8. Temperatur-Messung und Analog-Digital-Wandler

Nach dieser Lektion sollten Sie:

  1. wissen, wie ein ADC genutzt wird

Abb. 1: Signalpfad von Sensorsignal zur Auswertung in C microcontrollertechnik:signalpfadsensorbisc.png

Um Sensorwerte in C sinnvoll nutzen zu können sind einige Schritte zwischen dem passiven Sensor über den ADC bis in den Code umzusetzen (siehe Abbildung 1).

  1. Sensor: $T \rightarrow R_{NTC}$
    Umwandlung der physikalischen Größe in ein Messsignal

  2. Sensorschaltung: $R_{NTC} \rightarrow V_{NTC}$
    Aufbereitung des Messsignal (z.B. Filter, Verstärkung oder Umwandlung in Spannungssignal)

  3. ADC: $V_{NTC} \rightarrow adcValue$
    Digitalisierung in ein Zahlenwert im Code

  4. Aufbereitung im Code $adcValue \rightarrow tValue$
    um ein Abbild des Sensorwerts zu erhalten

Temperatur
$T$
Widerstandswert $R_{NTC}$
$5°C$ $11,9k\Omega$
$10°C$ $9,34k\Omega$
$15°C$ $7,37k\Omega$
Tab. 1: Beispiel für eine Vorgabe im Datenblatt
ADC-Wert
$adcValue$
Temperatur
$T$
$256$ $52,1°C$
$272$ $49,9°C$
$288$ $47,9°C$
Tab. 2: Beispiel für die notwendige Relation im Code

Häufig ergeben sich hierbei folgende Herausforderungen:

  • Der digitalisierte Wert ist nicht linear zur physikalischen Größe
  • Die Relation zwischen digitalisiertem Wert und physikalischen Größe muss platzsparend und effizient umgesetzt werden.
  • Die Angaben im Datenblatt sind für feste Werte der physikalischen Größe vorgegeben (siehe Tabelle 1).
    Im Code werden aber feste digitale Werte benötigt (siehe Tabelle 2).

Diese Einzelschritte und Herausforderungen sollen im Folgenden beschrieben werden.

1.a Umwandlung der physikalischen Größe in ein Messsignal (Sensorwert zu Widerstandswert)


  • Bei vielen passiven Sensoren wird der Sensorwert in eine Widerstandsänderung umgewandelt. Die Relation von Sensorwert zu Widerstandswert ist im Datenblatt des Sensors angegeben.
  • Das Datenblatt der gewünschten Komponente (hier: Thermistors 2381 640 6472) ist im Internet zu finden.
  • Häufig sind im Datenblatt Stützpunkte angegeben, bei welchen der physikalischen Größe ein Messsignal gegenübersteht. Die ist auch hier der fall.
  • Suchen Sie dort nach der gewünschten Komponente (hier Thermistor 2381 640 6472). Beachten Sie, das manche Datenblätter eine andere Sortierung / Benamung nutzen, als sie von den Distributoren genutzt wird. Im konkreten Fall hilft eine Suche nach den letzten drei Ziffern „472“.

Konvertierung des Datenblatts in Excel

Um die Daten aus dem Datenblatt aufzubereiten empfiehlt sich eine Verarbeitung in einem Analyse-Tool, z.B. Matlab. Für kleinere Tabelle kann auch ein Tabellenkalkulationsprogramm wie Excel eine Hilfe sein. Im Folgenden sollen die Schritte anhand von Excel erklärt werden.
  • In vielen Fällen kann das Datenblatt über Daten » Daten abrufen » Aus Datei » Aus PDF eingelesen werden.
    Über diese Variante ist aber hier in vertretbarer Zeit kein Import möglich, da das Datenblatt viele verschiedene Tabellen enthält.
  • Eine andere Variante ist ein Umweg über Word
    • Erstellen Sie ein leeres Dokument in Word
    • Öffnen Sie über Datei » Öffnen » Durchsuchen mit dem Filter *.pdf das gewünschte Datenblatt. Der Import sollte nur wenige Sekunden dauern
    • Es soll nun die relevante Tabelle ausgewählt werden (hier: im pdf Seite 80, in Word Seite 84). Nutzen Sie hierzu das Auswahltool „$\boxed{{\leftarrow}\mkern-10mu{\rightarrow}\mkern-17mu{\uparrow}\mkern-9mu{\downarrow}\;\;}$“ links oben bei der Tabelle.
    • Kopieren Sie die ausgewählte Tabelle
    • In Excel muss nun zunächst das Dezimaltrennzeichen geändert werden, da es sich um eine englischsprachiges Datenblatt handelt. Dies geschieht im Menu Datei » Optionen » Erweitert. Hier sollte Trennzeichen von Betriebssystem übernehmen deaktiviert und als Dezimaltrennzeichen ein Punkt (.) gewählt werden.
    • Nun kann die Tabelle eingefügt werden. Es empfiehlt sich nach dem Einfügen das Dezimaltrennzeichen wieder zurückzustellen.
    • Im Anschluss sollten nur die relevanten Zeilen und Spalten gewählt werden (hier nur Zeilen und Spalten für „… 472“). Sinnvoll ist auch mögliche doppelte oder verbundene Zeilen / Spalten zu reduzieren.
  • Nun sollten die relevanten Spalten (hier: Temperatur und Widerstandswert) in Excel vorhanden sein

2. + 3. Relation von Widerstandswert zu ADC-Wert


Abb. 2: Schaltung des Sensorwiderstands microcontrollertechnik:schaltungsensorwiderstand.png

Der Analog-Digitalwandler konvertiert die anliegende Spannung in einen Wert, welcher im Code weiter genutzt werden kann. Im ATmega328 ist ein 10-Bit ADC verbaut. Dieser wandelt Spannungen von 0V bis VCC (hier 0..5V) in einen internen ADC-Wert von 0 bis 1023 ($2^{10}-1$) um.

Es muss aber nun auch eine Beziehung zwischen Temperatur und ADC-Wert gefunden werden, um die Temperatur intern aus dem digitalisierten Wert ermitteln zu können. Hierzu ist es notwendig zunächst die Schaltung zu betrachten (siehe Abbildung 2).

Die Spannung am ADC lässt sich leicht über den Widerstandswert berechnen:

\begin{align} {{V_{NTC}} \over {V_{CC}}} = {{R_{NTC}}\over{R_{NTC} + R_{pullup}}} \tag{8.1} \end{align}

Daraus ergibt sich der digitalisierte Wert zu

\begin{align} ADCwert = round \left({{V_{NTC}}\over{V_{CC}}} \cdot 1024 \right) \tag{8.2} \end{align}

aus $(8.1)$ und $(8.2)$ ergibt sich

\begin{align} ADCwert = round \left({{R_{NTC}}\over{R_{NTC} + R_{pullup}}} \cdot 1024 \right) \tag{8.3} \end{align}

Diese Relation muss nun im Analyse-Tool abgebildet werden und wurde in dieser Excel-Datei umgesetzt. Einige der verwendeten Excel-Tricks sollen hier beschrieben werden:

  • Benamung von Zellen und Bereichen: Für viele Zellen wurden Namen vergeben, z.B. Zelle J2 in Tabelle 1 erhielt die Benamung $V\_CC$ oder der Bereich E7:E45 die Benamung $R\_NTC$.
  • Rechnen mit Bereichen: In den Zellen F7 und G7 in Tabelle 1 wurden mit Angabe der Bereichsnamen Formeln eingefügt. Damit entfällt das Auffüllen der weiteren Zeilen
  • Einfügen einer Trendlinie: Für das Diagramm wurde ADCval als x-Werte und $R\_NTC$ als y-Werte verwendet. Für die Trendlinie wurde ein Polynom 4. Grades genutzt. Mit Anzeige der Trendlinien-Formel wird die Relation von Widerstandswert zu ADC-Wert sichtbar. Die Zahl-Eigenschaft der Trendlinienbeschriftung sollte dabei auf Wissenschaftlich mit 2 Dezimalstellen gestellt werden, um die Auflösung zu erhöhen.

4. Aufbereitung der des ADC-Werts im Code


Mit den bisherigen Betrachtungen ist zwar klar, wie die Relation von Widerstandswert zu ADC-Wert aussieht, aber diese ist noch nicht im Code umgesetzt. Zunächst sollte der notwendige Wertebereich geklärt werden: In welchem Bereich werden Messwerte erwartet? In diesem Konkreten Fall geht es um die Innenraumtemperatur. Damit wird die Temperatur im Bereich $[-30°C, 50°C]$ sein.



direkte Verwendung der Datenblattwerte

Die einfachste Variante wäre die vorhandenen Daten aus dem Datenblatt direkt zu nehmen und zu prüfen, ob der eingelesene tValue zwischen zwei bekannten Werten liegt.


#define		MAX_INDEX	17	// Anzahl der Stuetzstellen

const int TEMP[MAX_INDEX]    ={ -30, -25, -20, -15, -10,  -5,   0,   5,  10,  15,  20,  25,  30,  35,  40,  45,  50};
const int ADC_VAL[MAX_INDEX] ={ 968, 950, 927, 899, 866, 827, 783, 734, 681, 625, 568, 512, 456, 404, 356, 311, 271};
							// Datenwerte aus dem Datenblatt
							// TEMP[] enthaelt die Temperaturen
							// In ADC_VAL[] sind die den Temperaturen 
							// entsprechenden ADC-Werte abgespeichert
...
	for(int index=0; index<MAX_INDEX; index++)
	{					    // suche den Index, bei dem der gemessene 
						    // Wert zum ersten mal darueber liegt
		if (tValue >= ADC_VAL[index]) break; // wenn gefunden, breche ab 
	};					    // (index zeigt auf untere Temperatur)
	int tValue = TEMP[index];// Der Temperaturwert mit dem 
... 					    // gefundenen index wird zugewiesen

Abb. 3: Bildliche Erklärung für die "direkte Verwendung" microcontrollertechnik:bilddirekteverwendungds.png

Nachteil dabei ist, dass die Ausführung unterschiedlich lange benötigt und die Auflösung nur 5°C beträgt (vgl. Abbildung 3).



direkte Verwendung der Datenblattwerte mit Interpolation

In einem weiteren Schritt könnte eine Interpolation zwischen den Werten umgesetzt werden



#define		MAX_INDEX	17	// Anzahl der Stuetzstellen

const int TEMP[MAX_INDEX]    ={ -30, -25, -20, -15, -10,  -5,   0,   5,  10,  15,  20,  25,  30,  35,  40,  45,  50};
const int ADC_VAL[MAX_INDEX] ={ 968, 950, 927, 899, 866, 827, 783, 734, 681, 625, 568, 512, 456, 404, 356, 311, 271};
							// Datenwerte aus dem Datenblatt
							// TEMP[] enthaelt die Temperaturen
							// In ADC_VAL[] sind die den Temperaturen 
							// entsprechenden ADC-Werte abgespeichert
...
	for(int index=0; index<MAX_INDEX; index++)
	{					    // suche den Index, bei dem der gemessene 
						    // Wert zum ersten mal darueber liegt
		if (tValue >= ADC_VAL[index]) break; // wenn gefunden, breche ab 
	};					    // (index zeigt auf untere Temperatur)
	int t_uW = TEMP[index];	// Der Temperaturwert mit dem gefundenen index 
						    // wird gespeichert (unterer Wert = uW)
	int t_oW = TEMP[index+1];// Der darauffolgende Temperaturwert wird 
						    // gespeichert (oberer Wert = oW)

	int ADC_uW = ADC_VAL[index];// Der ADC-Wert mit dem gefundenen index 
						    // wird zugewiesen (unterer Wert = uW)
	int ADC_oW = ADC_VAL[index+1];// Der darauffolgende ADC-Wert 
						    // wird zugewiesen (oberer Wert = oW)

	float tValue = TEMP[index] + 
						5 * (tValue - ADC_uW ) / (ADC_oW - ADC_uW ) ; 
						    // lineare Interpolation
						    // zum unteren Temperaturwert wird ein  
						    // Bruchteil entsprechend der Differenz von 
						    // tValue zum unteren ADC Wert ADC_uW hinzuaddiert
...

Abb. 4: Bildliche Erklärung für die "direkte Verwendung mit Interpolation" microcontrollertechnik:bilddirekteverwendungdsmitinterpol.png

Die Auflösung ist nun sehr genau (vgl. Abbildung 4). Nachteile sind aber, dass die Ausführung immernoch unterschiedlich lange benötigt und die ein float-Wert relativ viel Speicher und CPU-Zeit bei weiteren Berechnungen benötigt.

Der float-Wert kann umgangen werden, wenn im gesamten Programm die Temperaturwerte in Zehntel-Grad geschrieben werden. Also 37,5°C $\rightarrow$ 375. Dann kann ein tValue als signed integer geschrieben werden.



Umrechnung der Datenblattwerte

Eine geschicktere Option ist es, den Temperatur-Array TEMP[] bereits so vorauszuberechnen, dass diese über den ADC-Wert tValue adressiert werden kann. Dazu würde aber für alle Werte ein Array mit 1024 Werten benötigt (1kB Speicher). Eine Reduktion des Arrays ist also sinnvoll.

  • Betrachtet man die obige Tabelle ADC_VAL[], so ist jeder Wert größer als 256 und kleiner als 976. Diese Werte können also ignoriert werden.
  • Statt die restlichen Werte in Einzelschritten abzuspeichern, könnte auch nur jeder 16. Wert gespeichert werden

Der Index kann damit als index = (tValue - 256)/16; ermittelt werden. Der Vorteil in den verwendeten Zahlen (Vielfache von 2, hier 16) ist, dass der Microcontroller mit diesen leichter rechnen kann. Dies ist in dem untenstehenden Code umgesetzt. Die Umrechnung des Temperatur-Arrays TEMP[] ist in obigen Excel-File beschrieben.

Abb. 5: Bildliche Erklärung für die "Umrechnung der Datenblattwerte" microcontrollertechnik:bildumrechnungdswerte.png

I. Vorarbeiten
  1. Laden Sie folgende Datei herunter:
II. Analyse des fertigen Programms
  1. Initialisieren des Programms
    1. Öffnen Sie SimulIDE (Version >= 0.5.15) und öffnen Sie dort mittels simulide_open.jpg die Datei 8_temperature_0.5.15.simu
    2. Laden Sie 8_temperature.hex als firmware auf den 328 Chip
    3. Zunächst wird eine Startanzeige mit dem Namen des Programms dargestellt.
    4. Als nächstes sind im Display zwei Temperaturanzeigen zu sehen. Die obere Zeile zeigt den aktuellen Wert, die untere Zeile den Maximalwert seit Start.
    5. Der Drehregler neben dem NTC ermöglicht es die Temperatur des NTC zu verändern.
III. Eingabe in Atmel Studio

/* ----------------------------------------------------------------------------

 Experiment 8:	Temperaturmessung mit MiniMEXLE 
 =============    ===============================

 Dateiname: 8_Temperature.c
 
 Autoren 	: Peter Blinzinger
			  Prof. G. Gruhler 	(Hochschule Heilbronn, Fakultaet T1)
			  D. Chilachava		(Georgische Technische Universitaet)
			  
 Datum   	: 01.05.2020
 
 Version	: 1.1
 
 Hardware:	MEXLE2020 Ver. 1.0 oder hoeher
			AVR-USB-PROGI Ver. 2.0

 Software:	Entwicklungsumgebung: AtmelStudio 7.0
			C-Compiler: AVR/GNU C Compiler 5.4.0

 Funktion : Thermometer mit Anzeige der aktuellen Temperatur und der
			Maximaltemperatur im Betriebszeitraum in °C mit 1/10 Grad.
			Keine Tastenbedienung

 Displayanzeige:	Start (fuer 2s):		Betrieb:
			  	   +----------------+	+----------------+
				   |- Experiment 8 -|	|Temp.     18.5°C|
				   |  Temperature   |	|Maximum   21.6°C|
				   +----------------+	+----------------+

 Tastenfunktion:	keine

 Jumperstellung:	keine

 Fuses im uC:		CKDIV8: Aus	(keine generelle Vorteilung des Takts)

 Header-Files:	lcd_lib_de.h (Library zur Ansteuerung LCD-Display Ver.1.3)

 Module	1) Taktgenerator
			2) AD-Wandlung (Takt: 100 ms)
			3) Umrechnung fuer Temperatur  (Takt: 100 ms)
			4) Anzeigetreiber (Takt: 1 s)

 1) Das Modul "Taktgenerator" erzeugt den Takt von 100 ms fuer die AD-Wandlung
	  und Umrechnung und einen zusaetzlichen Takt von 1 s fuer die Anzeige.

		Verwendung von Hardware-Timer 0 und T0 Overflow-Interrupt.
		Frequenzen: Quarzfrequenz 				    12,288 MHz.
		Timer-Vorteiler		/  8	=>   1,536 MHz
		Hardware-Timer     	/256	=>   6 kHz / 166 µs
		Software-Vorteiler 	/ 60	=> 100 Hz  /  10 ms
		Hundertstel-Zaehler	/ 10	=>  10 Hz  / 100 ms
		Zehntel-Zaehler		/ 10	=>   1 Hz  /   1 s

 2) Das Modul "AD-Wandlung" wird durch den Takt 100 ms aufgerufen.
    Der AD-Wandler wird mit einem internen Takt von 96 kHz betrieben.
	  Im Modul wird eine einzelne AD-Wandlung des Kanals ADC0 mit 10 Bit
    Aufloesung gestartet. Dort ist der NTC des Boards mit Vorwiderstand
    als temperaturabhaengiger Spannungsteiler bzw. Potentiometer angeschlossen.
    Als Referenzspannung wird die 5V-Versorgung verwendet.
    Das Ergebnis wird in der globalen Variable tValue gespeichert.

 3) Das Modul "Umrechnung" wird nach der AD-Wandlung alle 100 ms gestartet.
    Der Ergebniswert des Moduls "AD_Wandlung" wird mit Hilfe einer Tabelle in
    einen entsprechenden Temperaturwert umgerechnet. In der Tabelle sind 
    Temperaturwerte ueber aequidistante (Abstand = 16) AD-Werte aufgetragen.
	  Die Werte dazwischen werden mit linearer Interpolation ermittelt.
    Weiterhin wird im Modul jede aktuelle Temperatur mit der gespeicherten
	  maximalen Temperatur verglichen und der Maximalwert optional angepasst.

 4) Das Modul "Anzeigetreiber" ist an den 1 s-Takt gekoppelt. Damit wird ein
    zu schnelles Umschalten der Anzeigewerte vermieden. Das Modul gibt die
    Werte der aktuellen und der maximalen Temperatur in 1/10 °C aus.
	  
	  Zwischen AD-Wandlung / Umrechnung und Anzeige kann spaeter noch eine
 	  Mittelwertsbildung mit 10 Werten eingefuegt werden.
 
 Die Kopplung der Module wird ueber global definierte Variable realisiert:

 	  1-Bit-Variable:	Takt 100 ms:	Taktgenerator => AD-Wandlung
													  => Umrechnung
						Takt   1  s:    Taktgenerator => Anzeigetreiber

	  16-Bit-Variable:	ad-wert			AD-Wandlung => Umrechnung
						t-wert			Umrechnung => Anzeige
						tmax-wert		Umrechnung => Anzeige

// ----------------------------------------------------------------------------*/

// Deklarationen ==============================================================

// Festlegung der Quarzfrequenz
#ifndef F_CPU					// optional definieren
#define F_CPU 12288000UL		// MiniMEXLE mit 12,288 MHz Quarz
#endif							

// Include von Header-Dateien
#include <avr/io.h>				// Header-Dateien zum ATmega88
#include <avr/interrupt.h>		// Header-Datei fuer Interrupts
#include <util/delay.h>			// Header-Datei fuer Wartezeit
#include "lcd_lib_de.h"			// Header-Datei fuer LCD-Anzeige

// Konstanten
#define VORTEILER_WERT 		60
#define HUNDERTSTEL_WERT	10
#define ZEHNTEL_WERT		10

#define ASC_NULL            0x30        // Das Zeichen '0' in ASCII
#define ASC_FULL_STOP       0x2E        // Das Zeichen ':' in ASCII

const int	TEMP[45] 	=  {521,499,479,459,440,422,404,388,371,354,
							338,323,308,293,279,264,250,236,221,207,
							193,179,165,151,137,122,108,93,78,63,
							48,32,15,-1,-19,-38,-56,-77,-97,-121,
							-145,-173,-202,-237,-278};

							// Die Tabellenwerte sind in 1/10 °C angegeben
							// Der erste Tabellenwert entspricht einem AD-Wert
							// von 256. Die Abstaende der AD-Werte sind 16

// Variable
unsigned char	vorteiler 	= VORTEILER_WERT;		// Zaehlvariable Vorteiler
unsigned char 	hundertstel	= HUNDERTSTEL_WERT;
unsigned char	zehntel = 	  ZEHNTEL_WERT;

unsigned int	adcValue	= 0;	// Variable fuer den AD-Wandlungswert
int				tValue		= 0;	// Variable fuer die Temperatur (in 1/10 °C)
int				tValueMax	=-300;	// Variable fuer maximale Temperatur (1/10 °C)

bool 			takt10ms;		// Bit-Botschaft alle 10 ms
bool 			takt100ms;		// Bit-Botschaft alle 100 ms
bool			takt1s;			// Bit-Botschaft alle 1s

//Funktionsprototypen
void initTimer0 (void);
void initAdc (void);
void initDisplay (void);
void doAdc (void);
void calculateTemp (void);
void refreshDisplayTemp(int tempValue, char line, char pos);
void refreshDisplay (void);

// Hauptprogramm ==============================================================
int main ()
{
	initDisplay();				// Initialisierung LCD-Anzeige
	initTimer0();				// Initialisierung von Timer0
	initAdc();					// Initialisierung des AD-Wandlers

	sei();						// generell Interrupts einschalten
	
	// Hauptprogrammschleife __________________________________________________

	while(1)					// unendliche Warteschleife mit Aufruf der
								// Funktionen abhaengig von Taktbotschaften
	{
		if(takt100ms)			// Durchfuehrung der Funktion einmal pro 100ms
		{
			takt100ms = 0;		// Taktbotschaft zuruecksetzen
			doAdc();			// Ausfuehrung des Modules der A/D-Wandlung 
			calculateTemp();	// Ausfuehrung des Modules der Umrechnung
		}

		if(takt1s)				// Durchfuehrung der Anzeige einmal pro 1s
		{
			takt1s = 0;			// Taktbotschaft zuruecksetzen
			refreshDisplay();	// Ausfuehrung des Modules der Anzeige
		}
	}
}


// Timer Initialisierung ==============================================================
//
// Initialisierung des Timer0 zur Erzeugung eines getakteten Interrupts.
// Er dient dazu, die benoetigten Taktbotschaften zu erzeugen.
void initTimer0()
{
	TCCR0A	|= (0<<WGM00) 
			|  (0<<WGM01);			// Timer 0 auf "Normal Mode" schalten
	TCCR0B	|= (0<<WGM02) 
			|  (1<<CS01 );			// mit Prescaler /8 betreiben
	TIMSK0	|= (1<<TOIE0);			// Overflow-Interrupt aktivieren
}

// ADC-Initialisierung ==============================================================
// 
// Initialisierung des A/D-Wandlers: 
// Vorteiler = 128 => interner Takt = 96 kHz
// Abfrage des ADC0 (NTC-Spannungsteiler)
// Referenzspannung = analoge Versorgung Avcc
void initAdc ()
{
	ADMUX   |= (1<<REFS0);		// Vref =AVCC; ADC0

	ADCSRA	|= (1<<ADPS0)
			|  (1<<ADPS1)
			|  (1<<ADPS2)
			|  (1<<ADEN);		// Teiler 128; ADC ON
}


// Timer-Service Routine ==============================================================
// 
// In der Interrupt-Routine sind die Softwareteiler realisiert, die die Takt-
// botschaften (10ms, 100ms, 1s) fuer die Module erzeugen. Die Interrupts
// werden von Timer 0 ausgeloest (Interrupt Nr. 1)
//
// Veraenderte Variable:	vorteiler
//						hunderstel
//						zehntel
//
// Ausgangsvariable:	takt10ms
//						takt100ms
//						takt1s

ISR (TIMER0_OVF_vect)
{
	--vorteiler;						// Vorteiler dekrementieren
	if (vorteiler==0)					// wenn 0 erreicht: 10ms abgelaufen
	{
		vorteiler = VORTEILER_WERT;		// Vorteiler auf Startwert
		takt10ms = true;				// Botschaft 10ms senden
		--hundertstel;					// Hundertstelzaehler dekrementieren

		if (hundertstel==0)				// wenn 0 erreicht: 100ms abgelaufen
		{
			hundertstel = HUNDERTSTEL_WERT; // Teiler auf Startwert
			takt100ms = true;			// Botschaft 100ms senden
			--zehntel;

			if (zehntel==0)				// Zehntelzaehler dekrementieren
			{
				zehntel = ZEHNTEL_WERT;	// Teiler auf Startwert
				takt1s = true;			// Botschaft 1s senden
			}
		}
	}
}

// ADWandlung ==============================================================
// 
// Durchfuehrung einer Einzelwandlung der am NTC-Spannungsteiler anstehenden 
// Spannung in einen digitalen 10-bit-Wert (einmal pro 100 ms).
void doAdc()
{
	ADCSRA |= (1<<ADSC);				// Wandlung starten
	while (ADCSRA & (1<<ADSC));			// Ende der Wandlung abwarten

	adcValue = ADCL + (ADCH<<8);		// 10-Bit-Wert berechnen
										// ADCL muss vor ADCH stehen!!
										// siehe Datenblatt des ATmega 328
}

// Umrechnung ==============================================================
// 
// (wird alle 100 ms aufgerufen)
void calculateTemp ()
{
	unsigned char index;				// Tabellenindex fuer Temperaturtabelle
	unsigned char steps;				// Abstand zum naechstkleineren Wert
										// der AD-Werte der Temperaturtabelle
	
	index	= (adcValue-256)/16;		// Indexberechnung (Zeiger in Tabelle)	
	steps	= (adcValue-256)%16;		// Rest fuer Tabellen-Interpolation		
	
	tValue = steps * (TEMP[index+1] - TEMP[index])/16 + TEMP[index];	
										// Temperaturwert berechnen

	if(tValue>=tValueMax)				// aktueller Wert mit Maximalwert
	{
		tValueMax = tValue;				// vergleichen und ggf. ersetzen
	}
}

// Anzeigefunktion ==============================================================
//
// Der aktuelle Temperatur und die maximale Temperatur werden ausgegeben
 void refreshDisplay()
{
	refreshDisplayTemp(tValue,		0, 9); 		// aktuelle Temperatur ab Position 0,9
	refreshDisplayTemp(tValueMax,	1, 9);		// maximale Temperatur ab Position 1,9
}

// Anzeigetreiber fuer Temperaturanzeige ==============================================================
//
// Beschreiben der Anzeige mit dem erstellten Temperaturwert 
// und mit dem maximalen Wert (wird alle 1 s aufgerufen).
//
// Umrechnung der Zahlenwerte (1/10 °C) in Anzeigewerte wie folgt: 
// Hunderter: einfache Integer-Teilung (/100).
// Zehner: Modulo-Ermittlung (%100), d.h. Rest bei der Teilung durch 100
//		   dann nochmals Integer-Teilung (/10) dieses Restes.
// Einer:  Modulo-Ermittlung (%10), d.h. Rest bei der Teilung durch 10.
//
// Umrechnung in ASCII-Werte fuer die Anzeige durch Addition von 0x30.
void refreshDisplayTemp(int tempValue, char line, char pos)
{
	lcd_gotoxy(line, pos);					// Startposition fuer Temperatur-Wert
	if (tempValue>=0) 						// zuerst Vorzeichen: ' ' oder '-'
	{
		lcd_putc(' ');
	}
	else
	{
		lcd_putc('-');
		tempValue = -tempValue;				// Vorzeichenumkehr bei negativer Zahl
	}
	lcd_putc   (tempValue/100 + ASC_NULL);	// Hunderter ausgeben (°C Zehner)
	tempValue = tempValue%100;
	lcd_putc   (tempValue/10  + ASC_NULL);	// Zehner ausgeben (°C Einer)
	lcd_putc   (ASC_FULL_STOP);				// Punkt ausgeben
	lcd_putc   (tempValue%10  + ASC_NULL);	// Einer ausgeben (°C Zehntel)
}

// Initialisierung Display-Anzeige ==============================================================
//
void initDisplay()					// Start der Funktion
{
	lcd_init();						// Initialisierungsroutine aus der lcd_lib
					
	lcd_displayMessage("- Experiment 8 -",0,0); // Ausgabe in erster Zeile
	lcd_displayMessage("  Temperature   ",1,0);	// Ausgabe in zweiter Zeile

	_delay_ms(2000);				// Wartezeit nach Initialisierung

	lcd_displayMessage("Temp.         ßC",0,0); // Ausgabe in erster Zeile
	lcd_displayMessage("Maximum       ßC",1,0); // Ausgabe in zweiter Zeile
												// "ßC" wird als °C dargestellt 
}									// Ende der Funktion

/*=============================================================================

Ändern Sie auch hier wieder die Beschreibung am Anfang des C-Files, je nachdem was Sie entwickeln




































































Deklarationen ===================================

  1. Hier wird wieder geprüft ob die Frequenz des Quarz bereits eingestellt wurde und - falls nicht - dessen Frequenz eingestellt.

  2. Die Header-Dateien entsprechen denen der letzten Programme.




  3. Die Konstanten entsprechen denen der letzten Programme.



  4. Es wird eine zusätzliches Array TEMP[] angelegt, in denen die Temperaturen in 1/10 °C abgespeichert sind. Beispielsweise entspricht der erste Eintrag521 einer Temperatur von $52,1°C$. Der erste Eintrag wird bei einem ADC-Wert von 256 benötigt. Der zweite Eintrag entspricht $49,9°C$ und wird bei einem ADC-Wert von 256+16 = 272 benötigt. Die weiteren entsprechend. Die Herleitung erfolgt wie unter Messsignal-Digitalisierung und Auswertung vorgegeben.


  5. Bei den Variablen entsprechen einige denen der letzten Programme.





  6. Die Variable adcValue wird mit dem digitalisierten ADC-Wert befüllt.
  7. Die Variable tValue beinhaltet die aktuelle Temperatur in 1/10°C und mit Vorzeichen.
  8. Die Variable tValueMax beinhaltet die höchsten seit Start gemessene Temperatur in 1/10°C und mit Vorzeichen (entspricht einem Schleppzeiger).



  9. Bei den Funktionsprototypen sind einige bekannte Unterprogramme vorhanden. Details werden weiter unten erklärt.



Hauptprogramm =========================

  1. Das Hauptprogramm ähnelt sehr stark dem Up/Down Counter, wobei die Initialisierung des Timers in eine Unterfunktion initTimer0() ausgegliedert wurde. Die Unterfunktion initAdc initialisiert den ADC.




  2. In der Endlosschleife sind auf der ersten Ebene wieder nur If-Abfragen zu den Flags takt10ms und takt100ms zu finden.

    1. Alle $100ms$ (bzw. wenn das entsprechende Flag gesetzt wird) wird das Flag zurückgesetzt und das Unterprogramm doAdc() sowie calculateTemp() aufgerufen


    2. Alle $1s$ (bzw. wenn das entsprechende Flag gesetzt wird) wird das Flag zurückgesetzt und das Unterprogramm refreshDisplay() aufgerufen




Timer Initialisierung ============

  1. Die Timer Initialisierung ist dem Programm Up/Down Counter entlehnt und wird hier nicht weiter erklärt.






ADC Initialisierung ==============

  1. Über den Multiplexer ADMUX wird die Referenzspannung für die AD-Wandlung vorgegeben. Hier wird auf die interne Referenz, gegeben durch Avcc, geschalten
  2. ADCSRA ist das „ADC Control and Status Register A“.
    Die Bits ADPS0,ADPS1,ADPS2 geben den Teiler für die Wandlerfrequenz vor (hier 1/128 von F_CPU)
    ADEN aktiviert den Wandler. Die eigentliche Wandlung muss aber immer wieder gestartet werden.

Abb. 6: Schaltung des AD-Wandlers im 328 microcontrollertechnik:adcwandler.png


Timer-Service Routine =========================

  1. Die Timer-Service Routine ist dem Programm Up/Down Counter entlehnt und wird hier nicht weiter erklärt.

ADWandlung ==============================================================

  1. Das Bit ADSC startet die AD-Wandlung
  2. Während die AD-Wandlung läuft bleibt das Bit ADSC=1. Ist die Wandlung beendet schaltet das Bit auf 0.
  3. Das Register ADCL enthält die untersten (8) Bits. Das Register ADCH enthält die oberen (2) Bits, welche hier um 8 Bitt nach links verschoben werden (also mit 256 multipliziert wird).
    Wichtig:
    1. immer erst ADCL auslesen, dann ADCH.
    2. immer auch ADCH auslesen, selbst wenn es nicht benötigt wird.

Umrechnung ===========================


  1. Die Variable index gibt die Position in dem Array TEMP[] an. In TEMP[] sind nur Stützpunkte für jeden 16. Wert angegeben.
  2. Die Variable steps gibt den Zwischenschritt zwischen zwei Stützpunkte in Sechzehntel an
  3. tValue ermittelt die Lineare Interpolation zwischen zwei Schritten
  4. In tValue wird der Schleppzähler gespeichert






Anzeigefunktion ===============================

  1. Da zwei Temperaturen ausgegeben werden müssen, ruft die Anzeigefunktion eine weitere Unterfunktion auf, welche mit unterschiedlichen Werten gespeist wird













Anzeigetreiber fuer Temperaturanzeige ===============================




  1. Auf der ersten Position wird gegebenenfalls ein Vorzeichen angezeigt. Falls die Temperatur negativ ist, muss für den nächsten Schritt der Betrag gebildet werden



  2. Für die Temperatur wird zunächst die Zehner und die Einer ermittelt und ausgegeben. Im nächsten Schritt folgt das Dezimaltrennzeichen und die Zehntel Grad.

Initialisierung Display-Anzeige =========================

  1. Die Funktion initDisplay() wird zu Beginn des Programms aufgerufen und führt zunächst die Initialisierung des Displays aus.
  2. Danach wird der erste Text auf den Bildschirm geschrieben und damit der Programmname dargestellt.
  3. Nach zwei Sekunden wird die Display-Vorlage für die Temperatur angezeigt.
IV. Ausführung in Simulide
  1. Geben Sie die oben dargestellten Codezeilen ein und kompilieren Sie den Code.
  2. Öffnen Sie Ihre hex-Datei in SimulIDE und testen Sie, ob diese die gleiche Ausgabe erzeugt


Bitte arbeiten Sie folgende Aufgaben durch:

Aufgabe
  1. Die Anzeige am Display scheint nicht immer genau zum eingestellten Temperaturwert zu passen. Um dies zu verstehen, sollten Sie betrachten, welche Parameter in Simulide beim NTC eingestellt werden können. Weiterhin gibt es dazu Tipps unter dem Elektrotechnik 1-Kapitel: Temperaturabhängigkeit von Widerständen
  2. Entwickeln Sie ein Programm, welches mit einem Poti über den ADC des Atmega328 den Cursor bzw. ein Zeichen auf dem Display bewegt.