Atmega16 ve 74HC590 ile LED Ekranlı Frekansmetre

Ölçü aletleri, elektronik ile ilgilenen insanlar için önemlidir. Birbirini izleyen elektriksel darbelerin frekansların ölçmek gerektiği zaman uygulanan ölçüm tekniği birçok şekilde kolaylaştırılmıştır. En basit yöntem bilinen bir kaynak ile karşılaştırmaktır. Buradaki referans kaynak elbette, mikrokontroller tarafından üretilen saat darbeleridir.

Bu projede "Atmega16 ve 74HC590 ile LED ekranlı frekansmetre" uygulaması üzerinde çalışacağız.

Frekans ölçümü

Frekansın tanımı olarak bakılırsa 1 saniyedeki değişken işaret (darbe) sayısıdır. Buna göre eğer bir lojik VE kapısı ile 1 saniye boyunca geçen darbe treni sayılırsa, sonuç darbe treninin frekansını verir.

Şekil-1 :Frekansmetre prensibini gösteren blok şeması.

Projede bu lojik kapı yerine 74HC590 entegresinin (CE) giriş kontrol ucu işlemci tarafından denetlenerek sağlanmaktadır. Buradaki sihirli kelime 1 saniyedir. Çünkü referansın sağlam olursa sonucunda sağlıklı olacaktır. Bu durumda işlemcinin 8MHz saat kristalinden üretilen saat sinyali timer 1 yardımı ile 1 saniyelik referans sinyali üretilmektedir.

LED ekran

Projede 8 adet 7 parçalı ortak anot kırmızı LED ekran kullanılmaktadır. Bu ekranların segmanları işlemci tarafından kontrol edilirken, gereken bacak sayısından dolayı ortak uçları yine işlemci tarafından kontrol edilen 74HC138 üzerinden sürülen transistörler tarafından sürülmektedir.

Her ne kadar 8 tane LED ekran ver isede, sayıcı sistem 24 bit olduğundan 16777216'a kadar sayabilmektedir. Dolayısı ile sistemin sayabileceği frekans 16MHz olarak basite indirgeyebiliriz.

Şekil-2 :LED ekran sürme işleminde kullanılan 74HC138 bacak bağlantıları.

LED ekrana ek olarak LED ekranların segmanlarının sürme yolunu paylaşan 6 tane LED bulunmaktadır. Bunların sağ sıradaki 3 tanesi kademe olarak gösterirken, sol sıradaki kırmızı ölçüm yapılmakta olduğunu (VE kapısının açık olduğunu), sarı otomatik kademe/normal seçili olduğunu ve yeşil sürekli/tek ölçüm yapıldığını göstermek için kullanılır.

Kontrol

Giriş

Çıkış

E1

E2

E3

A3

A2

A1

Q7

Q6

Q5

Q4

Q4

Q3

Q2

Q1

H

X

X

X

X

X

H

H

H

H

H

H

H

H

X

H

X

X

X

X

H

H

H

H

H

H

H

H

X

X

L

X

X

X

H

H

H

H

H

H

H

H

L

L

H

L

L

L

H

H

H

H

H

H

H

L

L

L

H

L

L

H

H

H

H

H

H

H

L

H

L

L

H

L

H

L

H

H

H

H

H

L

H

H

L

L

H

L

H

H

H

H

H

H

L

H

H

H

L

L

H

H

L

L

H

H

H

L

H

H

H

H

L

L

H

H

L

H

H

H

L

H

H

H

H

H

L

L

H

H

H

L

H

L

H

H

H

H

H

H

L

L

H

H

H

H

L

H

H

H

H

H

H

H

74HC138 entegresinin giriş çıkış tablosu yukarıda verilmiştir. L=lojik 0, H =lojik 1 ve X= ne olursa olsun

74HC590

Buradaki asıl soru neden işlemcinin içindeki 16 bitlik Timer1(Sayıcı) kullanılmadığıdır. İşlemcinin içinde 16 bitlik Timer1 (Sayıcı) belirtildiği üzere 16 bit saymaktadır yani sonuç olarak 65536 değerine kadar sayabilir. Bu değerin üstünde bir değer için taşma kontrolu ile işlemci içinde ek sayıcı (yazılımsal olarak) oluşturma zorunluluğuna ek olarak burada Timer1 (sayıcı) harici girişinin belirli bir frekans cevabının olmasıdır.
74HC590 entegresinin HC serisi olmasından dolayı yaklaşık 40MHz maksimum frekansa cevap verebilmesi ve işlemciye bağlanabilmesi tercih edilmesine neden olmuştur.

Entegre 8 bitlik bir sayıcıdır. Çıkışları kontrol edilebilir ve mikrokontroller birimine bağlanabilir porta sahip bir yapıdadır. Dolayısı ile iki veya daha fazla 74HC590 işlemciye kolaylıkla bağlanabilir. 74HC590 iç registerlerinde (sayıcı) asıl sayma işleminin yapıldığı bölüm olup diğer sayıcının değerini porta yönlendirmek için kullanılan tutucu registeridir. Bu registeri tutma işlemi bir bacak üzerinden kontrol edilir.

Şekil-3 :Sayıcı olarak kullanılan 74HC590 bacak bağlantıları.

Çıkışları kontrol edilebildiğinden (çıkış izni yok iken z durumunda) 3 tane 74HC590 entegresi işlemcinin aynı bacakları üzerinden veri iletimi yapabilmektedir.

Ayrıca tutma registerine bağlı bir taşma çıkışı yer aldığından kolaylıkla 24 bit sayıcı olarak düzenlenebilmektedir.

Giriş					Tanımı
OE	CPR	MRC	CE	CPC
H	X	X	X	X	Q Çıkışları yasaklı
L	X	X	X	X	Q Çıkışları izinli
X	L-H	X	X	X	Sayıcı verisi registere kaydedilir
X	H-L	X	X	X	Register durumu değişmez
X	X	L	X	X	Sayıcıyı sil
X	X	H	L	L-H	gelişmiş bir sayma
X	X	H	L	H-L	sayma yok
X	X	H	H	X	sayma yok

74HC590 bacak bağlantıları ve tanımları. H=lojik 1 , L=lojik 0, X=ne olursa olsun, L-H = yükselen kenar, H-L= inen kenar.

Bacak Simgesi	Tanımı
Q0...Q7	paralel veri çıkışı
GND	0 V
RCO	elde çıkışı (aktif Lojik 0)
MRC	Ana sayıcı sıfırlama (aktif Lojik 0)
CPC	Sayıcı saat girişi (aktif lojik 1)
CE	Sayıcı izin girişi (aktif lojik 0)
CPR	Register saat girişi (aktif lojik 1)
OE	Çıkış izin girişi (aktif lojik 0)
Vcc	Besleme (+5 V)

74HC590 bacak simgesi ve tanımı yukarıda verilmiştir.

Devrenin Çalışması

Şekil-4 :Proje ilk çalıştırıldığında.

Kaçınılmaz olarak devre elemanları arasındaki bağlantıyı kontrol eden Atmega16'dır. 8MHz saat kristali ile işlemcinin ihtiyacı olan saat sinyalleri üretilir.

Devreye beslendiği zaman işlemci ilk olarak LED ekranlara 00000000 değerini yazacaktır. Ama soldaki sıfırların hiçbir anlamı olmadığından ekranda sadece 0 gösterilecektir. LED ekran mux olarak düzenlendiğinden sürekli olarak taranması gerekir. Buradaki tarama işlemi kontrolu 74HC138 üzerinden yapılmaktadır. Yani işlemci tarafından kontrol edilen 3 bacak kod çözme ile PNP transistörler üzerinden 8 LED ekran ortak bacağı sürülmektedir.

74HC590 entegreleri arda arda bağlanarak 24 bitlik bir sayıcı haline getirilmiştir. Görüleceği üzeri sayma işlemi donanımsal olarak yapılmaktadır. İşlemci kontrollu 1 saniyelik referans sinyalini Timer1 tarafından üretilir ve bu işlemci üzerinden 74HC590'ların CE bacağına uygular. (LED1 ölçüm yapıldığını göstermek üzere yanması sağlanır) 1 saniyelik zaman süresince 74HC590 CPC bacağına gelen sinyalleri sayar (gelen sinyal tersleyerek aynı zamanda CPR bacağına uygulanır) . 1 saniye sonunda sayma durdurulur ve LED1 söndürülür. İşlemci sayma durumuna göre (verinin önem sırasına göre) sıra ile 74HC590 OE bacaklarına lojik 0 uygulayarak 74HC590'lardan sayılmış olan değeri okur. Bu değerler hexadesimel sayı formatında olduğu için bu değerler onluk sayı sistemine (BCD) çevrilir. Ekranda gösterilecek şekilde uygun registerelere yerleştirilir. Ekranda mux olarak çalıştığı için belirli aralıklara yenilenmesi sağlanırken yeni alınmış değerde ekran üzerinde görüntülenir.

Değerleri 74HC590'dan okunmasından sonra yeni değer ölçümü için hazırlanması amacı ile MCR bacağına kısa bir süre lojik 0 uygulanarak sayıcılar sıfırlanır. Sistem yeni sayma işlemi için hazırdır
Tek/Sürekli (S3) butonu sayma işleminin tek veya sürekli (otomatik) ölçüm yapma arasında seçimi sağlanır. Tek ölçüm seçildiğini göstermek için LED2 yanar. Tek ölçüm seçeneğinde ölçüm yapabilmek için Tek ölçüm butonu (S1) basmak yeterlidir. Bu durumda LED1 ölçüm yapıldığı süre boyunca yanıp işlem sonunda sönecektir.

Kademe (S2) butonu ekranda gösterilen değere göre binler ve milyonlar hanesini nokta eklerken uygun bir şekilde LED4 (Hz), LED5 (KHz)ve LED6 (MHz) yanmasını sağlar. Kademe işleminin aktif olduğunu göstermek için LED3 ışık verecektir.

Şekil-5 :Otomatik kademe aktif değilken.

Şekil-6 :Otomatik kademe aktif (KHz)

Şekil-7 :Otomatik kademe aktif (MHz)

LED	Rengi	Tanımı
LED1	Kırmızı	Ölçüm yapıldığını gösterir
LED2	Yeşil	Tek ölçüm yapılacağını veya yapıldığını gösterir
LED3	Sarı	Otomatik kademe ile gösterildiğini
LED4	Kırmızı	Ekran değerinin 0...999 aralığında olduğunu gösterir (Hz)
LED5	Kırmızı	Ekran değerinin 1000...999999 aralığında olduğunu gösterir (KHz)
LED6	Kırmızı	Ekran değerinin 999999'dan büyük olduğunu gösterir (MHz)

LED'ler ve işlevleri

Devre

Devre iki kart üzerinde toplanmıştır.

Şekil-8 :İşlemci kartı üstten görünümü

Ekran kartı üzerinde LED ekranlar (8 adet), LED'ler (6 adet) ve butonlar (4 adet) bulunmaktadır.

Şekil-9 :İşlemci kartı üstten ve ekran kartı arkadan görünümü

İşlemci kartı üzerinde LED ekranları sürmek için 74HC138, transistörler ve akım sınırlama dirençleri bulunur. LED'leri sürmek için akım sınırlama dirençleri ve transistör yer almaktadır. Butonları sürmek için 74HC138'in bazı bacaklarını paylaşan bağlantı ile birlikte algılama ucu işlemci üzerindedir.

Şekil-10 :İşlemci kartı arkadan görünümü

İşlemci kartı üzerinde sayıcı girişlerini korumak üzere kullanılan direnç ve zener diyot bağlantısı üzerinden schmitt tetikleyici olan 74HC14 üzerinden giriş sinyali şekillendirme yapılır. Şekillendirilen giriş sinyali 3 adet 74HC590 üzerinde sayılarak işlemci üzerinde gerekli işlemleri yerine getirilir.

Şekil-11 :Kartların monte edilmiş haldeki görünümü

Son olarak P1 üzerinden alınan gerilim köprü diyot üzerinden geçirilerek 7805 üzerinden devre için gereken +5V besleme gerilimi oluşturulur.

Şema

Sistemin kalbini IC1 ile ATMEGA16 oluşturuyor. Kesin zamanlama ihtiyacını karşılamak için XT1(8MHz) kristal ile C8 ve C9 (27pF) kondansatörler ile birlikte işlemci için gereken zamanlama frekansını üretirler. R18..R22, R24,R25, R26...R34 (1206-smd) (10k) dirençleri pull-up için kullanılmıştır.

P2 klemensi üzerinden gelen frekansı ölçülecek sinyal, R23 (100R) üzerinden D5,D6 (5.1V zener) girişindeki giriş geriliminin 5V'un üzerinde olması durumuna göre IC5 (74HC14) girişini korumak için sinyali 5V'a sınırlar.

IC2 , IC3 ve IC4(74HC590) 8 bitlik sayıcı entegreleridir ve çıkışları paralel olarak alınabilir. 74HC590 entegrelerinin bağlantısı sayesinde 24 bitlik sayıcı sistemini oluşturur. IC5 (74HC14) giriş sinyalini schmit tetikleyici olarak çalışan (evirici) girişleri sayıcı kontrol edilen girişleri oluşturur.

DIS1..DIS8 (1056AUR1) 8 adet ortak katot LED ekran üzerinde ölçülen değer görüntülenir. Led ekran ile işlemci arasına akım sınırlama için R10...R17 (220R) dirençleri Led ekran segman sürücü olarak kullanılır. LED ekranların ortak uçları Q1...Q8 (BC327) transistörleri üzerinden sürülür. Transistörlerin baz uçları ile IC6 (74HC138) arasına R2...R9 (1k) sürücü dirençleri bağlanmıştır. IC6 (74HC138) 3-8 hat kod çözücü/ demultiplexer, eviren çıkışlı yapıdaki entegre işlemcinin yetersiz bacak bağlantısını artırıp LED ekran taramasını 4 işlemci hattı karşılığında 8 hatta dönüştürülmesinde kullanılmıştır.

LED1..LED6 ledlerin devrenin çalışmasını ve yaptığımız seçimleri göstermek için kullanılmaktadır. LED ekranları segman bağlantılarını paylaşan LED'ler diğer uçları birbirine bağlanıp Q1 (BC327) transistörü üzerinden sürülür. Q1 Baz ucu R1 (1k) üzerinden IC1 (Atmega16) (PB4) bağlanmıştır. LED1..LED6 IC6 aktif olmadığı zaman diliminde aktifleştirilerek DIS1..DIS8 mux zamanını paylaşır.

S1..S4 (buton) devrenin çalışmasındaki kullanıcı seçeneklerini erişim için kullanılır. D1..D4 (1N4148) diyotları üzerinden IC6 74HC138 (Y0..Y3) bacaklarını LED ekran sürücüleri üzerinden paylaşır. S1..S4 butonlarının ortak uçları IC1 (Atmega16) (PB7) üzerinden basılan butonu işlemci tarafından algılamasına imkan tanıyarak gerek işlevi yerine getirir.


Devrenin beslemesi P1 konnnektörü üzerinden D7 (W10M) köprü diyodu üzerinden IC7 (7805) regüle edilerek devrelinin ihtiyacı olan beslemeyi oluşturur.

Programlama için bir kablo üzerinden bağlantı sağlamak üzere ISP konnektörü bulunmaktadır.
Belirtilmeyen geri kalan kondansatörler filtre amaçlıdır.

Devre üzerinde anlatılmayıp, kutulama için kullanılan ek elemanlar, (SPST) aç/kapa anahtarı, adaptör için giriş ve P2 klemensi yerine bir BNC (kutu tipi) priz ve devreyi oluşturmak için gereken kartlara uygun bir kutu kullanmak yerinde olacaktır. İsteyen tabii kutusu uygun ise beslemesini kutu içine alabilir ve kartın üzerinde gerekli değişiklikleri yapabilir.

Şekil-12:Blok şeması

Şekil-13:Devre şeması

Devre Yapımı

Devre montajı açısından kritik bir durum yoktur. Elemanları karta lehimlerken kısa devre olmamaları için dikkatli olmak yerinde olacaktır.

Devre kartı tek yüzlü olacak şekilde oluşturuldu. Görüldüğü üzere bir miktar tel köprü mevcuttur. İstenildiği takdirde çift yüzlü oluşturulup eleman tarafındaki kalan yüzeyler GND ile kaplanabilir. Bu durumda elektriksel parazitik etkilerden daha fazla yalıtılacaktır.

Şekil-14:İşlemci ve ekran kartı yollar

Şekil-15:İşlemci ve ekran kartı eleman yerleşimi

Şekil-16:İşlemci kartı üzerindeki bakırlı taraftaki eleman yerleşimi(SMD). Ekran kartı üzerinde bakırlı tarafa lehimlenmesi gereken eleman olmadığı için gösterilmemiştir.

Şekil-17:İşlemci ve ekran kartı yolları birlikte eleman yerleşimi

Şekil-18:İşlemci yolları birlikte SMD eleman yerleşimi

Şekil-19:Ekran işlemci kartı ve ekran kartı birlikte monte edilmiş halde.

İşlemci kartı ve ekran kartını birbirine montaj için delikler hizalanmıştır. Küçük bakır tellerin bu deliklere lehimlenerek bağlantının sağlanması yeterlidir. Kullanılan bakır tellerin yeteri kadar sağlam olması gerekir. Çünkü butonlara basıldığı zaman kart geriye doğru eğilmemesi gerekir, aksi halde ekran kartında sabitlenmesi gerekir.

Devre Elemanları

İşlemci kartı ve ekran kartı için malzeme listesi

220R	R10..R17
1K	R1..R9
10K	R18..R22, R24,R25
10K (SMD-1206)	R26..R34
27pF	C8,C9
100nF	C3,C4,C6,C7,C10,C13,C15,C16
10µF/25V	C5, C11,C12,C14
100nF (SMD-1206)	C1,C2,C17
3mm LED (kırmızı)	LED1,LED4,LED5,LED6
3mm LED (yeşil)	LED2
3mm LED (sarı)	LED3
1056AUR1 veya benzeri	DIS1...DIS8
ATMEGA16 (DIL)	IC1
74HC590	IC2,IC3,IC4
74HC14	IC5
74HC138	IC6
7805	IC7
BC327	Q1..Q9
W10M veya benzeri	D7
1N4148	D1..D4
5.1V zener	D5,D6
8 Mhz kristal	XT1
2x3Header (ISP6)	isp
2'li klemens	P1,P2
20 bacaklı entegre soketi (DIL)	1 adet
16 bacaklı entegre soketi (DIL)	4 adet
14 bacaklı entegre soketi (DIL)	1 adet
10 yollu şerit kablo	-
2x5 header pin erkek	P3(kullanılmıyor)
buton	S1...S4

Besleme için 9V'luk adaptör unutulmamalıdır. Kutulama yapılacaksa, aç/kapa anahtarı, BNC giriş, adaptör girişi ve uygun büyüklükte bir kutu , kablolar listeye eklenmelidir.

Kutulama

Şekil-20:İşlemci programlanırken.

Kutu olarak stoklarımda yer alan plastik bir kutu kullanıldı. Kutu üzerindeki delikler ekran kartı üzerindeki elemanların yerleşimine göre açıldı. Kutunun altında bulunan çıkıntılar işlemci kartının montajı için bir miktarı kesildi. Ayrıca işlemci kartı biraz uzun bırakıldığı için kutunun alt parçasına vidalama için 2 delik açıldı.

Şekil-21:Kutunun alt (sol) ve üst (sağ) parçaları.

Şekil-22:Kutunun ön (üst)ve arka (alt) panel parçaları.

BNC priz kutu paneline monte edilebilecek bir yapıda olduğu için, bir ekranlı kablo ile BNC girişindeki bağlantılar kartın üzerindeki P2 bağlantısına taşındı. Ekranlı kablo bağlanması, elektriksel parazitlere bağlı sinyal bozulmasına karşı bir önlemdir.

Şekil-23:Şase bağlantısı yapılmış BNC konnektör.

Şekil-24:Şase bağlantısı yapılmış BNC konnektör.

Şekil-25:BNC konnektörü kablosunun işlemci kartı üzerindeki bağlantısı.

Aç/kapa anahtarı ve adaptör prizini nasıl bağlandığını bildiğinizi varsayıyoruz. Bilmiyorsanız internet üzerinde arayabilirsiniz. Çünkü model ve markalarına göre değişiklik gösterebilir.

Şekil-26:Adaptör girişi ve aç/kapa anahtarı.

Şekil-27:Adaptör girişinin monte şekli.

Şekil-28:Kutu içinin kartlar olmadan görünümü.

Son olarak kartlar kutu içine monte edilir ve kablo bağlantıları(BNC için P2 ve Besleme için P1) yapılır. Kutu kapatılmadan son bir kez test edilmesi yerinde olur.

Şekil-29:Kutu kapatılmadan için.

Şekil-30:Cihazın bitmiş hali. Sadece kutunun süsü olan ön panele ihtiyacı var.

Şekil-31:Ön panel örneği.

Kullanımı

Şekil-32:Açılış LED durumu.

Devre ilk açıldığında tek ölçüm led'i (kırmızı) ile Hz Led'i yanar ve ekranda 0 değeri görüntülenir. (Şekil-4'e bak) Devre ölçüm yaptıkça tek ölçüm Led'i yanıp söner.(ölçüm süresince yanar)

Şekil-33:Tek/Sürekli ölçüm işlemi.

Tek ölçüm yapmak için; (1) Tek/Sürekli butonuna basılır ve Tek/Sürekli led'i (yeşil) yanar. Bu konumda iken tek ölçüm LED'i bir kez yanar ve 1 saniye sonunda söner sonuç ekranda görüntülenir. (Hz led'i yanmaktadır) Tekrar ölçüm için (2) Tek Ölçüm butonuna basılır. Aynı şekilde tek ölçüm LED'i 1 saniye sonunda söner ve sonuç ekranda görüntülenir.

Şekil-34:Tek/Sürekli ölçüm işlemi.

Sürekli ölçüm yapmak için; (1) Tek/sürekli butonu kullanılarak Tek/sürekli led'i söndürülmesi yeterlidir. Ölçüm sürekli tekrarlanarak ekrandaki sonuç güncellenir.

Şekil-35:Kademe seçimi ve gösterimi. Örneksel olarak..

Otomatik kademe seçeneğinde (1) Kademe butonuna basarak Kademe Led'inin yanmasını sağlamak yeterlidir. Bu durumda ekrandaki değer büyüklüğüne göre ondalık nokta konumlanırken, uygun Hz, KHz, MHz LED'lerinden biri yanar. Normal gösterim durumuna dönmek için (1) Kademe butonuna basarak Kademe LED'inin sönmesini sağlamak yeterlidir.

Şekil-36:Sıfırlama işlemi

Ekrandaki ölçüm sonucunu silmek (1) Sıfırla butonuna basmak yeterlidir. Basılması ile birlikte ekrandaki değer 0 olarak gösterilir

Ekler:
ATMEGA16 hakkında bilgi için

"Atmega16 ve 74HC590 ile LED Ekranlı Frekansmetre" projesi için gereken dosyalar

Bu devrenin yapım sorumluluğu size aittir. Devre yapıldı ve çalışıyor. K.A....

--DEVAM EDECEK!--

---