Проектирование микропроцессорной системы управления - Курсовая работа

В курсовом проекте требуется разработать микроконтроллерную систему (МКС) управления некоторым технологическим объектом. МКС состоит из объекта управления, микроконтроллера, пульта управления и аппаратуры их взаимной связи. Микроконтроллер (МК) путем периодического опроса принимает информацию об объекте от аналоговых и цифровых датчиков. Выходные сигналы датчиков вследствие их различной физической природы могут потребовать промежуточного преобразования на аналого-цифровых преобразователях (АЦП) или на схемах формирователей сигналов (ФС), которые чаще всего выполняют функции гальванической развязки и формирования уровней двоичных сигналов стандарта ТТЛ.После включения электропитания или нажатия кнопки «Сброс» на пульте управления выполняется начальная установка (инициализация) системы (блок 1 БСА): вывод начальных значений управляющих воздействий настройка внутренних модулей МК, таймер опроса начинает отсчет времени Топр. Если ни одна из клавиш клавиатуры не была нажата, то программа переходит к блоку 8, в котором проверяется, не прошло ли время опроса Топр. Если время истекло, то программа вновь переходит на опрос клавиатуры (блок 4). Если же оператор нажал какую-либо клавишу клавиатуры с целью вывода на дисплей значения входного напряжения U1-U5, то программа переходит к блоку 6, в котором в зависимости от номера нажатой клавиши подготавливаются данные, а в блоке 7 происходит их вывод на дисплей. Если время опроса истекло, то программа переходит к блоку 9, в котором таймер подготавливается для нового отсчета времени Топр.Пульт управления должен содержать следующие элементы. 4) Светодиод индикации и динамик, на которые подаются сигналы от МК в аварийном режиме. После включения электропитания МКС находится в рабочем режиме, в котором циклически выполняется ввод и обработка информации от датчиков с периодов Топр (1 с). В этом режиме на ЖДК выводится текст сообщения «Work Mode» (рабочий режим).Структурная схема разрабатываемой МКС приведена на рисунке 1.8. Цифровые (двоичные) сигналы X1, X2, X3, X4, X5 поступают на входы МК, которые являются выводами порта, настроенных на ввод. Управляющие сигналы Y1, Y2 и Y3, представляющие собой одиночные импульсы определенной длительности, вырабатываются микроконтроллером.Для работы PIC-микроконтроллера необходимо: 1) присоединить времязадающую цепь для работы внутреннего тактового генератора; 2) обеспечить сброс МК при включении электропитания. На рисунке 2.1 приведена типовая схема подключения микроконтроллера PIC16F877, который используется для выполнения курсового проекта. Для обеспечения генерации тактовой частоты FOSC к выводам OSC1 и OSC2 подключен кварцевый резонатор ZQ1.На рисунке 2.2 приведена схема подключения сигналов X1-X5 к линиям RC3-RC7 порта С микроконтроллера.Так как аналоговые сигналы U1-U5 по заданию являются напряжениями постоянного тока, изменяющимися в пределах от 0 до 5 В, то их можно непосредственно подавать на линии портов, которые служат аналоговыми каналами внутреннего модуля АЦП микроконтроллера.Сигналы Y1, Y2, Y3 представляют собой одиночные импульсы ТТЛ-уровней, поступающие на исполнительные устройства МКС. Сигнал Y4 - это периодическая последовательность импульсов с широтно-импульсной модуляцией, вырабатываемая внутренним модулем ШИМ микроконтроллера. Такая нагрузочная способность позволяет подключать многие исполнительные устройства непосредственно к линиям портов МК. Однако, с целью повышения надежности рекомендуется подключать исполнительные устройства к портам МК через буферные элементы, которые в простейшем случае могут представлять собой микросхемы повторителей с открытым коллектором, например, К155ЛП9. На рисунке 2.4 приведена схема формирования управляющих сигналов МКС с использованием микросхемы К155ЛП9, в состав которой входят 6 повторителей с открытым коллектором.Однако для PIC-микроконтроллеров более простой альтернативой является выполнение цифроаналогового преобразования с помощью ШИМ-сигналов, получаемых с помощью внутренних модулей МК, которые могут работать в режиме широтно-импульсного модулятора. Если обозначить Т - период ШИМ-сигнала, FШИМ = 1/Т - его частота, а ти - длительность импульса, то коэффициент заполнения ? = ти/Т. Спектральный анализ ШИМ-сигнала на основе преобразования Фурье позволяет представить этот сигнал в виде суммы постоянной составляющей и отдельных гармоник с различными амплитудами и частотами: u(t) = U0 U1msin?t U2msin?t U3msin?t …, где U0 - постоянная составляющая, U1m, U2m, U3m… - амплитуды гармоник. Если ШИМ-сигнал пропустить через фильтр низкой частоты (ФНЧ) и отфильтровать составляющие переменного напряжения, то в идеальном случае остается составляющая постоянного напряжения. В PIC-микроконтроллерах ШИМ-сигнал снимается с выводов порта С, поэтому можно считать что Um равно напряжению питания микроконтроллера UDD, следовательно u(t) = UDD ?Алфавитно-цифровые ЖК-дисплеи (ЖКД), или по-английски LCD (Liquid Crystal Display), представляют собой недорогие и удобные модули, позволяющие сэкономить время

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Описание алгоритма работы и разработка структурной схемы МКС

1.1 Алгоритм работы МКС

1.2 Пульт управления

1.3 Структурная схема МКС

2. Разработка принципиальной схемы МКС

2.1 Схема подключения микроконтроллера

2.2 Схема ввода цифровых сигналов

2.3 Схема ввода аналоговых сигналов

2.4 Схемы вывода цифровых управляющих сигналов

2.5 Схема вывода аналогового управляющего сигнала

2.6 Схема подключения ЖК-дисплея

2.7 Схема подключения клавиатуры

2.8 Подключение аварийного датчика

2.9 Схемы подключения аварийной сигнализации

3. Разработка программного обеспечения МКС

3.1 Разработка блок-схемы алгоритма главной программы работы МКС

3.2 Функция инициализации init( )

3.3 Функция interrupt( )

3.4 Функция digit( )

3.5 Функция analog( )

3.6 Функция display( )

3.7 Программа управления МКС

Заключение

Список литературы

В курсовом проекте требуется разработать микроконтроллерную систему (МКС) управления некоторым технологическим объектом. Структура МКС приведена на рисунке 1.1. МКС состоит из объекта управления, микроконтроллера, пульта управления и аппаратуры их взаимной связи. Микроконтроллер (МК) путем периодического опроса принимает информацию об объекте от аналоговых и цифровых датчиков. Выходные сигналы датчиков вследствие их различной физической природы могут потребовать промежуточного преобразования на аналого-цифровых преобразователях (АЦП) или на схемах формирователей сигналов (ФС), которые чаще всего выполняют функции гальванической развязки и формирования уровней двоичных сигналов стандарта ТТЛ.

Рисунок 1.1 - Структура микроконтроллерной системы

МК с требуемой периодичностью вырабатывает управляющие сигналы на своих выходных портах в соответствии с законом управления. Некоторая часть этих сигналов интерпретируется как совокупность простых двоичных сигналов, которые через схемы формирователей (усилители мощности, реле, оптроны и т.п.) поступают на исполнительные устройства. Другая часть управляющих сигналов представляет собой многоразрядные двоичные коды, которые через цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) воздействуют на исполнительные устройства аналогового типа. АЦП и ЦАП могут быть отдельными блоками МКС, но могут являться внутренними модулями микроконтроллера. Это определяется типом применяемого МК.

С помощью пульта управления (ПУ) оператор имеет возможность получать значения некоторых сигналов, выводить на индикаторы информацию о состоянии объекта и т.п.

В курсовом проекте необходимо разработать структурную схему МКС, принципиальную схему системы, разработать программы для МК, обеспечивающие выполнение алгоритмов контроля и управления в соответствии с заданием.