1.1 Описание элементов схемы

2.1 Выбор контроллера

В начале работы я проанализировала нескольких различных серий контроллеров: AVR, PIC и МК-51. При этом я учитывала, что контроллер должен удовлетворять требованиям к разрабатываемому устройству по следующим параметрам:

· количество портов 15,

· объем памяти 2-4 кб,

· число таймеров 2,

· реализуемые функции,

· желательно знакомая архитектура.

· Соотношение цены и качества.

Вначале рассмотрим серию AVR - ядро базируется на RISC архитектуре. Имеется регистровый файл быстрого доступа, который содержит 32 регистра общего назначения. Они непосредственно связанны с арифметико-логическим устройством (ALU), и мощной системой команд. При совершении одного тактового цикла из регистрового файла извлекаются два операнда. При этом выполняется команда, и результат записывается в регистр назначения. Производительность такой высокоэффективной архитектуры во много раз больше, чем стандартные CISC микроконтроллеры, например 51 серия.

AVR работают в широком диапазоне питающих напряжений от 2,7 В до 6,0 В. Ток потребления в активном режиме зависит от величины напряжения питания и частоты, на которой работает микроконтроллер, и составляет менее 1 мА для 500 кГц, 5…6 мА для 5 МГц и 8…9 мА для частоты 12 МГц. AVR также могут быть переведены программным путем в один из двух режимов пониженного энергопотребления. Температурные диапазоны работы микроконтроллеров AVR - коммерческий (0… 70 С) и индустриальный (-40…+85С).

Рис. 1. Структурная схема AVR

Структурная схема микроконтроллера приведённая на рис. 2.1. содержит порты ввода / вывода и интерфейсные схемы.

Гарвардская архитектура AVR реализует полное логическое и физическое разделение не только адресных пространств, но и информационных шин для обращения к памяти программ и к памяти данных. Способы адресации и доступа к ним также различны. Такое построение обеспечивает существенное повышение производительности за счет:

а) одновременной работы центрального процессора как с памятью программ, так и с памятью данных;

б) расширения до 16 бит разрядной сетки шины данных памяти программ.

Следующим шагом на пути увеличения быстродействия AVR является использование технологии конвейеризации, у микроконтроллеров семейства MCS51 короткая команда выполняется за 12 тактов генератора (1 машинный цикл), в течение которого процессор последовательно считывает код операции и исполняет ее.

Каждый из 32-х регистров общего назначения длиной 1 байт непосредственно соединен с арифметико-логическим устройством (ALU) процессора. Это означает, что в AVR существует 32 регистра-аккумулятора (сравните с MCS51). Это позволяет в сочетании с конвейерной обработкой выполнять одну операцию в ALU за один машинный цикл.

В целом архитектура AVR в сочетании с регистровым файлом и расширенной системой команд позволяет в короткие сроки создавать программы с очень эффективным кодом как по скорости его выполнения, так и по компактности.

Для решения поставленной задачи из серии AVR, был выбран наиболее подходящий контроллер AT90S2313, его основные технические характеристики:

2 Кбайт Flash - памяти с поддержкой внутрисистемного программирования SPI - последовательный интерфейс для загрузки программного кода Ресурс: 1000 циклов записи/ стирания

128 байта EEPROM: Ресурс: 100 000 циклов запись/ стирание

15 программируемых линий I/O

Питание VCC: от 2.7 В до 6.0 В

Полностью статический режим работы:

От 0 до 10 МГц, при питании от 4.0 В до 6.0 В.

От 0 до 4 МГц, при питании от 2.7 В до 6.0 В.

Производительность, вплоть до 10 MIPS при 10 МГц.

Один 8-ми разрядный таймер/ счетчик с отдельным предварительным делителем частоты.

Один 16-ти разрядный таймер/ счетчик с отдельным предварительным делителем частоты с режимами сравнения и захвата.

Полнодуплексный UART.

Выбираемые 8, 9, или 10-ти разрядные режимы широтно- импульсной модуляции (ШИМ).

Внешние и внутренние источники прерывания.

Программируемый следящий таймер с встроенным тактовым генератором.

Встроенный аналоговый компаратор.

Экономичные режимы ожидания и пониженного энергопотребления.

Программируемая блокировка для безопасности программного обеспечения.

20 выводов.

Рис. 2. Расположение выводов контроллера

Данный контроллер по ножкам и функциям полностью совместим с контроллером 51 серии AT89C4051, что позволяет использовать одну отладочную плату для обоих контроллеров.

Другой рассмотренный мной контроллер PIC16F626 наиболее распространенный и используемый контроллер серии PIC. Он обеспечивает необходимые параметры для реализации проекта по числу портов и внутренним ресурсам: таймеру памяти и частоте работы.

Контроллер относится к семейству КМОП микроконтроллеров с RISC архитектурой. Имеет внутреннее 2K x 14 бит EEPROM для программ, 8-битовые данные и 64 байт EEPROM памяти данных. При этом отличаются низкой стоимостью и высокой производительностью.

Все команды состоят из одного слова (14 бит шириной) и исполняются за один цикл (400 нс при 10 МГц), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла (800 нс). PIC16F628 имеет прерывание, срабатывающее от четырех источников, и восьмиуровневый аппаратный стек. Периферия включает в себя 8-битный таймер / счетчик с 8-битным программируемым делителем (фактически 16 - битный таймер) и 13 линий двунаправленного ввода / вывода. Высокая нагрузочная способность (25 мА макс. втекающий ток, 20 мА макс. вытекающий ток) линий ввода / вывода упрощают внешние драйверы и, тем самым, уменьшается общая стоимость системы. Разработки на базе контроллеров PIC16F628 поддерживается ассемблером, программным симулятором, внутрисхемным эмулятором и программатором.

Рис. 3. Расположение выводов PIC

Как показывает рассмотрение, данный контроллер позволяет реализовать разработку управляющего контроллера с необходимыми функциями. Однако он мне малознаком и для качественного выполнения проекта требует детального рассмотрения его архитектуры. В остальном контроллер удовлетворяет целям решаемой задачи.

При создании микроконтроллеров семейства МК-51 используется гарвардская архитектура, при которой память программ (ПЗУ) и память данных (ОЗУ) имеют раздельное адресное пространство. При использовании такой архитектуры для обращения к ячейкам памяти разного типа используются разные типы команд. Объём максимального размера адресного пространства для каждого типа памяти составляет 64 Кбайта. Но только 4 Кбайта ПЗУ и 128 байт ОЗУ располагаются непосредственно на кристалле МК 8051 АН. Существует возможность подключения внешней памяти МК семейства MCS-51 (т.е. архитектура является открытой). Следовательно, память программ и память данных могут быть увеличены посредством подключения дополнительных микросхем памяти, если это необходимо. МК-51 имеет четыре 8-разрядных параллельных порта ввода / вывода и два 16-разрядных программируемых таймера. В отличии от 51 контроллеры 52 серии имеет больший объем ОЗУ, 3 таймера, возможность работы по шине I2C. Это позволяет подключить внешнее ПЗУ и достаточное количество портов (4?8). В моем случае выбранный контроллер обеспечивает избыточное количество портов 4х8 что упрощает схемотехническое проектирование. Схема разводки ножек не выноситься так как представлена на принципиальной схеме.

Внимательно изучив свойства приведённых выше микроконтроллеров, а также сравнивая их с перечисленными требованиями (которые вытекают из совокупности необходимых параметров для разрабатываемого устройства), я сделала вывод, что наилучшим выбором будет использование МК-51, так как у него наиболее доступная цена, при этом достаточное количество портов, памяти и функций. Также его архитектура знакома мне из курса лабораторных работ. Следовательно, с ней мне будет наиболее удобно выполнять курсовую работу. А также важно то, что у него имеются необходимые мне команды деления и умножения, которые в RISC архитектуре реализуются достаточно большими подпрограммами и тем самым требуется больше памяти для управляющей программы.

2.2 Выбор элементов схемы

1) Сначала рассмотрим выбор датчиков температуры.

Выбирая датчик температуры, я проанализировала существующие аналоговые и цифровые датчики я пришла к выводу, что использование аналогового датчика требует дополнительных элементов: усилителя и АЦП, что заметно усложняет схему, поэтому я предпочла цифровой вариант, в виде чипа DS18B20. Для выполнения моего курсового задания необходима точность +/-1, а эти датчики сертифицированы как измерительные приборы и обеспечивают точность до 0.1. Соответственно, возможно их использование в качестве надёжного средства измерения. При этом не требуется АЦП, так как выполнение операции преобразования полученных данных в цифровой вид ими обеспечивается самостоятельно. Второй важный момент, то что данный датчик может быть подключен по однопроводной сигнальной линии и передает данные по протоколу IWare. Благодаря обеспечению возможности адресного обращения возможно использование одной линии связи для всех датчиков.

Датчик DS18B20 имеет следующие отличительные особенности:

1. Точность ±0.5°C от -10°C до +85°C,

2. Разрешение от 9 до 12 бит, которое настраивается пользователем,

3. Передача данных посредством 1-проводного последовательного интерфейса,

4. 64-битный уникальный и неизменяемый серийный номер,

5. Многоточечное считывание,

6. Рабочее напряжение от 3.0В до 5.5В,

7. Вариант датчика с запиткой с линии данных (DS18B20-PAR),

8. O-92, 150mil 8-контактный SOIC, или 1.98 мм x 1.37 мм корпус с шариковыми выводами (±2.0°C).

Данные в микросхеме DS18B20 считываются через 1-проводную последовательную шину в дополнительном от 9 до 12 битном (программируется пользователем) коде с ценой младшего разряда от 0.5°C до 0.0625°C. Она является термометром с цифровым вводом / выводом, работающим с точностью ±0.5°C.

У каждой микросхемы DS18B20 имеется уникальный и неизменяемый 64-битный серийный номер, используемый как узловой адрес датчика. При этом появляется возможность сосуществовать множеству микросхем DS18B20 на одной 1 проводной шине. Микросхема DS18B20 может быть локально запитана от 3.0В до 5.5В или она может быть сконфигурирована таким образом, чтобы быть запитанной посредством 1-проводной линии данных.

Осуществление передачи команды начала преобразования и других команд, а также считывания значения измеренной температуры производится с помощью 1-проводного интерфейса (1-WireTM).

Используемый 1-проводным интерфейсом протокол не сложен. В любой момент времени на 1-проводной шине можно выделить устройство-мастер, которым может быть микропроцессор или компьютер, и подчиненное устройство, в нашем случае это микросхема система нагрева и охлаждения.

Мастер всегда выступает инициатором обмена по 1-проводной шине. Обмен с датчиком всегда начинается с процесса инициализации. Инициализация производится в следующей последовательности:

1. Формируется импульс сброса не менее 480 мкс.

2. Далее линия отпускается и через некоторое время не более 60 мкс она закорачивается самим датчиком это как сигнал готовности к обмену.

3. Далее следует выполнить передачу команды и адреса конкретного датчика установленного на шине.

После того, как мастер обнаружил ответ, он может передать датчику одну из команд. Передача ведётся путём формирования мастером специальных временных интервалов (time slots). Каждый временной интервал служит для передачи одного бита. Первым передаётся младший бит. Интервал начинается импульсом низкого уровня, длительность которого лежит в пределах 1 - 15 мкс.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Временная диаграмма инициализации

Поскольку переход из единицы в ноль менее чувствителен к ёмкости шины (он формируется открытым транзистором, в то время как переход из ноля в единицу формируется подтягивающим резистором), именно этот переход используют 1-проводные устройства для синхронизации с мастером. В подчиненном устройстве запускается схема временной задержки, которая определяет момент считывания данных. Номинальное значение задержки равно 30 мкс, однако, оно может колебаться в пределах 15-60 мкс. За импульсом низкого уровня следует передаваемый бит. Он должен удерживаться мастером на шине в течение 60 - 120 мкс от начала интервала. Временной интервал завершается переводом шины в состояние высокого уровня на время не менее 1 мкс. Длительность интервала зависит от собственной емкости линии определяемой длинной. Так как в моем устройстве датчики находятся на большом расстоянии от контроллера, то рекомендуется не мене 15 мкс.

Первой командой, которую должен передать мастер для DS18S20 после инициализации, является одна из команд реализуемых устройством функций.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Временная диаграмма передачи 0-го бита

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Пример передачи 1 бита

При приеме данных от подчиненного устройства временные интервалы для принимаемых битов тоже формирует мастер. Интервал начинается импульсом низкого уровня длительностью 15 мкс. Затем контроллер отпускает шину и если через 30 мкс он считывает 0, то этот бит удерживает термометр, иначе считывается 1. Таким способом, последовательно тактируя каждый бит, контроллер считывает все требуемые ему данные. Прием байта начинается с младшего бита.

Рассмотрим особенности протокола обмена. Вначале после проведения процедуры инициализации передается команда на выполнение определенных функций. Так как на линии подключено три термометра, то можно выполнить запуск измерения температуры сразу для всех термометров и чтобы исключить обмен номерами передаем команду пропустить передачу номера 0xCC. Далее посылаем команду Convert T - 0х44. Это сразу в трех микросхемах термометров запускает измерение и преобразование в цифровой вид температуры. Далее необходимо сформировать задержку от 500 до 750 мкс (зависит от конкретного типа микросхемы, поэтому выбираем наибольший интервал). Далее процедура сброса повторяется и теперь для выборки измеренной температуры необходимо передать команду 0xCD после чего передается номер конкретного термометра, а далее посылаем команду Read Scratchpad - BEh. Первый байт содержит знак, если температура «+», то он заполнен 000000000-ми, если «- «, то 11111111-ми. Если температура отрицательна, то значение температуры передается в инверсном дополнительном коде, что требует преобразования температуры.

Для DS18S20 температура представляется в виде 9-битного значения в дополнительном коде. Поскольку это значение занимает 2 байта, все разряды старшего байта равны знаковому разряду. Дискретность представления температуры составляет 0.5°C.

контроллер кондиционирование индикатор температура

Таблица 2.1. Зависимость выходного кода от температуры

2.3 Описание принципиальной схемы

Принципиальная схема состоит из следующих узлов:

1) Входные датчики (выбор датчиков был обоснован ранее). Данные датчиков: измеренное значение температуры считывается и по последовательному каналу загружается в контроллер, откуда определяем температуру воздуха как снаружи, так и внутри канала, то есть после подогрева, насколько тёплый воздух мы подаём и, наконец, непосредственно в комнате. Для этого нам и необходимы три датчика, которые обеспечивают три точки контроля. Число датчиков может быть при необходимости расширено.

2) Для подключению к компьютеру используется стандартный компорт, обеспечивающий интерфейс +/ - 12 В RS232. Так как нужно подключить контроллер, имеющий аналогичный интерфейс, но с потенциалом +/ - 5 В, требуется преобразователь интерфейса, в качестве которого выбрана типовая микросхема МАХ232. Она формирует требуемые +/ - 12 В за счёт встроенного внутреннего генератора и конденсаторов обвязки, подключённых к данному чипу.

3) Схемы сброса и подключения кварцевого резонатора стандартные, рекомендуемые производителем, поэтому не требуют никакого изменения.

4) Для управления всей системой решено использовать восьмиклавишную клавиатуру, которая реализована с помощью специальной микросхемы - шифратора К155ИВ1, которая определяет, какая из клавиш нажата и передает код клавиши всего по трём проводам, что сокращает число необходимых для использования портов.

5) Для отображения нужной пользователю информации о состоянии системы в целом используется двустрочный ЖКИ - индикатор, который обеспечивает возможность отображения как символьных элементов, так и цифровых, что позволяет вводить нужный объём информации с необходимыми комментариями. Такое решение наиболее оптимальное в данном случае для реализации интерфейса с пользователем.

6) Для управления исполнительной частью, то есть вентилятором подачи воздуха и нагревательным элементом - тэном, используется два ключевых элемента: 1) мощное реле, которое коммутируется транзисторным ключом и включает тэн на нагрев, 2) ключ оптосиммисторный, использует оптосиммистор МОС306, но так как он образует ток до 1А, то он управляет более мощным ВТ139. Это позволяет подключать мотор вентиляции до 2 - 3 кВт. Такое управление через электронный ключ позволяет обеспечить необходимые коммутационные параметры и регулировать скорость вращения и соответственно скорость движения воздуха. Регулировка скорости производится с помощью импульсной модуляции.

3. Разработка программы управления