Схема електрична принципова Луноходу з мікроконтролерним управлінням

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

РОМЕНСЬКИЙ КОЛЕДЖ

ДЕРЖАВНОГО ВИЩОГО НАВЧАЛЬНОГО ЗАКЛАДУ

"КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ЕКОНОМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВАДИМА ГЕТЬМАНА"

Спеціальність: 5.091 504 "Обслуговування комп’ютерних та

інтелектуальних систем та мереж"

КУРСОВА РОБОТА

З предмету: "Мікропроцесорні системи"

Тема: "Розробити схему електричну принципову

„Луноходу” з мікроконтролерним управлінням"

Перевірив: Виконав:

викладач ст. групи К-3-2

Шокота Т.А. Підопригора В.

Ромни 2007

Зміст

Вступ. 3

1. Загальний розділ. 5

1.1. Призначення проектуємого пристрою.. 5

1.2. Технічні характеристики. 6

1.3. Розробка і обґрунтування схеми електричної структурної8

2. Спеціальний розділ. 10

2.1. Вибір і обґрунтування елементної бази. 10

2.2. Принцип роботи окремих ВС з використанням часових діаграм.. 10

2.3. Принцип роботи пристрою згідно схеми електричної принципової13

3. Експлуатаційний розділ. 15

3.1. Ініціалізація програмуємих ВІС.. 15

3.2. Тест перевірки окремих вузлів або пристроїв. 15

3.3. Розрахунок надійності пристрою.. 19

4. Анотація. 22

Література. 23

Вступ

Розвиток мікропроцесорної техніки почалося порівняно недавно. Перше повідомлення про розробку мікропроцесора 1-4004 опублікувала фірма Іпtel у 1971 р.

Створення мікропроцесора (МП) було наслідком розвитку й удосконалювання технології виробництва інтегральних схем. Підвищення ступеня інтеграції мікросхем привело до закономірного поступового переходу до нового етапу в розвитку обчислювальній техніці реалізацій архітектури ЕОМ на одній інтегральній схемі.

Здатність до програмування послідовності виконуваних функцій, тобто здатність працювати по заданій програмі, є основною відмінністю МП від елементів "твердої" логіки (інтегральних схем малого і середнього ступеня інтеграції). Крім фізичної структури мікропроцесора, названої апаратними засобами, на виконуваний їм алгоритм впливають програмні засоби, тобто послідовність команд і даних, записаних у запам'ятовуючому пристрої. У загальному вигляді апаратні засоби мікропроцесора повторюють структуру процесора ЕОМ і включають: арифметико-логічний пристрій, пристрій керування і декілька робочих регістрів. Мікропроцесор може складатися з однієї чи декількох інтегральних схем, розподілених за принципом виконуваних функцій.

Таким чином, мікропроцесор - це програмно-керований пристрій що здійснює процес обробки інформації, керування нею, побудований на одній чи декількох великих інтегральних схемах (ВІС).

В даний час мікропроцесори і виготовлені на їхній базі Мікро ЕОМ присутні практично у всіх областях діяльності людини.

Мікро ЕОМ керують космічними кораблями, військовою технікою, промисловими роботами, побутовими пристроями, підтримують погрібну температуру в інкубаторах, роблять "інтелектуальними" засоби контролю і вимірювань, забезпечують комфорт пасажирів транспорту і виконують велику кількість інших функцій. Мікропроцесори різко підняли продуктивність інженерної праці за рахунок застосування створених на їхній основі автоматизованих робочих місць (АРМ). Широко використовуються МП у медицині, наприклад при діагностуванні хворих, керуванні медичною апаратурою і штучними органами. Величезне поширення одержали МП при створенні різних ігор і атракціонів. Швидко ростуть темпи виробництва персональних комп’ютерів.

1. Загальний розділ

1.1. Призначення проектуємого пристрою

Основні скорочення, що використовуються в курсовому проекті:

АРМ-автоматизовані робочі місця;

ІЧ-інфрачервоний зв'язок;

МК-мікроконтролер;

ЕОМ - електронно-обчислювальна машина

МПК - мікропроцесорний комплект

ЦАП - цифро-аналоговий перетворювач

АЦП - аналогово-цифровий перетворювач

ЧЦП - частотно-цифровий перетворювач

ВІС - великі інтегральні схеми

НВІС - надвеликі інтегральні схеми

ІС - інтегральна схема

Проектуємий пристрій було створено для демонстрації можливостей програмно-апаратних комплексів управління рухомими об'єктами.

В якості об’єкта була приведена дитяча іграшка „Лунохід” з пультом дистанційного керування, що використовує для руху 2 електродвигунами постійної напруги і дозволяє керувати кожним із них по-одному. При включенні напруги живлення модель починає рухатися в перед. Одночасно вмикаються вмонтовані в модель передавач і приймач імпульсного ІЧ випромінювання. Рух продовжується до тих пір, доки інтенсивність відображеного сигналу ІЧ сигналу не переважить до встановленого порога, що свідчить про наявність перешкод на шляху. Як тільки це відбудеться, модель змінює напрям руху до тих пір, доки відображення сигналу не стане нижче цього порога, після цього продовжує рух. Модель „Лунохід” заснована на мікроконтролерному управлінні.

1.2. Технічні характеристики

Для правильного використання будь-якої мікросхеми, а особливо такої складної, як мікроконтролер, надзвичайно важливо правильно безпомилково обрати мікросхему, так, щоб вона нам підходила за технічними характеристиками. В цьому розділі докладно викладено технічні дані про мікроконтролер АТ90S2313. Параметри інших мікроконтролерів цієї серії дуже близькі до вказаних.

Параметри мікроконтролера

Характеристика постійної напруги

Параметри зовнішнього тактового сигналу

Варіанти виконання мікроконтролера

1.3. Розробка і обґрунтування схеми електричної структурної

Структурна схема з мікроконтролерним управлінням приведена на рисунку 1.3.1.

Схема складається з 6 блоків:

Рисунок 1.3.1. - Структурна схема пристрою

Структурна схема проектуємого пристрою містить:

Батарея;

ІЧ-передавач;

ІЧ-приймач;

Ключі;

МК.

Батарея - це пристрій який подає напругу на пристрої які потребують живлення.

ІЧ-Предавач-це пристрій який побудований таким чином щоб передавати інфрачервоні імпульси.

ІЧ-Приймач-це пристрій який повинен приймати інфрачервоні імпульси.

Ключі – це пристрій який дозволяє або забороняє передачу даних які поступають з приймача.

Мікроконтролер - керований пристрій, виконаний на одному чи кількох кристалах, функціями якого є логічний аналіз і керування.

2. Спеціальний розділ

2.1. Вибір і обґрунтування елементної бази

В схемі проектованого мною пристрою використано МК AT90S2313, технічні характеристики якого вказано у розділі 1.2, в схемі також є кварцовий резонатор з частотою 5 МГц, але можна використовувати будь-який інший до 10 МГц.

Для захисту виходу порту мікроконтролера від пошкоджень у випадку пробою польового транзистора VT3 (КП130Е) використано опір R7 (1 кОм) для обмеження струму через еміттерний перехід.

Синхронний детектор виконано на польовому транзисторі VT3 (КП 130Е), його використання обумовлене тим, що під час роботи локатора на резисторі R3 створюється не лише коливання частотою біля 1220 Гц, а й пульсації частотою 100 Гц від ламп накалювання та інші випадкові перешкоди, як в видимому так і в інфрачервоному діапазоні, що могло б призвести до хибного спрацювання, так як рівень таких перешкод може бути рівновеликим з рівнем відбитого робочого сигналу інфрачервоного випромінювання.

Спочатку в моделі було застосовано двигуни з великим споживаним струмом (біля 600 мА), але вини були джерелом інтенсивних імпульсних перешкод. Їх прийшлося замінити на біль економічні, такі що створюють значно менші перешкоди, двигуни ДПБ-902. Можливе використання і інших колекторних двигунів від магнітофонів і магнітол.

2.2. Принцип роботи окремих ВС з використанням часових діаграм

В даному розділі курсового проекту детально описано режимі адресації МК AT90S1200. Дані, над якими виконують операції знаходяться в регістрі r (Rr) іd(Rd).

Пряма регістрова адресація з двома регістрами – Rr і Rd.

Дані, над якими виконують операції знаходяться в регістрі r (Rr) іd(Rd). Результат операції зберігається у регістрі d(Rd).

Рисунок 2.2.1. – Пряма регістрова адресація з одним регістром

Рисунок 2.2.2. – Пряма регістрова адресація з двома регістрами

Схема прямої адресації до області вводу/виводу даних зображена на рисунку 2.2.3. На рисунку п – адреса регістру, використаного в операції, який знаходиться безпосередньо в коді команди, в бітах 0…5.

Рисунок 2.2.3. - Пряма адресація до області вводу/виводу

Схема прямої адресації до пам’яті даних зображена на рисунку 2.2.4.

16-розрядна адреса чарунки пам’яті знаходиться в коді команди, яка складається з двох слів. Rr/Rd визначає регістр, який використовується при роботі з пам’яттю даних.

Схема непрямої адресації до пам’яті даних зі здвигом зображена на рисунку 2.2.4. Адреса операнда визначається як сума вмісту Z або Y регістра і біт 0…5 коду команди.

Рисунок 2.2.4. – Схема непрямої адресації до пам’яті даних зі здвигом

Схема непрямої адресації до пам’яті даних зображена на рисунку 2.2.5. Адреса операнда знаходиться в Х-, Y-, або Z-регістрі.

Рисунок 2.2.5. - Схема непрямої адресації до пам’яті даних.

2.3. Принцип роботи пристрою згідно схеми електричної принципової

На основі цієї схеми лежить економічний восьмибітний КМОП мікроконтролер (МК) АТ90S2313, налаштований з використанням розширеної архітектури AVR. Тактову частоту задає кварцевий резонатор ZQ1 на частоту 5 мГц (вона може досягати до 10 мГц). Ланцюг из резистора R13 и конденсатора С12 служать для онулення МК в момент ввімкнення живлення. Рознімання Х1 призначене для швидкого з'єднання и розєднання МК і решти пристроїв, а також для підключенняМК до комп'ютера з метою оновлення програми або діагностики роботи.

Крім мікроконтролера, прилад має імпульсний передавач ІЧ випромінювання (VT4,VD2), приймач захищений від перешкод випромінювання, складається із світлодіода VD1, Двокаскадного підсилювача (VT1, VT2) і синхронного детектора (VT3), і чотирьох електронних ключів (1 VT1-1 VT3,...,4 VT1-4 VT3). Живеться пристрій від батареї, складається з чотирьох акумуляторів з ємністю 1500 мА. ч, які встановлюються в передбачений модельний відсік. Напруга живлення мікроконтролера і приймача ІЧ випромінювання підтримується незмінною мікросхемним стабілізатором напруги DА1.

В процесі роботи з виходу порту РD0 на базу транзистора VT4 послідовно надходять імпульси з частотою приблизно 1220Гц. В результаті він періодично відкривається, ввімкнений в її колекторний ланцюг світлодіод VT2 і створює в напрямі руху моделі пульсуюче з вказаною частотою ІЧ випромінювання. Резистор R7 обмежує напругу через емітерний перехід транзистора і захищає вихід порта МК від пошкодження при пробої цього переходу. Максимальну напруга через світлодіод обмежує резисто R9.

Відображена перешкода ІЧ випромінювання сприймає фотодіод VD2, ввімкнений паралельно резистору R2, через який здійснюється ООС по постійному струмі, охоплюючи двухкаскадним підсилювачем на транзисторах VT1, VT2. Импульси напруги з колектора транзистора VT2 поступають на синхронний детектор, виконаний на польовому транзисторі VT3. Його застосування обумовлено тим, що під час роботи локатора на резисторі R3 створюють не тільки коливання з частотою приблизно 1220 Гц, але й пульсації частотою 100 Гц. Програмне управління передатчиком ІЧ випромінювання проводиться записом деякого числа в порт DМК. Якщо молодший біт цього числа рівний-0, світлодіод VD2 погасне, а якщо він рівний-1, включиться.

Послідовна зміна значень цього біта приводить до появи зпереду моделі пульсуючого рівня освітлення в ІЧ частини спектра. Рівень відображеного випромінювання фіксується фотодатчиком, и при його зростанні робить попередження що попереду е перешкода.

3. Експлуатаційний розділ

3.1. Ініціалізація програмуємих ВІС

Після подачі сигналу скидання в той час включається живлення МК починає виконувати програму з відмітки старт. В цій частині програми проводиться начальна ініціалізація стека, резисторів, портів ввода/вивода В і D, аналогового компаратора, Восьмирозрядного таймера, встановлюються частота слідована імпульсам на таймері, рівна СК/8(СК-тактова частота яка дорівнює 5 мГц).

Програму ініціалізації та тестування роботи пристрою наведено в пункті 3.2.

3.2. Тест перевірки окремих вузлів або пристроїв

В даному розділі вашій увазі представлено програму ініціалізації та тестування мікросхеми пристрою:

bigpauseequ100; задаємо значення стартової паузи

pause1egu15; значення паузи перед зміною напрямку руху

pause2equ50; задаємо час, на протязі якого планетохід буде від'їжджати назад

pause2equ50; задаємо час, на протязі якого планетохід буде розвертатися

portAequ05h; адрес порта А

portBequ06h; адрес порта В

org0h; резервування 100 байт починаючи з адресу 0h

reset:

movr31,1Fh; задаємо направлення роботи портів

outportB,r31; PB0, PB1, PB2, PB3, PB4 - виходи, PB5, PB6 - входи

movr31,61h; виводимо в порт В код зупинки двигунів,

outportB,r31; і вмикаємо резистори на входах РВ5, РВ6

movr31,bigpause; записуємо в регістр r31 значення великої паузи

callpause; викликаємо підпрограму паузи

jmpstart; переходимо на мітку старт

start:

movr31,00000011b; установлюємо на виході РВ1 лог.1,

outportB,r31; що зумовлює ввімкнення лівого двигуна

movr31,00001011b; установлюємо на виході РВ3 лог.1,

outportB,r31; що зумовлює ввімкнення правого двигуна

movr31,00001010b; установлюємо на виходіРВ0 лог.0,

outportb,r31; що і гасить світлодіод

scan:

inr31,portB; читаємо стан порту В

testr31,01000000b; перевіряємо чи натиснута права кнопка

jzleft; якщо натиснута, переходимо на мітку left

testr31,00100000b; перевіряємо чи натиснута ліва кнопка

jzright; якщо натиснута, переходимо на мітку right

jmpscan; якщо ні одна кнопка не натиснена, повторяємо цикл перевірки стану кнопок

left:

movr30,63h; записуємо в регістр r30 код повороту наліво, який буде виводиться в порт в

callstop; визиваємо підпрограму stop

jmpstart; повертаємося на мітку start

right:

movr30,69h; записуємо в регістр r30 код повороту направо, який буде виводиться в порт в

callstop; визиваємо підпрограму stop

jmpstart; повертаємся на мітку start

; підпрограма stop, задача якої - ввімкнення потрібного маневру (відїзд, повороти направо та наліво)

stopproc

movr31,00001000b; установлюємо на виході РВ1 лог.0,

outportB,r31; що зумовлює вимкнення лівого двигуна

movr31,00000000b; установлюємо на виході РВ3 лог.0,

outportB,r31; що зумовлює вимкнення правого двигуна

movr31,pause1; записати в регістр r31 значення паузи перед зміною направлення руху

callpause; викликаємо підпрограму pause

movr31,00000100b; встановлюємо на виході РВ2 лог.1,

outportB,r31; що заставляє лівий двигун крутитися в іншу сторону

movr31,00010100bвстановлюэмо на виході РВ4 лог.1,

outportB,r31; що заставляє правий двигун крутитися в іншу сторону

movr31,00010101bвстановлюэмо на виході РВ0 лог.1,

outportB,r31; що запалює світлодіод

movr31,pause2; записати в регістр r31 значення часу, на протязі якого планетохід буде від'їжджати назад

callpause; викликаємо підпрограму pause

movr31,00010101b; встановлюємо на виході РВ2 лог.0,

outportB,r31; що вимикає лівий двигун

movr31,00010001bвстановлюэмо на виході РВ4 лог.0,

outportB,r31; що вимикає правий двигун

movr31,00000000bвстановлюэмо на виході РВ0 лог.0,

outportB,r31; чим гасимо світлодіод

movr31,pause1; записати в регістр r31 значення часу, перед зміною напрямку руху

callpause; викликаємо підпрограму pause

out portB,r30; виводимо в порт В код повороту наліво/направо

movr31,pause3; записати в регістр r31 значення часу, на протязі якого планетохід буде виконувати поворот

callpause; викликаємо підпрограму pause

outportB,r30; записуємо в порт В код відповідаючий повороту направо чи наліво

movr31,pause3; записати в регістр r31 значення часу, на протязі якого планетохід буде виконувати поворот

callpause; викликаємо підпрограму pause

movr31,61h; записуємо в регістр r31 код, відповідний відключенню двигунів

outportB,r31; та виводимо його на порт В

movr31,pause1; записати в регістр r31 значення часу, перед зміною напрямку руху

callpause; викликаємо підпрограму pause

stopendp; вихід із підпрограми

; - --------------------------------------------------------------

; підпрограма витримки пауз, інтервал яких задається регістром r31

; - --------------------------------------------------------------

pauseproc

d3:

movr29,FFh; встановлюємо регістр r29 в FFh

d2:

movr28,FFh; встановлюємо регістр r28 в FFh

d1:

subr28,1; віднімаємо від регістру r28 одиницю

test

jzd1

subr29,1; віднімаємо від регістру r29 одиницю

test

jzd2

subr31,1; віднімаємо від регістру r31 одиницю

test

jzd3

pauseendp; вихід із підпрограми

end; завершення програми

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:

Безвідмовність.

Довговічність.

Ремонтопридатність.

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:

Визначення значення інтенсивності відмовлення всіх елементів за принциповою схемою вузла пристрою.

Визначення значення імовірності безвідмовної роботи всієї схеми.

Визначення середнього наробітку до першого відмовлення.

Виконання розрахунків проходить наступним чином:

1. Інтенсивність відмовлення всіх елементів визначається за формулою:

(3.3.1)

де:

ni – кількість елементів у схемі;

li – інтенсивність відмовлень і-го елемента;

m – кількість типів елементів.

При розрахунку також потрібно враховувати інтенсивність відмовлень через пайки радіоелементів на друкованій платі.

Інтенсивність відмовлень елементів розраховуємо за формулою:

(3.3.2)

де:

lо – інтенсивність відмовлень елементів у режимі номінального навантаження;

Кe – експлуатаційний коефіцієнт;

Кр – коефіцієнт навантаження.

Усі ці параметри беруться з довідника з розрахунку надійності.

2. Ймовірністю безвідмовної роботи називається ймовірність того, що за певних умов експлуатації в заданому інтервалі часу не відбудеться жодного відмовлення.

Ймовірність безвідмовної роботи визначається за формулою:

(3.3.3)

де:

- інтенсивність відмов всіх елементів;

t – час, (год).

За результатами розрахунків складається таблиця і графік.

3. Середній наробіток до першого відмовлення – це час роботи пристрою до першої відмови.

Середній наробіток на відмовлення визначається за формулою:

(3.3.4)

Розрахунок надійності пристрою приведено далі.

4. Анотація

У даній курсовій роботі була розроблена схема електрична принципова для дослідження дослідження роботи мікроконтролера. У роботі приведена структурна схема пристрою, зроблений вибір елементної бази. Для перевірки працездатності пристрою розроблена Тест-програма для перевірки працездатності і налагодження спроектованого модуля. Зроблено розрахунок надійності схеми.

МК може бути використані в недорогих багатофункціональних

пристроях, призначених для керування побутовими приладами.

радіоелектронною апаратурою, для рішення різноманітних задач на нижчих рівнях керування.

Виконання курсової роботи дозволило ознайомитися з

принципами побудови МК, особливостями архітектури

окремих В1С, а також розробки програмного забезпечення мовою асемблера.

Література

1. Методичні вказівки щодо виконання курсової роботи.

2. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы / Под ред. С.В. Якубовского. - М. Радио и связь, 1984.

3. Алексеенко А.Г., Галицин А.Д., Иванников А.Д. Проектирование радиоэлектронной литературы на микропроцессорах. - М.: Радио и связь, 1984.

4. Самофалов К.Г., Викторов О.В., Кузняк А.К. "Микропроцессоры" // К.: Техника, 1986.

5. ЕСКД ГОСТ 2.708-81 "Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники".

6. Балашев Е.П., Григорьев В.Л., Петров Г.А. Микро - и мини-ЭВМ. - Л.: Энергоатомииздат, 1984.

7. Вершинин О.Е. Применение микропроцессоров для автоматизации технологических процессов. - Л. Энергоатомииздат, 1986.