МК
Цифровой термометр на МК AVR Mega 128
(Курсовой проект)
СОДЕРЖАНИЕ Список сокращений Введение 1. Структура
микроконтроллера ATMega128 2. Синтез структурной
схемы 3. Синтез схемы
электрической принципиальной цифрового термометра 4. Разработка
алгоритма работы микроконтроллера Выводы Примечание А (Текст
программы работы микроконтроллера) Список сокращений МК – микроконтроллер; ОЗУ – оперативное
запоминающее устройство; ПЗУ – постоянное
запоминающее устройство; ПЭВМ – персональная
электронно-вычислительная машина; ЖКИ -
жидко-кристаллический индикатор; Д – датчик
температуры. Введение Микроконтроллеры (МК) являются сердцем многих
современных устройств и приборов. Самой главной особенностью МК, с точки зрения
конструктора-проектировщика, является то, что с их помощью легче и зачастую
гораздо дешевле реализовать различные схемы. МК может управлять различными устройствами и принимать
от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число
переферийных схем уже имеется непосредственно на кристалле МК. Это позволяет
уменьшить размеры конструкции и снизить потребление от источника питания. AVR - это семейство 8-разрядных RISC-микроконтроллеров
фирмы Atmel. Эти МК позволяют решить множество задач встроенных систем. Они
отличаются от других распостраненных в наше время микроконтроллеров большей
скоростью работы, большей универсальностью. Кроме того, они очень легко
программируются. Их можно перепрограммировать до 1000 раз, причем
непосредственно в собранной схеме. Имеются 3 подсемейства МК AVR: Tiny AVR- недорогие миниатюрные МК в 8-выводном
исполнении; Classic AVR- основная линия МК с производительностью
отдельных модификаций до 16 MISP, FLASH- памятью программ 2…8 Кб, памятью
данных EEPROM 64...512 байт, оперативной памятью данных SRAM 128…512 байт; Mega AVR- с производительностью 4…16 MISP для сложных
приложений требующих большого объема памяти, FLASH- памятью программ до 128 Кб,
памятью данных EEPROM 64...512 байт, оперативной памятью данных SRAM 2…4 байт,
встроенным 10-разрядным 8-канальным АЦП, аппаратным умножителем 8х8. Интересной особенностью семейства МК является то, что
система команд всего семейства совместима при переносе программы со слабого на более
мощный микроконтроллер. 1. Структура микроконтроллера ATMega128 В качестве ядра микроконтроллерной системы для
измерения температуры в диапазоне 30-400С согласно техническому заданию был
выбран AVR микроконтроллера типа ATMega128. 1.1. Назначение выводов На рис.1.1 изображен корпус и приведено назначение
выводов микроконтроллера. В скобках указана альтернативная функция вывода. Рис. 1.1. Вид корпуса и обозначение выводов микроконтроллера
ATmega128 Микроконтроллер ATmega128 включает следующие
функциональные блоки: 1) 8-разрядное арифметическо-логическое
устройство (АЛУ ); 2) внутреннюю флэш-память программ объемом 128
Кбайт с возможностью внутрисистемного программирования через последовательный
интерфейс; 3) 32 регистра общего назначения; 4) внутреннюю EEPROM память данных объемом 4
Кбайт; 5) внутреннее ОЗУ данных объемом 4 Кбайт; 6) 6 параллельных 8-разрядных портов; 7) 4 программируемых таймера-счетчика; 8) 10-разрядный 8-канальный АЦП и аналоговый
компаратор; 9) последовательные интерфейсы UART0, UART0, TWI
и SPI; 10) блоки прерывания и управления (включая
сторожевой таймер). Port A (PA7..PA). 8-разрядный двунаправленный порт. К
выводам порта могут быть подключены встроенные нагрузочные резисторы (отдельно
к каждому разряду). Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА и способность прямо
управлять светодиодным индикатором. При использовании выводов порта в качестве
входов и установке внешнего сигнала в низкое состояние, ток будет вытекать
только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт А при наличии
внешней памяти данных используется для организации мультиплексируемой шины
адреса/данных. Port B (PB7..PB0). 8-разрядный двунаправленный порт со
встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА.
При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешнего сигнала
в низкое состояние, ток будет вытекать только при подключенных встроенных
нагрузочных резисторах. Порт В используется также при реализации специальных
функций. Port C (PC7..PC0). Порт С является 8-разрядным
выходным портом. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА. Порт C при наличии
внешней памяти данных используется для организации шины адреса. Port D (PD7..PD0). 8-разрядный двунаправленный порт со
встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА.
При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешнего сигнала
в низкое состояние, ток будет вытекать только при подключенных встроенных
нагрузочных резисторах. Порт D используется также при реализации специальных
функций. Port Е (PЕ7..PЕ0). 8-разрядный двунаправленный порт со
встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА.
При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешнего сигнала
в низкое состояние, вытекающий через них ток обеспечивается только при
подключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт E используется также при
реализации специальных функций. Port F (PF7..PF0). 8-разрядный входной порт. Входы
порта используются также как аналоговые входы аналого-цифрового
преобразователя. #RESET. Вход сброса. Для выполнения сброса необходимо
удерживать низкий уровень на входе более 50 нс. XTAL1, XTAL2. Вход и выход инвертирующего усилителя
генератора тактовой частоты. TOSC1, TOSC2. Вход и выход инвертирующего усилителя
генератора таймера/счетчика. #WR, #RD. Стробы записи и чтения внешней памяти
данных. ALE. Строб разрешения фиксации адреса внешней памяти.
Строб ALE используется для фиксации младшего байта адреса с выводов AD0-AD7 в
защелке адреса в течение первого цикла обращения. В течение второго цикла
обращения выводы AD0-AD7 используются для передачи данных. AVCC. Напряжение питания аналого-цифрового
преобразователя. Вывод подсоединяется к VCC через низкочастотный фильтр. AREF. Вход опорного напряжения для аналого-цифрового
преобразователя. На этот вывод подается напряжение в диапазоне между AGND и
AVCC. AGND. Это вывод должен быть подсоединен к отдельной
аналоговой земле, если она есть на плате. В ином случае вывод подсоединяется к
общей земле. #PEN. Вывод разрешения программирования через
последовательный интерфейс. При удержании сигнала на этом выводе на низком
уровне после включения питания, прибор переходит в режим программирования по
последовательному каналу. VСС, GND. Напряжение питания и земля [2-ст.7]. 1.2 Организация памяти и портов
ввода/вывода микроконтроллера Микроконтроллеры AVR имеют раздельные пространства
адресов памяти программ и данных (гарвардская архитектура). Организация памяти
МК ATMega128 показана на рис. 1.2. Рис. 1.2. Организация памяти
микроконтроллера ATmega128 Высокие характеристики семейства AVR обеспечиваются
следующими особенностями архитектуры: 1) в качестве памяти программ используется внутренняя
флэш-память. Она организована в виде массива 16-разрядных ячеек и может
загружаться программатором, либо через порт SPI; 2) 16-разрядные память программ и шина команд
вместе с одноуровневым конвейером позволяют выполнить большинство инструкций за
один такт синхрогенератора (50 нс при частоте FOSC=20 МГц); 3) память данных имеет 8-разрядную организацию.
Младшие 32 адреса пространства занимают регистры общего назначения, далее
следуют 64 адреса регистров ввода-вывода, затем внутреннее ОЗУ данных объемом
до 4096 ячеек. Возможно применение внешнего ОЗУ данных объемом до 60 Кбайт; 4) внутренняя энергонезависимая память типа
EEPROM объемом до 4 Кбайт представляет собой самостоятельную матрицу, обращение
к которой осуществляется через специальные регистры ввода-вывода. Рис. 1.3. Регистры общего назначения микроконтроллера
ATmega128 Как видно из рис. 2 и 3, 32 регистра общего назначения
(РОН) включены в сквозное адресное пространство ОЗУ данных и занимают младшие
адреса. Хотя физически регистры выделены из памяти данных, такая организация
обеспечивает гибкость в работе. Регистры общего назначения прямо связаны с АЛУ.
Каждый из регистров способен работать как аккумулятор. Большинство команд
выполняются за один такт, при этом из регистров файла могут быть выбраны два
операнда, выполнена операция и результат возвращен в регистровый файл. Старшие
шесть регистров могут использоваться как три 16-разрядных регистра, и выполнять
роль, например, указателей при косвенной адресации. Следующие 64 адреса за регистрами общего назначения
занимают регистры ввода-вывода (регистры управления/состояния и данных). В этой
области сгруппированы все регистры данных, управления и статуса внутренних
программируемых блоков ввода-вывода. При использовании команд IN и OUT
используются адреса ввода-вывода с $00 по $3F. Но к регистрам ввода-вывода
можно обращаться и как к ячейкам внутреннего ОЗУ. При этом к непосредственному
адресу ввода-вывода прибавляется $20. Адрес регистра как ячейки ОЗУ приводится
далее в круглых скобках. Регистры ввода-вывода с $00 ($20) по $1F ($3F) имеют
программно доступные биты. Обращение к ним осуществляется командами SBI и CBI,
а проверка состояния – командами SBIS и SBIC. 2. Синтез структурной схемы Структурная схема для цифрового термометра приведена
на рисунке 1. Рис. 2.1. Структурная схема
цифрового термометра: ЖКИ – жидко-кристаллический индикатор; МК –
микроконтроллер; Д– цифровой датчик температуры; RS232С –
последовательный интерфейс Микроконтроллер выполняет две основные функции: производит опрос датчика температуры и сохраняет в ОЗУ
значения температуры, полученные от датчика в каждом цикле опроса температуры; по требованию компьютера, микроконтроллер отсылает в
компьютер значения температуры из ОЗУ от датчика температуры. Измеренная температура не только сохраняется, но и
выводится на жидкокристаллический экран (ЖКИ). Графические возможности экрана
позволяют отображать не только цифровые значения температуры, но и отображать
изменения температуры во времени в виде графиков. Также микроконтроллер может
сохранять не одно значение температуры, а несколько (до 20 значений). Если значение температуры выходит за диапазон 30-400С,
то микроконтроллер формирует предупреждающий сигнал с помощью светодиодов. Кнопка производит сброс, если измеренные значения
температуры выходят за значения 30-400С. При необходимости измеренные значения температуры
можно ввести на экран компьютер с помощью последовательного интерфейса RS232С. 3. Синтез схемы электрической
принципиальной цифрового термометра В данном проекте разработан цифровой термометр с
использованием микроконтроллера AVR ATMEGA128. Схема устройства представлена на
чертеже ЛОЕТ.06-1.09Э3. Перечень элементов – ЛОЕТ.06-1.09 ПЭ3. Описание схемы устройства Прибор осуществляет измерения путём заряда
конденсатора до уровня примерно равного VCC, последующего разряда его через
опорный резистор с одновременным подсчётом внутренних тактов до того момента,
пока на входе CIN не появится лог. «0». Далее конденсатор снова заряжается до
значения, близкого к VCC и разряжается через термистор, при этом также
подсчитываются тактовые импульсы. Неизвестное сопротивление резистора
вычисляется как отношение числа тактов при разряде конденсатора термистором к
числу тактов при разряде через опорный резистор и последующим домножением на
известное значение сопротивления опорного резистора. Программа вычисляет сопротивление
термистора, переводит это значение в температуру, переводит её в градусы
Цельсия и отображает значение на ЖКИ. К выводам 50,51 МК подключен датчик температуры ТМР
35, представленная на рисунке ниже. Рис. 3.1. Микросхема TMP35 ТМР35 обеспечивает выходное напряжение, линейно
изменяющееся пропорционально температуре по шкале Цельсия. TMP35 не требует внешней
калибровки обеспечивая типичную точность +/- К выводам 14 и 15 (PB4, PB5) микроконтроллера с
помощью ограничиваю-щих резисторов R2 ÷ R4 подсоединяется выводами CLK и DI
ЖКИ, выполненный на микросхеме НТ1611. Через ограничивающие резисторы R6, R6 к
выводу VDD подводится напряжение питания от источника. Жидкокристаллический индикатор показан на рисунке
далее. Рис. 3.2. Микросхема НТ1611 Если измеренные значения температуры выходят за
заданные пределы, то загораются светодиоды VD1, VD2. R9,R10 ограничивают ток,
проходящий через светодиоды. К выводам 2, 3 (РЕ0,РЕ1) микроконтроллера
присоединяется микросхема MAX232C, которая позволяет производить обмен
информацией с компьютером через последовательный интерфейс RS232C. Для этого
задействованы выводы T1IN, T1OUT, R1IN, R1OUT. В соответствии с описанием
микросхемы к выводам C1+, C1- и C2+, C2- подключаются конденсаторы С3, С4
емкостью 0,1 мкФ. Такие же конденсаторы С1, С2 для создания необходимых уровней
питания подключаются к ножке 2 (Vs+) и к шине питания; к ножке 6 (Vs-) и к
земле. Устройство можно подключить к компьютеру с помощью разъема XР1. Условное графическое обозначение микросхемы MAX232C
показан на рисунке 3.3. Рис. 3.3. УГО ADM202_SO16 Микросхема ADM202_SO16 позволяет осуществлять связь по
интерфейсу RS232C одновременно с двумя устройствами. Для формирования правильного импульса сброса в момент
включения питания к выводу (RESET) микроконтроллера подключена RC-цепочка (R11,C9).
Эта цепь используется для задержки запуска микроконтроллера при включении
питания, что нужно для его правильного запуска, а также для ручного перезапуска
микроконтроллера нажатием на кнопку SВ1 . Цепь сброса по включению питания
обеспечивает запрет включения процессора до тех пор, пока напряжение питания не
достигнет безопасного уровня. После того, как напряжение питания достигнет
уровня включения, процессор не включается до тех пор, пока встроенный таймер не
обработает несколько периодов сторожевого таймера. Внешний сброс обрабатывается
по низкому уровню на выходе RESET. Вывод должен удерживаться в низком
состоянии, по крайней мере, два периода тактовой частоты. После снятия сигнала
0 с вывода RESET через некоторое время микроконтороллер запускается. Кроме того,
для информирования пользователя о рабочем режиме подключается светодиод VD3.
Этот светодиод мигает зеленым цветом, когда производится чтение значений температуры
из датчика. В остальное время светодиод не горит. Так как чтение значений
температуры происходит непрерывно, кроме случаев прерывания вызванных для связи
с компьютером, то светодиод мигает с периодом 0,8 мс. И перестает мигать в
момент обмена информацией с компьютером. К выводам 23 (XTA/L1) и 24 (XTA/L1) МК подсоединяется
кварцевый резонатор ZQ1 с частотой 14 МГц. Для облегчения запуска тактового
генератора необходимо подключение двух конденсаторов С7 и С8. Устройство получает питание от аккумулятора
напряжением 5 В через сглаживающий С-фильтр, состоящий из конденсаторов С5и С6
и стабилизатора напряжения. К вспомогательным устройствам относятся автоматический
выключатель QF1 и индикатор включения – светодиод VD5. Резистор R7 ограничивает
ток через светодиод. Стабилизатор напряжения включается между выходом
выпрямителя и нагрузкой. Он выполнен на микросхеме DD3 типа КР142ЕН5А. В качестве резисторов были выбраны резисторы МЛТ. Это
металлопленочные резисторы, которые содержат резистивный элемент в виде очень
тонкой металлической пленки, осажденной на основание из керамики, стекла,
слоистого пластика, ситалла или другого изоляционного материала.
Металлопленочные резисторы характеризуются высокой стабильностью параметров,
слабой зависимостью сопротивления от частоты и напряжения и высокой
надежностью. Недостатком некоторых металлопленочных резисторов является
пониженная надежность при повышенной номинальной мощности, особенно при
импульсной нагрузке. ТКС резисторов типов МЛТ не превышает 0,02% °С. Уровень
шумов резисторов группы А не более 1 мкВ/В, группы Б – не более 5 мкВ/В. Конденсаторы С6 - типа К53 - 4 – электролитический,
оксидно-полупроводниковый. Конденсаторы С1…С5, С9,С10 типа КМ-6– это
керамические монолитные конденсаторы, широко применяется в разнообразных
контурах и цепях радиоаппаратуры УКВ и КВ в качестве блокировочных, переходных
и т.д. Конденсаторы С7,C8 типа КЛС – конденсаторы керамические
литые секционные. Это конденсаторы постоянной емкости, общего назначения,
которые предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного
тока. Программирование МК осуществляется через разъем XP2. 4. Разработка алгоритма работы
микроконтроллера Программа работы микроконтроллера заключается в
следующем: 1) при нажатии кнопки RESET (SB1) производится непрерывный
(циклический) опрос датчика и сохранение полученных значений температуры в ОЗУ. 2) непрерывлый вывод полученных значений
температуры на ЖКИ индикатор (цифровое отображение информации на экране) 3) формирование сигнала предупреждения с помощью
блока светодиодов в случае выхода значения температуры за пределы
300С<Т<400С (согласно техническому заданию). Первым действием в программе производятся начальные
установки микроконтроллера. В них устанавливается указатель стека на последнюю
ячейку ОЗУ, исходное состояние каналов связи с датчиками температуры и UART,
скорость обмена по UART, разрешаются прерывания от таймера/счетчика0 и от UART,
переписывается количество и индивидуальные адреса датчиков температуры из
EEPROM в ОЗУ, в регистры записываются необходимые константы. Когда начальные установки завершены, начинается часть
программы, которая производит опрос датчика температуры. Она будет циклически
повторятся, пока подводится питание к микроконтроллеру или пока не возникнет
запрос на прерывание. Опрос датчика температуры начинается с сигнала сброса на
линии. Затем следует команда игнорирования адреса датчика температуры SKIP ROM
[CCh]. Команда начала измерения температуры CONVERT T [44h]
разрешает преобразование значений температуры в цифровой вид для датчика. Рис. 4.1. Алгоритм работы микроконтроллера Аналого-цифровое преобразование значений температуры
занимает время от 750 мс до 800 мс. Поэтому, чтобы получить правильное значение
температуры, необходимо выждать паузу 800 мс (блок 5, рис. 4.1). Пауза
выдерживается с помощью таймера/счетчика 0. Во время паузы можно совершать другие
действия (например, произвести обмен данными с компьютером или вывести
результаты на ЖКИ). После паузы производится опрос датчика. Опрос датчика
начинается с сигнала сброса на линии связи с датчиком (блок 6, рисунок 4.1).
После сигнала сброса и ответного сигнала от датчика следует команда MATCH ROM
[55h]. Эта команда сообщает датчику, что после неё на линии связи будет
выставлен индивидуальный 64-х битовый адрес датчика. После того, как адрес
выставлен на линии, датчик температуры сравнивает выставленный адрес со своим
собственным адресом, и, после этого к работе с микроконтроллером датчик готов. В блоке 7 производится чтение значения температуры и
запись его в соответствующие ячейки ОЗУ. В блоке 8 производится ветвление программы: если измеренное
значение температуры не выходит за пределы 300С<Т<400С , то результат
выводится на экран ЖКИ (блок 9). Если же измеренное значение температуры
выходит за пределы диапазона, то загорятся световые индикаторы: VD1- если
температура меньше 30 0С или VD2 –если больше 400С (блок 10). Если необходимо продолжать измерять температуру (блок
11), то переходят к блоку 4, если нет, то тогда происходит завершение
программы. Программа работы микроконтроллера для измерения
температуры приведена в приложении А. Выводы В данном курсовом проекте был разработан цифровой
термометр, позволяющий снимать температуру датчиком температуры ТМР35,
обрабатывать полученную информацию и выводить результат измерений в цифровом
виде на экран ЖК индикатора. Также с помощью последовательного интерфейса
возможна их передача на экран персонального компьютера для получения и
сохранения неограниченного количество этих значений, проведения статистического
анализа и слежение за изменением температуры во времени для разных этапов измерения. В ходе проектирования были разработаны структурная и
принципиальная электрическая схемы, алгоритм работ и текст программы для
микроконтроллерной системы. Таким образом, разработанный цифровой термометр является
компактным, переносным устройством, дающим точную информацию о температуре, что
позволяет расширить возможности измерений. Приложение А Текст программы работы микроконтроллера
|
|||