Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Разработка принципиальной схемы МКС

2. Схемы подключения линейного дисплея и клавиатуры

1. Разработка принципиальной схемы МКС

Микроконтроллер типа АТ 89С 51 (далее МК) выпускается в корпусе типа cerDIP40. Условное графическое изображение МК приведено на рисунке 1, назначение выводов - в таблице 1

Рисунок 2.1 - Условное графическое обозначение микроконтроллера

Выходы портов в статическом режиме при низком уровне сигнала могут пропускать ток нагрузки величиной до 10 мА, при этом суммарный ток нагрузки для порта Р 0 должен быть не более, чем 26 мА, а для остальных портов не более, чем 15 мА. Суммарный ток нагрузки для всех выходов микроконтроллера должен быть не более, чем 71 мА. В динамическом режиме к выходу порта Р 0 могут быть подключены 8 входов TTL, а к выходу портов Р 1, Р 2, РЗ - по четыре входа TTL.

В состав МК (см. рисунок 2) входят:

- процессор (CPU);

- внутреннее постоянное запоминающее устройство (IROM);

- внутреннее оперативное запоминающее устройство (IRAM);

- группа периферийных устройств.

К микроконтроллеру могут быть подключены внешнее запоминающее устройство (EROM) и внешнее оперативное запоминающее устройство (ERAM).

Таблица 1 - Назначение выводов микроконтроллера

На рис. 2.2 приведена типовая схема подключения микроконтроллера АТ 89С 51, имеющего внутреннюю память программ объемом 4 Кбайт.

Для обеспечения генерации тактовой частоты к выводам XTAL1 и XTAL2 подключен кварцевый резонатор ZQ1. Частота резонатора выбирается из условия = и должна быть в диапазоне 4…24 МГц [1].

Конденсаторы С 2,С 3 служат для облегчения запуска внутреннего генератора. Цепочка С 1,R1 обеспечивает сброс МК при подаче электропитания.

С помощью кнопки SB1, расположенной на пульте управления, сброс МК может выполнить оператор в любой момент времени. На вывод EA подан высокий уровень, что разрешает работу внутренней памяти программ. Конденсатор С 4 служит для фильтрации высокочастотных помех, возникающих на выводах источника питания при работе микросхемы.

К выводам порта Р 0 присоединены "подтягивающие" резисторы R2-R9, которые обеспечивают ток для входов микросхем ТТЛ, подключенных к этому порту, при высоком логическом уровне, когда все линии Р 0 находятся в z-состоянии. Порты Р 1,Р 2,Р 3 имеют внутренние "подтягивающие" резисторы.

Рис. 2.2 Схема подключения микроконтроллера с внутренней памятью программ

Увеличение линий ввода-вывода микроконтроллера

При разработки МКС часто возникает необходимость увеличения количества линий ввода-вывода микроконтроллера. Для этих целей используются параллельные регистры микросхем ТТЛ-серий КР 1533 и К 555, например, КР 1533ИР 33. Обычно регистры подключаются к порту P0 микроконтроллера, который имеет в 2 раза большую нагрузочную способность, чем порты P1,P2 и P3, а также больше функциональных возможностей [1, 2]. Способ подключения регистров к порту P0 определяется режимом его работы. Порт P0 может работать в одном из двух режимов статическом и динамическом. При работе в статическом режиме его выходы могут быть в одном из двух состояний низкого или высокого уровня ТТЛ. В динамическом режиме его выходы могут иметь еще третье или z-состояние. В статическом режиме порт P0 может работать только в МК, имеющих внутреннюю память программ. В динамическом режиме порт P0 работает в МК с внешней памятью программ или внешней памятью данных.

На рис. 2.3 приведена схема подключения регистров КР 1533ИР 33 к МК с целью увеличения количества линий ввода-вывода. МК в этой схеме использует внутреннюю память программ. При этом порт P0 работает в статическом режиме, что требует "подтягивающих" резисторов на его выводах. Управление регистрами производится от порта P2. Регистр DD2 осуществляет вывод данных из МК, т.е. он выполняет функцию порта вывода в МКС. При сигнале C=1 триггеры регистра открыты ("прозрачны") и информация с входов DI поступает на выходы DO, т.е. выполняется вывод данных из МК через порт P0 на внешние устройства системы. При С=0 входы триггеров регистра DD2 закрываются, а информация на выходах DO запоминается (триггеры "защелкиваются"). Для исключения z-состояния выходов DO регистра на вывод OE подается низкий уровень. Регистр DD3 осуществляет ввод данных из внешних устройств в МК через порт P0, т.е. он выполняет функцию порта ввода в МКС. На его управляющем входе C постоянно присутствует высокий уровень, поэтому триггеры регистра открыты и принимают информацию с линий ввода. Однако на выходы DO регистра информация поступает через выходные буферы, которые управляются сигналом на выводе OE. При OE=1 выходные буферы DD3 находятся в z-состоянии (закрыты), и выходы DO оказываются отключенными от выводов порта P0 микроконтроллера. Для передачи информации из триггеров DD3 необходимо на OE подать низкий уровень, который откроет выходные буферы регистра.

После сброса МК, например, при включении электропитания, все порты МК настроены на ввод, при этом на их выводах будут высокие уровни (логические 1). Следовательно, в схеме на рис. 2.3 на выходах DD2 будут также логические 1, а выходы DD3 будут в z-состоянии. Обычно в начальном состоянии (после пуска) на линии вывода портов МКС выводятся логические нули. Для этого в программе инициализации МКС следует включить команды

MOV R0,#01H ; Адрес DD3

MOVX @R0,A ; Вывод в порт DD3 из аккумулятора

Для ввода данных в МК из регистра DD4 можно использовать команды

MOV R0,#02H ; Адрес DD4

MOVX A,@R0 ; Ввод из порта DD4 в аккумулятор

Рис. 2.3 Увеличение линий ввода-вывода МК при статическом режиме работы порта P0

КР 1533ИР 33

Цифровая интегральная схема транзисторной логики с диодами Шоттки серии ТТЛ.

Микросхемы КР 1533ИР 33 представляют собой восьмиразрядный буферный регистр. микроконтроллер транзисторный ток

Применение выхода с тремя состояниями и увеличенная нагрузочная способность обеспечивает работу непосредственно на магистраль без дополнительных схем интерфейса.

Содержат 414 интегральных элементов.

Корпус КР 1533ИР 33 типа 2140.20-8, масса не более 2,6 г.

Напряжение питания: 5.0 В ± 10%.

Диапазон рабочих температур: -10...+70 °С.

Рис. 2.4 Условное графическое обозначение Регистра КР 1533ИР 33

Схемы ввода цифровых и аналоговых сигналов

На рис. 2.5 приведена функциональная схема ввода цифровых и аналоговых сигналов при использовании АЦП типа К 1113ПВ 1. Микросхема DA1 КР 590КН 6 является коммутатором аналоговых входных сигналов U1-U5. Переключение входных каналов коммутатора выполняется цифровыми сигналами уровней ТТЛ, подаваемых на адресные входы А 1 и А 0. Таблица истинности коммутатора приведена ниже. Операционный усилитель DA2 включен по схеме повторителя и служит для устранения влияния низкоомного входа АЦП на коммутатор. Особенностью микросхемы К 1113ПВ 1 является то, что в ней отсутствует возможность управления выходными буферами выдачи цифрового кода [3]. После запуска АЦП выходы буферов будут в z-состоянии. Когда преобразование закончится (сигнал на выводе станет равным 0), выходы буферов переходят в активный режим и на выводах D0-D9 появится цифровой код, который будет неизменным до нового запуска АЦП. В схеме на рис. 2.5 разряды D0-D7 выходного кода АЦП подаются на входы буферного регистра DD2, а два старших разряда D8,D9 - на входы регистра DD3. Сигнал готовности данных АЦП и цифровые входные сигналы Х 1-Х 4 подаются на входы DD3. Выходы регистров DD2 и DD3 соединены с выводами порта Р 0 МК. Управление выходными буферами регистров осуществляется от линий Р 3.3 и Р 3.4. При Р 3.3=1, Р 3.4=1 выходы регистров DD2, DD3 находятся в z-состоянии и они отключены от выводов порта Р 0. Запуск АЦП выполняется сигналом от линии Р 1.3. Переключение каналов коммутатора производят сигналы с линий Р 1.0, Р 1.1 микроконтроллера.

Рис. 2.5 схема ввода цифровых и аналоговых сигналов при использовании АЦП типа К 1113ПВ 1

К 590КН 6, КР 590КН 6 - восьмиканальные аналоговые коммутаторы с дешифратором. Микросхемы представляют собой восьмиканальные аналоговые коммутаторы с дешифраторами. На рис.2.6 приведена функциональная схема, а на рис.2.7 - условное графическое обозначение микросхем К 590КН 6, КР 590КН 6.

Рис.2.6 Функциональная схема коммутатора К 590КН 6, КР 590КН 6

Рис.2.7 Условное графическое обозначение микросхем К 590КН 6, КР 590КН 6

Назначение выводов:

1 - логический вход;

2 - вход "Разрешение";

3 - питание ;

4 - 1-й аналоговый вход;

5 - 2-й аналоговый вход;

6 - 3-й аналоговый вход;

7 - 4-й аналоговый вход;

8 - аналоговый выход;

9 - 8-й аналоговый вход;

10 - 7-й аналоговый вход;

11 - 6-й аналоговый вход;

12 - 5-й аналоговый вход;

13 - питание ;

14 -общий;

15 - логический вход 22;

16 - логический вход 21.

В табл.1 приведены состояния аналоговых каналов коммутаторов в зависимости от логических сигналов на входах дешифратора 22, 21, 20 и входе разрешения Е.

Таблица 1 Состояния каналов коммутаторов К 590КН 6, КР 590КН 6

Логические входы	Открыт канал
22	21	20	Е
0 0 0 0 1 1 1 1 х	0 0 1 1 0 0 1 1 х	0 1 0 1 0 1 0 1 х	1 1 1 1 1 1 1 1 0	1 2 3 4 5 6 7 8 Все закрыты
х - безразличное состояние

Электрические параметры

Номинальное напряжение питания:

. +15 В

. -15 В

Ток потребления от источника , не более 1 mA

Ток потребления от источника , не более 15 мкA

Сопротивление в открытом состоянии, не более 300 Ом

Время включения, не более 300 нс

Входное напряжение:

низкого уровня 0…0,8 В

высокого уровня 4…16,5 В

Коммутируемое напряжение 15 В

Коммутируемый ток 20 mA

БИС функционально завершенного АЦП типа К 1113ПВ 1(А, Б, В) предназначена для применения в электронной аппаратуре в составе блоков аналогового ввода. Микросхема выполняет функцию 10-разрядного аналого-цифрового преобразования однополярного или двухполярного сигнала с представлением результатов преобразования в параллельном двоичном коде. Для её эксплуатации необходимо только два источника питания. Микросхема К 1113ПВ 1 выпускается в 18-выводном герметичном металлокерамическом корпусе с двухрядным расположение выводов. Условное графическое обозначение БИС К 1113ПВ 1 приведено на рис.2.8



Рис.2.8 Условное обозначение БИС К 1113ПВ 1

Назначение выводов:

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 18 - выводы цифрового кода;

1 - (МЗР) - младший значащий разряд;

18 - (СЗР) - старший значащий разряд;

10 - () - напряжение источника питания;

11 - (В/) - гашение/ преобразование;

12 - () - напряжение источника питания;

13 - (AI) - аналоговый вход;

14 - (GA) - аналоговая общая шина (аналоговая земля);

15 - (V) - управление сдвигом нуля;

16 - (GD) - цифровая общая шина (цифровая земля);

17 - () - готовность данных;

2. Основные электрические параметры

Номинальное напряжение питания:

5В

-15В

Ток потребления, не более:

от первого источника 10 mA

от второго источника 20 mA

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы в однополярном режиме 4 ед. МЗР

Время преобразования, не более 30 мкс

Входное сопротивление в цепи аналогового входа, типовое значение…...10 кОм

АЦП К 1113ПВ 1 работает по принципу последовательного приближения. Тактирование внутренних регистров АЦП обеспечивается импульсами встроенного генератора с частотой следования 300 - 400 кГц. Временные диаграммы работы АЦП приведены на рис.2.9

Рис.2.9 Временные диаграммы работы АЦП К 1113ПВ 1

АЦП К 1113ПВ 1 может работать в режиме однополярного входного напряжения в диапазоне от 0 до 10,24 В или в режиме двухполярного входного напряжения в диапазоне от -5,12 В до 5,12 В. Переключение режима работы производится по входу V. Если V=0, то преобразуется сигнал от 0 до 10,24 В, если же V=1, то преобразователь работает в двухполярном режиме (= -5,12..5,12 В). Типовая схема включения АЦП в однополярном режиме представлена на рис.2.10

Рис.2.10 Схема включения АЦП К 1113ПВ 1

К 1401УД 1 - счетверённый токоразностный усилитель с внутренней частотной коррекцией и входным каскадом Нортона. Предназначен для использования в схемах с одним источником питания.

Рис.2.11 Цоколёвка корпуса К 1401УД 1

Рис.2.11 Электрические параметры К 1401УД 1



Рис.2.12 Схема включения К 1401УД 1

Схемы вывода управляющих сигналов

В проектируемой МКС имеются 3 управляющих сигнала Y1, Y2, Y3. Эти сигналы представляют собой одиночные импульсы ТТЛ - уровней, поступающие на исполнительные устройства МКС. Управляющие сигналы снимаются с портов МК. Однако следует учитывать, что нагрузочная способность портов P1, P2, P3 мала:

1,6 мА, 40 мкА [2]. Емкость нагрузки не должна превышать 150 пФ. Для увеличения нагрузочной способности линий портов МК следует использовать усилительные элементы. Это обычно микросхемы, имеющие выходы с открытым коллектором.

На рис. 2.13 приведена схема формирования управляющих сигналов МКС. В схеме используется повторитель К 155ЛП 9. При сигнале на входе уровня логической 1 на выходе будет также 1.

Рис. 2.13 Схемы вывода управляющих сигналов Y1,Y2,Y3

Таблица 2 Основные параметры логических элементов К 155ЛП 9

Рис. 2.14 Условное графическое обозначение и цоколёвка К 155ЛП 9

Схемы подключения светодиодных индикаторов

В проектируемой МКС на пульте управления имеются светодиоды для индикации значений входных сигналов X1, X2, X3, X4, X5 и управляющих Y1, Y2, Y3. На рис. 2.15 приведён вариант схемы подключения светодиодов индикации Светодиод загорается при поступлении логической 1 на соответствующий вход регистра DD8. Управление регистрами осуществляется по входу С. Если С = 1, то триггеры регистра "прозрачны", и их выходы повторяют сигналы на входах. При С = 0 триггеры "защелкиваются", т. е. запоминают состояния входов в этот момент. После этого сигналы на входах регистра DD8 могут иметь произвольное значение. Это обстоятельство позволяет использовать порт Р 0 для выполнения других функций, например, для ввода данных из АЦП.

Рис. 2.15 Схемы подключения светодиодов индикации

Регистр КР 1533ИР 33 имеет довольно мощные выходы: ток низкого логического уровня 20 мА, а ток высокого уровня 100 мкА [4,5]. Поэтому можно непосредственно управлять светодиодами без использования инверторов. Светодиоды будут гореть при низком уровне на выходах регистра. Поэтому на входы регистра необходимо подавать также сигналы низкого уровня, т.е. логические 0. Таким образом, схема на рис. 2.15 требует для управления светодиодами инверсных сигналов, которые должен выдавать порт Р 0. Светодиоды будем использовать марки АЛ 307Б. Диод АЛ 307Б относится к классу "Светоизлучающие диоды". Излучающим диодом называют полупроводниковый прибор, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока. Светодиоды выпускаются красного, оранжевого, зеленого, желтого цветов свечения, а также с переменным цветом свечения. Последние имеют два электронно-дырочных перехода. Общий свет свечения зависит от соотношения токов, протекающих через эти переходы. Светодиоды чаще всего используют как индикаторные устройства.

Таблица 3 Основные параметры диода АЛ 307Б

Таблица 4 Опто-электрические параметры диода АЛ 307Б

2. Схемы подключения линейного дисплея и клавиатуры

Семи сегментные индикаторы (ССИ) широко используются для отображения цифровой и буквенной информации. Семь отображающих элементов ССИ позволяют высвечивать десятичные и шестнадцатеричные цифры, некоторые буквы русского и латинского алфавитов, а также некоторые специальные знаки. Наиболее распространены индикаторы: светодиодные, вакуумно-люминесцентные, жидкокристаллические, вакуумно-накаливаемые. В рассматриваемой работе преобразование двоичных позиционных кодов в семи сегментные для ССИ осуществляется программно, организация МК с линейными дисплеями осуществляется статическим способом [1].

Этот способ требует наличия на входах каждого индикатора специальных буферных регистров для хранения кодов выводимых символов. Естественно, что с увеличением разрядности дисплея возрастает число дополнительных микросхем, а, следовательно, и стоимости МКС.

На рис. 2.16 приведена схема подключения четырехразрядного дисплея на семи сегментных светодиодных индикаторах при статическом управлении. Ее особенность является то, что элементы индикации непосредственно подключены к выходам регистров DD4 - DD7 без использования инверторов с открытым коллектором. Дело в том, что регистры КР 1533ИР 33 обладают высокой нагрузочной способностью: при низком уровне сигнала на выходах I вых <= 20 мА, что вполне достаточно для яркого свечения светодиодов. Однако для работы элементов индикации нужно на входы регистров DD4 - DD7 подавать инверсные значения данных с порта P0 микроконтроллера для их отображения на VD1 - VD8 и HG1 - HG4.

Цифровые индикаторы состоят из диодных элементов в виде сегментов и точек, размещенных на одной подложке и позволяющих при подаче управляющих сигналов отображать цифры, а также знаки десятичной точки, переполнения, плюса, минуса. Применяются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники, информационных табло, калькуляторах, часах и пр

Индикаторы выбираются марки АЛС 333Б с характеристиками приведёнными ниже. Они имеют раздельные катоды [8]. Индикатор HG1 отображает младшую десятичную цифру, а HG4 - старшую. В разрабатываемой МКС на пульте управления имеется простейшая клавиатура, состоящая из клавиш для переключения аналоговых сигналов с целью отображения их на индикаторах дисплея, а также переключателя (тумблера) для ввода режима работы МКС. Клавиатуры по методу аппаратурной реализации бывают двух видов: кодирующие и не кодирующие [1].

В кодирующих клавиатурах каждый контакт подключается к отдельной линии порта ввода МК. При этом схемным путем формируется код, соответствующий нажатой клавише. Благодаря простоте реализации эти клавиатуры широко применяются при небольшом числе клавиш, как правило, не более 8.

Контакты кодирующих клавиатур (переключателей и кнопок) бывают с фиксацией замкнутого состояния и без фиксации. Первые остаются в нажатом состоянии (замкнуты), вторые размыкаются после отжатия. В курсовой применена кодирующая клавиатура с фиксацией замкнутого состояния. На рис. 2.17 приведена схема подключения кодирующей клавиатуры с фиксацией замкнутого состояния, состоящей из переключателей с фиксацией, к порту МК. Переключатели SA1-SA5 служат для выбора аналоговых сигналов U1-U5, а переключатель (тумблер) SA6 - для выбора режима работы МКС: "Работа-Пульт". Особенностью переключателей SA1-SA5 является то, что они взаимозависимы, т.е. в любой момент времени может быть замкнут только один из них.



Рис.2.16 Схема подключения семисегментных светодиодных индикаторов при статическом управлении дисплеем и программной перекодировки



Рис. 2.17 Схема подключения переключателей к регистру

Технические параметры АЛС 333Б

Цвет свечения красный

Длина волны, нм 660

Минимальная сила света Iv мин.,мКд 0.2

Максимальная сила света Iv макс.,мКд 0.45

При токе Iпр.,мА 20

Количество сегментов 7

Количество разрядов 1

Схема включения. общ. катод

Высота знака, мм 12

Максимальное прямое напряжение, В 2

Максимальное обратное напряжение, В 5

Максимальный прямой ток, мА 25

Максимальный импульсный прямой ток, мА 200

Рабочая температура, С -60…70

Схемы сопряжения с последовательным интерфейсом

Разрабатываемая микроконтроллерная система должна иметь связь с внешним удаленным компьютером через последовательный интерфейс ИРПС (токовая петля). По запросу внешнего компьютера МК должен передавать данные о сигналах X1-Y3 и коды аналоговых сигналов U1-U5, получаемых с помощью АЦП. Для связи МКС с внешним компьютером используется программный метод управления передачей, так как это позволяет уменьшить число линий связи [1]. В этом случае интерфейс должен обеспечить двустороннюю передачу, т.е. от компьютера к МК (запрос) и от МК к компьютеру (передача данных).

При сопряжении МК со стандартным последовательным интерфейсом необходимо решать следующие проблемы [1]:

· согласование уровней сигналов интерфейса с уровнями ТТЛ МК;

· поддержание стандартной скорости приемо-передачи;

· поддержание стандартных форматов посылки;

· поддержание стандартных протоколов обмена.

На рис. 2.18 приведена схема сопряжения с интерфейсом ИРПС (токовая петля 20 мА). Принимаемые данные (импульсы тока 20 мА в цепи +ПрД/-ПрД) преобразуются в уровни ТТЛ с помощью оптрона V1 и инвертора DD1(К 155ЛН 3). Оптрон также обеспечивает гальваническую развязку передатчика (компьютера) и приемника (МК). Передаваемые данные (импульсы тока 20 мА в цепи +ПД/-ПД) образуются из уровня ТТЛ с помощью инвертора DD2 (К 155ЛН 3) и оптрона V2, который также обеспечивает гальваническую развязку передатчика (МК) и приемника (компьютера). Схема требует дополнительный источник питания Uп 1 напряжением 12 В, гальванически не связанный с источником +5В питания МК.



1,3,5,9,11,13 - входы; 2,4,6,8,10,12 - выходы;

7 - общий; 14 - напряжение питания;

Рис.2.19 Условное графическое обозначение К 155ЛН 3

Микросхема К 155ЛН 3 представляет собой шесть логических элементов НЕ с повышенным коллекторным напряжением.

Рис.2.18 Схема сопряжения МК с интерфейсом ИРПС

Электрические параметры К 155ЛН 3

1 Номинальное напряжение питания 5 В 5 %

2 Выходное напряжение не более 30 В

3 Входной ток низкого уровня не более -1,6 мА

4 Входной ток высокого уровня не более 0,04 мА

5 Входной пробивной ток не более 1 мА

6 Ток потребления при низком уровне выходного напряжения не более 51 мА

7 Ток потребления при высоком уровне выходного напряжения не более 48 мА

8 Потребляемая статическая мощность на один элемент не более 43,3 мВт

9 Время задержки распространения при включении не более 23 нс

10 Время задержки распространения при выключении не более 15 нс

Оптопары транзисторные, состоящие из излучающего диода на основе соединения мышьяк - галлий - алюминий и составного кремниевого фототранзистора. Предназначены для использования в качестве переключателя в гальванически развязанных электрических цепях радиоэлектронной аппаратуры. Выпускаются в металлическом корпусе. Масса прибора не более 1,5 г.

Основные характеристики АОТ 110А

Входное напряжение при Iвх = 25 мА, не более 2 В

Остаточное (выходное) напряжение при Iвх = 25 мА, Iвых = 100 мА

для 3ОТ 110А, 3ОТ 110Г, АОТ 110А, АОТ 110Г, не более 1,5 В

Ток утечки на выходе при Iвх = 0, Т = +25 єC,

АОТ 110А, АОТ 110Б, АОТ 110В, не более 110 мкА

Сопротивление изоляции при Uиз = 100 В, не менее 109 Ом

Предельные эксплуатационные данные.

Коммутируемое напряжение:

3ОТ 110А, 3ОТ 110В, АОТ 110А, АОТ 110В 30 В

Обратное входное напряжение 0,7 В

Постоянный входной ток 1 при Т = -60 … +35 єC 30 мА

Амплитуда входного тока 2 при tи ? 10 мкс, Т = -60 … +35 єC 100 мА

Постоянный выходной ток при Т = -60 … +35 єC:

3ОТ 110А, 3ОТ 110Г, АОТ 110А, АОТ 110Г200 мА

Амплитуда выходного тока при tи ? 10 мс:

3ОТ 110А, 3ОТ 110Г, АОТ 110А, АОТ 110Г 200 мА

Средняя рассеиваемая мощность 3 при Т = -60 … +35 єC. 360 мВт

Размещено на Allbest.ru