Микропроцессорная система управления, предназначенная для использования на лесопильном заводе 
Микропроцессорная система управления, предназначенная для использования на лесопильном заводе
Министерство образования Российской Федерации Уральский государственный технический университет Кафедра Автоматика и управление в технических системах Зав. каф. В.Г. Лисиенко _____________________ Оценка проекта Микропроцессорная система управления, предназначенная для использования на лесопильном заводеКурсовой проектПояснительная записка1909 420 000 030 ПЗРуководитель Мокрецов В.П.Студент Данилов Д.Р-311а Молоков Т.Екатеринбург 2006 СодержаниеПостановка задачиОписание принципа действия системыАппаратная часть микропроцессорной системыПрограммная часть микропроцессорной системыЗаключение Постановка задачиТребуется разработать микропроцессорную систему управления, предназначенную для использования на лесопильном заводе. Лесопильная установка имеет конвейер, который доставляет бревна к распилочным механизмам. Бревна лежат на ленте конвейера вдоль нее по одному на ширину ленты. Искомая микропроцессорная система (в дальнейшем просто МП система) должна нести следующие функции и иметь свойства: Измерить диаметр каждого бревна, проходящего по конвейеру, и, если он не укладывается в рамки [20…50]см, то считать бревно бракованным и не подавать его на распилку; Измерить длину lбр каждого бревна и вычислить его объем Vi; суммируя объемы неотбракованных бревен, подсчитывать общий объем распиленной древесины V; По включении питания МП система должна проводить самотестирование (POST - power on self test) и самоинициализацию; Система должна включать ОЗУ, ПЗУ, часы реального времени; Информация должна отображаться на восьми буквенно-цифровых индикаторах. Цель курсовой работы - спроектировать аппаратную и программную части МП системы. Аппаратную основу системы составляет микропроцессор Z80 фирмы Zilog. В задачу курсовой работы не входит подробное проектирование приводов и других механизмов, однако их рассмотрение потребуется для написания управляющей программы. Описание принципа действия системы Общая структураНа рис. 1 изображена схема “вход-выход” МП системы. Рис. 1 Структура “вход-выход” МП системыЦифровые сигналы с датчиков диаметра и длины бревна поступают в систему, формируется сигнал отбраковки. Затем система, имитируя калькулятор, рассчитывает Vi и обновляет сумму V, храня эти величины в памяти. В зависимости от двух кнопок управления индикацией (одна из них, будучи нажатой, переводит в отжатое положение другую) на индикаторах отображается V или текущее время. Для начальной установки часов есть 2 кнопки управления таймером, увеличивающие на единицу часы и минуты. Имеется кнопка включения/выключения питания “Вкл”. Обзор датчиков и способа отбраковкиЧтобы вычислить объем бревна Vi, МП система должна “знать” формулу для вычисления. Формула для расчета Vi (в предположении, что бревно - круглый цилиндр):. (1) Рис. 2 Конструкция датчиков и механизма отбраковкиЧтобы найти диаметр d и длину lбр, надо знать конструкцию датчиков (рис. 2). Датчик диаметра устроен следующим образом: бревно, двигаясь по конвейеру, отклоняет пластину , вращающуюся на горизонтальной оси, на угол . Этот угол через редуктор подается на ось переменного резистора. Переменный резистор Rd включен в потенциометрический датчик (рис.3). Напряжение Ud с этого датчика подается в МП систему, где оцифровывается с помощью АЦП. Рис. 3 Потенциометрический датчикРасчет диаметра идет по формуле: d = h - lпл cos , т.е. надо знать угол . (2)Микропроцессор же имеет лишь напряжение Ud. По нему надо рассчитать текущее сопротивление переменного резистора Rd (см. формулу на рис.3), из него найти угол поворота оси резистора, которому соответствует это текущее сопротивление, из него, зная передаточное отношение редуктора, определить .Примем следующие допущения:номинал Rдоб=1 КОм; номинал Rd (переменное)=5,1 КОм; напряжение питания датчика U=12 В. Примечание: при этом диапазон Ud составляет [0; 10]В.особенности конструкции - а именно крепления переменного резистора и передаточного отношения редуктора - таковы, что если =0 (пластина вертикальна), то текущее Rd =0;если =90 (пластина горизонтальна), то Rd =Rdmax =5,1 КОм (максимально).Примечание: данное требование однозначно определяет передаточное отношение редуктора - оно будет равно i1-2=90/max, где max - угловой диапазон поворота оси резистора в градусах (т.к. при повороте пластины на 90 ось резистора поворачивается на max)Это допущение означает, что угол может быть вычислен из максимального значения переменного резистора как.последнее допущение: пусть h=62,5см=0,625м; lпл=50см=0,5м.Получается формула перехода от Ud к : (3)Напряжение с датчика Ud в системе измеряется с помощью 10-разрядного АЦП, рассчитанного на максимальное входное напряжение 10,5 В. Микропроцессор читает с АЦП не напряжение в вольтах, а его код - число в диапазоне [0..3FFH]=[0..102310]. Поэтому формулу (3) надо изменить, преобразовав напряжение 12 вольт в такой же код, исходя из интервала дискретности АЦП. Он равен д=10,5/1023=1,02610-2 В. Отсюда 12 вольт будет изображаться величиной 12/ д 1169 единиц.Итоговая формула перехода от Ud к : [рад] (4)Подставим числа в формулу для диаметра (2):d = 0,625 - 0,5cos (5)Сделаем вывод. Микропроцессор для измерения диаметра делает такие шаги. Зная Ud в виде кода, находит угол в радианах - формула (4). Зная , находит диаметр d - формула (5).Датчик длины бревна основан на двух фотоэлементах Фэл1 и Фэл2 ( на рис.2), поставленных вдоль конвейера на расстоянии l=1м друг от друга и двух таймерах внутри микропроцессорной системы. Фотоэлементы регистрируют смену освещенности “свет-темнота” и “темнота-свет”. Принципиально замер длины основан на предположении, что скорость ленты конвейера v постоянна.Таймеры замеряют два интервала времени:T1 - период времени, в течение которого передний край бревна проползет от Фэл1 к Фэл2;Т2 - период времени, в течение которого бревно полностью проползет Фэл1. => (6)Фотоэлемент устроен следующим образом (рис. 4):Рис.4 Принципиальная схема фотоэлементаЛампа HL1 - обычная лампа накаливания, ее свет сфокусирован отражателем на “своем” светоприемнике. Если свет доходит до светоприемника (бревно не загораживает) то транзистор открыт, на выходе фотоэлемента низкий уровень (0), иначе (в темноте) на выходе высокий уровень (1). Выходы Фэл1 и Фэл2 являются входами МП системы.Алгоритм измерения длины бревна будет таким. Последовательно: если на Фэл1 перепад 0-1 (“свет-темнота”), то старт таймеров Т1, Т2;если на Фэл2 перепад 0-1 стоп таймера Т1;по перепаду Фэл1 1-0 (“темнота-свет ”) стоп таймера Т2;рассчитать длину по формуле (6).Отметим: если во время работы, когда бревно проходит мимо и загораживает один из фотоэлементов, конвейер остановится, то будет замерена неверная неправдоподобно большая длина, возможно, будет переполнение таймеров. Аналогично, если в момент включения питания МП системы бревно уже лежит на конвейере, то его длина не может быть измерена. Во избежание этих ситуаций надо: сделать невозможной остановку конвейера при включенной МП системе; в алгоритм самотестирования (POST) добавить проверку фотоэлементов на готовность (удостовериться, что их светоприемные части освещены).Механизм отбраковки рассмотрим менее подробно. МП система должна лишь выдать сигнал логической “1” для бракованного бревна и “0” для нормального. Сигнал выдается в момент, когда задняя кромка бревна минует Фэл2 (по перепаду Фэл2 1-0). Далее он усиливается и подается на привод отбраковки. Привод (не вдаваясь в подробности) при наличии “1” на его входе поднимает вверх постоянно движущийся поперечный конвейер ( на рис. 2), и он сбрасывает бревно с основного конвейера. Аппаратная часть микропроцессорной системы Общие характеристики Общая направленность предлагаемой конструкции системы характеризуется тем, что система ориентирована на работу с памятью, портами ввода-вывода и прерываниями. Подсистема прямого доступа у памяти вообще не используется, т.к. в ее использовании не возникло серьезной необходимости: при работе управляющей программы нет такого внешнего устройства, которое бы вело интенсивный обмен данными с памятью.Структура системы приведена на рис. 5.Рис.5 Структура микропроцессорной системыНиже следуют пояснения по каждому блоку рис.5.Блок центрального процессора, память и шины системы “Сердцем” всей МП системы является микропроцессор (МП) Z80 (или его отечественный аналог - КР1856ВМ1). Вкратце опишем используемые в МП системе выводы микропроцессора. Сигналы, которые активны в нуле, будем отмечать суффиксом “#”. CLK - вход тактовой частоты 4 МГц; RESET# - вход сброса (активен в нуле); MREQ# - выход запроса памяти. Нулевое состояние свидетельствует, что микропроцессор обращается к памяти для чтения или записи; IORQ# - выход запроса портов ввода/вывода. Нулевое состояние означает, что идет обращение к портам; RD# - чтение. Активен, когда микропроцессор инициирует операцию чтения из памяти или из устройства ввода/вывода; WR# - запись. То же, что и RD#, но для операции записи; A0-A15 - шина адреса. Имеет 16 линий и используется для адресации к максимум 65535 ячейкам памяти и устройствам ввода-вывода; D0-D7 - шина данных. Восемь двунаправленных линий, используемых, для ввода/вывода данных микропроцессора, памяти и периферийных устройств. INT# - вход прерывания. Нуль на этом входе означает наличие запроса на прерывание от внешнего устройства. M1# - выход первого машинного цикла. Нуль на этом выходе показывает, что микропроцессор производит выборку кода операции. В нашей системе этот выход совместно с IORQ# служит для подтверждения прерывания. Тактовым генератором служит мультивибратор, собранный на двух инверторах. Времязадающими цепями являются конденсатор, сопротивления и резонатор. Частота генератора 16 МГц (как и резонатора Z1). Затем эта частота двумя триггерами делится на 4, получается тактовая частота 4 МГц, которая и подается на вход CLK. Деление частоты нужно для большей ее точности. Кнопка “RESET” в нажатом состоянии подает на соответствующий вход микропроцессора сигнал сброса. Для устранения эффекта “дребезга контактов” сигнал RESET# подается через D-триггер, записываясь в него по фронту первого же тактового импульса с линии CLK. Для организации шин адреса (ША), данных (ШД), управления (ШУ) микропроцессорной системы к соответствующим выходам микропроцессора подключены буферные элементы. Их нагрузочная способность гораздо больше нагрузочной способности выводов микропроцессора. Они являются повторителями и “цифровыми усилителями” сигналов микропроцессора. Для ША это два 8-разрядных регистра ИР82. Для ШД - специальная микросхема - 8-разрядный двунаправленный шинный формирователь с возможным Z-состоянием выводов. Четыре сигнала управления (WR#, RD#, MREQ#, IORQ#) сначала подвергаются дешифрации. Объединенные по схеме ИЛИ сигналы RD# и MREQ# дают в результате сигнал MEMRD# чтения памяти. Аналогично получены сигналы чтения порта IORD# и записи в порт IOWR#. Еще получен сигнал WR#/RD, который равен 0, когда активен сигнал WR# и равен 1, когда активен RD#. Пять сигналов (MEMRD#, MREQ#, WR#/RD, IORD#, IOWR#) понадобятся при организации обращения к памяти и портам. Все они объединены в 5-разрядную шину управления (ШУ), которая также имеет шинный формирователь. Рассмотрим подключение микросхем памяти. Всего подключено 2К ПЗУ на одной микросхеме К541РЕ1 (адресное пространство 0000H - 07FFH) и 4К ОЗУ на двух микросхемах К537РУ8 (адреса 0800H - 17FFH). Принцип работы микропроцессора с памятью следующий. В первом такте машинного цикла обращения к памяти (чтения или записи) процессор выдает на ША адрес запрашиваемой ячейки. Этот адрес дешифруется так, что вход CS (выбор кристалла) соответствующей адресу микросхемы становится активным (нулем), сигнализируя, что эта микросхема выбрана для операции. Во втором такте МП формирует на шине управления сигналы управления. Сигнал MEMRD# подается на вход разрешения операции микросхемы ПЗУ. Сигнал WR#/RD подается на одноименные входы микросхем ОЗУ, а сигнал MREQ# - на вход разрешения операции микросхем ОЗУ. Итак, чтение/запись микросхемы памяти происходит, если одновременно выполнены два условия: микросхема выбрана адресом и ей разрешена операция сигналами управления. Порты ввода-вывода Всего МП система имеет 14 байт портов ввода и вывода. На рис. 5 можно видеть их адреса в пространстве ввода-вывода. Механизм действия портов аналогичен действию микросхем памяти. Адрес порта на ША дешифруется в двенадцать сигналов выбора кристалла CS0#-CS13#, а каждый порт имеет возможность управляемого чтения/записи. Для порта ввода (порт диаметра) одновременно активные CSi# и IORD# стробируют выдачу одного байта на шину данных. Для порта вывода одновременно активные CSi# и IOWR# стробируют запись байта с шины данных в регистр порта. Адреса портов ввода-вывода дешифруются отдельным дешифратором ИД3 с четырьмя входами и 16-ю выходами (первые 14 из которых - CS0#-CS13#). На входы подается младшая тетрада шины адреса - номер адресуемого порта, на всех выходах дешифратора образуются единицы, кроме одного нулевого выхода, имеющего этот номер. Два адресам контроллера прерываний (0C-0D) дешифруются в один сигнал выборки кристалла, при этом контроллер принимает бит A0 адреса и самостоятельно разбирается, к какому из двух адресов идет обращение. Порт ввода диаметра. Двухбайтный порт, выбирается адресами 00 и 01 (сигналами CS0# и CS1#). Датчик диаметра бревна является аналоговым. Чтобы ввести числовое значение диаметра в МП и использовать его в вычислениях, надо преобразовать напряжение с датчика в цифровой код. Этим занимается АЦП на специальной микросхеме К1113ПВ1А. Это 10-разрядный АЦП с выходными цифровыми уровнями ТТЛ с возможностью преобразования однополярного аналогового сигнала в диапазоне [0..10,5]В или биполярного сигнала в диапазоне [-5,5..5,5]В. Мы используем АЦП в однополярном режиме, поэтому вход 15 (Z1) присоединен к массе. Преобразуемое аналоговое напряжение подается на вход 13 (вход A). По заднему фронту (спаду) импульса на входе 11 (RES) АЦП сбрасывается и начинает преобразование. Преобразование занимает некоторое время (около 30 мкс). По окончании микросхема АЦП на выходах D0-D9 выводит итоговый цифровой код, а на выходе готовности данных 17 (RDY) выставляет логический 0, сигнализирующий “преобразование окончено”. На этом работа АЦП заканчивается. Далее в МП системе сигнал с выхода АЦП RDY несет две функции: стробирует запись кода диаметра с АЦП в два буферных регистра ИР82 и посылает сигнал запроса прерывания на вход IR2 контроллера прерываний.На вход RES АЦП мы подаем импульсы частотой Ѕ Гц, соответственно, раз в две секунды возникает прерывание IRQ2. Обработчик этого прерывания, при условии, что бревно сейчас под пластиной датчика (эта информацию можно прочесть из порта статуса фотоэлементов, описанного ниже) будет читать регистры диаметра в некий массив диаметров в ОЗУ. По прохождении бревна, когда запускается вычисление объема бревна, все введенные диаметры усредняются и в вычислениях используется среднее значение всех мгновенных диаметров.Порт вывода сигнала отбраковки (адрес 02). Представляет собой обычный D-триггер. По одновременным сигналам CS2# и IOWR# в триггер записывается младший бит D0 шины адреса. Программа устанавливает D0=1, если бревно бракованное, иначе D0=0.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|
|
