Auf den Pins der 10-

poligen Pfostensteckerbuchse, die nun fr RX und TX verwendet werden knnen, erwarten

diese stattdessen Ground. Sollte es ein Problem mit dem Aufspielen der Software geben, so

wird hier ein Workaround dargestellt:

Man Verbindet die drei Pins links unten an der 10-poligen Programmier-Buchse miteinander.

Entweder mit Ltzinn oder indem man einen Draht mit zur Verbindung verwendet. Dadurch

liegen alle drei Pins, wie bei vorherigen Versionen, auf Ground.

6


3 Inbetriebnahme

3.1 Fusebits

Um mit den Atmega vollstndig nutzen zu knnen, sollte er auf die Benutzung des externen

Quarzes eingestellt (gefust) werden. Dies geschieht entweder mit dem avrstudio unter Windows

oder viel einfacher mit dem Linux-Tool avrdude. Unter der Adresse http://www.engbedded.

com/fusecalc/ ist ein Hilfe zu nden, wie sich die Fusebits zusammensetzen. Sinnvolle Werte

fr den Atmega168 und den 16Mhz-Quarz sind als target im Makele des Basis-Codes enthalten.

Wie man den Basis-Code bekommt, steht im nchsten Abschnitt. Mit make fuse knnen direkt

die richtigen Fusebits gesetzt werden.

Von Hand ginge es sonst so

avrdude -p m168 -U lfuse:w:0xff:m -U hfuse:w:0xd7:m -c [Programmer] -P [Port]

3.2 Erstes Programm

Um ein Programm auf den Mikrocontroller zu bertragen kann ebenfalls das Tool avrdude

verwendet werden. Um den Start in die Mikrocontrollerprogrammierung zu erleichtern, haben

existiert auf der Homepage des Labors

(http://roboter.uni-hd.de/DEVELOPMENT/)

ein Projekt namens Basis, das Beispielcode und ein Makele bereitstellt.

Alternativ (empfohlen) kann man auch ein svn checkout machen und erhlt so auch das

Datenblatt des Atmega168 sowie die allerneueste Version der Basis. Das geht mit dem Befehl

svn co http://ornella.iwr.uni-heidelberg.de/svn/basis/.

Das Makele enthlt ein target prog mit den Optionen, um ein Programm in den Flash-

Speicher des Mikrocontrollers zu bertragen. Oft bentigte Funktionen sind in der Basis bereits

implementiert, dazu verweisen wir auf die entsprechenden Header-Dateien der Projekts.

Ein separates Dokument in Form eines Tutorials zur Einfhrung in die Mikrocontrolle-

Programmierung schliet an genau diesem Punkt an.

4 Anhang

4.1 Fehlersuche

Eine Auistung huger Fehler und deren Ursachen:

1. LED leuchtet nicht

LED falsch herum eingeltet

Spannung zu gering (mind. 6V bei eingebautem Spannungsregler)

Kurzschlu

2. Controller lt sich nicht programmieren

Platine mit ausreichend Spannung versorgen (Leuchtet die LED?)

Bei Platinen ab Version 1.2 siehe 2.11

Controller richtig herum eingesetzt? Markierung mu Richtung Programmierbuchse

zeigen

7


3. Obere Leiste hat keine Spannung

Bei Platinen ab Version 1.1 siehe 2.10

4. Controller arbeitet nicht, aber Spannung liegt an

Ist der Programmieradapter in der Platine eingesteckt aber nicht ber USB mit dem

Rechner verbunden?

5. Controller hlt das Timing nicht ein

Fusebits berprfen 3.1

6. Controller resettet sich

Spannung bricht ein:

Strombegrenzung am Netzteil erhhen.

Akkus laden

zu viel Last auf der internen 5V Spannungsversorgung?

Software-Fehler wie fehlerhafte Pointer

(Es gibt keinen Segfault auf dem Mikrocontroller)

4.2 Berechnung eines Vorwiderstands

Bei einigen Bauteilen, wie z.B. LEDs, bentigt man einen Vorwiderstand, um sie an der Ver-

sorgungsspannung betreiben zu knnen. Ein Vorwiderstand ist ein Widerstand, der mit dem

Bauteil selbst in Reihe, also hintereinander, geschaltet ist. Dadurch erreicht man, da die

zulssige Spannung und der zulssige Strom (gem Datenblatt) nicht berschritten werden

Figure 5: Vorwiderstand

Wie in Abbildung 5 zu erkennen, werden eine Diode R (ber die die Spannung URabfllt) undein Vorwiderstand RV (mit dazugehrigen Spannung UR) hintereinander an eine gemeinsameSpannung U angeschlossen.Gem des Kircho'schen Maschenregel addieren sich die Spannungen:

U = UR + UV UV = U URNach der Kircho'schen Knotenregel ist der Strom durch den Widerstand gleich dem durch

die Diode, also gleich dem Gesamtstrom:

I = IV = IR

8


Fr den Vorwiderstand ergibt sich nun ein Wert von

RV =UVIV

=U URIR

Beispiel

Der Vorwiderstand fr eine typische grne LED mit einer Spannung von 2.2V und einem Stromvon 20mA soll an einer Spannungsquelle von 5V betrieben werden.

RV =U URIR

=5V 2.2V

0.020A= 140

Nicht jeder Widerstandswert ist aber als Bauteil verfgbar. Hier wrde am Besten ein Vor-

widerstand von 150 gewhlt werden, weil er am dichtesten an dem berechneten Wert liegt.Auerdem ist man mit einem etwas grerer Widerstand sicher, da der zulssige Strom nicht

berschritten wird. Grere Vorwiderstnde bei LEDs fhren zu weniger Stromverbrauch und

mindern die Helligkeit nur gering.

9


4.3 Abbildungen

Version 1.1

Version 1.1

12

3

10


Version 1.2

12

3

IC1

IC2

C2C3

R1

JP1

C7

C8Q1

JP2

JP3

JP4

JP5

JP6

JP7

JP8

JP9

JP10

JP11

JP12

JP13

JP14

JP15

JP16

JP17

JP18

JP19

JP20

JP21

JP22C5 C6

R2

R3LE

D1

C4

C1

S1

JP23

Q2

Q3SJ1SJ2

12

3

IC1

IC2

C2C3

R1

JP1

C7

C8

Q1

JP2

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JP22C5 C6

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R3LE

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C4

C1

S1

JP23

Q2

Q3SJ1SJ2

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EinleitungZusammenbauTeilelisteAusrichten der PlatineAtmega SockelSpannungsversorgungLEDQuarzProgrammieradapter und Reset-SchaltungSpannungsversorgung fr den ADCTransistorenPinsLtbrcken SJ1 und SJ2

InbetriebnahmeFusebitsErstes Programm

AnhangFehlersucheBerechnung eines VorwiderstandsAbbildungen

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