Областное государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Смоленская академия профессионального образования»

(ОГБПОУ «СмолАПО»)

ОТЧЕТ

по учебной практике

в рамках профессионального модуля ПМ.02 Применение микропроцессорных систем, установка и настройка периферийного оборудования

на тему:

«ПОСТРОЕНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА ARDUINO»

«Метеостанция»

Выполнил студент группы 314-К

Мостачев Дмитрий Михайлович

Подпись:____________________

«28» Ноября 2016 г.

Руководитель учебной практики:

Логунова Е.А, преподаватель

Подпись:____________________

«__» _______20__ г.

Оценка:_____________________

Смоленск 2016

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

2. Выбор и обоснование технического решения 5

2.1 Разделение функций между аппаратной и программной частями 5

2.2 Структурная схема 5

2.3 Выбор элементной базы 6

2.3.1 Выбор Резистора 7

Резисторы являются наиболее распространенными элементами радиоэлектронной аппаратуры и применяют для регулирования тока в электрических цепях. Резисторы могут быть постоянными, то есть обладать неизменным сопротивлением, и переменными, то есть такими, сопротивление которых в процессе работы можно изменять в определенных пределах. Резисторы выпускаются с определенными значениями сопротивлений в широком ассортименте от единиц Ом до десятков МОм. Для данной работы был выбран резистор номиналом 10 кОм, он более подходящий для тактовой кнопки. 7

2.3.2 Выбор микроконтроллера 7

2.3.3 Выбор отладочной платы 11

3. Функциональная схема 13

4. Разработка программного обеспечения 15

4.1 Выбор среды программирования 15

4.2 Алгоритм работы программы 16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 22

ПРИЛОЖЕНИЕ А 23

ПРИЛОЖЕНИЕ В 29

Введение

Микроконтроллеры используются во всех сферах жизнедеятельности человека, устройствах, которые окружают его. С помощью программирования микроконтроллера можно решить многие практические задачи аппаратной техники. Можно считать что микроконтроллер – это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач. Микроконтроллер помимо центрального процессора содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода: аналого-цифровые преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, таймеры реального времени, широтно-импульсные модуляторы, генераторы программируемых импульсов и т.д. Его основное назначение – использование в системах автоматического управления, встроенных в самые различные устройства: фотоаппараты, сотовые телефоны, музыкальные центры, телевизоры, видеомагнитофоны и видеокамеры, стиральные машины, микроволновые печи, системы охранной сигнализации, системы зажигания бензиновых двигателей, электроприводы локомотивов, ядерные реакторы и многое, многое другое.

Применение МК можно разделить на два этапа: первый – программирование, когда пользователь разрабатывает программу и прошивает ее непосредственно в кристалл, и второй – согласование спроектированных исполнительных устройств с запрограммированным микроконтроллером. Значительно облегчают отладку программы на первом этапе – симулятор, который наглядно моделирует работу микропроцессора.

Целью данной работы является разработка устройства, выводящее на компьютер данные о температуре и количество секунд, прошедших с момента запуска микроконтроллера.

1. Анализ технического задания

По заданию требуется спроектировать устройство, выводящее на персональный компьютер данные о температуре и количество секунд, прошедших с момента запуска микроконтроллера. Для этого необходимо выбрать элементную базу и реализовать программную часть.

Принцип работы устройства: есть термистор, мы передаем данные об измерениях температуры на компьютер (например, для последующей обработки).

Устройство рассчитано на работу внутри помещения, исходя из этого, будет подбираться элементная база, удовлетворяющая условиям работы в помещениях.

2. Выбор и обоснование технического решения

2.1 Разделение функций между аппаратной и программной частями

Аппаратная часть, представленная в виде микроконтроллера, резистора, термистора и подключенного к персональному компьютеру для получения питания.

Программная часть реализует логическую часть работы прибора. Она осуществляет вывод необходимой информации на персональный компьютер.

Для демонстрации достаточно подключить оборудование и загрузить скетч, устройство готово к работе.

2.2 Структурная схема

Для того чтобы выполнить демонстрационный вариант, демонстрирующий работу системы, в качестве основы системы мы будем использовать микроконтроллер, резистор, термистор с подключённый к персональному компьютеру.

Термистор

ПК

Arduino UNO Микроконтроллер

B

Резистор 10 кОм

Рисунок 1 – Структурная схема для задания 1 и 2

Подключаемые устройства и линии	Количество выводов / наименование портов
Резистор	1(+5V)
Термистор	1(GND,А0)

Таблица 1 – Подсчет общего количества выводов микроконтроллера для задания 1 и 2

Таким образом, 3 порта микроконтроллера задействованы.

Назначение выводов:

• GND – земля.

• +5V – питание.

• A0 – аналоговый пин.

2.3 Выбор элементной базы

Для реализации системы будут использованы следующие радиодетали:

• Термистор.

• Резистор 10 кОм.

2.3.1 Выбор Резистора

Резисторы являются наиболее распространенными элементами радиоэлектронной аппаратуры и применяют для регулирования тока в электрических цепях. Резисторы могут быть постоянными, то есть обладать неизменным сопротивлением, и переменными, то есть такими, сопротивление которых в процессе работы можно изменять в определенных пределах. Резисторы выпускаются с определенными значениями сопротивлений в широком ассортименте от единиц Ом до десятков МОм. Для данной работы был выбран резистор номиналом 10 кОм, он более подходящий для тактовой кнопки.

2.3.2 Выбор микроконтроллера

Микроконтроллер должен удовлетворять ряду требований. Микроконтроллер должен быть легко доступным для приобретения, иметь не высокую цену, быть легок в освоение, иметь встроенный датчик температуры, иметь встроенный АЦП, для преобразования аналогового сигнала снимаемого с датчика температуры в цифровой, иметь низкое энергопотребление, для повышения автономности устройства. А так же для него должна быть легко доступна среда разработки.

Таким требованиям удовлетворяет микроконтроллер со сверхнизким потреблением семейства ARDUINO.

Это последняя модель Arduino Rev3, оригинальная, произведённая в Италии. Она выполнена на базе процессора ATmega328p с тактовой частотой 16 МГц, обладает памятью 32 кб и имеет 20 контролируемых контактов ввода и вывода для взаимодействия с внешним миром.

Arduino — это открытая платформа, которая позволяет собирать всевозможные электронные устройства. Arduino будет интересен креативщикам, дизайнерам, программистам и всем пытливым умам, желающим собрать собственный гэджет. Устройства могут работать как автономно, так и в связке с компьютером. Всё зависит от идеи.

Платформа состоит из аппаратной и программной частей; обе чрезвычайно гибки и просты в использовании. Для программирования используется упрощённая версия C++, известная так же как Wiring. Разработку можно вести как с использованием бесплатной среды Arduino IDE, так и с помощью произвольного C/C++ инструментария. Поддерживаются операционные системы Windows, MacOS X и Linux.

Для программирования и общения с компьютером вам понадобитсяUSB-кабель. Для автономной работы потребуется блок питания на 7,5—12 В. Если вы новичок в конструировании электроники, рекомендуем обратить внимание на готовые наборы: «Матрёшка X», «Матрёшка Y» или «Матрёшка Z».

Питание

ArduinoUno может питаться как от USB подключения, так и от внешнего источника: батарейки или обычной электрической сети. Источник определяется автоматически.

Платформа может работать при наличии напряжения от 6 до 20 В. Однако при напряжении менее 7 В работа может быть неустойчивой, а напряжение более 12 В может привести к перегреву и повреждению. Поэтому рекомендуемый диапазон: 7−12 В.

На Arduino доступны следующие контакты для доступа к питанию:

• Vin предоставляет тот же вольтаж, что используется для питания платформы. При подключении через USB будет равен 5 В.

• 5V предоставляет 5 В вне зависимости от входного напряжения. На этом напряжении работает процессор. Максимальный допустимый ток, получаемый с этого контакта — 800 мА.

• 3.3V предоставляет 3,3 В. Максимальный допустимый ток, получаемый с этого контакта — 50 мА.

• GND — земля.

Память

Платформа оснащена 32 кб flash-памяти, 2 кб из которых отведено под так называемый bootloader. Он позволяет прошивать Arduino с обычного компьютера через USB. Эта память постоянна и не предназначена для изменения по ходу работы устройства. Её предназначение — хранение программы и сопутствующих статичных ресурсов.

Также имеется 2 кб SRAM-памяти, которые используются для хранения временных данных вроде переменных программы. По сути, это оперативная память платформы. SRAM-память очищается при обесточивании.

Ещё имеется 1 кб EEPROM-памяти для долговременного хранения данных. По своему назначению это аналог жёсткого диска для Arduino.

Ввод / вывод

На платформе расположены 14 контактов (pins), которые могут быть использованы для цифрового ввода и вывода. Какую роль исполняет каждый контакт, зависит от вашей программы. Все они работают с напряжением 5 В, и рассчитаны на ток до 40 мА. Также каждый контакт имеет встроенный, но отключённый по умолчанию резистор на 20 - 50 кОм. Некоторые контакты обладают дополнительными ролями:

• Serial: 0-й и 1-й. Используются для приёма и передачи данных по USB.

• Внешнее прерывание: 2-й и 3-й. Эти контакты могут быть настроены так, что они будут провоцировать вызов заданной функции при изменении входного сигнала.

• PWM: 3-й, 5-й, 6-й, 9-й, 10-й и 11-й. Могут являться выходами сширотно-импульсной модуляцией (pulse-widthmodulation) с 256 градациями.

• LED: 13-й. К этому контакту подключен встроенный в плату светодиод. Если на контакт выводится 5 В, светодиод зажигается; при нуле — светодиод гаснет.

Помимо контактов цифрового ввода/вывода на Arduino имеется 6 контактов аналогового ввода, каждый из которых предоставляет разрешение в 1024 градации. По умолчанию значение меряется между землёй и 5 В, однако возможно изменить верхнюю границу, подав напряжение требуемой величины на специальный контакт AREF.

Кроме этого на плате имеется входной контакт Reset. Его установка в логический ноль приводит к сбросу процессора. Это аналог кнопки Reset обычного компьютера.

Взаимодействие

ArduinoUno обладает несколькими способами общения с другими Arduino, микроконтроллерами и обычными компьютерами. Платформа позволяет установить последовательное (Serial UART TTL) соединение через контакты 0 (RX) и 1 (TX). Установленный на платформе чип ATmega16U2 транслирует это соединение через USB: на компьютере становится доступен виртуальный COM-порт. Программная часть Arduino включает утилиту, которая позволяет обмениваться текстовыми сообщениями по этому каналу.

Встроенные в плату светодиоды RX и TX светятся, когда идёт передача данных между чипом ATmega162U и USB компьютера.

Отдельная библиотека позволяет организовать последовательное соединение с использованием любых других контактов, не ограничиваясь штатными 0-м и 1-м.

С помощью отдельных плат расширения становится возможной организация других способов взаимодействия, таких как ethernet-сеть, радиоканал, Wi-Fi.

Защита USB

ArduinoUno обладает предохранителем, защищающим USB-порты вашего компьютера от перенапряжения и коротких замыканий. Хотя большинство компьютеров обладают собственными средствами защиты, предохранитель даёт дополнительную уверенность. Он разрывает соединение, если на USB-порт подаётся более 500 мА, и восстанавливает его после нормализации ситуации.

Габариты

Размер платы составляет 6,9 × 5,3 см. Гнёзда для внешнего питания и USB выступают на пару миллиметров за обозначенные границы. На плате предусмотрены места для крепления на шурупы или винты. Расстояние между контактами составляет 0,1″ (2,54 мм), но в случае 7-го и 8-го контакта — расстояние: 0,16″.

Рисунок 2 – Электрическая схема микроконтроллера Arduino UNO