Разработка алгоритма работы микроконтроллерного устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Практическая работа

«Контроллер безопасности»

по дисциплине «Микропроцессорные системы»

Реферат

В данной курсовой работе разрабатывается контроллер управления вентиляционных систем, а также программное обеспечение для данного устройства. Приводятся структурная, функциональная и принципиальная схемы разрабатываемого устройства. Выполняется описание заданных процедур программного обеспечения.

Описание контроллера управления вентиляционных систем:

· он разработан на базе микроконтроллера AVR;

· исполняемые устройства - вентилятор, закрылки;

· диапазон измеряемых температур +30^оС …+100^оС;

· диапазон измеряемого давления 30-110кПа;

· имеет аварийную сигнализацию при выходе параметров за аварийные пороги;

· наличие встроенного пульта - клавиатура на 16 клавиш;

Проект содержит 26 стр., 8 рисунков, 4 стр. приложений, 10 литературных источников.

План проекта

Цель: Освоение технологии проектных работ, выбор и обоснование технических решений, развитие навыков самостоятельной работы. А также закрепление и расширение знаний, полученных на лекциях, лабораторных и практических занятиях по принципам построения микропроцессорных устройств и систем на конкретном примере проектирования микроконтроллерного устройства или микроконтроллерной системы, выполняющих заданные функции.

Задачи:

· в соответствии с заданием разработать алгоритм работы микроконтроллерного устройства или микроконтроллерной системы, выбрать необходимые первичные преобразователи (датчики);

· выбрать микроконтроллер, удовлетворяющий требованиям быстродействия и функциональным возможностям реализации алгоритма, а также с учетом простоты и меньших затрат;

· с учетом выбранного микроконтроллера, выбрать инструментальные средства для разработки программы выполнения алгоритма и разработать программу;

· в выбранной инструментальной среде осуществить отладку программы.

Введение

В наши дни все большее применение получает автоматизация производства, то есть введения в производственные процессы управляющих систем, которые помогают или вовсе заменяют человека. В первую очередь, это применяется при опасных производствах, участие в которых человека нежелательно, или вовсе невозможно. Также часто автоматизируются процессы, слишком скоротечные для визуального контроля человека. Там все чаще устанавливаются автоматические датчики, показания с которых поступают на накопители, или в память компьютера, где они хранятся. Контроль скоротечных процессов также осуществляется автоматически.

В наиболее общем случае контроллер управления вентиляционных систем представляет собой замкнутую систему, обеспечивающую автоматический сбор и обработку информации, необходимой для автоматизации управления исполнительными устройствами и реализацию управляющих воздействий на объект. Основными задачами данной системы являются: поддержание важнейших технологических параметров, таких как: температура, давление газа, в заданных пределах. Исполнительными устройствами в таких системах являются вентиляторы и закрылки.

Задачей разработки является снижение выброса вредных веществ в атмосферу, а также повышение надежности работы оборудования за счет исключения возникновения аварийных ситуаций.

1. Требования разрабатываемого микроконтроллера

Контроллер предназначен для автоматизации процесса работы исполнительных устройств - датчиков, отслеживающих технологические параметры, предотвращение аварийных ситуаций.

Диапазон измеряемых температур +30^оС …+100^оС, диапазон измеряемого давления - 10⁵ Па. В случае возникновения аварийной ситуации (выход параметров за допустимые пороги), нужно включить аварийную сигнализацию.

Устройство должно иметь встроенный пульт (клавиатура), с помощью которого можно выполнять:

-включение/выключение контроллера;

-включение ручного управления;

-включение аварийной сигнализации.

Также иметь связь с компьютером по интерфейсу RS485.

Разрабатываемая система будет построена на базе микроконтроллера семейства AVR. Заключительным этапом разработки контроллера является написание программы управления на языке С.

2. Основные характеристики микроконтроллера ATmega16

Итак, для данного проекта был выбран микроконтроллер семейства AVR фирмы Atmel - Atmega 16. AVR - это высокопроизводительные, полностью статические 8 - разрядные RISC микропроцессоры, основными особенностями которых являются: малое энергопотребление, энергонезависимые памяти программ и данных на кристалле.

Отличительные особенности:

* 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением

* Прогрессивная RISC архитектура.

ь 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл;

ь 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения;

ь Полностью статическая работа;

ь Производительность приближается к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц);

ь Встроенный 2-цикловый перемножитель.

* Энергонезависимая память программ и данных

ь 16 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash) 512 байт EEPROM;

ь Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи;

ь 1 Кбайт встроенной SRAM Программирование через JTAG интерфейс: Flash, EEPROM памяти, перемычек и битов блокировки.

* Встроенная периферия

ь Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения;

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

* Счетчик реального времени с отдельным генератором

ь Четыре канала PWM;

ь 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь ;

ь 8 несимметричных каналов;

ь 7 дифференциальных каналов (только в корпусе TQFP);

ь 2 дифференциальных канала с программируемым усилением в 1, 10 или 200 крат (только в корпусе TQFP);

ь Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс;

ь Программируемый последовательный USART;

ь Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый);

ь Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором;

ь Встроенный аналоговый компаратор.

* Выводы I/O и корпуса

ь 32 программируемые линии ввода/вывода;

ь 40-выводной корпус PDIP и 44-выводной корпус TQFP.

* Рабочие напряжения

ь 2,7 - 5,5 В (ATmega16L);

ь 4,5 - 5,5 В (ATmega16).

* Рабочая частота

ь 0 - 8 МГц (ATmega16L);

ь 0 - 16 МГц (ATmega16). [1],[2]

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Расположение выводов микроконтроллера.

3. Проектирование системы

Представим систему в виде структурной схемы:

Рис. 2. Структурная схема контроллера управления вентиляционных систем

Датчики температуры и давления обеспечивают отслеживание соответствующих параметров воздушных потоков.

Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом, в электрический сигнал. [3]

Типовой контактный датчик температуры состоит из следующих компонентов:

1. Чувствительного элемента: материала, реагирующего на изменение его собственной температуры.

2. Контактов: проводящих пластинок или проводов, связывающих чувствительный элемент с внешней электронной схемой. Контакты должны об- обладать минимально возможными теплопроводностью и электрическим со- сопротивлением.

3. Защитного корпуса: специальной оболочки или покрытия, физически разделяющего чувствительный элемент от окружающей среды. [3]

Клавиатура - набор управляющих клавиш. Исполнительные устройства - закрылки и вентиляторы, обеспечивают поддержание давления и температуры воздуха в заданных пределах. Аварийная сигнализация состоит из красного светодиода и сирены, необходима для уведомления оператора о некорректной ситуации. Питание системы осуществляется с использованием промышленного модуля питания AC/DC.

Рис. 3. Модульная схема.

Модуль обслуживания пульта. Включает процедуры обработки нажатий клавиш и вывода на экран показаний датчиков.

Модуль определения показаний датчиков. Служит для съема показаний датчиков, преобразования значений, получаемых с датчиков, в величины температуры и давления.

Модуль регулирования. Необходим для поддержания значений температуры и давления в заданных порогах, путем включения/выключения вентиляторов, открытия/закрытия закрылок.

4. Разработка функциональной схемы устройства

Разработка функциональной схемы устройства основывается на структурной схеме системы, представленной на рис. 1. Основным элементом схемы является микроконтроллер семейства AVR фирмы Atmel - Atmega 16. AVR - это высокопроизводительные, полностью статические 8 - разрядные RISC микропроцессоры, основными особенностями которых являются: малое энергопотребление, энергонезависимые памяти программ и данных на кристалле. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ.

Модуль питания.

Для работы разрабатываемого устройства необходимо обеспечить питание всех микросхем. Питание системы осуществляется на базе промышленного модуля питания, у которого есть выводы с +5 и +12 В.

Модуль преобразования сигналов.

Модуль преобразования сигналов представляет собой аналого - цифровой преобразователь, на который передаются сигналы с датчика давления и датчика температуры. Цифровые сигналы на выходе АЦП подаются на микроконтроллер.

Клавиатура

Клавиатура реализуется в виде контактов с нормально разомкнутым состоянием. При нажатии на кнопку произойдет замыкание соответствующего контакта. Клавиатура подключается непосредственно к микроконтроллеру.

Светодиоды.

При выходе параметров температуры и давления, на контроллер передается сигнал об аварии и запускается оповещательная система, которая состоит из красного светодиода и сигнализации.

Исполнительные устройства.

Исполнительные устройства - вентилятор и закрылки. Служат для поддержания температуры и давления воздушных потоков в заданных пределах.

Модуль начальной установки.

Запуск процессора должен осуществляться только после того, как установится необходимое напряжение питания, поэтому в схеме используется модуль начальной установки, который формирует сигнал на вход RESET микроконтроллера. Затем микроконтроллер выполняет подпрограмму инициализации устройств.

Рис. 4. Функциональная схема контроллера управления вентиляционных систем

5. Разработка принципиальной схемы устройства

Микроконтроллер

Выбираем микроконтроллер ATmega 16. Это высокопроизводительный маломощный 8 - разрядный микроконтроллер AVR.

Модуль питания

Источник питания может быть построен на основе промышленного модуля питания AC/DC. Промышленные модули питания AC/DC выполнены на основе широтно - импульсного преобразования. Рабочая частота преобразования 100 - 300 кГц. Модули имеют защиту от короткого замыкания, перегрузки по току, превышения выходного напряжения и тепловую защиту. Модуль также содержит помехоподавляющие фильтры.

Рис. 5. Модуль питания.

В качестве промышленного модуля питания AC/DC выберем микросхему PD-65A.

· Входное напряжение U_ВХ = 127 - 370В DC(90 - 264B AC);

· Выходные напряжение +5В и +12В;

· Рабочий диапазон: 0…+45 ^оС. [4]

Клавиатура

Клавиатура представляет собой простую матрицу двоичных переключателей, включенных на пересечении строк и столбцов матрицы, и в которой идентификация и кодирование нажатой клавиши выполняется программой. Кроме идентификации программное обеспечение распознает и обеспечивает защиту от одновременного нажатия более одной клавиши и исключить влияние переходных процессов.

Резисторы R2, R3, R4 являются подтягивающими и служат для задания логической “1” при отсутствии нажатия клавиши.



Рис. 6. Реализация клавиатуры.

Модуль сигнализации

Оповещательная система, как уже было сказано выше, состоит из сирены и красного светодиода на пульте управления.

Звуковой оповещатель - сигнальная сирена СС-1 состоит из электромагнита и якоря, жестко соединенного с мембраной. Так как номинальное напряжение сирены 220В в схеме используется реле для гальванической развязки. [5]

В соответствии с необходимыми параметрами были выбраны диод 1N4148, транзистор KT972A и реле OMI-SS-112LM.



Рис. 7. Подключение сигнализации через реле

Выбранный светодиод L-10003ED подключаем через резистор.

I_св = 40мА (ток через светодиод)

U_п = 5B (напряжение питания)

R =U/I = 125 Ом. Выберем резистор номиналом 150 Ом.

Модуль начальной установки

Для надежности синхронизации работы схемы используется внешний тактовый генератор.

Для начальной установки контроллера можно использовать RC - цепочку, которая вырабатывает импульс сбора по включению питания.

В схеме должны присутствовать фильтрующие конденсаторы для сглаживания пульсаций входного напряжения. Для фильтрации высокочастотных помех применяются керамические конденсаторы, их количество определяется количеством ИМС. Выберем для этого конденсатор К0-7-10В-1мкФ±10%. Для подавления низкочастотных помех, проникающих в систему по цепи питания, в схеме используется один электролитический конденсатор. Возьмем конденсатор К31-7а-0,1мкФ ± 10%.

Характеристики выбранных датчиков

1) В качестве датчика давления был выбран датчик BMP085. BMP085 - датчик абсолютного атмосферного давления. Область применения: измерение давления для барометров, метеостанций и приборов, перемещающихся в атмосфере.

Характеристики BMP085

· Пределы измерения абсолютного давления 30-110кПа (300-1100hPa)

· Низкий уровень шума:

0.06hPa (0.5м) в стандартном режиме

0.03hPa (0.25м) в режиме ультравысокого разрешения

0.1m возможно при применение программного фильтра.

· Питание 1.8 -- 3.6В (Vdda), 1.62 -- 3.6В (Vddd)

· Размер корпуса: 5.0X5.0 мм.

· Интерфейс: I2C

· Разрешение: 0.01 hPa, 0.1 С

· Датчик может работать в нескольких режимах:

· 1) Режим пониженного энергопотребления

· 2) Стандартный

· 3) Режим высокого разрешения

· 4) Режим ультравысокого разрешения. [6]

В основе датчика пьезо-резистивный сенсор, выходной сигнал которого после внутреннего аналого-цифрового преобразования доступен пользователю. Полученное значение не является значением атмосферного давления, а связанно с ним "сложной" зависимостью. Для расчета которой необходимо использовать 11 корректировочных коэффициентов. Данные коэффициенты прошиты во встроенную EEPROM память датчика и индивидуальны для каждого датчика. Для температурной компенсации датчик имеет встроенный аналоговый сенсор температуры, сигнал с которого так же необходимо оцифровать, прочитать и пересчитать.

В общем случае алгоритм работы выглядит следующим образом:

· Включение

· Считывание корректировочных коэффициентов

· Запуск преобразования сигнала с сенсора температуры

· Ожидание окончания преобразования

· Считывание результата преобразования

· Расчет температуры

· Запуск преобразования сигнала с сенсора давления

· Ожидание окончания преобразования

· Считывание результата преобразования

· Расчет давления

Максимально можно получить 128 значений в секунду, при этом значение температуры считывается однократно в начале каждого периода измерений.[7]

2) В качестве датчика температуры был выбран датчик DS18B20. Это цифровой термометр с программируемым разрешением, от 9 до 12-bit, которое может сохраняться в EEPROM памяти прибора. DS18B20 обменивается данными по 1-Wire шине и при этом может быть как единственным устройством на линии так и работать в группе. Все процессы на шине управляются центральным микропроцессором.

Отличительные особенности:

· Напряжение питания составляет 3-5,5 В, что позволяет использовать его не только в 5-вольновых системах, но и в 3,3 (большинство микроконтроллеров)

· Диапазон измеряемой температуры составляет -55…+125^оС;

· Точность ±0.5°C в диапазоне от -10°C до +85°C;

· Настраиваемое пользователем разрешение от 9 до 12 бит;

· Данные передаются посредством 1-проводного последовательного интерфейса 1-Wire®

· Датчик имеет 64-битныйt уникальный серийный номер;

Также имеет внутренние регистры триггеров верхнего и нижнего порогов срабатывания с вырабатыванием сигнала тревоги для систем, использующих термостатическую логику работы. [8]

Подключение кварцевого резонатора

Резонансная частота кварца, включенного в реальную электрическую цепь, будет изменяться в некоторых пределах при разных значениях емкости нагрузки. Для упрощения взаимодействия заказчиков и производителей резонаторов практикуется настройка резонаторов при определенном значении нагрузочной емкости. В этом случае измеренная частота должна соответствовать номинальной с учетом указанной точности настройки.

C_g = 2(C_L - C_S) (1)

Как правило, для согласования емкости нагрузки используют конденсаторы Cg , подключаемые между выводами кварцевого резонатора и общим проводом. Расчет номинала емкости конденсаторов Cg осуществляется по формуле (1), где C_L - емкость нагрузки, указанная в технической документации, а C_S - значение паразитной емкости (как правило, примерно 5 пФ). Выберем кварцевый резонатор 16.000 МГц HC-49S.

Технические параметры

Резонансная частота, МГц……………………………16

Номер гармоники………………………………………1

Точность настройки dF/Fх10^-6………………………50

Температурный коэффициент, Ктх10^-6……………..50

Нагрузочная емкость, пФ…………………………….32

Рабочая температура, С………………………..-20…70

По формуле (1), используя параметры данного резонатора, получили, что C_g = 54 пФ.

6. Разработка структуры программного обеспечения

В разделе проектирования системы была определена функционально-модульная структура ПО контроллера.

Эта структура должна быть дополнена еще двумя модулями, которые не могут быть выведены из функциональной спецификации - модуль ИНИЦИАЛИЗАЦИИ и модуль РАЗРЕШЕНИЯ ОБЩЕГО ПРЕРЫВАНИЯ. Когда система включается, она должна быть инициализирована, таким образом данный модуль должен находиться на втором уровне нисходящей иерархии - сразу за главным модулем. Разрешение общего прерывания не будем включать в модуль ИНИЦИАЛИЗАЦИИ, с целью лучшей читаемости программы.

В соответствии с функционально модульной структурой процедура MAIN будет иметь вид:

MAIN( )

{

ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ();

РАЗРЕШЕНИЕ ОБЩЕГО ПРЕРЫВАНИЯ();

while (1)

{

ПРОВЕРКА ( );

СБРОС WDT( );

}

}

Первая операция процедуры MAIN обращается к процедуре ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ, далее к процедуре РАЗРЕШЕНИЕ ОБЩЕГО ПРЕРЫВАНИЯ. После выхода из этой процедуры осуществляется переход к другим процедурам, которые содержатся внутри бесконечного цикла while. Таким образом, в системе обеспечивается проверка нажатия кнопки, проверка состояния датчиков и сброс охранного таймера. Эти операции выполняются до тех пор, пока система подключена к источнику питания.

Модуль ИНИЦИАЛИЗАЦИИ должен содержать процедуры, которые выполняют функции инициализации и восстановления после зависания. При включении питания необходимо настроить следующие узлы микроконтроллера: порты, таймеры, систему прерываний, охранный таймер. Порты настраиваются на ввод или вывод информации. Таймер служит для отсчета временных интервалов. Настройка системы прерывания заключается в определении источников прерывания и их разрешения. У охранного таймера настраивается время задержки до его срабатывания, если не будет к нему обращения. Данный модуль является не сложным, поэтому не имеет смысла разбивать его на отдельные процедуры:

ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ( )

{

установка портов на ввод/вывод и задание выходного вектора;

настройка таймера на минимальный дискрет отсчета времени;

настройка постоянной времени охранного таймера;

настройка системы прерывания, разрешение отдельных прерываний;

}

Модуль РАЗРЕШЕНИЯ ОБЩЕГО ПРЕРЫВАНИЯ разрешает системе реагировать на прерывания. Для контроллера это внешнее прерывание от кнопок/датчика и внутреннее от таймера. Разрешение индивидуальных прерываний выполнено в модуле ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ.

Модуль ПРОВЕРКИ проверяет состояние флага нажатия. Если флаг установлен, то запускается процедура соответствующая нажатой кнопке. Эти процедуры содержатся в ВЫХОДНОМ модуле.

После окончания этой процедуры осуществляется сброс флага и разрешение прерывания по внешнему входу от кнопок, и система снова готова реагировать на внешние события.

ПРОВЕРКА()

{

Если флаг нажатия установлен, то выполнить

{

ВЫХОДНОЙ (параметры);

Сброс флага нажатия;

Разрешение прерывания по нажатию;

}

}

Модуль СБРОС WDT устанавливает охранный таймер в исходное состояние, не позволяя ему сбросить всю систему. Это библиотечная функция языка.

Модуль ТАЙМЕРА выполняет отсчет времени с определенной точностью. Для систем реального времени наиболее просто данный модуль реализуется в виде подпрограммы обработки прерывания по переполнению внутреннего таймера. В теле модуля должна располагаться переменная - счетчик текущего времени, значение которой будет увеличиваться с каждым вызовом прерывания. Синхронизация текущего времени с временем срабатывания кнопки должна осуществляться во входном модуле путем сброса счетчика времени в ноль.

ТАЙМЕР()

{

перезагрузка таймера для задания периода вызова прерывания;

увеличение счетчика текущего времени;

}

ВХОДНОЙ модуль должен реагировать на изменение сигнала от кнопок/датчиков. Реализуем данный модуль в виде подпрограммы прерывания по входному сигналу. При возникновении прерывания необходимо установить флаг нажатия.

ВХОДНОЙ()

{

установка флага нажатия;

сброс счетчика текущего времени;

сканирование клавиатуры;

подавление дребезга контактов;

опрос датчиков;

}

ВЫХОДНОЙ модуль устанавливает выходной вектор на выходной порт микроконтроллера.

ВЫХОДНОЙ(параметры)

{ /* начало процедуры*/

установка на порту выходного вектора;

} /* возврат

7. Разработка заданного программного модуля

Для реализации выберем модуль регулирования. Представим его в графическом виде при помощи блок - схемы алгоритма:

.

Рис.8 Блок-схема регулирования

Приведём представление архитектуры ПО контроллера системы в виде графа состояний.

8. Описание программы

Программа управления написана на языке С.

Программа создана в соответствии с разработанным алгоритмом и состоит из 4-х модулей: обработки прерывания таймера - TimerOverFlow, обработки внешнего прерывания по входу INT0, проверки флага нажатия и установки выходного состояния - Contr_out, сброса охранного таймера- _WDR() и процедуры инициализации - INIT.

Модули представляют собой отдельные задачи. С целью организации простой системы переключения задач в каждой из них выполняется только одно состояние, после чего осуществляется выход из задачи. Для организации приоритетного обслуживания использована система прерываний. Переключение задач организовано путем помещения их в бесконечный цикл while(1) в основной программе main. Процедуры инициализации каждой задачи объединены в процедуре INIT.

Заключение

Курсовая работа заключалась в разработке алгоритма работы микроконтроллерного устройства или микроконтроллерной системы, выбрав необходимые первичные преобразователи (датчики).

Проработав соответствующий материал и применив полученные знания по дисциплине МПС был спроектирован контроллер управления вентиляционных систем и соответствующее программное обеспечение для него.

микроконтроллер управление вентиляционный программный

Список источников

1. http://microchipinf.com/articles/45/141

2. Голубцов М.С. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному /М.С. Голубцов. - М.: Солон Пресс, 2003.

3. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Техносфера. Москва -2005

4. http://www.etk-elcom.ru/aitems/7232.html

5. http://www.modul-c.ru/SirenaSignCC1n.html

6. http://www.avislab.com/blog/bmp085/

7. http://ziblog.ru/2013/03/15/bmp085-datchik-davleniya.html

8. Чернов Г.И. DS18B20 русское описание работы с датчиком температуры, MEGETEX, 2009

9. В.Н.Баранов Применение микроконтроллеров AVR. Схемы, алгоритмы, программы 2004-RM

10. Ю.Ю.Громов, Татарленко С.И. Языки С и С++ для решения инженерных и экономических задач, Издательство ТГТУ, 2001

Размещено на Allbest.ru

...