In dieser Arbeit wird gezeigt wie mit einem STK 500 von Atmel eine Leistungsendstufe aufgebaut wird. Dabei wird das STK 500 als Mikrocontrollerplattform verwendet.
Dieses steuert eine Leistungselektronik an. Diese Leistungselektronik besteht aus 3 getrennten Kanälen. Diese kann entweder R oder R,L Lasten treiben.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Beschreibung des STK 500
2.1 Funktionsbeschreibung STK500
2.2 Mikrocontroller ATmega8518L
2.3 Resultierende Aufgabenstellung
2.4 Zeitplan
3 Hardware
3.1 Schaltplan und Funktionsbeschreibung
3.2 Wahl der Bauteile
3.3 Layout
4 Software
4.1 Quellcodedateien
4.2 Aufgaben der Module
4.2.1 Aufgabe des Moduls main.c
4.2.2 Aufgabe des Moduls uart.c
4.2.3 Aufgabe des Moduls comhandler.c
4.2.4 data.h
4.2.5 Makefile
4.2.6 ELSYS.pnpproj
4.3 Befehlsliste
5 Inbetriebnahme der Hardware und Test
5.1 Aufbau und Verkabelung der Hardware
5.2 Beispiel Terminal
5.3 Testergebnisse
6 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer elektronischen Flachbaugruppe als 3-Kanal-PWM-Dimmer zur Steuerung von 12V-Lasten, die in Verbindung mit dem Evaluierungsboard Atmel AVR STK 500 betrieben wird. Dabei soll eine effiziente Hardware-Anbindung sowie die notwendige Software-Implementierung realisiert werden.
- Entwicklung einer leistungsstarken Hardware-Erweiterung für das STK 500.
- Implementierung einer PWM-basierten Steuerung für ohmsche und induktive Lasten.
- Realisierung einer seriellen Schnittstellenkommunikation zur Konfiguration der PWM-Werte.
- Erstellung einer modularen Softwarestruktur in C unter Verwendung der GNU Compiler Collection (GCC).
- Praktische Inbetriebnahme und messtechnische Validierung der Schaltung mittels Oszilloskop.
Auszug aus dem Buch
3.1 Schaltplan und Funktionsbeschreibung
Der Transistor T1 wird durch das Signal GATE1 angesteuert. Aufgrund der Sourceschaltung werden keine Gatetreiber benötigt da der Mikrocontroller 20 mA auf einem I/O Pin liefern kann. Jedoch sollte ein Transistor mit kleiner Gatekapazität gewählt werden. Dazu mehr jedoch in Abschnitt 3.2. Mit dem Pulldown-Widerstand R1 bekommt der Transistor ein definiertes Signal, wenn kein äußeres Signal vorhanden ist. Wird nun das Gate mit einer PWM angesteuert, ergibt sich bei einer ohmschen Last eine Rechteckspannung. Je nach Pulsbreite variiert somit der arithmetische Mittelwert der Spannung der wie folgt definiert ist:
Ebenso ergibt sich bei einer ohmschen Last ein Stromverlauf der proportional zur Spannung ist, da I = U/R gilt. Anders sieht dies bei einer induktiven Last aus. Dadurch, dass eine induktive Last durch das gespeicherte Magnetfeld beim Abschalten des Transistors ihre Energie abgeben will, entsteht eine Spannungserhöhung. Diese wird mit der Diode D1 vermieden. Dadurch kann das Magnetfeld der Spule von der induktiven Last durch einen Stromfluss ohne äußere Spannungserhöhung abgebaut werden. Dies ist der so genannte Freilaufstrom. Aufgrund dessen wird D1 auch als Freilaufdiode bezeichnet. In der folgenden Abbildung 5 sind die theoretisch zu erwartenden Stromverläufe bei einer Pulsbreite der PWM von 50 % abgebildet.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Aufgabenstellung zur Entwicklung einer Flachbaugruppe im Rahmen des Moduls ELSY an der FH Bingen.
2 Beschreibung des STK 500: Erläutert die technischen Merkmale, den Mikrocontroller ATmega8518L und die projektbezogenen Voraussetzungen.
3 Hardware: Detaillierte Darstellung des Schaltplans, der Bauteilauswahl (MOSFETs, Dioden) sowie der Layout-Konzeption.
4 Software: Dokumentation der Quellcodedateien, der Modulaufgaben und des seriellen Befehlssatzes zur Steuerung.
5 Inbetriebnahme der Hardware und Test: Anleitung zum Aufbau und der Verkabelung, Demonstration der Terminalsteuerung sowie Analyse der Messergebnisse.
6 Zusammenfassung: Abschließende Bewertung des Projektes und Reflexion der Vor- und Nachteile des STK 500-Systems.
Schlüsselwörter
STK 500, Mikrocontroller, ATmega8518L, PWM-Dimmer, Pulsweitenmodulation, Hardware-Entwicklung, C-Programmierung, serielle Schnittstelle, Leistungselektronik, Freilaufdiode, Leiterplatten-Layout, AVR-Studio, WinAVR, Messtechnik, Signalverlauf.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit dokumentiert die Entwicklung einer Hardware-Zusatzbaugruppe zur PWM-Ansteuerung von Lasten über das Atmel AVR STK 500-Evaluierungsboard.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit deckt die Bereiche Mikrocontroller-Programmierung, Hardware-Design, Leistungselektronik und die praktische Inbetriebnahme von Schaltungen ab.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist die Realisierung eines 3-Kanal-PWM-Dimmers, der als Erweiterungsbaugruppe effizient DC-Spannungen für Lasten regelt.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Autor verfolgt einen ingenieurwissenschaftlichen Ansatz: theoretische Dimensionierung, Hardware-Layout, Softwareentwicklung und anschließende messtechnische Verifikation mittels Oszilloskop.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden der Schaltplan, die Auswahl der Halbleiterkomponenten, die Struktur der C-Quellcodedateien und der serielle Befehlssatz beschrieben.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Begriffe sind PWM, STK 500, Mikrocontroller, Leistungselektronik und serielle Kommunikation.
Welche MOSFETs wurden für die Schaltung ausgewählt?
Es wurde der N-Kanal HEXFET Power MOSFET IRF3205S aufgrund seines niedrigen Einschaltwiderstandes und seiner schnellen Schaltfähigkeit gewählt.
Wie wird die serielle Kommunikation mit dem System realisiert?
Über ein Terminalprogramm (z.B. Hyperterminal) können Befehle wie "setpwmaXXX" gesendet werden, um die PWM-Werte der drei Kanäle individuell zu steuern.
Warum wird eine Freilaufdiode verwendet?
Die Diode D1 dient dazu, beim Abschalten induktiver Lasten auftretende Spannungsspitzen abzubauen und das Magnetfeld kontrolliert zu entladen.
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- Dipl.Ing.(FH), M.Eng. Jens Amberg (Author), 2009, Evaluierung eines STK 500, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/163961
