Устройство измерения и контроля напряжения на однокристальном микроконтроллере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Иркутский государственный университет путей сообщения»

Факультет «Системы обеспечения транспорта»

Кафедра «Автоматика, телемеханика и связь»

Курсовая работа

На тему: «Устройство измерения и контроля напряжения на однокристальном микроконтроллере»

Выполнил студент гр. СОД.2-11-1

Иванов И.И.

Проверил: доцент Миронов Б.М.

Иркутск, 2015 г.

Содержание

Введение

1. Разработка структурной схемы устройства

2. Алгоритм работы устройства

3. Программа работы микроконтроллера

3.1 Текст программы и входящие в нее функции

3.2 Функция задержки delay

3.3 Функция инициализации ПК init_pc и другие функции, связанные с работой ПК

3.4 Функция вывода напряжения на ЖКИ vivodU

3.5 Главная функция main

4. Принципиальная электрическая схема устройства

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

Следствием компьютерной революции, произошедшей в конце прошлого столетия, является автоматизация практически всей окружающей человека среды. Происходит повсеместное внедрение миниатюрных и мощных микроконтроллеров - в промышленности, на транспорте, в быту.

Функции устройств, в которых применяются микроконтроллеры, обширны - измерение и контроль параметров различных объектов; управление объектами; сбор, обработка и преобразование информации и др.

В данной работе разработано устройство измерения и контроля напряжения на основе однокристального микроконтроллера.

Исходными данными для разработки устройства являются: напряжение постоянного тока от внешнего датчика поступает на вход устройства для измерения с некоторой периодичностью. При этом требуется осуществлять контроль выхода измеренного значения напряжения за допустимые пределы (допустимые пределы составляют значения от 2 В до 4 В). Если измеренное значение напряжения выходит за указанные пределы в течение временного интервала, превышающего 0,5 с, то требуется осуществить вывод измеренного значения напряжения на монитор ПК.

1. Разработка структурной схемы устройства

Из технического задания на проектирование устройства известно, что входным сигналом является напряжение постоянного тока с допустимыми пределами изменения от 2 В до 4 В. Возможные пределы изменения значения входного напряжения не указаны, поэтому будем считать, что они согласованы с допустимыми значениями на аналоговом входе микроконтроллера, лежащими в диапазоне от 0 В до 5 В.

Для измерения входного напряжения и контроля его выхода за заданные пределы сигнал должен поступать на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Особых требований к быстродействию устройства и точности значений напряжения в задании не предъявляется. Поэтому для реализации устройства выбираем микроконтроллер со встроенным АЦП - микроконвертер ADuC842. Таким образом, в состав устройства входят источник контролируемого напряжения, микроконтроллер ADuC842, монитор ПК и источники питания. Структурная схема устройства имеет вид, представленный на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема устройства

2. Алгоритм работы устройства

Алгоритм работы устройства после включения питания предусматривает инициализацию АЦП микроконтроллера и ПК. Затем выполняются следующие действия: единичное преобразование АЦП, вычисление значения напряжения, контроль принадлежности полученного значения заданному диапазону допустимых значений. В случае принадлежности полученного значения напряжения заданному диапазону допустимых значений осуществляется задержка на 0,1 с и процесс повторяется, начинаясь с единичного преобразования АЦП.

Если измеренное значение напряжения выходит за заданные пределы, то осуществляются пятикратное измерение входного напряжения с интервалом 0,1 с (суммарное значение составляет 0,5 с - по заданию) и контроль выхода измеренного значения за заданные пределы с фиксацией результата. При этом все измеренные значения отображаются на мониторе ПК. Схема алгоритма приведена на рисунке 2.



Рисунок 2. Схема алгоритма

3. Программа работы микроконтроллера

3.1 Текст программы и входящие в нее функции

Программа реализации описанного алгоритма, написанная на языке Си, приведена ниже. В нее включены заголовочные файлы, определения переменных и функций задержки delay, ожидания готовности ПК wait_pc, очистки экрана clear_ pc, вывода символа на монитор ПК write_char, инициализации ПК init_ pc, а также главная функция main.

/* Программа измерения и контроля напряжения постоянного тока*/

#include <ADuC842.h> // описание регистров МК ADuC842

#include <stdio.h> //подключение стандартной библиотеки ввода-вывода

#define BUZY_ADC 0x80 // введение константы слова состояния АЦП

sbit RS=P2^4; // выводы

sbit RW=P2^5; // микроконтроллера

sbit E=P2^6; // для связи

sbit BUZY_PC=P0^7; // с ПК

unsigned char STATE_PC; // определение переменной состояния ПК

sbit SV=P2^7; // вывод подключения ПК

unsigned char vnesh, zapredelU=0;

void delay(unsigned int i) // определение функции задержки

{

unsigned int a;

for (a=0; a<i; a++);

}

void wait_ pc(void) // определение функции готовности ПК

{

do {

E=1;

RS=0;

RW=1;

P0=0xFF;

STATE_PC=BUZY_PC;

E=0;

} while (STATE_PC!=0);

RW=0;

}

void clear_ pc(void) // определение функции очистки монитора ПК

{

E=1;

RS=0;

RW=0;

P0=0x01;

E=0;

wait_ pc();

}

void write_char(unsigned char *c1) ) //определение функции записи символа на //монитор ПК

{

E=1;

RS=1;

RW=0;

P0=*c1;

E=0;

wait_ pc ();

}

void init_ pc (void) // определение функции инициализации ПК

{

delay(1849);

E=1;

RS=0;

RW=0;

P0=0x30;

E=0;

delay(505);

E=1;

RS=0;

RW=0;

P0=0x30;

E=0;

delay(18);

E=1;

RS=0;

RW=0;

P0=0x30;

E=0;

wait_ pc();

E=1;

RS=0;

RW=0;

P0=0x3C;

E=0;

wait_ pc();

}

void vivodU(void) // определение функции вывода значения напряжения на монитор ПК

{

idata char buf[32]; // массив для форматизированного вывода строки

char *pbuf=buf; // указатель массива

int bytes, cnt; // переменные для организации вывода строки символов

bytes=sprintf(buf,"%s","U= ");

bytes+=sprintf(buf+bytes,"%.4f",znachenieU);

for (cnt=0;cnt<bytes;cnt++)

write_char(pbuf++);

}

void main(void)

{

float znachenieU=0; // измеряемое напряжение

P1=0xFF; // настройка порта Р1 на ввод данных

ADCCON1=0x70; // инициализация

ADCCON2=0x00; // АЦП

ADCCON1|=0x80; // включение АЦП

init_ pc();

clear_ pc();

EA=0; // запрет всех прерываний

while(1)

{

ADCCON2|=0x10; // единичное преобразование АЦП

while (ADCCON3&BUZY_ADC);

znachenieU=((unsigned short)(ADCDATAH&0xF)<<8)|ADCDATAL;

znachenieU=5./4096*znachenieU;

if ((znachenieU>=2.)&&(znachenieU<=4.)) goto SledOpros;

for (vnesh=1; vnesh<6;vnesh++)

{

delay(12331);

ADCCON2|=0x10;

while (ADCCON3&BUZY_ADC);

znachenieU=((unsigned short)(ADCDATAH&0xF)<<8)|ADCDATAL;

znachenieU=5./4096*znachenieU;

if ((znachenieU<=2.)||(znachenieU>=4.)) zapredelU++;

}

if (zapredelU!=5) goto SledOpros;

zapredelU=0;

vivodU(); // вывод значения напряжения на монитор ПК

SV=1;

while(1); // завершение работы

SledOpros: delay(12331);

}

}

3.2 Функция задержки delay

Функция задержки применяется в программе для формирования временных задержек (временных интервалов) различной длительности. Программная задержка может быть реализована любым из операторов цикла, поскольку от числа повторов этих операторов зависит время выполнения функции. Задавая требуемое число повторов в качестве параметра, можно управлять паузой в вычислениях.

Для оценки времени задержки можно воспользоваться ассемблерным кодом после компилятора, подсчитав время выполнения всего программного цикла и умножить на число повторов. Длительность одного повтора в операторах цикла зависит от количества ассемблерных команд, задействованных для выполнения цикла.

В разработанной программе задержка реализована при помощи оператора for:

void delay(unsigned int i){

unsigned int a;

for(a=0; a<i; a++);

}

Для рассмотренной процедуры компилятор генерирует следующую последовательность ассемблерных команд:

01 CLR A(1 цикл)

02 MOV R5, A(1 цикл)

03 MOV R4, A(1 цикл)

04?C0001:; начало цикла for

05 CLR C(1 цикл)

06 MOV A, R5(1 цикл)

07 SUBB A, R7(1 цикл)

08 MOV A, R4(1 цикл)

09 SUBB A, R6(1 цикл)

10 JNC ?C0004(3 цикла)

11 INC R5(1 цикл)

12 CJNE R5, #00H, ?C0008 (4 цикла)

13 INC R4(1 цикл)

14?C0008:

15 SJMP ?C0001(3 цикла)

16?C0004:

17 RET (4 цикла)

Нетрудно оценить общее время выполнения основного цикла t_цикла (от метки ?C0001 до метки ?C0004), используя приведенные справа в скобках данные о количестве циклов отдельных выполняемых команд. Эти данные взяты из описания системы команд микроконтроллера ADuC842. Необходимо учесть, что один цикл занимает один период тактовой частоты. В нашем случае при частоте 2,097 МГц период тактовой частоты примерно равен 0,477 мкс. Следовательно, общее время выполнения основного цикла равно 17Ч0,477=8,109 мкс.

Для оценки общего времени задержки следует добавить время вспомогательных действий функции вне цикла t_в - для вызова функции с передачей параметра (команда ACALL; 3 цикла; 1,431мкс), инициализации локальных переменных (3Ч0,477=1,431 мкс) и возврата (4Ч0,477=1,908 мкс). Тогда время задержки при вызове функции будет равно в микросекундах (Аверченков, с. 341):

t_з = iЧt_цикла + t_в.

Отсюда, задаваясь требуемым временем задержки t_ТР, можно получить формулу для приближенной оценки требуемого кода, как результата целочисленного деления:

i = (t_ТР - t_в)/ t_цикла.

3.3 Функция инициализации ПК init_pc и другие функции, связанные с работой ПК

Перед началом работы ПК при помощи некоторой последовательности специальных команд должен быть проинициализирован. В данной разработке для отображения значения напряжения выбран ПК WH1602B-YGK-CP, применяемый в лабораторном стенде SDK-1.1 (две строки по шестнадцать символов). Схема программы инициализации ЖКИ WH1602B-YGK-CP представлена на рисунке 3. Представленные команды передаются в контроллер индикатора с учетом соответствующего значения для времени ожидания. Для формирования временных задержек используется функция delay. Подробное описание команд можно найти в документации контроллера индикатора.

Помимо функции инициализации в программе используются еще три функции, связанные с работой ЖКИ. Это функции ожидания готовности ЖКИ wait_lcd, очистки экрана clear_lcd, вывода символа на ЖКИ write_char. Коды применяемых команд можно найти в описании учебного стенда SDK-1.1.

Рисунок 3. Схема программы инициализации ЖКИ WH1602B-YGK-CP

Функция wait_lcd осуществляет проверку состояния дисплея после операции записи (команды или данных) путем прочтения бита DB7. При занятом устройстве бит 7 будет установлен. Поэтому нужно дождаться, пока этот бит станет равным нулю, чтобы послать следующую команду. В программе байт занятости имеет имя BUSY_ADC.

Функция write_char вызывается в цикле для вывода строки символов, представляющих в программе измеренное значение напряжения.

Выводы портов микроконтроллера, задействованные для работы с ЖКИ, распределены следующим образом: порт Р0 предназначен для передачи данных/команд, выводы р2.4 , р2.5, р2.6 - для передачи сигналов управления RS, RW, E соответственно.

3.4 Функция вывода напряжения на ЖКИ vivodU

Функция выполняет форматированный вывод значения напряжения, вышедшего за допустимые пределы, на ЖКИ. При этом используется функция вывода данных sprintf(), входящая в стандартную библиотеку ввода-вывода, которая вызывается директивой препроцессора #include <stdio.h>. Функция sprintf() записывает данные в массив, адресуемый определенным указателем.

3.5 Главная функция main

В начале главной функции осуществляется определение используемых переменных. Определяется переменная znachenieU с типом float, принимающая в программе значения измеренного напряжения. Определяются массив для формирования формализованной строки символов для вывода значения измеренного напряжения на ЖКИ, формат формализованной строки.

Порт Р1 настраивается на ввод данных посредством оператора P1=0xFF. напряжение однокристальный микроконтроллер программа

Осуществляется инициализация АЦП: выбор источника внешнего напряжения, коэффициент деления основной частоты микроконтроллера для получения тактовой частоты АЦП выбирается равным двум, выбор нулевого входного канала, включение АЦП.

Выполняется инициализация ЖКИ, очистка экрана. Запрещаются прерывания.

Далее в цикле с временным интервалом в 0,1 с выполняется единичное преобразование входного напряжения с помощью АЦП в цифровой код (получаем цифровой отсчет). Избавившись от значения номера канала, рассчитываем значение напряжения. Проверяем, находится ли измеренное значение напряжения в заданных пределах от 1 В до 4 В. При выполнении указанного условия процесс повторяется.

Если измеренное значение напряжения выходит за заданные пределы, то осуществляются пятикратное измерение входного напряжения с интервалом 0,1 с (суммарное значение составляет 0,5 с - по заданию) и контроль выхода измеренного значения за заданные пределы с фиксацией результата. Если все пять значений напряжения выходят за заданные пределы, то зажигается светодиод, и последнее измеренное значение выводится на ЖКИ.

4. Принципиальная электрическая схема устройства

Принципиальная схема устройства изображена на рисунке 4. Основная часть схемы - микроконтроллер ADuC842 (элемент DD1) через разъем Х1 связан с источником контролируемого напряжения, который может находиться на некотором расстоянии от устройства. Аналоговый сигнал, соответствующий измеряемому напряжению, поступает на вход Р1.0 порта Р1 микроконтроллера, предназначенного для ввода аналоговых сигналов. С помощью встроенного в микроконтроллер АЦП сигнал преобразуется в цифровую форму. В устройстве используется один входной канал преобразования с нулевым номером. В случае выхода контролируемого напряжения за установленные пределы в течение установленного времени его измеренное значение выводится на индикатор.



Рисунок 4. Принципиальная электрическая схема устройства

Индикация значения напряжения осуществляется посредством ЖКИ типа WH1602B-YGK-CP (элемент DD2). При этом порт Р0 микроконтроллера обеспечивает передачу и прием данных/команд (выводы DB0 - DB7 ЖКИ), выводы порта Р2 (р2.4 , р2.5, р2.6) обеспечивают передачу сигналов управления RS, RW, E.

Факт выхода контролируемого напряжения за установленные пределы в течение установленного времени сопровождается также включением светодиода VD0, подключенного к выводу р2.7 с помощью транзистора VT0.

Заключение

В результате выполненной работы было разработано устройство измерения и контроля напряжения постоянного тока на однокристальном микроконтроллере ADuC 842 со следующими параметрами:

· допустимые пределы изменения напряжения 1 - 4 В,

· допустимый временной интервал выхода напряжения за допустимые пределы 0,5 с,

· периодичность измерений 0,1 с,

· индикатор жидкокристаллический.

Список использованных источников

1. Аверченков, О.Е. Схемотехника: аппаратура и программы / О. Е. Аверченков. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 588 с. - ISBN 978-5-94074-402-3.

2. Бродин, В. Б. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики / В. Б. Бродин, А. В. Калинин. - М.: Издательство ЭКОМ, 2002. - 400 с. - ISBN 5-7163-0089-8.

3. Водовозов, А. М. Элементы систем автоматики: учеб. пособие / А.М. Водовозов. - М.: Издательский центр "Академия", 2008. - 224 с. - ISBN 978-5-7695-5604-3.

4. ГОСТ 19.701-90. Единая система программной документации. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения. - М.: Стандартинформ, 2010. - С. 137-158.

5. ГОСТ 2.743-91. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники. - М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 2003. - 44 с.

6. Магда, Ю. С. Микроконтроллеры серии 8051: практический подход / Ю. С. Магда. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 228 с. - ISBN 5-94074-394-3.

7. Пономарев, В.В. Организация и программирование учебного стенда SDK-1.1 / В.В. Пономарев. - Озерск: ОТИ МИФИ, 2008. - 136 с.

8. Положение «Требования к оформлению текстовой и графической документации. Нормоконторль»: утв. приказом ректора 6.03.12: ввод в действие с 6.03.12 - Иркутск: ИрГУПС, 2012. - 46 с.

Приложение

Таблицы с описанием бит регистров управления и настройки АЦП микроконтроллера ADCCON1, ADCCON2, ADCCON3

Таблица 1. Описание бит регистра ADCCON1

Номер бита	Имя бита	Функция
7	MD1	Бит режима работы АЦП: 0 - режим микропотребления, 1 - нормальный режим.
6	EXT_REF	Бит выбора источника опорного напряжения АЦП: 0 - внутренний ИОН, 1 - внешний ИОН.
5	CK1	Биты деления тактовой частоты. Определяют коэффициент деления основной частоты микроконтроллера для получения тактовой частоты АЦП. СК1 СК0 Коэффициент деления 0 0 32 0 1 4 1 0 8 1 1 2
4	CK0
3	AQ1	Биты задержки переключения. Выбирают время, необходимое для переключения мультиплексора: AQ1 AQ0 Число тактов задержки запуска АЦП 0 0 1 0 1 2 1 0 3 1 1 4
2	AQ0
1	T2C	Бит запуска преобразования от Таймера 2. Если бит установлен, то сигнал переполнения Таймера 2 используется для запуска АЦП.
0	EXC	Бит разрешения внешнего запуска. Если установлен, то сигнал на выводе CONVST будет использоваться как сигнал запуска.

Таблица 2. Описание бит регистра ADCCON2

Номер бита	Имя бита	Функция
7	ADCI	Бит прерывания АЦП. Устанавливается аппаратно по окончании однократного преобразования или по окончании передачи блока в режиме DMA. Очищается аппаратно при переходе на процедуру обслуживания прерывания.
6	DMA	Бит разрешения режима DMA. Устанавливается пользователем для начала цикла DMA от АЦП.
5	CCONV	Бит циклического преобразования. Устанавливается пользователем для перевода АЦП в режим непрерывного циклического преобразования.
4	SCONV	Бит запуска однократного преобразования. Устанавливается пользователем для однократного запуска АЦП. Бит сбрасывается автоматически по завершении преобразования.
3	CS3	Биты выбора входных каналов. Позволяют программно выбрать номер канала АЦП. В режиме DMA номер канала записывается во внешнюю память. CS3 CS2 CS1 CS0 0 n2 n1 n0 Номер входного канала (n2n1n0) 1 0 0 0 Внутренний температурный сенсор 1 0 0 1 ЦАП0 1 0 1 0 ЦАП1 1 0 1 1 AGND 1 1 0 0 VREF 1 1 1 1 Останов DMA
2	CS2
1	CS1
0	CS0

Таблица 3. Описание бит регистра ADCCON3

Номер бита	Имя бита	Функция
7	BUSE	Бит занятости АЦП (только для чтения). Устанавливается на время преобразования или калибровки АЦП. Автоматически очищается по завершении цикла преобразования или калибровки
6	RSVD	Бит резервный
5	AGVS1	Биты выбора числа усреднений. Определяют число отсчетов АЦП, усредняемых в цикле калибровки. AGVS 1 AGVS 0 Число усреднений 0 0 15 0 1 1 1 0 31 1 1 63
4	AGVS0
3	RSVD	Бит резервный
2	RSVD	Бит резервный
1	TYPICAL	Бит выбора типа калибровки АЦП
0	SCAL	Бит запуска цикла калибровки

Размещено на Allbest.ru

...