Расчет и построение синхронного автомата Мура

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Данный курсовой проект является одним из этапов изучения дисциплины «Цифровые устройства и микропроцессоры» и имеет своей целью приобретение навыков расчета и построения автоматов и микропроцессоров.

Данный проект предусматривает возможность практического применения знаний, полученных на лекциях и в результате самостоятельной подготовки. При выполнении курсового проекта необходимо решить ряд задач, тематика которых отражает основные разделы изучаемой дисциплины.

В первой части необходимо произвести расчет и построение синхронного автомата Мура по заданным условиям.

Во второй части написать программу и построить заданное устройство на основе микропроцессора.

1. Синтез синхронного автомата Мура

Расчет:

Составим граф переходов разрабатываемого автомата, используя алгоритм, приведённый в задании на курсовой проект (Рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема состояний

Отсюда получаем следующие уравнения:

D0:

D1 :*

D2:



Рис. 1.2. УГО Мультиплексора

Уравнение мультиплексора с 3-я адресными входами:

Таблица состояний входов мультиплексоров:

Табл. 1

Обозначение	Адрес входа	MUX1	MUX2	MUX3
x0	000	F3	F3	0
x1	001	0		F4
x2	010	0	0	0
x3	011	F1		1
x4	100	0	0	0
x5	101	1		1
x6	110		0
x7	111		0

Сигналы F1, F3, F4, F5 - реализуем на элементах КМОП логики.

Реализация сигнала F1:

Составляем таблицу истинности:

Табл. 2

	X3	X2	X1	F1
0	0	0	0	1
1	0	0	1	1
2	0	1	0	1
3	0	1	1	0
4	1	0	0	0
5	1	0	1	0
6	1	1	0	0
7	1	1	1	1

Составляем карту Карно:

Табл. 3

x2x3 x1	00	01	11	10
0	1	0	0	1
1	1	0	1	0

Уравнение:

Рис. 1.3. Реализация сигнала F1 на КМОП элементах



Рис. 1.4. Временные диаграммы функции переходов F1

Реализация сигнала F3:

Составляем таблицу истинности:

Табл. 4

	X1	X2	X3	F3
0	0	0	0	0
1	1	0	0	1
2	0	1	0	1
3	1	1	0	1
4	0	0	1	1
5	1	0	1	1
6	0	1	1	0
7	1	1	1	1

Рис. 1.5. Реализация сигнала F3 на КМОП элементах



Рис. 1.6. Временные диаграммы функции переходов F3

Реализация сигнала F4:

Рис. 1.7. Реализация сигнала F4 на КМОП элементах

Рис. 1.8. Временные диаграммы функции переходов F4

Реализация сигнала F5:

Рис. 1.9. Реализация сигнала F5 на КМОП элементах

Рис. 1.10. Временные диаграммы функции переходов F5

Реализация сигнала F2:

Для реализации F2 (задержки) была собрана схема таймера (рис. 1.11).

- уравнение задержки на 35с.

сброс на 36 секунде.

Рис. 1.11. Таймер

CLK=1с.

=35с.

Рис. 1.12. Работа таймера

Синтез тактового генератора.

Тактовый генератор в нашем устройстве необходим как источник тактовых импульсов, служащих в качестве входных сигналов , а также синхронизирующих ячейки памяти при формировании внутренних состояний автомата. Принципиальная схема изображена на рис. 1.13.

Рис.1.13. Генератор тактовых импульсов

Выполним расчет навесных элементов C, R1, R2.

Частота генерации сигнала вычисляется по формуле:

мультиплексор тактовый импульс

Выбираем f = 1 Гц и емкость C, по ряду Е24, 1.1 мкФ, а сопротивление R1 = 2*R2 получаем следующее значение сопротивления R1:

Из ряда Е24 выбираем номинал R2 = 330 кОм.

Вычисляем сопротивление R1.

R1=2*R2=660 кОм.

Из ряда Е24 выбираем номинал R1= 680 кОм.

Расчет RC-цепи для устройства сброса:

ф = 2 сек.

ф = R*C.

Примем R = 100 кОм С = 20 мкФ.

Реализация автомата Мура.

Соберем в среде Proteus модель синхронного автомата Мура (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Схема автомата Мура, собранная в Proteus



Рис. 1.15. График работы автомата

Q1-Q2-Q4-Q5-Q1-Q2-Q4-Q5-Q1-Q3-Q5-Q1-Q3-Q6-Q5…

Индикация на светодиодах

Предусмотреть индикацию на светодиодах признака кратности трем цифры, представленной входными сигналами.

Составляем таблицу истинности сигналов X1, X2, X3 и карту Карно:

Табл. 4

x2x3x1	00	01	11	10
0	0	0	1	0
1	0	0	0	1

Табл. 5

	X3	X2	X1	D1
0	0	0	0	0
1	0	0	1	0
2	0	1	0	0
3	0	1	1	1
4	1	0	0	0
5	1	0	1	0
6	1	1	0	1
7	1	1	1	0

Уравнение: .

Выбираем светодиод АЛ102АМ.

Расчет резистора, ограничивающий ток через светодиод:



Реализация на логических элементах:

Рис. 1.16

Рис. 1.17. Временные диаграммы функции переходов

2. Разработка микропроцессорной системы

Разработать микропроцессорную систему, выполненную на базе однокристального микроконтроллера серии МК51, осуществляющую измерение и индикацию мощности, потребляемой нагрузкой постоянного тока при напряжении 0…100 В и токе 0…5 А.

2.1 Описание микроконтроллера семейства МК51

ОМЭВМ семейства МК51 содержат все узлы, необходимые для автономной работы: центральный восьмиразрядный процессор; память программ объемом 4 Кбайт (только КМ1816ВЕ751, КР1816ВЕ51 и КР1830ВЕ51); память данных объемом 128 байт; четыре восьмиразрядных программируемых канала ввода-вывода; два 16-битовых многорежимных таймера/счетчика; систему прерываний с пятью векторами и двумя уровнями; последовательный интерфейс; тактовый генератор.

2.2 Алгоритм работы программы

Рис. 2.1. Алгоритм программы

2.3 Текст программы

mov TMOD,#01010001b

nachalo:

mov R1,#0

mov th1,#0

mov tl1,#0

mov r7,#20

secunda:

setb tr1

mov th0,#high(-50000)

mov tl0,#low(-50000)

setb tr0

jnb tf0,$

clr tr0

clr tf0

djnz r7,secunda

clr tr1

;mov A,#1

mov A,th1

CJNE A,#1,LoopTl1

mov R1,#2

;mov A,#129

mov A,tl1

mov B,#100

div AB

ADD A,R1

mov R1,A

mov A,B

ADD A,#56

mov R4,A

mov B,#100

div AB

ADD A,R1

mov R1,A

mov R5,B

mov A,B

mov B,#10

div AB

mov R2,A

mov R3,B

AJMP indikacia

LoopTl1:

;mov A,#29

mov A,tl1

Perevod:

mov B,#100

div AB

mov R1,A

mov A,B

mov B,#10

div AB

mov R2,A

mov R3,B

indikacia:

mov A,R1

mov p2,A

mov A,R2

swap A

ADD A,R3

mov p1,A

CLR A

END0:

ajmp nachalo

END

2.4 Листинг программы

C:0x0000 758951 MOV TMOD(0x89),#0x51

3: mov R1,#0

C:0x0003 7900 MOV R1,#0x00

4: mov th1,#0

C:0x0005 758D00 MOV TH1(0x8D),#0x00

5: mov tl1,#0

C:0x0008 758B00 MOV TL1(0x8B),#0x00

6: mov r7,#20

7: secunda:

C:0x000B 7F14 MOV R7,#0x14

8: setb tr1

C:0x000D D28E SETB TR1(0x88.6)

9: mov th0,#high(-50000)

C:0x000F 758C3C MOV TH0(0x8C),#0x3C

10: mov tl0,#low(-50000)

C:0x0012 758AB0 MOV TL0(0x8A),#P3(0xB0)

11: setb tr0

C:0x0015 D28C SETB TR0(0x88.4)

12: jnb tf0,$

C:0x0017 308DFD JNB TF0(0x88.5),C:0017

13: clr tr0

C:0x001A C28C CLR TR0(0x88.4)

14: clr tf0

C:0x001C C28D CLR TF0(0x88.5)

15: djnz r7,secunda

C:0x001E DFED DJNZ R7,SECUNDA(C:000D)

16: clr tr1

17:

18: ;mov A,#1

C:0x0020 C28E CLR TR1(0x88.6)

19: mov A,th1

C:0x0022 E58D MOV A,TH1(0x8D)

20: CJNE A,#1,LoopTl1

C:0x0024 B40122 CJNE A,#0x01,LOOPTL1(C:0049)

21: mov R1,#2

22:

23: ;mov A,#129

C:0x0027 7902 MOV R1,#0x02

24: mov A,tl1

C:0x0029 E58B MOV A,TL1(0x8B)

25: mov B,#100

C:0x002B 75F064 MOV B(0xF0),#0x64

26: div AB

C:0x002E 84 DIV AB

27: ADD A,R1

C:0x002F 29 ADD A,R1

28: mov R1,A

C:0x0030 F9 MOV R1,A

29: mov A,B

C:0x0031 E5F0 MOV A,B(0xF0)

30: ADD A,#56

C:0x0033 2438 ADD A,#0x38

31: mov R4,A

C:0x0035 FC MOV R4,A

32: mov B,#100

C:0x0036 75F064 MOV B(0xF0),#0x64

33: div AB

C:0x0039 84 DIV AB

34: ADD A,R1

C:0x003A 29 ADD A,R1

35: mov R1,A

C:0x003B F9 MOV R1,A

36: mov R5,B

37:

C:0x003C ADF0 MOV R5,B(0xF0)

38: mov A,B

C:0x003E E5F0 MOV A,B(0xF0)

39: mov B,#10

C:0x0040 75F00A MOV B(0xF0),#0x0A

40: div AB

C:0x0043 84 DIV AB

41: mov R2,A

C:0x0044 FA MOV R2,A

42: mov R3,B

C:0x0045 ABF0 MOV R3,B(0xF0)

43: AJMP indikacia

44:

45: LoopTl1:

46: ;mov A,#29

C:0x0047 0159 AJMP INDIKACIA(C:0059)

47: mov A,tl1

48: Perevod:

C:0x0049 E58B MOV A,TL1(0x8B)

49: mov B,#100

C:0x004B 75F064 MOV B(0xF0),#0x64

50: div AB

C:0x004E 84 DIV AB

51: mov R1,A

C:0x004F F9 MOV R1,A

52: mov A,B

C:0x0050 E5F0 MOV A,B(0xF0)

53: mov B,#10

C:0x0052 75F00A MOV B(0xF0),#0x0A

54: div AB

C:0x0055 84 DIV AB

55: mov R2,A

C:0x0056 FA MOV R2,A

56: mov R3,B

57:

58: indikacia:

C:0x0057 ABF0 MOV R3,B(0xF0)

59: mov A,R1

C:0x0059 E9 MOV A,R1

60: mov p2,A

C:0x005A F5A0 MOV P2(0xA0),A

61: mov A,R2

C:0x005C EA MOV A,R2

62: swap A

C:0x005D C4 SWAP A

63: ADD A,R3

C:0x005E 2B ADD A,R3

64: mov p1,A

C:0x005F F590 MOV P1(0x90),A

65: CLR A

66: END0:

C:0x0061 E4 CLR A

67: ajmp nachalo

C:0x0062 0103 AJMP NACHALO(C:0003)

2.5 Моделирование в Proteus

Проведем моделирование микроконтроллерной системы в среде моделирования Proteus на базе микроконтроллера AT89C51 (рис. 2.2 - рис. 2.3).

Рис. 2.2. Моделирование в Proteus микроконтроллерной системы, показывающей мощность в цепи 500 Вт



Рис. 2.3. Моделирование в Proteus микроконтроллерной системы, показывающей мощность в цепи 20 Вт

2.6 Подбор элементной базы

Для корректной работы разработанной микропроцессорной системы на основе однокристального микроконтроллера семейства МК51, следует отобрать все элементы по токам и напряжениям, а при необходимости включить в цепь ограничивающие резисторы.

В схеме, собранной в Proteus, для индикации мощности был использован BCD индикатор, поэтому в принципиальную схему микропроцессорной системы следует включить BCD дешифратор, преобразующий BCD код в код семисегментного индикатора, который дальше будет подаваться на семисегментные индикаторы с общим катодом.

Были выбраны следующие микросхемы:

- Дешифратор SN5448.

- Семисегментный индикатор с общим катодом SC04-12GWA.

- АЦП ADC0801.

Датчики:

- Датчик тока.

- Датчик напряжения.

Дешифратор SN5448 построенный на КМОП логике имеет следующие характеристики, взятые из Datasheet:

- Максимальное выходное напряжение при логической единице - 5,5 В.

- Максимальный выходной ток на каждый из выводов - 6,4 мА.

- Напряжение питания 5 В.

Семисегментный индикатор с общим катодом SC04-12GWA имеет следующие характеристики, взятые из Datasheet:

- Максимальное прямое напряжение - 2,5 В.

- Максимальный прямой ток - 25 мА.

Из характеристик подобранных элементов видно, что максимальный прямой ток приходящийся на каждый из выводов семисегментного индикатора равен 3,5 мА. А ток, выходящий из дешифратора приблизительно равен 5.8 мА, что принуждает к включению в схему токоограничивающих резисторов.

По закону Ома для участка цепи:

,

следует, что сопротивление, которое необходимо поставить в цепь для ограничения тока с дешифратора до 3.5 мА равняется:

Из ряда Е24 R = 1500 Ом.

АЦП ADC0801, изображено на рис. 2.4 а так же распиновка контактов.



Рис. 2.4

ADC0801 - это универсальный 8-битный совместимый конвертер ADC общего назначения, работающие от 5В.

Простейшая схема работы АЦП:

Применим к преобразователю известное аналоговое входное напряжение и используем светодиоды для отображения результирующего цифрового выходного кода. Как показано на рисунке 2.5.

Рис. 2.5

Принимаем, что датчик напряжения производит измерение от 0 до 100В, на выходе датчика, напряжение квантуется от 0 до 5 В.

Принимаем, что датчик тока работает от 0 до 5А. Так как ацп 8-битное, а нам хватит и 3-х бит, то остальные выводы мы использовать не будем. Максимально число, которое ацп может выдать это 255. Максимальное входное напряжение на ацп = 5В. Значит напряжение на выходе датчика тока должно квантоваться от 0 до 97,66 мВ. Зависимость между входным током и выходным напряжением 1А = 19,53 мВ.

Расчет RC-цепи для устройства сброса:

ф = 2 сек.

ф = R*C

Примем R = 100 кОм С = 20 мкФ.

Заключение

В процессе выполнения курсового проекта были получены навыки синтеза конечного синхронного автомата Мура, по выданному заданию, а также получены навыки моделирования в среде моделирования Proteus. Во второй части задания была разработана микроконтроллерная система для учета скорости расхода газа. Было выполнено программирование микроконтроллера семейства МК51 в среде программирования Keil uVision и выполнено моделирование микропроцессорной системы в среде моделирования Proteus, а также были выполнены поставленные задачи разработки устройства логического управления и микропроцессорной системы.

Табл. 6

Табл. 7. Перечень элементов для микропроцессорной системы выполненной на базе однокристального микропроцессора МК51

Список литературы

1. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы - Радио и связь, 1987.

2. Пухальский Г.Я. Цифровые устройства: Учебное пособие для ВТУЗов.- СПб.: Политехника, 2006. - 885с.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Учебник - справочник-энциклопедия. Пер. с нем. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 832с

4. Булычев А.Л., Галкин В.И. - Аналоговые интегральные схемы - Беларусь, 1994.

5. Варламов И.В. Микропроцессоры в бытовой технике - Радио и связь, 1989.

6. Цифровые устройства и микропроцессоры.Учебное пособие-СПб. СЗТУ, 2006 - 82с.

7. Холленд Р. Микропроцессоры и операционные системы, Энергоатомиздат, 1991.

8. А65 Программирование микроконтроллеров MCS-51: Учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2000. - 88с.

9. Цифровые устройства и микропроцессоры: методические указания к курсовому проекту для студентов очной формы обучения специальности 210304 - «Радиоэлектронные системы». - Брянск: БГТУ, 2010. - 12с.

Размещено на Allbest.ru

...