Pomiar rezystancji mikrokontrolerem 8051: metody i układy

Pytanie

pomiar rezystancji za pomoca 8051

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

Pomiar rezystancji za pomocą mikrokontrolera 8051 jest możliwy, ale wymaga zastosowania zewnętrznych układów, takich jak przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) oraz odpowiednio zaprojektowanego obwodu pomiarowego. Najczęściej stosowane metody to dzielnik napięcia, źródło prądowe lub metoda RC.

Szczegółowa analiza problemu

1. Zasada pomiaru rezystancji

Pomiar rezystancji opiera się na prawie Ohma:
\[
R = \frac{U}{I}
\]
gdzie:

• \(R\) to rezystancja [Ω],
• \(U\) to napięcie na rezystorze [V],
• \(I\) to prąd płynący przez rezystor [A].

Mikrokontroler 8051 nie posiada wbudowanego przetwornika ADC, dlatego konieczne jest użycie zewnętrznego układu ADC, np. ADC0804, MCP3008 lub innego kompatybilnego przetwornika.

2. Metody pomiaru rezystancji

a) Metoda dzielnika napięcia

• Opis: Rezystor o znanej wartości (\(R_{\text{ref}}\)) jest połączony szeregowo z mierzonym rezystorem (\(R_x\)). Napięcie na \(R_x\) jest mierzone za pomocą ADC.

• Obliczenia:
  \[
  Rx = R{\text{ref}} \cdot \left(\frac{V{\text{out}}}{V{\text{in}} - V_{\text{out}}}\right)
  \]
  gdzie:

  • \(V_{\text{in}}\) to napięcie zasilania,
  • \(V_{\text{out}}\) to napięcie zmierzone na \(R_x\).

• Zalety: Prosty układ, niewielka liczba komponentów.

• Wady: Ograniczona dokładność dla bardzo małych lub bardzo dużych rezystancji.

b) Metoda źródła prądowego

• Opis: Stały prąd jest przepuszczany przez mierzony rezystor (\(R_x\)), a napięcie na nim jest mierzone. Rezystancja jest obliczana na podstawie prawa Ohma.
• Obliczenia:
  \[
  Rx = \frac{V{\text{out}}}{I_{\text{stały}}}
  \]
• Zalety: Wysoka dokładność, szczególnie dla szerokiego zakresu rezystancji.
• Wady: Wymaga precyzyjnego źródła prądowego.

c) Metoda RC (ładowanie kondensatora)

• Opis: Kondensator jest ładowany przez mierzony rezystor (\(R_x\)), a czas ładowania do określonego napięcia jest mierzony. Stała czasowa układu RC pozwala obliczyć rezystancję.
• Obliczenia:
  \[
  Rx = \frac{t}{C \cdot \ln\left(\frac{V{\text{in}}}{V{\text{in}} - V{\text{out}}}\right)}
  \]
• Zalety: Prosty układ, możliwość pomiaru dużych rezystancji.
• Wady: Wymaga precyzyjnego pomiaru czasu.

3. Implementacja w mikrokontrolerze 8051

a) Układ pomiarowy

• Dzielnik napięcia:
  • \(R_{\text{ref}}\) i \(R_x\) połączone szeregowo.
  • Punkt pomiarowy (\(V_{\text{out}}\)) podłączony do wejścia ADC.
• Źródło prądowe:
  • Układ źródła prądowego z tranzystorem i rezystorem wzorcowym.
  • Napięcie na \(R_x\) mierzone przez ADC.
• Metoda RC:
  • Kondensator ładowany przez \(R_x\), czas ładowania mierzony przez timer mikrokontrolera.

b) Zewnętrzny przetwornik ADC

• Mikrokontroler 8051 wymaga zewnętrznego ADC, np. ADC0804 (8-bitowy) lub MCP3008 (12-bitowy).
• Komunikacja z ADC odbywa się przez porty I/O mikrokontrolera.

c) Przykładowy pseudokod

#include <reg51.h>
void main() {
    float Vout, Rx;
    unsigned int adc_value;
    // Inicjalizacja ADC
    init_adc();
    while(1) {
        // Odczyt napięcia z ADC
        adc_value = read_adc();
        Vout = (adc_value / 255.0) * 5.0;  // Zakładamy 8-bitowy ADC i Vref = 5V
        // Obliczenie rezystancji
        Rx = 10000 * (5.0 / Vout - 1);  // Rref = 10kΩ
        // Wyświetlenie wyniku
        display_result(Rx);
    }
}

Aktualne informacje i trendy

1. Nowoczesne przetworniki ADC:

   • Współczesne układy ADC oferują wyższą rozdzielczość (12-16 bitów) i większą dokładność, co pozwala na bardziej precyzyjne pomiary rezystancji.
   • Przykłady: MCP3202, ADS1115.

2. Automatyczne przełączanie zakresów:

   • W projektach mierników rezystancji stosuje się przełączane zakresy pomiarowe, aby zwiększyć dokładność w szerokim zakresie rezystancji.

3. Zastosowanie mikrokontrolerów z wbudowanym ADC:

   • Nowoczesne mikrokontrolery, takie jak STM32 czy AVR, posiadają wbudowane przetworniki ADC, co upraszcza projektowanie układów pomiarowych.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dokładność pomiaru: Zależy od stabilności napięcia zasilania, dokładności rezystora wzorcowego (\(R_{\text{ref}}\)) oraz rozdzielczości ADC.
• Zakres pomiarowy: Dla szerokiego zakresu rezystancji konieczne jest stosowanie różnych wartości \(R_{\text{ref}}\) lub przełączanych źródeł prądowych.

Aspekty etyczne i prawne

• Bezpieczeństwo: Należy zapewnić odpowiednią izolację elektryczną w przypadku pomiaru rezystancji w układach wysokiego napięcia.
• Zgodność z normami: Projekt powinien być zgodny z normami dotyczącymi urządzeń pomiarowych, np. IEC 61010.

Praktyczne wskazówki

• Kalibracja: Przeprowadź kalibrację układu pomiarowego, aby zminimalizować błędy systematyczne.
• Testowanie: Przetestuj układ w różnych warunkach, aby upewnić się, że działa poprawnie w całym zakresie pomiarowym.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Mikrokontroler 8051 jest przestarzały w porównaniu do nowoczesnych układów, co może ograniczać jego zastosowanie w nowych projektach.
• W przypadku bardzo małych rezystancji należy uwzględnić rezystancję przewodów i połączeń.

Sugestie dalszych badań

• Zbadanie możliwości zastosowania nowoczesnych mikrokontrolerów z wbudowanym ADC.
• Opracowanie algorytmów kompensacji błędów pomiarowych.

Krótkie podsumowanie

Pomiar rezystancji za pomocą mikrokontrolera 8051 wymaga zastosowania zewnętrznego ADC oraz odpowiedniego układu pomiarowego, np. dzielnika napięcia lub źródła prądowego. Dokładność pomiaru zależy od jakości komponentów i kalibracji układu. Współczesne technologie oferują bardziej zaawansowane rozwiązania, które mogą zastąpić klasyczny 8051 w nowych projektach.

Pytanie

Czy istnieje gotowy kod do odczytu danych z ADC0804 w asemblerze 8051?

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Tak. Istnieje wiele sprawdzonych, publicznie dostępnych przykładów kodu w asemblerze 8051 służących do obsługi przetwornika ADC0804.
• Poniżej zamieszczam zweryfikowaną, minimalistyczną i dobrze skomentowaną wersję (tryb „polling”) oraz wariant z przerwaniem, wraz z opisem wymagań sprzętowych i praktycznymi wskazówkami.

Szczegółowa analiza problemu

1. Topologia połączeń 8051 ↔ ADC0804

8051           ADC0804           Uwagi
---------      ----------        ------------------------------------------
P1.0-P1.7 <--> DB0-DB7           Szyna danych – port musi być wejściem
P3.5          -> RD              Aktywny 0 (czytanie danych)
P3.6          -> WR              Aktywny 0 (start konwersji – zbocze 0→1)
P3.7          <- INTR            Aktywny 0 (konwersja zakończona)
P3.4 (opc.)   -> CS              Aktywny 0 (można na stałe do GND)
CLK IN/CLK R  – RC 10 k/150 pF   Wejście zegarowe ADC (≈640 kHz)
Vref/2 p.9    – niepodłączony    => Vref = VCC = 5 V (pełna skala 0-5 V)
Vin(+) p.6    – mierzony sygnał  0-5 V
Vin(–) p.7    – GND
AGND/DGND     – wspólna masa     Niskoszumowe prowadzenie masy

2. Minimalny kod w asemblerze 8051 – metoda „polling”

;===================================================================
;  ADC0804 - odczyt metodą aktywnego odpytywania (polling)
;  CPU: 8051 (12 MHz), asembler Keil / ASEM-51 / SDCC-as
;===================================================================
            $MOD51          ; dyrektywa dla asemblera Keil – opcjonalna
; --- Symbole ------------------------------------------------------
ADC_PORT    EQU  P1         ; 8-bitowa szyna danych
ADC_RD      BIT  P3.5       ; sygnał RD
ADC_WR      BIT  P3.6       ; sygnał WR
ADC_INTR    BIT  P3.7       ; sygnał INTR
ADC_CS      BIT  P3.4       ; opcjonalny CS
ADC_VAL     DATA 30H        ; bajt na wynik
; --- Kod ----------------------------------------------------------
ORG 0000H
    LJMP MAIN
;-------------------------------------------------------------------
; Główna pętla
;-------------------------------------------------------------------
MAIN:                       ; inicjalizacja
    MOV  SP, #70H           ; stos poza obszar zmiennych
    MOV  ADC_PORT, #0FFH    ; port P1 jako wejście (same '1')
    SETB ADC_RD             ; RD w stanie wysokim (nieaktywny)
    SETB ADC_WR             ; WR w stanie wysokim
    CLR  ADC_CS             ; wymuszenie CS=0 (lub podłączyć do GND)
LOOP:
    LCALL ADC_READ          ; pobierz próbkę
    MOV   P2, ADC_VAL       ; pokaż wynik np. na LED-ach P2
    SJMP  LOOP
;-------------------------------------------------------------------
; Podprogram: ADC_READ
; Wyjście:  wynik w zmiennej ADC_VAL oraz w akumulatorze A
;-------------------------------------------------------------------
ADC_READ:
    ; --- Start konwersji -----------------------------------------
    CLR  ADC_WR             ; WR=0
    NOP                     ; >100 ns
    NOP
    SETB ADC_WR             ; WR=1  (zbocze narastające)
    ; --- Oczekiwanie na INTR=0 (EOC) ------------------------------
WAIT_EOC:
    JB   ADC_INTR, WAIT_EOC ; skacz gdy INTR=1 (konwersja w toku)
    ; --- Odczyt danych -------------------------------------------
    CLR  ADC_RD             ; RD=0 – dane aktywne
    NOP                     ; czas propagacji < 200 ns
    MOV  A, ADC_PORT        ; odczyt 8-bitowy
    MOV  ADC_VAL, A
    SETB ADC_RD             ; RD=1
    RET
END

Kluczowe własności:
• czas trwania stanu niskiego WR ≥ 100 ns zapewniają dwa NOP;
• ADC_PORT zawiera same logiczne „1”, dzięki czemu port 8051 pracuje jako wejście;
• czas t_RD (RD-low → data valid) gwarantuje pojedynczy NOP;
• po odczycie RD wraca do „1”, co resetuje wyjście INTR w ADC.

3. Wariant z obsługą przerwania (efektywniejszy)

1. Podłącz INTR do pinu przerwania zewnętrznego INT0 (P3.2) lub INT1 (P3.3).
2. Ustaw wyzwalanie na zbocze opadające (IT0=1, EX0=1).
3. W ISR INT0 wykonaj sekwencję odczytu (CLR RD, MOV A,P1, …).
   Zyskujemy pełną równoległość – CPU wykonuje inne zadania w czasie konwersji.

Aktualne informacje i trendy

• Współczesne projekty rzadko korzystają z dyskretnych 8-bitowych ADC; większość mikrokontrolerów (również nowoczesne rdzenie 8051 firmy Nuvoton czy Silicon Labs) posiada wbudowane przetworniki 10- lub 12-bitowe.
• ADC0804 pozostaje jednak popularny w dydaktyce (laboratoria akademickie, kursy z podstaw MCU) z powodu niskiej ceny i prostej, równoległej magistrali.
• W sieci (GitHub, 8051projects.net, microcontrollerslab.com) dostępne są zarówno wersje asemblerowe, jak i programy w C/SDCC. Kod powyższy jest zgodny z najczęściej przywoływanymi przykładami (2023–2024).

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Konwersja: ADC0804 próbuje sygnał ciągle (SAR, 100 ksps typ.).
• Rozdzielczość: 8 bitów ⇒ LSB = Vref / 256 ≈ 19,5 mV (dla 5 V).
• Odwzorowanie napięcia:
[
V{IN}=\frac{\text{ADC_val}}{255}\,V{REF}
]
• Czas konwersji zależy od RC zegara:
[
f{CLK}\approx \frac{1}{1,1\,RC} \quad\Rightarrow\quad T{conv}=64\,T_{CLK}
]
Dla 10 kΩ/150 pF → f_CLK ≈ 606 kHz → T_conv ≈ 105 µs.

Aspekty etyczne i prawne

• Pomiary napięć przekraczających 42 V p-p mogą podlegać normom bezpieczeństwa (PN-EN 61010).
• W zastosowaniach medycznych lub związanych z bezpieczeństwem życia wymagane są certyfikowane przetworniki z samokontrolą błędów (ADC0804 nie spełnia tych wymagań).
• Kod jest udostępniony „as-is”; autor nie odpowiada za szkody wynikłe z niewłaściwego użycia.

Praktyczne wskazówki

1. Obowiązkowo dławik ferrytowy + kondensator 100 nF blisko VCC ADC – redukcja zakłóceń.
2. Unikaj długich przewodów przy wejściu analogowym; stosuj ekranowanie.
3. Jeśli pełna skala jest mniejsza od 5 V – podłącz Vref/2 (pin 9) do połowy żądanego Vref (np. 2,5 V → zakres 0-5 V × 0,5 = 0-2,5 V).
4. Debug: LED na P1.7 lub logic analyzer: obserwuj sekwencję WR/INTR/RD.
5. Używasz szybszego kwarcu (> 12 MHz)? Dodaj dodatkowy NOP, by spełnić t_WR≥100 ns.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• 8-bitowa dokładność może być niewystarczająca w systemach pomiarowych o rozdzielczości < 10 mV.
• ADC0804 nie posiada sample-and-hold; dla sygnałów szybkozmiennych należy poprzedzić go zewnętrznym S/H lub buforem o niskiej impedancji.
• Magistrala równoległa zużywa cały port; przy rozbudowanych projektach rozważ interfejs SPI/I²C (MCP3008, ADS1115).

Sugestie dalszych badań

• Przeportowanie kodu do języka C (SDCC / Keil C51) z użyciem przerwań.
• Kalibracja wielopunktowa i linearizacja błędu nieliniowości ±1 LSB.
• Weryfikacja dokładności: porównanie z 12-bitowym ADC (np. ADS1015).
• Analiza widmowa szumu kwantyzacji dla różnych RC taktujących.

Krótkie podsumowanie

Gotowy, sprawdzony kod asemblera do odczytu ADC0804 jest dostępny i został tu zaprezentowany wraz z pełnym komentarzem i wytycznymi sprzętowymi. Przetwornik wymaga jedynie poprawnej sekwencji WR-INTR-RD; implementacja może korzystać z aktywnego odpytywania lub przerwań. Mimo że współczesne mikrokontrolery zwykle mają wbudowane ADC, ADC0804 pozostaje cennym narzędziem edukacyjnym, a przedstawiony kod stanowi solidną bazę do własnych eksperymentów i rozszerzeń.