Микроконтроллеры

СОДЕРЖАНИЕ

                                                                        Лист 

         ВВЕДЕНИЕ 

       В медицине и бытовой сфере проблема эффективного использования тепловой энергии - одна из важнейших. Ее решение возможно только при комплексной автоматизации всего теплотехнического оборудования с помощью различных цифровых приборов локального учета, контроля и управления (с возможностью соединения таких приборов в локальную вычислительную сеть для создания систем глобального регулирования всего объекта).

        AVR-микроконтроллеры в сочетании  с датчиками позволяют создавать  эффективные системы контроля  в бытовой и промышленной, а  также в медицинской технике.  Их главные достоинства - универсальность,  программная гибкость, возможность  цифровой обработки данных и реализации сложных алгоритмов управления. Интеграция в одном корпусе большого количества периферийных устройств обеспечивает компактность и низкую стоимость приборов в условиях сжатых сроков разработки и постановки изделий на производство.

       Однокристальная микро-ЭВМ (микроконтроллер) представляет собой, построенную вокруг микропроцессора вычислительную систему, которая выполнена на одном кристалле вместе с микропроцессором.

       В данной работе используется микроконтроллер  AТmega103 фирмы Atmel. Микросхема выполнена в 40-выводном корпусе, что дает безусловный выигрыш. Таким образом, микроконтроллер имеет (4 внешних порта РА ,РВ,РС и РD). Прибор обеспечивает производительность, приближающуюся к 1 МГц. Архитектура эффективно поддерживает как языки высокого уровня, так и программы на языке ассемблер. Микроконтроллер AТmega103 [3, стр.50] содержит: 4Кбайта загружаемого ПЗУ, 256 байтов СОЗУ дает возможность наращивать память данных, программируемый последовательный UART, программируемый сторожевой таймер и многое  другое.

       Стандартное решение такой конструкторской  задачи - построение схемы, выполняющей следующую последовательность действий:

• преобразование сопротивления в напряжение при помощи источника тока;
• преобразование напряжения в код при помощи встроенного в контроллер аналогово-цифрового   преобразователя (АЦП);
• подача полученного кода в микроконтроллер (МК), где полученная информация обрабатывается и передается дальше.

            Сегодня некоторые зарубежные  фирмы выпускают АЦП, выполняющие  описанную выше цепочку преобразований. Например, фирма Analog Devices производит аналого-цифровые преобразователи AD7710, AD7711 и AD7713 со встроенными операционным усилителем (с программируемым коэффициентом усиления), источниками тока и последовательным интерфейсом. Эти микросхемы адаптированы для применения в измерительных системах (где датчиками могут служить термометр сопротивления, термопара или тензорезистивный мост), и датчики подключаются непосредственно к АЦП при минимуме дополнительных компонентов. Применять такие АЦП в небольших приборах дорого (цена специализированных АЦП превышает стоимость всех остальных компонентов, вместе взятых), а использование обычных АЦП значительно увеличивает число компонентов в схеме (и отрицательно сказывается на стоимости, габаритах и надежности прибора).

       Целью моей курсовой работы является исследование принципа устройства .......... и характеристик микроконтроллера.

       В работе рассмотрены следующие вопросы: описание принципиальной и функциональной схемы, характеристики микроконтроллеров.

       1 Общая часть 

       1.1 Основные требования предъявляемые к устройству

       Согласно  заданию схема должна содержать  следующие блоки:

• Стабилизатор напряжения (необходим для преобразования напряжения 10-30В, в 5В).
• Микроконтроллер (служит для управления всеми блоками данной схемы).
• Датчик температуры.
• Источник тока (необходим для измерения температуры, так как на термометр сопротивления необходимо подавать постоянный ток).
• Источник опорного напряжения (для создания опорного напряжения в АЦП).
• Последовательный интерфейс для связи с ПК (необходим для передачи полученных данных в персональный компьютер).
• Дисплей (предназначен для отображения измеряемых данных).
• Клавиатуру (по нажатию какой либо кнопки мы можем измерять температуру или просмотреть уже измеренную).
• Супервизор напряжения (вырабатывает общий сигнал сброса).

 

       1.2.  Характеристики микроконтроллера

       Развитие  семейства MSP430 приведено на рисунке 1.  

       

Рисунок 1-Развитие семейства MSP430P325

16 разрядный  микроконтроллер MSP430P325IPG производства TEXAS INSTRUMENTS.

               Таблица 1 - Параметры микроконтроллера MSP430P325IPG

      Основные  параметры микроконтроллера MSP430P325IPG представлена в таблице1                              

      Микроконтроллер MSP430P325IPG имеет встроенный стабилизатор тока 0…6 мА и 12-разърядный АЦП с расширением до 14-разрядов. Поэтому измерение температуры с применением микроконтроллера MSP430P325IPG не представляет особых трудностей. 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

2 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 

2.2 Разработка функциональной схемы устройства 

Функциональная  схема представленная на рис. 1. состоит из следующих блоков:

1)   Стабилизатор напряжения. На вход данной микросхемы подается напряжение 10-30В с выхода получаем постоянное напряжение 5В. Напряжение 5в необходимо для питания микросхем.

2. Микроконтроллер. На данную микросхему также подается земля и питание. Сигнал сброса и на его входы также поступают сигналы от различных устройств таких как датчик температуры, последовательный интерфейс обмена, клавиатура, устройство отображения и др. т.е данная микросхема управляет всеми остальными.
3. Датчик температуры. Представлен в виде термометра сопротивления и через должен него протекает постоянный ток, чтобы с выводов снимать изменяющееся напряжение. Напряжение будет изменяться в зависимости от температуры.
4. Источник тока. С выхода данной микросхемы снимаем постоянный ток, на вход подается земля и питание.
5. Источник опорного напряжения. На вход земля и питание, с выхода получаем постоянное напряжение 2,5В. Опорное напряжение для встроенного АЦП.
6.   Последовательный интерфейс. Он управляется от микроконтроллера, т.е. на его входы кроме питания и земли, подаются сигналы (RE,R0,DE,DO) по которым происходит считывание или запись данных в компьютер по последовательному порту.  
7. Клавиатура. С выхода идет код в микроконтроллер, который там обрабатывается и по нему выполняется какая либо операция, на вход подается земля.
8. Дисплей. Предназначен для вывода измерений. Выводом данных на экран управляет микроконтроллер, поэтому на входы данного блока также поступают  сигналы управления и сами данные с микроконтроллера. На вход также подается земля и питание.
9. Супервизор напряжения. На выходе данного блока формируется общий сигнал сброса, на вход подаются земля и питание.

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 1 — Функциональная схема микроконтроллера AVR 

2.3 Описание принципиальной электрической схемы 

Согласно  заданию требуется исследовать цифровой медицинский термометр на базе контролера AVR. Микроконтроллер имеет достаточное число выводов, напряжение питания от  2,7 до 6 В, есть программируемый полный дуплексный UART (так как мне необходимо организовать последовательную связь с компьютером). Еще в нем имеется сторожевой таймер, внутренняя память и в данном микроконтроллере имеется возможность применить языки высокого уровня для его программирования.

    Для супервизора напряжения была  выбрана микросхема mcp100 так как она обладает следующими характеристиками:

• напряжение питания до 5В,
• высокий и низкий уровень сигнала Reset,
• время сигнала Reset 350 мС, потребляемый ток 45мкА,
• температурный диапазон от –40до +85 гр.С

По характеристикам  эта схема подходит для данного  устройства.

   Для связи с компьютером используется  интерфейс RS485. Была выбрана микросхема  МАХ481, у нее напряжение питания тоже 5 В.

    Также используется датчик температуры  100П

    Для устройства необходим   жидко кристаллический индикатор  со следующими характеристиками

• напряжение питания 5В
• двух строчечный
• со встроенным контроллером, русским алфавитом и наиболее дешевый

Данными свойствами обладает модуль PG1602.

Термометр смонтирован на двухслойной печатной пластине. На её лицевой стороне  помещены ЖК-индикатор и кнопки. Микроконтроллер и остальные элементы установлены на обратной стороне. В Цифровом термометре применены SMD-контроллеры. Печатная плата термометра помещена в стандартный корпус, в верхней части которого находится разъём для температурного зонда. Расположение основных элементов цифрового термометра в нутрии корпуса показано на рис.3. 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 3- принципиальная электрическая схема.

 Печатная  плата крепится четырьмя винтами  к бобышкам на верхней крышке  корпуса. Последняя закрыта специальной плёнкой , на которую методом шелкографии нанесены надписи. Индикатор защищен окном из прозрачной пластмассы толщиной 0,6мм. Крышки термометра крепятся друг к другу четырьмя винтами. Для достижения герметичности корпуса все швы перед сборкой проклеиваются силиконом.

Термометр обладает следующими характеристиками:

  1.погрешность измерения ( аппаратная) – в диапазоне от -50 до 199,9°С;

  2.погрешность измерения ( аппаратная) в диапазоне от +200°С до         +450°С_±0,1°С;

  3.период измерения температуры равен 1с;

  4.точность внутренних часов составляет ±10 с в сутки;

  5.индикация разряда батареи;

  6.4½-разрядный ЖК-индикатор с высотой цифр 9мм;

  7.Габариты: 65х130х25мм;

  8.Вес 120г;

  9.Питание от литиевой батареи 3,6в;

10. Срок службы батареи при работе 12 часов в сутки – не менее 5 лет.

Внутренне устройство цифрового термометра представлено  на рис. 4.

  

 
 
 
 
 

Рисунок4 - Внешнее устройство цифрового термометра

Базовый элемент схемы-микроконтроллер MSP430P325- идеальная микросхема для создания энергонезависимых измерительных приборов. Микроконтроллер MSP430P325 с EPROM-памятью программ используется для отработки программного обеспечения, а однократно программируемый микроконтроллер MSP430P325- в серийной продукции. Микроконтроллер MSP430P325 имеет встроенный стабилизатор тока0…6мА и 12 разрядный АЦП с расширением до 14 разрядов. Поэтому измерение температуры с применением микроконтроллера MSP430P325 не представляет особых трудностей.

РезисторR2 создаёт ток, протекающий через датчик PT1000. Конденсатор С1,С3 и резистор R3 представляют собой простейший фильтр. Остальные элементы необходимы для нормального функционирования прибора. Кнопки SB1-SB2,R12 и контроллер С8 используются схемой обслуживания кнопок. Резистор R7 и микросхема DA1 применяются для формирования опорного напряжения в программе контроля разряда батареи питания. Резисторы R8-R11 определяют режим работы встроенного драйвера жидкокристаллического индикатора HL1. ЖК-индикатор типа 5066 имеет три подложки и работает в мультиплексном режиме.