Dieses Skript beschäftigt sich mit der Hard- und Software eines Mikrocontrollers, dem Ein- und Ausschalten von elektrischen Verbrauchern und der Steuerung von Lampen, Motoren, Heizungen, etc.. Weiter wird auf die Erfassung von Schalterzuständen und analogen Werten sowie die Kommunikation mit dem Computer eingegangen.
Die Maker-Bewegung blüht. Viele technikbegeisterte Tüftler und Macher treffen sich und stellen ihre selbst entwickelten Verfahren und Ideen oder ihre selbstgebauten Geräte und Maschinen vor. Sehr oft wird für die konkrete Umsetzung der Ideen auch Elektronik benötigt. Beim Stichwort Elektronik ist heute fast immer auch ein Mikrocontroller inbegriffen. Mikrocontroller erlauben die Umsetzung einfacher bis komplexer Aufgaben mit minimalem Aufwand. Zudem sind Änderungen leicht durch eine andere Programmierung umsetzbar.
Mit gesundem Menschenverstand und ein wenig Verständnis für physikalische und logische Zusammenhänge kann jeder die Programmierung und Verwendung von Mikrocontrollern erlernen. Damit ergeben sich dann plötzlich ungeahnte Möglichkeiten bei der Umsetzung einer Idee.
Inhaltsverzeichnis
1. Hard- und Software
1.1 Was ist ein Mikrocontroller?
1.2 Der MSP430G2553-Mikrocontroller
1.2.1 Die Programmierung des Mikrocontrollers
1.3 Das LaunchPad
1.4 Die Entwicklungsumgebung
1.4.1 Debugging
1.5 Programmieren in C
2. Ein- und Ausschalten von elektrischen Verbrauchern
2.1 Ansteuern der On-Board-LEDs
2.1.1 Digitale Ausgänge
2.2 Externe Verbraucher schalten
2.2.1 Verdrahtung
2.2.2 Der Transistor als Schalter
2.3 Abschaltautomat, Blinker und Summer
2.3.1 Abschaltautomat
2.3.1.1 Taktfrequenz
2.3.2 Blinker/Blitzer und Schleifen
2.3.3 Bedingtes Ausführen von Codeabschnitten
2.3.3.1 Die IF-Anweisung und die Vergleichsmöglichkeiten
2.3.4 Summer
2.4 Bitmanipulationen
2.4.1 Ein Bit auf 1 setzen
2.4.2 Ein Bit auf 0 setzen
2.4.3 Ein Bit toggeln (umkehren)
2.4.4 Bits verschieben
2.5 Schalten von 230-V-Netz-Verbrauchern
2.5.1 Schalten mit Relais
2.5.2 Schalten per Funk
2.5.3 Kaffee am Morgen
3. Steuerung von Lampen, Motoren, Heizungen, etc.
3.1 Linear Steuern
3.1.1 Emitterfolger
3.1.2 Digital-Analog-Umsetzer (DAU)
3.1.2.1 Parallele Wertvorgabe
3.1.2.2 Variablen in C
3.1.2.3 Datenübergabe mit externem DAU
3.1.2.4 "unsigned int" zerlegen in High-Byte und Low-Byte
3.1.3 Serielle Busse
3.1.3.1 Der SPI-Bus
3.1.3.2 Der I²C-Bus
3.1.4 Programmierung
3.1.4.1 Einstellen/Konfigurieren der SPI-Funktionseinheit
3.1.4.2 Die Ausgangsspannung determinieren und in das Format „Integerwert ohne Vorzeichen“ bringen
3.1.4.3 Setzen der oberen 4 Bit für die Einstellung des DAU
3.1.4.4 Zerlegen des Wertes in High-Byte und Low-Byte
3.1.4.3 Das Licht der Glühlampen
3.2 Steuerung mit PWM
3.2.1 PWM-Ausgabe an K10
3.2.1.1 Timer
3.2.2 Servo ansteuern
4. Erfassen von Schalterzuständen und analogen Werten
4.1 Erfassen der Zustände von I/O-Ports
4.1.1 Erfassen der Portzustände durch Ereignisse
4.1.1.1 Lampe mit Tastern steuern
4.1.1.2 Ereignisse und Energiesparmodus
4.1.1.3 Vorgabe mit Drehrichtungsgebern (Encoder; Inkrementalgeber)
4.1.2 Erfassung von Schalterstellungen und physikalischen Größen
4.1.2.1 Spannung erkennen
4.1.2.2 Magnetismus
4.1.2.3 Licht
4.1.2.4 Temperatur
4.2 Analogwerte erfassen
4.2.1 Analog-Digital-Wandlung
4.2.1.1 Messung physikalischer Größen
4.3 Ausgabe auf 7-Segment-Anzeigen
4.3.1 Anzeige der Umgebungstemperatur
5. Der Mikrocontroller als Terminal-Server
5.1 Der Mikrocontroller als Terminal-Server
5.1.1 Temperaturmessung
5.1.2 Die Klemmen K10 und K11 per Terminal-Programm Ein- bzw. Ausschalten
5.1.3 Der Terminal-Server steuert ein PWM-Signal an K10
5.1.4 Der Terminal-Server steuert eine lineare Spannung an K9
5.1.5 Hilfreiche Befehle bei der Stringauswertung und mit dem Terminal
5.1.6 Verwendung des Programms "SerialComInstruments 0.9"
6. Regelung
6.1 Analoge Regelung
6.1.1 Linear-Spannungsregelung auf der Platine µC-Testaufbau
6.1.2 Unterschiedliche Stellglieder
6.2 Regelung in der Software
7. Verwendung leistungsfähiger Boards von OLIMEX
Zielsetzung & Themen
Das Ziel dieser Arbeit ist es, technikbegeisterten Tüftlern, Makern und Funkamateuren die praktische Anwendung von Mikrocontrollern näherzubringen, um eigene Hardwareprojekte zu steuern und zu regeln. Dabei steht der Übergang von einfachen Ein- und Ausschaltvorgängen hin zu komplexen Steuerungen und Regelungen im Fokus, wobei der MSP430-Mikrocontroller als praxisnahe Grundlage dient.
- Grundlagen der Hardwareansteuerung und Programmierung in C
- Praktische Implementierung von Ein-/Ausgangs-Operationen und Bitmanipulationen
- Steuerung von Leistungskomponenten wie Lampen, Motoren und Servos mittels PWM
- Messwerterfassung physikalischer Größen und Nutzung des Mikrocontrollers als Terminal-Server
Auszug aus dem Buch
2.2.2 Der Transistor als Schalter
Grundsätzliches über Transistoren findet man z.B. in [1]. Wenn die Leistung, die ein Pin des Mikrocontrollers liefert für die Ansteuerung eines Verbrauchers (Lampe/Motor etc.) nicht ausreicht, dann kann ein Transistor helfen. Der Mikrocontroller steuert den Transistor an. Dazu benötigt man nur eine kleine Leistung. Der Transistor schaltet dann eine grössere Leistung. Im Bild 2.10 ist dies skizziert. Der Mikrocontroller lässt einen kleinen Strom in die Basis des Transistors fliessen. Im Kollektor kann dann ein grosser Strom fliessen.
Wenn das vom Mikrocontroller ausgegebene Signal 0 V aufweist, dann ist der Transistor gesperrt. Er verhält sich wie ein geöffneter Schalter. Die LED leuchtet nicht. Springt das vom Computer ausgegebene Signal auf +3,3V, dann fliesst ein kleiner Strom über die Basis in den Transistor. Dieser Strom öffnet die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors. Der Transistor verhält sich jetzt wie ein geschlossener Schalter. Im Bild 2.11 ist zwischen Kollektoranschluss des Transistors und dem Pluspol (+12 V) eine Lampe geschaltet (stellvertretend für irgend einen Verbraucher). Der Strom, der durch den Verbraucher fliesst muss vom Transistor geschaltet werden können. Angaben dazu findet man in den Datenblättern. Bild 2.11 zeigt einige Daten beispielhaft.
Der Verbraucher (hier also die Lampe) wird bei diesem einfachen Beispiel nach Masse geschaltet. Der Schalter (Transistor) stellt die Verbindung nach Masse her, wohingegen der Verbraucher (also die Lampe) fest mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung verbunden ist. Günstiger zu handhaben ist es, wenn die Plusleitung der Versorgungsspannung geschaltet wird. Dies geht nur mit einer Erweiterung der Schaltstufe. Beide Schaltstufen der Platine „µC-Testaufbau“ sind so ausgelegt, dass ein angeschlossener Verbraucher permanent mit Masse verbunden ist und der Pluspol der Versorgungsspannung geschaltet wird. Dazu ist ein zweiter Transistor erforderlich. Bild 2.12 zeigt eine Schaltstufe.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Hard- und Software: Einführung in die Welt der Mikrocontroller, Vorstellung des MSP430G2553 und der Entwicklungsumgebung CCS.
2. Ein- und Ausschalten von elektrischen Verbrauchern: Grundlagen der digitalen Port-Programmierung, Bitmanipulationen und Schaltstufen für externe Lasten.
3. Steuerung von Lampen, Motoren, Heizungen, etc.: Methoden zur linearen Steuerung und Pulsweitenmodulation (PWM) zur Leistungsregelung.
4. Erfassen von Schalterzuständen und analogen Werten: Methoden zur Datenerfassung über I/O-Ports und den internen Analog-Digital-Wandler.
5. Der Mikrocontroller als Terminal-Server: Nutzung der UART-Schnittstelle zur Kommunikation mit dem PC und zur Datenvisualisierung.
6. Regelung: Konzepte für analoge und softwarebasierte Regelungssysteme zur Stabilisierung physikalischer Größen.
7. Verwendung leistungsfähiger Boards von OLIMEX: Möglichkeiten zur Erweiterung der Hardwarekapazitäten durch leistungsstärkere Mikrocontroller-Boards.
Schlüsselwörter
Mikrocontroller, MSP430, C-Programmierung, Embedded Systems, PWM, Bitmanipulation, UART, Terminal-Server, Analog-Digital-Wandler, Regelungstechnik, Elektronik, LaunchPad, Hardwareansteuerung, Sensorik, Automatisierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Es geht um die praktische Anwendung von Mikrocontrollern für eigene Projekte, von einfachen Steuerungsaufgaben bis hin zur Regelung von physikalischen Größen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder sind Mikrocontroller-Hardware, C-Programmierung, A/D-Wandlung, serielle Kommunikation und moderne PWM-basierte Ansteuerungsarten.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Vermittlung von technischem Verständnis, damit Tüftler selbstständig Mikrocontroller in ihre Elektronikprojekte integrieren können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine praxisorientierte, projektbasierte Lernmethode angewandt, die auf konkreten Schaltbildern, Codebeispielen und theoretischen Grundlagen basiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst Themen wie das Schalten von Lasten, die Erfassung analoger Sensordaten, die Kommunikation mit einem Terminal-Server und die Implementierung von Regelkreisen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Mikrocontroller, Programmierung, C, Hardware, Automatisierung und Elektronik sind die prägenden Begriffe.
Wie werden die Anschlüsse des MSP430 konfiguriert?
Die Konfiguration erfolgt über spezielle Funktionsregister, die unter anderem die Richtung (Ein-/Ausgang) und Spezialfunktionen wie UART oder SPI bestimmen.
Welche Rolle spielt die UART-Schnittstelle?
Sie ermöglicht es, den Mikrocontroller als Terminal-Server zu betreiben, wodurch eine Kommunikation und Datenabfrage über den PC möglich wird.
- Quote paper
- Franz Peter Zantis (Author), 2025, Mikrocontroller für Maker und Funkamateure, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/493149
