Устройство контроля за уровнем аналоговых сигналов

Техническое задание Разработать устройство контроля за уровнями аналоговых сигналов Составные части устройства: Входные сигналы медленно изменяющиеся во времени аналоговые сигналы постоянного тока (Ui) от нескольких источников (4 датчика). Обработка входных сигналов Сравнить уровни входных сигналов с двумя уставками (нижним Uп1 и верхним Uп2 пороговыми уровнями), хранящимися в виде констант K1i и K2i в памяти данных микроконтроллера, и по результатам сравнения осуществить: 1) Включить зеленый светодиодный индикатор, если K1i <Ui <K2i. 2) Включить красный светодиодный индикатор, сформировать и подать на звуковой излучатель (динамик) последовательность импульсных сигналов с заданной частотой (Fз) и скважностью 2, если K1i >Ui >K2i. • Диапазон изменения входных сигналов (Ui), В 0,1 – 5 • Нижний пороговый уровень Uп1, соответствующий константе K1i, В 0,9 • Верхний пороговый уровень Uп2, соответствующий константе K2i, В 2,4 • Частота последовательности импульсных сигналов, подаваемых на звуковой излучатель Fз, Гц 3730 Выходные сигналы: уровни сигналов и выведенные их на 4 – разрядный 7 – сегментный светодиодный или жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) в виде десятичных чисел с ошибкой не более +.20 мВ. Осуществлять динамическую индикацию выбранного канала с заданной частотой обновления всех разрядов индикатора Fо.ж • Частота обновления всех разрядов индикатора Fо, Гц– 44 Гц. система управления: Выбор индицируемого канала осуществляется вручную с помощью 4 кнопок с зависимой фиксацией.

Напряжения питания Напряжения питания устройства, В 5 Условия эксплуатации Температурный диапазон: +5…+40ос. Относительная влажность: 40%. Элементная база в качестве элементной базы использовать микросхемы ТТЛ (ТТЛШ) малой и средней степени интеграции.

Комплектность конструкторской документации : Конструкторская документация должна содержать следующие документы: - ведомость проекта - техническое задание - объяснительную записку - схему электрическую структурную - схему электрическую функциональную - перечень элементов Реферат Данный документ представляет собой пояснительную записку объемом 25 листов. В пояснительной записке представлено 1 таблица, 8 рисунков использовано 10 источников литературы.

Ключевые слова: МИКРОКОНТРОЛЛЕР, АНАЛОГОВЫЙ СИГНАЛ, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ, ДИНАМИК, СВЕТОДИОДНЫЙ ИНДИКАТОР. В данном курсовом проекте разработано устройство контроля за уровнем аналоговых сигналов.

Разработка выполнена на микроконтроллере и микросхемах ТТЛ-логики малой степени интеграции. в пояснительной записке приведены необходимые обоснования, расчеты и описания принципа действия как устройства в целом, так и его отдельных функциональных блоков и узлов.

Альбом документов курсового проекта кроме пояснительной записки содержит также : спецификацию, техническое задание, перечень элементов, чертежи структурной и принципиальной схем устройства.Содержание Введение 1. Выбор и обоснование основных технических решений. 1. Детализация исходного ТЗ и постановка задачи (использование блочно-иерархического подхода при разработке данного устройства). 2. Источники информации (входных сигналов). 3. Приемники информации (выходных сигналов). 4. Возможные пути (варианты) решения поставленной задачи. 5. Возможные варианты структурных схем и их сравнительный анализ. 6. Обоснование выбора структурной схемы. 7. Обоснование выбора типа ОМК для решения поставленной задачи. 2. Структурная схема устройства и её описание. 1. Структурная схема. 1. Назначение отдельных функциональных блоков. 2. Описание принципа действия и общий алгоритм работы. 3. Разработка функциональных схем и блок-схем алгоритмов работы отдельных блоков. 3. Разработка функциональной и принципиальной схем устройства. 1. Описание принципиальной схемы устройства. 2. Описание принципиальных схем отдельных устройств. 4. Расчет потребляемой мощности и определение требований к источникам питания. 5. Расчет временных параметров. 6. Разработка и отладка рабочей программы (управления). 1. Блок-схема(ы) алгоритма(ов) и её(их) описание(я). 2. Структура программы. 3. Текст программы (вносится в приложение!). 4. Технология отладки программы. 1. Компиляция (с распечаткой всех файлов, полученных во время компиляции: obj, lst, erl, sym). 2. Моделирование. 7. Заключение. 8. Список используемой литературы. Введение Однокристальные микроконтроллеры (ОМК) позволяют существенно расширить интеллектуальные возможности различного рода устройств и систем.

Они представляют собой, по сути, специализированные однокристальные микроЭВМ, содержащие для связи с внешней средой встроенные периферийные узлы и устройства, набор которых во многом определяет их функциональные возможности и области применения.

Они стали сегодня одним из самых распространенных элементов программируемой логики. Более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств в настоящее время составляют именно однокристальные микроконтроллеры.

В структуру ОМК семейства PIC заложено много различных функциональных особенностей, делающих их самыми высокопроизводительными, микропотребляющими, помехозащищенными, программируемыми пользователем 8-ми битными микроконтроллерами.

Благодаря этим особенностям ОМК семейства PIC могут обрабатывать аппаратно-программным способом как дискретные, так и аналоговые сигналы, а также формировать различного рода управляющие сигналы, а также осуществлять связь между собой и ЭВМ, находящейся на более высоком иерархическом уровне в системе.

Существует два принципиально разных подхода к проектированию цифровых устройств: использование принципа схемной логики или использование принципа программируемой логики.

Следует иметь в виду, что наивысшее быстродействие достигается в процессорах, в которых управляющее устройство строится с использованием системной логики, а операционное устройство выполняется в виде устройства, специализированного для решения конкретной задачи.

Мы будем использовать микроконтроллер фирмы Microchip со встроенным АЦП, и на его основе разрабатывать устройство контроля за уровнями входных аналоговых сигналов. 1.Выбор и обоснование основных технических решений. 1.1 Детализация исходного ТЗ и постановка задачи (использование блочно-иерархического подхода при разработке данного устройства). Поставленную задачу можно разбить на 3 задачи: 1. Задача приема входных данных. 2. Задача обработки входных данных и принятие решения. 3. Выдача управляющего сигнала на объекты индикации.

В свою очередь задача приема входных данных содержит в себе 3 задачи малой размерности: 1) Прием аналогового сигнала; 2) цикл работы АЦП; 3) запись в РОН. Задача обработки входных данных и принятия решения реализуется на основе 2 подзадач: 1) чтение двух констант (верхний и нижний предел) из ПЗУ; 2) сравнение констант с РОН. Задача выдачи управляющего сигнала на объект управления содержит в себе 3 задачи малой размерности: 1) Преобразование информации о уровне входного аналогового сигнала в форму пригодную для выдачи на ЖКИ 2) Осуществление управления динамической индикацией с заданной частотой обновления; 3) Подача сигнала на зеленый светодиод в том случае, либо же подача сигнала на красный светодиод и на динамик (с определенной в ТЗ частотой) в зависимости от принятого решения.

В соответствии с блочно-иерархическим принципом это разбиение исходной задачи на ряд более простых задач можно представить следующей структурой (см. рис. 2.1). Рисунок 1.1 Разбиение общей задачи на ряд подзадач. 1.2 Источники информации (входных сигналов) Источниками информации могут служить любые устройства, выдающие плавно изменяющиеся во времени аналоговые сигналы уровень которых лежит в пределах 0-5 В ( уровни ТТЛ ). 1.3 Приемники информации (выходных сигналов) Приемниками информации служат семисегментные светодиодные индикаторы , светодиоды и динамик. 1.4 Возможные пути (варианты) решения поставленной задачи Все МКУ разрабатываются с помощью программных и аппаратных способов реализации.

Преимущества аппаратной реализации заключаются в том, что: а) использование специальных БИС упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие системы в целом; б) уменьшается время на разработку и отладку устройства.

Преимущества программной реализации такие; а) меньшая стоимость и потребляемая мощность системы ; б) меньшее количество компонент в системе, а значит выше надежность системы в целом; в) время жизни системы значительно выше по сравнению с аппаратной реализацией; г) возможность простой модификации системы (путем перепрограммирования). Не смотря на то, что численно преимуществ программной реализации больше, чем у аппаратной, бывают случаи, где без аппаратной части просто не обойтись.

Но не в данной задаче. Глобальная задача обработки входных данных и принятия решения будет реализована программным путем, так как именно для этого предназначен микроконтроллер.

Если же входные данные обрабатывать аппаратно (собрать схему на жесткой логике), тогда ТЗ теряет свой смысл, в нем оговорено спроектировать микроконтроллерное устройство, а значит для МК останется только задача формирования выдачи выходного сигнала. Хотя эту задачу нельзя назвать слишком уж простой, и осуществить ее решение на жесткой логике было бы затруднительно и дороговато.

И зачем пытаться что-то реализовать аппаратно, если можно без особых усилий достичь того же результата, используя микроконтроллер.Поэтому обработкой входных сигналов будет заниматься МК под управлением соответствующей программы.

К тому же чем меньше элементов будет в проектируемом устройстве тем оно будет надежнее и дешевле. 1.5. Возможные варианты структурных схем и их сравнительный анализ Для реализации данного устройство можно предложить следующие варианты: 1) на микроконтроллере со встроенным АЦП; 2) рис. 1.5.1 Структурная схема устройства на микроконтроллере со встроенным АЦП. где : ВС – входной аналоговый сигнал, СД – сигналы данных для индикации (в том числе звуковой), УС – сигналы управления индикацией 3) внешний АЦП + 3 портовый микроконтроллер без АЦП рис. 1.5.2 Структурная схема устройства на микроконтроллере с внешним АЦП. где : ВС – входной аналоговый сигнал, СД – сигналы данных для индикации (в том числе звуковой), УС – сигналы управления индикацией 4) внешний АЦП + компоратор + дешевый 2 портовый микроконтроллер. рис. 1.5.3 Структурная схема устройства на микроконтроллере с внешним АЦП и блоком компорации. где : ВС – входной аналоговый сигнал, СД – сигналы данных для индикации (в том числе звуковой) УС – сигналы управления индикацией ФК – флаг компорации (результат сравнения) Кі1, Кі2 – константы нижнего и верхнего пороговых уровней 1.6 Обоснование выбора структурной схемы Учитывая все аспекты, рассмотренные в п.1.4 ПЗ, мы выбираем 1 вариант реализации (на микроконтроллере со встроенным АЦП). 1.7. Обоснование выбора ОМК для решаемой задачи Для решения данной задачи необходим МК, который содержит в себе следующие характеристики в соответствии с ТЗ: 1) Встроенный АЦП с разрядностью 8р. 2) имеет 1 линий для ввода аналогового сигнала 3) имеет 14 линий вывода (8 – входные данные для семисегментные световые индикаторы, 3 – для выбора индикатора, 2-для светодиодов и 1- для динамика ); 4) позволяет использовать кварцевый и внешний генератор; 5) имеет в наличии ПЗУ; 6) будет доступным и сравнительно недорогим. 7) иметь достаточное быстродействие Еще одним немаловажным моментом является наличие документации на МК, чтобы правильно его запрограммировать.

Учитывая все требования, нами был выбран микроконтроллер PIC16C72, так как он в наибольшей степени удовлетворяет всем вышесказанным условиям.

Но поскольку оценить нужное быстродействие без написания программы трудно, возможно нам придется заменить его на микроконтроллер того же семейства 16с7х но более быстродействующий. 2. Структурная схема устройства и её описание 2.1Структурная схема После обоснования выбора структурной схемы устройства останавливаемся на схеме с микроконтроллером со встроенным АЦП. Структурная схема приведена на рисунке 2.1. рис. 2.1 Структурная схема устройства на микроконтроллере со встроенным АЦП. где : ВС – входной аналоговый сигнал, СД – сигналы данных для индикации (в том числе звуковой), УС – сигналы управления индикацией 2.1.1 Назначение отдельных функциональных блоков Блок ЦПУ предназначен для преобразования входного аналогового сигнала в цифровое представление, сравнения этого значения с константами и в зависимости от результата сравнения осуществлять управление устройством индикации, предварительно преобразовав информацию о уровне аналогового входного сигнала в форму пригодную для блока индикации.

Блок индикации предназначен для вывода информации о уровне входного аналогового сигнала, в виде десятичных чисел, с заданными количеством знакомест и частотой обновления данных.

Кроме того блок индикации с помощью двух светодиодов и динамика информирует попадает ли уровень сигнала в область, ограниченную константами Кі1 и Кі2. 2.2 Описание принципа действия и общий алгоритм работы Аналоговый сигнал, поступающий на вход АЦП микроконтроллера, преобразовывается в цифровое представление.

Затем микроконтроллер сравнивает уровень входного сигнала с двумя константами, хранящимися в ПЗУ, и в зависимости от результата сравнения подает сигналы на динамик и светодиоды, по линиям СД. Кроме того микроконтроллер преобразовывает информацию о уровне аналогового входного сигнала в форму пригодную для блока индикации, эта информация передается по линиям СД. Обновление информации на блоке индикации целиком зависит от МК, оно происходит с заданной частотой 44 Гц. По линиям УС, от микроконтроллера в блок индикации, передаются сигналы, предназначенные для выбора знакоместа. 2.3 Функциональная схема устройства и ее краткое описание По ТЗ разрабатываемое устройство должно проводить динамическую индикацию с частотой 44Гц. И, в определенной ситуации, звуковую индикацию, с частотой последовательности импульсных сигналов 3730 Гц. Для соблюдения поставленных в ТЗ условий нам потребуется выполнять процедуру динамической индикации через время tди=22727 мкс, а процедуру звуковой индикации через время tзи=268 мкс. Нам известно что скорость выполнения одной команды, при использовании PIC16C72, тактируемого от кварца 4Мгц, занимает четыре такта (не считая goto и т.п.), т.е скорость выполнение среднестатистической команды равна 1 МГц. Значит наша процедура динамической индикации должна срабатывать каждые 22727 командных циклов микроконтроллера, а процедура звуковой индикации каждые 268 командных циклов.

Кроме того нам известно, что АЦ преобразование в выбранном нами микроконтроллере (PIC16C72) длиться не более 20 мкс. Эти данные будут нужны при настройке таймеров и задержек в программе. 6. Разработка и отладка рабочей программы . Возможно предложить следующие варианты решения поставленной задачи: 1. Написать программу которая в непрерывном цикле Производит АЦП преобразование, перевод результата в семисегментный код, и осуществляет динамическую индикацию.

Преимущества : легко написать программу (не сложный алгоритм) Недостатки: труднее высчитывать задержки для обеспечения динамической и звуковой индикации с заданной частотой.

Из-за не постоянного времени выполнения процедуры преобразования в семисегментный код, не получиться обеспечить точную частоту обновления. 2. Написать программу которая в непрерывном цикле Производит АЦП преобразование, перевод результата в семисегментный код. Складывает результаты в буффер.

По прерываниям таймеров происходит динамическая и звуковая индикация.

Преимущества: данный подход обеспечит точную частоту звуковой и динамической индикации.

Не нужно подбирать задержки для индикаций.

Можно чаще снимать данные с АЦП и выводить их позднее, а это уменьшает вероятность того, что мы пропустим резкое изменение уровня входного сигнала.Недостатки: разработка программы усложниться за счет использования таймеров и прерываний от них. Кроме того нужно каким-то образом организовать буфер для хранения результатов АЦП. Учитывая все вышесказанное, мы выбираем 2 вариант, т.к. на наш взгляд он более приспособлен для решения поставленной задачи. 6.1. Блок-схемы алгоритмов и их описание 6.2. Структура программы Микроконтроллер выполняет следующие функции: &#61485; прием аналогового сигнала ; &#61485; АЦП преобразование ; &#61485; Преобразования результата АЦП в семисегментный код ; &#61485; принятие решения о выходе уровня входного сигнала за пороговые уровни. &#61485; Вывод преобразованных значений на светодиодные индикаторы(осуществление динамической индикации с заданной частотой) &#61485; выдача сигнальных сообщений на светодиоды и динамик.

Программа содержит следующие участки программы: INIT – производит перевод всех портов и регистров устройства в исходное состояние; MAIN – основная программа; IRQTMR1 - подпрограмма обработки прерывания от таймера1 (для динамической индикации) IRQTMR2 - подпрограмма обработки прерывания от таймера2 (для звуковой индикации) INDICATION – подпрограмма обновления состояния индикатора; BINTOSEVEN – подпрограмма перевода числа из двоичного кода в семисегментный код. SOUNDINDICATION – подпрограмма звуковой индикации 6.3. Текст программы.

Текст программы приведен в приложении А. 6.4. Технология отладки программы При разработке и отладке программы была использована бесплатная программа Mplab предоставляемая фирмой Microchip.

MPLAB - это интегрированная среда разработки (IDE) для семейства микроконтроллеров PICmicro фирмы Microchip Technology Incorporated.

MPLAB позволяет писать, отлаживать и оптимизировать программы для Ваших разработок.MPLAB включает текстовый редактор, симулятор (виртуальный отладчик), менеджер проектов и поддерживает эмуляторы (внутрисхемные отладчики) MPLAB-ICE и PICMASTER , программаторы PICSTART Plus и PRO MATE II и другие средства и инструменты разработок фирмы Microchip и других фирм. Инструментальные средства MPLAB, организованные как ниспадающие меню и определяемые быстрые клавиши, позволяют: - ассемблировать, компилировать исходный текст; - отлаживать логику работы, наблюдая с помощью симулятора или, в реальном времени, с эмулятором MPLAB-ICE ; - просматривать переменные в окнах просмотра; - программировать кристаллы с помощью программаторов PICSTART Plus или PRO MATE II - и многое другое.

Так как MPLAB не корректно работает с АЦП, отладка программы выполнялась путем замены результата АЦП числами, которые не выходили за пороговые значения(заданными константами К1 и К2) и на числа которые: а) меньше нижней границы ; б) больше верхней границы.