Міністерство освіти і науки, молоді і спорту України

Одеський національний політехнічний університет

Інститут енергетики та комп’ютерно-інтегрованих систем управління

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до курсової роботи з дисципліни

«Електроніка і мікропроцесорна техніка»

для бакалаврів напряму 6.050202 –

«Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології»

2012

Целью курсовой работы по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» является приобретение практических навыков разработки микропроцессорных контролеров, являющихся программно-техническими комплексами, для автоматического контроля и регулирования технологических процессов, установок и приборов.

Курсовая работа выполняется в 6 семестре. Для ее выполнения необходимы полученные ранее базовые знания по алгоритмизации, по программированию на языках высокого уровня (Си, Ассемблер и др.), по теории автоматического регулирования, по теплотехническим измерениям и метрологии, по технологическим процессам, по их математическому описанию и др. Знания по электронике и микропроцессорной технике приобретаются в этом же семестре в лекционном курсе и на лабораторных занятиях. Некоторая часть информации для выполнения курсовой работы в т.ч. описание заданного технологического процесса и справочная информация находится студентом самостоятельно в литературных источниках и в Интернете.

Пояснительная записка выполняется на листах формата А4 с рамками в соответствии с требованиями ЕСПД от руки на украинском языке. Иллюстрации могут выполняться от руки с помощью чертежных принадлежностей или в виде ксерокопий. Требования к оформлению записки и программного обеспечения изложены в методическом пособии к дипломному и курсовому проектированию.

Состав пояснительной записки:

• Титульный лист;

• Реферат;

• Содержание;

• Введение (с целью работы в конце);

• Техническое задание;

• Описание технологического процесса – 4 нед.;

• Структурная и функциональная схемы автоматизации – 4 нед.;

• Выбор и описание измерительных преобразователей (датчиков) и исполнительных устройств и регулирующих органов – 4 нед..

• Раздел выбора и описания технических средств контроллера:

– структурная схема и технические характеристики управляющей однокристальной микроЭВМ (микроконтроллера) – 5 нед.;

– описание работы узлов микроЭВМ (порты, память, АЦП, таймеры, широтно-импульсные модуляторы и др.) – 5 нед.;

– описание принципиальной электрической схемы системной платы микропроцессорного контроллера с узлами начальной установки и сброса, клавиатурой и индикатором, сопряжения с внешними устройствами, питания и др. (чертеж оформляется от руки на листе формата А3 или А2) – 6 нед.;

– описание элементов принципиальной электрической схемы – 7 нед.;

– заказная спецификация – 7 нед..

• Раздел разработки программного обеспечения контроллера:

– описание интегрированной системы программирования микроЭВМ – 8 нед.

– структурная схема алгоритма, текст (листинг) и описание программы функционирования микропроцессорного контроллера (головной программы «Монитор») – 8 нед.;

– математическое описание функционирования контроллера (дискретного ПИД-закона регулирования и др.);

– структурные схемы алгоритмов, тексты (листинги) на языке Си или Ассемблере и описания необходимых для функционирования контроллера подпрограмм:

– выбора режима работы – 9 нед.,

– изменения параметров настройки закона регулирования – 9 нед.;

– управления вводом аналоговых и дискретных сигналов (драйверы АЦП, ДЦП) – 10 нед.;

– расчета управляющих воздействий – 10 нед.;

– управления выводом аналоговых и дискретных сигналов (драйверы ЦАП (ШИМ) и ЦДП) – 11 нед.;

– драйверы клавиатуры и индикации – 11 нед.;

– обмена данными с внешним компьютером по последовательному или параллельному интерфейсу и др. необходимые подпрограммы – 12 нед.

• Раздел тестирования разработанного программного и технического обеспечения контроллера:

– контрольные задачи для тестирования программного обеспечения – 13 нед.;

– схема подключения имитаторов датчиков и исполнительных устройств к лабораторному стенду, тестирование – 14 нед.

• Выводы по работе.

• Использованные литературные источники и Интернет-ресурсы.

• Приложения – 7 нед.:

– принципиальная электрическая схема контроллера ;

– заказная спецификация.

Объем пояснительной записки – до 30-40 страниц.

Техническое задание на курсовую работу выдается на 2-3 неделе семестра.

Сдача курсовой работы на проверку руководителю и показ работающего контроллера на лабораторном стенде – на 15 неделе.

Защита курсовой работы – на 16 неделе.

Темы индивидуальных заданий к курсовой работе:

1. Микропроцессорный контроллер конденсатора паровой турбины.

2. Микропроцессорный контроллер уровня в барабане парового котла.

3. Микропроцессорный контроллер теплового пункта жилого дома.

4. Микропроцессорный контроллер процесса сжигания топлива в паровом котле.

5. Микропроцессорный контроллер отопительной установки жилого дома с солнечным коллектором.

6. Микропроцессорный контроллер угольной шаробарабанной мельницы.

7. Микропроцессорный контроллер хлебопекарной печи.

8. Микропроцессорный контроллер центрифуги сахарного завода.

9. Микропроцессорный контроллер деаэратора котельной.

10. Микропроцессорный контроллер экструдера пластмассовых изделий.

11. Микропроцессорный контроллер ветровой энергетической установки.

12. Микропроцессорный контроллер газового тракта парового котла (разрежение).

13. Микропроцессорный контроллер подогревателя сетевой воды.

14. Микропроцессорный контроллер установки биологической очистки воды.

15. Микропроцессорный контроллер промышленного кондиционера.

16. Микропроцессорный ПИД-регулятор в комплекте с исполнительным механизмом постоянной скорости.

17. Микропроцессорный контроллер автоматического хроматографического анализатора-корректора процесса горения.

18. Микропроцессорный контроллер светофорной установки регулируемого перекрестка.

19. Микропроцессорный контроллер станка для изготовления сетки-рабицы.

20. Микропроцессорный контроллер пассажирского лифта.

21. Микропроцессорный контроллер многопрограммной стиральной машины.

22. Микропроцессорный контроллер для охраны и пожарной сигнализации.

23. Микропроцессорный контроллер отопительного котла жилого дома.

24. Микропроцессорный контроллер электрической печи для отжига стеклянных пластин.

25. Микропроцессорный контроллер автозаправочной станции.

26. Микропроцессорный контроллер установки для приготовления бетона.

27. Микропроцессорный контроллер уровня воды в водонапорной башне.

28. Микропроцессорный контроллер имитатора объекта управления лабораторного стенда.

29. Микропроцессорный контроллер промышленного автоклава консервного производства.

30. Микропроцессорный контроллер поддержания влажности зерна в элеваторе.

31. Микропроцессорный контроллер декомпрессионной барокамеры.

32. Микропроцессорный контроллер авиационного автопилота.

33. Микропроцессорный контроллер автоматической метеостанции.

34. Микропроцессорный контроллер климата в теплице.

35. Микропроцессорный контроллер многокамерного промышленного холодильника.

36. Микропроцессорный контроллер конвейерной системы.

37. Микропроцессорный контроллер подачи звонков в учебном заведении.

38. Микропроцессорный контроллер горнолыжного кресельного подъемника.

39. Микропроцессорный контроллер пропускного пункта.

40. Микропроцессорный контроллер уровня в ПНД энергоблока АЭС.

Варианты типов микроЭВМ:

ATmega16 – 1, 6, 11, 16, 21, 26, 31, 36.

ATmega168 – 2, 7, 12, 17, 22, 27, 32, 37.

ATmega32 – 3, 8, 13, 18, 23, 28, 33, 38.

ATmega64 – 4, 9, 14, 19, 24, 29, 34, 39.

ATmega128 – 5, 10, 15, 20, 30, 35, 40.

Варианты клавиатур:

1. Полная клавиатура (цифровые 0-9, функциональные 4–6 шт. ) – нечетные.

2. Сокращенная клавиатура на 4-6 функциональных клавиш («Режим», «Больше», «Меньше», «Сохранить» и др.) – четные.

Варианты индикаторов:

1. 7-сегментные – нечетные.

2. Матричный на 2 строки – четные.

Варианты интерфейсов связи с ПК:

1. Последовательный RS-232.

2. Последовательный USB.

Остальные исходные данные определяются или уточняются индивидуально на консультациях и проверках выполнения этапов курсовой работы.

1 Общие сведения об однокристальных микроконтроллерах AVR

Микроконтроллеры составляют наиболее широкий класс микропроцессоров, используемых в приборах, устройствах и системах различного назначения.

Микроконтроллер – это специализированный микропроцессор, предназначенный для построения устройств управления техническими объектами и технологическими процессами [15]. Конструктивно микроконтроллер представляет собой большую интегральную схему (БИС), на кристалле которой размещены все составные части типовой вычислительной системы: микропроцессор, память, а также периферийные устройства для реализации дополнительных функций.

Так как все элементы микроконтроллера размещены на одном кристалле, их также называют однокристальными (однокорпусными) микроЭВМ или однокристальными микроконтроллерами.

Цель применения микроконтроллеров – сокращение числа компонентов, уменьшение размеров и снижение стоимости приборов (систем).

Как правило, микроконтроллеры имеют RISC-архитектуру (RISC – Reduced Instruction Set Computer – вычислитель с сокращённым набором команд), незначительную ёмкость памяти, физическое и логическое разделение памяти программ и памяти данных, ориентированную на задачи управления систему команд. Таким образом, микроконтроллеры предназначены для решения задач управления, контроля, регулирования и первичной обработки информации и менее эффективны при реализации сложных алгоритмов обработки данных.

В состав типовой микроконтроллерной системы управления входит микроконтроллер и аппаратура его сопряжения с объектом управления (рисунок 1) [13]. Микроконтроллер производит периодический опрос сигналов состояния объекта и в соответствии с заложенным алгоритмом генерирует последовательности сигналов управления.

Сигналы состояния характеризуют текущие параметры объекта управления. Они формируются путём преобразования выходных сигналов датчиков (Д) с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) или формирователей сигналов состояния (ФСС); последние чаще всего выполняют функции гальванической развязки и формирования уровней.

Рисунок 1 – Типовая структура системы управления на основе микроконтроллера

ФСУ – формирователи сигналов управления; ИУ – исполнительные

устройства; Д – датчики; ФСС – формирователи сигналов состояния

Сигналы управления, выработанные микроконтроллером, подвергаются преобразованию с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) или формирователей сигналов управления (ФСУ), в качестве которых применяются усилители мощности, оптроны, транзисторные и тиристорные ключи и др. Выходные сигналы ЦАП и ФСУ представляют собой соответственно аналоговые и дискретные управляющие воздействия, которые поступают на исполнительные устройства (ИУ).

В системе могут быть также предусмотрены панель управления, устройство индикации и интерфейс для обмена информацией с внешними устройствами. В зависимости от назначения и характеристик конкретной системы некоторые из указанных элементов могут отсутствовать.

Разрядность выпускаемых микроконтроллеров варьируется от 4 до 64 бит. Наибольшее распространение получили 8-разрядные микроконтроллеры как пригодные для использования в различных приложениях и имеющие низкую стоимость [11]. Характерными представителями таких устройств являются микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel.

AVR-микроконтроллеры – это 8-разрядные RISC-микроконтроллеры, отличительными особенностями которых являются наличие FLASH-памяти программ, широкий спектр периферийных устройств, высокая вычислительная производительность, а также доступность средств разработки программного обеспечения [20, 21].

В состав семейства AVR в настоящее время входят более 50 различных устройств, которые подразделяются на несколько групп [18, 19]:

– универсальные AVR-микроконтроллеры входят в группы Tiny AVR и Mega AVR;

– Tiny AVR (ATtinyXХX) – дешёвые устройства с небольшим количеством выводов;

– Mega AVR (ATmegaXХX) – мощные AVR-микро-контроллеры, имеющие наибольшие объёмы памяти и количество выводов, а также максимально полный набор периферийных устройств.

Специализированные AVR-микроконтроллеры представлены группами:

– LCD AVR (ATmega169, ATmega329) – микроконтроллеры для работы с жидкокристаллическими индикаторами;

– USB AVR (AT43USBXХX, AT76C711) – микроконтроллеры с интерфейсом USB;

– DVD AVR (AT78CXХX) – контроллеры CD/DVD-приводов;

– RF AVR (AT86RFХХХ) – микроконтроллеры для построения систем беспроводной связи;

– Secure AVR (AT90SCXХХX, AT97SCXХХX) – микроконтроллеры для смарт-карт;

– FPGA AVR (AT94KXХAL) – микроконтроллеры, выполненные на одном кристалле с ПЛИС.

Кроме того, ранее выпускалась группа Classic AVR (AT90SXXХX) – устройства, занимающие промежуточное положение между микроконтроллерами групп Mega и Tiny (заменены совместимыми усовершенствованными аналогами группы Mega) [9].

Основные характеристики микроконтроллеров групп Tiny AVR, Mega AVR и LCD AVR приведены в приложении 1.

2 Архитектура avr-микроконтроллеров

AVR-микроконтроллеры содержат на кристалле следующие аппаратные средства: 8-разрядное процессорное ядро, память программ, оперативную память данных, энергонезависимую память данных, регистры ввода-вывода, схему прерываний, схему программирования, а также периферийные устройства (рисунок 2) [17].

Процессорное ядро (Central Processing Unit – CPU) AVR-микроконтроллеров содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры общего назначения (РОН), программный счётчик, указатель стека, регистр состояния, регистр команд, дешифратор команд, схему управления выполнением команд.

В АЛУ выполняются все вычислительные операции. Операции производятся только над содержимым РОН. На выборку содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в РОН затрачивается один машинный такт (один период тактовой частоты).

Регистры общего назначения представляют собой 8-разрядные ячейки памяти с быстрым доступом, непосредственно доступные АЛУ. В AVR-микроконтроллерах имеется 32 РОН.

Программный счётчик (Program Counter – PC) содержит адрес следующей выполняемой команды.

Указатель стека (Stack Pointer – SP) служит для хранения адреса вершины стека.

Регистр состояния (Status Register – SREG) содержит слово состояния процессора.

Рисунок 2 – Архитектура микроконтроллеров семейства AVR

Регистр команд, дешифратор команд и схема управления выполнением команд обеспечивают выборку из памяти программ команды, адрес которой содержится в программном счётчике, её декодирование, определение способа доступа к указанным в команде аргументам и собственно выполнение команды. Для ускорения выполнения команд используется механизм конвейеризации, который заключается в том, что во время исполнения текущей команды программный код следующей выбирается из памяти и декодируется.

Память AVR-микроконтроллеров организована по схеме Гарвардского типа – адресные пространства памяти программ и памяти данных разделены.

Память программ представляет собой перепрограммируемое ПЗУ типа FLASH и выполнена в виде последовательности 16-разрядных ячеек, так как большинство команд AVR-микроконтроллера являются 16-разрядными словами. Гарантируется не менее 10 000 циклов перезаписи. Память программ имеет размер от 2 до 256 Kбайт (от 1 до 128 Kслов).

Оперативная память данных представляет собой статическое ОЗУ (SRAM – Static Random-Access Memory) и организована как последовательность 8-разрядных ячеек. Оперативная память данных может быть внутренней (до 16 Kбайт) и внешней (до 64 Кбайт).

Энергонезависимая (nonvolatile) память данных организована как последовательность 8-разрядных ячеек и представляет собой перепрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием (РПЗУ-ЭС, или EEPROM – Electrically Erasable Programmable Read-only Memory). Энергонезависимая память данных имеет размер до 64 Кбайт.

Регистры ввода-вывода предназначены для управления процессорным ядром и периферийными устройствами AVR-микроконтроллера.

Схема прерываний обеспечивает возможность асинхронного прерывания процесса выполнения программы при определённых условиях.

К периферийным устройствам AVR-микроконтроллера относятся порты ввода-вывода, таймеры, счётчики, сторожевой таймер, аналоговый компаратор, аналого-цифровой преобразователь, универсальный асинхронный (синхронно-асинхронный) приёмопередатчик – УАПП (УСАПП), последовательный периферийный интерфейс SPI, интерфейс JTAG и др. Набором периферийных устройств определяются функциональные возможности микроконтроллера.

Обмен информацией между устройствами AVR-микроконтроллера осуществляется посредством внутренней 8-разрядной шины данных.