Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Кафедра Автоматики и Телемеханики

КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу: «Встроенные микропроцессорные системы»

на тему:

«Луноход» с микроконтроллерным управлением

Выполнил:

студент Зуев М.В.

Проверил:

Гончаровский О.В.

Пермь 2013

Содержание

Введение

Выбор микроконтроллера

Структура микроконтроллера AT89C1051U

Принципиальная схема устройства и принцип работы

Описание работы программы

Блок-схема программы

Заключение

Список литературы

Введение

Создание микропроцессора явилось следствием развития и совершенствования технологии производства интегральных схем. Повышение степени интеграции микросхем привело к закономерному этапу в развитии вычислительной техники - реализации архитектуры ЭВМ на одной интегральной схеме.

Способность к программированию последовательности выполняемых функций, т.е. способность работать по заданной программе, является основным отличием микропроцессора от элементов «жесткой» логики. Аппаратные средства микропроцессора повторяют структуру процессора ЭВМ и включают: арифметико-логическое устройство, устройство управления, память. Микропроцессор может состоять из одной или нескольких интегральных схем.

Основными причинами широкого использования микропроцессорных систем в технике являются:

· Использование в микропроцессорных системах цифрового способа представления информации, позволяющего значительно повысить помехоустойчивость создаваемых на базе устройств, обеспечить простоту передачи и преобразования информации;

· Применение программного способа обработки информации, позволяющего создавать в значительной степени унифицированные технические средства, отличающиеся практически лишь содержимым запоминающего устройства и специфическими устройствами ввода/вывода информации;

· Компактность, высокая надежность и низкая потребляемая мощность микропроцессорных средств, обеспечивающих возможность расположения управляющих устройств, созданных на их основе, в непосредственной близости с управляемым оборудованием, а иногда и встроенных в них;

· Относительно низкая стоимость микропроцессорных средств.

Все эти факторы позволили микропроцессорам в короткое время занять ведущее место в совершенствовании целых отраслей промышленности, создании гибких автоматизированных производств, систем передачи информации, автоматизированных систем управления технологическими процессами, встраиваемых систем управления оборудованием и бытовыми приборами.

Выбор микроконтроллера

Микроконтроллеры с системой команд и архитектурой MCS-51 представлять нет необходимости.

Они широко распространены, множество фирм выпускает их модификацию и программное обеспечение для них.

Выпускает такие микроконтроллеры и фирма Atmel.

В данном курсовом проекте был выбран микроконтроллер фирмы Atmel AT89C1051U.

Микроконтроллер AT89C1051U является низковольтным, быстродействующим 8-битным КМОП микроконтроллером с 1К программируемой и стираемой флэш-памятью.

Он имеет то же функциональное назначение и операции, что и AT89C1051, с дополнением программируемого последовательного порта UART.

Устройство произведено используя высокоплотную энергонезависимую технологию памяти Atmel и совместимое со стандартом серии MCS-51.

Объединяя разносторонний 8- битный процессор с флэш-памятью в чипе микроконтроллер AT89C1051U представляет собой мощный микрокомпьютер, который обеспечивает очень гибкое и экономически выгодное решение для множества управляющих приложений.

Контроллер обеспечивает следующие стандартные характеристики:

1K флэш-памяти,

64 байта RAM,

15 линий ввода-вывода,

два 16-битовых таймеров/счетчиков,

двухуровневая архитектура прерывания,

полный дуплексный последовательный порт, аналоговый компаратор.

Кроме того, AT89C1051U разработан со статической логикой операций, вплоть до нулевой частоты, и поддерживает два программно-выбираемых режима сохранения мощности.

Холостой режим останавливает работу процессора, допуская при этом функционирование RAM, таймеров/счетчиков, последовательного порта и системы прерываний.

Низко-мощный режим сохраняет RAM, но приостанавливает работу генератора, блокируя все другие функции, пока следующие аппаратные средства не восстановятся.

Данный микроконтроллер 51 серии полностью подходит для решения поставленной в курсовом проекте задачи, т.к. у него имеются все необходимые для этого функциональные возможности:

8-разрядный процессор, оптимизированный для приложений управления,

обширные возможности побитовой обработки,

разветвленная структура прерываний,

два таймера/счетчика, повышенная нагрузочная способность выходов в состоянии логического нуля, обеспечивается ток до 20 мА, что позволяет без дополнительных буферных схем управлять светодиодными индикаторами и реле,

наличие аналогового компаратора.

Структура микроконтроллера AT89C1051U

Структурная схема микроконтроллера AT89C1051U приведена на рисунке 1.

Рис. 1 Структурная схема микроконтроллера AT89C1051U

Вид корпуса микроконтроллера и функции выводов приведено на рисунке 2.

Рис. 2 Выводы микроконтроллера AT89C1051U

Принципиальная схема устройства и принцип работы

Описываемое устройство разработано для демонстрации возможностей программно-аппаратных комплексов управления движущимися объектами. В качестве объекта взята детская игрушка "луноход" с проводным дистанционным управлением, приводимая в движение двумя электродвигателями постоянного тока и позволяющая управлять каждым из них в отдельности.

С включением питания модель начинает двигаться вперед. Одновременно включаются смонтированные в ней передатчик и приемник импульсного ИК излучения.

Движение продолжается до тех пор, пока интенсивность отраженного ИК сигнала не превысит установленного порога, что свидетельствует о наличии препятствия на пути. Как только это случится, модель разворачивается до тех пор, пока отраженный сигнал не станет ниже этого порога, после чего продолжает движение вперед и т. д.

Принципиальная схема программно-аппаратного комплекса управления моделью "лунохода" изображена на рисунке 3. Его основа -- экономичный 8-битный КМОП микроконтроллер (МК) AT89С1051U (DD1), построенный с использованием архитектуры MCS-51.

Тактовую частоту задает кварцевый резонатор Q на частоту 12 МГц. Цепь из резистора R13 и конденсатора С12 служит для сброса МК в момент включения питания. Разъемный соединитель Х1 введен для быстрого соединения и разъединения МК и остальной части устройства, а также для подключения МК к компьютеру с целью обновления программы или диагностики работы. микроконтроллер программа луноход

Кроме микроконтроллера, устройство содержит импульсный передатчик ИК излучения (VT4, VD2), приемник отраженного препятствием излучения, состоящий из фотодиода VD1, двухкаскадного усилителя (VT1, VT2) и cинх-ронного детектора (VT3), и четыре электронных ключа (1VT1-- 1VT3 , 4VT1-- 4VT3).

Рис.3. Принципиальная схема программно-аппаратного комплекса управления моделью "лунохода"

Питается устройство от батареи, состоящей из четырех Ni-Cd аккумуляторов типоразмера С емкостью 1500 мАч, устанавливаемых в предусмотренный в модели отсек. Напряжение питания микроконтроллера и приемника ИК излучения поддерживается неизменным микросхемным стабилизатором напряжения DA1.

В процессе работы с выхода порта P3.0 на базу транзистора VT4 поступают импульсы с частотой следования около 1953 Гц. В результате он периодически открывается, и включенный в его коллекторную цепь светодиод VD2 создает в направлении движения модели пульсирующее с указанной частотой ИК излучение. Резистор R7 ограничивает ток через эмиттерный переход транзистора и защищает выход порта МК от повреждений при пробое этого перехода. Максимальный ток через светодиод ограничивает резистор R9. Отраженное препятствием ИК излучение воспринимается фотодиодом VD1, включенным параллельно резистору R2, через который осуществляется ООС по постоянному току, охватывающая двухкаскадный усилитель на транзисторах VT1, VT2.

Импульсы напряжения с коллектора транзистора VT2 поступают на синхронный детектор, выполненный на полевом транзисторе VT3. Его применение обусловлено тем, что во время работы локатора на резисторе R3 создаются не только колебания частотой около 1953 Гц, но и пульсации частотой 100 Гц от ламп накаливания, а также случайные помехи как в видимом, так и в ИК диапазонах спектра.

Уровень этих помех нередко соизмерим с уровнем отраженного препятствием ИК излучения, и если не принять специальных мер, это может привести к обнаружению ложного препятствия. Для предотвращения подобных ошибок и использован синхронный детектор. Его вход (затвор транзистора VT3) подсоединен к тому же порту (P3.0), что и вход передатчика, поэтому синхронно с вспышками светодиода VD2 открывается транзистор VT3, который подключает выход усилителя на транзисторах VT1, VT2 к одному из входов компаратора МК (P1.0/AIN0). Образцовое напряжение на его другом входе устанавливают подстроенным резистором R12, регулируя тем самым чувствительность устройства к отраженному сигналу. Работой электродвигателей модели МК управляет с помощью электронных ключей S1--S4. Рассмотрим работу одного из них, например, первого (остальные действуют аналогично). При напряжении на входе менее 0,6 В (лог. 0) транзисторы 1VT1 и 1VT3 закрыты, а 1VT2 открыт, поэтому напряжение на выходе и соединенном с ним выводе двигателя М1 близко к напряжению батареи питания GB1.

Подача на вход ключа уровня лог. 1 вызывает открывание транзистора 1VT1, из-за чего 1VT2 закрывается, а 1VT3 открывается и напряжение на выходе становится близким к 0. Резистор 1R1 ограничивает ток, потребляемый ключом от выхода МК, значением около 3 мА, что значительно меньше допустимого выходного тока (20 мА при уровне лог. 0 и 10 мА при уровне лог. 1). Сопротивление резистора 1R2 подобрано таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить достаточный выходной ток ключа, когда открыт 1VT2, а с другой -- чтобы ток через открытый транзистор 1VT1 не был слишком большим.

Поскольку примененные в модели электродвигатели потребляют очень большой ток (около 600 мА) и создают интенсивные импульсные помехи, их пришлось заменить более экономичными и создающими меньше помех двигателями ДПБ-902. Возможно использование и других коллекторных электродвигателей от магнитофонов и магнитол.

Для управления электронными ключами используются четыре старших разряда порта P1: Р1.7, Р1.6, Р1.5 и Р1.4. Работой ИК передатчика управляет младший разряд порта P3 -- P3.0, два младших разряда порта P1 (P1.0 и P1.1) настроены и используются соответственно как прямой и инверсный входы аналогового компаратора. Как видно из схемы, для включения, например, электродвигателя М1 необходимо открыть один из ключей S1, S2 и закрыть другой. Если открыть или закрыть оба ключа, напряжения на их выходах окажутся одинаковыми, поэтому напряжение на электродвигателе будет равно 0. Если открыть ключ S1 и закрыть S2, левый (по схеме) вывод двигателя будет соединен с плюсом батареи питания, а правый -- с ее минусом, и он начнет вращаться в одну сторону. Если же, наоборот, открыть S2 и закрыть S1, полярность подключения двигателя изменится на обратную и он начнет вращаться в противоположную сторону.

Налаживание устройства несложно. Вначале, отключив микроконтроллер разъединением частей разъема Х1, устанавливают на место батарею питания и, замкнув контакты выключателя Q1, измеряют напряжение на выходе стабилизатора DA1. Затем, подключив осциллограф к стоку транзистора VT3 и освещая фотодиод каким-либо источником ИК излучения (например, пультом дистанционного управления телевизором или видеомагнитофоном), убеждаются в работоспособности фотоприемника. Остальные узлы при использовании исправных деталей и отсутствии ошибок в монтаже в налаживании не нуждаются. В завершение подсоединяют МК (при отключенном питании) и проверяют работоспособность устройства в целом. Чувствительность фотоприемника при необходимости регулируют подстроечным резистором R12.

Описание работы программы

Программное управление двигателями осуществляется записью в порт P1 констант. Программное управление передатчиком ИК излучения производится записью некоторого числа в порт P3 МК. Если младший бит (P3.0) этого числа равен 0, светодиод VD2 погашен, а если он равен 1 -- включен. Последовательная смена значений этого бита приводит к возникновению впереди модели пульсирующего уровня освещенности в ИК части спектра. Уровень отраженного излучения фиксируется фотодатчиком, и при его возрастании делается предположение о наличии впереди препятствия. Особенность программы в том, что алгоритм управления размещен в обработчике таймера МК. Обусловлено это тем, что переключать излучающий светодиод необходимо с некоторой постоянной частотой, и для упрощения программы алгоритм управления помещен там же. После подачи сигнала сброса в момент включения питания МК начинает выполнять программу с отметки START. В этой части программы производится начальная инициализация стека, регистров, портов ввода/вывода P1 и P3, аналогового компаратора, 16-разрядного таймера 0, устанавливаются частота следования импульсов на таймер, равная СК/12 (СК -- тактовая частота, равная 12 МГц), и обработчик прерывания по переполнению таймера 0.

Поскольку переполнение таймера происходит каждый раз после поступления 256 импульсов, обработчик прерывания вызывается 3906 раз в секунду. В результате излучающий светодиод переключается с частотой примерно 1953 Гц. Анализ же принятого отраженного сигнала производится один раз за 20 циклов таймера, т. е. с частотой 195 Гц.

Алгоритм управления работает следующим образом. Регистр R1 используется как счетчик с диапазоном значений от 0 до 240. При каждой проверке, если есть препятствие и значение счетчика меньше 240, оно увеличивается на 1, а если препятствия нет, уменьшается на такую же величину, пока не станет равным 0. Далее при значении счетчика от 0 до 16 выдается команда на движение вперед, от 17 до 31 -- на остановку, а от 32 до 240 -- на разворот. Такой алгоритм позволяет избежать ложных срабатываний и повышает вероятность полного объезда препятствия (разворот модели продолжается некоторое время и после его пропадания).

На регистре R2 организован счетчик разворотов, по которому каждый второй разворот делается в противоположную предыдущему сторону, а на регистре R0 -- счетчик алгоритма управления электродвигателями. Он последовательно принимает значения от 0 до 3 с каждым вызовом прерывания. При 0 выключается правый двигатель, а при 2 -- левый. Таким образом, снижается ток, потребляемый от батареи питания, благодаря чему возрастает время автономной работы модели от одной зарядки аккумуляторов до другой.

Блок-схема программы

Блок-схема, описанной выше программы, приведена на рисунке 4.1 и 4.2.

Рис.4.1. Блок-схема программы

Рис.4.2. Блок-схема программы

Заключение

Создание микропроцессора (МП) явилось следствием развития и совершенствования технологии производства интегральных схем. Повышение степени интеграции микросхем привело к закономерному этапу в развитии вычислительной техники - реализации архитектуры ЭВМ на одной интегральной схеме.

Способность к программированию последовательности выполняемых функций, т.е. способность работать по заданной программе, является основным отличием МП от элементов «жесткой» логики (интегральных схем малой и средней степени интеграции). Таким образом, микропроцессор - это программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации, управления им, построенное на одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС).

Основными причинами широкого использования микропроцессорных систем (в том числе и ОЭВМ) в технике являются:

· использование в микропроцессорных системах цифрового способа представления информации, позволяющего значительно повысить помехоустойчивость создаваемых на их базе устройств, обеспечить простоту передачи и преобразования информации;

· применение программного способа обработки информации, позволяющего создавать в значительной степени унифицированные технические средства, отличающиеся практически лишь содержимым запоминающего устройства и специфическими устройствами ввода/вывода информации; компактность, высокая надежность и низкая потребляемая мощность микропроцессорных средств, обеспечивающих возможность расположения управляющих устройств, созданных на их основе, в непосредственной близости с управляемым оборудованием, а иногда и встроенных в них;

· относительно низкая стоимость микропроцессорных средств.

Все эти факторы позволили МП в короткое время занять ведущее место в совершенствовании целых отраслей промышленности, создании гибких автоматизированных производств, систем передачи информации, автоматизированных систем управления технологическими процессами, встраиваемых систем управления оборудованием и бытовыми приборами и т.д.

В процессе выполнения данной курсовой работы была разработана принципиальная схема и программное обеспечение для управления детской игрушкой «Луноход», приводимой в движение двумя электродвигателями постоянного тока, с проводным дистанционным управлением и вмонтированным в ней передатчиком и приемником импульсного ИК излучения на базе микроконтроллера серии MCS 51. В ходе выполнения курсового проекта была получена практика работы с микроконтроллерами серии AT89, был освоен механизм программирования.

Разработанному программному обеспечению присуща достаточная гибкость и функциональность. Также разработанная принципиальная схема и программное обеспечение имеет широкие возможности для дальнейшего расширения реализуемых функций.

Список литературы

1. В.В. Сташин, А.В. Урусов, О.Ф. Мологонцева Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. - М.: издательство «Энергоатомиздат», 1990. - 224 с.

2. Сединин В.И., Микушин А.В. Программирование микропроцессорных систем на языке ASM-51.- М.: издательство «Радио и связь», 2003. - 331 с

3. Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто. - М: ООО «ИД СКИМЕН», 2002. - 336 с.

4. Бродин В.Б., Калинин А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. - М: издательство «ЭКОМ», 2002. - 400 с.

Размещено на Allbest.ru