Цифровой термометр на микропроцессоре AVR-MEGA 128 
Цифровой термометр на микропроцессоре AVR-MEGA 128
28 Министерство образования и науки Украины Харьковский национальный университет радиоэлектроники Кафедра: Курсовая работа По курсу: “ Цифровые устройства и микропроцессоры”. По теме: “Цифровой термометр на микропроцессоре AVR - MEGA 128”. Выполнил : Проверил: ст. гр. ЛОЭТ - 06-1 Аврунин О.Г Нестеренко А.А. Зач.кн. N7211109 Харьков 2009 г. Техническое задание Разработать программу для микроконтроллера АVR-Mega128, выполняющую измерение температуры (с помощью датчика температуры TMP-35) в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 128) и формирующую сигналы предупреждения с помощью блока светодиодов, если значение температуры выходит за рамки диапазона 300С<Т<400С. Реферат Пояснительная записка содержит: 29 страниц текста, 7 рисунков, список использованных материалов источников из 6 наименований. Цель проекта - разработка программного продукта для измерения температуры на базе микроконтроллера АVR-Mega128. В данной работе была разработана программа на базе микроконтроллера АVR-Mega128 для измерения температуры с помощью датчика ТМР-35. Измерения температуры производятся непрерывно. Выход значений за пределы измерения сопровождается световим сигналом. Ключевые слова: ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ЖКИ, ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР, АЛГОРИТМ РАБОТЫ. Содержание Список используемых сокращений Введение 1. Структура микроконтроллера ATMega128 1.1 Назначение выводов 1.2 Организация памяти и портов ввода/вывода микроконтроллера 2. Синтез структурной схемы 3. Синтез схемы электрической принципиальной цифрового термометра 4. Разработка алгоритма работы микроконтроллера Заключение Список источников информации Примечание А (Текст программы работы микроконтроллера) Список используемых сокращений МК - микроконтроллер; ОЗУ - оперативное запоминающее устройство; ПЗУ - постоянное запоминающее устройство; ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина; ЖКИ - жидко-кристаллический индикатор; Д - датчик температуры. Введение Микроконтроллеры (МК) являються серцем многих современных устройств и приборов. Самой главной особенностью МК, с точки зрения конструктора-проектировщика, является то, что с их помощью легче и зачастую гораздо дешевле реализовать различные схемы [1- ст. 5]. МК может управлять различными устройствами и принимать от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число переферийных схем уже имеется непосредственно на кристалле МК. Это позволяет уменьшить размеры конструкции и снизить потребление от источника питания [1- ст. 6]. AVR - это семейство 8-разрядных RISC-микроконтроллеров фирмы Atmel. Эти МК позволяют решить множество задач встроенных систем. Они отличаються от других распостраненных в наше время микроконтроллеров большей скоростью работы, большей универсальностью. Кроме того, они очень легко программируються. Их можно перепрограммировать до 1000 раз, причем непосредственно в собранной схеме [1- ст. 9]. Имеются 3 подсемейства МК AVR: Tiny AVR- недорогие миниатюрные МК в 8-выводном исполнении; Classic AVR- основная линия МК с производительностью отдельных модификаций до 16 MISP, FLASH- памятью программ 2…8 Кб, памятью данных EEPROM 64...512 байт, оперативной памятью данных SRAM 128…512 байт; Mega AVR- с производительностью 4…16 MISP для сложных приложений требующих большого обьема памяти, FLASH- памятью программ до 128 Кб, памятью данных EEPROM 64...512 байт, оперативной памятью данных SRAM 2…4 байт, встроенным 10-разрядным 8-канальным АЦП, аппаратным умножителем 8х8. Интересной особеннотью семейства МК является то, что система комманд всего семейства совместима при переносе программы со слабого на более мощный микроконтроллер [1- ст. 11]. 1. Структура микроконтроллера ATMega128 В качестве ядра микроконтроллерной системы для измерения температуры в диапазоне 30-400С согласно техническому заданию был выбран AVR микроконтроллера типа ATMega128. 1.1 Назначение выводов На рис.1.1 изображен корпус и приведено назначение выводов микроконтроллера. В скобках указана альтернативная функция вывода. Рис.1.1. Вид корпуса и обозначение выводов микроконтроллера ATmega128. Микроконтроллер ATmega128 включает следующие функциональные блоки: - 8-разрядное арифметическо-логическое устройство ( АЛУ ); - внутреннюю флэш-память программ объемом 128 Кбайт с возможностью внутрисистемного программирования через последовательный интерфейс; - 32 регистра общего назначения; - внутреннюю EEPROM память данных объемом 4 Кбайт; - внутреннее ОЗУ данных объемом 4 Кбайт; - 6 параллельных 8-разрядных портов; - 4 программируемых таймера-счетчика; - 10-разрядный 8-канальный АЦП и аналоговый компаратор; - последовательные интерфейсы UART0, UART0, TWI и SPI; - блоки прерывания и управления (включая сторожевой таймер). Port A (PA7..PA). 8-разрядный двунаправленный порт. К выводам порта могут быть подключены встроенные нагрузочные резисторы (отдельно к каждому разряду). Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА и способность прямо управлять светодиодным индикатором. При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешнего сигнала в низкое состояние, ток будет вытекать только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт А при наличии внешней памяти данных используется для организации мультиплексируемой шины адреса/данных. Port B (PB7..PB0). 8-разрядный двунаправленный порт со встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА. При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешнего сигнала в низкое состояние, ток будет вытекать только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт В используется также при реализации специальных функций. Port C (PC7..PC0). Порт С является 8-разрядным выходным портом. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА. Порт C при наличии внешней памяти данных используется для организации шины адреса. Port D (PD7..PD0). 8-разрядный двунаправленный порт со встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА. При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешнего сигнала в низкое состояние, ток будет вытекать только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт D используется также при реализации специальных функций. Port Е (PЕ7..PЕ0). 8-разрядный двунаправленный порт со встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферы обеспечивают ток 20 мА. При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешнего сигнала в низкое состояние, вытекающий через них ток обеспечивается только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт E используется также при реализации специальных функций. Port F (PF7..PF0). 8-разрядный входной порт. Входы порта используются также как аналоговые входы аналого-цифрового преобразователя. #RESET. Вход сброса. Для выполнения сброса необходимо удерживать низкий уровень на входе более 50 нс. XTAL1, XTAL2. Вход и выход инвертирующего усилителя генератора тактовой частоты. TOSC1, TOSC2. Вход и выход инвертирующего усилителя генератора таймера/счетчика. #WR, #RD. Стробы записи и чтения внешней памяти данных. ALE. Строб разрешения фиксации адреса внешней памяти. Строб ALE используется для фиксации младшего байта адреса с выводов AD0-AD7 в защелке адреса в течение первого цикла обращения. В течение второго цикла обращения выводы AD0-AD7 используются для передачи данных. AVCC. Напряжение питания аналого-цифрового преобразователя. Вывод подсоединяется к VCC через низкочастотный фильтр. AREF. Вход опорного напряжения для аналого-цифрового преобразователя. На этот вывод подается напряжение в диапазоне между AGND и AVCC. AGND. Это вывод должен быть подсоединен к отдельной аналоговой земле, если она есть на плате. В ином случае вывод подсоединяется к общей земле. #PEN. Вывод разрешения программирования через последовательный интерфейс. При удержании сигнала на этом выводе на низком уровне после включения питания, прибор переходит в режим программирования по последовательному каналу. VСС, GND. Напряжение питания и земля [2-ст.7]. 1.2 Организация памяти и портов ввода/вывода микроконтроллера Микроконтроллеры AVR имеют раздельные пространства адресов памяти программ и данных (гарвардская архитектура). Организация памяти МК ATMega128 показана на рис. 1.2. Рис.1.2. Организация памяти микроконтроллера ?ATmega128 Высокие характеристики семейства AVR обеспечиваются следующими особенностями архитектуры: * В качестве памяти программ используется внутренняя флэш-память. Она организована в виде массива 16-разрядных ячеек и может загружаться программатором, либо через порт SPI; * 16-разрядные память программ и шина команд вместе с одноуровневым конвейером позволяют выполнить большинство инструкций за один такт синхрогенератора (50 нс при частоте FOSC=20 МГц); * память данных имеет 8-разрядную организацию. Младшие 32 адреса пространства занимают регистры общего назначения, далее следуют 64 адреса регистров ввода-вывода, затем внутреннее ОЗУ данных объемом до 4096 ячеек. Возможно применение внешнего ОЗУ данных объемом до 60 Кбайт; * внутренняя энергонезависимая память типа EEPROM объемом до 4 Кбайт представляет собой самостоятельную матрицу, обращение к которой осуществляется через специальные регистры ввода-вывода. Рис.1.3. Регистры общего назначения микроконтроллера ATmega128 Как видно из рис. 1.2 и 1.3, 32 регистра общего назначения (РОН) включены в сквозное адресное пространство ОЗУ данных и занимают младшие адреса. Хотя физически регистры выделены из памяти данных, такая организация обеспечивает гибкость в работе. Регистры общего назначения прямо связаны с АЛУ. Каждый из регистров способен работать как аккумулятор. Большинство команд выполняются за один такт, при этом из регистров файла могут быть выбраны два операнда, выполнена операция и результат возвращен в регистровый файл. Старшие шесть регистров могут использоваться как три 16-разрядных регистра, и выполнять роль, например, указателей при косвенной адресации. Следующие 64 адреса за регистрами общего назначения занимают регистры ввода-вывода (регистры управления/состояния и данных). В этой области сгруппированы все регистры данных, управления и статуса внутренних программируемых блоков ввода-вывода. При использовании команд IN и OUT используются адреса ввода-вывода с $00 по $3F. Но к регистрам ввода-вывода можно обращаться и как к ячейкам внутреннего ОЗУ. При этом к непосредственному адресу ввода-вывода прибавляется $20. Адрес регистра как ячейки ОЗУ приводится далее в круглых скобках. Регистры ввода-вывода с $00 ($20) по $1F ($3F) имеют программно доступные биты. Обращение к ним осуществляется командами SBI и CBI, а проверка состояния - командами SBIS и SBIC [2-ст.9]. 2. Синтез структурной схемы Структурная схема для цифрового термометра приведена на рисунке 2.1. Рисунок 2.1 - структурная схема цифрового термометра На рисунке 2.1 показано: ЖКИ - жидко-кристаллический индикатор; МК - микроконтроллер; Д- цифровой датчик температуры; RS232С - последовательный интерфейс. Микроконтроллер выполняет две основные функции: производит опрос датчика температуры и сохраняет в ОЗУ значения температуры, полученные от датчика в каждом цикле опроса температуры; по требованию компьютера, микроконтроллер отсылает в компьютер значения температуры из ОЗУ от датчика температуры. Измеренная температура не только сохраняется, но и выводится на жидкокристаллический экран (ЖКИ). Графические возможности экрана позволяют отображать не только цифровые значения температуры, но и отображать изменения температуры во времени в виде графиков. Также микроконтроллер может сохранять не одно значение температуры, а несколько (до 20 значений). Если значение температуры выходит за диапазон 30-400С, то микроконтроллер формирует предупреждающий сигнал с помощью светодиодов. Кнопка производит сброс, если измеренные значения температуры выходят за значения 30-400С. При необходимости измеренные значения температуры можно ввести на экран компьютер с помощью последовательного интерфейса RS232С. 3. Синтез схемы электрической принципиальной цифрового термометра В данном проекте разработан цифровой термометр с использованием микроконтроллера AVR ATMEGA128. Схема устройства представлена на чертеже ЛОЕТ.06-1.09Э3. Перечень элементов -ЛОЕТ.06-1.09 ПЭ3. Описание схемы устройства Прибор осуществляет измерения путём заряда конденсатора до уровня примерно равного VCC, последующего разряда его через опорный резистор с одновременным подсчётом внутренних тактов до того момента, пока на входе CIN не появится лог. «0». Далее конденсатор снова заряжается до значения, близкого к VCC и разряжается через термистор, при этом также подсчитываются тактовые импульсы. Неизвестное сопротивление резистора вычисляется как отношение числа тактов при разряде конденсатора термистором к числу тактов при разряде через опорный резистор и последующим домножением на известное значение сопротивления опорного резистора. Программа вычисляет сопротивле-ние термистора, переводит это значение в температуру, переводит её в градусы Цельсия и отображает значение на ЖКИ. К выводам 50,51 МК подключен датчик температуры ТМР 35, представленная на рисунке 3.1 Рисунок 3.1- Микросхема TMP35 ТМР35 обеспечивает выходное напряжение, линейно изменяющееся пропорционально температуре по шкале Цельсия. TMP35 не требует внешней калибровки обеспечивая типичную точность +/-10C при +250C и +/-20C в диапазоне -400C к +1250C. Низкое выходное сопротивление TMP35 и линейность выводного напряжения и отсутствие необходимости точной калибровки упрощает его подключение к электрической схеме терморегулятора, Аналого-цифровым преобразователя. Устройства питается по двухпроводной линии от источника напряжением от 2.7 V к 5.5 V. Питающий ток имеет величину значительно ниже 50мка, обеспечивая очень низкий саморазогрев -- меньше чем 0.10C в невозмущенной атмосфере. Кроме того, заложена функция отключения обеспечивающая снижение питающего тока до величины меньше чем 0.5мка. TMP35 работает при температуре от 100C до 1250C [3]. Резисторы R12 и R13 ограничивают ток, проходящий через датчик. К выводам 14 и 15 (PB4, PB5) микроконтроллера с помощью ограничиваю-щих резисторов R2 ? R4 подсоединяется выводами CLK и DI ЖКИ, выполненный на микросхеме НТ1611. Через ограничивающие резисторы R6, R6 к выводу VDD подводится напряжение питания от источника. Жидкокристаллический индикатор показан на рисунке 3.2 Рисунок 3.2- Микросхема НТ1611 Если измеренные значения температуры выходят за заданные пределы, то загораютя светодиоды VD1, VD2. R9,R10 ограничивают ток, проходящий через светодиоды. К выводым 2, 3 (РЕ0,РЕ1) микроконтроллера присоединяется микросхема MAX232C, которая позволяет производить обмен информацией с компьютером через последовательный интерфейс RS232C. Для этого задействованы выводы T1IN, T1OUT, R1IN, R1OUT. В соответствии с описанием микросхемы к выводам C1+, C1- и C2+, C2- подключаются конденсаторы С3, С4 емкостью 0,1 мкФ. Такие же конденсаторы С1, С2 для создания необходимых уровней питания подключаются к ножке 2 (Vs+) и к шине питания; к ножке 6 (Vs-) и к земле [1]. Устройство можно подключить к компьютеру с помощью разъема XР1.
Страницы: 1, 2
|
