Микропроцессорная информационная система

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования

Омский государственный университет путей сообщения(ОмГУПС)

Кафедра «Автоматика и системы управления»

Микропроцессорная информационная система

Пояснительная записка к курсовой работе

Омск 2017

Реферат

Цель работы - изучить назначение, область применения, архитектуру платформы. Разработать программный код, взаимодействующий с элементами, установленными на плате Arduino Leonardo.

В результате курсовой работы разработана топология макетной платы, собрана макетная схема, написан соответствующий скетч для микроконтроллера, прошит микроконтроллер.

Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2010, прошивка написана в ArduinoIDE, разработка топологии макетной платы выполнена в Fritzing.

Введение

Микроконтроллер - это программируемая микросхема, состоящая из процессора (ядра) и периферии (АЦП, ЦАП, входа/выхода), обладающая оперативной и (или) постоянной памятью, выполняющая последовательность операций в соответствии с программой.

Микроконтроллеры применяют во всех сферах жизни, начиная от бытовых приборов и заканчивая сложными системами управления. По сравнению с первыми моделями, во много раз увеличилась производительность, появились дополнительные возможности (например, подключение внешней памяти), количество размещаемой на кристалле периферии стало столько, что при разработке несложных проектов, достаточно иметь сам микроконтроллер, сделать «обвязку», подключить источник питания и устройство готово.

В данной курсовой работе будет разработано устройство,генерирующее ШИМ сигналы пьезоизлучателем.

1. Описание структуры информационной системы

Микроконтроллеры обычно не могут выдавать произвольное напряжение. Они могут выдать либо напряжение питания (например, 5 В), либо землю (т.е. 0 В), но уровнем напряжения управляется многое: например, яркость светодиода.

Для симуляции неполного напряжения используется ШИМ (широтно-импульсная модуляция, англ. pulse width modulation или просто PWM), представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Широтно-импульсная модуляция

микроконтроллер программный код скетч

Выход микроконтроллера переключается между землёй и Vcc тысячи раз в секунду. Или, как ещё говорят, имеет частоту в тысячи герц. Глаз не замечает мерцания более 50 Гц, поэтому кажется, что светодиод не мерцает, а горит в полсилы.

Отношение полного периода к времени включения называют скважностью.Часто используется величина, обратная скважности, которая называется коэффициент заполнения (англ. duty cycle).

Пара сценариев при напряжении питания Vcc равным 5 вольтам представлены на рисунках 1.3 и 1.4.

Рисунок 1.3 - Сигнал с коэффициентом заполнения 50%

Рисунок 1.4 - Сигнал с коэффициентом заполнения 10%

2.Описаниеструктурной схемы МП системы

Схема подключения -графическое изображение (модель), служащее для передачи с помощью условных графических и буквенно-цифровых обозначений связей между элементами электрического устройства.Схема подключения представлена в приложении А, а программный код - в приложении Б.

2.1 Микроконтроллер

Микроконтроллеры выпускают десятки компаний, причем производятся не только современные 32-битные микроконтроллеры, но и 16, и даже 8-битные (как i8051 и аналоги).

Микроконтроллеры Atmel объединяют в себе эффективные встроенные решения, проверенные технологии и революционные идеи, являясь идеальным выбором для современных интеллектуальных сетевых продуктов.

Микроконтроллеры Atmel также поддерживают простую и удобную интеграцию технологии емкостного сенсорного ввода для реализации кнопок, ползунков и колес прокрутки. Кроме того, микроконтроллеры Atmel позволяют внедрять беспроводные функции и функции защиты.

В качестве микроконтроллера выбран ArduinoLeonardoна базе ATmega32u4(рисунок 1).

ArduinoLeonardo имеет 20 цифровых вход/выходов (из них 7 могут использоваться в качестве выходов ШИМ и 12 - как аналоговые входы), кварцевый генератор частотой 16 МГц, гнездо микро-USB, разъем ICSP и кнопку reset. На ней есть все, что необходимо для работы с микроконтроллером.

ATmega32u4 имеет 32 КБ флеш-памяти (вместе с 4 КБ, которые используются загрузчиком (бутлодером)). Также контроллер имеет 2,5 КБ ОЗУ и 1 КБ EEPROM (чтение и запись которой производится с помощью библиотеки EEPROM).

Рисунок 2.1 - Микроконтроллер ArduinoLeonardo

Назначение выводов микроконтроллера Arduino Leonardo представлено в таблице 1, на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Назначение выводов микроконтроллераArduinoLeonardo

Таблица 1 - Назначение выводов микроконтроллера ArduinoLeonardo

2.2 Пьезоизлучатель НРА17А

В курсовой работе используется пьезоизлучатель НРА17А (рисунок 4).Преобразуют электрический сигнал в звуковой. Излучатели со встроенной схемой вырабатывают звуковой сигнал при подачепостоянного напряжения. Область применения: компьютеры, оборудование средств связи, автомобильная электроника,кассовые аппараты, бытовая электроника. Рабочая температура: от -30°С до + 85°С,конструкция открытого типа, не водостойкая.Номинальное рабочее напряжение 5В, максимальный ток 1 мА,диаметр(ширина) корпуса d 16.5 мм.

Рисунок 2.3 - Пьезоизлучатель НРА17А

3. Разработка схемы подключения

Для разработки схемы подключения используется программа Fritzing.Программа создавалась для Arduino, аппаратно-программной платформы, состоящей из обычной платы с микроконтроллером Atmel AVR, радиодеталей для программирования, интерфейсов связи, среды разработки Processing/Wiring. Arduino применяется в создании автономных интерактивных аппаратов. Рисунок печатной платы открыт для всех, и поэтому платформа распространена среди самостоятельных разработчиков.

Основным достоинством Fritzing является интуитивно понятный интерфейс, включающий в себя лишь самые необходимые инструменты для схемы подключения, внешний вид программы представлен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Программа Fritzing

Программный пакет Fritzing был разработан в 2009 году в Потсдамском университете прикладных наук за счет субсидий, выделяемых государством на исследования научнойпрограммы. В настоящее время создатели САПР предлагают талантливым программистам сотрудничать с ними по вопросам дальнейшего развития программы.

Среда разработки Fritzing переведена на английский, датский, испанский, французский, итальянский, португальский, японский, китайский, и русский языки.

Существуют версии программы для операционных систем: Windows, Mac OS (версия 10.4 и выше) и Linux (версия 2.6 и выше).

Схема подключения представлена в приложении А.

4.Разработка ГСА и управляющей программы МП системы

Прошивка для микроконтроллера будет разрабатываться в среде ArduinoIDE.

Arduino - это один из самых популярных конструкторов, с помощью которого можно создать любое электронное устройство будь то для рядовых пользователей или опытных профессионалов. В Arduino в основном разработки проводятся на достаточно простом языке С/С++, который довольно легкий в изучении. Данная кроссплатформенная среда разработки состоит из:

- компилятора;

- редактора кода;

-программного клиента;

-специальной платы (ввода и вывода).

Обходя программаторы, можно с легкостью программировать само устройство через порт USB. Данный конструктор стабильно обеспечивает создание разного рода интерактивных объектов. Полностью совместим с ОС Windows, и при установки занимает до 80 Мб пространства на жестком диске ПК. Это программное обеспечение без конфликтов отлично работает и с другими приложениями, которые установленные на операционной системе (Max/MSP, Macromedia Flash и другие подобные утилиты). Все созданные программы проходят отдельную обработку процессором, а после чего компилируются в AVR-GCC. ГСА представлено на рисунке 4.1.

Код программы в приложении Б.

Рисунок 4.1 - ГСА программы

В программе должны быть две обязательные функции: setup() и loop(). После названия функции и круглых скобок идут фигурные скобки, внутри которых будет располагаться ваш код.

Функция setup() запускается один раз, после каждого включения питания или сброса платы Arduino. В теле данной функции пишется код для инициализации переменных, установки режима работы цифровых портов, и т.д.

Функция loop() в бесконечном цикле последовательно раз за разом исполняет команды, которые описаны в её теле. Т.е. после завершения функции снова произойдет её вызов.

5.Загрузка программы в микроконтроллер

Загрузка программы в микроконтроллер осуществляется с помощью ArduinoIDE (рисунок 5.1).

Микроконтроллеры для Arduino отличаются наличием предварительно прошитого в них загрузчика (bootloader). С помощью этого загрузчика пользователь загружает свою программу в микроконтроллер без использования традиционных отдельных аппаратных программаторов. Загрузчик соединяется с компьютером через интерфейс USB (если он есть на плате) или с помощью отдельного переходника UART-USB. Поддержка загрузчика встроена в Arduino IDE и выполняется в один щелчок мыши.

На случай затирания загрузчика или покупки микроконтроллера без загрузчика разработчики предоставляют возможность прошить загрузчик в микроконтроллер самостоятельно. Для этого в Arduino IDE встроена поддержка нескольких популярных дешевых программаторов, а большинство плат Arduino имеет штыревой разъем для внутрисхемного программирования (ICSP для AVR, JTAG для ARM).

В Arduino IDE встроена возможность создания своих программно-аппаратных платформ. Этой возможностью пользуются сторонние компании, добавляющие в Arduino IDE свои наборы плат и компиляторов-загрузчиков к ним.

Закачка программы в микроконтроллер Arduino происходит через предварительно запрограммированный специальный загрузчик (все микроконтроллеры от Ардуино продаются с этим загрузчиком). Загрузчик создан на основе Atmel AVR Application Note AN109. Загрузчик может работать через интерфейсы RS-232, USB или Ethernet в зависимости от состава периферии конкретной процессорной платы.Интерфейс ArduinoIDEпоказан на рисунке 6.

Рисунок 5.1 - Интерфейс ArduinoIDE

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы была изучена документация микроконтроллера Arduino Leonardo, а также подключаемого модуля пьезоизлучателя НРА17А, собрана схема в специальном программном пакете Fritzing, после разработан программный блок и загружен в микроконтроллер. Произведено описание структурной схемы.

Приложение А

(Обязательное)

Схема подключения

Рисунок А.1 - Схема подключения

Приложение Б

(Обязательное)

Листинг программы

constintbuttonPin = 2; // номервходакнопки

constintsoundPin = 12; // номервходапьезоизлучателя

intnotes[10]={261, 277, 294, 311, 330, 349, 370, 392, 415, 440}; // ноты

int buttonState = 0; // переменная состояния кнопки

voidsetup() {

pinMode(soundPin, OUTPUT);// инициализируем пин, подключенный к пьезоэлеенту

pinMode(buttonPin, INPUT); // инициализируем пин, подключенный к кнопке

}

voidloop(){

// считываем значения с входа кнопки

buttonState = digitalRead(buttonPin);

// проверяем нажата ли кнопка

// если нажата, то buttonState будет HIGH:

if (buttonState == HIGH) {

// включаемсветодиод

int time = 2000;

for(int i = 0; i < 10; i++){

tone(soundPin, notes[i]); //пьезоилучателюзадается нота из массива

delay(time);// задержка

time-=200;

}

}

else {

// выключаем

noTone(soundPin);

}

}

Листинг В, лист 1

Приложение В

(Обязательное)

Вид платы и микроконтроллера

Рисунок В.1 - Вид платы и микроконтроллера

Размещено на Allbest.ru