Универсальная отладочная плата для AVR

Устройство является универсальной системой для отладки микроконтроллеров AVR. Плата не привязана к конкретному микроконтроллеру, а имеет универсальный разъем, к которому можно подключить модуль с любым микроконтроллером. На данный момент разработаны модули для микроконтроллеров:
- ATmega8
- ATmega16
- ATmega162
- ATtiny2313
- ATtiny13

Но ничего не мешает разработать модули и под другие микроконтроллеры. Устройство включает в себя программатор USBASP и может быть полностью запитано от USB или внешнего источника питания. Устройство включает в себя все необходимое для отладки: ЖК и светодиодные дисплеи, часы реального времени и EEPROM память, интерфейсы RS232 и RS485, разъем для подключения клавиатуры,  кнопки, светодиоды и многое другое. Части устройства соединяются между собой при помощи специальных проводов, перемычек и переключателей. Некоторые части постоянно соединены с портами выбранного микроконтроллера (например, LCD), что убирает проблему спутанных проводов.

Описание констукции

Так как проект является сложным, схема разделена на несколько частей.

Наиболее важная часть всего устройства, которая управляет процессорным модулем и остальной частью устройства. К этой части подключаются светодиодные дисплеи, таймер и I2C интерфейс, UART и инфракрасный приемник. На микроконтроллере U6 (ATmega8) собран программатор USBASP. Для корректной работы необходим кварц X1 (12 МГц) и конденсаторы C9 (22pF) и С10 (22pF). Резистор R27 (10k)  подтягивает вывод сброса микроконтроллера к плюсу. Резисторы R31 (470R) и R32 (470R) ограничивают ток светодиодов D3 и D4. Резистор R58 (470R) играет ту же роль для светодиода D1. KANDA - это разъем ISP. Конденсаторы C12 (100nF) и С11 (4,7 мкФ) - фильтрующие. Для правильной работы шины USB необходимы резисторы R29 (68R) и R30 (68R), стабилитроны  D1 и D2 (3,6 V). Резистор R28 (2,2 кОм) необходим для того, чтобы устройство определялось компьютером как работающее на малой скорости. Отладочная плата подключается к компьютеру через разъем ZUSB1 (USB-B).

U3 и U4 (DS18B20) - это датчики температуры работающие по шине 1-wire. Для правильной работы шины необходим резистор R24 (4,7 кОм). 1WR_OUT разъем позволяет подключать дополнительные датчики, а разъем 1WR обеспечивает связь с модулем микроконтроллера. PS2 разъем (Mini DIN6) есть не что иное, как разъем для подключения клавиатуры персонального компьютера. Резисторы R59 (4,7 кОм) и R60 (4,7 кОм) подтягивают шину данных и вывод "Clock" к плюсу. Разъем KBD обеспечивает связь с модулем микроконтроллера. Клавиатура питается от внешнего источника питания +5 В. 

На плате имеется дополнительный генератор частоты 16 мГц. Также имеется дополнительный кварцевый резонатор X3 и два конденсатора C16 (22pF) и С17 (22pF) для любых целей.

ZUSB2 в связке с элементами C18 (100nF), C19 (4,7 мкФ), R48 (68R), R49 (68R) и стабилитронами D8 (3,6 V) и D9 (3.6 V) предназначены для отладки произвольных устройств, с подключением к порту USB. Резистор R47 (2,2 К) может быть отключен с помощью перемычки ZW7, благодаря этому возможно использовать USB порт для получения питания без уведомления о устройстве USB.

W1 LCD (20x4) является главным элементом для отображения данных. Резистор R3 (47R) ограничивает ток подсветки, которая активируется транзистором Т1 (BC556) и резисторами R1 (3,3 кОм) и R2 (3,3 кОм) перемычкой ZW1. Потенциометр P1 (10 кОм) позволяет установить контрастность дисплея. Перемычка PW4 включает дисплей. Переключатель SD1 (SW6) служит для отключения линий управления дисплеем, подключенным к главному процессору (можно не ставить).

Транзисторы T2 - T5 (BC556) и резисторы R4-R11 (3,3 кОм) контролируют аноды 4-х разрядного LED дисплея W2. Резисторы R12 - R20 (330 Ом) ограничивают ток через сегменты дисплея. Переключатели SD2 (SW4) и SD3 (SW8) служит для отключения линий управления дисплеем, подключенным к главному процессору (можно не ставить). Разъем W2L используется для подключения центральных точек к процессору.

U9 (TL431) с резисторами R45 (330 Ом) и R46 (10 кОм) и потенциометром P2 (1 кОм) является источником опорного напряжения около 2,56 В. Выход через разъем VREF. Пьезо пищалка с генератором BUZ1 (5В) управляется при помощи транзистора T12 (BC556) и резисторов R40 (3,3 кОм) и R41 (3,3 кОм). Управление зуммером осуществляется через разъем BUZ. Также на плате установлен фототранзистор T7 (L-93P3BT). Резистор R33 (10 кОм) ограничивает ток, протекающий через него. Выход фототранзистора через разъем FOT.

Для преобразования уровней COM порта используется популярная микросхема MAX232 (U1). Для правильной работы требуются конденсаторы С1 - С4 (1 мкФ). Первый выход UART непосредственно подключен к процессорному модулю через переключатель SD4 (SW2). Второй выход UART выведен на разъем и может использоваться для любых целей. С MAX232 через разъем V- снимается отрицательное напряжение (выход инвертора). Это может использоваться для смещения в различных схемах. MAX232 отключается от источника питания с помощью перемычки Pw1. 

Перемычка PW2 включает микросхемы, работающие на шине I2C. Резисторы R25 (3,3 кОм) и R26 (3,3 кОм) необходимы для правильной работы шины I2C. Шина I2C подключены к процессорному модулю через переключатель SD5 (SW2). Микросхема U5(AT24C256) - EEPROM память. Диоды D6 (1N4148) и D7 (1N4148) с батареей BAT1(3 В) - источник бесперебойного питания для RTC, микросхемы U7(PCF8583). Перемычкой Zw4 вы можете отключить батарею, а перемычкой ZW3 можно установить адрес U7 160 или 162. Конденсатор C14 (100 нФ) - фильтрующий, и должен располагаться как можно ближе к микросхеме U7. Конденсатор С13 (33 пФ) и кварц X2 (32,768 кГц) обеспечивают точный ход часов. Прерывание от микросхемы U7 выведено на разъем PCF_INT.

На плате установлены два светодиодных дисплея - уровня W3 и W4. Резисторные сборки RP1 (4x470R), RP2 (8x470R) и RP3 (8x470R) ограничивают ток через сегменты дисплеев. Дисплеи соединены с процессорным модулем через разъемы LED1 и LED2. Также на плате установлены RGB светодиоды D13 и D14, с токоограничительными резисторами R63 (180R), R64 (100R), R65 (180R), R66 (180R), R67 (100R) и R68 (180R). Перемычки Zw11 и Zw12 необходимы для включения катодов светодиодов к земле или к транзисторам.

Разъемы V1 - V3, V4 - V9 являются источником питания +5 В. Разъемы G1 - G3, G4-G8 - земля. 

Микросхема U8 (ULN2803) предназначена для управления низковольтными нагрузками. Управляющий сигнал подается на разъемы Z3 и Z4.   Выход на разъемы ULN1 - ULN4. В связи с высоким потреблением энергии микросхема U8 получает питание от внешнего источника. Разъемы Z1 и Z2 соеденины с разъемами с винтовыми фиксаторами ZU1 - ZU4.  Симисторы TR1 (BT138-600E) и TR2 (BT138-600E) с оптопарами OPT1 (MOC3041) и OPT2 (MOC3041) и резисторами R34 (180R), R35 (180R), R37 (180R) и R38 (180R) позволяют управлять нагрузкой 220 В. Резисторы R36 (330R) и R39 (330R), ограничивают ток, протекающий через оптопары. Выход через разъемы с винтовым фиксатором TRO_1 и TRO_2. Управляющий сигнал подается на разьем TR1 Варисторы WR1 (JVR-7N431) и WR2 (JVR-7N431) защищают выход. Панельки PD28 (DIL28) и PD40 (DIL40) предназначены для установки любых микросхем, их выводы разведены на разъемы PDG1 - PDG4.

Выводы энкодера I1 разведены на разъем IMP, перемычка ZW2 используется для подключения земли или +5 В к энкодеру. Конденсаторы C20 (100nF) и C21 (100nF) необходимы для подавления помех. На плате есть также оптропара OPT3 (CNY17) для любых целей. R43 (330R) ограничивает ток светодиода оптропары. R44 (10k) и R42 (100k) подтягивают выводы к питанию. Перемычками ZW5 и ZW6 можно подключать светодиод оптопары к +5 В или на землю. Выход через разъем CNYO.

Кнопки S1 - S8 подключены к разъему SW. Кнопки S9 - S24 образуют матрицу. Столбцы клавиатуры подключаются через разъем SWC, а линейки через разъем SWR.

Разъем ZAC (Molex 2x2) необходим для подачи внешнего питания +5 В с более высоким током. Реле PU1 (HFC-005-12W) необходимо для переключения питания от USB или от внешнего источника питания при условии, что установлена перемычка ZW8. Светодиод D11 и резистор R61 (470R) установлены для сигнализации работы реле. Диод D12 (1N4007) защищает от скачков на катушке реле напряжения при выключении питания. Выключатель питания позволяет отключить питание от USB (запитываться будет только программатор), светодиод D15 с резистором R69 (470R) указывают на этот факт.

Микросхема U2 (TSOP1736) представляет собой ИК-приемник работающий на частоте 36 кГц. Для правильной работы необходимы элементы C8 (100 мкФ) и R23 (220R). Также на плате установлен инфракрасный светодиод D5 (SFH485). Резистор R22 (10R) ограничивает ток. Конденсаторы C6 (100 нФ) и С7 (100 мкФ) - фильтрующие.  Транзистор T6 (BC516) управляет инфракрасным светодиодом. База транзистора соединена с процессором через переключатель SD6 (SW2). Резистор R21 (10 кОм) ограничивает ток базы транзистора T6, и R21 * (10 кОм) подтягивает базу транзистора к +5 В. Это предотвращает произвольное включение ИК-светодиода, когда он не используется. Перемычка PW3 включает питание для приемника и ИК-передатчика.

Транзисторы T8 - T11 (BC556) с резисторами R50 - R57 (3,3 кОм) могут использоваться для управления низковольтными нагрузками. Управляющий сигнал подается на разъем Z5. Выход через разъемы с винтовыми фиксаторами ТО1 и ТО2 

Далее даны схемы процессорных модулей

ATMega 8 

ATMega 162

ATTiny 13

 ATtiny2313

Изготовление

Устройство изготавливается на основе печатной платы (В конце статьи). Плата не сложна в сборке, но устанавливать придется много элементов. В случае ошибки в установке это будет трудно найти и исправить. Установка начинается с пайки всех перемычек (16 штук). Некоторые перемычки находятся под микросхемами. Далее устанавливают все резисторы, конденсаторы и другие мелкие детали.  В последнюю очередь устанавливают микросхемы.

 Плата изготавливается из текстолита 1,5 мм и крепится к подставке из металла (см. фото проекта). На всех микросхемах рекомендуется использовать панельку. Вместо датчиков DS18B20 припаяна панелька DIL6. Благодаря этому можно заменять датчики и считывать серийные номера для различных целей. Подробности изготовления платы можно увидеть в разделе "Фотографий проекта".

Перед включением платы нужно проверить плату на предмет коротких замыканий с помощью мультиметра, особенно проверить короткие замыкания между GND и +5В, так как плата подключается к порту USB. 

Список деталей

21x Разъем с винтовым фиксатором двойной
1x Разъем с винтовым фиксатором тройной
Разъемы PLS
1x 2x2 MOLEX разъем
2x Панелька цанговая DIL6
1x Панелька цанговая DIL28
1x Панелька цанговая DIL40
1x Панелька цанговая DIL16
1x Разъем ISB(10PIN)
2x Разъем USB - B
1x Разъем PS2 
1x Разъем DB9F
1x Разъем DB9M 
1x Батарейка 3V (CR2032) + Держатель
1x 2-х позиционный переключатель
25x Кнопка без фиксации
1x Энкодер
1x Реле HFKW-005-1ZW
4x DIP-переключатель SW2
1x DIP-переключатель SW4
1x DIP-переключатель SW6
1x DIP-переключатель SW8

2x Резистор 2.2 кОм
23x Резистор 3,3 кОм
3x Резистор 4,7 кОм
1x Резистор 10 Ом
6x Резистор 10 кОм
1x Резистор 47 Ом
4x Резистор 68 Ом
2x Резистор 100 Ом
1x Резистор 100 кОм
8x Резистор 180 Ом
1x Резистор 220 Ом
13x Резистор 330 Ом 
4x Резистор 470 Ом
1x Резисторная сборка 4x470 Ом
2x Резисторная сборка 8x470 Ом
2x Варистор JVR-7N431
1x Потенциометр 1 кОм
1x Потенциометр 10 кОм 

1x Конденсатор 10 нФ
4x Конденсатор 22 пФ
1x Конденсатор 33пФ
7x Конденсатор 100 нФ
4x Конденсатор электролит 1 мкФ
2x Конденсатор электролит 4,7 мкФ
2x Конденсатор электролит 100 мкФ

1x 12 МГц кварц
1x Часовой кварц 32768Hz
1x 16 МГц кварцевый генератор
1x Диод 1N4007
2x Диод 1N4148
4x 3V6 стабилитрон
4x Светодиод
2x Светодиод RGB (общий катод)
1x ИК-светодиод
2x Светодиодный столбик DIL20
1x ИК-приемник TSOP1736
1x Транзистор BC516
10x Транзистор BC556
1x Фототранзистора L-932P3BT
1x Микроконтроллер ATMEGA8 + панелька
1x AT24C256 
1x ULN2803
1x TL431
1x MAX232
1x MAX485
1x PCF8583

2x BT138-600E
2x MOC3041
1x Оптрон CNY17
1x Пищалка 5V с генератором
1x 7-сегментный дисплей (четырехразрядный)
1x LCD 20x4

Модуль ATtiny13:
Разъемы PLS 
1x Конденсатор 100nF
1x Микроконтроллер ATTINY13 + панелька

Модуль ATtiny2313:

Разъемы PLS 
2x Конденсатор 22 пФ
1x Конденсатор 100 нФ
1x 16 МГц кварц
1x Микроконтроллер ATTINY2313 + панелька

Модуль ATMega8:
Разъемы PLS
2x Конденсатор 22 пФ
1x Конденсатор 100 нФ
1x 16 МГц кварц
Микроконтроллер ATMEGA8 + Панелька

Модуль ATMega16:
Разъемы PLS
2x Конденсатор 22 пФ
1x Конденсатор 100 нФ
1x 16 МГц кварц
Микроконтроллер ATMEGA16 + Панелька
 

Модуль ATMega162:
Разъемы PLS
2x Конденсатор 22 пФ
1x Конденсатор 100 нФ
1x 16 МГц кварц
Микроконтроллер ATMEGA162 + Панелька

Фотографии проекта

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Оригинал статьи

Теги:

• Микроконтроллер
• Перевод
• AVR
• LCD