Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине Основы микропроцессорной техники

на тему: Устройство логического управления

Задание на курсовой проект по дисциплине «Основы микропроцессорной техники»

1. Тема проекта: «Устройство логического управления».

2. Исходные данные к проекту.

2.1. Назначение: получение входных двоичных сигналов с датчиков, их обработка и формирование выходных двоичных сигналов, управляющих исполнительными механизмами.

2.2. Элементная база: микроконтроллер ATmega8515, остальные элементы - по выбору студента.

2.3. Устройство логического управления работает по программе. В программе циклически осуществляется чтение входных сигналов, определение следующего состояния устройства управления и выходные сигналы устройства управления.

2.4. Таблица переходов

Входные сигналы	Состояние
	S0	S1	S2	S3	S4	S5	S6	S7
00	S0	S0	S0	S0	S0	S0	S0	S0
01	S0	S1	S2	S4	S4	S5	S6	S1
10	S1	S1	S3	S3	S5	S5	S7	S7
11	S0	S2	S2	S3	S4	S6	S6	S7

2.5. Таблица выходов

	Состояние
	S0	S1	S2	S3	S4	S5	S6	S7
Выходные сигналы	000	001	010	011	100	101	110	111

2.6. Единичному значению соответствует 12 В ±10%, нулевому - не более 1,2 В. Входной ток - не более 5 мА. Нагрузка выхода - не менее 120 Ом.

3. Структура курсового проекта.

3.1. Пояснительная записка содержит следующие разделы: задание на курсовой проект, введение, граф работы устройства, функциональная схема, блок-схема программы, программа.

3.2. Функциональная схема выполняется на отдельном листе в соответствии с требованиями ЕСКД.

3.3. Разработка и отладка программы работы устройства производится в среде AVR Studio.

4. Защита проекта - по учебному плану.

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

2. Алгоритм функционирования устройства

2.1 Структурная схема

2.2 Граф функционирования устройства

2.3 Таблица переходов и выходов

2.4 Блок-схема алгоритма

3. Разработка функциональной схемы

3.1 Входное устройство

3.2 Микроконтроллер

3.3 Выходное устройство

4. Программа работы устройства

Заключение

Список использованных источников

Введение

сигнал датчик устройство двоичный

Микроконтроллеры являются сердцем многих современных устройств и приборов, в том числе и бытовых. Самой главной особенностью микроконтроллеров, с точки зрения конструктора-проектировщика, является то, что с их помощью легче и зачастую гораздо дешевле реализовать различные схемы.

Микроконтроллер может управлять различными устройствами и принимать от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число периферийных схем имеется непосредственно на кристалле микроконтроллера, такие как порты ввода/вывода, таймеры, счетчики, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, интерфейсы связи с другими устройствами. Это позволяет уменьшить размеры конструкции и снизить потребление энергии от источника питания.

В настоящее время микроконтроллеры незаменимы при управлении сложными технологическими процессами. C их помощью можно организовать анализ сигналов, поступающих от датчиков и исполнительных устройств, и вырабатывать соответствующие управляющие сигналы. Использование устройств на базе микроконтроллеров позволяет повысить степень автоматизации производства.

1. Анализ технического задания

Необходимо разработать устройство, которое будет осуществлять прием входных двоичных сигналов с датчиков, осуществлять их обработку и формирование выходных двоичных сигналов, предназначенных для управления исполнительными механизмами. Диапазон изменения входного напряжения составляет от 0 до 12 В. Единичному значению сигнала на входе соответствует 12 В ±10%, а нулевому - не более 1,2 В. Величина входного тока не должна превышать 5 мА. На выходе следует обеспечить сопротивление нагрузки не менее 120 Ом.

Так как максимальное напряжение, подаваемое на входы микроконтроллера, не должно превышать 5,5 В, то подключение датчиков к микроконтроллеру необходимо осуществлять через входное согласующее устройство. С выходов согласующего устройства сигнал поступает на микроконтроллер, где производится его обработка, заканчивающаяся формированием выходных сигналов. Так как диапазон выходного напряжения не был задан, следует обеспечить диапазон выходного напряжения идентичный диапазону входного напряжения. Поэтому с микроконтроллера выходные сигналы направляются на выходное согласующее устройство. По заданию, нагрузка выхода должна быть не менее 120 Ом и, таким образом, ток приходящий на нагрузку должен быть не менее, чем 0,1 А.

Разрабатываемое устройство логического управления работает по программе, в которой циклически осуществляется чтение входных сигналов, определение следующего состояния устройства управления и формирование выходных сигналов устройства управления, соответствующих новому состоянию.

2. Алгоритм функционирования устройства

2.1 Структурная схема

Структурная схема устройства логического управления приведена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 Структурная схема

Входной сигнал поступает на входное устройство. Входное устройство представляет собой преобразователь уровня напряжения и предназначено для согласования входных диапазонов напряжения устройства и микроконтроллера. Под управлением микроконтроллера входной двоичный сигнал в процессе выполнения программы подвергается необходимой обработке. В результате работы программы формируются сигналы, соответствующие изменившемуся состоянию устройства, которые поступают на выходное устройство. Выходное устройство преобразует поступающие сигналы с целью их согласования с нагрузкой и диапазоном выходного напряжения устройства.

2.2 Граф функционирования устройства

Граф функционирования устройства является направленным и состоит из вершин и дуг. Вершины графа соответствуют состояниям устройства. Дуги показывают направления переходов из одного состояния в другое. Вершина представляет собой окружность, внутри которой обозначается состояние и соответствующий выходной сигнал. Дуга изображается в виде линии со стрелкой. Рядом с дугой указывается набор входных сигналов, вызывающий переход.

Граф работы устройства (рисунок 2.2) составляется в соответствии с таблицей переходов и таблицей выходов, приведенных в задании.

Рисунок 2.2 Граф работы устройства логического управления

2.3 Таблица переходов и выходов

Таблица переходов и выходов (ТПиВ, таблица 2.1) создается в памяти данных микроконтроллера исходя из заданной таблицы переходов и таблицы выходов.

В последовательные ячейки памяти данных, начиная с адреса AS0 заносятся строки, относящиеся к столбцу «Номер нового состояния» и «Выходные сигналы в новом состоянии». Выходные сигналы в новом состоянии занимают 3 младших разряда младшей тетрады ячейки, а номер нового состояния - 3 младших разряда старшей тетрады. Номер текущего состояния хранится в регистре текущего состояния, в качестве которого можно использовать один из регистров общего назначения микроконтроллера.

Таблица 2.1

Таблица переходов и выходов

Условный адрес ячейки памяти	Номер предыдущего состояния	Входные сигналы	Номер нового состояния	Выходные сигналы в новом состоянии
AS0	0	00	0	000
AS0+1		01	0	000
AS0+2		10	1	001
AS0+3		11	0	000
AS1	1	00	0	000
AS1+1		01	1	001
AS1+2		10	1	001
AS1+3		11	2	010
AS2	2	00	0	000
AS2+1		01	2	010
AS2+2		10	3	011
AS2+3		11	2	010
AS3	3	00	0	000
AS3+1		01	4	100
AS3+2		10	3	011
AS3+3		11	3	011
AS4	4	00	0	000
AS4+1		01	4	100
AS4+2		10	5	101
AS4+3		11	4	100
AS5	5	00	0	000
AS5+1		01	5	101
AS5+2		10	5	101
AS5+3		11	6	110
AS6	6	00	0	000
AS6+1		01	6	110
AS6+2		10	7	111
AS6+3		11	6	110
AS7	7	00	0	000
AS7+1		01	1	001
AS7+2		10	7	111
AS7+3		11	7	111

2.4 Блок-схема алгоритма

Алгоритм функционирования устройства логического управления представлен в виде блок-схемы (рисунок 2.3).

На начальном этапе на устройство подается питание. Входные сигналы через входное устройство поступают на входы микроконтроллера.

Далее необходимо определить работу портов ввода-вывода. Линии портов ввода-вывода, предназначенные для приема входных сигналов (порт A), необходимо настроить на ввод, а линии, предназначенные для выработки выходных сигналов (порт C) - настроить на вывод.

После инициализации портов микроконтроллера необходимо сформировать в памяти ТПиВ. Для текущего состояния устройства будет использоваться один из регистров общего назначения STATE. В качестве начального состояния выберем состояние 0.

Входные сигналы считываются из порта A и сохраняются в регистре общего назначения IO. Определение адреса ячейки памяти в ТПиВ для нового состояния осуществляется путем сложения адреса AS0 первой ячейки ТПиВ, номера текущего состояния из регистра текущего состояния STATE, умноженного на 4 (число возможных комбинаций входных сигналов), и числового эквивалента набора входных сигналов IO.

Числовое значение набора входных сигналов 00 равно 0, набора 01 - 1, набора 10 - 2, набора 11 - 3. Новое состояние и соответствующие выходные сигналы читаются из ячейки памяти с вычисленным адресом.

После этого номер нового состояния заносится в STATE, значения выходных сигналов заносятся в IO и производится их вывод на выходы микроконтроллера (в порт C).

Затем снова производится считывание входных сигналов и процесс повторяется.

3. Разработка функциональной схемы

3.1 Входное устройство

На входе разрабатываемого устройства необходимо предусмотреть согласующее устройство, поскольку по заданию на курсовой проект диапазон входного напряжения составляет от 0 до +12 В ±10%, а допустимое напряжение на входах микроконтроллера - от 0 до 5,5 В.

В качестве входного устройства выберем микросхему 564ПУ4В.

Входное устройство, принимающее входной сигнал, представляет собой шесть преобразователей уровня напряжения и предназначено для согласования входных диапазонов напряжения устройства и микроконтроллера. Схема входного устройства представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Входное устройство 564ПУ4В

Напряжение на выходе устройства задается подаваемым напряжением питания. Таким образом, подавая на вход Vcc напряжение 5 В, на выходе имеем аналогичное напряжение.

Согласно данным, указанным в документации на устройство, выходной ток высокого уровня при питании 5 В и температуре 25±10 °С равен 0,5 мА, что не превышает заданный уровень.

Основные характеристики устройства:

- Диапазон напряжений питания от 4,2 В до 15,0 В.

- Предельное напряжение питания до 18,0 В.

- Диапазон рабочих температур от - 60 °С до + 125 °С.

- Выходное напряжение низкого уровня ? 0,01 В при Vcc = 5,0 B, T = 25 °C.

- Выходное напряжение высокого уровня ? 4,99 В при Vcc = 5,0 B, T = 25 °C.

- Выходной ток низкого уровня ? 8,0 мА при Vcc = 10,0 B; V0 = 0,5 B.

- Выходной ток высокого уровня ?/-1,25/ мА при Vcc = 10,0 B; V0 = 9,5 B.

Таблица 3.1

Назначение выводов микросхемы 564ПУ4В

Вывод	Обозначение	Назначение
1	Vсс	Питание
2	Y1	Выход 1
3	X1	Вход 1
4	Y2	Выход 2
5	X2	Вход 2
6	Y3	Выход 3
7	X3	Вход 3
8	0V	Общий
9	X4	Вход 4
10	Y4	Выход 4
11	X5	Вход 5
12	Y5	Выход 5
13	NC	Не подключен
14	X6	Вход 6
15	Y6	Выход 6
16	NC	Не подключен

Таблица 3.2

Таблица истинности для одной ячейки микросхемы

Вход	Выход
L	L
H	H

3.2 Микроконтроллер

Ключевым и управляющим элементом всего проектируемого устройства является 8-битный высокоскоростной микроконтроллер (МК) ATmega8515, который обеспечивает обработку входных сигналов, изменение состояния устройства и формирование выходных сигналов. Особенности МК:

- система команд включает 130 инструкций, большинство из которых выполняются за один машинный цикл;

- 32 регистра общего назначения (восьмиразрядных);

- производительность до 16 млн. оп./сек. при задающей частоте 16 МГц;

- FLASH-память программ объемом 8 кбайт;

- оперативная память объемом 512 байт (статическое ОЗУ);

- память данных на основе EEPROM объемом 521 байт;

- возможность использования внешней памяти размером до 64 кбайт;

- возможность защиты от чтения и записи памяти программ и данных;

- возможность программирования непосредственно в системе с использованием последовательных интерфейсов SPI и JTAG;

- наличие разнообразных способов синхронизации;

- наличие режимов пониженного энергопотребления;

- возможность программного снижения частоты тактового генератора.

Данный МК имеет богатый набор разнообразных периферийных устройств: два таймера-счетчика (8- и 16-битный), сторожевой таймер, аналоговый компаратор, генераторы сигнала с ШИМ, последовательный синхронный интерфейс SPI, универсальный синхронный/асинхронный приемо-передатчик USART и другие.

На рисунке 3.2 представлено условное графическое изображение МК.

Рисунок 3.2 Конфигурация выводов ATmega8515

Назначение выводов:

- PA0…PA7 - выводы порта A (с подтягивающими резисторами);

- PB0…PB7 - выводы порта B (с подтягивающими резисторами);

- PC0…PC7 - выводы порта C (с подтягивающими резисторами);

- PD0…PD7 - выводы порта D (с подтягивающими резисторами);

- PE0…PE2 - выводы порта E (с подтягивающими резисторами);

- XTAL1, XTAL2 - выводы для подключения внешнего тактового генератора;

- - вход сброса;

- V_CC - вывод источника питания;

- GND - общий вывод.

Основные параметры ATmega8515:

- напряжение питания 4,5-5,5 В;

- входное напряжение до 1 В (низкий уровень) и от 3 до 5,5 В (высокий уровень);

- выходное напряжение 0,7 (низкий уровень, максимум) и 4,2 В (высокий уровень, минимум);

- потребляемый ток 14 мА;

- емкость одного входа 10 пФ;

- частота тактового генератора от 0 до 16 МГц;

- диапазон рабочих температур от 0 до 70 єC.

Питание МК осуществляется от источника питания + 5 В. Указанное напряжение подается на вывод V_CC. Для обеспечения работы МК можно использовать встроенный генератор тактовых импульсов, поскольку во внешнем генераторе необходимости нет. Поэтому выводы XTAL1 и XTAL2, предназначенные для присоединения внешнего генератора, остаются неподключенными. Вывод GND - общий.

Для приема входных сигналов используются линии PA0 и PA1 порта ввода-вывода А (предварительно настроенного на режим чтения), а для выработки выходных сигналов - линии PС0, PС1 и PC2 порта ввода-вывода С (предварительно настроенного на режим записи).

Перед началом работы устройства (при включении питания) необходимо обеспечить сброс микроконтроллера. В состав ATmega8515 входит система сброса по включению питания. Эта схема удерживает микроконтроллер в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение питания не превысит некоторого порогового значения, при достижении которого запускается таймер задержки сброса. По окончании счета внутренний сигнал сброса снимается и происходит запуск микроконтроллера. Для реализации этого способа вывод можно оставить неподключенным, поскольку он уже подтянут к источнику питания внутренним резистором.

3.3 Выходное устройство

Выходное устройство преобразует поступающие сигналы с целью их согласования с нагрузкой и диапазоном выходного напряжения устройства.

По заданию сопротивление нагрузки должно быть не менее 120 Ом, а диапазон выходного напряжения выберем идентичным входному - от 0 до +12 В. Напряжение на выходе микроконтроллера составляет +5 В, максимальный ток на линиях портов ввода-вывода - 40 мА.

По закону Ома рассчитаем максимальный выходной ток разрабатываемого устройства логического управления:

(3.1)

гдеUвых напряжение на выходе устройства, В;

R_Н сопротивление нагрузки, Ом.

Подставив в формулу (3.1) числовые значения, получим:

I_{ВЫХ max} = 12/120 = 0,1 А = 100 мА.

Таким образом, для получения заданного выходного напряжения и нагрузочной способности устройства необходимо использовать выходное устройство, способное вырабатывать ток не менее 100 мА. В качестве такого устройства можно использовать интегральную микросхему КР1128КТ4, которая представляет собой четырехканальный полумостовой токовый переключатель с ограничительными диодами на выходах.



Рисунок 3.3 Выходное устройство КР1128КТ4

Особенности микросхемы:

- состоит из четырех полумостовых каналов, объединенных попарно входами управления третьим состоянием;

- каждый канал управляется логическим входом, совместимым с ТТЛ-логикой;

- вход Е переводит свою пару каналов в состояние с высоким импедансом на выходе;

- напряжение коммутации до 36 В;

- ток коммутации до 0,6 А;

- максимальное прямое падение напряжения на ограничительных диодах 1,8 В;

- диапозон рабочих температур от -10 єC до +70 єC.



Рисунок 3.4 описание выводов микросхемы КР1128КТ4

К выводу Vcc подключается напряжение питания 5 В. К выходу Vs подключается напряжение, которое необходимо получить на выходе. Однако, согласно документации на данную микросхему, напряжение выхода микросхемы определяется по формуле:

U_вых = Vs - 1,4(3.2)

гдеVs коммутируемое напряжение, В.

По этой причине на выход Vs подается напряжение 13,5 В.

Ток на выходе устройства достигает 0,6 А, что удовлетворяет рассчитанному значению по формуле (3.1).

Таблица 3.3

Таблица истинности

Вход(I)	Управление третьим состоянием(E)	Выход(O)
H	H	H
L	H	L
H	L	Z
L	L	Z

Значению Z соответствует состояние высокого выходного импеданса.

Для связи готового устройства с источниками входных сигналов и приемниками выходных сигналов можно использовать простейший разъем типа DB_9F.

Электрическая функциональная схема проектируемого устройства приведена в Приложении А.

4. Программа работы устройства

Разрабатываемое устройство логического управления работает по программе, в которой циклически осуществляется чтение входных сигналов, определение следующего состояния устройства логического управления и формирование выходных сигналов. Алгоритм работы программы представлен на блок-схеме (рисунок 2.3). Разработка и отладка программы работы устройства производится в среде AVR Studio.

Листинг подпрограммы приведен ниже.

;##############################################

;## Устройство логического управления ##

;##############################################

.include "m8515def.inc"; Присоединение файла описаний

.list; Включение листинга

.deftemp = r16; Определение регистра временного хранения

.defio = r17; Определение регистра ввода-вывода

.def state = r18; Определение регистра состояния

;------------------------- Резервирование ячеек памяти для ТПиВ

.dseg; Выбираем сегмент ОЗУ

.org0x60; Устанавливаем текущий адрес сегмента

as0:.byte32; 32 байта для хранение ТПиВ

;------------------------- Начало программного кода

.cseg ; Выбор сегмента программного кода

.org0; Установка текущего адреса на ноль

;-------------------------- Инициализация портов ВВ

Ldi temp, 0x00; Записываем число $00 в регистр temp

Out DDRA, temp; Записываем ноль в DDRA (порт PA на ввод)

Ldi temp, 0xFF ; Записываем число $FF в регистр temp

Out DDRC, temp; Записываем это число в DDRC (порт PC на вывод)

;-------------------------- Создание ТПиВ

ldi temp, $00;

sts as0, temp;

ldi temp, $00;

sts as0+1, temp;

ldi temp, $11;

sts as0+2, temp;

ldi temp, $00;

sts as0+3, temp;

ldi temp, $00;

sts as0+4, temp;

ldi temp, $11;

sts as0+5, temp;

ldi temp, $11;

sts as0+6, temp;

ldi temp, $22;

sts as0+7, temp;

ldi temp, $00;

sts as0+8, temp;

ldi temp, $22;

sts as0+9, temp;

ldi temp, $33;

sts as0+10, temp;

ldi temp, $22;

sts as0+11, temp;

ldi temp, $00;

sts as0+12, temp;

ldi temp, $44;

sts as0+13, temp;

ldi temp, $33;

sts as0+14, temp;

ldi temp, $33;

sts as0+15, temp;

ldi temp, $00;

sts as0+16, temp;

ldi temp, $44;

sts as0+17, temp;

ldi temp, $55;

sts as0+18, temp;

ldi temp, $44;

sts as0+19, temp;

ldi temp, $00;

sts as0+20, temp;

ldi temp, $55;

sts as0+21, temp;

ldi temp, $55;

sts as0+22, temp;

ldi temp, $66;

sts as0+23, temp;

ldi temp, $00;

sts as0+24, temp;

ldi temp, $66;

sts as0+25, temp;

ldi temp, $77;

sts as0+26, temp;

ldi temp, $66;

sts as0+27, temp;

ldi temp, $00;

sts as0+28, temp;

ldi temp, $11;

sts as0+29, temp;

ldi temp, $77;

sts as0+30, temp;

ldi temp, $77;

sts as0+31, temp;

;------------------------- Установка начального состояния и соответствующих выходных сигналов

ldi state, $00;

ldi io, $00;

;------------------------- Основная программа

main:

in io, pina;---------считывание входных сигналов

ldi temp, $04; ----пересылаем 4 в temp (начало формулы)

mul state, temp;

add r0, io;

ldi temp, as0;

add r0, temp;

mov r26, r0;

ld temp,x;

mov io, temp;

andi io, $0f;--------логическое «И» с константой

out portc, io;-------запись выходных сигналов

swap temp;--------меняем местами тетрады байта

mov state, temp;--STATE=temp(r0 поменяный местами)

andi state, $0f;-----логическое «И» с константой

rjmp main;---------- переход на метку

Заключение

В результате выполнения данного курсового проекта в соответствии с техническим заданием было разработано устройство логического управления на основе МК ATmega8515, производящее прием входных двоичных сигналов и формирование выходных сигналов в соответствии с состоянием устройства, изменяющемся под влиянием входных сигналов. Были разработаны структурная и функциональная схемы устройства, граф и блок-схема алгоритма функционирования устройства, а также составлена таблица переходов и выходов. Таким образом, разработанное в результате курсового проектирования устройство соответствует техническим требованиям, предъявленным в задании.

Список использованных источников

1. Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega [Текст]: руководство пользователя / А. В. Евстифеев. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2007. 592 с.

2. Вершинин, В. А. Основы микропроцессорной техники [Текст]: Программа дисциплины и методические указания к выполнению курсового проекта / В. А. Вершинин. Рыбинск: РГАТУ им. П.А. Соловьева, 2015. 8 с.

3. Ревич, Ю. В. Практическое программирование микроконтроллеров Atmel AVR на языке ассемблера [Текст] / Ю. В. Ревич. Спб.: БХВ-Петербург, 2008. 384 с.

4. Коломбет, Е. А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов [Текст] / Е. А. Коломбет. М.: Радио и связь, 1991. 376 с.

5. Документация на 564ПУ4В компании ОАО «ОКБ Экситон». [Электронный ресурс]. URL: http://www.okbexiton.ru/pdf564v/564pu4v.pdf.

6. Документация на КР1128КТ4 компании Платан. [Электронный ресурс]. URL: http://www.platan.ru/pdf/00509.pdf.

Размещено на Allbest.ru

...