Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2. Розрахунок електричної принципової схеми
2.1 Вибір елементної бази
Вибір мікроконтролера
У даній задачі буде використовуватися мікроконтролер ATmega48 від фірми Atmel.
Загальні відомості про мікроконтролері ATmega48
ATmega48 - інтегральна 8-бітна система збору інформації, що включає в себе прецизійний багатоканальний АЦП, 32 8-и бітні робочі регістри загального призначення, 2 8-бітні таймери. MCU має продуктивність 8 MIPS при тактовій часторі 8 МГц. Повністю статична архітектура.
Енергонезалежна пам’ять програм і даних. 512к вбудованої SRAM пам’яті. Діапазон напруг від 2,7 до 5,5 В. тактовий діапазон 0..8 МГц. Наднизьке споживання енергії
На рис. 2.1 наводиться функціональна блок схема використовуваного мікроконтролера.
Рис. 2.1 - Функціональна блок схема
На рис. 2.2 наводиться зовнішній вигляд корпусу мікроконтролера ATmega48 .
Рис. 2.2 - Зовнішній вигляд корпусу ATmega48
У таблиці 2.1 наведено розташування контактів контролера ATmega48 .
Таблиця 2.1 - Розташування контактів ATmega48
|
№ |
Найменування |
№ |
Найменування |
№ |
Найменування |
№ |
Найменування |
|
1 |
P1.0ADC0/T2 |
15 |
P1.7/ADC7 |
28 |
SDATA/MOSI |
41 |
P0.1/AD1 |
|
2 |
P1.1ADC1/T2EX |
16 |
RESET |
29 |
P2.0/A8/A16 |
42 |
P0.2/AD2 |
|
3 |
P1.2/ADC2 |
17 |
P3.0/RxD |
30 |
P2.1/A9/A17 |
43 |
P0.3/AD3 |
|
4 |
P1.3/ADC3 |
18 |
P3.1/TxD |
31 |
P2.2/A10/A18 |
44 |
DGND |
|
5 |
AVdd |
19 |
P3.2/INT0 |
32 |
P2.3/A11/A19 |
45 |
DVdd |
|
6 |
AGND |
20 |
P3.3/INT1/MISO |
33 |
XTAL1 (in) |
46 |
P0.4/AD4 |
|
8 |
Cref |
21 |
DVdd |
34 |
XTAL2 (out) |
47 |
P0.5/AD5 |
|
9 |
Vref |
22 |
DGND |
35 |
P2.4/A12/A20 |
48 |
P0.6/AD6 |
|
10 |
DAC0 |
23 |
P3.4/T0 |
36 |
P2.5/A13/A21 |
49 |
P0.7/AD7 |
|
11 |
DAC1 |
24 |
P3.5/T1/CONV |
37 |
P2.6/A14/A22 |
50 |
PSEN/ |
|
12 |
P1.4/ADC4 |
25 |
P3.6/WR |
38 |
P2.7/A15/A23 |
51 |
EA//Vpp |
|
13 |
P1.5/ADC5/SS |
26 |
P3.7/RD |
39 |
ALE |
||
|
14 |
P1.6/ADC6 |
27 |
SCLOCK |
40 |
P0.0/AD0 |
Використання пам'яті даних
Пам'ять даних користувача складається з 640 байт, які складають 160 (від 00Н до 9FН) чотирьох байтові сторінок, як показано на рис. 2.3. Як і для іншої периферії, доступ до цієї пам'яті здійснюється через SFR регістри. Група з 4-х регістрів (EDATA1-4) використовується для зберігання даних чотирьох байт сторінки з останнього звернення. EADRL використовується для зберігання адреси сторінки, куди буде здійснюватися доступ. І, нарешті, ECON - 8-розрядний регістр управління, в який записується одна з п'яти команд управління доступом до пам'яті, що допускають різні операції читання, запису, стирання та верифікації. Блок-схема реєстрового інтерфейсу до пам'яті показана на рис. 2.4.
Рис. 2.3 - Конфігурація FLASH / EE пам'яті користувача
Рис. 2.4 - Управління FLASH / EE пам'яттю користувача
Для управління пам'яттю використовується регістр ECON, який є інтерпретатором команд і в нього можна записати одну з п'яти читання, програмування і стирання, як зазначено в таблиці 2.2.
Таблиця 2.2 - Регістр керування пам'яттю ECON
|
Байт керування |
Команда |
|
01H |
Команда зчитування. Результати заносяться в регістри EDATA 1-4 з сторінок, адреса котрих міститься в EADRL. |
|
02H |
Команда запису. Дані, які містяться в 4-х байтах (EDATA 1-4) записуються в адресу, вказану в EADRL. Мається на увазі, що відмічена для запису сторінка заздалегідь стерта. |
|
03H |
Резервна команда. Не використовувати. |
|
04H |
Команда верифікації. Дозволяє користувачу провірити дані, які містяться в EDATA 1-4 з вже записаними по адресі вказівниками EADRL. Наступне читання ECON SFR дає нуль, якщо перевірка пройшла успішно і не нуль, в протилежному випадку. |
|
05H |
Команда стирання. Призводить до стирання сторінки, адреса якої вказана в EADRL. |
|
06H |
Команда стирати все. Призводить до стирання всієї пам’яті користувача (640 байт). |
|
07H…FFH |
Резервні команди. Зарезервувати для подальшого використання. |
При використанні дана пам'ять може бути запрограмована в складі системи побайтно, при цьому, вона попередньо повинна бути стерта сторінковими блоками. Типовий цикл доступу до FLASH / EE пам'яті включає в себе установку адреси сторінки доступу EADRL SFR, запис даних для програмування в EDATA 1-4 (в разі читання - не записуються) і, нарешті, запис команди в ECON, що ініціює дію у відповідність з таблицею 2.2.Следует відзначити, що заданий режим роботи ініціюється по запису слова команди в ECON SFR. При цьому мікропроцесорне ядро переходить в холостий режим і знаходиться там до тих пір, поки виконання команди не завершиться. На практиці це означає, що навіть якщо режим роботи з FLASH / EE пам'яттю ініціюється двома машинними циклами (інструкція MOV для запису в ECON SFR), наступна інструкція буде виконана тільки після закінчення циклу обслуговування FLASH / EE пам'яті (тобто через 250 мкс або 20 мс). Це означає, що ядро не буде обслуговувати запити на переривання до тих пір, поки операція з FLASH / EE пам'яттю не завершиться, хоча функції управління ядра периферією буде виконуватися, як, наприклад, продовження відліку часу / подій Лічильниками / таймер на протязі всього псевдохолостого режиму .
Для програмування одного байта в FLASH / EE пам'яті необхідно щоб спочатку цей байт був стертий, тобто в комірці записано FFH. Внаслідок особливості архітектури FLASH / EE пам'яті, стирання можна робити тільки для 1 сторінки (мінімум 4-байта) при ініціюванні Команди стирання.
Приклад процесу побайтно програмування графічно показаний на рис. 2.5. У цьому прикладі в другій байт на сторінці 03Н користувальницької FLASH / EE пам'яті записується код F3H. Однак сторінка 03Н вже містить дані в чотирьох байтах, а користувачеві потрібно змінити тільки вміст одного байта; всю сторінку слід спочатку прочитати з тим, щоб можна було стерти вміст цієї сторінки без втрати даних. Потім новий байт записується в EDATA SFR слідом за циклом стирання. Якщо спробувати почати цикл Програмування (ECON = 02H), не виконуючи циклу стирання (ECON = 05H), то в цьому випадку будуть модифіковані лише ті розряди, які містять одиниці, тобто для правильного запису масиву необхідно виконати його попереднє стирання. Слід зазначити, що цикли стирання сторінки і всієї пам'яті мають однакову тривалість - 20 мс.
Рис. 2.5 - Приклад програмування байта пам'яті користувача
Використання переривань
ATmega48 забезпечує вісім джерел і два рівні переривань. У таблиці 2.3 приводяться адреси векторів переривань і рівні пріоритетів.
Таблиця 2.3 - Адреси векторів переривань
|
Переривання |
Найменування джерела переривання |
Адреса вектора |
Рівень пріоритету |
|
PSMI |
Монітор джерела живлення |
43H |
1 |
|
IE0 |
Зовнішнє переривання INT0/ |
03H |
2 |
|
ADCI |
Кінець перетворень АЦП |
33H |
3 |
|
TF0 |
Переповнення таймера 0 |
0BH |
4 |
|
IE1 |
Зовнішнє переривання INT1/ |
13H |
5 |
|
TF1 |
Переповнення таймера 1 |
1BH |
6 |
|
12CI/ISPI |
Переривання послідовного інтерфейсу |
3BH |
7 |
|
RI/TI |
Переривання асинхронного інтерфейсу UART |
23H |
8 |
|
TF2/EXF2 |
Переривання від таймера 2 |
2BH |
9 |
Для обробки будь-якого з переривань слід зробити наступні три дії:
1. Розташувати процедуру обслуговування переривання за адресою відповідного переривання.
2. Встановити біт дозволу всіх переривань (ЕА) «1» в регістрі IE SFR.
3. Встановити біт дозволу індивідуального переривання в «1» в IE або IE2 SFR.
Для дозволу і установки пріоритету різних переривань використовуються три регістра SFR.
Лічильник тимчасових інтервалів TIC
Важливою особливістю приладу є наявність лічильника тимчасових інтервалів (TIC), що дозволяє відлічувати тимчасові інтервали більші, ніж здатні стандартні таймери - тривалістю до 255 годин. Спрощена схема TIC представлена на рис. 2.6.
Робота з TIC здійснюється за допомогою наступних регістрів:
TIMECON - регістр управління TIC (призначення бітів TIMECON і набір режимів роботи представлені в таблиці 2.4);
INTVAL - регістр користувальницького тимчасового інтервалу;
HTHSEC - регістр сотих часток секунди (інкрементуєтся через кожну 1/128 секунди, після значення 127 скидається, інкрементує регістр SEC);
SEC - регістр секунд (після значення 59 скидається, інкрементує регістр MIN);
MIN - регістр хвилин (після значення 59 скидається, інкрементує регістр HR);
HOUR - регістр годин (скидається на 0 після значення 23 або 255 - в залежності від режиму роботи).
Рис. 2.6 - Спрощена схема TIC
Таблиця 2.4-Призначення бітів TIMECON
|
№ біту |
позначення |
призначення |
|
7 |
-- |
Зарезервований |
|
6 |
TFH |
Біт вибору 24-годинного режиму (Twenty-Four Hour Select Bit). Якщо встановлено - регістр HOUR скидається після значення 23, інакше - після значення 255. |
|
5-4 |
TS1, TS0 |
Біти вибору одиниць виміру інтервалів (Interval Timebase Selection Bits). Визначають частоту оновлення 8-бітного лічильника тимчасових інтервалів. TS1 TS0 0 0 1/128 секунди 0 1 секунди 1 0 хвилини 1 1 години |
|
3 |
STI |
Біт одиничного тимчасового інтервалу (Single Time Interval Bit). Встановлює режим одиничного тимчасового інтервалу, коли біт TIEN скидається при першому тайм – ауті. |
|
2 |
TII |
Біт переривання TIC (TIC Interrupt Bit). Встановлюється коли значення 8-бітного лічильника тимчасових інтервалів збігається з INTVAL. |
|
1 |
TIEN |
Біт включення 8-бітного лічильника тимчасових інтервалів (Time Interval Enable Bit). |
|
0 |
TCEN |
Біт включення таймера (Time Clock Enable Bit). |
Вибір датчика вологості
В даний час на практиці для вимірювання відносної вологості застосовується декілька технологій, які використовують властивість різних структур змінювати свої фізичні параметри (ємність, опір, провідність і температуру) в залежності від ступеня насичення водяною парою. Кожній з цих технологій властиві певні достоїнства і недоліки (точність, довготривала стабільність, час перетворення і т.д.).
Серед усіх типів ємнісні датчики, завдяки повному діапазону вимірювання, високої точності та температурної стабільності, набули найбільшого поширення, як для вимірювання вологості навколишнього повітря, так і застосування у виробничих процесах.
Компанія Honeywell виробляє сімейство ємнісних датчиків вологості, застосовуючи метод багатошарової структури (рис. 2.8), утвореною двома плоскими платиновими обкладками і діелектричним термореактивним полімером, що заповнює простір між ними. Термореактивний полімер, в порівнянні з термореактивною пластмасою, забезпечує датчику більш широкий діапазон робочих температур і високу хімічну стійкість до таких агресивних рідин та їх парам, як ізопропіл, бензин, толуол і аміак. На додаток до цього датчики на основі термореактивного полімеру мають найбільший термін служби в етіленоксідних стерилізаційних процесах.
Рис. 2.8 Метод багатошарової структури, застосовуваний при виготовленні датчиків вологості
У процесі роботи водяна пара проникає через верхню пористу обкладку конденсатора (рис. 2.8) і врівноважується з навколишнім газом. Одночасно ця обкладка захищає електричні процеси, що протікають в полімерному шарі, від зовнішніх фізичних впливів (світла і електромагнітного випромінювання). Шар полімеру, що покриває пористий платиновий електрод зверху, служить захистом конденсатора від пилу, бруду і масел. Така потужна фільтраційна система, з одного боку, забезпечує датчику тривалу безперебійну роботу в умовах сильної забрудненості навколишнього середовища, з іншого - знижує час відгуку.
Вихідний сигнал будь-якого (ємнісного чи резистивного) абсорбційного датчика вологості являє собою функцію від температури і вологості, тому для отримання високої точності вимірювання в широкому діапазоні робочих температур потрібно температурна компенсація характеристики перетворення. Компенсація особливо необхідна, коли датчик використовується в індустріальному обладнанні для виміру вологості та точки роси. Саме для цих цілей деякі моделі датчиків Honeywell мають вбудований платиновий терморезистор опором 1000 Ом, який розташований зі зворотного боку підкладки (рис. 2.9).
Рис. 2.9 Структура датчика вологості з вбудованим платиновим датчиком температури
Датчики вологості Honeywell - це інтегровані прилади. Крім чутливого елемента і термосенсори, на тій же підкладці розташована схема обробки сигналу, яка забезпечує перетворення сигналу, його підсилення і лінеаризацію. Вихідний сигнал датчика Honeywell є функцією від напруги живлення, температури і вологості. Чим вище напруга живлення, тим більше розмах вихідного сигналу і, відповідно, чутливість. Зв'язок же між виміряною датчиком вологістю, істинної вологістю і температурою показана на об'ємній діаграмі (рис. 2.10).
Рис. 2. 10 Зв'язок між виміряною датчиком вологістю, істинної вологістю і температурою
Вона легко апроксимується за допомогою комбінації двох виразів:
Пряма найкращої відповідності при 25 ° C (жирна лінія на діаграмі), описується виразом Uвых = Uпит(0,0062 · (%RH25) + 0,16). З цього рівняння визначається відсоток RH25 при температурі 25 ° C.
Далі виробляється температурна корекція і обчислюється істинне значення RH: RHистинная = (%RH25) · (1, 0546 - 0,00216T), де T вимірюється в ° C.
Вирази вище відповідають характеристикам реальних датчиків з наступними відхиленнями:
±1,0% - для Токр > 20° C;
±2,0% - для 10°C < Tокр < 20°C
±5,0% - для Tокр < 10°C
Рис. 2.11 Характеристики перетворення датчика вологості Honeywell при різних температурах
Особливості застосування датчиків серії HIH-4000
Для роботи в суворих кліматичних умовах і найбільш точного визначення значення вологості поблизу точки роси фірма Honeywell випускає серію HIH-4000з модифікаціями. Датчики випускаються в корпусі ТЕ-5, в який вбудований датчик температури, для моделі HIH-4000-A це NTC термістор номіналом 100кОм, для HIH-4000-С платиновий датчик температури номіналом 1кОм. Можливі ситуації, коли при високому значенні відносної вологості (більш 95%) при зниженні температури можлива конденсація пари води, що тягне за собою «залипання» показань на рівні 100% відносної вологості. Для запобігання цього випадку в датчиках серії HIH-4000 передбачений гідрофобний фільтр, виконаний з спеціально обробленої нержавіючої сталі. Вивести и з «сплячого» стану також допомагає подача на датчик кілька підвищеної напруги живлення, проте при цьому можливо деяке зміщення калібрування на 2 ... 3%. Сама по собі конденсація і подальше випаровування вологи не робить впливу на калібрування датчиків.
Основні переваги серії HIH-4000
- Наявність вбудованого датчика температури
- Корпус з гідрофобним фільтром
- Кожен датчик забезпечений паспортом з індивідуальними даними
- Лазерна підгонка елементів
- Висока стійкість до дії хімічних речовин (крім парів ацетону або етанолу).
Виберемо датчик HIH-4000-L.
Таблиця 2.9 Технічні характеристики.
|
Параметр |
Умови |
|
RH точність |
±2% RH, 0-100% RH без конденсату, 25°С, V = 5 VDC |
|
RH взаємозамінність |
±5% RH, 0-60% RH, ±8%; 90% RH типовий |
|
RH лінійність |
±0,5% RH типовий |
|
RH гістерезис |
±1,2% RH пролітний максимум |
|
RH стабільність |
±0,5% RH |
|
RH час реакції |
30 секунд в сповільненні повітря при 25°С |
|
RH стабільність |
±1% RH типовий при 50% RH в 5 роках |
|
Вимоги до живл. Напруга живл. Струм живл. |
Від 4 до 5,8 VDC, при 5 VDC – калібрування 200 мА при 5 VDC |
|
Вихідна напруга V = 5 VDC Межі диску |
0,0062 + 0,16, при типовій 25°С |
|
Компенсація температури |
RH = (Датчик RH)(1,093-0,0012 Т), Т в °F RH = (Датчик RH)(1,0546-0,00216 Т), Т в °С |
|
Межі відносної вологості операційний зберігання |
Від 0 до100% RH, без конденсату Від 0 до 90% RH, без конденсату |
|
Межі температури операційний зберігання |
-40°С до 85°С -40°С до 125°С |
|
Контейнер |
Шість штифт ТО-39 з прорізами під нікельну кришку |
|
Обробка |
Чутлива до статичної взаємодії, діод захищає до 15 кВ максимум |
Вибір індикатора
У даній задачі для виведення інформації буде достатньо, щоб ЖК екран дозволяв вивести до 8 символів. Таким вимоги задовольняє алфавітно-цифровий РК екран виробництва фірми Hitachi Semiconductor, розміром 8х1 символ. Розмір кожного символу 5х10 пікселів.
На рис. 2.12пріводятся розміри екрану і символів.
Рис. 2.12 - Розміри екрану і символів
У таблиці 2.10 наведені призначення висновків РК екрану HDM 08111H-L.
Таблиця 2.10
|
Призначення виводів |
||
|
№ виводів |
Назва |
Функція |
|
1 |
Vss |
Загальний (GND) |
|
2 |
Vdd |
Напруга живлення |
|
3 |
Vo |
Контрастність |
|
4 |
RS |
Команди/Данні |
|
5 |
R/W |
Читання/Запис |
|
6 |
E |
Вибір модуля |
|
7 |
DB0 |
Лінія даних 0 |
|
8 |
DB1 |
Лінія даних 1 |
|
9 |
DB2 |
Лінія даних 2 |
|
10 |
DB3 |
Лінія даних 3 |
|
11 |
DB4 |
Лінія даних 4 |
|
12 |
DB5 |
Лінія даних 5 |
|
13 |
DB6 |
Лінія даних 6 |
|
14 |
DB7 |
Лінія даних 7 |
Для підсвічування даного екрану буде використана світлодіодне підсвічування зеленого кольору. Даний тип підсвічування довговічний - напрацювання до 50000 годин, не вимагає інвертора напруги. Робочий діапазон температур від-30С до +70 С.
2.2. Опис електричної принципової схеми
В додатку А представлена електрична принципова схема вимірювача вологості. Її принципова відмінність від структурної схеми, представленої раніше, полягає в тому, що на даному етапі вже вибраний мікроконтролер, датчики та РК дисплей.
В даному курсовому проекті був обраний мікроконтролер ATmega48 фірми Atmel. Даний мікроконтролер задовольняє наступним вимогам:
наявність вбудованого АЦП,
висока надійність,
високий ступінь мініатюризації,
працездатність у жорстких умовах експлуатації,
достатня продуктивність для виконання всіх необхідних функцій.
Датчик вологості у вигляді HIH-4000.
Для відображення багатосимвольної інформації використовується РК – дисплей, який буде обмінюватися інформацією через порт P2, а управління передачею буде проводиться використовуючи 3 виходи в порту P3.
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
9
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
.
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
10
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
докум.
Підпис
Дата
Арк.
11
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
12
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
13
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
14
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
15
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
16
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
17
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
18
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
19
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
20
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
21
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
22
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
23
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
24
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ
Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
25
ЕПП.ДЕ0114.001ПЗ