Кафедра инженерной

кибернетики

ПРОГРАММИРОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ УПРАВЛЕНИЯ

Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальностей 5В070200 «Автоматизация и управление»

Алматы 2011

СОСТАВИТЕЛЬ: В. М. Тарасов. Программирование цифровой техники и микроконтроллеров управления. Конспект лекций работ для студентов всех форм обучения специальностей 5В070200 «Автоматизация и управление» - Алматы: АУЭС, 2011. – 50с.

В конспекте лекций по дисциплине «Программирование цифровой техники и микроконтроллеров управления» изложены основы программирования микроконтроллеров на примере микроконтроллераPIC16F877 и основные составляющие микроконтроллера. В конспекте разбираются конкретные практические задачи применения МК для автоматизации технологического оборудования.

Иллюстраций - 20, таблиц - 20, приложений - 1, библиографий – 13 названий.

Рецензент: канд. техн. наук, доцент Б. С. Джумагалиев

Печатается по плану издания «Алматинского института энергетики и связи» некоммерческого акционерного общества на 2011 год.

© КМБ «Алматинского института энергетики и связи» 2011 г.

1 Лекция 1. Микроконтроллеры в современном мире

Цель лекции: Познакомить студентов с микроконтроллерами и их применением.

1.1 Краткая история развития микроконтроллеров

Микропроцессоры и производные от них — микроконтроллеры — являются широко распространенным и при этом незаметным элементом инфраструктуры современного общества, основанного на электронике и коммуникациях. Иссле­дования, проведенные в 1998 году, показали, что в каждом доме незаметно для нас «живет» около 100 микроконтроллеров и микропроцессоров. Они присут­ствуют буквально всюду: в звуковых открытках, стиральных машинах, микровол­новых печах, телевизорах, телефонах, персональных компьютерах и разных дру­гих устройствах. Даже в самом обыкновенном автомобиле скрывается более двад­цати таких элементов, где они, в частности, контролируют состояние беспроводных датчиков давления в шинах и отображают критичные данные, по­лучаемые по сети CAN.

Каждый год продается около четырех миллиардов подобных изделий, предна­значенных для реализации «мозгов» разнообразных «умных» устройств, начиная от интеллектуальных таймеров для яйцеварок и заканчивая системами управле­ния самолетом. Эволюция микропроцессоров, первые из которых были выпуще­ны компанией Intel в далеком 1971 году, привела к коренному изменению струк­туры общества, спровоцировав в начале XX1 века вторую промышленную рево­люцию. Несмотря на то что микропроцессоры, являясь основным компонентом вездесущих ПК, известны лучше, объем продаж различных микропроцессоров, таких как Intel Pentium, составляет всего около 2% от общего объема продаж по­добных устройств. Подавляющее же большинство продаж приходится на деше­вые микроконтроллеры, встраиваемые в специализированные электронные уст­ройства. Причем если основной задачей микропроцессо­ров является обеспечение собственно вычислительной мощности, то во втором случае акцент смещается в сторону объединения на одном кристалле центрально­го процессора, памяти и устройств ввода или вывода. Такая интегрированная вычис­лительная система называется микроконтроллером.

Основную долю на рынке занимают устройства, оперирующие 8-битными данными, хотя имеются как 4-х, так и 16-битные устройства. Они во многом схожие с первыми микропроцессорами и кардинальным образом отличающиеся от совре­менной «тяжелой артиллерии» в лице микропроцессоров Intel Pentium и Power PC. В отличие от последних процессоров, сущностью микроконтроллера является высокая степень системной интеграции при низкой стоимости. Суммарная мощность вычислитель­ной системы может быть увеличена путем распределения процессоров по системе. Так, в каждом сочленении манипулятора робота может использоваться свой микроконтроллер, выполняющий простые локальные операции и обменивающийся данными с более мощным процессором, определяющим функцио­нирование всего робота.

Семейство микроконтроллеров фирмы Microchip — одно из наиболее популярных семейств, использующихся при и изучении микроконтроллеров на самых разных этапах учеб­ного процесса, начиная со старших классов школы и заканчивая университете. Освоение микроконтроллеров этой фирмы, облегчается не­большим набором команд и относительно простой передовой архитектурой. По­мимо использования в промышленности и образовательном процессе, микроконтроллеры семейства PIC® применяются в большинстве любительских устройств, в чем можно убедиться, открыв любой журнал, посвященный радио­любительству.

Компания Microchip Inc относительно молодой участник рынка микро­контроллеров, на который она вышла в 1989 году после разработки нового се­мейства микроконтроллеров с гарвардской архитектурой. К концу 1999 года ком­пания Microchip была уже вторым по величине производителем 8-битных микро­контроллеров, уступая только компании Motorola.

1.2 Задачи и роль микроконтроллеров

Для современных локальных систем автоматического регулирования и управления основным элементом является микроконтроллер. На объект управления воздействуют Хi -входные воздействия от исполнительных механизмов (ИМ), различные возмущающие факторы fi не учтенные в системах управления. Выходные данные объекта измеряются датчиками. Задача микропроцессорной системы - принять сигнал от аналоговых датчиков (АД) и дискретных датчиков (ДД), а затем выработать управляющий выходной сигнал на исполнительные механизмы.

Микропроцессорная система должна работать в реальном масштабе времени. Для синхронизации системы применяются таймеры. Аналоговые сигналы от датчиков по очереди преобразуются в цифровые сигналы в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), затем обрабатываются по определенной программе в центральном процессоре управления (ЦПУ). Выходной цифровой сигнал вырабатывается центральным процессором управления. Затем он преобразуется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) в аналоговый сигнал и через коммутатор, определяющий канал передачи, воздействует на исполнительный механизм (ИМ). Экстренные ситуации, например, аварийная ситуация, обрабатываются с помощью подпрограммы обработки прерываний, которая прерывает обычную (фоновую) программу, и обрабатывает сигнал от датчика прерываний. Затем управление вновь возвращается к выполнению фоновой программе с прерванного места.

Задачи микроконтроллеров состоят в следующем:

- управление и регулирование;

- сбор и обработка технологических параметров;

- отображение и контроль данных;

- сигнализация и защита от аварийных ситуаций;

-диспетчеризация, архивирование и протоколирование.

Рисунок 1.1 – Система локальной автоматизации

Система локальной автоматизации является объектом управления для системы верхнего уровня. Несомненно, что исполнение систем автоматизации требует стандартизации. Для этого была создана международная ассоциация поставщиков решений для промышленных предприятий MЕSA (Manufacturing Enterprise Solution Association). MESA контролирует, регулирует и разрабатывает единые протоколы для решения с следующих задач:

-диспетчеризация производственной задачи;

-сбор данных и управление качеством;

-управление технологическим обслуживанием;

-анализ производительности;

-составление производственного расписания;

-контроль документов;

-управление трудовыми ресурсами;

-координация технических процессов и учет готовой продукции.

В соответствии с перечисленными задачами микропроцессорные системы управления делятся:

- информационно-управленческие системы;

- системы сбора и обработки информации;

- системы защиты;

- системы тестирования и контроля;

- SCADA системы.