Разработка микропроцессорной системы удаленного мониторинга многоканального источника напряжения

По заданию необходимо знать значение тока от 4-х источников постоянного напряжения:1)+5В(5-20А), 2)+12В(0.1-1А), 3)+15В(0.5-2А),4) -15В(0.5-2А).

Выберем датчик ACS712 , принцип работы которого основан на эффекте Холла, с линейным выходом по напряжения.

Рис. 3 - Подключение датчика

Для первого источника напряжения ACS712ELCTR-30A-T -диапазон измеряемого тока ±30А.

Рис. 4 - График зависимости выходного напряжения от измеряемого тока

Для остальных - ACS712ELCTR-05B-T-диапазон измеряемого тока ±5А.

Рис. 5 - График зависимости выходного напряжения от измеряемого тока

3. Выбор АЦП и микроконтроллера

Для реализации поставленной задачи выберем микроконтроллер семейства МК-51 AT89C51RD2.

Отличительные особенности:

Совместимость с 80C52 Совместимость с инструкциями 8051 Шесть 8-разрядных порта ввода-вывода (64-выводная или 68-выводная версии) Четыре 8-разрядных порта ввода-вывода (44 -выводная версия) Три 16-разрядных таймера-счетчика 256 байт сверхоперативной памяти 9 источников запроса на прерывание с 4 уровнями приоритета.

Интегрированный контроль питания (POR/PFD) для контроля внутреннего питания.

Внутрисхемное программирование ISP использует стандартное питание Vсс.

Загрузочное ПЗУ содержит процедуры низкого уровня для программирования флэш-памяти и исходный последовательный загрузчик

Высокопроизводительная архитектура 40 МГц в стандартном режиме 20 МГц режиме X2 (6 тактов в машинном цикле)

64 кБ встроенной флэш-памяти программ/данных Побайтная и постраничная (128 байт) очистка и запись 100000 циклов записи.

Встроенное расширенное ОЗУ емкостью 1792 байт (XRAM) Программно выбираемый размер (0, 256, 512, 768, 1024, 1792 байт) 768 байт выбирается при сбросе для совместимости с T89C51RD2.

Встроенные 2048 байт ЭППЗУ для хранения данных (только у AT89C51ED2) 100000 циклов записи.

Двойной указатель данных

Переменная длина инструкции MOVX для доступа к медленному ОЗУ и периферийным устройствам.

Улучшенный режим X2 с независимыми настройками ЦПУ и каждого периферийного устройства.

Клавиатурный интерфейс на порте 1 с функциям прерывания.

SPI-интерфейс (режим ведущий/подчиненный)

8-разрядный предделитель тактовых импульсов

16-разрядный программируемый счетный массив Быстродействующий выход Функции сравнения и захвата фронтов Широтно-импульсная модуляция Совместимый сторожевой таймер

Вывод асинхронного сброса

Полнодуплексный улучшенный УАПП с встроенным генератором скорости передачи

Малые электромагнитные излучения (запрещен ALE)

Аппаратный сторожевой таймер (однократно разрешается после сброса), флаг выключения питания

Режимы управления энергопотреблением: режим холостого хода (Idle), экономичный (Power-down) режим

Диапазон напряжения питания: 2.7В…5.5В

Промышленный температурный диапазон(-40 …+85°C)

Для обработки сигнала с датчиков целесообразно выбрать один четырёхканальный АЦП ADS7841 со следующими параметрами:

напряжение питания: 2.7-5 В

разрядность: 12 бит

число каналов: 4

последовательный интерфейс

возможность 8 битной разрядности

В качестве источника опорного напряжения для АЦП используем микросхему ИОН AD586M (+5В), запитав её от источника +15В.

Рис. 6 - Схема подключения ADS7841

Рис. 7 - Блок-схема программы АЦП

Рис. 8 - Интерфейс АЦП

В соответствие с алгоритмом и даташитом напишем программу.

Линия DIN: старт-бит устанавливаем в 1.

А2,А1,А0-меняем значения в соответствие с датчиком.

MODE- устанавливаем в 1(12 битный режим).

SGL-1.

PD1, PD0-1(не включаем режим энергосбережения)

while (B>0)

{KOD_ADC[x]=KOD_ADC[x]<<1;

KOD_ADC[x]|=DOUT;

DCLK=1;

DCLK=0;

B--;

}

В этом цикле получаем 12 разрядов, которые последовательно передаёт АЦП. Вначале идет старший разряд-поэтому сдвигаем его 11 раз.В переменной KOD_ADC[x] вначале записаны нули, поэтому после выполнения операции ИЛИ с DOUT(бит, который передает АЦП), в KOD_ADC[x] записывается 1,если DOUT=1, и остается 0 если DOUT=0.

х-это номер датчика значение напряжения которого оцифровывается.

x++ увеличиваем на единицу после опроса АЦП.

В следующем цикле переключаем АЦП на те, датчики, которые еще не опросили. Делаем это с помощью изменения переменных А2,А1,А0.

if(x==1)

{A2=1;A1=0;A0=1;}

else

{

if(x==2)

{A2=0;A1=1;A0=0;} // переключаем ацп

else

{

if(x==3)

{A2=1;A1=1;A0=0;}

else

{

A2=0;A1=0;A0=1;

x=0;

}}}

Ввиду отсутствия данного АЦП в протеусе и необходимости какого-нибудь моделирования, было произведено моделирование в Keil, путем изменения Р1.4 и дописанием нескольких строчек кода для вывода на порты полученного значения.

Было промеделировано напряжение 3.333В-т.е. Р1.4 изменялся так 101010101010. На порт Р3-целое значение Р5,Р4-дробное

Рис. 9 - Код АЦП в Keil

Рис. 10 - Сигналы в Keil

4. Реализация HART протокола

В качестве индикатора выберем LM032L.

Текст программы:

Вначале необходимо инициализировать дисплей-это выполняет подпрограмма LCD_init(). Далее идет уже собственно передача на дисплей значения тока.

Рис. 18 -Результат моделирования индикатора

6. Сторожевой таймер

Для защиты от зависания используем аппаратно встроенный в микроконтроллер Watchdog Timer.

Включение(и перезагрузка) таймера производится так:

WDTRST=0x1E;

WDTRST=0xE1;

Если данный код не выполняется установленное число машиных циклов, то происходит перезагрузка микроконтроллера.

Запишем в регистр WDTPRG число 7. Тогда число машиных циклов в течение которых таймер должен перезагрузиться будет рано 221-1, что при нашей частоте (11,0592МГц) соотвествует 2.268 секундам.

C51 COMPILER V9.50a STARTUP 12/27/2012 01:05:46 PAGE 1

C51 COMPILER V9.50a, COMPILATION OF MODULE STARTUP

OBJECT MODULE PLACED IN STARTUP.OBJ

COMPILER INVOKED BY: C:\Keil\C51\BIN\C51.EXE STARTUP.C LARGE BROWSE DEBUG OBJECTEXTEND TABS(2)

line level source

1 #include <at89c51xd2.h>

2 #include <intrins.h> // Библиотека, содержащая _nop_

3 #include <stdio.h>

4 #include <stdlib.h>

5 #define E_Strobe E = 1; _nop_(); E = 0

6

7 ///-----------АЦП--------------////

8 sbit CS=P1^0;

9 sbit DCLK= P1^1;

10 sbit DIN= P1^2;

11 sbit BUSY= P1^3;

12 sbit DOUT=P1^4;

13 ///-----------HART Modem--------------////

14 //sbit RxD=P3^0; //ввод

15 // sbit TxD=P3^1; //вывод

16 // sbit OCD=P3^2;

17 sbit RTS=P3^3;

18 sbit RST=P3^6;

19 ///-----------ЦАП--------------////

20 sbit CLOCK=P1^5;

21 sbit DATA= P1^6;

22 sbit LATCH= P1^7;

23 ///-----------Индикатор--------------////

24 sbit RS=P2^0;

25 sbit RW=P2^1;

26 sbit E=P2^3;

27 sbit BUSY_I=P0^7; //!!

28

29

30 ///-----------глобальные переменные--------------////

31 float I[4];

32 unsigned char txtbuf1[10];

33 unsigned char txtbuf2[10];

34 unsigned char txtbuf3[10];

35 unsigned char txtbuf4[10];

36

37

38 //// подпрограмма HART

39 void HART () interrupt 0 using 1 // от INT0 P3.2 1 банк

40 {unsigned char nomer_byte=0, Vsego_byte=100; // Vsego_byte пока неизвестно

41 1 unsigned char PREAMBLE=0xFF,PR=0, STRT=6, BCNT=2, STATUS[2] ,CHK;

42 1 unsigned char COM,ADDR; // команда адрес

43 1 unsigned char PRIEM[10],bit_chetnosti[10];

44 1

45 1 /// переменные ЦАП

46 1 int kod_DAC[4];

47 1 char sdvig=15;

48 1 double I_mA[4];

49 1 int kod_na_1mA=2048;

50 1

51 1

52 1

53 1 RST=0; // reset модем

54 1

55 1

C51 COMPILER V9.50a STARTUP 12/27/2012 01:05:46 PAGE 2

56 1 ///// приём

57 1

58 1

59 1

60 1 TMOD = 0x20; //1 таймер в режиме автоперезагрузки

61 1 TH1 = 232; //скорость передачи 1200 бит\с

62 1 TR1=1; // запуск таймера

63 1

64 1 while(nomer_byte<Vsego_byte)

65 1 {REN=1; // разрешение приема

66 2 while(RI==0) {}

67 2

68 2 PRIEM[nomer_byte]=SBUF;

69 2 bit_chetnosti[nomer_byte]=TB8;// узнаём бит четности для проверки

70 2 ACC=PRIEM[nomer_byte];// узнаём P

71 2 if(P!=bit_chetnosti[nomer_byte])

72 2 {goto Exit; //ошибка, четность

73 3}

74 2 RI=0;

75 2

76 2 nomer_byte++;

77 2 if(nomer_byte==8) // BCNT

78 2 {Vsego_byte=0+10; //Vsego_byte=PRIEM[8]+10;

79 3 ADDR=PRIEM[6]; // узнали адрес датчика

80 3 COM=PRIEM[7]; // узнали команду

81 3}}

82 1

83 1 if(PRIEM[9] !=(PRIEM[5]^PRIEM[6]^PRIEM[7]^PRIEM[8])) // проверяем контр сумму

84 1 {goto Exit; //несоответсвие контр сумме

85 2}

86 1

87 1 STATUS[0]=0; // всё ок

88 1 STATUS[1]=0;

89 1 REN=0; // запрет приема

90 1

91 1

92 1 /////// передачa

93 1 RTS=1; // идет передача в модем

94 1 CHK=STRT^ADDR^COM^BCNT^STATUS[0]^STATUS[1]; // контрольная сумма=искл-или

95 1

96 1

97 1 TH1 = 232;

98 1 while(PR<5) // передаем преамбулу

99 1 {ACC=PREAMBLE; //для контроля четности

100 2 TB8=P;

101 2 SBUF=PREAMBLE;

102 2 while(TI==0) {}

103 2 TI=0;

104 2 PR++;

105 2}

106 1

107 1 ACC=STRT; //для контроля четности

108 1 TB8=P;

109 1 SBUF=STRT; // передаем STRT

110 1 while(TI==0) {}

111 1 TI=0;

112 1

113 1 ACC=ADDR;

114 1 TB8=P;

115 1 SBUF=ADDR; // передаем адрес

116 1 while(TI==0) {}

117 1 TI=0;

C51 COMPILER V9.50a STARTUP 12/27/2012 01:05:46 PAGE 3

118 1

119 1 ACC=COM;

120 1 TB8=P;

121 1 SBUF=COM; //

122 1 while(TI==0) {}

123 1 TI=0;

124 1

125 1 ACC=BCNT;

126 1 TB8=P;

127 1 SBUF=BCNT; //количество оставшихся байт

128 1 while(TI==0) {}

129 1 TI=0;

130 1

131 1 ACC=STATUS[0];

132 1 TB8=P;

133 1 SBUF=STATUS[0]; //

134 1 while(TI==0) {}

135 1 TI=0;

136 1

137 1 ACC=STATUS[1];

138 1 TB8=P;

139 1 SBUF=STATUS[1]; //

140 1 while(TI==0) {}

141 1 TI=0;

142 1 ACC=CHK;

143 1 TB8=P;

144 1 SBUF=CHK; // контрольная сумма

145 1 while(TI==0) {}

146 1 TI=0;

147 1

148 1

149 1 ///----------ЦАП------------////

150 1 I_mA[ADDR]=0.64*I[ADDR]+4; //

151 1 kod_DAC[ADDR]=I_mA[ADDR]*kod_na_1mA; // передаваемый код ЦАП

152 1

153 1 // начало передачи

154 1 CLOCK=0;

155 1 DATA=0;

156 1 LATCH=0;

157 1

158 1 LATCH=1;

159 1 DATA=(kod_DAC[ADDR]>>sdvig)&1; //выделяем старшй бит

160 1 P3=DATA; //

161 1

162 1 LATCH=0;

163 1 CLOCK=1;

164 1 CLOCK=0;

165 1 sdvig--;

166 1

167 1 while(sdvig>=0)

168 1 {DATA=(kod_DAC[ADDR]>>sdvig)&1;

169 2 CLOCK=1;

170 2 CLOCK=0;

171 2 sdvig--;

172 2}

173 1

174 1 Exit:

175 1 REN=0; // запрет приема

176 1 TR1=0; // выкл таймера

177 1 RTS=0; // когда 1 идет передача в модем

178 1}

179

C51 COMPILER V9.50a STARTUP 12/27/2012 01:05:46 PAGE 4

180 //индикация

181

182 void check_busy(void)

183 {do

184 1 {P0 = 0xff;

185 2 E = 0;

186 2 RS = 0;

187 2 RW = 1;

188 2 E = 1;

189 2} while(BUSY==1);

190 1 E = 0;

191 1}

192 void write_command(unsigned char com)

193 {check_busy();

194 1 RS = 0;

195 1 RW = 0;

196 1 P0 = com;

197 1 E_Strobe;

198 1}

199 void write_data(unsigned char dat)

200 {check_busy();

201 1 RS = 1;

202 1 RW = 0;

203 1 P0 = dat;

204 1 E_Strobe;

205 1}

206 void LCD_init(void)

207 {write_command(0x38); // 8-bits, 2 lines, 7x5 dots

208 1 write_command(0x0C); // no cursor, no blink, enable display

209 1 write_command(0x06); // auto-increment on

210 1 write_command(0x01); // clear screen

211 1}

212 void string(unsigned char ad, unsigned char *s)

213 {write_command(ad);

214 1 while(*s>0)

215 1 {write_data(*s++);

216 2}

217 1}

218

219

220

221

222

223

224

225

226

227 ///////////////

228 void main()

229 {int KOD_ADC[4];

230 1 char B=12,x=0, A2=0,A1=0,A0=1;

231 1 float U[4], Razreshenie_ADC;

232 1 int N1, N2, N3,N4; //для индикации

233 1

234 1 Razreshenie_ADC=5.0/4096;

235 1

236 1 SM0=1;

237 1 SM1=1; // режим 3 последовательного порта старт-бит(0), 8бит, бит ТВ8, стоп-бит(1)

238 1 EA=1; // разрешение прерываний

239 1 EX0=1; // разрешение прерываний от INT0

240 1 RTS=0; // когда 1 идет передача в модем

241 1

C51 COMPILER V9.50a STARTUP 12/27/2012 01:05:46 PAGE 5

242 1 WDTPRG=7; //2.09 секунд при 12 MHz watch dogs timer

243 1

244 1 ////////АЦП

245 1 while (1)

246 1 {P1=0xF0; //DCLK=0;DIN=0; CS=0; BUSY=0;DOUT=1;

247 2 KOD_ADC[x]=0;

248 2

249 2 DIN=1; // start

250 2 DCLK=1;

251 2 DCLK=0; //

252 2 DIN=A2; // A2

253 2 DCLK=1;

254 2 DCLK=0;

255 2 DIN=A1; // A1

256 2 DCLK=1;

257 2 DCLK=0;

258 2 DIN=A0; // A0

259 2 DCLK=1;

260 2 DCLK=0;

261 2 DIN=0; // MODE

262 2 DCLK=1;

263 2 DCLK=0;

264 2 DIN=1; // SGL см TABLE1

265 2 DCLK=1;

266 2 DCLK=0;

267 2 DIN=1; // PD1 см TABLE5

268 2 DCLK=1;

269 2 DCLK=0;

270 2 DIN=1; // PD0

271 2 DCLK=1;

272 2 DCLK=0;

273 2 DIN=0;

274 2 BUSY=1;

275 2 DCLK=1;

276 2 DCLK=0;

277 2 BUSY=0;

278 2

279 2 while (B>0)

280 2 {KOD_ADC[x]=KOD_ADC[x]<<1;

281 3 KOD_ADC[x]|=DOUT;

282 3 DCLK=1;

283 3 DCLK=0;

284 3 B--;

285 3}

286 2 B=12;

287 2 DCLK=1;

288 2 DCLK=0;

289 2 DCLK=1;

290 2 DCLK=0;

291 2 DCLK=1;

292 2 DCLK=0;

293 2

294 2 CS=1;

295 2 BUSY=1;

296 2 DOUT=1;

297 2

298 2 U[x]=Razreshenie_ADC*KOD_ADC[x]; //напряжение на датчике

299 2

300 2 if(x==0) {

301 3 I[x]=(U[x]-2.5)*15; // ACS712ELCTR-30A-T для 5В

302 3}

303 2 else{

C51 COMPILER V9.50a STARTUP 12/27/2012 01:05:46 PAGE 6

304 3 I[x]=(U[x]-2.5)*5; // ACS712ELCTR-05B-T

305 3}

306 2

307 2 x++;

308 2 if(x==1)

309 2 {A2=1;A1=0;A0=1;}

310 2

311 2 if(x==2)

312 2 {A2=0;A1=1;A0=0;}

313 2 // переключаем АЦП

314 2 if(x==3)

315 2 {A2=1;A1=1;A0=0;}

316 2

317 2 if(x==4)

318 2 {A2=0;A1=0;A0=1;

319 3 x=0;

320 3}

321 2

322 2 WDTRST=0x1E; // включаем(перезагружаем) watch dogs timer

323 2 WDTRST=0xE1;

324 2

325 2 //индикация

326 2

327 2 LCD_init();

328 2 N1 = sprintf(txtbuf1,"%.3f",I[0]);

329 2 N2 = sprintf(txtbuf2,"%.3f",I[1]);

330 2 N3 = sprintf(txtbuf3,"%.3f",I[2]);

331 2 N4= sprintf(txtbuf4,"%.3f",I[3]);

332 2 string(0x83, txtbuf1 );

333 2 string(0x8E, txtbuf2 );

334 2 string(0xC3, txtbuf3 );

335 2 string(0xCE, txtbuf4 );

336 2 string(0x80, "I1=");

337 2 string(0x89, "A");

338 2 string(0x8B, "I2=");

339 2 string(0x93, "A");

340 2 string(0xC0, "I3=");

341 2 string(0xC8, "A");

342 2 string(0xCB, "I4=");

343 2 string(0xD3, "A");

344 2}}

345

MODULE INFORMATION: STATIC OVERLAYABLE

CODE SIZE = 1720 ----

CONSTANT SIZE = 23 ----

XDATA SIZE = 56 96

PDATA SIZE = ---- ----

DATA SIZE = ---- ----

IDATA SIZE = ---- ----

BIT SIZE = ---- ----

END OF MODULE INFORMATION.

C51 COMPILATION COMPLETE. 0 WARNING(S), 0 ERROR(S)

Заключение

Итогом выполнения курсовой работы является разработка системы удаленного мониторинга. В ходе выполнения были проанализированы возможные варианты решения поставленной задачи с обоснованием выбора функциональной схемы и элементной базы системы. Была спроектирована принципиальная схема системы с описанием ее работы. В результате были составлены алгоритм и программа работы микроконтроллера, написанная на языке программирования высокого уровня С. В завершении было предоставлено конструктивное исполнение системы в виде печатной платы. Также была произведена проверка работоспособности устройства.

Литература

1. Александров К.К. Электротехнические чертежи и схемы / К.К. Александров, Е.Г. Кузьмина. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.

Размещено на Allbest.ru