Аннотация
Введение 6
1. Теоретические основы аналого-цифрового преобразования 6
1.1 Назначение и принципы работы АЦП 6
1.2 Классификация и сравнительный анализ типов АЦП 7
1.2.1 SAR ADC — цифровой эквилибрист 7
1.2.2 Flash ADC — скоростной акробат 7
1.2.3 Интегрирующий АЦП (Dual-Slope ADC) 8
1.2.4 Сигма-дельта АЦП (S-Д ADC) 8
2. Последовательный АЦП (SAR) 8
2.1 Структура SAR-АЦП и принцип работы 8
2.2 Алгоритм преобразования SAR простым языком 9
2.3 Пример оцифровки аналогового сигнала 11
3. Встроенный АЦП микроконтроллера Atmega8 13
3.2 Подключение датчика LM35 и аппаратная схема 14
3.3 Настройка ADC: предделитель, опорное напряжение 14
3.4 Параллельный аналого-цифровой преобразователь 15
4. Программная реализация в Microchip Studio 16
4.1 Инициализация LCD и функции отображения 16
4.2 Инициализация и чтение ADC 17
4.3 Вычисление температуры и вывод значений 17
4.4 Полный листинг программы (Приложение A) 18
5. Моделирование в Proteus 8 Professional 18
5.1 Построение и подключение компонентов 19
5.2 Параметры симуляции и запуск 19
5.3 Результаты: LCD-вывод и значения ADC 20
6. Анализ и интерпретация результатов 22
6.1 Оценка точности измерений и погрешности 22
6.2 Влияние помех и меры фильтрации 22
Заключение 24
Список использованных источников и литературы 27
Современный мир невозможно представить без электронных устройств, способных взаимодействовать с окружающей средой. Температура, давление, свет, звук — всё это по своей природе аналоговые сигналы. Однако большинство микроконтроллеров и цифровых вычислительных систем не способны напрямую воспринимать непрерывные физические величины. Именно здесь ключевую роль играет аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — компонент, обеспечивающий связь между аналоговой реальностью и цифровой логикой.
Практика, легшая в основу данного отчета, была посвящена детальному изучению принципов работы АЦП на примере микроконтроллера Atmega8 и его встроенного SAR- модуля. Я поставил перед собой цель не просто разобраться в теории преобразования, но и пройти полный путь — от проектирования схемы до практической реализации, включая программирование в Microchip Studio и моделирование в Proteus 8 Professional.
Выбор темы продиктован не только её учебной значимостью, но и реальной актуальностью. Преобразование аналоговых сигналов лежит в основе множества прикладных задач в области робототехники, автоматики, промышленной электроники. Будучи студентом направления «Мехатроника и робототехника», я осознаю, насколько важно уметь уверенно работать с такими базовыми, но фундаментальными элементами систем управления.
Основу моего проекта составил простой, но показательный пример: считывание температуры с помощью датчика LM35, преобразование аналогового напряжения через встроенный АЦП микроконтроллера и отображение результатов на символьном ЖК- дисплее. Несмотря на кажущуюся простоту, данный проект охватывает широкий спектр технических аспектов: настройку портов, конфигурацию предделителей, выбор источника опорного напряжения, преобразование данных в читаемый формат, а также визуализацию информации в реальном времени.
Особое внимание было уделено алгоритму последовательного приближения (SAR), лежащему в основе работы встроенного АЦП Atmega8. Этот метод интересен тем, что позволяет достигать разумного баланса между точностью и скоростью преобразования, что делает его широко применимым в микроконтроллерных системах. Для лучшего понимания процесса я подробно разобрал, как именно SAR работает «под капотом», и проследил, как код на языке C активирует соответствующие аппаратные модули.
Отдельная часть проекта — моделирование в Proteus — позволила убедиться в корректности схемных и программных решений без необходимости сборки физического устройства. Это не только сэкономило время, но и позволило сфокусироваться на отладке логики, визуально наблюдая поведение системы в условиях, максимально приближённых к реальности.
Таким образом, работа над этим проектом дала мне ценный практический опыт в реализации сквозных решений — от теории до программно-аппаратной интеграции. Она укрепила мои знания в области цифровой электроники, углубила понимание архитектуры микроконтроллеров и научила чётко выстраивать алгоритмы взаимодействия с периферийными устройствами.
В дальнейшем этот опыт может стать основой для более сложных разработок, включая многоканальные измерительные системы, интеллектуальные сенсоры или элементы систем «умного дома». Уверенность в базовых технологиях, таких как АЦП, открывает путь к созданию гибких и надёжных решений в области современной электроники и автоматики.
В ходе работы был реализован и подробно исследован проект на базе микроконтроллера Atmega8 с встроенным SAR-АЦП и датчиком температуры LM35.
Аппаратная часть: правильно настроен предделитель, опорное напряжение AVCC, выполнено подключение LM35 и LCD.
Программная часть: разработаны функции для инициализации и управления LCD, считывания АЦП, целочисленного пересчёта в температуру и вывода результатов.
Моделирование: в среде Proteus подтверждена корректность работы - дисплей показывает реальные значения температуры и цифрового кода АЦП.
Перспективы развития
1. Усреднение и цифровая фильтрация
Ввести алгоритмы скользящего среднего или медианного фильтра, чтобы сгладить «квантованные» и шумные данные.
2. Расширение функционала
Добавить запись истории измерений в EEPROM, реализовать меню для просмотра прошлых значений.
3. Беспроводная передача
Использовать модуль Bluetooth или Wi-Fi (ESP8266) для отправки показаний на смартфон или веб-сервер.
4. Графический дисплей
Заменить символьный LCD на графический OLED для вывода диаграмм и трендов изменения температуры.
5. Многоканальные измерения
Подключить несколько датчиков (температуры, влажности, освещённости) и реализовать систему мониторинга климата.
Соблюдая указанные направления развития, проект может превратиться в полноценную систему умного дома или промышленного мониторинга с повышенной точностью и расширенными возможностями.
