Микропроцессорная система управления объектом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Микропроцессорные и информационно-управляющие системы, в настоящее время, стали одним из наиболее дешевых и быстрых способов обработки информации. Практически ни одна область современной науки и техники не обходиться без использования их.

В настоящее время всё острее встают проблемы безопасности. Практика показывает, что наибольшее число аварийных ситуаций возникает из-за ошибочных действий человека. В связи с этим большое значение имеет применение в системах управления технических средств позволяющих полностью автоматизировать этот процесс. Развитие микропроцессорных и информационно-управляющих систем позволило перейти на качественно новую элементную базу, которая в свою очередь повысила скорость и качество выполнения операций.

В течении четырех лет, начиная с 1976 г., фирмой INTEL разрабатывалось получившее широкое распространение семейство 8-и разрядных однокристальных микроконтроллеров с программным управлением MCS-48.

Вычислительные возможности первых однокристальных микро-ЭВМ были исчерпаны уже к началу 80-х гг. Встала задача разработки новых микроконтроллеров, обладающих расширенными функциональными ресурсами. Среди предложенных новых архитектур однокристальных микро-ЭВМ следует выделить 8-и разрядную архитектуру семейства микроконтроллеров MCS-51, предложенного фирмой INTEL в 1981 г. Она удовлетворяет всем требованиям, представляемым к однокристальным микроконтроллерам, и является наиболее применяемой.

Однако к настоящему времени значительную часть мирового рынка микропроцессорных средств составляет другой вид однокристальных контроллеров - это т. н., периферийные интерфейсные контроллеры или PIC. Они представляют собой высокопроизводительные БИС, в которые интегрированы помимо цифровых устройств (собственно микроконтроллера) также и аналоговые - это различные АЦП, компараторы, модули сравнения ШИМ и т. д.

Это делает данные устройства чрезвычайно популярными у производителей «интеллектуальных» устройств.

1. Техническое задание на разработку микропроцессорной системы управления объектом

В курсовой работе разрабатывается микропроцессорная система управления некоторым объектом (Рисунок 1).

Рисунок 1. - Структурная схема управления объектом:

Микропроцессорная система принимает информацию об объекте управления от аналоговых и цифровых датчиков (Д), вырабатывает управляющие воздействия (Y) в соответствии с законами управления и подает их на исполнительные механизмы (ИМ). Микропроцессорная система состоит из микроконтроллера (МК) - управляющей микро ЭВМ, пульта управления (ПУ) и последовательного канала связи (ПКС).

Обработка цифровой информации.

Микропроцессорная система опрашивает двоичные датчики X1, X2, Х3 и вычисляет булеву функцию:

- в соответствии заданием на курсовую работу. При единичном значении функции система вырабатывает выходной сигнал Y1=1 длительностью T1=121 мкс. Это означает, что через T1 после выдачи единичного сигнала Y1 необходимо выработать нулевой сигнал Y1. В системе имеется также двоичный датчик аварийной ситуации Х0, единичный сигнал с которого должен вызвать аварийный останов системы в любой момент выполнения рабочего цикла программы.

Обработка аналоговой информации.

Сигналы с аналоговых датчиков V1, V2 преобразуются в цифровую форму в АЦП. Далее сформированные коды N1 и N2, представляющее собой целые числа без знака, поступают на обработку. Величина К - 8-разрядный код вставки, поступающий с регистра пульта управления. Далее система вычисляет функцию:

N = N1 + max (N2 K)

Полученное значение сравнивается с константой Q, хранящейся во внутренней памяти.

В зависимости от результатов сравнения система вырабатывает двоичные управляющие воздействия Y2(если N < Q) или Y3 (если N > Q) длительностью T2=132 мкс.

Управляющее воздействие Y4 формируется в виде аналогового сигнала V4 с ЦАП и поступает на ИМ, Для всех вариантов значение Y4 определяется как восьмиразрядное двоичное число по формуле:

Y4 =a0 +a1 *N3

Где:

a0 и a1 - восьмиразрядные коэффициенты, хранящиеся во внутренней памяти микроконтроллера;

N3 - восьмиразрядный код, поступающий с выхода АЦП.

Предполагается, что исходные величины, поступающие с АЦП меньше единицы и представляются двоичным числом с фиксированной запятой. Если после умножения значение Y4 превышает восемь разрядов, то необходимо принимать значение Y4 равное младшему байту.

Обработка запросов на прерывания.

Система обрабатывает запросы на прерывание пяти уровней:

1) запрос на прерывание по сигналу отказа источника питания IRQ0;

2) запрос на прерывание по сигналу аварийного датчика IRQ1;

3) запрос на прерывание от терминала внешней ЭВМ IRQ2;

4) запрос на прерывание от таймера IRQ3;

5) запрос на прерывание от пульта управления IRQ4.

Прерывание работы системы при отказе источника питания имеет высший приоритет. Система при этом переходит на резервный источник питания (батарейка) вырабатывает сигнал Y5 установки внешних устройств в исходное состояние (например, отвод головок от диска, останов дисковода и т. д.) и передает в последовательный канал связи (если он был активен) код символа «!». Сигнал Y5 представит собой два прямоугольных импульса длительностью 30 мкс, следующие с интервалом в 30 мкс. После выполнении указанных действий микроконтроллер необходимо перевести в режим пониженного энергопотребления.

Прерывание от сигнала аварийного датчика включает на пульте управления аварийную сигнализации (световая с частотой 2 Гц) и обеспечивают выдачу на индикацию сигналов двоичных датчиков X1, X2, Х3 и цифровой код N1, поступающий с АЦП. После этого микроконтроллер необходимо перевести в режим пониженного энергопотребления.

Прерывания от терминала внешней ЭВМ осуществляются при приеме последовательным каналом связи символа управления обменом. Приемник последовательного адаптера выставляет при этом запрос на прерывание работы основной программы с целью передачи в последовательный канал связи запрашиваемой информации. Запрашиваемая информация формируется в зависимости от принятого из канала символа. При приеме символа «D» в канал передается значение Y1, при приеме символа А - значение Y4. После загрузки в буфер передатчика БИС последовательного адаптера запрашиваемой информации управление передается в прерванную программу.

Прерывания от пульта управления влекут за собой выполнение следующих действия:

1. Считать информацию с регистра;

2. Запись информации по заранее заданному адресу;

3. Организовать выход из прерывания на начало программы обработки.

Пульт управления

Пульт управления должен содержать следующие элементы:

1) устройство индикации;

2) входной 8-разрядный регистр для приема с тумблеров пульта значение константы К;

3) светодиод индикации, на который подается меандр частотой 2 Гц;

4) кнопку «Сброс», при нажатии на которую производится начальная установка элементов системы;

5) тумблер «Останов», опрашиваемый в конце каждого цикла выполнения;

6) программы.

Устройство индикации может быть со светодиодами.

2. Структурная схема микропроцессорной системы

Функциональная схема системы управления представлена на рисунке ниже.

Рисунок 2. - Функциональная схема системы управления:

Входными сигналами являются сигналы с цифровых датчиков X1-X3, аналоговых датчиков V1-V2.

Выходными сигналами являются цифровые сигналы Y1-Y2, Y5 и аналоговый сигнал Y4.

В качестве микроконтроллера выбрана микросхема PIC16F877А. Он является центральным блоком системы управления. МК обрабатывает входные сигналы с цифровых датчиков, сигналы прерывания, вырабатывает двоичные управляющие сигналы, сигналы управления периферийными устройствами.

Блоки вывода цифровых и аналоговых сигналов предназначены для вывода сигналов на исполняемые механизмы.

Блок расширения ввода вывода служит для увеличения количества линий ввода-вывода. В состав данного блока входят буферные регистры. Блок канала связи состоит из микросхемы приема - передатчика согласующего МК с интерфейсом 1-wire.

Микроконтроллеры семейства PIC имеют очень эффективную систему команд, состоящую всего из 35 инструкций. Все инструкции выполняются за один цикл, за исключением условных переходов и команд, изменяющих программный счетчик, которые выполняются за 2 цикла. Один цикл выполнения инструкции состоит из 4 периодов тактовой частоты. Каждая инструкция состоит из 14 бит, делящихся на код операции и операнд (возможна манипуляция с регистрами, ячейками памяти и непосредственными данными).

Высокая скорость выполнения команд в PIC-контроллерах достигается за счет использования двухшинной гарвардской архитектуры вместо традиционной одношинной Фон-Неймановской. Гарвардская архитектура основывается на наборе регистров с разделенными шинами и адресным пространством для команд и для данных. Набор регистров означает, что все программные объекты, такие как порты ввода/вывода, ячейки памяти и таймер, представляют собой физически реализованные аппаратные регистры.

Обоснуем выбор микроконтроллера PIC16F877А, для этого составим и проанализируем таблицу 1.

Таблица 1. - Наименование линий ввода/вывода микроконтроллера:

Датчики	Исполнительный механизм	Прочее	Тип линии
2(N1-N2)	-	-	Аналоговая
3(X1-X3)	-	-	Цифровая
1(Аварийный датчик)	-	-	Цифровая
1(Контроль наличия напряжения питания)	-	-	Цифровая
-	-	8 (блок расширенного ввода/вывода)	Цифровая
-	-	1 (кнопка «прерывание от оператора»)	Цифровая
-	-	1 (кнопка «Останов»)	Цифровая
-	-	1 (Световая сигнализация)	Цифровая
-	-	6 (разрешение преобразования)	Цифровая
-	-	1(Y1)	Цифровая
-	-	1(Y2/Y3)	Цифровая
-	-	1(Y5)	Цифровая
-	-	2 (задающий генератор)	Цифровая
-	-	2 (USART)	Цифровая

Для обработки информации со всех датчиков и для управления всеми устройствами необходимо 33 линий ввода/вывода.

В данной МПС используется микроконтроллер PIC16F877А. Этот контроллер содержит все необходимые периферийные модули и имеет 33 линии ввода/вывода.

3. Принципиальные схемы чтения информации с датчиков микропроцессорной системы управления объектом

3.1 Разработка схемы сопряжения для подключения цифровых датчиков МК

Схема сопряжения обеспечивает гальваническую развязку цифровых датчиков и микроконтроллера.

Схема сопряжения представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. - Схема сопряжения для подключения цифровых датчика:

Используется транзисторный оптрон с подключенным последовательно его светодиоду гасящим резистором и стабилитроном, включенным встречно светодиоду.

Оптрон выполняет функцию гальванической развязки и ключевого элемента.

Стабилитрон исключает протекание тока через светодиод оптрона при низком логическом уровне. Критерий выбора светодиода оптрона следующий:

(1)

Где:

U_ст - напряжение стабилизации стабилитрона.

Выберем стабилитрон 2С447А, у которого U_ст = 4,7 В.

Рассчитаем сопротивление резистора R1:

(2)

Где:

U_вх - максимальное входное напряжение;

U_пр - прямое падение напряжения на светодиоде оптрона;

- напряжение стабилизации стабилитрона;

I_н - номинальный ток через светодиод.

В данной схеме используется оптрон АОТ101АС для которого U_пр = 1,6В и I_н = 5мА. Таким образом: R1 = (10-1.6-4,7) / 0,005 = 750 Ом.

3.2 Разработка схемы сопряжения для подключения аналоговых датчиков МК

Схема сопряжения обеспечивает гальваническую развязку аналогового датчика и линии ввода AN0 контроллера, а также преобразует входной аналоговый сигнал с уровнями 10-3В в выходной сигнал с уровнями 0-5В. Схема сопряжения представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. - Схема сопряжения для подключения аналогового датчика:

На ОУ DA6 типа AD202 собран аналоговый инвертирующий сумматор напряжений, который преобразует входной сигнал с уровнями 10-3 в сигнал с уровнями 0-5В.

(3)

(4)

(5)

Где:

U_пит - напряжение источника питания, подключаемого к резистору R15.

Это напряжение выбирается следующим образом:

Так как U_вхmin>0В, то U_пит=-7,5В резистор R15 соединяется с выводом 5 ОУ.

Выберем сопротивление резистора R11 = 1 кОм.

Решая совместно уравнения (3), (4) и (5), получим:

R14=750Ом;

R17=1,4кОм;

R20=330Ом.

3.3 Разработка схемы сопряжения контроля наличия напряжения питания

Схема контроля напряжения питания представлена на рисунке 5.

Светодиод оптрона питается через однополупериодный выпрямитель с фильтрующим конденсатором. Оптрон выполняет функцию гальванической развязки и ключевого элемента.

Рисунок 5. - Схема контроля наличия напряжения питания:

U_вх(0)=0;

U_вх(1)=~220В.

Емкость конденсатора C10 лежит в пределах 47-100 мкФ, а рабочее напряжение не менее 6 В. Максимальное обратное напряжение диода VD9 должно быть не менее 400 В. Сопротивление резистора R70-71 рассчитывается по формуле:

(5)

Где:

- действующее значение входного напряжения.

Ом.

Используем оптрон DA11 марки AOT101AС и диод KД521А.

4. Принципиальные схемы блоков вывода управляющих сигналов микропроцессорной системы управления объектом

4.1 Блок вывода аналогового управляющего сигнала

Для получения аналогового управляющего сигнала Y4 необходимо использовать ЦАП.

В качестве ЦАП используем микросхему AD557.

Схема блока вывода аналогового управляющего сигнала представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. - Схема блока вывода аналогового управляющего сигнала:

4.2 Схема подключения МК с исполнительными механизмами

Для согласования диапазонов напряжений микроконтроллера и исполнительных механизмов используем следующие схемы сопряжения.

Диапазон напряжения сигналов с микроконтроллера на исполнительные механизмы (ИМ): 0-5В.

В схеме сопряжения производится оптронная развязка (рисунок 7).

Рисунок 7. - Схема сопряжения с выходами Y1, Y2, Y3, Y5:

Рассчитаем значения резисторов:

.

Получим R73=680 Ом.

5. Принципиальная схема блока последовательного устройства

В проектируемой системе управления для связи с внешним устройством используется последовательный интерфейс RS-449. Роль приемопередатчика использует встроенный в микроконтроллер модуль USART. Для формирования уровней сигналов, соответствующих интерфейсу RS-449 используется стандартный преобразователь уровней MXL1543. Схема его сопряжения приведена на рисунке 8.

Рисунок 8. - Схема подключения преобразователя уровней MXL1543:

Подключение к внешнему устройству осуществляется через 37-контактный разъем DB-37, приведенный на рисунке 9.

Рисунок 9. - DB-37 - 37-контактный разъем последовательного интерфейса RS-449:

6. Принципиальная схема пульта управления

Схема пульта управления представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема подключения пульта управления:

Пульт управления содержит восемь тумблеров для ввода 8-разрядного кода установки, кнопку «Enter» (служит для занесения в МК значения константы), тумблер «Останов» (служит для остановки программы), тумблер «Прерывание от оператора» (служит для выдачи на индикацию значений). Выводы пульта управления подключены к портам МК.

Для обеспечения выдачи на индикацию сигналов двоичных датчиков X1, Х2, Х3, Y1-Y2, и цифрового кода N1, поступающего с АЦП, а также константы Q, хранящейся во внутренней памяти МК и значения Y3, применяются регистры DD10, DD7, DD9, DD11 соответственно, марки КР1533ИP22, которые обеспечивают хранение информации, поступающей для вывода на индикацию (рисунок 10). Также на схеме изображено подключение аварийного светодиода HL33.

Работа регистра марки КР1533ИР22 представлена в виде таблицы 2.

Таблица 2. - Режимы работы регистра КР1533ИР22:

Входы	Выходы Q0-Q7	Режимы работы
Z	C	Dn
L	H	H	H	защелкивание и считывание из регистра
L	H	L	L	защелкивание и считывание из регистра
L	L	x	Q0	хранение
H	x	x	Z	защелкивание в регистр, разрыв выходов

7. Разработка структуры программного обеспечения и общего алгоритма управления

7.1 Общий алгоритм управления

Рисунок 11. - Структурная схема управления объектом:

Блок «инициализация» выполняет начальную установку системы: настройку периферийных модулей, посылку в выходные каналы начальных значений управляющих воздействий и т. д.

Блок «обработка полученной информации и формирование выходных сигналов» реализует задачу логического управления: принимает информацию от двоичных датчиков X1, Х2, вычисляет значение булевой функции:

- и выдает это значение в качестве управляющего сигнала Y1 по соответствующему выходному каналу на исполнительный механизм.

А также обеспечивает прием информации с аналоговых датчиков V1, V2 ее преобразование в цифровую форму, вычисление значений управляющих воздействий Y2, Y3, Y4 и выдачу их на исполнительные механизмы.

При выполнении этого блока учитывается значение ставки, заданное оператором с пульта.

7.2 Алгоритм работы блока чтения информации с датчиков и обработка полученной информации

Рисунок 12. - Считывание информации с датчиков:

Где:

В блоке 1 происходит побитное считывание значений:

X1-X3.

В блоке 2 происходит считывание значений:

N1-N2.

Рисунок 13. - Алгоритм обработки полученной информации:

В блоке 1 происходит вычисление логической функции задания и в зависимости от результата (если результат равен 1) вырабатывается сигнал Y1 длительностью Т1 (50 мкс).

А также вычисляется значение функции:

N = N2 + max (N2 + K)

В зависимости от результата сравнения значения функции N и константы Q вырабатывается сигнал длительностью Y2 (132 мкс).

Для формирования сигналов Y1-Y2, Y5 будем использовать таймер TMR1. Предшествующий делитель выбираем 1:1. На таймер приходит частота 4МГц/4=1МГц=1мкс.

Значит имеем: Т1=50 мкс (50 импульсов по 1мкс). Переведем 50 в шестнадцатеричную систему (50d=32h). Так как таймер 16-ти разрядный, то FFFF-32=FFCD, полученное значение записываем в регистр TMR1.

MOVLW - 0xCD;

MOVWF - TMR1L;

MOVLW - 0xFF;

MOVWF - TMR1H.

Для сигналов Y2, Y3 и Y5 поступаем аналогичным образом:

T2 = 132 мкс (130 импульсов по 1 мкс). Переведем 132 в шестнадцатеричную систему.

Рисунок 14. - Алгоритм обработки полученной информации:

Так как таймер 16-ти разрядный, то:

- полученное значение записываем в регистр TMR1.

MOVLW - 0x7D;

MOVWF - TMR1L;

MOVLW - 0xFF;

MOVWF - TMR1H.

T5 = 30 мкс (30 импульсов по 1мкс). Переведем 30 в шестнадцатеричную систему (30d= 1Eh).

Так как таймер 16-ти разрядный, то:

- полученное значение записываем в регистр TMR1.

MOVLW - 0xE1;

MOVWF - TMR1L;

MOVLW - 0xFF;

MOVWF - TMR1H.

7.3 Алгоритм работы блока обмена информацией по последовательному каналу связи

Рисунок 15. - Алгоритм обмена информацией по последовательному каналу связи:

В блоке 1 осуществляется прием информации по последовательному каналу связи символа.

В блоке 2 проверяется является ли принятый символ символом D.

Для этого из кода принятого символа вычитается код символа D и анализируется флаг переноса.

Если принятый символ является символом D, то управление передается на блок 4, иначе на блок 3.

В блоке 4 в линию связи передается значение переменной в которой хранится Y1.

В блоке 3 проверяется, является ли принятый символ символом А. Для этого из кода принятого символа вычитается код символа А и анализируется флаг переноса.

Если принятый символ является символом А, то в блоке 5 в линию связи передается значение переменной, в которой хранится Y4.

7.4 Алгоритм работы блока взаимодействия с оператором

На рисунке 16:

В блоке 1 опрашивается тумблерный регистр пульта управления и формируется код установки К.

В блоке 2 сформированный код записывается по заранее заданному в программе адресу.

В блоке 3 проверяется наличие прерывания от аварийного датчика.

В блоке 4 на пульте управления включается аварийная сигнализация.

В блоке 5 обеспечивается выдача на индикацию сигналов двоичных датчиков X1-X3.

В блоке 6 обеспечивается выдача на индикацию цифрового кода N1, поступающего с АЦП.

В блоке 7 микроконтроллер переводится в режим пониженного энергопотребления.

В блоке 8 проверяется наличие прерывания от ПУ.

В блоке 9 обеспечивается выдача на индикацию значения Y1.

В блоке 10 обеспечивается выдача на индикацию результат сравнения N>Q.

В блоке 11 обеспечивается выдача на индикацию сигналов двоичных датчиков X1-X3.

В блоке 12 обеспечивается выдача на индикацию константы Q.

В блоке 13 выход из прерывания на начало программы обработки.

Рисунок 16. - Алгоритм работы блока взаимодействия с оператором:

7.5 Алгоритм обработки аварийных ситуаций

Рисунок 17. - Алгоритм обработки прерывания от блока питания:

В блоке 1 вырабатывается сигнал Y5 установки внешних устройств в исходное состояние.

В блоке 2 вырабатывается сигнал для отображения аварийной световой индикации на ПУ.

В блоке 3 в последовательный канал связи передается код символа «!».

В блоке 4 микроконтроллер переводится в режим пониженного энергопотребления.

8. Расчет электрических параметров МПС

Рассчитаем мощность, потребляемую микроконтроллером:

(6)

Где:

- напряжение относительно ;

- максимальный ток вывода ;

- выходное напряжение высокого уровня;

- ток I/O канала;

- выходное напряжение низкого уровня;

- ток I/O канала.

Рассчитаем мощность, рассеиваемую всеми резисторами схемы:

(7)

Где:

- напряжение на i-м резисторе;

- сопротивление i-го резистора.

.

Рассчитаем мощность, рассеиваемую индикаторами:

 (8)

Где:

- напряжение на i-м светодиоде;

- ток в i-м светодиоде.

.

Токи, потребляемые микросхемами, приведены в таблице 3.

Таблица 3. - Токи, потребляемые микросхемами:

Напряжение питания, В	Микросхема	Потребляемый ток, мА
	Обозначение	Наименование
+15	DA6-DА8	AD202	3*50
Итого	150
+5	DD1 DD2 DD3 DD4 DD5 DD6 DD7-DD11	PIC16F877A К155ЛН1 К155ЛН1 AD557 К155ЛЕ3 DS2480 КР1533ИP22	43 33 33 40 33 160 5*28
Итого	482

Таким образом, суммарная потребляемая мощность будет равна:

P=15*0.15+5*0.482+0.184+0.64+3.75 = 9.24 Вт.

9. Разработка блока питания объекта

Для питания проектируемой микропроцессорной системы управления используем схему блока питания представленной на рисунке 18.

В качестве трансформатора T1 выбран унифицированный трансформатор ТПП246-127/220-50. Этот трансформатор имеет габаритную мощность 14,5 В·А. Напряжения на обмотках следующие:

Для увеличения максимального тока в цепи 5В обмотки 11-12 и 13-14 соединены параллельно. Для стабилизации напряжений используются интегральные стабилизаторы LM7805, LM7815. Они рассчитаны на максимальный ток 1,5 А.

Рисунок 18. - Принципиальная электрическая схема блока питания:

Заключение

В данной курсовой работе разработана микропроцессорная система управления объектом, включающая микроконтроллер (PIC16F877), аналого-цифровой преобразователь, схемы сопряжения и логические микросхемы. В систему входит пульт управления, с помощью которого оператор может управлять работой системы. Также была составлена программа, обеспечивающая выполнение алгоритма управления. Были получены навыки в проектировании микропроцессорных управляющих систем.

Список использованных источников

сигнал микропроцессорный связь

1. Сташин, В.В. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / В.В. Сташин, А.В. Уросов, О.Ф. Мологонцева - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 224 с.

2. Бродин, В.Б. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики / В.Б. Бродин, А.В. Калинин - М.: Издательство ЭКОМ, 2002. - 400 c.

3. Яценков, В.С. Микроконтроллеры Microchip. Практическое руководство / В.С. Яценков - М.: Горячая линии - Телеком, 2002. - 296 с.

4. Тавернье, К. PIC-микроконтроллеры. Практика применения: Пер. с фр. / К. Тавернье - М.: ДМК Пресс., 2004. - 272 с.

Размещено на Allbest.ru

...