Построение и программирование микропроцессорного таймера

Микропроцессорные системы 2005 Реферат РПЗ 30 с 9 рис 0 табл 2 прил. МИКРОСХЕМА, Таймер, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС, ЧАСТОТА, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, COM-ПОРТ, РАСПИСАНИЕ, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА. Объектом проектирования является разработка микроконтроллерной системы на основе AT90S8535 включения/выключения подключенных к нему электроприборов согласно заданному расписанию.

Цель работы – эскизный проект цифрового устройства ограниченной сложности. Формирование одного из выходных сигналов происходит после совпадения текущего времени и времени в соответствующем расписании, заданном пользователем. Устройство выполнено в виде одноплатного модуля, на который поступают сигналы из внешнего устройства через последовательный интерфейс. Формируемые выходные сигналы поступают от соответствующих выводов микроконтроллера (микроконтроллерной

системы). Материалы по курсовому проекту представлены в виде графической части и расчетно-пояснительной записки. Задачи, решаемые в процессе проектирования: анализ альтернативных решений задачи; выбор схемотического решения и элементной базы; расчет потребляемой мощности устройства; разработка алгоритма управления и соответствующей программы микроконтроллера. Содержание Реферат 2 Содержание 3 Введение 1. Анализ задания и

Синтез структурно-функциональной схемы устройства 1.1 Анализ требований 1.2 Синтез структурно-функциональной схемы 2.1 Блок микроконтроллера 2.2 Блок коммутационных реле 2.3 Блок питания 2. Синтез принципиальной схемы устройства 2.1 Архитектура микроконтроллера 2.2 Выбор элементной базы 12 2.3

Тактирование системы 2.4 Подключение цепей питания 2.5 Устранение помех в цепях питания 3. Расчет потребляемой мощности 4. Описание алгоритмов программы 5. Отладка Программы для микроконтроллера 6. Программирование МК 24 Заключение 27 Список использованных источников 28 Приложение 29 Введение Зачастую возникает ситуация, когда необходимо управлять некоторыми электроприборами

не с помощью оператора, а по некоторому заранее заданному расписанию в соответствии с реальным временем. Очевидным решением этой задачи является использование таймера, на основе программируемого логического микроконтроллера. Это позволяет построить систему управления включением/выключением сразу нескольких подключенных к устройству приборов, что обеспечивает большую универсальность применения этого изделия. Данную разработку можно использовать в качестве часов с будильником с возможностью задания нескольких

расписаний, а также в качестве устройства управления различными устройствами, включение и выключение которых должны осуществляться в отсутствие оператора. В область применения данной разработки входят все системы, в которых необходим автоматизированный запуск и выключение электрооборудования в заранее заданные моменты времени. Разработанную микроконтроллерную систему можно представить как состоящую из двух частей: • аппаратной

части – представляющей собой коммутацию микроконтроллера, цепи блока питания и интерфейса приёма данных от внешнего устройства, обеспечивающего задание текущего времени, а также режимов работы каждого из подключенных электроприборов. • программной части – представляющей собой программу, находящуюся в ПЗУ микроконтроллера и непосредственно выполняющую как счёт времени, так и запуск или отключение соответствующего электроприбора. Программа находится во FLASH-памяти микроконтроллера и функция изменения её пользователем

не предусмотрена. 1. Анализ задания и Синтез структурно-функциональной схемы устройства 1.1 Анализ требований Согласно техническому заданию, необходимо разработать микроконтроллерную систему (таймер), осуществляющую включение и выключение подключенных к ней электроприборов согласно заданному пользователем расписанию. Загрузку расписаний необходимо осуществлять по последовательному каналу в формате ММ-ДД-ЧЧ-мм. Максимальное количество приборов, которые можно подключить, ограничено техническим заданием

десятью. Анализ требований к функциональности системы показывает, что разрабатываемая система представляет собой аппаратно-программный модуль, который является печатной платой, на которой находится микроконтроллер Atmel AT90S8535, осуществляющий счёт времени, сверку с ним загруженных расписаний и выдачу управляющих сигналов на реле включения/выключения соответствующего прибора. Программа микроконтроллера осуществляет обработку сигналов прерывания от таймера, вычисляя текущую

дату и время в формате пригодном для сравнения с загруженным пользователем расписанием. При совпадении одного из загруженных расписаний с текущим временем осуществляется выдача соответствующего управляющего сигнала на один из выводов микроконтроллерной системы. Пользователю предоставлены следующие функции: • Корректировка даты 31->1. Это вызвано тем, что таймер считает, что каждый месяц содержит 31 день, поэтому, если в каком-либо месяце

текущее число - 31-е, вместо 1-го, есть возможность простой командой это исправить. • Установка даты-времени. Позволяет установить текущую дату и время. • Установка расписаний. Позволяет для конкретного прибора установить дату и время его включения и выключения. Основной режим работы микроконтроллера заключается в подсчете времени и сверки его с каждым заданным расписанием. Прерывание от таймера происходит каждую секунду, а от

UART - при выборе пользователем одного из функций настройки устройства и подаче соответствующего сигнала через последовательный интерфейс. Таким образом, при подаче на разработанное микроконтроллерное устройство питания, включается таймер и начинается счёт реального времени. Пользователю предоставляется возможность, выбрав соответствующий режим, установить или скорректировать текущую дату-время или задать расписание работы какого-либо прибора.

1.2 Синтез структурно-функциональной схемы На рис. 1 приведена общая структурная схема функционирования программируемого логического микроконтроллера. Рис. 1 Структурная схема программируемого логического микроконтроллера Из рисунка 1 видно, что управление непосредственно включением и выключением электроприборов осуществляется через реле. Это позволяет осуществить управление электроприборами с питанием 220

В. 1.2.1 Блок микроконтроллера Данный блок представлен микроконтроллером Atmel AT90S8535, на вход РD0(RXD) которого поступают внешние управляющие сигналы от согласующего устройства, посредством которых задаётся режим работы микроконтроллера и устанавливается время и расписания. Также на микроконтроллер поступает питающее напряжение от блока питания. При совпадении текущего времени и одного из времен в одном из заданных расписаний микроконтроллер выдаёт

сигнал высокого (для включения электроприбора, при совпадении текущего времени с временем включения данного прибора в расписании) или низкого (для выключения электроприбора, при совпадении текущего времени с временем выключения данного прибора в расписании) уровня с соответствующего бита порта (PA0 PA7 для приборов с 1-го по 8-й соответственно и PB0, PB1 для 9-го и 10-го приборов соответственно). После подачи пользователем сигнала выбора режима работы

микроконтроллера на последовательный интерфейс, микроконтроллер переходит в режим ожидания ввода остальных данных соответствующих данному режиму (для режимов установки времени и установки расписания) или непосредственно выполняет подпрограмму для данного режима (режим коррекции времени). При выборе пользователем режима коррекции времени (путем подачи на UART двоичного кода 0000 0001), микроконтроллер осуществляет увеличение текущего числа на единицу, при

необходимости с соответствующим изменением текущего месяца, и возвращается в обычный режим работы. При выборе режима установки времени (путем подачи на UART двоичного кода 0000 0010), микроконтроллер переходит в режим ожидания ввода нового значения месяца. После ввода, это значение становится текущим, а микроконтроллер ожидает ввода дня. Когда будет принято и установлено значение минут, система переходит в обычный режим работы.

При выборе режима установки расписания (путем подачи на UART двоичного кода 0000 0011), микроконтроллер ожидает ввода номера прибора, для которого будет задаваться расписание. После выбора прибора пользователь должен ввести дату и время включения выбранного прибора в формате ММ-ДД-ЧЧ-мм, а затем дату и время выключения данного прибора в том же формате. После ввода система переходит в обычный режим работы.

1.2.2 Блок коммутационных реле Блок коммутационных реле осуществляет сообщение портов МК и подключенных к нему электроприборов с целью обеспечить при необходимости подачу на прибор питания 220 В, 50 Гц. При совпадении текущего времени с одним из расписаний, с одного из выводов микроконтроллера поступает сигнал на реле, соответствующее прибору, для которого сработало расписание. При поступлении сигнала, реле замыкает (для единичного сигнала включения прибора) или размыкает (для

нулевого сигнала выключения прибора) цепь питания электроприбора в соответствии с типом сработавшего расписания. 1.2.3 Блок питания Данный блок представлен электротехническим устройством, осуществляющим преобразование входного переменного напряжения 220 В в постоянное напряжение 5 В, необходимое для питания входящих в состав системы микросхем. Также в этом блоке содержится устройство бесперебойного питания, позволяющее подключить резервную аккумуляторную

батарею, в случае отключения основного питания, для поддержания работы таймера. Но, очевидно, включенные приборы заработают только при подаче основного напряжения. 2. Синтез принципиальной схемы устройства 2.1 Архитектура микроконтроллера Основным узлом данного устройства является микроконтроллер AT90S8535 фирмы Atmel. Графическое обозначение микроконтроллера приведено на рис 2.

AT90S8535 является маломощным, высокопроизводительным 8-ми разрядным микроконтроллером, изготовленным по технологии КМОП на основе AVR RISC архитектуры. МК спроектирован по новейшей технологии Atmel с высокой плотностью интеграции, а также удобной системой команд и набором выводов. В состав однокристального МК AT90S8535 входит: - внутреннее ЗУ SRAM объемом 512 байт; -

32 программируемых линий ввода/вывода; - два 8-разрядных и один 16-разрядный таймер-счетчик; - канал последовательного ввода/вывода; - часы реального времени; - 8Кб программируемая Flash память (до 1000 циклов перезаписи); А также множество других полезных схем. Наряду с высоким быстродействием, микроконтроллер имеет встроенную энергонезависимую память EEPROM. Структурная схема микроконтроллера приведена на рис.

3 Все 4 порта являются двунаправленными. Один из 8–разрядных счётчиков позволяет организовать часы реального времени. EEPROM – энергонезависимая память, в которой будут хранится расписания. UART – последовательный интерфейс, что позволяет передавать сигналы на МК через COM-порт (RS-232). Таким образом, выбранный микроконтроллер обеспечивает весь набор ресурсов, необходимых для работы системы. А дополнительные возможности (Flash память), предоставляемые микроконтроллерами

семейства Atmel, будут использоваться для хранения кода исполнительной программы (программной части микроконтроллерной системы). Для нормального функционирования системы задействованы 2 порта ввода/вывода микроконтроллера, плюс специальная функция порта D (обмен данных с UART). РA и РB задействованы для реализации выдачи сигналов управления электроприборами на соответствующие реле. 2.2 Выбор элементной базы Для согласования уровней напряжений между

COM-портом и микроконтроллером использовалась микросхема MAXIM MAX233, предназначенная специально для такого согласования и имеющая встроенные средства для такого преобразования уровней. Работая от стандартного напряжения 5 В, она преобразует его в +14/-14 В, необходимые интерфейсу RS-232. MAX233 – универсальный приемопередатчик, предназначенный для сопряжения микропроцессорных элементов,

для работы которых требуется напряжение 5 В и устройств с протоколом, имеющим опорное напряжение +14/-14 В. Для питания этой микросхемы необходимы те же 5 В, от которых питается микроконтроллер AT90S8535, что во многом обусловило наш выбор именно этого прибора. Его мощность составляет 890 мВт. Типовая схема его включения показана на рисунке 4. Микросхема имеет несколько каналов согласования, но нам необходим только один.

Этим обусловлены дополнительные перемычки выводов схемы. Выводы R1Out и R1In соответственно выход и вход информационного сигнала, для которого осуществляется согласование уровней. Для других участков схемы при выборе элементов использовались такие критерии как достаточное быстродействие, низкая потребляемая мощность. В реле управления электроприборами использованы транзисторы

КТ315, обладающие подходящей нагрузочной способностью по сравнению с другими сериями. К световым диодам особых требований не предъявлялось, поэтому были применены диоды АЛ307 (для индикации состояния каждого прибора (включен/выключен)). В качестве источника резервного питания использованы 3 гальванические батареи напряжением по 1,5 В. Также в блоке питания присутствует стабилизатор напряжения

L7805 для сглаживания импульсов напряжения после диодного мостика, выбор которого обуславливается высокой точностью и качеством стабилизации (сглаживания), а также низкой потребляемой мощностью и отсутствием необходимости в каких-либо дополнительных электро-радио элементах, кроме сглаживающих конденсаторов. Схема его включения показана на рисунке 5. Последние две цифры обозначения показывают выходное напряжение прибора (5 В). В реле были использованы тиристоры КУ208Г.

Это кремниевые тиристоры структуры p-n-p-n, предназначенные для работы в качестве переключающих элементов средней мощности для коммутации цепей силовой электроники на переменном токе. Приборы обладают достаточным быстродействием (время включения не более 10 мс), низким сопротивлением в открытом состоянии по сравнению с другими подобными элементами. 2.3 Тактирование системы Существует несколько способов задания тактовой частоты микроконтроллера

AT90S8535, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Можно например использовать кварцевый резонатор или подавать тактовые импульсы от внешнего генератора. В данном курсовом проекте использован кварцевый резонатор. Этот способ позволяет очень точно задать тактовую частоту микроконтроллера (разброс частот обычно составляет не более 0.01%). Номиналы емкостей конденсаторов в данной схеме определяются производителем микроконтроллера

для конкретной резонансной частоты кварца. Для проектируемого устройства был использован кварц – 4 МГц, и емкости конденсаторов – 0,1 мкФ, что является приемлемым для используемого типа микроконтроллера. Другие способы синхронизации – использование RC-генератора. Это самый дешевый способ задания частоты, но наименее точный. И еще один способ – подача тактовых импульсов от внешнего генератора.

При помощи внешнего тактового генератора можно задать любую частоту синхронизации. В целом работа проектируемого устройства зависит не столько от тактовой частоты работы микропроцессора, сколько от частоты работы счетчика, организованного в качестве часов реального времени, с помощью подключения кварцевого резонатора частотой 32.768 КГц. Это частота рекомендована производителем микроконтроллера для организации на данном счётчике часов реального времени.

2.4 Подключение цепей питания AT90S8535 имеет три источника сброса: - сброс по включению питания. Процессор сбрасывается при подаче питания на выводы VCC и GND; - внешний сброс. Процессор сбрасывается при подаче низкого уровня на вывод RESET на время более двух периодов тактовой частоты; - сброс от сторожевого таймера. Специальная схема, встроенная в микроконтроллер цепь сброса по включению питания, обеспечивает запрет

включения процессора до тех пор, пока напряжение питания не достигнет безопасного уровня. Внешний сброс обрабатывается по низкому уровню на выводе. После снятия сигнала 0 с вывода RESET микроконтроллер запускается через некоторое время, как и в случае подачи питания. 2.5 Устранение помех в цепях питания Для уменьшения наводок и скачков напряжений, связанных как с переходными процессами в шинах питания

и земли, так и с работой диодного мостика применены 4 сглаживающих конденсатора различной ёмкости, а также стабилизатор напряжения, сглаживающий импульсы, для обеспечения более стабильного питания микроконтроллерной системы. Конденсаторы подключаются между шинами питания и земли и устанавливаются в непосредственной близости от обслуживаемых корпусов. Для предотвращения сгорания электроприборов или компонентов блока питания вследствие чрезмерного увеличения тока в высоковольтной магистрали применены два плавких предохранителя:

один в цепи питания приборов (на 5А), и второй в цепи блока питания (на 1А).