ВСТУП
Бурхливий розвиток електроніки та обчислювальної техніки виявилося передумовою широкій автоматизації найрізноманітніших процесів в промисловості, у наукових дослідженнях, у побуті. Останніми роками різко зросла вживання цифрових пристроїв, котрі з тлі аналогових займають своє місце у світі. Створення конкурентоспроможних технічних виробів на час немислимо не залучаючи вбудованих управляючих процесорів, які надають виробам "інтелектуальні" властивості.
На сьогодняшній час ряд фірм, Intel, Siemens, Philips, Atmel, AMD, Microchip та інші, випускають різноманітний асортимент цифрових пристроїв. До них належать мікропроцесори, цифро-аналогові і аналого-цифрові перетворювачі, мікросхеми пам'яті та інші девайси. Аби вирішити низки завдань часто недоцільно застосувати універсальні мікропроцесори через їх відносно високу ціну. Для цього підходять RISC-мікропроцессори, так званні мікроконтроллери. Це ті ж мікропроцесори, але мають вужчу спрямованість, на вирішення певних завдань, отже й нижчу ціну.
Сучасні мікроконтроллери мають розширену гарвардську архітектуру, достатня швидкодія, можливість простого електричного перепрограмування. Їх використовують для побудови пристроїв безпеки, дистанційного управління об'єктами, електронних ігор, домашньої автоматики, в приладах автомобільної електроніки, периферійному устаткуванні персональних ЕОМ, в автоматичному промисловому устаткуванні, медичних приладах тощо. Нерідко до мікроконтроллерів пред'являються серйозні вимоги у частині продуктивності, обмеження споживаючої потужності, низького електромагнітного випромінювання.
Тому сьогодні розробка цифрових пристроїв є дуже важливою завданням сучасної техніки. Пристрої на мікроконтроллерах є одним із най перспективніших напрямків у сучасній електроніці.
Задачею даної курсової роботи є розробка : мікропроцесорний пристрій вимірювання рівня рідинного середовища на базі однокристальної мікроЕОМ сімейства AVR фірми Atmel. Передбачена можливість підключення системи до комунікаційної мережі з інтерфейсом RS-232.
При виборі принципів роботи пристрою має сенс враховувати такі чинники:
- потреба в відображенні інформації на LCD екрані.
- потреба в передачі інформації в мережу.
- потреба в обробці інформації.
-потреба в двох каналах вимірювання.
1 Аналіз технічного завдання
Всі мікроконтролери AVR сімейства mega мають у своєму складі 16-ти розрядний таймер / лічильник T1. Він дозволяє формувати тривалі тимчасові затримки / інтервали і у нього більше число режимів роботи і переривань, ніж у 8-ми розрядних таймерів. У складі таймера / лічильника Т1 є блок захоплення, який по сигналу компаратора або сигналом на виводі ICP зберігає значення рахункового регістра TCNT1 в регістрі ICR1. Цю особливість таймера можна використовувати для вимірювання періоду сигналів, тривалості імпульсів або для ведення логу / журналу подій. Розглянемо використання переривання за подією захоплення для реалізації простого частотоміра на мікроконтролері AVR.
В даній курсовій роботі я обрав підхід заснований на перериванні за подією захоплення. Так як він найбіль підходить для реалізації данного пристрою.
Мікроконтролери AVR мають гарвардську архітектуру (програма і дані знаходяться в різних адресних просторах) і систему команд, близьку до ідеології RISC. Процесор AVR має 32 8-бітових регістра.
Управління периферійними пристроями здійснюється через адресний простір даних. Для зручності з першими 64-ма адресами периферійних пристроїв можна працювати за допомогою «скорочених» команд IN/OUT доступу до простору вводу-виводу (I/O – Input/Output). Роботу з окремими бітами периферійних пристроїв у просторі I/O забезпечують команди SBI, CBI, SBIS, SBIC. Втім, ці команди працюють лише з першими 32-ма адресами простору. До складу сімейства АVR входять мікроконтролери трьох серій: AT90 (classic AVR), ATtiny (Tiny AVR), ATtmega (Mega AVR) . В кожну серію входять мікроконтролери декількох типів. Мікроконтролери серії АТ90 (classic AVR) за своїми структурними характеристиками (периферійні пристрої, об’єм пам’яті ) схожі з мікроконтролерами сімейства АТ89 фірми Atmel та сімейства MCS-51 Intel. За своїми обчислювальними можливостями вони займають середнє положення між мікроконтролерами ATtiny і AТtmega.
Дана система побудована на основі мікроконтролера ATmega8, який належить до серії Mega AVR. Цей мікроконтролер має вбудовані таймери для відліку часу, передбачає можливість підключення системи до комунікаційної мережі з послідовним інтерфейсом RS-232 та має інші широкі можливості, які будуть описані далі .
2 Обґрунтування та розробка апаратних засобів для реалізації завдання
2.1 Принцип роботи приладу та розробка структурної схеми
Принцип роботи даного приладу полягає у тому, що мікроконтролер по черзі вимірює значення періоду імпульса та часу зсуву імпульсів. Знаючи ці значення можна легко разрахувати різницю фаз. Після чого МК виводить інформацію на LCD екран та передає в мережу.
Структурна схема даного приладу приведена на рисунку 2.1
Рисунок 2.1 – Структурна схема приладу
Розробка схеми електричної принципової та вибір елементної бази
Головним елементом даного приладу є мікроконтролер, який здійснює керування роботою всієї системи. Як вже зазначалося вище, в якості мікроконтролера пропонується взяти однокристальну мікроЕОМ Atmega8 фірми Atmel.
Цей мікроконтролер має наступні можливості: 8 кБ завантажувальної флеш-пам’яті; 1k байт пам’яті даних; 32 регістри загального призначення;
23 ліній введення-виведення загального призначення; 3 таймери-лічильники; систему зовнішніх і внутрішніх переривань; програмований універсальний послідовний порт; програмований сторожовий таймер з вбудованим генератором; SPI послідовний порт для завантаження програм; два режими низького енергоспоживання.
Сімейство побудовано з використанням архітектури Гарвардського типу - пам'ять програм та пам'ять даних фізично розділені і доступ до них відбувається по-різному.
Пам’ять програм являє собою флеш-пам’ять, об’єм якої дорівнює8 кБ. Так як більшість команд мають розмір одного 16-тирозрядного або 32-розрядного слова, то організація флеш-пам’яті програм має вигляд 1Кх16. Флеш-пам’ять може бути перепрограмована і витримує не менше 1000 циклів перезапису.
Пам’ять даних являє собою статичне ОЗП, загальний об’єм якого 1024 байт. Перших 32 комірки пам’яті ОЗП займають 32 регістри загального призначення (R0-R31). Ці регістри насправді знаходяться поза пам’яттю даних, але їх включення в єдиний адресний простір забезпечує гнучкість програмування. Наступних 64 адреси займають регістри введення-виведення. В цій області зібрані всі регістри даних, керування і статусу внутрішніх програмованих блоків введення-виведення.
Мікроконтролер Atmega8 має 512 байт електрично стираємої енергонезалежної пам’яті (EEPROM). Ця пам’ять організована, як область даних, кожний байт якої може бути зчитаний та перезаписаний. Пам’ять EEPROM витримує не менше 100000 циклів перезапису.
Арифметико-логічний пристрій (АЛП) процесора безпосередньо підключений до 32 регістрів загального призначення. АЛП підтримує 3 категорії команд: арифметичні, логічні і бітові.
В якості схеми синхронізації може використовуватися внутрішній генератор з зовнішнім кварцевим або керамічним резонатором чи зовнішній генератор. В даній схемі використовується внутрішній генератор з зовнішнім кварцевим резонатором. Максимальна тактова частота мікроконтролера дорівнює 16 МГц.
Мікроконтролер передбачає реалізацію послідовного інтерфейсу вводу-виводу. Настройки такого інтерфейсу реалізуються програмно. Послідовний введення-виведення даних здійснюється через входи RxD (PD0) та TxD (PD1) відповідно.
Лінії введення-виведення логічно розділені на 2 двонаправлені паралельних порти: порт B (8 ліній), порт D (8 ліній) і порт с (7 ліній). Кожен з виводів портів може використовуватися окремо як вхід і як вихід. Деякі лінії портів виконують також альтернативні функції.
Мікроконтролери виготовляються в стандартних корпусах типу DIP28 або TQFTP 32.
Напруга живлення мікроконтролера при тактовій частоті 10 МГц в комерційному діапазоні темперератур (від 0С до +70С) становить 4-6 В [1].
Для реалізації можливості підключення системи в комунікаційну мережу з послідовним інтерфейсом RS-232 схема повинна мати спеціальну мікросхему-адаптер сигналів стандарту RS-232 в сигнали ТТЛ-рівня і навпаки. Діапазон робочих температур для цієї мікросхеми -40°С — +85°С. Напруга живлення мікросхеми +5В.
Дані для передачі та дані, які були прийняті зберігаються в спеціальному регістрі UDR. Параметри прийому – передачі даних знаходяться в регістрі UCR. Інформація про стан UART зберігається в регістрі стану USR Швидкість передавання даних задається в регістрі UBRR.
Такий блок універсального послідовного приймача-передавача даних дозволяє використовувати дану систему разом з стандартними периферійними пристроями (послідовний порт комп’ютера, модем, дисплей). Але для перетворення сигналів стандарту RS-232 в сигнали ТТЛ-рівня в схему включаються адаптери — мікросхеми max232 (з ТТЛ в RS-232 ) і
(з RS-232 в ТТЛ) .
Схема електрична принципова приведена та перелік елементів приведено в Додатках