Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Техническое задание

2. Структурно-функциональная схема

3. Описание микрокнтроллера

4. Выбор элементарной базы

5. Расчётная часть

6. Описание функционирования устройства



1. Техническое задание

Разработать микропроцессорное устройство управления резервным источником питания компьютера (UPS) на базе микроконтроллера семейства МК 51.

Устройство должно осуществлять:

1. Контроль входного напряжения;

2. Контроль заряда резервного источника питания;

3. Контроль выходного напряжения, которое подаётся на блок питания персонального компьютера;

4. Отключение от электросети и переход на резервный источник питания, если действующее напряжение меньше 200В или больше 250В;

5. Посылку соответствующего сигнала на COM-порт компьютера при изменении состояния.

2. Структурно-функциональная схема

Основные функциональные узлы устройства управления резервным источником питания компьютера с учётом их связей и путей передачи информации представлены в виде схемы приведённой ниже.

Рисунок 1. Структурно функциональная схема.



Блок начального сброса генерирует импульс, приводящий систему в исходное состояние. В системе присутствуют два электромагнитными реле. Одно из них служит для отключения/подключения ПК от/к электросети. Другое, при необходимости, подключает схему подзарядки аккумулятора, выпрямляющую переменное напряжение. Реле управляются микроконтроллером. Также микроконтроллер участвует в формировании переменного напряжения, воздействуя на схему генерации импульсов, при питании от аккумулятора, и посылает сигналы на COM-порт компьютера, при изменении состояния системы. Трансформатор выполняет две функции. При питании системы от аккумулятора преобразует переменное напряжение 12В в 220B, а при зарядке аккумулятора от электросети наоборот.

3. Описание микрокнтроллера

Микроконтроллер ADuC812 является аналогом микроэвм 51 серии. Он совместим программно и аппаратно, но имеет более развитую архитектуру: 3 счетчика-таймера, 8-канальный 12-разрядный АЦП и два 12-разрядных ЦАП, 8 кбайт ЭРПЗУ (FLASH), 640 байт ЭРПЗУ памяти данных, 256 байт статической памяти данных с произвольной выборкой (RAM); позволяет адресовать 16 Мбайт внешнего ОЗУ, 64 кбайт памяти программ. Система прерываний расширена: 9 источников c двумя уровнями приоритетов. Помимо этого, поддерживается последовательный канал стандарта I²C. Для мультипроцессорного обмена и расширения ввода/вывода имеются 32 программируемые линии, I²C, SPI и UART интерфейсы. Для гибкого управления в приложениях с низким потреблением в МК и аналоговой части предусмотрены 3 режима работы: нормальный, холостой и дежурный. Продукт специфицирован для +3/+5В работы в индустриальном диапазоне температур и поставляется 52-выводном пластмассовом корпусе (PQFP).



Рисунок 2. Функциональная блок-схема ADuC812.

Блок АЦП включает в себя восьмиканальный пяти микросекундный А/Ц преобразователь с однополярным питанием. Пользователю предоставлены многоканальный мультиплексор, устройство выборки-хранения, встроенный ИОН, система калибровок и собственно АЦП. Все компоненты блока легко управляется через три интерфейсных регистра специального назначения. А/Ц преобразователь состоит из стандартного конвертера последовательного приближения и емкостного ЦАП. Конвертер получает аналоговые входные сигналы в диапазоне 0 - 2,5В. На кристалле расположен ИОН - прецизионный блок с низким дрейфом, откалиброванный изготовителем до 2.5В. На контакте Vref внутренний ИОН может быть подавлен внешним. Внешний ИОН может быть в диапазоне от 2.3 до 2,5В. Однократный или повторяющийся режимы преобразования могут выполняться программно или подачей внешнего сигнала Запуска Преобразования на контакт 25 (CONVST). Также для инициирования повторяющегося процесса преобразования можно использовать сигналы Таймера 2. АЦП можно установить в режим передачи данных по каналу прямого доступа к памяти - ПДП (DMA), когда блок повторяет циклы преобразования и посылает выборки во внешнюю память данных (RAM), минуя процессор. Этот процесс может охватывать весь объем внешней памяти 16МБ. ADuC812 поставляется с заводскими калибровочными коэффициентами, которые загружаются автоматически по включению питания, обеспечивая тем самым оптимальную работу устройства. Ядро АЦП содержит внутренние регистры калибровок Смещения и Усиления, причем, обеспечено, чтобы программная процедура калибровки пользователя подавляла заводские установки, давая тем самым минимум ошибок в конечной системе. Если необходимо, то через АЦП можно так же преобразовать сигнал внутреннего температурного сенсора (канал 9).

Диапазон входных напряжений АЦП 0..2,5В. Для этого диапазона напряжений смена соответствующих кодов происходит посередине между последовательными квантами. Выходной код - прямая в двоичном коде с 1LSB=FS/4096 или 2.5В/4096=0.61мВ при Vref=2.5В. Работа АЦП полностью контролируется тремя регистрами: ADCCON1, ADCCON2 и ADCCON3. Регистр ADCCON1 управляет преобразованием, временем переключения, режимами преобразования и потреблением устройства. Регистр ADCCON2 управляет выбором номера канала и режимами преобразования. Регистр ADCCON3 Дает индикацию занятости АЦП для прикладных программ.

Если используется внутренний ИОН оба контакта Vref и Cref должны быть блокированы конденсаторами 100 нФ на аналоговую землю AGND. Емкости следует располагать к контактам так близко, как это только возможно. Для правильной работы устройства при использовании внешнего ИОН его величина должна быть в пределах от 2,3 В до аналогового питания AVdd. Если требуется, чтобы внутренний ИОН использовался вне устройства, его необходимо буферизовать от контакта Vref, так же следует использовать конденсатор емкостью 100 нФ на AGND. Внутренний ИОН калибруется на заводе с точностью 2,5 В ± 50 мВ. Следует отметить, что внутренний ИОН будет выключен до тех пор пока ЦАП или АЦП не будут включены соответствующими битами разрешения.

ADuC812 включает в себя внутреннее ЭРПЗУ, выполненное по FLASH технологии для предоставления пользователю неразрушаемой, программируемой в системе памяти программ (кода) и данных. FLASH РПЗУ - новейший тип в технологии памяти и основывается на архитектуре одно-транзисторной ячейки. Эта технология вышла из известной технологии создания ЭПЗУ и была разработана в конце 1980-х годов. FLASH память обладает гибкостью программирования в системе (изделии), присущей электрически стираемой программируемой памяти (ЭСПЗУ) и минимальным объемом, присущим электрически программируемой памяти (ЭПЗУ). Так как FLASH технология базируется на архитектуре одно-транзисторной ячейки, то FLASH память, подобно ЭПЗУ, можно применять в изделиях, где требуется очень высокая плотность размещения памяти. Подобно ЭСПЗУ FLASH память можно программировать в составе системы на уровне байтов, хотя прежде она должна быть стерта; причем, стирание выполняется блоками. Таким образом, FLASH память часто и, более правильно, называют FLASH/EE память (с электрическим стиранием). В итоге, FLASH/EE память представляет следующий шаг в направлении идеального устройства памяти, обладающего свойством неразрушаемости, программируемостью в составе системы, высокой плотностью упаковки и низкой стоимостью. FLASH/EE память в составе ADuC812 позволяет модифицировать программный код дистанционно в узлах системы без необходимости их смены в случае однократно программируемых устройств (ОТР).

ADuC812 обеспечивает восемь источников и два уровня прерываний.

Таблица 1. Адреса векторов прерываний.

Для обработки любого из прерываний следует предпринять следующие три действия:

1. Расположить процедуру обслуживания прерывания по адресу соответствующего прерывания.

2. Установить бит разрешения всех прерываний (ЕА) «1» в регистре IE SFR.

3. Установить бит разрешения индивидуального прерывания в «1» в IE или IE2 SFR.

Для разрешения и установки приоритета различных прерываний используются три регистра специального назначения. Следует отметить, что в то время как регистры IE и IP являются бит-адресуемыми, регистр IE2 - адресуется только байтом.

Для обмена с внешними устройствами в составе ADuC812 имеется четыре порта общего назначения. В дополнении к функции общего ввода/вывода, некоторые порты могут управлять операциями с внешней памятью, в то время как другие мультиплексируются альтернативными функциями для периферии. В общем случае, когда периферийная функция для контакта порта разрешена, данный контакт не может употребляться в качестве бита порта ввода/вывода общего назначения. Порты 0, 2 и 3 - двунаправленные, порт 1 служит только для ввода. Все порты содержат выходную защелку и входной буфер, порты ввода/вывода содержат также выходной буфер (драйвер). Доступ к контактам Портов 0 - 3 по Чтению и Записи выполняется через соответствующие регистры специального назначения. Контакты Портов 0, 2 и 3 можно конфигурировать независимо как для цифрового ввода, так и для вывода через соответствующие биты SFR. Контакты порта 1 можно конфигурировать только либо на цифровой ввод, либо на аналоговый; возможность цифрового вывода по порту 1 не поддерживается.

Последовательный порт - полнодуплексный, что означает возможность одновременной передачи и приема. Имеется буфер приема, что подразумевает возможность приема второго байта до считывания из регистра приемника предыдущего. Однако если предыдущий байт не будет считан из регистра к моменту окончания приема второго байта, то один из байтов будет утерян. Физический интерфейс к сети последовательных данных осуществляется через контакты RxD (P3.0) и TxD (P3.1), а сам порт можно конфигурировать на четыре режима работы.

Приведём описание некоторых регистров специального назначения.

TMOD Регистр режима таймера

TMOD.3/.7 Бит контроля (0=игнорируются прерывания INTx)

TMOD.2/.6 Бит выбора режима Счетчик/Таймер (0=Таймер)

TMOD.1/.5 Биты выбора режима таймера

TMOD.0/.4 Биты (0-3): Таймер 1, (4-7):Таймер 2

ADCCON1 Регистр управления АЦП 1

ADCCON1.7 Биты управления питанием АЦП

ADCCON1.6 (выключено, норма,автовыключено, автохолостое)

ADCCON1.5 Время преобразования =

ADCCON1.4 16/ADCCLK;ADCCLK=MCLK/(1,2,4,8)

ADCCON1.3 Выбор задержки переключения

ADCCON1.2 AQT=(1,2,3,4)/ADCCLK

ADCCON1.1 Разрешение запуска от Таймера 2

ADCCON1.0 Разрешение внешнего запуска

ADCCON2 Регистр управления АЦП 2

ADCI.7 Флаг прерывания АЦП

DMA.6 Разрешение режима ПДП

CCONV.5 Циклическое преобразование

SCONV.4 Однократный запуск АЦП

CS3.3 Биты выбора входного канала 0000-0111=ADC0-ADC7

CS2.2 1ХХХ=Температурный сенсор

CS1.1 1111=Команда остановки ПДП

CS0.0 (Только для режима ПДП)

Регистр ADCCON1 управляет преобразованием, временем переключения, режимами

SCON Регистр управления последовательной связью

SM0.7 Биты управления скоростью

SM1.6 00 - 8 бит регистр сдвига Fosc/12

01 - 8бит UART Таймер2/32*2

10 - 9бит UART Fosc/64*2

11 - 9бит UART Таймер2/32*2

SM2.5 В режимах 2 и 3 разрешает многопроцессорную связь

REN.4 Бит разрешения приема

TB8.3 В режимах 2 и 3 9-й переданный бит

RB8.2 В режимах 2 и 3 9-й принятый бит

TI.1 Флаг прерывания передатчика

RI.0 Флаг прерывания приемника

4. Выбор элементарной базы

Параметры транзисторов VT1, VT2, подключённых к портам P0.2 и P0.3 должны соответствовать следующим параметрам: U_{ЗИ пер.} = 2,4 … 4В, U_{CИ max} = 12В, U_{ЗИ max} = 9,6В.

Рисунок 3. Подключение транзистора.

Возьмём полевой транзистор КП103Л, который имеет следующие параметры: U_{ЗИ пер.} = 2 … 6В, U_{CИ max} = 12В, U_{ЗИ max} = 17В. Характеристики диодов 2Д2999А удовлетворяют параметрам схемы: максимальное обратное напряжение 250В, максимальный средний прямой ток 20А, максимальный импульсный прямой ток 100А, прямое падение напряжения при максимальном прямом токе 1В, обратный ток при максимальном прямом напряжении 200мкА, граничная частота 100кГц, максимальная рассеиваемая мощность 20Вт. Допустимое входное напряжение элементов 531 серии находиться в диапазоне от -0,5 до 7В, а выходное от -1,2 до 7В. Логические элементы И и НЕ реализованы на микросхемах КР531ЛИ1 и КР531ЛА3 (входы ЛА3 необходимо закоротить). Соотношение витков катушек трансформатора: w₁/w₂ = 220/12. Частота переключения реле должна быть не менее 50 Гц. В цепи 220 В поставим реле ПЭ36-162УЗ, в цепи 12 В поставим ПЭ36-144УЗ. По спецификации ADuC812 номиналы конденсаторов С₂, С₃ необходимо выбрать 100 нФ.

5. Расчётная часть

Максимальное напряжение аккумулятора, выбранного в качестве резервного источника питания - 12 В. Рассчитаем делитель напряжения для подачи питания на вход AV_DD микроконтроллера, учитывая, что по спецификации ADuC812 это напряжение должно находиться в пределах от 4,5 до 5,5 В.

(1)

Выбрав R₄ = 6,5 кОм, получим R = 5,5 кОм.

Рассчитаем минимальный заряд аккумулятора, при котором возможна работа микроконтроллера. Для этого подставим в (1) AV_DD = 4,5 В. Получим U_акк. = 9,82. Это минимальное напряжение, при котором микроконтроллер нормально функционирует, поэтому как только напряжение упадёт ниже 10 В - необходимо включить цепь подзарядки аккумулятора.

Для контроля заряда резервного источника питания необходимо подавать его напряжение на АЦП контроллера. Диапазон напряжения на входах АЦП - от 0 до 2,5 В. Для соответствия этим параметрам заменим резистор R на два последовательно включённых резистора R₅ = 3,5 и R₆ = 2 кОм. Тогда входное напряжение АЦП будет находиться в пределах от 1,636 до 2 В.

Рисунок 4. Делитель напряжения.

Вычислим параметры RC-цепи, генерирующей одиночный импульс RESET при включении питания. Длинна импульса должна быть 24 периода тактовой частоты т.е. 12 мкс (один такт = 0,5 мкс).

(2)

Выбрав резистор 1 кОм, получим С₄ = 12 мФ.

Рисунок 5. Формирователь одиночного импульса.



Делитель входного напряжения состоит из резисторов R₁ = 120 кОм, R₂ = 1 кОм. Следовательно при напряжении в сети 250 В, на вход АЦП будет подано 2,07 В, а при 200 В - 1,65 В. Резисторы делителя выходного напряжения R₈, R₉ соответственно равны 120 кОм и 1 кОм.

Блоки выпрямления переменного напряжения, содержат конденсаторы С₁, С₅.

(3)

По формуле (3) получим С₁ и С₅ будут иметь наминал 3,2 мкФ.

Чтобы вычисленные выше напряжения можно было использовать в программе их надо разделить на 0,61 мВ - шаг дискретизации АЦП.

Таблица 2. Вычисление констант для программирования.

Для связи микроконтроллера с COM-портом используем таймер-счётчик T/C2. Он отличается от стандартных для МК-51 T/C0 и T/C1. Таймер 2 считает каждый второй тактовый импульс и имеет 16-тибитный автоперезагружаемый режим. RCAP2H и RCAP2L - байты предустановки. На каждый переданный бит таймер должен переполнится 16 раз. Таким образом, частота передачи определяется по формуле:

. (4)

Выберем скорость передачи 9600 бод. В данном случае это соответствует 9,6 кГц. Отсюда при тактовой частоте 12 МГц, в байты предустановки должно быть занесено число 65496,9375. Так как число должно быть целым, возьмём 65497. Тогда скорость передачи приблизительно будет равна 9615 бод. Относительная погрешность составит приблизительно 1,6 %. Это допустимая погрешность при асинхронной передаче данных. устройство резервный источник питание

65497 = FFD8h, это значит что RCAP2H = FFh, а RCAP2L = D8h.

6. Описание функционирования устройства

Приведём таблицу возможных рабочих состояний системы.

Таблица 3. Рабочие состояния системы.

Коды этих состояний передаются в COM-порт компьютера. Можно написать резидентную программу, обрабатывающую прерывание от COM-порта, которая будет выводить соответствующие сообщения для пользователя ПК. Если система находится в критическом состоянии, то в COM-порт постоянно передаются байты, состоящие только из единиц.

В работе устройства мы используем два счетчика-таймера: С/T0 и C/T2. С/T0 работает во втором режиме: 8-битный автоперезагружаемый таймер/счетчик. TH0 хранит значение, которое должно быть перезагружено в TL0 каждый раз, по переполнению. Таймер работает от внутреннего источника сигналов синхронизации, инкрементируется на каждый двенадцатый такт. C/T2 - 16-тиразрядный автоперезагружаемый счётчик, работает в режиме синхронизации последовательного передатчика.

C/T0 используется для калибровки скважности импульсов, участвующих в генерации переменного напряжения от постоянного источника. Скважность сигнала - есть отношение периода сигнала к его длине. Таким образом, регулируя длину импульса можно добиться необходимого значения величины действующего напряжения.

После включения устройства через делитель напряжения, на вход микроконтроллера AV_DD и на вход схемы генерации одиночного импульса RESET подаётся питание. По истечении сигнала RESET микропроцессор начинает выборку команд из памяти. Сначала, выполняются команды инициализации режимов таймеров, асинхронного приёмопередатчика, портов АЦП, портов ввода вывода и глобальных переменных. Снимается запрет на прерывания.

Далее начинается бесконечный цикл, в котором осуществляется управление устройством.

1) Разрешаем прерывания от АЦП. Устанавливаем АЦП в режим однократного преобразования напряжения на канале 0 (U_вх.). Ожидаем, пока преобразование не завершилось. Как только преобразование завершено, программа передаёт управление обработчику прерывания от АЦП (см. ниже). В нутрии обработчика прерывания от АЦП запрещаются.

2) После обработки прерывания снова разрешаем прерывания от АЦП. Устанавливаем АЦП в режим однократного преобразования напряжения на канале 2 (напряжение на аккумуляторе). Ожидаем, пока преобразование не завершилось. Как только преобразование завершено, программа передаёт управление обработчику прерывания от АЦП.

3) Проверяем, работает ли таймер 0. Если нет, переходим на пункт 1.

4) Таймер работает, следовательно, питание идёт от резервного источника. После обработки последнего прерывания, прерывания от АЦП остаётся запрещённым, а разрешено оно может быть только в обработчике прерывания от таймера 0 по истечении 0,02 с, т.е. одного периода переменного напряжения питания (f = 50 Гц). Дождёмся разрешения прерывания. Это сделано для того, чтобы длина импульса (которая калибруется в обработчике прерывания от АЦП) не изменялась чаще, чем раз в период. Устанавливаем АЦП в режим однократного преобразования напряжения на канале 1 (U_вых.).

5) Ожидаем, пока преобразование не завершилось. Как только преобразование завершено, программа передаёт управление обработчику прерывания от АЦП. После возврата из прерывания, переходим к пункту 1.

Контроль над входным, выходным напряжением, а также над напряжением аккумулятора производиться в обработчиках прерываний. Когда напряжение компьютера происходит от электросети, таймер C/T0 выключен и прерываний от него не происходит. Рассмотрим алгоритм обработчика прерываний от АЦП.

1) Сохраняем в локальную переменную State типа byte состояние битов P0.0, P0.1.

2) Заносим в локальную переменную Voltage результат преобразования АЦП.

3) Переходим на часть обработчика соответствующую каналу, на котором производилось преобразование напряжения. (ADC0 - п.4, ADC1 - п.5, ADC2 - п.6).

4) Канал ADC0 - входное напряжение.

Если U_вх.<200В или U_вх.>250В, запускаем счётчик который будет генерировать импульсы, необходимые для формирования переменного напряжения резервного источника питания, отключаем компьютер от электросети, включаем питание от аккумулятора. Переходим на пункт 7.Если 200В< U_вх.<250В, останавливаем счётчик, закрываем транзисторы, подключаем к компьютеру питание от сети. Переходим на пункт 7.

5) Канал ADC1 - выходное напряжение.

Этот канал проверяется только в случае, если питание идёт от аккумулятора, т.е. если таймер 0 работает (см. описание рабочего цикла).Если напряжение питания меньше 225В, и импульс короче 8,75мс (не достиг максимально предусмотренной длинны), то увеличим длину импульса на 250мкс, что повлечёт увеличение действующего напряжения. Если напряжение питания больше 235В, и импульс длиннее 1,25 мс (не достиг своей минимальной предусмотренной длинны), то уменьшим длину импульса на 250мкс, что повлечёт уменьшение действующего напряжения. Таким образом, автоматически будет выбрана длинна импульса, необходимая для того, чтобы действующее напряжение питание находилось в пределах от 225 до 235В. Эти значения выбраны потому, что блок питания компьютера рассчитан на 230В.

6) Канал ADC2 - напряжение аккумулятора. Когда компьютер питается от внешней электросети, и напряжение аккумулятора больше 12В, схема подзарядки отключается, если меньше 10В - подключается. В случае если питание компьютера происходит от аккумулятора, при напряжении меньше 10В на COM-порт посылается байт из единиц, а при напряжении ниже 9,85В происходит принудительное отключение резервного питания. Это сделано потому, что, если напряжение снизиться до 9,82В, контроллер перестанет функционировать из-за недостатка питания.

7) Если состояние системы изменилось, посылаем код нового состояния через последовательный порт TxD на COM-порт компьютера.

8) Запрещаем прерывания от АЦП.

Обработчик прерывания от таймера служит для формирования импульсов. Прерывание происходит каждые 250 мкс (т.к. TH0 = 5). Глобальная переменная Counter инкрементируется внутри обработчика.

Рисунок 6. Формирование переменного напряжения.



Если Counter больше или равен 40 минус длинна импульса, открываем 1-й транзистор (см. рисунок 6). Когда происходит сороковое прерывание, закрываем 1-й транзистор. Если Counter больше или равен 80 минус длинна импульса, открываем 2-й транзистор. На восьмидесятом прерывании, закрываем 2-й транзистор, обнуляем переменную Counter, и разрешаем прерывание от АЦП, в котором (если требуется) изменяется длина импульса.

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Приме-чание
			DD1	ADuC812
			DD2	КР531ЛИ1
			DD3	КР531ЛА3
			VT1, VT2	КП103Л
			VD1, VD2, VD3	2Д231А
			R1, R8	120 кОм
			R2, R3, R9	1 кОм
			R4	6,5 кОм
			R5	4,5 кОм
			R6	2 кОм
			C1, C5	3,2 мкФ
			C2, C3	100 нФ
			С4	12 мФ
			K1	ПЭ36-162УЗ
			K2	ПЭ36-144УЗ

Размещено на Allbest.ru

...