Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

Разработать микропроцессорное устройство для поддержания температуры объекта в заданных границах: 20⁰С<T<40⁰С (T_Н<T<T_В)

Исходные данные:

изменении температуры объекта от 0 ⁰С к T_MAX=200 ⁰С

напряжение на выходе датчика температуры изменяется в диапазоне 0..2В

максимальное напряжение на входе АЦП не должна превышать 10В

усилитель должен иметь коэффициент передачи k_у=5

выход АЦП - восьмиразрядный, поэтому U_ВХ=10В будет отвечать k_max=FF(255₁₀)



АННОТАЦИЯ

Пояснительная записка к курсовому проекту:

Стр.21 , рис.13 , таблиц 1.

Объект разработки:Автоматическая система регулирования температуры релейного отсека ячейку КРУ.

Цель работы:Разработать автоматическую систему регулирования температуры релейного отсека ячейку КРУ, алгоритм, составить блок схему.

Данный курсовой проект был выполнен на основе полученных знаний по микропроцессорным средствам и системам.

Результаты:Разработана автоматическая система регулирования температуры релейного отсека ячейку КРУ, составлена блок схема.Полученные результаты могут быть использованы в учебных целяхи для личного использования.

Область применения:в учебных целях и при проектировании автоматических систем регулирования.

автоматическую систему регулирования температуры релейного отсека



Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. Структура МК-системы управления

2. Структурная схема МК51

2.1 Арифметико-логическое устройство

2.2 Организация памяти

2.3 Устройство управления МК

2.4 Внешние устройства

3. Разработка автоматической системы регулирования

4. Выводы

5. Список используемых источников



ВВЕДЕНИЕ

Развитие микроэлектроники создало условия для широкого использования микропроцессорных средств в устройствах и системах управления разнообразными объектами и процессами.

Однокристальный микроконтроллер представляет собой прибор, выполненный в виде БИС (большой интегральной схемы). Он состоит из всех основных частей ЭВМ: микропроцессора, памяти программ, памяти данных и программируемых интерфейсных схем для связи с внешней средой. Поэтому во многих случаях система управления может состоять только из одной БИС. К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальные микроконтроллеры.

В курсе `'Микропроцессорная техника'' в качестве базового выбран восьмиразрядный однокристальный микроконтроллер (МК) КР1816 BE51. Это отечественный аналог широко распространенного МК фирмы INTEL 8051. Микроконтроллер выполнен на базе n-МОП технологии и находится в корпусе с двухрядным расположением 40 контактов. МК питается от одного источника напряжением +5 В.

На основе k-МОП технологии выпускается БИС КР 1830 (аналог КР 1816BE51). Микроконтроллер МК51 может работать в диапазоне частот от 1.2 до 12 МГц, при этом минимальный цикл выполнения команды равен 1 мкс или 1 млн. операций в секунду. Диапазон рабочих температур от 0 до 70 градусов по Цельсию, потребляемая мощность 7.5 Вт (300 мА). БИС КР 1830 имеет ток потребления 18 мА.



1. СТРУКТУРА МК-СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Типовая структура микроконтроллерной системы управления показана на рис. 1. Она состоит из объекта управления, микропроцессора и аппаратуры их взаимной связи.

Работает система управления следующим образом. МК путем периодического опроса осведомительных слов (ОС) генерирует в соответствии с алгоритмом управ-ления последовательность управляющих слов (УС). Осведомительные слова - это сигналы о состоянии объекта , сформированные датчиками объекта управления и флаги. Выходные сигналы датчиков преобразуются при помощи аналогово- цифровых преобразователей (АЦП) или схем формирователей сигнала (ФС), кото-рые обеспечивают электрическое разделение цепей и формирование двоичных сигналов стандарта ТТЛ. Стандарт ТТЛ предусматривает уровни сигналов: логиче- ский нуль - 0?0,1 В, логическая единица - 4,5?5 В.

МК с требуемой периодичностью обновляет управляющие слова УС на своих выходных портах. Некоторая часть управляющего слова используется как совокуп-ность двоичных сигналов управления (СУ), которые через схемы формирователей сигналов ФС (усилители мощности, оптроны и т.п.) поступает на исполнительные механизмы (ИМ) и устройства индикации. Другая часть УС через цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) воздействует на исполнительные механизмы ИМ аналого-вого типа.

В состав аппаратуры связи входят программируемые интервальные таймеры, регистр флагов, на котором фиксируется некоторое множество признаков объектов работы МК. Этот регистр используется для синхронизации относительно медленных процессов в объекте управления и быстрых процессов в микроконтроллере.



Рисунок 1 - Структура цифровой системы управления на основе МК Таймеры включают в аппаратуру связи в том случае, если их нет в составе МК или их число недостаточно. Они используются для организации временных задер-жек, формирования сигналов требуемой частоты и скважности.

Закон функционирования МК системы управления или контроля определяется программой, находящейся в его памяти. Таким образом, специализация контрол-лера на управление конкретным объектом осуществляется путем разработки при- кладной программы и аппаратуры связи с датчиками и объекта.



2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МК51

Структурная схема МК приведена на рис. 2. Назначение выводов - на рис.3.

МК выполнен на основе n-МОП технологии с высоким уровнем интеграции.

Выпускается в прямоугольном корпусе с 40 внешними выводами.

Для работы МК требуется источник электропитания напряжением +5В. Он взаимодействует с внешним схемным обрамлением при помощи 4 программируе-мых портов ввода/вывода.

Корпус МК51 имеет: 2 вывода Х1,Х2 для подключения кварцевого резонатора либо LC - цепочки; 4 вывода для сигналов, управляющих режимом МК; 8 линий порта 3, которые могут быть запрограммированы пользователем на выполнение специализированных (альтернативных) функций обмена информацией с другими МК.

Обозначения на рисунке 3:

- RST/VPD - Resert/VoltagePoverDone (СБР/АП) - управление сигналом сброса;

- RXD - ReceiveDatapin (ВХПР) - вход приёмника универсального асин-хронного приемопередатчика(УАПП);

- TXD - transitDate (ВЫХПЕР) - выход передатчикаУАПП;

- INT0 - Interrupt (ЗПР0) - запроспрерывания;

- INT1 - Interrupt (ЗПР1) - запроспрерывания;

- WR - Write (ЗП) - управляющий сигналзаписи;



Рисунок 2 - Структурная схема МК51



Рисунок 3 - Корпус МК51 и наименование выводов.

- RD - Read (ЧТ) - управляющий сигналчтения;

- EA/VPP - EnableSerialPort - controlbitinIE (ОРПП) - управляющий сигнал отключения резидентнойпамяти;

- ALE - AddresLatshEnable - (САВП) - управляющий сигнал строба адреса внешней памяти;

- PSEN - ProgrammStoreEnable (РВПП) - управляющий сигнал разрешения внешней памятипрограмм;

- Т0, Т1 - внешние входы таймеров-счетчиков.

Двунаправленная 8-битная шина связывает между собой следующие элементы структурной схемы МК:

- резидентную память данных(RAM);

- арифметическое логическое устройство (АЛУ);

- блок регистров специальных функций ( их имена: A, B, PSW, SP, DPTR, P0, P1, P2, P3, IP, IE, TMOD, TCON, TH0, TL0, TH1. TL1, SCON, SBUF, PCON );

- устройство синхронизации и управления с регистром команд(IR);

- двунаправленные порты ввода/вывода(Р0?Р3).

Операционная часть состоит из шести устройств (АЛУ , регистры Т1 и Т2 , аккумулятор А , расширитель аккумулятора В, блок десятичной коррекции и регистр PSW).

2.1 Арифметическо-логическоеустройство

Основой процессора является 8-битное АЛУ .Оно может выполнять:

- арифметические операции сложения, умножения, вычитания иделения;

- логические операции И, ИЛИ, исключающееИЛИ;

- операции циклического сдвига, сброса, инвертирования идр.

В процессоре имеются программно-недоступные 8-разрядные регистры Т1 и Т2, которые предназначены для временного хранения операндов. Имеется также схема десятичной коррекции, схема формирования признаков.

Арифметическо-логическое устройство выполняет 51 операцию пересылки или преобразования информационных объектов: булевских (1 бит), цифровых (4 бита), байтных (8 бит) и адресных (16бит).

Аккумулятор является источником операнда и местом фиксации результата при выполнении арифметических, логических операций и ряда операций передачи данных. Обозначение АСС используется при работе с битами. Кроме того, только с использованием аккумулятора могут быть выполнены операции сдвига, проверки на ноль на четность (флага паритета) и т.п. Аккумулятор имеет расширитель В, ко-торый используется при выполнении операций умножения иделения.

Регистр состояния программы PSW (ССП) примыкает к резидентной памяти данных RAM (РПД). Назначение битов этого регистра приведено в таблице 1.

Символ	Разряд	Имя и назначение
C	PSW.7	Флагпереноса. Устанавливается и сбрасывается аппарат-ными средствами или программой при выполненииарифме- тических и логическихопераций
AC	PSW.6	Флаг вспомогательного переноса (десятичный перенос из младшей тетрады АЛУ). Устанавливается и сбрасывается только аппаратными средствами при выполнении команд сложения и вычитания и сигнализирует о переносе или займе в бите 3 при получении младшего полубайта результата
F0	PSW.5	Флаг 0. Флаг пользователя общего назначения. Может быть сброшен или проверен как флаг. Определяется пользовате-лем. Установка и сброс программный.
RS 1	PSW.4	Выбор банка регистров. Устанавливается и сбрасывается программой при выборе банка регистров (см.таб.2.2)
RS 0	PSW.3	Выбор банка регистров. Устанавливается и сбрасывается программой при выборе рабочего банка регистров (см. таб.2.2)
OV	PSW.2	Флаг переполнения. Арифмет ческое переполнение резуль- тата. Устанавливается и сбрасывается аппаратнопривыполненииарифметическихопераций
1	PSW.1	Неиспользуется
P	PSW.0	Флаг паритета. Устанавливается и сбрасывается аппаратно. Фиксирует нечетное/четное число единичных бит в аккуму-ляторе (выполняет контроль по четности ). Является допол-нением к содержимому аккумулятора так, чтобы было одинаковое количество нулей и единиц.

Таблица 1 - Назначение битов регистра PSW

2.2 Организация памяти

МК содержит два физических устройства памяти RAM (ОЗУ) - резидентную память данных (РПД) объемом 128 байт, доступ к которой осуществляется через регистр адреса RAR (РА) или указатель стека SP (РУС) и резидентную память про- грамм EPROM (постоянное запоминающее устройство - ПЗУ или СППЗУ - опера- тивное перепрограммируемое запоминающее устройство). При выборке команд из которой используется 16-разрядный указатель адреса PC (программный счетчик). Если из памяти команд выбираются данные (константы), то для адресации исполь-зуется 16-разрядный указатель адреса регистр DPTR. Младший байт адреса помеща-ется в регистр DPL, а старший в DPH .

Выбор рабочего банка приведен в таблице 2

Таблица 2 - Выбор рабочего банка регистров

RS2	RS1	Банк	Границы адресов
0 1 0 1	0 0 1 1	0 1 2 3	00H-07H 08H-0FH 10H-17H 18H-1FH

2.3 Устройство управления

В это устройство входят:

- IR - регистр команд, в котором хранится код выполняемой команды;

- OSC - встроенный генератор синхроимпульсов с внешними входами Х1 и Х2; Синхронизация и управление- устройство синхронизации и управления работой

МК. Встроенный генератор OSC работает лишь при подключении к выводам Х1 и Х2 кварцевого резонатора или LC - цепочки ( рис. 4).

Рисунок 4 - Схема подключения к МК51:

а - кварцевого резонатора, б - LC - цепочки

2.4 Внешние устройства

МК51 имеет 4 двунаправленных порта Р0,P1,P2,Р3 для подключения внешних устройств, причем порт Р3 может выполнять альтернативные функции (работа с внешней памятью данных - чтение, запись и др.).

В состав МК также входят:

-два 16-разрядных таймера/счетчика (таймер 0 и таймер 1 с счетными регист- рами TH_i иTL_i, где i=0,1) для временной синхронизации вычислительных процессов (TIMER 0;1);

-универсальный асинхронный последовательный приемо-передатчик УАПП (имеет регистры SCON, SBUF см. рис.2);

-схема обработки внутренних и внешних прерываний с регистрами IE и IP) (IntrLOGIC).

Схема управления режимом электропотребления с регистром PCON.

Тактовый генератор OSC вырабатывает прямоугольные импульсы, которые поступают на таймеры и устройство “Синхронизации и управления”. Последнее формирует внутренние синхросигналы, фазы, такты и циклы. Диаграмма формиро-вания машинного цикла приведена на рис. 5

Рисунок 5 - Диаграмма формирования машинного цикла

Машинные циклы МК51 одинаковы и состоят из 12 периодов сигнала генера- тора OSC. Начинается он фазой S1P1 и заканчивается фазой S6P6. Цикл содержит шесть состояний S1 ?S6, каждой из которых по длительности равно такту. Послед-ний в свою очередь состоит из двух временных интервалов: фаз Р1 и Р2. Длитель-ность фазы равна периоду следования импульсов генератора OSC.

Большинство команд МК51 выполняется за один машинный цикл, ряд команд за два машинных цикла и лишь команды деления и умножения требуют четырех машинных циклов.



3.Разработка автоматической системы регулирования

Базовая концепция и алгоритм работы системы управления

Согласно задаче система управления должна состоять из следующих элемен-тов: измерительной части для определения значений непрерывно изменяющейся во времени переменной величины Т, исполнительного устройства, нагревателя и объ- екта регулирования.

В определенные фиксированные моменты времени (через каждые t_С) значение температуры Т определяется измерительной частью и сравнивается с нижней гра-ницейT_Н. Если T<T_Н, то формируется управляющий сигнал, который включает на-греватель. Температура объекта начинает постепенно увеличиваться. Ее величина измеряется и сравнивается с верхней границей T_В. Если T<T_В, формируется управ-ляющий сигнал, который выключает нагреватель при помощи исполнительного уст- ройства. После этого температура объекта начинает уменьшатся. При T<T_Ннагре-ватель вновь включается и работа системы продолжается в описанном выше поряд- ке. Следовательно, в результате работы системы обеспечивается поддержание тем-пературы объекта в диапазоне T_Н?T_В.

На основе указанной концепции системы управление можно составить алго- ритм ее работы. В соответствии с алгоритмом микроконтроллер МК51 через равные промежутки времени t_С должен осуществлять определение текущего значения тем- пературы объекта Т и сравнивать его с заданными значениями температур T_Н и Т_В. Если значение Т выходит за этот диапазон, то соответственно включается или от-ключается нагревательный элемент объекта регулирования.

Функциональная схема системы приведена на рис. 6.



Рисунок 6-Функциональная схема системы управления

Схема рис.6 состоит из микроконтроллера МК51, аналогового преобразо-вателя АЦП, усилителя-преобразователя сигнала датчика УПС, датчика температу- ры ДТ, аналого-цифрового преобразователя АЦП, триггера Т для фиксации момента окончания преобразования аналогового напряжения U(T) в цифровой код, нагрева- теля Н, реле К1 с нормально разомкнутым контактом К1.1 и обмоткой К1 и транзи- стораVT для включения/отключения нагревателя.

Выполним расчет параметров настройки системы регулирования. Пусть при изменении температуры объекта от 20 ⁰С к T_MAX=140 ⁰С напряжение на выходе дат-чика температуры изменяется в диапазоне 0..2В. Принимаем, что максимальное на-пряжение на входе АЦП не должна превышать 10В. Таким образом усилитель дол- жен иметь коэффициент передачи k_у=5. Выход АЦП - восьмиразрядный, поэтому U_ВХ=10В будет отвечать k_max=FF(255₁₀). Для упрощения примем, что исходная ха-рактеристика датчика линейна. Рассчитаем нижнюю и верхнюю температуры в вольтах:

Определим цифровые коды этих температур:

0000 02044ALJMP 044A; Запуск программы

--------------------------------------------

044AE4 CLRA; Очистка аккумулятора

044BC293 CLR 93 (P1.3); Сброс триггераТ1.

044DC292 CLR 92 (P1.2); СбросАЦП.

044FC291 CLR 91 (P1.1); Отключитьнагреватель.

0451 D292 SETB 92 (P1.2); ЗапускАЦП

0453 3097FDJNB 97 (P1.7),0453; Ожидание сигнала “Естьданные”.

0456 A880 MOVR0,P0; Запись текущего кода температуры объекта Т в регистр R0.

0458 C292 CLR 92 (P1.2); Сброс АЦП.

045AC293 CLR 93 (P1.3); Сброс триггераТ1.

045CB82400 CJNER0,#24,045F; T<T_Н -? ДА - С=1, иначе С=0.

045F 5004 JNC 0465; При T?T_Н переход к метке 0465

0461 D291 SETB 91 (P1.1); Включитьнагреватель.

0463 8007 SJMP 046C; Переход к метке 046C( в конецразветвления).

0465 B84700 CJNER0,#47,0468; ,#47,0468; Т? Т_В -? ДА - С=0, иначе С=1.

0468 4002 JC 046C; Переход в конецразветвления.

046AC291 CLR 91 (P1.1); Включитьнагреватель.

046C 7932 MOVR1,#32; Задание установки времени t_C. 046ED9FEDJNZR1,046E; Выход из цикла при (R1)=#00. 0470 80DFSJMP 0451; В начало бесконечного цикла. 0472 00 NOP; Нет операции.

Рисунок 8 - Текст программы для управления нагревом объекта.

Переходим к симулятору контроллераIntel8051 cпомощью программыPDS-51.Записываем текст программы в симулятор PDS-51 и проверяем исполнение команд в окнах.

Рис 10- выполнение программы в симуляторе PDS-51.

Для проверки работоспособности написанной программы необходимо проверить выполнение условий согласно полученному заданию.Для этого нужно прописать температуру во внешней памяти, которая входит или нет в заданный диапазон, чтобы проверить правильность работы написанной программы. Чтобы проверить нам надо записать температуру в регистр специального назначения с номером 80Hс помощью прямой адресации ,как показано на рис. 11.



Рисунок 11- проверка программы.



ВЫВОДЫ

микроконтроллерный управление симулятор автоматический

В данном курсовом проекте была разработана система автоматического регулирования температуры релейного отсека ячейку КРУ, создан алгоритм ее работы и составлена блок схема. Также на основе теоретических знаний была проведена проверка при помощи симулятора контроллера на базе Intel 8051.

Данный курсовой проект был выполнен на основе полученных знаний по микропроцессорным средствам и системам.Было выполнено закрепление навыков создания блок схем согласно поставленной задаче, а также были закреплены навыки работы в симуляторе микроконтроллера PDS-51.Была написана программа согласно разработанному алгоритму и составленной блок схеме. Созданная программа может применяться в учебных и познавательных целях



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Тавернье К. PIC-микроконтроллеры. Практика применения: Пер. с фр. -М: ДМКПресс, 2008. .: ил. (Серия “Справочник”)

2. Стрыгин В. В., Щарев Л. С. Основы вычислительной, микропроцессорной техники и программирования. - М.: Высшая школа, 1999.

3. Бойко В.И. и др. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства. СПб.: БХВ-Петербург, 2004.

4. Программа PDS-51

5.Рафикузаман М. Микропроцессоры и машинное проектирование микропроцессорных систем.: В 2 кн. Кн.2. Пер. с англ. -М.: Мир, 2008.

Размещено на Allbest.ru

...