ID: 67689

Название работы: Разработка цифрового измерителя технологического многоканального на основе AVR микроконтроллера AT90S4414

Категория: Курсовая

Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Описание: В данной работе используется микроконтроллер AT90S4414 фирмы Atmel. Микросхема выполнена в 40-выводном корпусе, что дает безусловный выигрыш. Таким образом, микроконтроллер имеет (4 внешних порта РА ,РВ,РС и РD). Прибор обеспечивает производительность, приближающуюся к 1 МГц.

Язык: Русский

Дата добавления: 2014-09-13

Размер файла: 183.5 KB

Работу скачали: 30 чел.

Министерство образования Российской Федерации

Марийский государственный технический университет

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Кафедра ИВС

Контроллер технологического много канального измерителя

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

"Микропроцессорные системы"

Вариант №6

 Выполнил: студент группы ВМ-41 Лобанов С.М.    ______       ______

                   (дата)          (подпись)

 Проверил: Мясников В.И.         ______       ______

        (дата)           (подпись)

    Оценка:______

Йошкар-Ола

2004

АННОТАЦИЯ

В данной курсовой работе произведена разработка цифрового измерителя технологического многоканального  на основе  AVR микроконтроллера AT90S4414 с характеристиками, согласно заданию. Выполнена разработка функциональной и структурной схем. Приведена подробная информация о выбранных элементах структурной схемы.

ABSTRACT

In given term paper is made development of numerical meter technological many-server on the base AVR microcontroller AT90S4414 with features, according to the task. Executed development of function and structured schemes. Brought detailed information on chosen structured scheme elements.

СОДЕРЖАНИЕ

[1] АННОТАЦИЯ [2] ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ [3] ВВЕДЕНИЕ [4]   [5] 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ [6] 2. РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ ЧАСТИ [6.1] 2.1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ [6.1.1] На рис.1. представлена структурная схема данного устройства. [6.2] 2.2 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИАНАЛЬНОЙ СХЕМЫ [6.3] 2.3 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ [7] 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ [7.1] 3.1  РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ [7.2] 3.2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОДНОГО ИЗ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ [8] ЗАКЛЮЧЕНИЕ [9] СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Разработать контроллер технологического многоканального измерителя:

•  на базе микроконтроллера AVR;
•  количество цифровых выходных каналов с токовым входом 4мА/20мА – 2; с уровнями напряжения 0В/10В – 4;
•  количество аналоговых входов – 4;
•  диапазон входных напряжений по аналоговым входам 0В…10В;
•  разрядность АЦП – 12
•  быстродействие АЦП – 10кГц на канал;
•  наличие пульта управления – клавиатура 12 клавиш, индикатор ЖКИ с характеристиками 2х16;
•  интерфейс связ и с компьютером – RS-232C;
•  питание от сети ~220В;
•  разработать общую структуру ПО измерителя;
•  разработать процедуру обслуживания ЖКИ;
•  написать программу процедуры обслуживания ЖКИ;

ВВЕДЕНИЕ

В промышленности и бытовой сфере проблема эффективного использования измерителей технологических многоканальных  - одна из важнейших. Ее решение возможно только при комплексной автоматизации всего оборудования с помощью различных цифровых приборов локального учета, контроля и управления (с возможностью соединения таких приборов в локальную вычислительную сеть для создания систем глобального регулирования всего объекта).

      AVR-микроконтроллеры в сочетании с датчиками позволяют создавать эффективные системы контроля в бытовой и промышленной технике. Их главные достоинства - универсальность, программная гибкость, возможность цифровой обработки данных и реализации сложных алгоритмов управления. Интеграция в одном корпусе большого количества периферийных устройств обеспечивает компактность и низкую стоимость приборов в условиях сжатых сроков разработки и постановки изделий на производство.

Однокристальная микро-ЭВМ (микроконтроллер) представляет собой, построенную вокруг микропроцессора вычислительную систему, которая выполнена на одном кристалле вместе с микропроцессором.

В данной работе используется микроконтроллер AT90S4414 фирмы Atmel. Микросхема выполнена в 40-выводном корпусе, что дает безусловный выигрыш. Таким образом, микроконтроллер имеет (4 внешних порта РА ,РВ,РС и РD). Прибор обеспечивает производительность, приближающуюся к 1 МГц. Архитектура эффективно поддерживает как языки высокого уровня, так и программы на языке ассемблер. Микроконтроллер AT90S4414 содержит: 4Кбайта загружаемого ПЗУ, 256 байтов СОЗУ дает возможность наращивать память данных, программируемый последовательный UART, программируемый сторожевой таймер и многое, многое  другое.

 

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ

Наша задача разработать дешевый и компактный технологический многоканальный измеритель напряжения и силы тока. Стандартное решение такой конструкторской задачи - построение схемы, выполняющей следующую последовательность действий:

•  преобразование сопротивления в напряжение при помощи источника тока;
•  преобразование напряжения в код при помощи аналогово-цифрового   преобразователя (АЦП);
•  подача полученного кода в микроконтроллер (МК), где полученная информация обрабатывается и передается дальше.

    Сегодня некоторые зарубежные фирмы выпускают АЦП, выполняющие описанную выше цепочку преобразований. Например, фирма Analog Devices производит аналого-цифровые преобразователи AD7710, AD7711 и AD7713 со встроенными операционным усилителем (с программируемым коэффициентом усиления), источниками тока и последовательным интерфейсом. Эти микросхемы адаптированы для применения в измерительных системах (где датчиками могут служить термометр сопротивления, термопара или тензорезистивный мост), и датчики подключаются непосредственно к АЦП при минимуме дополнительных компонентов. Применять такие АЦП в небольших приборах дорого (цена специализированных АЦП превышает стоимость всех остальных компонентов, вместе взятых), а использование обычных АЦП значительно увеличивает число компонентов в схеме (и отрицательно сказывается на стоимости, габаритах и надежности прибора).

Еще один путь решения поставленной задачи - преобразование сопротивления непосредственно в код. Имеется множество различных схем, реализующих такое преобразование. Принцип их действия основан на измерении (электронно-счетным методом) временного интервала, равного постоянной времени цепи разряда конденсатора через измеряемое сопротивление. Существует множество различных измерителей,  например многоканальный измеритель-сигнализатор уровня серии ИСУ 2000И .

Многоканальный измеритель-сигнализатор уровня серии ИСУ 2000И

Представляет собой 16-канальный преобразователь, восемь входов которого предназначены для подключения емкостных датчиков измерения уровня заполнения резервуаров и сигнализации о достижении одной или двух установленных пределов, восемь других входов могут использоваться также и для подключения датчиков любых технологических параметров, имеющих стандартный токовый сигнал 0/4 ... 20 мА.

Особенности: 

- мониторинг от 1 до 8 резервуаров; - индикация текущих значений уровня на жидкокристаллическом дисплее; - конфигурирование и программирование с клавиатуры пульта управления и индикации; - адаптация к форме резервуара для мониторинга объема среды; - калибровка показаний по двум фиксированным уровням;

Разнообразие выходных сигналов: 

- токовый - для подключения дополнительных стрелочных приборов и других средств измерения; - контакты реле или транзисторные ключи; - интерфейсный выход для связи с ЭВМ; - монтаж датчиков - вертикальный; - линии подключения - двухпроводные; - расстояние от датчиков до ИСУ 2000: до 1000 м.

Близкий аналог - дисплейный и управляющий модуль LPU 8000 фирмы LABKO (Финляндия).

Автоматизированная система материального учета и управления - состоит из датчиков уровня и других технологических параметров, до восьми многоканальных измерителей-сигнализаторов уровня ИСУ 2000И, адаптера "токовая петля" - RS232C и IBM-совместимой ЭВМ с базовым программным обеспечением.
    Система адаптируется под требования конкретного заказчика с учетом характера технологического процесса и оборудования. Осуществляет мониторинг до 64 резервуаров с визуализацией состояния контролируемой среды и оборудования. Ведет технологический журнал и журнал тревог, архивирует необходимые данные с заданным периодом, обеспечивает просмотр архивов и формирование отчетов по требованию заказчика.

Комплект поставки: 

Блок обработки - 1 шт.

Датчики уровня (см. "Датчики уровня для приборов типа ИСУ100") - до 8 шт.

Модуль реле (8 реле в каждом) - до 2 шт.

Показывающие приборы (миллиамперметр 0-5 мА со шкалой 0-100%, класс точности 1.5, степень защиты оболочки IP40) - до 8 шт.

Блок обработки обеспечивает: 

Циклическое преобразование в цифровой код и постоянный ток входных импульсных сигналов от датчиков уровня.

Циклическое преобразование в цифровой код и передачу на ЭВМ входных стандартных токовых сигналов от датчиков технологических параметров (температура, давление и т.п.).

Формирование ступенчатых сигналов на выходах типа "открытый коллектор" и контактах реле при достижении измеряемой средой программируемых уровней.

Индикация измеренных значений на алфавитно-цифровом дисплее, как в относительных единицах, так и в единицах уровня или объема.

Автоматизированная калибровка характеристик преобразования.

Адаптация к форме резервуара любой конфигурации.

Программирование с панели индикации и управления прибора.

Интерфейс с ЭВМ. Возможность программирования прибора с помощью ЭВМ.

Самоконтроль и сигнализация отказов.

Два провода для подключения одного датчика.

Взрывозащита вида "искробезопасная цепь"

Допускается размещение датчиков во взрывоопасных зонах всех классов, модуля реле - в зонах классов В-Iб, В-Iг и В-IIа, блока обработки - в зонах классов В-Iа, В-Iб, В-Iг и В-IIа.

Блок искрозащиты, размещенный внутри блока обработки, ограничивает в цепях датчиков напряжения холостого хода и токи короткого замыкания до безопасных значений. Технические характеристики представлены в таблаблице 1.

Таблица 1

Технические данные

Два вида входных сигналов: - основной - импульсный сигнал: - дополнительный при работе в составе АСУ - токовый сигнал	25 ... 500 Гц 0 ... 5 (0/4 ... 20) мА
Количество входов: - импульсный сигнал - токовый сигнал	8 8
Основная погрешность измерения уровня	1.0 %
Погрешность преобразования входных токовых сигналов	0.25 %
Несколько вариантов выходных сигналов измерительные выходы: - токовый сигнал (8 выходов) - "токовая петля" для связи с ЭВМ на расстояние для сигнализации (16 выходов): - "открытый коллектор"; - контакты реле	0 ... 5 (0 ... 20) мА до 1 км 250 В, 2.5 А
Жидкокристаллический дисплей	(1 строка x 16 символов)
Степень защиты оболочек	IP54
Напряжение питания	220 В, 50 Гц
Потребляемая мощность	< 30 Вт

2. РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ ЧАСТИ

2.1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Согласно заданию схема должна содержать следующие блоки:

•  Блок питания от сети 220 вольт
•  Микроконтроллер (служит для управления всеми блоками данной схемы)
•  Источник опорного напряжения (для создания опорного напряжения в АЦП)
•  Последовательный интерфейс RS-232C для связи с ПК (необходим для передачи полученных данных в персональный компьютер)
•  ЖКИ (предназначен для отображения измеряемых данных)
•  Клавиатуру
•  Супервизор напряжения (вырабатывает общий сигнал сброса)
•  Аналого-цифровой преобразователь для преобразования одного из входных аналоговых сигналов в цифровой.

На рис.1. представлена структурная схема данного устройства.

 

Рис. 1. Структурная схема технологического многоканального измерителя

2.2 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИАНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Разработку функциональной схемы начнем с последовательного описания каждого блока схемы.

1)   Стабилизатор напряжения. На вход данной микросхемы подается напряжение 220В с выхода получаем постоянное напряжение 5В и –5В. Эти напряжения необходимы для питания микросхем.

1.  Микроконтроллер. На данную микросхему сигнал сброса, и на его входы также поступают сигналы от различных устройств таких как АЦП, последовательный интерфейс обмена, клавиатура, устройство отображения (ЖКИ) и др. т.е данная микросхема управляет всеми остальными.
2.  Источник опорного напряжения. На вход земля и питание, с выхода получаем постоянное напряжение 5В.
3.    Последовательный интерфейс. Он управляется от микроконтроллера, т.е. на его входы кроме питания и земли, подаются сигналы (RxD, TxD) по которым происходит считывание или запись данных в компьютер по последовательному порту.   
4.  Клавиатура. С выхода идет код в микроконтроллер, который там обрабатывается и по нему выполняется какая либо операция, на вход подается земля.
5.  Дисплей. Предназначен для вывода измеряемых данных. Выводом данных на экран управляет микроконтроллер, поэтому на входы данного блока также поступают  сигналы управления и сами данные с микроконтроллера.
6.  Супервизор напряжения. На выходе данного блока формируется общий сигнал сброса.
7.  На все микросхемы подается питание.

2.3 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Согласно заданию требуется разработать цифровой измеритель технологический многоканальный на базе контролера AVR. Я взял микроконтроллер AT90S4414, потому что он имеет достаточное число выводов, напряжение питания от  2,7 до 6 В, есть программируемый полный дуплексный UART (так как мне необходимо организовать последовательную связь с компьютером). Еще в нем имеется сторожевой таймер и в данном микроконтроллере имеется возможность применить языки высокого уровня для его программирования.

Супервизор напряжения: я выбрал микросхему ADM 705. Питание   микросхемы от напряжения 5В. По характеристикам эта схема подходит для моего устройства.

В задании оговорено, что нужно для связи с компьютером использовать интерфейс RS-232С. Мною была выбрана микросхема  ADM202JN, у нее напряжение питания тоже 5 В.

Мне необходим  жидко кристаллический индикатор со следующими характеристиками:

- напряжение питания 5В

- двух строчечный по 16 символов в строке.

Данными свойствами обладает модуль WH162B-NGK-GP.

По заданию необходимо взять  12-ти разрядное АЦП. Я взял микросхему AD7888. Она является 8 канальной. Я использую только 4. К этой микросхеме необходим источник постоянного напряжения, микросхема ADR293.

Для обеспечения питания микросхем от сети переменного тока 220В, используем  преобразователь AC/DC TML 15-205. На данную микросхему подаем напряжение 220В, а с выхода получаем +5В и –5В.

Клавиатура представляет собой совокупность стандартных кнопок (12).

Для обеспечения аналоговых и цифровых входов с уровнями напряжения 0В/10В, используем обычные делители напряжения на 2 (сопротивление резисторов по 1 кОм) для получения уровня 0В/5В (это необходимо, т.к. может сгореть микросхема от напряжения 10В).

Для обеспечения токовых цифровых входов  с уровнем 4мА/20мА, используем класическую схему преобразователя тока в напряжение с операционным усилителем. Усилитель выбрали КР170УДУ. Питание –5В и +5В. Резисторы расчитали по формуле:

 

где  = 4мА/20мА, =0В/5В

и получили с сопротивлением R= 250 Ом.

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

3.1  РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

На рис.2 представлена структура программного обеспечения

Flagtem или flagdav=1

Flagdan=1 и flagpr=1

Сброс флагов, если пустой буфер

Возврат и сброс флага

USR,RxC=1

Рис.2. Структурная схема программного обеспечения технологического многоканального измерителя

В блоке инициализация делаем следующие действия. Для контроллера настройка портов, программирование таймеров, настройка UART, устанавливаем стек и т. д. Для АЦП устанавливаем частоту опроса, режим 16 бит, для ЖКИ устанавливаем разрядность шины данных=8,количество строк =2, шрифт 5х7 точек, направление сдвига курсор в право, запрещаем сдвиг дисплея вместе со сдвигом курсора и т.д.

Блок опроса флагов: происходит постоянный опрос флагов, если какой-либо флаг установлен, то переходим на соответствующую подпрограмму обработки, которая после окончания своей работы возвращается в то место, откуда была вызвана и сбрасывает соответствующий флаг.

Программа опроса клавиатуры: постоянно опрашивает клавиатуру, и записывает ее состояние в заданный регистр1, как только в этом регистре1 появляется указанное число, она устанавливает Flagklav=1.

Подпрограмма обработки сканкода активизируется, когда установлен Flagklav=1, сначала проверяем, если  действительно в регистре1 число (т.е. устраняем дребезг контактов), анализируем содержание регистра1 и в зависимости от того какое число там записано переходим на ту или иную подпрограмму обработки. В конце подпрограммы сбрасываем  Flagklav.

Подпрограмма приема данных активизируется когда установлен флаг  USR,RxC, его устанавливает компьютор приславший данные, выполняем прием даных и конце подпрограммы сбрасываем флаг USR,RxC.

 Подпрограмма выдачи данных на компьютер начинает выполнятся когда  Flagdan=1 и flagpr=1, далее выполняется выдача данных на компьютер и сброс флагов происходит в том случае, если буфер с данными пуст.

 Подпрограмма обработки АЦП активизируется, когда установлен  Flagadc, здесь происходит запись данных в буфер и устанавливается Flagdan, установка этого флага говорит о том, что в буфере есть данные для передачи.

     

3.2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОДНОГО ИЗ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Процедура обслуживания ЖКИ представлен на рис.3.

Рис.3. Процедура обслуживания ЖКИ

Программа процедуры обслуживания ЖКИ составленная по данному алгоритму на языке Ассемблер будет выглядеть так:

output:

ldi r25,3Ah

ldi r24,A1h

ldi r23,2Ah

in r0,portA        

sbi r0,1        ; установит RS в 1

out portA,r0

in r0,portA        

сbi r0,2        ; установит W/R в 0

out portA,r0

in r0,portC        

sbi r0,3        ; установит Е в 1

out portA,r0

out portA,r25   ;записать в ЖКИ команду загрузки символа (00111010) из регистра r25

ldi r17,150    ;задержка 15 ms 

l:      ldi r18,200    ;

l1:     dec r18        ;

       brne l1        ;

       dec r17        ;

       brne l;

in r0,portA        

cbi r0,3        ;сбросить Е в 0

out portA,r0      

in r0,portA        

sbi r0,4        ; установит W/R в 1

out portA,r0

  

in r0,portA

sbi r0,5

out portA,r23   ;записать данные о коде символа из регистра 23

ldi r17,600    ;задержка 60 ms

l:      ldi r18,200    ;

l1:     dec r18        ;

       brne l1        ;

       dec r17        ;

       brne l;

in r0,portA        

sbi r0,1        ; установит RS в 1

out portA,r0

in r0,portA        

сbi r0,2        ; установит W/R в 0

out portA,r0

in r0,portC        

sbi r0,3        ; установит Е в 1

out portA,r0

out portA,r23   ;записать в ЖКИ команду вывода (00101010) из регистра r23

ret

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе был разработан контроллер технологического многоканального измерителя. Согласно техническому заданию были разработаны и реализованы соответствующие блоки измерителя.  Устройство построено на контроллере AVR (АТ90S4414). Для устройства была построена структурная, функциональная и принципиальная схема.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Мясников В.И. Микропроцессорные системы. Учебное пособие по курсовому проектированию.- Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003.- 128с.
2.  Бокуняев А.А., Борисов Н.М., Варламов Р.Г. и др. Справочная книга радиолюбителя-конструктора. Под ред. Чистякова Н.И. М.: Радио и связь, 1990. 624 С: ил.
3.  Современные микроконтроллеры: Архитектура, средства проектирования, примеры применения, ресурсы сети Интернет. "Телесистемы". Под. ред. Коршуна И.В.; Составление пер. с англ. и литературная обработка Горбунова Б.Б. М: Изд. "Аким", 1998. 272 С: ил.