Курсовой проект "Разработка микроконтроллерной системы накопления данных"
Автор: student | Категория: Технические науки / Информатика и программирование | Просмотров: 4664 | Комментирии: 0 | 01-06-2013 11:18

 

 

 

В данном курсовом проекте выполнена разработка микроконтроллерная системы накопления данных, поступающих с датчиков. Разработана электрическая принципиальная схема МПС. Разработана программа управления на ассемблере.

 

 

 

 


Содержание

 


Введение. 5

1 Обзор литературы и поиск аналогов. 7

2 Анализ технического задания. 10

3 Разработка структурной и функциональной схем и их описание. 13

3.3 Пульт управления. 14

4. Разработка карты распределения адресов. 18

5. Выбор элементарной базы и разработка схемы электрической принципиальной. 19

6. Разработка карты памяти адресов. 41


Введение

 
   

 


В настоящее время микропроцессорные системы получили очень широкое распространение во многих сферах: в науке, в промышленности, в хозяйстве, в быту. В науке микропроцессорные системы (МПС) используют для выполнения сложных трудоёмких расчётов. Также МПС широко используют для построения различных датчиков, систем мониторинга. В промышленности микропроцессоры используются в различных станках с автоматическим, программным или частично-программным управлением, в системах слежения и автоматического управления (система управления выпечкой хлеба, система управления сушкой древесины). МПС находят широкое применение в бытовых устройствах (аудио-видео технике, стиральных машинах и т.д.).

Основное назначение однокристальных микроконтроллеров – реализация цифровых алгоритмов управления. Функционирование микроконтроллера в системе управления заключается в том, что он, получая информацию от объекта управления о его состоянии, обрабатывает ее в соответствии с заложенным в память программ алгоритмом и выдает управляющие воздействия на исполнительные устройства. Взаимодействие микроконтроллера с датчиками и исполнительными устройствами определяется соответствующими протоколами обмена, учитывающими особенности функционирования системы в целом и требования программно-аппаратной и схемотехнической совместимости с другими устройствами и системами.

Использование МК в оборудовании позволяет повысить производительность, качество, помогает решать сложные проблемы программного регулирования, существенно улучшает технико-экономические характеристики автоматизированного оборудования, повышает его «интеллект».

Данный курсовой проект нацелен на разработку микроконтроллерной системы накопления данных. При выполнении разработки МПС в первую очередь необходимо разработать структурную схему МПС, определив необходимые структурные модули и связи между ними. Далее производится выбор конкретной элементной базы, и на основе структурной схемы разрабатывается принципиальная электрическая схема МПС.

После разработки принципиальной схемы выполняется проверка согласования элементов по электрическим параметрам. Разработка аппаратной части МПС завершается расчетом потребляемой мощности.

Вторым этапом разработки МПС является разработка управляющей программы. В данном курсовом проекте на этом этапе выполняется разработка алгоритма управления, на основе которого затем составляется программа на ассемблер.

 

 

1 Обзор литературы и поиск аналогов

 
   

 


При изучении вопроса поставленного в техническом задании была проведена работа с литературой, в ходе которой были рассмотрены современные схемотехнические и программные решения, различные вариации модулей МПС и получены теоретические сведения по различным системам накопления данных.

1.1 Кузьминов А.Ю. – Интерфейс RS232. Связь между компьютером и

микроконтроллером.

В данной книге изложены принципы обмена информацией между компьютерами и 51-совместимыми микроконтроллерами по интерфейсу RS232, представлены многочисленные примеры аппаратных средств на современной элементной базе и программного обеспечения обмена по RS232. Наряду со справочными данными, касающимися инициализации интерфейса и команд ввода/вывода, приведен предложенный автором алгоритм (протокол) обмена, позволяющий передавать и принимать информацию компьютером и микроконтроллером со скоростью 115200 бод с высокой надежностью. Программы для компьютера написаны на ассемблере, Бейсике и Кларионе, а для микроконтроллеров — на ассемблере и СИ. Рассмотрены схемные решения и программное обеспечение программирования современных микроконтроллеров — систем на кристалле (ADUC8XX и MSC1210YX и др.), обладающих возможностью программирования в системе, по интерфейсу RS232. Описаны примеры использования RS232 в системах сбора и обработки информации с датчиков, а также в программаторах микроконтроллеров.

Книга может быть полезна как для опытных разработчиков компьютерных и автономных систем сбора и обработки информации, в составе которых используются микроконтроллеры, так и для начинающих специалистов в этой области; студентам вузов соответствующих специальностей. Так же в книге представлена схема включения полупроводникового датчика ADT45, которая и была взята за основу. Кроме того были рассмотрены варианты нормирования сигналов с датчика и сопряжения его с АЦП. Также в книге рассматриваются мостовые и усилительные схемы для измерительных устройств.

В данной книге есть раздел, в котором есть описание удаленной системы сбора и обработки информации, поступающей с датчиков аналоговых, частотных и дискретных сигналов на базе IBM-совместимого компьютера и MSC-51-совместимого микроконтроллера

 
   

 


1.2 http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/adc/adc_6.htm - статья «Системы сбора данных и микроконверторы».

Представлено описание построения МПС сбора, передачи и обработки данных. В статье также приведены характерные примеры систем сбора данных и краткий обзор класса микроконверторов.

Характерным примером системы сбора данных является микросхема AD7581 (отечественный аналог - 572ПВ4), содержащая 8-входовый аналоговый мультиплексор, 8-разрядный АЦП последовательного приближения, и запоминающее устройство FIFO с организацией 8х8 бит. Другой пример - микросхема AD1В60, включающая 8-входовый аналоговый мультиплексор, измерительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления от 1 до 128, 16-разрядный АЦП на основе интегрирующего ПНЧ, ИОН, микропроцессор, ОЗУ режима и ПЗУ конфигурации. Одной из наиболее развитых является система сбора данных LM12458, которая содержит 8-входовый аналоговый мультиплексор, УВХ, 13-разрядный АЦП последовательного приближения, память типа FIFO с организацией 32х16 бит, ОЗУ команд и 16-битный цифровой таймер.

1.3 Статья «Автоматизированная система управления объектом «Восток»».

Система сбора и обработки информации строится на базе персональных компьютеров, объединенных в сеть по топологической схеме «клиент-сервер». Как правило, группа компьютеров, составляющих сервер-группу, имеют по два сетевых адаптера, образуя тем самым, два сегмента локальной сети. В первый сегмент включены промышленные контроллеры РРС, обеспечивающие аппаратную интеграцию комплекса «ВОСТОК». Второй сегмент образуют персональные компьютеры на рабочих местах пользователей системы «ВОСТОК».

Программное обеспечение сервер-группы включает в себя операционную систему типа UNIX, СУБД Oracle 8i и набор программного обеспечения, необходимого для функционирования требуемых функций комплекса. В первую очередь это драйверы соответствующего оборудования, а также дополнительное программное обеспечение для работы с базой данных (такие как «Бюро пропусков»).

 
   

 


Автоматизированные рабочие места пользователей системы представляют собой персональные компьютеры с сетевым адаптером с программой-загрузчиком. В самом общем случае АРМы являются безоперационными (бездисковыми) терминалами, работающими в сети, что полностью исключает ошибки программ и так называемые «зависания» системы как в случае обычных персональных компьютеров.


2 Анализ технического задания

 
   

 


В соответствии с техническим заданием на данный проект необходимо разработать микроконтроллерной системы накопления данных, система предназначена для оцифровки аналоговых сигналов и записи результата на ЖМД. Микроконтроллерная система должна обладать следующими параметрами:

1)     число каналов в системе: 7

2)     диапазон изменения аналового сигнала: ±1.5В

3)     погрешность оцифровки аналового сигнала ≤ 0.75%;

4)     тип индикатора: АЛС324Б. Четыре разряда;

5)     Модуль памяти объемом 2k * 8 (ОЗУ: КР132РУ2А, ПЗУ: К573РФ42);

При выполнении разработки МК в первую очередь необходимо разработать структурную схему МК, определив необходимые структурные модули и связи между ними. Далее производится выбор конкретной элементной базы, и на основе структурной схемы разрабатывается принципиальная электрическая схема МК.

После разработки принципиальной схемы выполняется проверка согласования элементов по электрическим параметрам. Вторым этапом разработки МПС является разработка управляющей программы

Программное обеспечение МПС необходимо для инициализации устройства, формирования необходимых временных интервалов, управления процессом оцифровки и записи оцифрованных данных в буфер последовательного порта.

Общую задачу, возлагаемую на МПС, можно разделить на несколько подзадач:

  • сбор информации;
  • сохранение собранной информации для последующей обработки на  IBM PC.

Сбор информации.

Сигналы датчиков подаются в МПС в виде напряжения. Сбор информации с датчиков осуществляется в течении фиксированного времени – через каждые 2 секунды, т.к. в течении 60 минут 2К памяти должны заполнится информацией т.е. 3600/2=1800<2048.

Запись информации.

 
   

 


Информация, поступающая с датчиков, оцифровывается. Оцифрованная информация должна сохранятся в энергонезависимой памяти – ЖМД. Обычно система сбора аналоговой информации состоит из двух основных компонентов:

  • система датчиков;
  • МПС.

Общее число датчиков равно 7, датчики должны подключаться к МПС через цепь устройств: датчик – усилитель –коммутатор – АЦП.

Согласно ТЗ амплитуда сигнала после усиления может изменяться от – 1,5 В до +1,5. В. Погрешность оцифровки аналогового сигнала ≤ 0,75%. Коммутатор необходим для выбора датчика, с которого в текущий момент происходит съем (сбор) информации. Коммутатор должен быть восьми канальным.

Техническое задание рекомендует использовать для микропроцессорного блока однокристальные микро-ЭВМ серии MCS-51. Организация однокристальных микро-ЭВМ ориентирована на применение встраиваемых в изделие управляющих микропроцессорных систем реального времени, рабочая программа которых расположена в ПЗУ системы. Обработка, полученной с датчиков информации будет производиться на  IBM PC. Для связи с компьютером необходимо использовать последовательный интерфейс RS-232. Так как разрабатываемое устройство должно работать в автономном режиме (без ПК), а компьютер будет подключаться для считывания оцифрованных данных с буфера последовательного порта по мере их накопления, то для управления и контроля системой в состав МПС входят блок клавишного пульта и блок индикации. На индикаторы предполагается выводить время, прошедшее с момента последнего цикла опроса датчиков, а клавишный пульт позволит оперативно корректировать работу МПС.

В состав блока управления входят две управляющие клавиши «Пуск» и «Сброс». Кнопка «Сброс» позволяет вернуть систему в исходное состояние (в случае зависания). Работа основной программы (измерение параметров и их вывод на ССИ) вызывается переходом, который поступлении единичного сигнала от кнопки «Пуск», которая нажимается пользователем устройства при необходимости измерить параметры входного сигнала.

 
   

 


Необходимо организовать динамический способ отображения информации на индикаторе. Динамический способ основан на том, что любой индикатор является инерционным прибором, а человеческому глазу отображаемая на дисплей информация представляется неизменной, если её обновлять с частотой не менее 50 Гц (каждые 20 мс). Динамический способ вывода информации на дисплей требует значительно меньших аппаратных затрат, чем статический, но более сложную логику управления.

Сигналы с датчиков подаются в виде напряжения. Сбор информации осуществляется через фиксированные интервалы времени.

Обработка аналоговой информации, поступающей с датчиков, возможна только после ее приведения к цифровому виду. Данную задачу решает аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Сигнал, снимаемый с датчиков, является двухполярным, поэтому АЦП также должен иметь двухполярный вход. Однако прежде, чем оцифровывать информацию, ее необходимо предварительно усилить до требуемого уровня, который зависит от используемого АЦП. При этом одна из важнейших проблем, возникающая при обработке полученных данных – учет стабильности коэффициента усиления аналогового канала  в заданном частотном диапазоне.

Согласно ТЗ для организации канала связи разрабатываемой системы с персональным компьютером необходимо использовать последовательный интерфейс RS-232, так как данный интерфейс аппаратно реализован в подавляющем большинстве современных однокристальных микроконтроллеров. Микроконтроллеры семейства МК-51 поддерживает работу с последовательным интерфейсом на скорости обмена данными до 115200 бит/с, которой вполне достаточно для решаемой задачи.

 

3 Разработка структурной и функциональной схем и их описание

 
   

 


На основании сделанного анализа пунктов технического задания на курсовой проект в состав аппаратных средств микроконтроллерной системы накопления данных входят следующие компоненты:

  • 4-разрядный индикатор на базе ССИ (микросхема АЛС324Б);
  • модуль памяти;
  • подсистема аналогового ввода данных с датчиков;
  • микроконтроллер семейства MCS – 51, например AT89C51;
  • пульт управления.

 

3.1 Четырёхразрядный индикатор.

Для отображения времени работы МПС будет использоваться 4-разрядный индикатор на базе ССИ. Принцип управления индикатором  - динамический.

На рисунке 1 показана структура блока индикации.

 

Рисунок 1. Структурная схема блока индикации.

 

3.2 Подсистема аналогового ввода данных с датчиков.

Значение с датчика с помощью АЦП будет преобразовываться в цифровой код и поступать в микропроцессор. Структурная схема блока ввода и оцифровки представлена на следующем рисунке:

 

Рисунок 2. Структурная схема блока ввода и оцифровки данных.

 
   

 


3.3 Пульт управления.

Пульт управления будет включать в себя  две кнопки:

- кнопка «Сброс»;

- кнопка «Пуск».

Кнопка «Сброс» предназначена для установки МП в начальное состояние.

Кнопка «Пуск» предназначена для формирования команды ОЭВМ о начале процесса управления изменением температуры по заданному закону.

 

Рисунок 3. Структурная схема пульта управления.

 

Общая структурная схема, разрабатываемой МПС приведена на рисунке 4.

 

 
   

 


Рисунок 4. Структурная схема, разрабатываемой МПС.

Д1..Д7 – датчики;

АК – аналоговый коммутатор (К590КН6)

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

Сброс – кнопка сброса;

МК – микроконтроллер;

RG – буферный регистр;

ША – шина адреса;

ШД – шина данных.

Устройством сопряжения для ввода в МПС аналогового сигнала является блок ввода и оцифровки. В его состав входят:

  • источник аналогового сигнала — датчик;
  • усилитель входного аналогового сигнала, преобразующий уровни исходного аналогового сигнала, поступающего с датчика, в уровни, необходимые для нормальной работы АЦП;
  • аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выполняющий преобразование входного аналогового сигнала в цифровую форму;

Для управления МПС будут использоваться 2 кнопки: «сброс» и «измерение». Сигнал от кнопки сброса подается на вход МК – RST, сигнал от кнопки «Пуск» - МК порт P3.0, P3.1.

 
   

 


В данном устройстве используются внутренняя память программ и данных и внешние микросхемы памяти ОЗУ и ПЗУ. Для того чтобы сообщить микроконтроллеру о включении внутренней памяти программ, необходимо на вход ЕА подать уровень логической единицы. При обращении к внешней памяти программ будет формироваться сигнал разрешения внешней памяти программ PSEN (активный уровень низкий), который выполняет функцию сигнала чтения при обращении к ПЗУ.

Микроконтроллер AT89C51 имеет совмещенную шину адреса и данных. Поэтому для выделения младшего байта адреса необходимо использовать внешний регистр, запись информации в который будет происходить по стробу адреса внешней памяти ALE.

Для обслуживания прерываний в микроконтроллере имеется два входа на запрос прерывания INT0 и INT1.

Для связи разрабатываемой МПС с внешними устройствами возможно применение отдельных регистров с соответствующими дешифраторами адресов.

Таблица 1:

Порт

Контакты

Назначение

P0

P0.0 – P0.7

Младший полуадес шины адреса/Шина данных

P1

P1.0 – P1.7

Сигналы к блоку ССИ

P2

P2.0 – P2.7

Старший полуадрес шины адреса

P3

P3.0 – P3.1

Сигналы к преобразователю уровней

P3

P3.2 (Int0)

Сигнал от АЦП (готовность данных)

P3

P3.3

Сигнал гашения/преобразования к АЦП

P3

P3.4 – Р3.5

Сигнал от кнопки «Пуск»

P3

P3.6

Вывод сигнала WR МК

P3

P3.7

Вывод сигнала RD МК

 

Функциональная схема представлена в Приложении А.


4. Разработка карты распределения адресов

Размещение ОЗУ и ПЗУ в МК-51.

Карта памяти для ОЗУ: 

 

ОЗУ

А15

А14

А13

А12

А11

А10

ОЗУ 0

0

0

0

0

0

0

ОЗУ 1

0

0

0

0

0

1

 

Карта памяти для ПЗУ:

 

    

ПЗУ

А15

А14

А13

А12

А11

ПЗУ 0

1

0

0

0

0

 

5. Выбор элементной базы и разработка схемы электрической принципиальной.

Разрабатываемая МПС содержит следующие аппаратные средства:

        1. Модуль центрального процессора (ЦП)

        2. Модуль ввода аналоговых сигналов

        3. Модуль ОЗУ и ПЗУ

Важнейшей частью  разрабатываемой МПС является микропроцессорный блок на базе микроконтроллера МК-51. В состав этого блока входят следующие элементы:

 
   

 


- Микроконтроллер AT89C51, совместимый с МК-51;

- Регистр защелка К555ИР22;

- Кнопка  «Пуск»;

- Кнопка «Сброс».

Основные характеристики микроконтроллера  АТ89С51:

- восьмиразрядный ЦП, оптимизированный для реализации функций управления;

- встроенный тактовый генератор;

- адресное пространство памяти программ - 64 К;

- адресное пространство памяти данных - 64 К;

- внутренняя  память программ - 4КБ (FLASH-память);

- внутренняя память данных - 128 байт;

- дополнительные возможности по выполнению операций булевой алгебры (побитовые операции);

- 32 двунаправленные и индивидуально адресуемые линии ввода/вывода;

-2 шестнадцатиразрядных многофункциональных таймера/счетчика;

- полнодуплексный асинхронный приемопередатчик;

- векторная система прерываний с двумя уровнями приоритета и шестью источниками событий.

Условное графическое обозначение и расположение выводов микросхемы AT89C51 показаны на рисунке 5.

 

 
   

 


Рис. 5.  Условное графическое обозначение и назначение

выводов микросхемы AT89C51

Назначение выводов микросхемы AT89C51:

GND - потенциал общего провода («земли»);

Vсс - основное напряжение питания +5В;

XTAL1, ХTAL2 - выводы для подключения кварцевого резонатора;

RST - вход общего сброса микро-ЭВМ;

PSEN - разрешение внешней памяти программ; выдается только при обращении к ПЗУ;

ALE - строб адреса внешней памяти;

ЕА - отключение внутренней программной памяти;

Через порт 0 (в мультиплексном режиме) выводится младший байт адреса, а также выдается и принимается в микроконтроллер байт данных при работе с внешней памятью программ/данных. Задаются данные при программировании внутренней памяти программ и читается ее содержимое;

Через порт 2 выводится байт старший байт адреса внешней памяти программ и данных, а также задаются старшие разряды адреса при программировании и верификации УФРПЗУ;

Порт 1 предназначен для задания младшего байта адреса при программировании и проверке ПЗУ микросхемы.

Порт 3 имеет следующие альтернативные функции:

Р3.7 - строб чтения из внешней памяти данных (Read Data for External Memory);

P3.6 - строб записи во внешнюю память данных (Write Data for External Memory,  )

P3.5 - внешний вход T/C1 (Timer/Counter 1 External Input, T1);

P3.4 - внешний вход T/C0 (Timer/Counter 0 External Input, T0);

P3.3 - вход внешнего прерывания 1 (External Interrupt 1 Input Pin,  );

P3.2 - вход внешнего прерывания 0 (External Interrupt 0 Input Pin,  );

P3.1 - выход данных передатчика последовательного порта (Serial Port Transmit Pin, TxD);

P3.0 - вход данных передатчика последовательного порта (Serial Port Receive Pin, RxD).

Каждый порт является фиксатором - защелкой и может адресоваться как побайтно, так и побитно.

 
   

 


Для работы МП необходимо наличие в составе МПС генератора тактовых сигналов, вырабатывающего тактовые импульсы для синхронизации работы МП и других компонентов МПС. В ОЭВМ MCS-51 имеется встроенный генератор тактовых импульсов. Частота внутреннего ГТИ определяется кварцевым резонатором, подключаемым к выводам ХTAL1 и ХTAL2. Выбираем кварцевый резонатор с частотой fBQ=12 МГц.

Для реализации регистра – защёлки выбираем выполненный по биполярной технологии буферный регистр с потенциальным управлением КР555ИР22, условное графическое обозначение см. рис. 6. Основой микросхемы является 8-разрядный регистр-защелка со статическим синхронным входом «С». Запись данных в регистр разрешена при С=1. В противном случае регистр находится  в режиме хранения. На выходе регистра имеется буфер с тремя состояниями, управляемый сигналом OE# (Output Enable). Если управляющий сигнал OE# активен, то данные  регистра передаются на выход микросхемы. При OE#=1 выходной буфер закрыт и находится в состоянии с большим сопротивлением. Буфер обеспечивает  выходной ток до 0,026А и емкость нагрузки до 300пФ.

 

Рис. 6. Условное графическое изображение МС КР555ИР22.

Электрические характеристики микросхемы:

 
   

 


Разрядность информационного слова …………………………….8

Мин. выходное напр. высокого уровня, В ……………………….2.4

Макс. выходное напр. низкого уровня, мВ………………………500

Макс. входной ток высокого уровня, мкА ………………………..20

Макс. входной ток низкого уровня, мкА………………………….400

Макс. ток потребления, мА …………………………………………40

Макс. время задержки включения, нс……………………………..47

Макс. время задержки выключения, нс……………………………36

Напр. источника питания, В…………………………………………..5

Допуст. отклон. напр. источника питания, %………………………5

ПРЕДЕЛЬНО-ДОПУСТИМЫЕ РЕЖИМЫ :

 Макс. выходной ток высокого уровня, мА……………………….2.6

 Макс. выходной ток низкого уровня, мА………………………….12

 Макс. тактовая частота, МГц……………………………………….35

 Т+min max °C :………………………………………………….-10 +70

 Наработка на отказ, т.ч. :……………………………………………50 .

Кнопка «Сброс» (RST)   реализована с помощью супервизора MCP1316 (рис.7)

 

Рис. 7. Супервизор MCP1316.

 

Рис. 8. Схема подключения к МК и характеристики супервизора.

 

К супервизору подключена кнопка P9-1B. Данная кнопка без фиксации OFF-(ON). Условное изображение приведено на рисунке 8.

 

Рис.9. Кнопка P9-1B.

 

Кнопку «Пуск» надо сделать на основе микросхемы К555ТМ2  для подавления дребезга  (рисунок 10).

 

 
   

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 10. Микросхема К555ТМ2 .

Микросхема К555ТМ2 (рис. 16) содержит два D-триггера. Триггер D-типа имеет вместо входов J и К один вход D. По входам R и S .D-триггер работает так же, как и JK-триггер. Если на входе D лог. 0, по спаду импульса отрицательной полярности на входе С триггер устанавливается в нулевое состояние, при лог. 1 на входе D по спаду импульса отрицательной полярности на входе С триггер устанавливается в единичное состояние. Для получения режима счетного триггера вход D соединяют с инверсным выходом триггера, в этом случае триггер меняет свое состояние на противоположное по спадам входных импульсов отрицательной полярности.

Предельная частота функционирования триггера  К555ТМ2 - 25 МГц. У микросхемы КР531ТМ2  следующие параметры:

Электрические характеристики микросхемы :

Напр. источника питания, В……………………………………5

Допуст. отклон. напр. источника питания, %………………. 5

Мин. выходное напр. высокого уровня, В………………….2.7

Макс. выходное напр. низкого уровня, мВ………………..500

Макс. входной ток высокого уровня, мкА………………….60

Макс. входной ток низкого уровня, мА…………………….1.2

Макс. ток потребления, мА……………………………………8

Макс. время задержки включения, нс………………………40

Макс. время задержки выключения, нс…………………….25

Предельно-допустимые режимы:

Макс. выходной ток высокого уровня, мкА………………400

Макс. выходной ток низкого уровня, мА…………………….8

Т+min max °C :……………………………………………-10 +70

Наработка на отказ, т.ч. :…………………………………….50

 

Вывод информации о времени работы МПС выводится на ССИ. ССИ в данном проекте будет на микросхеме АЛC324Б.

Технические параметры АЛC324Б.

Материал

GaAsP/GaP

Цвет свечения

красный

Длина волны, нм

650

Минимальная сила света Iv мин., мКд

0,2

При токе Iпр., мA

5

Количество сегментов

7

Количество разрядов

1

Схема включения

Общ. катод

Высота знака, мм

2,5

Максимальное прямое напряжение, B

2

Максимальное обратное напряжение, B

5

Максимальный прямой ток, мA

64

Максимальный импульсный прямой ток, мA

40

Рабочая температура, С

-60…70

 

Рис.11 – Семисегментный индикатор.

 

Рис.12 - Семисегментные индикаторы с общими катодами

 
   

 


Операционный усилитель К140УД18

Операционный усилитель – усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

 

Рис.15. Условное изображение усилителя К140УД18

Номиналы R2=R5=R8=R11=R14=R17=R20= 20 кОм

R4=R7= R10=R13=R16= R19=R22= 10 кОм

Кус = 20кОм/10кОм+1=3

R3= R6=R9=R12=R15=R18= R21= (10кОм*20кОм)/(10кОм+20кОм)= 7кОм

 

 
   

 


Микросхема К590КН6.

 
   

 

 

 

 


Рис.16 – Условное графическое обозначение К590КН6

 Аналоговый мультиплексор 8 линий в одну.

 Назначение выводов:

 I0-I7 - аналоговые входы (выходы).

 Out -   аналоговый выход (вход).

 A,B,C - адрес (выбор соединения).

 En - разрешение: En=L - выход изолирован от входов; En=H - выход соединен с адресуемым входом.

 E+ положительное напряжение питания (+15 в).

 E- отрицательное напряжение питания (-15 в).

 Gnd- общий вывод (цифровая земля).

АЦП К1113ПВ1

 
   

 


Условное графическое обозначение

 

Назначение выводов: 
1 - девятый разряд; 
2 - восьмой разряд; 
3 - седьмой разряд; 
4 - шестой разряд; 
5 - пятый разряд; 
6 - четвертый разряд; 
7 - третий разряд; 
8 - второй разряд; 
9 - первый разряд; 
10 - напряжение питания Uп1
11 - гашение и преобразование; 
12 - напряжение питания -Uп2
13 - вход аналоговый; 
14 - аналоговая "земля"; 
15 - управление сдвигом нуля; 
16 - цифровая "земля"; 
17 - готовность данных; 
18 - десятый разряд (младший);

Электрические параметры
 
 

Номинальное напряжение питания 
    Uп1
    Uп2


5 В  5 % 
-15 В  5 %

Выходное напряжение низкого уровня

не более 0,4 В

Выходное напряжение высокого уровня

не менее 2,4 В

Напряжение смещения нуля в однополярном и биполярном режимах от полной шкалы

0,3%

Ток потребления 
    от источника питания Uп1
    от источника питания Uп2


не более 10 мА 
не более 18 мА

Входной ток высокого (низкого) уровня

40 мкА

Ток утечки на выходе

40 мкА

Время преобразования

не более 30 мкс

Нелинейность от полной шкалы 
    1113ПВ1А 


0,075% 

10 

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы от полной шкалы

0,4%

Предельно допустимые режимы эксплуатации

Напряжение питания 
    Uп1
    Uп2


4,75...5,25 В 
-15,75...-14,25 В

Диапазон входного напряжения 
    однополярного 
    биполярного


-0,5...+10,5 В 
-5,5...+5,5 В

Входное напряжение 
    высокого уровня 
    низкого уровня


2...4,5 В 
0...0,6 В

Выходной ток 
    высокого уровня 
    низкого уровня


0...0,5 мА 
0...3,2 мА

Температура окружающей среды 
    К1113ПВ1(A-B) 


-10...+70 ° C 

 

Субмодуль памяти ОЗУ и ПЗУ по заданию составляет 2Кх8,микросхема ОЗУ выбрана КР132РУ2А с объемом 1Кх1 поэтому в схеме модуля памяти будем использовать 16 микросхем. ПЗУ разработана на основе микросхемы К573РФ42 с объемом 4Кх8 в модуле памяти используем одну микросхему ПЗУ.

 

Шинный формирователь КР580ВА86

 
   

 


 

 

Рис 17 – Условное графическое обозначение КР580ВА86

 

 

Таблица 2


Вывод

Обозначение

Тип вывода

Функциональное назначение выводов

1-8

А0-А7

ВХОД/ выход

Информационная ши­на

9

ОЕ

Вход

Разрешение передачи (управление 3-м со стоянием)

10 11

GND Т

Вход

Общий
Выбор направления
передачи

12—19

ВТ—ВО (ВТ—ВО для

Выход/ вход

Информационная ши­на

 

КР580ВА87)

 

 

20

Uсс

 

Напряжение питания 5 В±5%

Каждая микросхема состоит из шестнадцати одинаковых функциональных блоков и схемы управления. Блок содержит два разнонаправленных усилителя-формирователя. При помощи схемы управления производится разрешение передачи (управление 3-м состоянием выходов) и выбор направления передачи информации.
В зависимости от состояния управляющих сигналов ОЕ и Т микросхемы _могут работать в режиме передачи А->В,В, В.В-+А или в режиме «выключено»:
при ОE = 0, Т=1— направление передачи A->В,B;
при ОE=0, Т = 0 — направление передачи В,В->-А;
при 0E = 1, Т = Х — на выводах А,В,В — 3-е состояние, где X— безразличное состояние.
При этом выводы А подсоединяются к_ местной процессорной шине, а выводы В,В, имеющие большую нагрузочную способность, — к системной шине. Для 16-разрядной шины данных следует подключать две микросхемы КР580ВА86 или КР580ВА87.

 


Рис 18 – Временная диаграмма ШФ

Сигнал разрешения передачи ОЕ поступает с выхода DENчерез инвертор, а сигнал выбора направления передачи Т — непосредственно с выхода DT/Rконтроллера шины.

Таблица 4


Параметр

Обозначение

 

Время установления сигнала Т относительно сигнала ОЕ, не

tsu(OE—T)

(5)

Время сохранения сигнала Т относительно сигнала ОЕ, не

tV(OE-T)

(10)

Длительность фронта (спада) входных импульсов', не

tLH (tHL)

20/12

Емкость нагрузки, пФ:

cL

 

для A-выходов

 

100

для В-выходов

 

300

Таблица 5

Параметр

|

параметров

Напряжение питания

Ucc,

—0.5 7,0

на выводе Ucc (Ucc1 для КР580ВМ80А и КР580ГФ24), В

Uсс,

 

Напряжение питанияКР580ГФ24 КР580ВМ80А на выводе UcC2, В

Uссг

 

Напряжение питания КР580ВМ80А на вы-

Uсс3

—7,0 0

Входное напряжение, В Выходной ток высокого уровня, мА

U1

—0,5 7,0 — 1,5- 1он

Выходной ток низкого уровня, мА

Lol

~ 1-5-Zol

Емкость нагрузки, пФ

CL

— 500

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОЗУ КР132РУ2А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица истинности

 
   

 

 

 

 


Временные диаграммы записи и считывания

 

 

 

 

 

 
   

 


ПЗУ К573РФ22

 

Классификационные параметры

 

 

 

 

Временная диаграмма м/с

 

 
   

 


Назначение выводов м/с

 

 

 
   

 


Таблица истинности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Логический элемент ИЛИ (К555ЛЛ1)

 

 

Логический элемент И (К555ЛИ1)

 

 

 

6. Описание работы функциональных блоков.

 
   

 


6.1 Блок индикации данных

Информация на каждом индикаторе должна обновляться не менее чем 50 раз в секунду, т.е. программно необходимо обеспечить «бегающую единицу» на общем катоде каждого индикатора, реализуя тем самым динамический принцип индикации.

На четырех разрядный индикатор будет выведен номер обрабатываемого канала в виде Н°а, где а=[01..07]. Изменяется только номер канала, а обозначение Н° (т.е. №) будет постоянно светится на ССИ. Схема электрически принципиальная блока индикации данных представлена в Приложении Б.

6.2 Блок кнопок «Пуск».

Первый (на схеме верхний) триггер микросхемы, входящий в состав блока кнопки «Пуск», работает как RS-триггер и при отжатой кнопке находится в сброшенном состоянии (Q=0), т.к. на входе R (reset – сброс) активный уровень, а на входе S (set – установка) – неактивный. При нажатии на кнопку уровни меняются и триггер переходит в установленное состояние (Q=1). При отпускании кнопки триггер снова сбрасывается. Импульс, появляющийся при замыкании ключа, устанавливает в единицу и тут же сбрасывает в ноль триггер, создавая при этом импульс на входе тактовой синхронизации второго триггера. По переднему фронту этого импульса в единицу установится и второй триггер (т.к. на входе D всегда высокий уровень), что создаст активный уровень на входе запроса прерывания микроконтроллера. Активный уровень на этом входе держится до тех пор, пока не произойдёт обработка информации. Триггер, создающий этот импульс, сбрасывается программно подачей низкого уровня на вход R триггера. После этого становится возможным запрос следующего прерывания. Схема электрически принципиальная кнопки «Пуск» представлена в Приложении В.

6.3 Модуль памяти

При обращении к внешней памяти микроконтроллер формирует импульс на выходе ALE. Т.к. этот выход подключён ко входу синхронизации регистра, в этот момент в регистре фиксируется младший байт адреса, т.е. дальше мы можем обращаться к порту Р0 как к шине данных, не теряя при этом полный адрес. Это делается для мультиплексирования шины адреса/данных, каковой и является совокупность выводов порта Р0.

При обращении к внешнему ПЗУ (внутреннее ПЗУ отключено) микроконтроллер формирует низкий уровень на выходе PSEN – тем самым выбирается микросхема ПЗУ и адрес по шине адреса поступает на адресные входы этой микросхемы, выбирая необходимый байт, далее по шине данных этот байт поступает в микроконтроллер.

При обращении к внешнему ОЗУ необходимо программно формировать активный уровень на входе выбора микросхемы. Но после обращения этот уровень необходимо обязательно снимать. При чтении из внешнего ОЗУ микроконтроллер формирует сигнал RD, подключённый к входу OE, переводя выходные каскады микросхемы ОЗУ в проводящее состояние. При записи – сигнал WR, разрешая запись байта в ОЗУ. Схема электрически принципиальная представлена в Приложении Г.

 
   

 


6.4 Модуль аналогового ввода.

Значение с датчика с помощью АЦП будет преобразовываться в цифровой код, и  поступать в микропроцессор.

Общее число датчиков равно 7, датчики должны подключаться к МПС через цепь устройств: датчик – усилитель –коммутатор – АЦП.

Коммутатор необходим для выбора датчика, с которого в текущий момент происходит съем (сбор) информации. Коммутатор должен быть восьми канальным.

АЦП запускает преобразование в момент переключения сигнала "Г/ П" ("гашение / преобразование") с высокого уровня на низкий. Преобразование осуществляется не более 30 мкс (Tпр < 30мкс). Об окончании преобразования свидетельствует появление сигнала низкого уровня на выходе ГД ("готовность данных"). В этот момент цифровые выходы АЦП (Q) переходят из состояния высокого импеданса в состояние выдачи цифрового кода. Цифровой код на выходе АЦП - 10 разрядный (разряд Q0 - старший). Для выполнения следующего преобразования АЦП требует предварительной подачи сигнала гашения высокого уровня длительностью не менее 10 мкс на вход Г/ П (Tг > 10мкс). При этом цифровые выходы Q переходят в состояние высокого импеданса, в котором остаются до появления сигнала низкого уровня на выходе ГД.

 


 

7. Расчет потребляемой мощности системы

Для расчета потребляемой мощности достаточно просуммировать 1 потребляемую мощность всех компонентов, входящих в состав схемы. При расчете будем использовать максимальные напряжения питания. Результаты расчетов приведены в таблице:  

 

Микросхема

Число

Напряжение питания, В

Потребляемый ток одной ИС, мА

Потребляемая мощность, мВт

КР132РУ2А

16

5

140

735

К573РФ42

1

5

85

468

К555ИР22

2

5

2*32

2*400

AT89C51

1

5

20

100

КР580ВА86

1

5

130

800

К1113ПВ1

1

5

18

270

590КН6

1

5

7

100

К140УД18

1

5

4

40

К555ТМ2

1

5

8

40

К555ЛИ1

1

5

7

70

К555ЛЛ1

3

5

3*9,8

3*49

Итого:

512мА

3570мВт


8. Разработка блока питания.

 

Рис. 22. Схема источника питания МПС

К разрабатываемому блоку питания предъявляется следующее требование: обеспечение выходных напряжений +5 В (ток 851.5мА), +12 В (ток 52,3  мА), -12В (ток 69,6) и –15 В (ток 83,5  мА). Схема блока показана на рисунке 22. Его основу составляет трансформатор T. Сетевая обмотка трансформатора подключается к бытовой сети переменного тока (U=220В, F=50Гц). На первой вторичной обмотке генерируется напряжение U21=10В, а на второй U22=18В. Напряжение на первой вторичной обмотке получаются исходя из формулы: UII = B*Uн, где Uн - требуемое постоянное напряжение на нагрузки; UII – переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора; В – коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяется по таблице.

Отсюда U21 = 2,4*5 В = 12  В (для тока нагрузки 2 А).

Определим максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста: IД = 0,5*С*Iн, где IД – ток через диод, А; Iн – максимальный ток нагрузки, А; С – коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяется по таблице. Получим IД = 0,5*1,5*2 = 1,5 А.

Подсчитаем обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя: Uобр = 1,5*Uн, где Uобр – обратное напряжение, В;  Uн – напряжение на нагрузке, В.

Тогда, Uобр = 1,5*5 В = 7,5 В.

В соответствии с этими данными выберем диоды VD1: КЦ412А (Iпр = 1А;       Uобр = 50 В; Uпр = 1,2 В).

Определим емкость конденсатора фильтра: Сф=Iн*dU / (2*Fc), где Iн - ток, потребляемый нагрузкой источника, dU-пульсации напряжения (принято 5мВ), Fc=50Гц – частота напряжения в обмотке. Получаем С=97 мкФ.

Выбирается конденсатор К50-35 – 100 мкФ.

Напряжение с выхода фильтра поступает на вход ИМС DA1 интегрального стабилизатора К142ЕН5А (Iпр.max = 3А, Uст = 5В), с выхода которой снимается стабильное напряжение +5В.

Вторая вторичная обмотка имеет вывод средней точки, что используется для получения двуполярного напряжения. Диодный мост, построенный на VD2 (КЦ412А: Iпр.= 1А, Uобр = 50В, Uпр = 1,2В), электролитические конденсаторы С (К50-35 – 50 мФ) выбираются по тем же принципам, что и