An Overview of ATmega AVR Microcontrollers Used in Scientific Research and Industrial Applications

eng Article in English DOI: 10.14313/PAR_215/15

Wojciech Kunikowski , Ernest Czerwiński , send Paweł Olejnik , Jan Awrejcewicz Department of Automation, Biomechanics and Mechatronics, Lodz University of Technology

Download Article

Abstract

Nowadays, microcontrollers are commonly used in many fields of industrial applications previously dominated by other devices. Their strengths such as: processing power, low cost, and small sizes enable them to become substitutes for industrial PLC controllers, analog electronic circuits, and many more. In first part of this article an overview of the Atmel AVR microprocessor family can be found, alongside with many scientific and industrial applications. Second part of this article contains a detailed description of two implementations of ATmega644PA microprocessor. First one is a controller with PID regulation that supports a DC motor driver. Second one is a differential equation solver with 4-th order Runge-Kutta method implemented. It is used for solving a torsion pendulum dynamics. Finally, some general conclusions regarding the two presented implementations are made.

Keywords

DC motor, microcontroller, PID controller, PWM control, torsion pendulum

Przegląd mikrokontrolerów AVR stosowanych w badaniach naukowych i aplikacjach przemysłowych

Streszczenie

W dzisiejszych czasach mikrokontrolery są często używane w miejscach poprzednio zdominowanych przez inne układy logiczne. Argumenty przemawiające za stosowaniem tych układów, takie jak: moc obliczeniowa, niski koszt i małe rozmiary, pozwalają na zastępowanie nimi przemysłowych sterowników PLC i innych elektronicznych układów analogowych. W pierwszej części artykułu przedstawiono przegląd dostępnych mikroprocesorów Atmel AVR, uwzględniając przykłady naukowych i przemysłowych zastosowań. Druga część zawiera szczegółowy opis dwóch implementacji procesora ATmega644PA, przeprowadzonych przez autorów pracy. Pierwsza przedstawia regulator PID silnika prądu stałego obciążonego zmiennym momentem. Kolejna przedstawia implementację metody Runge-Kutty czwartego rzędu, stosowanej często do rozwiązywania równań różniczkowych. Algorytm został zastosowany do rozwiązania zadania dynamiki ruchu obrotowego wahadła torsyjnego na mikrokontrolerze.

Słowa kluczowe

mikrokontroler, regulacja PWM, silnik prądu stałego, sterowanie PID, wahadło torsyjne

Bibliography

  1. [www.atmel.com/products/microcontrollers/avr/default.aspx].
  2. [www.arduino.cc].
  3. Zhang D.G., Dong D.C., Peng H.T.., Research on development of embedded uninterruptable power supply system for IOT-based mobile service, “Computers and Electrical Engineering”, Vol. 38, No. 6, 2012, 1377–1387. DOI: 10.1016/j.compeleceng.2012.04.001.
  4. Kioumars A., Tang L., ATmega and XBee-Based Wireless Sensing, [in:] Proceedings of the 5th International Conference on Automation, Robotics and Applications, Dec 6‒8, 2011, Wellington, New Zealand. DOI: 10.1109/ICARA.2011.6144908.
  5. Lu Y., Liu Y., Li G., Song G., Liu M., Liu W., Design and application of an automatic packaging machine controller based on ATmega 128, [in:] The 2nd International Conference on Computer and Automation Engineering (ICCAE), 2010, Singapore.
  6. Shah J., Modi B., Singh R., Wireless Home Appliances Controlling System, 2014 International Conference on Electronics and Communication Systems (ICECS), Coimbatore, India. DOI: 10.1109/ECS.2014.6892520.
  7. Syamsiana I.N., Putri R.I., High voltage pulse generator design with voltage control for pulse electric field (PEF) pasteurization, [in:] International Conference on Electrical Engineering and Informatics, 17–19 July 2011, Bandung, Indonesia. DOI: 10.1109/ICEEI.2011.6021712.
  8. Croitoru B., Tulbure A., Abrudean M., Microcontroller-based multiple-platform PWM signal generation procedures for industrial use, [in:] IEEE International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics, Cluj-Napoca, Romania 2014. DOI: 10.1109/AQTR.2014.6857891.
  9. Yue C., Guo S., Li M., Shi L., Electrical System Design of a Spherical Underwater Robot (SUR-II), [in:] Proceedings of the IEEE International Conference on Information and Automation, 2013, Yinchuan, China. DOI: 10.1109/ICInfA.2013.6720479.
  10. Sieber A., Jones N., Stone B., Pyle R., Koss B., Sjoblom K., Embedded Systems in the Poseidon MK6 Rebreather, [in:] 7th Workshop on Intelligent solutions in Embedded Systems, Ancona, chapter 3, Italy 2009. DOI: 10.1007/978-94-007-0638-5_3.
  11. Zou JT., Su KL., TsoH., The modeling and implementation of tri-rotor flying robot, Springer, “Artif Life Robotics”, Vol. 17, No. 1, 2012, 86–91. DOI: 10.1007/s10015-012-0028-2.
  12. Czerwiński E., Szewc M., Wojtunik I., Awrejcewicz J., Olejnik P., Mathematical model, computer aided design and programming of a multifunctional flying object, Taylor & Francis, Aviation, Vol. 18, No. 1), 2014, 28–39. DOI: 10.3846/16487788.2014.865941.
  13. [www.atnel.pl/download/elektronika/atb_instrukcja/Instrukcja-zestawu-ATB_v102.pdf] – Documentation for the ATB1.03 testing board.
  14. Kunikowski W., Awrejcewicz J., Olejnik P., Efficiency of a PLC-based PI controller in stabilization of a rotational motion affected by the chaotic disturbances, [in:] Dynamical Systems – Applications, Eds. J. Awrejcewicz, M. Kaźmierczak, P. Olejnik, J. Mrozowski, Publishing House of Lodz University of Technology, 2013, 173‒184.
  15. Awrejcewicz J., Olejnik P., Friction pair modeling by 2-dof system: numerical and experimental investigations, “International Journal of Bifurcation and Chaos, World Scientific”, Vol. 15, No. 6, 2005, 1931‒1944. DOI: 10.1142/S021812740501306X.
  16. Awrejcewicz J., Olejnik P., Occurrence of stick-slip phenomenon, “Journal of Theoretical and Applied Mechanics”, Vol. 45, No. 1, 2007, 33–40.