• หน้าแรก RS
• >
• แบบบทความ
• >
• บทความทั้งหมด
• >

• ประดิษฐ์อุปกรณ์จับเวลา/ ...

โครงงานนี้จะแสดงให้คุณเห็นว่า ฮาร์ดแวร์ขนาดเล็กตัวไหนบ้างที่นำมาประดิษฐ์อุปกรณ์จับเวลาและช่วงห่างเวลา พร้อมส่วนแสดงผล LCD ที่ใช้งานง่ายได้ ATtiny 2313 เป็นอุปกรณ์ควบคุมขนาดเล็กประเภท AVR ซึ่งจะวัดช่วงห่างเวลาเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงระดับตรรกะของสัญญาณพัลส์ที่ป้อนไปยังเข็ม PD2 และ PD3 สองครั้งต่อเนื่องกัน ในการจับเวลาระดับ μs (ไมโครวินาที) ที่ช่วงห่างเวลาอยู่ระหว่าง 10 μs - 30 วินาที (!) สามารถวัดด้วยความละเอียด 1 μs แต่ในการวัดระดับms (มิลลิวินาที) นั้น ช่วงห่างเวลาจะอยู่ระหว่าง 1 มิลลิวินาที - 4 ชั่วโมงที่ค่าความละเอียด 1 มิลลิวินาที

ในวงจร S2 ซึ่งเป็นสวิตช์บล็อค DIP บล็อค จะกำหนดค่าของเครื่องมือ ดังนี้

• S2 1-8: เลือกขอบสัญญาณพัลส์ (ขาขึ้นหรือขาลง) เริ่มการวัด
• S2 2-7: เลือกขอบสัญญาณพัลส์ (ขาขึ้นหรือขาลง) ชะลอการวัด
• S2 3-6: หน่วยการวัดและความละเอียดในการวัด (μs หรือ ms)
• S2 4-5: โหมดการวัด (ต่อเนื่อง หรือครั้งเดียว/ค้างไว้)

ดูคำอธิบายเกี่ยวกับการทำงานของสวิตช์กำหนดค่าและตัวเลือกได้ในตาราง 1 เวลาที่วัดได้แสดงบนส่วนแสดงผล LCD เป็นอักขระ 16 ตัวสองแถว แถวแรกแสดงช่วงห่างเวลาหน่วยวัด และโหมดการวัดที่เลือกไว้ ส่วนแถวที่สองจะแสดงเวลาที่วัดได้

รายการชิ้นส่วน
รีซิสเตอร์	หมายเลขสินค้า RS
R1,R3 = 10kΩ
R2 = 1kΩ
R4 = 39Ω
R5 = 1kΩ8
P1 = 10kΩ พรีเซ็ต	522-2485
ตัวเก็บประจุ	หมายเลขสินค้า RS
C1 = 22μF 35V เรเดียล	707-5701
C2,C3,C6 = 100nF	537-3909
C4 = 47pF ทริมเมอร์
C5 = 22pF	537-3634
สารกึ่งตัวนำ	หมายเลขสินค้า RS
D1 = 1N4001	628-8931
D2,D3 = BAT41	544-4679
D4 = LED กระแสไฟฟ้าต่ำ	826-492
IC1 = 78L05	398-552
IC2 = ATtiny2313, Elektor Shop # 080876-41	738-0621
อื่นๆ	หมายเลขสินค้า RS
S1 = สวิตช์กดติดปล่อยดับ, รอยเท้า 6 มม.	378-6498
S2 = สวิตช์ DIP แบบ 4 ทาง	702-3331
K1,K2 = เทอร์มินัลบล็อก PCB, ระยะห่างลีด 5 มม. (0.2”)	467-0388
K3 = บอกซ์เฮดเดอร์แบบ 10 ทาง	251-8272
X1 = ผลึกควอทส์ 8MHz	478-9347
LCD1 = โมดูล LCD , 2 บรรทัด, 16 อักขระ,	294-8774
เฮดเดอร์ LCD แบบ 16 ทาง 1 แถว ระยะ 0.1”	673-7499
เบ้าเสียบ LCD แบบแถว 16 ทาง 1 แถว ระยะห่าง 0.1”	509-2880
PCB, หมายเลขอ้างอิง 080876-I	www.elektor.com /080876

LED D4 จะเปิดทำงานขณะที่วงจรจับเวลา และจะปิดทำงานระหว่างการจับเวลาในแต่ละครั้ง รวมทั้งตอนที่วงจรอยู่ในสถานะ 'ค้างไว้' จุดประสงค์หลักของเครื่องมือตัวนี้คือบอกว่า 'กำลังมีบางสิ่งเกิดขึ้น' ระหว่างการจับเวลาที่กินเวลานาน คุณอาจตัด LED และ R5 ออกไปได้ตามต้องการ

ในการจับเวลาระดับ μs นั้น Timer2Counter0 แบบ 8 บิต ที่อยู่ใน ATtiny2313 จะถูกตั้งค่าให้อยู่ในโหมดปกติ โดย Compare Match Output B จะเปิดใช้งาน และนับสัญญาณพัลส์ของนาฬิการะบบซึ่งได้กำหนดค่าเอาไว้แล้ว เนื่องจากมีการใช้ผลึกควอทซ์ 8-MHz และกำหนดตัวหารเท่ากับ 8 ดังนั้น Timer2Counter0 จะเพิ่มขึ้น 1 ทุกๆ ไมโครวินาที Output Compare Register B ถูกกำหนดค่าเท่ากับ 255 โดยจะสลับเข็ม Output Compare (OC0B) ทุกสัญญาณพัลส์ที่ 226 เข็ม OC0B นี้จะเชื่อมต่อภายในกับอินพุต Timer/Counter1 และ Timer2Counter1 จะนับสัญญาณพัลส์เหล่านี้บนเข็ม OC0B ด้วยความละเอียด 16 บิต ฉะนั้น เราจะได้อุปกรณ์นับ 25 บิต ( T/C1 16 บิต + OC0B บิต + T/C0 8 บิต)

ความละเอียดจะเพิ่มอีก 6 บิตในซอฟต์แวร์ ระหว่างการจับเวลา โปรแกรมจะทำงานเป็นวงวน (loop) โดยจะรอคำสั่งหยุดการวัดและรวบรวมสัญญาณ Timer/Counter1 Overflow Flag (TOV1) อย่างสม่ำเสมอ หาก TOV1 ถูกกำหนดค่าไว้ โปรแกรมจะเพิ่มวงจรนับ SW 6 บิตครั้งละ 1 และล้าง TOV1 จะไม่มีการขัดจังหวะในขั้นตอนนี้ เนื่องจากอาจส่งผลให้เกิดการหน่วงการรับรู้เงื่อนไข 'หยุด' ได้ วงจรนับ 31 บิตสามารถนับได้สูงสุด 2,147,483,647 μs

ในการวัดระดับ μs เวลาวัดสูงสุดคือ 1,800,000,000 μs ส่วนการวัดระดับ ms นั้น จะใช้หลักการเดียวกัน ยกเว้นในกรณีที่มีการตั้งค่านาฬิการะบบให้ใช้ 8 เป็นตัวหาร หลังจากที่วัดเวลาเรียบร้อยแล้ว ค่าที่ได้จะถูกนำมาหารด้วย 125 ทำให้ค่าสูงสุดที่ได้เท่ากับ 17,179,869 แต่เพื่อความแม่นยำในการวัด 14,400,000 ms (สี่ชั่วโมง) คือ เวลาสูงสุดในการวัดระดับ ms การวัดจะเริ่มต้นขึ้นเมื่อวงจรจับการขึ้นหรือลงของขอบสัญญาณพัลส์ได้ที่เข็ม ATtiny PD2 (สโลปกระตุ้นสัญญาณ (Triggering Slope) จะขึ้นอยู่กับการตั้งค่า S2 1-8) เมื่อมีการส่งเวกเตอร์สัญญาณการขัดจังหวะจากภายนอก INT0 การวัดจะหยุดลงเมื่อตรวจพบขอบสัญญาณขาขึ้นหรือขาลงที่เข็ม PD3 (สโลปกระตุ้นสัญญาณจะขึ้นอยู่กับการตั้งค่า S2 2-7) เมื่อมีการส่งเวกเตอร์การขัดจังหวะจากภายนอก INT0

โปรแกรมที่พัฒนาขึ้นมาสำหรับใช้ในโครงงานนี้ดาวน์โหลดได้ฟรีจาก [1] โปรแกรมดังกล่าวจะเขียนไว้ใน BascomAVR ด้วยรหัสแอสเซมเบอร์แบบฝังในส่วนของสัญญาณขัดจังหวะและชุดคำสั่งในเวลาวิกฤติ ในของลูปหลัก (main loop) นั้น โปรแกรมจะตรวจสอบสวิตช์ต่างๆ ใน S2 ซ้ำๆ กัน จากนั้นจึงเริ่มทำการวัด และแสดงค่าที่วัดได้ หากการตั้งค่าสวิตช์เปลี่ยนแปลงไปจากค่าก่อนหน้า จะมีการกำหนดช่วงการวัด โหมด และ/หรือ สโลปการเริ่ม/การหยุดใหม่ และอัปเดตการแสดงผลในบรรทัดแรก

เมื่อเริ่มการจับเวลา ข้อมูลรีจิสเตอร์การนับของ Timer/Counter และรีจิสเตอร์การนับของซอฟต์แวร์ (สำหรับบิตที่ 26-31) จะถูกล้าง มีการกำหนดค่าบิต OC0B ใหม่ และเปิดสัญญาณการขัดจังหวะภายนอก INT0 หลังจากนั้น โปรแกรมจะทำงาน โดยจะรอสัญญาณการขัดจังหวะ INT0 ซึ่งจะไปกระตุ้นชุดคำสั่งขัดจังหวะ INT0 ในชุดคำสั่งนี้ Timer/Counter0 จะเริ่มทำงาน วงจรนับบางตัวจะถูกกำหนดค่าเริ่มต้น LED D3 จะเปิดทำงาน สัญญาณขัดจังหวะ INT0 จะปิดทำงานและป้องกันไม่ให้ส่งสัญญาณการขัดจังหวะซ้ำ แต่จะกระตุ้นสัญญาณขัดจังหวะ INT1 แทน หลังจากนั้นโปรแกรมจะทำงานวนซ้ำ โดยจะรอสัญญาณการขัดจังหวะ INT1 ซึ่งจะไปกระตุ้นชุดคำสั่งขัดจังหวะ INT1 ในชุดคำสั่งนี้ Timer/Counter0 จะหยุดทำงาน และสัญญาณขัดจังหวะภายนอกจะถูกปิดลง

Timer/Counter1 จะเริ่มทำงานเมื่อเปิดโปรแกรมในตอนแรก ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องหยุดและรีสตาร์ทใหม่ระหว่างที่กำลังใช้งานโปรแกรม เนื่องจาก Timer/Counter1 จะนับสัญญาณพัลส์จาก Timer/Counter0 โดยจะเริ่มและหยุดทำงานพร้อมกัน

การวัดจะสิ้นสุดลงเมื่อชุดคำสั่งจับเวลาตรวจพบว่าสัญญาณขัดจังหวะภายนอกทั้งสองหยุดลง โปรแกรมจะรวบรวมค่าทั้งหมดจากรีจิสเตอร์ฮาร์ดแวร์ (HW) และรีจิสเตอร์ซอฟต์แวร์ (SW) ส่วน LED D3 จะปิดการทำงาน เมื่อคำนวณค่าบางอย่างเสร็จสิ้นแล้ว ช่วงห่างเวลาที่วัดได้จะแสดงผลในบรรทัดที่สองของส่วนแสดงผล

ในส่วนของความแม่นยำนั้น ส่วนฮาร์ดแวร์ของวงจรนับจะนับสัญญาณพัลส์นาฬิกา ดังนั้นจึงไม่มีทางที่จะนับพลาด วงจรนับในส่วนของซอฟต์แวร์จะนับส่วน Overflow ของ Timer/Counter1 โดยมีเวลาดีเลย์สองสามรอบ (cycles) อย่างไรก็ตาม เมื่อตัวจับเวลาหยุดลง ส่วนซอฟต์แวร์จะซิงโครไนซ์กับส่วนฮาร์ดแวร์ ชุดคำสั่งการขัดจังหวะ INT0 และ INT1 นั้นเขียนขึ้นด้วยความระมัดระวัง และมีส่วนดีเลย์เท่ากันตั้งแต่ชุดคำสั่งเริ่มทำงาน ไปจนกระทั่ง Timer/Counter0 เริ่มทำงานในชุดคำสั่งหนึ่งและหยุดทำงานในอีกชุดคำสั่งหนึ่ง นับจากตอนที่สัญญาณขัดจังหวะภายนอกถูกกระตุ้น จนกระทั่งสัญญาณขัดจังหวะเริ่มทำงาน จะมีการดีเลย์เล็กน้อย การดีเลย์ดังกล่าวจะขึ้นอยู่กับคำสั่งซึ่งทำงานตอนสัญญาณการขัดจังหวะถูกกระตุ้น คำสั่งจะทำงานภายใน 1-4 วงจรนาฬิกา ดังนั้น ส่วนต่างสูงสุดคือ 3 รอบ (cycles) แต่เนื่องจาก Timer/Counter0 นับนาฬิการะบบที่ถูกหารด้วย 8 ดังนั้น จะทำให้เกิดข้อผิดพลาดขึ้น ±1 บนตัวเลขหลักสุดท้ายในการวัดทั้งสองระดับ (μs และ ms) ดังนั้น ตัวแปรเดียวที่จะส่งผลต่อความแม่นยำโดยรวมก็คือ ความถูกต้องของผลึก ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อคุณเห็น 't=123456789 μs' บนส่วนแสดงผล

ข้อควรพิจารณาประการที่สองคือเวลาในการวัด ซึ่งอาจนานหลายชั่วโมงในกรณีที่จับเวลาระดับมิลลิวินาที ดังนั้น วงจรนับพิเศษในส่วนของซอฟต์แวร์จะเปิดทำงานระหว่างลูปรอคอย (waiting loop - ระหว่างวัดเวลาจะมีลูปรอคอยสองครั้ง ได้แก่ รอสัญญาณเริ่ม และรอสัญ ญาณหยุด) วงจรนับนี้จะนับเวลาได้สูงสุดเท่ากับเวลาสูงสุดที่กำหนดเอาไว้ หากนับพ้นเวลาสูงสุดไป วงจรนับจะหยุดการนับและแสดง 't>14400000' ตอนแรกนั้น เวลาสูงสุดในการนับนั้นจะกำหนดไว้เป็นค่าสูงสุดเช่น 30 นาทีสำหรับการนับในระดับ μs และ สี่ชั่วโมงสำหรับการวัดในระดับ ms

เช่นเดียวกับสวิตช์แบบอื่นๆ โปรแกรมจะอ่านค่าสวิตช์ S2 4-5 ก่อนเริ่มทำการวัด อย่างไรก็ตาม โปรแกรมอาจจะทำงานต่างออกไปหากสวิตช์ตัวนี้ปิดทำงานอยู่ (และโหมดนับครั้งเดียว/ค้างไว้ เปิดทำงาน)

วงจรนับซึ่งทำหน้าที่นับเวลาสูงสุดในการวัดจะถูกบล็อคไว้ขณะรอสัญญาณเริ่ม แต่จะกลับมาทำงานอีกครั้งขณะรอสัญญาณหยุด (จึงรอสัญญาณพัลส์แบบไม่ซ้ำกัน (non-repetitive pulse) ได้โดยไม่จำกัดเวลา ถึงแม้ว่าจะระยะสัญญาณพัลส์จะจำกัดไว้ไม่เกินเวลาสูงสุดในการวัด)

เมื่อโปรแกรมแสดงผลค่าที่วัดได้ โปรแกรมจะรอ และตรวจสอบสวิตช์ S2 4-5 อย่างสม่ำเสมอ โดยจะทำงานต่อทันทีที่มีการเปิดสวิตช์

ก่อนใช้งานครั้งแรก ควรติดตั้งโปรแกรม Tmeter.Elektor.bas สำหรับโครงงานนี้เข้าไปในอุปกรณ์ควบคุมขนาดเล็ก ATtiny2313 โดยจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ตั้งค่า Flash Fuse bits CKSEL3...0 เป็นค่าที่เหมาะสมสำหรับคริสตัลรีโซเนเตอร์ (CKSEL3...1, 0=111) เนื่องจากโปรแกรมจะเลือก RC Oscillator ภายในตามค่าเริ่มต้น ดังนั้นจึงควรกำหนดความถี่ของผลึกคริสตัลเท่ากับ 8.000 MHz พอดี เพราะเป็นปัจจัยที่ส่งผลต่อความแม่นยำโดยรวม ตัวทริมเมอร์ C4 จะทำหน้าที่ปรับความถี่ของผลึกคริสตัล หากคุณพอใจกับความแม่นยำของผลึกคริสตัลแล้ว ให้เปลี่ยนมาใช้ตัวเก็บประจุแบบติดแน่นแทน C4 นอกจากนี้ คุณยังสามารถใช้ออสซิลเลเตอร์ควอทส์ขับอุปกรณ์ควบคุมขนาดเล็กได้เช่นกัน ในกรณีนี้ ไม่จำเป็นต้องใช้ C4, C5 และ X1 โดยให้เชื่อมต่อเอาท์พุตของออสซิลเลเตอร์เข้ากับอินพุต XTAL1 จากนั้นปรับ P1 ให้ได้คอนทราสต์การแสดงผลที่เหมาะสม

ในโปรแกรม เวลาสูงสุดในการวัดจะกำหนดเป็นคงที่ในตอนแรก

• Const Tmax_us_default = 1800
  'เวลาสูงสุดในการวัดสำหรับการวัดระดับ μs
  
• Const Tmax_ms_default = 14400
  'เวลาสูงสุดในการวัดสำหรับการวัดระดับ ms

ค่าที่แสดงคือเวลาสูงสุดในการวัดที่เราแนะนำ อย่างไรก็ตาม ผู้ใช้งานอาจใช้ค่าที่ต่ำกว่านี้ได้ตามความเหมาะสม เช่น

• Const Tmax_us_default = 60
  'เวลาสูงสุดในการวัดสำหรับช่วงการวัดระดับ μs
• Const Tmax_ms_default = 300
  'เวลาสูงสุดในการวัดสำหรับช่วงการวัดระดับ ms

การกำหนดค่าใหม่ข้างต้นจะย่นเวลาสูงสุดในการวัดให้เหลือ 60 วินาที และ 300 วินาทีในช่วงการวัดระดับ μs และ ms ตามลำดับ ซึ่งแน่นอนว่าคุณจำเป็นต้องปรับโปรแกรมและทำการโปรแกรมอุปกรณ์ควบคุมขนาดเล็กใหม่อีกครั้งให้เหมาะกับการเปลี่ยนค่าดังกล่าว สิ่งสำคัญคือ เลือกเวลาสูงสุดในการวัดให้เหมาะสม เนื่องจากโปรแกรมจะวนซ้ำและรอให้พ้นเวลาสูงสุดในการวัดหากระดับอินพุตคงที่ (หรือหากการเปลี่ยนระดับเกิดขึ้นช้ามาก ต้องรอเป็นเวลา 2x เวลาสูงสุดในการวัด)

การเปลี่ยนเวลาสูงสุดในการวัดทำได้อีกวิธีหนึ่งคือ โปรแกรมค่าที่เหมาะสมเป็นเลขฐานสองแบบไม่คิดเครื่องหมาย (unsigned binary values) 16 บิต ใน EEPROM ของอุปกรณ์ควบคุมขนาดเล็ก โปรดดูตาราง 2 ค่าดังกล่าวควรกำหนดเป็นวินาที ตรรกะของโปรแกรมจะเป็นไปดังนี้: หาก EEPROM ว่าง (FFh) จะใช้เวลาสูงสุดในการวัดที่กำหนดไว้ในโปรแกรม แต่หากค่า EEPROM สำหรับการวัดระดับ μs มากกว่า 1800 การวัดระดับ μs จะใช้เวลาสูงสุดในการวัดตามที่กำหนดไว้ในโปรแกรม หากค่า EEPROM สำหรับการวัดระดับ ms มากกว่า 14400 การวัดในระดับ ms จะใช้เวลาสูงสุดตามที่กำหนดไว้ในโปรแกรม โปรแกรมจะใช้ค่า EEPROM แทนเวลาสูงสุดในการวัดที่กำหนดไว้ในโปรแกรม หากค่า EEPROM นั้นอยู่ภายในช่วงพิกัดที่กำหนด

โปรแกรมจะอ่านสวิตช์กำหนดค่าขณะที่โปรแกรมเริ่มลูปหลัก ซึ่งอาจทำให้สับสนกับการจับเวลานานๆ ได้ เนื่องจากการตั้งค่าเก่าและค่าที่วัดได้ครั้งก่อนจะแสดงผลไว้จนกว่าการวัดค่าครั้งใหม่จะเสร็จสิ้นลง คุณสามารถเร่งความเร็วในการวัดได้หากรีเซ็ตอุปกรณ์ควบคุมขนาดเล็กทันทีที่ตั้งค่าสวิตช์ใหม่เสร็จ ในการรีเซ็ตอุปกรณ์ควบคุมขนาดเล็ก ให้กดสวิตช์รีเซ็ต

ในโหมดการวัดแบบครั้งเดียว/ค้างไว้ เริ่มการวัดครั้งใหม่ได้ด้วยวิธีต่อไปนี้

เปิด S2 4-5 เพื่อรีสตาร์ทการวัดแบบต่อเนื่อง หรือรีเซ็ตอุปกรณ์ควบคุมขนาดเล็กเพื่อทำการจับเวลาในโหมดจับเวลาครั้งเดียว/ค้างไว้ (คุณจะไม่สามารถเปิดและปิดสวิตช์ S2 4-5 ได้เร็วพอที่จะรีสตาร์ทโหมดค้างไว้ด้วยวิธีนี้)

สุดท้าย สัญญาณพัลส์อินพุตควรมีระดับตรรกะที่ทำงานร่วมกับตรรกกะ TTL หรือ CMOS ได้ นอกจากนี้จะต้องกำหนดขอบสัญญาณไว้ให้ชัดเจน กล่าวคือ ไม่มีการเด้งกลับและสั่น (bouncing and ringing) (080876-I)