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
1. Техническое описание лабораторного комплекса
1.1. Назначение комплекса
Лабораторный комплекс «Микроконтроллеры и автоматизация»
(в дальнейшем изложении комплекс) предназначен для обучения студентов различных специальностей, изучающих дисциплины по автоматизации различных отраслей производства, программированию интегральных микроконтроллеров (однокристальных микроЭВМ).
Комплекс может быть использован также для обучения учащихся техникумов и слушателей отраслевых учебных центров повышения квалификации инженерно-технических работников.
Особенностью комплекса является его компактность. Он размещается в двух портфелях (чемоданах) и предназначен для проведения занятий на выезде в филиалы, учебно-консультационные пункты и т.п. учебных заведений. Персональный компьютер типа IBM, который является основным звеном лабораторного комплекса, в состав комплекса не входит. Используется компьютер, имеющийся на месте проведения занятий. Никаких вскрытий и дополнений в компьютере не требуется. Все подключения к компьютеру осуществляются через его штатные разъемы.
Комплекс рекомендуется также использовать в стационарных условиях при ограниченных площадях и недостаточном количестве компьютеров.
Комплекс предназначен для изучения программирования микроконтроллеров ATmega8535 семейства AVR, выпускаемых фирмой Atmel.
1.2. Состав комплекса
Как уже указывалось выше, основой комплекса является ПЭВМ, которая в состав стенда не входит, а используется ПЭВМ, имеющаяся на месте проведения занятий. В состав ПЭВМ входит системный блок, монитор, клавиатура, мышь.
Комплекс включает в себя следующие изделия и блоки, вывозимые на место проведения занятий:
|
– блок связи с ЭВМ (БС) |
1 шт.; |
|
– блок питания комплекса (БП) |
1 шт.; |
|
– клавиатура рабочего места |
8 шт.; |
|
– блок управления рабочего места |
8 шт.; |
|
– кабели рабочих мест |
8 шт.; |
|
– кабель сетевой блока питания |
1 шт.; |
|
– кабель «Блок питания – БС» |
1 шт.; |
|
– кабель соединительный «БС – ПЭВМ (port сом2)» |
1 шт. |
1.3. Технические данные комплекса
Масса изделий и блоков, вывозимых на место проведения
занятий, кг………………………………………………………..……… не более 22
Габаритные размеры перевозимых изделий и блоков в упакованном виде в одной упаковке, мм…..………………………………….…не более 200*600*500
Максимальная электрическая мощность, потребляемая
комплексом, Вт……………………………………………….…………не более 250
Напряжение питания комплекса, В……………………………….…….... 220
Частота напряжения питания, Гц ……………..…………………...…….…50
Максимальное удаление рабочего места от ПЭВМ, м ……..........……...... 7
Максимальное число рабочих мест ..............................……………..…........8
Тип программируемых микроконтроллеров – ATmega8535 фирмы Atmel.
Технические характеристики микроконтроллеров семейства AVR представлены в табл. 1.1, в которой приведены данные и для микроконтроллера ATmega8535.
Таблица 1.1
|
Тип прибора |
Объем памяти (организа-ция), бит |
Объем ЭСППЗУ (СОЗУ) памяти данных, байт |
Тактов. частота, МГц |
Таймеры/ счетчики, кол-во х разряд-ность |
Другие отличия |
Потребл. в активном/ пассивном Vсс=3В, f=4 МГц, мА |
Корпуса промышленного и коммерческого исполнений |
|
AT90S2313 |
2K (1Kx16) |
128x8 (128x8) |
0…10 |
1x8, 1x16 |
15 линий I/O, ШИМ, UART |
2,5/0,8 |
20PDIP, 20SOIC |
|
AT90S2323 |
2K (1Kx16) |
128x8 (128x8) |
0…10 |
1x8 |
3 линии I/O |
3,0/1,2 |
8PDIP, 8SOIC |
|
AT90S2343 |
2K (1Kx16) |
128x8 (128x8) |
0…10 |
1x8 |
5 линий I/O |
3,0/1,2 |
8PDIP, 8SOIC |
|
AT90S4414 |
4K (2Kx16) |
256x8 (256x8) |
0…8 |
1x8, 1x16 |
32 линии I/O, ШИМ, UART |
3,5/1,0 |
40PDIP, 44PLCC, 44TQFP |
|
AT90S4434 |
4K (2Kx16) |
256x8 (256x8) |
0…8 |
2x8, 1x16 |
32 линии I/O, 3 ШИМ, UART, 8х10 АЦП, аналог. компаратор |
3,0/1,2 |
40PDIP, 44PLCC, 44TQFP |
|
AT90S8535 |
8K (4Kx16) |
512x8 (512x8) |
0…8 |
2x8, 1x16 |
32 линии I/O, 3 ШИМ, UART, 8х10 АЦП, аналог. компаратор |
3,0/1,2 |
40PDIP, 44PLCC, 44TQFP |
|
ATmega8535 |
8K (4Kx16) |
512x8 (512x8) |
0…8 |
2x8, 1x16 |
32 линии I/O, 4 ШИМ, USART, 8х10 АЦП, аналог. компаратор |
3,5/1,0 |
40PDIP, 44PLCC, 44TQFP |
|
ATmega103 |
128K (64Kx16) |
4Kx8 (4Kx8) |
0…6 |
3x16 |
40 линий I/O, 3 ШИМ, USART, 8х10 АЦП, аналог. компаратор |
3,0/1,2 |
64TQFP |
|
ATmega603 |
64K (32Kx16) |
2Kx8 (4Kx8) |
0…6 |
3x16 |
40 линий I/O, 3 ШИМ, USART, 8х10 АЦП, аналог. компаратор |
3,0/1,2 |
64TQFP |
1.4. Структура комплекса и общие принципы работы
Структура комплекса с указанием связей между составляющими комплекса представлена на рис.1.1. По этому рисунку может осуществляться сборка комплекса перед проведением лабораторных работ.
Основой комплекса является ПЭВМ, включающая в свой состав системный блок, монитор мышь и клавиатуру, которой пользуется преподаватель. Как уже указывалось выше, ПЭВМ в состав перевозимого комплекса не входит, а используется ПЭВМ, имеющаяся на месте проведения занятий. Все подключения к ПЭВМ осуществляются через ее штатные разъемы.
В качестве ПЭВМ может быть использован любой компьютер, начиная от 486-ого и до самых современных компьютеров, совместимых с архитектурой IBM PC. Системный блок ПЭВМ должен включать в себя:
|
– CDROM; |
|
– дисковод для 3,5 – дюймовых дискет; |
|
– жесткий диск; |
|
– EGA, VGA или SVGA видео плату; |
|
– последовательный порт СОМ2; |
|
– параллельный порт LPT. |
Блок питания (БП) обеспечивает питание комплекса напряжением постоянного +5В. В качестве БП используется покупной блок питания ЭВМ типа IBM. Включенное состояние БП индицируется загоранием светодиода на его лицевой панели. Питание рабочих мест осуществляется от БП через БС по кабелям рабочих мест.
Рис 1.1 Структура лабораторного комплекса
Блок связи с ЭВМ обеспечивает мультиплексирование (поочередное подключение к ПЭВМ) рабочих мест и программирование микроконтроллеров на их рабочих местах. В корпусе 1 БС (рис. 1.2) располагается одна печатная плата, на которой размещены электронные компоненты мультиплексирования и связи с портом COM2 ПЭВМ.
Рис. 1.2 Блок связи с ЭВМ
На плате установлен круглый разъем 3 для подачи питания +5В на БС и десять девятиконтактных разъёмов типа DB – 9. Восемь из них (позиция 5) предназначены для подключения кабелей рабочих мест. Эти разъемы пронумерованы. Каждое рабочее место должно быть подключено к своему разъему.
Через разъем 2 осуществляется связь БС с портом COM2 ПЭВМ. Разъем 4 используется при проведении последней завершающей лабораторной работы. Эта последняя работа предусматривает управление от микроконтроллера виртуальными объектами, реализуемыми на экране монитора ПЭВМ. В данном случае для наблюдения за работой автоматизированного объекта при управлении от микроконтроллера рабочего места кабель этого рабочего места подключается к блоку связи через рассматриваемый разъём. Более подробно о виртуальных объектах будет сказано в методических указаниях по упомянутой работе.
На лицевой панели БС расположено три переключателя и четыре светодиода. Переключатель 6 выбирает номер рабочего места, в микроконтроллер которого необходимо записать программу, выводимую из ПЭВМ.
Запись программы из ПЭВМ в микроконтроллер осуществляется через последовательный порт SPI микроконтроллера. При этом требуется, чтобы на вывод RESET микроконтроллеров был подан сигнал низкого уровня. Подача этого сигнала осуществляется переключателем 9 при его постановке в положение «Запись». В этом положении на вывод RESET микроконтроллеров всех рабочих мест поступает сигнал низкого уровня, т.е. все они готовы к записи программы, но запись будет произведена лишь в тот микроконтроллер, номер которого установлен на переключателе 6. Запись программы в микроконтроллер индицируется светодиодами 10 и 11.
При вводе программы с рабочего места в ПЭВМ и при управлении виртуальным объектом переключатель 9 находится в положении «Работа». В этом случае связь рабочих мест с ПЭВМ идёт через последовательный порт USART. Индикация работы порта USART осуществляется светодиодами 7 и 8.
Переключатель 12 в положении «Управление объектом» отключает от последовательного порта USART рабочие места и подключает к нему только то рабочее мест, которое подключено к разъёму 4 «Управление виртуальным объектом».
Микроконтроллер ATmega8535 оснащен внутрисистемно программируемой Flash памятью емкостью 8 Кбайт и 512 байтами EEPROM памяти данных. В данном лабораторном комплексе предусматривается использование программирования Flash памяти в режиме низковольтного последовательного программирования. Этот режим является обычным способом загрузки программы и данных в микроконтроллер, находящийся непосредственно в системе пользователя. Число перепрограммирований Flash памяти – 1000, а EEPROM – 100000.
Комплекс рассчитан на 8 рабочих мест, но может работать с любым числом рабочих мест до указанного максимального. На каждом рабочем месте располагается клавиатура и блок управления (БУ).
Клавиатура рабочего места покупная от персональных компьютеров типа IBM. Клавиатура не претерпевает никаких переделок и подключается к БУ через свой штатный разъем.
Блок управления включает в себя две платы: плату управления и плату индикации.
На плате управления располагается тот минимум коммутационной и сигнальной аппаратуры, который необходим соответственно для подачи входных сигналов на микроконтроллер и отображения выходных сигналов микроконтроллера.
Дело в том, что каждый вариант лабораторной работы предусматривает ввод каких-либо команд с блока управления в виде нажатия – отпускания кнопок или включения – выключения тумблеров и наблюдение реакции на эти команды по загоранию – потуханию светодиодов, включению – изменению тона звукогенератора или индикации информации на семисегментных индикаторах. Например, поставлена задача: «Реализовать сложение двух чисел. При нажатии одной кнопки на индикаторах высвечивается первое слагаемое, при нажатии второй кнопки – второе слагаемое, при нажатии третьей кнопки дается команда на выполнение операции сложения. Нажатие четвертой кнопки выводит на индикацию содержимое ячейки результата как до, так и после операции сложения». В данной задаче используются четыре кнопки и индикаторы. Необходимо выбрать, какие кнопки будут использованы, т.е. определить их адреса, и разобраться с адресацией индикаторов и принципом управления ими.
Упрощенная схема блока управления представлена на рисунке 1.3. В схеме в качестве органов управления использовано пять кнопок (SB1 – SB6) и пять тумблеров (SA1 – SÀ5).
Кнопки SB1…SB5 и тумблеры SA1…SA5 подключены однотипно. При не нажатой кнопке и отключенном тумблере (нижнее положение тумблера) на соответствующие выводы микроконтроллера DD1 подаётся уровень логического нуля, а при нажатой кнопке и включенном тумблере – уровень логической единицы. В принципе неподключенный вывод микроконтроллера, используемый для ввода сигнала, воспринимается как вход, на который подан высокий уровень сигнала, соответствующий логической единице. Однако практический опыт показал, что при этом выше влияние помех и сильнее проявляется дребезг контактов. Для борьбы с влиянием дребезга контактов дополнительно на входах запросов внешнего прерывания INT0, INT1 и на входах таймеров /счетчиков T0 и T1 установлены RC цепочки на резисторах R5…R8 и конденсаторах C3…C6.
Сброс микроконтроллера осуществляется внешним сигналом. В блоке управления рабочего места эту роль выполняет кнопка SB6. При её нажатии сигнал низкого уровня подаётся на вывод RESET. При работе с комплексом для получения надежного сброса избегайте слишком кратковременных нажатий кнопки SB6 «Сброс». Эту кнопку следует удерживать в нажатом состоянии 1…3с.
При включении питания или при нажатии кнопки «Сброс» формируется прерывание по вектору $000 с наивысшим приоритетом. По этому адресу должна располагаться команда перехода rjmp к началу программы пользователя. При любом сбое в работе программы микроконтроллера прибегайте к услугам кнопки «Сброс».
Порт А микроконтроллера кроме функций восьмиразрядного двунаправленного порта ввода/вывода может выполнять альтернативную (дополнительную) к основной функции функцию аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В БУ вывод 40 микроконтроллера, соответствующий биту PA0 порта А, используется для ввода аналогового сигнала. Аналоговый сигнал с уровнем напряжения 0…+5В снимается с потенциометра (потенциометрического резистора) R3. Гнезда XS1 и XS2 служат для подключения измерительного прибора для контроля напряжения, подаваемого на вход АЦП. Резистор R4 и стабилитрон VD3 служат для защиты входа АЦП от превышения допустимого уровня напряжения на входе АЦП и от переполюсовки при несанкционированной подаче внешнего напряжения на гнезда XS1 – XS2.
Гнезда XS3 и XS4 служат для наблюдения по осциллографу сигналов RxD и TxD при работе последовательного порта USART. Резисторы R1,R2 и стабилитроны VD1, VD2 служат для защиты входов PD0(RxD) и PD1(TxD) от несанкционированной подачи напряжения на рассматриваемые гнезда.
Через вилку разъема XР5 осуществляется связь БС с ЭВМ. Через эту вилку связываются с портом COM2 ПЭВМ последовательные порты микроконтроллера SPI и USART, а также подается напряжение питания БУ.
Резонатор ZQ1 и конденсаторы C7,C8 служат для работы внутреннего генератора тактовой частоты. В БУ использован резонатор на 8 МГц. Конденсаторы C1,C2,C9,C10,C11,C12 – фильтрующие.
В качестве выходных элементов используются три светодиода (зелёный, желтый, красный) VD4…VD6, звукоизлучатель («пищалка») HA1 и два семисегментных индикатора HG1 и HG2.
Порты A,B,C и D обеспечивают при выдаче сигнала логической единицы (при выходном напряжении высокого уровня) вытекающий ток не более 3мА. Этого явно не хватает для зажигания указанных светодиодов и сегментов семисегментных индикаторов. Для возможности их зажигания установлены резисторные сборки DR1 и DR2. Рассмотрим работу светодиода VD4. При выдаче на вывод 18 микроконтроллера логического нуля светодиод VD4 шунтируется открывшимся транзистором канала PD4 порта D и потому погашен. Втекающий ток в этот транзистор ограничивается левым резистором сборки DR1. При выдаче на вывод 18 микроконтроллера логической единицы транзистор рассматриваемого канала порта закрывается и через светодиод VD4 протекает ток от источника питания +5В, ограничиваемый параллельно включенными внутренним резистором порта и левым резистором сборки DR1.
В БУ используются семисегментные индикаторы HG1 и HG2 с общим катодом. Для замыкания катодов индикаторов на общий провод служат транзисторы VT1 и VT2. Они управляются соответственно битами PB2 и PB3 порта B. Резисторы R10 и R11 обеспечивают ограничение базовых токов транзисторов соответственно VT1 и VT2. Транзисторы VT1 и VT2 при соответствующей программе обеспечивают динамическую индикацию информации на семисегментных индикаторах, т.е. вывод различной информации на оба индикатора. В этом случае поочередно зажигается то первый, то второй индикатор. При достаточно большой частоте переключений создается иллюзия одновременного непрерывного свечения индикаторов. Для зажигания информации на первом индикаторе необходимо установить в «1» бит PB2 и записать в порт C код выводимого первого символа. Затем, через некоторую программно реализуемую задержку времени, нужно сбросить бит РB2, установить в «1» бит РB3 и подать на порт C код второго выводимого символа. Через задержку времени нужно сбросить бит РB3,установить в «1» бит РB2 и так далее.
Ток звукоизлучателя HA1 ограничивается резистором R12.
При нажатии на кнопку «Сброс» БУ все выводы портов находятся в третьем состоянии. Светодиоды VD4…VD6 должны гореть, а сегменты все погашены, так как транзисторы VT1 и VT2 заперты.
Адресация входных и выходных сигналов блока управления очевидна из рис. 1.4. Например, светодиод VD4 (зеленый) имеет адрес РORTD,4, а сегмент «d» индикаторов HG1 и HG2 – PORTC,3. На лицевой панели пульта управления (рис. 1.4) рядом с каждым элементом указана его адресация. В скобках указаны позиционные обозначения элементов в принципиальной схеме блока управления (рис. 1.4). У тумблеров SA4, SA5 и кнопок SB4, SB5 в скобках дополнительно указано функциональное обозначение входов микроконтроллера, на которые воздействуют указанные тумблеры и кнопки.
На плате индикации размещается жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), переключатель режима работы и светодиод.
ЖКИ представляет собой многострочный текстовый дисплей. Он имеет четыре строки по 16 символов, встроенный знакогенератор и светодиодную подсветку. Для управления ЖКИ и клавиатурой рабочего места на плате индикации установлен микроконтроллер АTmega8535 со специально разработанной программой.
На рис. 1.4. представлен вид общий БУ. На лицевую панель в верхней части БУ выведены аппараты платы управления, в нижней части – платы индикации.
Подключение кабеля рабочего места к БУ осуществляется через разъём 1. Вращением движка потенциометра 4 обеспечивается изменение значения напряжения Uвх на входе аналогового преобразователя.
Пьезоэлектрический звукоизлучатель 5, три светодиода 6 и два семисегментных индикатора 7, как уже упоминалось выше, обеспечивают отображение выходных сигналов микроконтроллера. На рис. 1.4. на одном из индикаторов указаны обозначения сегментов, соответствующие принятым их обозначениям в принципиальной электрической схеме.
Микроконтроллер 3 установлен на плате в 40 – контактной панельке. Он в принципе может при необходимости извлекаться из БУ, но обычное его место – на плате. Программирование его осуществляется непосредственно на месте его установки.
Пять кнопок 8 и пять тумблеров 9 используются в качестве источников входных сигналов. Кнопка 2 «Сброс» обеспечивает аппаратный сброс микроконтроллера.
В нижней части БУ располагается ЖКИ 11, переключатель режима работы 12 и светодиод 10 индикации работы ЖКИ. Переключатель режима работы имеет два положения. Первое положение «Набор программы» обеспечивает связь ЖКИ с ПЭВМ. Во втором режиме «Управление объектом» ЖКИ отключается от последовательного порта ПЭВМ, а к последовательному порту ПЭВМ подключается последовательный порт USART изучаемого микроконтроллера, для управления виртуальным объектом автоматизации, воспроизводимом на экране монитора ПЭВМ.
PAGE 11