Міністерство освіти і науки України
Роменський коледж
Київського національного економічного університету
Спеціальність: 5.091504 «Обслуговування комп’ютерних та інтелектуальних систем та мереж»
Курсовий проект
з предмету:
Мікропроцесорні системи
Тема: «Розробити схему електричну принципову музичного звоника»
2007
Зміст
Вступ
1 Загальний розділ
1.1 Призначення проектуємого пристрою
1.2 Технічні характеристики
1.3 Розробка і обґрунтування схеми електричноїструктурної
2 Спеціальний розділ
2.1 Вибір і обґрунтування елементної бази
2.2 Принцип роботи окремих ВІС з використаннямчасовихдіаграм та алгоритмів роботи
2.3 Принцип роботи пристрою згідно схемиелектричноїпринципової
3 Експлуатаційний розділ
3.1 Ініціалізація програмуємих ВІС
3.2 Тест перевірки окремих вузлів або пристроїв
3.3 Розрахунок надійності пристрою
4 Анотація
5 Література
Вступ
В наш час, час високогорівня розвитку науки та техніки, коли людство досягло значних технологічних висот, ми все частіше і частіше стикаємося з такими термінами як мікропроцесор та мікроконтролер. В даному розділі курсової роботи я розкрию зміст цих понять та проведу коротку характеристику розвитку електроніки за останні роки.
Отже, мікропроцесор (МП) - програмно-керуючий пристрій, призначений для обробки цифрової інформації і керування процесом цієї обробки, який виконано у виді однієї (чи декількох) інтегральної схеми з високим ступенем інтеграції електронних елементів.
Мікроконтролер (МК) - керуючий пристрій, виконаний на одному чи декількох кристалах, що виконує функції логічного аналізу і керування (що дозволяє за рахунок виключення арифметичних операцій зменшити апаратурну складність пристроїв чи розвити функції логічного керування).
Архітектура МПС – розподіл функцій, що реалізуються системою на окремих її рівнях, та точне визначення меж між цими рівнями. Вона поєднує апаратні, мікропрограмні і програмні засоби обчислювальної техніки, визначає принцип організації МПС та функції її компонентів, зокрема процесора, пам’яті та ін. Архітектура МПС не відображає конструктивні особливості логічних структур і модулів та технологію їх виробництва.
Характеристики мікропроцесорів, їх продуктивність, швидкодія та надійність, а головне – багатофункціональність постійно покращуються. Один мікроконтролер може замінити набагато дорожчі та більш громіздкі електричні схеми.
Завдання даної курсової роботи – розробити схему електричну принципову малогабаритного двохпроменевого осцилографа-мультиметра. В наступних розділах роботи успішно виконано поставлене завдання та детально описано принцип роботи розробленої схеми. Схему електричну принципову розроблюваного пристрою зображено на аркуші формату А3, який додається до звіту. Дану тему я обрав для курсової роботи не випадково: осцилограф – один з найдорожчих пристроїв, які часто використовую радіоконструктори. Цікавою особливістю розроблюваного пристрою є використання рідкокристалічних графічних індикаторів для виведення результату вимірювань
1. Загальний розділ
1.1 Призначення проектуємого пристрою
Визначення та визначення термінів, що використовуються в курсовій роботі.
АЦП – аналого-цифровий перетворювач
ВІС – великі інтегральні схеми
ЕОМ – електронно-обчислювальна машина
МК – мікроконтролер
МП – мікропроцесор
МІК – модуль інтерфейсу користувача
МПК – мікропроцесорний комплект
МПС – мікропроцесорна система
ОЗП – оперативно-запам’ятовучий пристрій
ОМК – однокристальний мікроконтролер
ЦП – центральний процесор
Місце та основні характеристики
пристрою в архітектурі МПС:
Завданням курсової роботи є розробка схеми електричної принципової малогабаритного двохпроменевого осцилографу-мультиметру. Оскільки осцилограф та мультиметр – одні з найважливіших вимірювальних приладів, а ціна їх досить висока, то актуально розробити просту схему осцилографу, який доволі легко сконструювати самостійно.
В процесі виконання завдання було схему було створено з використанням мікроконтролерів та аналого-цифрового перетворювача.
Однокристальний мікроконтролер (ОМК) це пристрій, виконаний конструктивно в одному корпусі ВІС, який містить усі компоненти МПС: процесор, пам'ять даних, пам'ять програм, програмовні інтерфейси.
Для ОМК характерні наступні особливості:
- система команд, орієнтована на виконання завдань керування і регулювання;
- алгоритми, що реалізуються на ОМК, мають багато розгалужень залежно від зовнішніх сигналів;
- дані, якими оперують ОМК, не повинні мати велику розрядність;
- схемна реалізація систем керування на базі ОМК нескладна і має невисоку вартість;
- універсальність і можливість розширення функцій керування значно нижчі, ніж у системах із однокристальними МП.
Однокристальні мікроконтролери зручно використовувати при розробці вбудованих пристроїв керування різноманітним обладнанням, наприклад побутовою технікою, мобільними телефонами, та іншими електронними пристроями.
Проектування нового пристрою прийнято починати з опису його архітектури, що представляє собою модель пристрою із погляду програміста. Модель у процесі проектування перетворюється в структуру пристрою, що визначає склад, призначення і взаємні зв'язки необхідних апаратурних компонентів, що реалізують бажану архітектуру.
АЦП – пристрої, які використовують для перетворення аналогового сигналу в цифровий.
Варто зазначити, що в основу побудови МПС покладено три основні принципи: магістральності, модульності і мікропограмного керування.
Принцип магістральності визначає характер зв’язків між функціональними блоками МПС – усі блоки з’єднуються з єдиною системною шиною.
Принцип модульності полягає в тому, що система зазується
1.2 Технічні характеристики
При розробці принципової схеми проектуємого пристрою ми використовували 8-ми бітовий мікроконтролер AT90S8515-8PI фірми Atmel з 8 кілобайтами програмованої пам’яті. Розглянемо його технічні особливості:
Блокування бітів при високій напрузі живлення. В деяких пристроях блоковані біти на перезаписуються при високій напрузі живлення і температурі. В даній ситуації неможливо перепрограмувати пристрій коли заблоковані біти вже встановлені. Дана помилка може виникнути в випадку, коли температура оточуючого середовища занадто висока. Для вирішення проблеми потрібно зменшити напругу живлення до 4 В, перед виконанням стирання. Після цього контролер розблокується, і ми отримаємо можливість перепрограмувати пристрій (практично при будь-якій температурі навколишнього середовища).
В випадку, якщо відбулася команда скидання під час запису пам’яті контролера результат запису буде не такий, який ми очікуємо. Цикл запису пам’яті ніби завершується так, як і повинен, але регістри адреси будуть встановлені в положення 0. Результатом може стати хибне відображення записаного значення. Для усунення проблеми в випадку, коли ми не можемо гарантувати захист від отримання сигналу скидання під час запису пам’яті ми не повинні використовувати адресу 0 для пам’яті.
В випадку, коли живлення МК під час програмування нижче 3 В, послідовне програмування може завершитися невдачею. Отже, для коректного програмування пристрою потрібно тримати живлення не нижче рівня 3 В під час програмування контролера.
Джерело живлення використане в схемі повинне бути стабілізованим джерелом з вихідною напругою 5 В.
Детальні характеристики мікроконтролера AT90S8515-8PI подано далі.
Технічні характеристики МК AT90S8515-8PI:
Напруга живлення, В4,0-6,0
Тактова частота, МГц8
Кількість ліній введення-виведення32
Ємність ненргонезалежної пам’яті програм, К8
Ємність енергонезалежної пам’яті даних, К512
Ємність статичної пам’яті даних, байт512
ІнтерфейсиUART, SPI
Аналогові входивідсутні
Кількість і розрядність таймерів2х8
Кількість і розрядність лічильників1х16
Можливість програмування на цільовій платі приосновній напрузі живлення наявна
1.3 Розробка і обґрунтування схеми електричної структурної
Схему електричну структурну приведено на рисунку 1.3.1.
Рисунок 1.3.1 – Структурна схема проектуємого пристрою
На структурній схемі зображено наступні елементи: кнопка, джерело живлення, мікроконтролер та динамік.
Розподіл функцій між елементами можна умовно розділити таким чином: кнопка служить для увімкнення приладу (наслідком чого є програвання наступної музичної композиції), джерело живлення подає робочу напругу для роботи пристою, живлячи кожен з його вузлів, мікроконтролер – головна керуюча частина пристрою, динамік забезпечує програвання музичних композицій.
2 Спеціальний розділ
2.1 Вибір і обґрунтування елементної бази
При проектуванні пристрою використані наступні елементи:
Мікроконтролер AT 90S8515фірми Atmel, 2 транзистори типу КТ5503Е та 1 типу КТ819Г, джерелом живлення може бути будь-яке стабілізоване джерело (можна використати батарею з гальванічних елементів або акумуляторів) з вихідною напругою 5 В. Передбачено використання реле типу ЕestarBT-5S, але можна використовувати будь-яке інше реле з напругою спрацювання не більше ніж 4,5 В з контактами, розрахованими на комутацію мереженої напруги 220 В. Для контролю величини напруги доцільно використати детектор зниження напруги живлення КР1171СП47 або його аналог PST 529.
Мікроконтролер AT 90S8515являє собою 8-розряядний високопродуктивний RISC-контролер загального призначення. Архітектуру мікроконтролера AT 90S8515зображено на рисунку 2.1.1.
Рисунок 2.1.1 – Архітектура мікроконтролера AT 90S8515
В курсовій роботі обрано контролер з сімейства Classic, яке характеризується продуктивністю до 16 мільйонів операцій в секунду, наявністю пам’яті програм FlashROM 2-8 кбайт, пам’яті даних EEPROM 64-512 байт, пам’яті даних SRAM 128-512 байт. Контролери даної сім’ї мають дещо нижчі можливості ніж інші сім’ї з точки зору периферії і обчислювальних можливостей.
Широка номенклатура AVR-мікроконтролерів дозволила обрати такий, який задовольнив всі наші потреби (див пункт 1.2 Технічні характеристики).
Високу продуктивність забезпечують:
- виконанням великої кількості команд за один тактовий цикл;
- конвеєром команд, що забезпечують одночасно з виконанням поточної команди вибірку наступної;
- потужною системою команд єдиного 16-розрядного формату;
- вбудованими апаратними пристроями.
Мале енергоспоживання забезпечують:
- СМОS-технологія;
- цілком статична роботою - від покрокового режиму до максимальної тактової частоти.
Малу вартість як на рівні вартості апаратного обладнання, так і на рівні вартості розробки і налагодження прикладних програм, забезпечують:
- Flash-пам'яттю програм, яку програмують на цільовій платі;
- можливістю вибору мікроконтролера з достатньою і відповідною кількістю функцій і вбудованої периферії.
2.2 Принцип роботи окремих ВІС з використанням часових діаграм
та алгоритмів роботи
- Конвеєрна вибірка команд мікроконтролером і виконання команд
- Вхідний тактовий сигнал (вхід OSC1) внутрішньою схемою мікро контролера ділиться на чотири неперекриваючихся такти Q1, Q2, Q3,Q4. Внутрішній лічильник команд збільшується на одиницю при кожному такті Q1, а вибірка команд із пам’яті програм на кожному такті Q4. Декодування і виконання команди виконується з такту Q1 до Q4. Цей процес показаний на рисунку 2.2.1.
Рисунок 2.2.1 - Діаграма циклів виконання команд
Цикл виконання команди складається із чотирьох тактів Q1, Q2, Q3 і Q4. Вибірка наступної команди і вико
Цикл вибірки команди починається із збільшення лічильника команд PC в такті Q1. В циклі виконання команди, код завантаженої команди, поміщається в регістр команд IR на такті Q1. Декодування і виконання команди виконується в тактах Q1, Q2 і Q4. Операнд із пам’яті даних читається в такті Q2, а результат виконання командизаписується в такті Q4.
2.3 Принцип роботи пристрою згідно схеми електричної принципової
Принципова схема пристрою зображена на рисунку 2.3.1.
Рисунок 2.3.1 – Схема електрична принципова
При натисненні на кнопку дзвоника SB1 вмикається живлення пристрою, починає роботу програма, що записана в пам’ять мікроконтролера, на виводі 39 (PA0) з’являється напруга логічної 1. Результатом цього є відкриття транзистора VT1, спрацьовує реле К1, і К1.1 блокує кнопку звоника.
Для формування коливань використовується таймер мікроконтролера і режим його роботи на переключення зовнішнього виводу PD5 (для отримання потрібної звукової частоти частоту роботи таймера потрібно збільшити у 2 рази). Сигнал, що знімають з цього виводу підсилюється транзисторомVT2VT3, в колекторну мережу якого підключено динамічну головку ВА1. Для регулювання гучності послідовно з нею модна підключити змінний резистор R5, після програвання мелодії програма записує в енергонезалежну пам’ять мікроконтролера вказівник на наступну мелодію. Високий рівень напруги на виході 39 зміняється на низький і реле розриває коло живлення до наступного натиснення на кнопку SB1.
3 Експлуатаційний розділ
3.1 Ініціалізація програмованих ВІС
Програма ініціалізації мікросхем виконує налагодження портів вводу-виводу мікросхем та встановлює параметри дільника та входів мікросхеми по яким буде виконуватися переривання. Також налагоджуються переривання по таймеру. Всі інші переривання забороняються.
Програма ініціалізації і програма тестування пристрою наведена в пункті 3.2.
3.2 Тест перевірки окремих вузлів або пристроїв
Програма за якою працює мікропроцесор мовою асемблера АТ90S8515 має наступний вигляд:
bigpause equ 100 ; задаемо значення стартової паузи
pause1 egu 15 ; значення паузи перед зміною напрямку руху
pause2 equ 50 ; задаємо час, на протязі якого планетохід буде відїжджати назад
pause2 equ 50 ; задаємо час, на протязі якого планетохід буде розвертатися
portA equ 05h ; адрес порта А
portB equ 06h ; адрес порта В
org 0h ; резервування 100 байт починаючи з адресу 0h
reset:
mov r31, 1Fh ; задаємо направлення роботи портів
out portB, r31 ; PB0, PB1, PB2, PB3, PB4 - виходи, PB5, PB6 - входи
mov r31, 61h ; виводимо в порт В код зупинки двигунів,
out portB, r31 ; і вмикаємо резистори на входах РВ5, РВ6
mov r31, bigpause ; записуэмо в регістр r31 значення великої паузи
call pause ; викликаємо підпрограму паузи
jmp start ; переходимо на мітку старт
start:
mov r31, 00000011b ; установлюємо на виході РВ1 лог. 1,
out portB, r31 ; що зумовлює ввімкнення лівого двигуна
mov r31, 00001011b ; установлюємо на виході РВ3 лог. 1,
out portB, r31 ; що зумовлює ввімкнення правого двигуна
mov r31, 00001010b ; установлюэмо на виходіРВ0 лог. 0,
out portb, r31 ; що і гасить світлодіод
scan:
in r31, portB ; читаємо стан порту В
test r31, 01000000b ; перевіряємо чи натиснута права кнопка
jz left ; якщо натиснута, переходимо на мітку left
test r31, 00100000b ; перевіряємо чи натиснута ліва кнопка
jz right ; якщо натиснута, переходимо на мітку right
jmp scan ; якщо ні одна кнопка не натиснена, повторяємо цикл перевірки стану кнопок
left:
mov r30, 63h ; записуємо в регістр r30 код повороту наліво, який буде виводиться в порт в
callstop ; визиваємо підпрограму stop
jmp start ; повертаємся на мітку start
right:
mov r30, 69h ; записуємо в регістр r30 код повороту направо, який буде виводиться в порт в
callstop ; визиваємо підпрограму stop
jmp start ; повертаємся на мітку start
; --------------------------------------------------------------------------------------------------
; підпрограма stop, задача якої - ввімкнення потрібного маневру (відїзд, повороти направо та наліво)
; --------------------------------------------------------------------------------------------------
stop proc
mov r31, 00001000b ; установлюємо на виході РВ1 лог. 0,
out portB, r31 ; що зумовлює вимкнення лівого двигуна
mov r31, 00000000b ; установлюємо на виході РВ3 лог. 0,
out portB, r31 ; що зумовлює вимкнення правого двигуна
mov r31, pause1 ; записати в регістр r31 значення паузи перед зміною направлення руху
call pause ; викликаємо підпрограму pause
mov r31, 00000100b ; встановлюємо на виході РВ2 лог. 1,
out portB, r31 ; що заставляє лівий двигун крутитися в іншу сторону
mov r31, 00010100b встановлюэмо на виході РВ4 лог. 1,
out portB, r31 ; що заставляє правий двигун крутитися в іншу сторону
mov r31, 00010101b ; встановлюэмо на виході РВ0 лог. 1,
out portB, r31 ; що запалює світлодіод
mov r31, pause2 ; записати врегістр r31 значення часу, на протязі якого планетохід буде відїжджати назад
call pause ; викликаємо підпрограму pause
mov r31, 00010101b ; встановлюємо на виході РВ2 лог. 0,
out portB, r31 ; що вимикає лівий двигун
mov r31, 00010001b встановлюэмо на виході РВ4 лог. 0,
out portB, r31 ; що вимикає правий двигун
mov r31, 00000000b встановлюэмо на виході РВ0 лог. 0,
out portB, r31 ; чим гасим світлодіод
mov r31, pause1 ; записати врегістр r31 значення часу, перед зміною напрямку руху
call pause ; викликаємо підпрограму pause
out portB, r30 ; виводим в порт В код повороту наліво чи направо
mov r31, pause3 ; записати врегістр r31 значення часу, на протязі якого планетохід буде виконувати поворот
call pause ; викликаємо підпрограму pause
out portB, r30 ; записуэмо в порт В код відповідаючий повороту направо чи наліво
mov r31, pause3 ; записати врегістр r31 значення часу, на протязі якого планетохід буде виконувати поворот
call pause ; викликаємо підпрограму pause
mov r31, 61h ; записуэмо в регістр r31 код, відповідний відключенню двигунів
out portB, r31 ; та виводимо його на порт В
mov r31, pause1 ; записати врегістр r31 значення часу, перед зміною напрямку руху
call pause ; викликаємо підпрограму pause
stop endp ; вихід із підпрограми
; ----------------------------------------------------------------
; підпрограма витримки пауз, інтервал яких задається регістром r31
; ----------------------------------------------------------------
pause proc
d3:
mov r29, FFh ; встановлюэмо регістр r29 в FFh
d2:
mov r28, FFh ; встановлюэмо регістр r28 в FFh
d1:
subr28, 1 ; віднімаємо від регістру r28 оденицю
testr28, 2
jzd1
subr29, 1 ; віднімаємо від регістру r29 оденицю
testr29, 3
jzd2
subr31, 1 ; віднімаємо від регістру r31 оденицю
testr31, 4
jzd3
pauseendp ; вихід із підпрограми
end ; завершення програми
Алгоритм роботи пристрою, користуючись яким доволі просто розібратися з основними принципами покладеними в основу роботи програми зображено на рисунку 3.2.1.
Рисунок 3.2.1 – Алгоритм роботи пристрою
3.3 Розрахунок надійності пристрою
Надійність – властивість пристрою виконувати задані функції в заданих режимах і умовах застосування, обслуговування, ремонту, збереження, транспортування на протязі необхідного інтервалу часу.
Показники надійності:
1. Безвідмовність.
2. Довговічність.
3. Ремонтопридатність.
4. Збереження.
Безвідмовність – властивість безупинно зберігати працездатність до граничного стану, після настання, якого подальша експлуатація виробу економічно недоцільна.
Ремонтопридатність – пристосованість пристрою до попередження відмовлень, до можливості виявлення та усунення несправностей шляхом проведення ремонту і технічного обслуговування.
До термінів ремонтопридатності відносяться: відмовлення, збереження.
Відмовлення – подія, що полягає в повній або частковій утраті працездатності пристрою.
Відмовлення бувають:
Раптові (катастрофічні) – стрибкоподібна зміна параметрів робочого виробу.
Поступові (параметричні) – постійна зміна одного або декількох параметрів з часом, що виходять за припустимі межі.
Збереження – термін, протягом якого при дотриманні режимів збереження виріб зберігає працездатний стан.
Розрахунок надійності поділяється на три розділи:
1.Визначення значення інтенсивності відмовлення всіх елементів за принциповою схемою вузла пристрою.
2.Визначення значення імовірності безвідмовної роботи всієї схеми.
3.Визначення середнього наробітку до першого відмовлення.
4.Виконання розрахунків проходить наступним чином:
5.1. Інтенсивність відмовлення всіх елементів визначається за формулою:
6. (3.3.1)
7.де:
8.ni
– кількість елементів у схемі;
9.l
i
– інтенсивність відмовлень і
-го елемента;
10. m
– кількість типів елементів.
11. При розрахунку також потрібно враховувати інтенсивність відмовлень через пайки радіоелементів на друкованій платі.
12. Інтенсивність відмовлень елементів розраховуємо за формулою:
13. (3.3.2)
14. де:
15. l
о
– інтенсивність відмовлень елементів у режимі номінального навантаження;
16. К
e
– експлуатаційний коефіцієнт;
17. Кр
– коефіцієнт навантаження.
18. Усі ці параметри беруться з довідника з розрахунку надійності.
19. 2. Ймовірністю безвідмовної роботи називається ймовірність того, що за певних умов експлуатації в заданому інтервалі часу не відбудеться жодного відмовлення.
20. Ймовірність безвідмовної роботи визначається за формулою:
21. (3.3.3)
22. де:
23.
-
інтенсивність відмов всіх елементів;
24. t
– час, (год).
25. За результатами розрахунків складається таблиця і графік.
26. 3. Середній наробіток до першого відмовлення – це час роботи пристрою до першої відмови.
27. Середній наробіток на відмовлення визначається за формулою:
28. (3.3.4)
29. Розрахунок надійності пристрою приведено далі.
Анотація
Завдання курсового проекту: «Розробити схему електричну принципову електричного дзвоника». При виконанні даної роботи, було розроблено електричну та структурну схему проектуємого пристрою, розраховано його надійність, складено програму ініціалізації та тестування пристрою, а також детально вивчено принципи його роботи. Всі матеріали, використані при виконанні поставленого завдання представлені у відповідних розділах даної курсової роботи.
Література
1. Якименко Ю.І. Терещенко Т.О. Сокол Є.І. «Мікропроцесорна техніка» // К.: Кондор – 2004 – 24 с.
2. Методичні вказівки щодо виконання курсової роботи.
3. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы / Под ред. С. В. Якубовского. - М. Радио и связь, 1984.
4. Самофалов К. Г., Викторов О. В., Кузняк А. К. Микропроцессоры/ К. - К.:Техника, 1986
5. Вершинин О.Е. «Применениемикропроцессоров для автоматизациитехнологическихпроцессов» // Л.: Энергоатомиздат, 1986.
6. ЕСКД ГОСТ 2.708-81 "Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники".