ATtiny2313 – jak podłączyć potencjometr? Metody RC, komparator, MCP3008 SPI

Pytanie

jak podłączyć potencjometr do Attiny2313

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• ATtiny2313 nie ma wbudowanego ADC, więc potencjometru nie można podłączyć „wprost” do któregoś z pinów i odczytać wartości analogowej.
• W praktyce stosuje się trzy podejścia:
  1. Zewnętrzny przetwornik ADC (np. MCP3008 / MCP3208 – interfejs SPI lub ADS1115 – I²C).
  2. Programowy pomiar stałej czasowej układu RC (ładowanie kondensatora przez potencjometr i pomiar czasu za pomocą timera).
  3. Użycie wbudowanego komparatora analogowego do binarnego/iteracyjnego określania napięcia (metoda SAR-like).

Kluczowe punkty:
• Rozwiązanie 1 = największa dokładność, najmniej problemów, ale wymaga układu scalonego i kilku pinów.
• Rozwiązanie 2 = najtańsze, wystarczy 1 kondensator, ale mniejsza precyzja i konieczność kalibracji.
• Rozwiązanie 3 = detekcja progowa lub iteracyjna, kompromis pomiędzy 1 i 2.

Szczegółowa analiza problemu

1. Zewnętrzny przetwornik ADC (rekomendowane w sprzęcie produkcyjnym)

• Układ MCP3008 (10-bit, 8 kanałów, 5 V) – obsługa po SPI.
• Schemat połączeń:

ATtiny2313        MCP3008
-----------       ----------
PB7 (SCK)   <-->  CLK
PB5 (MOSI)  <-->  DIN
PB6 (MISO)  <-->  DOUT
PB4 (dow.)  <-->  CS
VCC          -->  VDD, VREF
GND          -->  DGND, AGND
Potencjometr:
  skrajny 1 -> GND
  skrajny 2 -> VCC
  suwak     -> CH0

• Kod (avr-gcc, wycinek inicjalizacji SPI, tryb master 500 kHz):

void spi_init(void) {
  DDRB |= (1<<PB5)|(1<<PB7)|(1<<PB4);  // MOSI, SCK, CS jako wyjścia
  DDRB &= ~(1<<PB6);                   // MISO jako wejście
  SPCR = (1<<SPE)|(1<<MSTR);           // SPI włączone, master
  SPSR = (1<<SPI2X);                   // f_SCK = f_CPU/4
}
uint16_t mcp3008_read(uint8_t ch) {
  PORTB &= ~(1<<PB4);                  // CS = 0
  SPDR = 0b00000001; while(!(SPSR & (1<<SPIF)));
  SPDR = (0b1000 | ch) << 4; while(!(SPSR & (1<<SPIF)));
  uint8_t high = SPDR;
  SPDR = 0x00;               while(!(SPSR & (1<<SPIF)));
  uint8_t low  = SPDR;
  PORTB |= (1<<PB4);                   // CS = 1
  return ((high & 0x03) << 8) | low;   // 10-bit
}

• Zalety: 10–12 bit, powtarzalność, możliwość wielu kanałów, prosta kalibracja.
• Wady: koszt ~10 zł, 4 piny SPI (można zbić do 3 używając sprzętowego SS jako CS).

2. Pomiar czasu ładowania RC (software-ADC)

• Teoria: stała czasowa \(\tau = R \cdot C\). Dla kondensatora \(C=100 nF\) i potencjometru 10 kΩ \(\tau \approx 1 ms\).
• Schemat (1 pin):

PB0 <--+--- suwak potencjometru
       |
       +---||--- GND   C = 100 nF
potencjometr: 5V – suwak – GND (klasyczny dzielnik)

• Algorytm:

1. PB0 jako wyjście, stan LOW → rozładowanie C (10–100 µs).
2. Timer1 wyzeruj.
3. PB0 → wejście (Hi-Z), Timer1 start.
4. C ładuje się przez rezystancję potencjometru; gdy napięcie > próg logiczny (≈0,6 VCC), pin odczytuje HIGH.
5. W przerwaniu INT0/PCINT zatrzymujesz Timer1 i odczytujesz licznik.
6. Wynik skaluj liniowo (lub użyj LUT) do zasięgu 0-255/0-1023.

• Dokładność ~6–8 bit po filtracji medianowej.
• Zależność od temperatury, VCC oraz tolerancji \(C\). Należy wykonać kalibrację przy starcie (min/max).

3. Komparator analogowy + wymuszane napięcie odniesienia

• ATtiny2313 ma wejścia AIN0 (PB0) i AIN1 (PB1).
• Budujemy odniesienie Vref = VCC/2 (dzielnik 2×10 kΩ) na PB1.
• Potencjometr (suwak) na PB0.
• Procedura SAR-like:

• Internal DAC zastępuje port wyjściowy z drabinką rezystorową RC – kolejno „zgadujemy” wartość, obserwując wynik komparatora.
• Praktycznie: wykonuje się binarne wyszukiwanie w 8 iteracjach => pseudo 8-bit.
  • Precyzja lepsza niż RC-time, gorsza niż zewn. ADC; wymaga wyłącznie 2 rezystorów.

4. Użycie potencjometru poza mikrokontrolerem

• Regulacja kontrastu LCD, prędkości wentylatora PWM, proste nastawy analogowe – tu wystarczy podłączyć skrajne piny do VCC/GND, suwak do wejścia docelowego układu (nie do ATtiny).

Aktualne informacje i trendy

• Nowe mikrokontrolery tinyAVR-1-series (ATtiny1614/1616/1624/1626) mają już 10-/12-bitowe ADC i są piny-kompatybilne w obudowie SOIC-14 lub TQFP-20 – często taniej niż ATtiny2313A, więc w nowych projektach rozważa się migrację.
• Coraz popularniejsze stają się kompaktowe 12-bitowe ADC w obudowach SOT-23 (np. MCP3221 – I²C, 1 kanał) – zajmują 1 pin SDA + 1 SCL.
• W hobbystycznych projektach Arduino-kompatybilnych dla tiny2313 często używa się biblioteki „TinyADC” implementującej metodę RC z autokalibracją.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Próg logiczny wejścia CMOS \(\approx 0{,}6}\,V_{CC}\) przy temperaturze 25 °C, dlatego czas ładowania mierzony w metodzie RC odpowiada napięciu ≈3 V (dla 5 V zasilania). Jeśli chcesz liniowość, licznik możesz przeliczyć wzorem:
\[
R = -\frac{t}{C \cdot \ln!\left(1-\frac{V{\text{TH}}}{V{CC}}\right)}
\]
• Przy metodzie RC dodaj rezystor szeregowy 1 kΩ z pinem, aby chronić mikrokontroler, jeśli przypadkowo ustawisz pin OUT-HIGH podczas rozładowania.

Aspekty etyczne i prawne

• Brak szczególnych implikacji prawnych; pamiętaj jedynie o zgodności z normą EMC, jeśli projekt trafia na rynek.
• W systemach bezpieczeństwa (np. medycznych) metoda RC jest niewystarczająco pewna – należy stosować klasyczny ADC o udokumentowanej dokładności.

Praktyczne wskazówki

1. Zawsze filtruj wynik (średnia ruchoma, mediana) – potencjometr mechaniczny generuje szum przejściowy.
2. Przy długich przewodach dodaj filtr RC 100 Ω / 100 nF przy wejściu ADC, aby ograniczyć zakłócenia.
3. Jeśli używasz MCP3008 przy 3,3 V, skonfiguruj SPI <1,6 MHz (datasheet).
4. Dla metody RC trzymaj \(R_{\text{pot}} \le 50\,k\Omega\); przy większych wartościach czasy ładowania przekroczą kilka ms.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Metoda RC przy 5 V i kondensatorze ceramicznym klasy X7R może dryfować o kilka % przy zmianie temperatury o 40 °C.
• Wielokanałowy odczyt RC wymaga multipleksowania – sumaryczny czas pomiaru rośnie liniowo z liczbą kanałów.
• Niektóre wersje ATtiny2313 (oznaczenie ATtiny2313V) mają ograniczone f_CPU do 10 MHz – przy niskich taktowaniach timer może mieć zbyt małą rozdzielczość dla RC, dobierz większy kondensator (220 nF).

Sugestie dalszych badań

• Porównaj nieliniowość metod RC i komparatora w funkcji temperatury – przydatne do projektów czujnikowych.
• Rozważ zastosowanie cyfrowego potencjometru (np. MCP41010) zamiast analogowego + ADC – uprościsz kalibrację.
• Jeśli projekt wymaga niskiego poboru mocy, zbadaj techniki Burst-Mode odczytu ADC oraz uśpienia MCP3008 między próbkami.

Krótkie podsumowanie

ATtiny2313 nie mierzy napięcia analogowego sam z siebie, dlatego:
• Chcesz dokładnie? – dołóż zewnętrzny ADC (MCP3008/ADS1115).
• Chcesz tanio i prosto? – zastosuj pomiar czasu ładowania RC, wystarczy kondensator i timer.
• Chcesz tylko próg lub histerezę? – wykorzystaj wbudowany komparator z prostym dzielnikiem napięcia.

Dobór metody zależy od wymagań dokładności, budżetu i dostępnych pinów. Jeśli potrzebujesz gotowego kodu lub pomocy przy konkretnej aplikacji – daj znać.