Смесительное устройство на базе микроконтроллера Philips P89C51RD2

Министерство образования Российской Федерации

Уральский государственный технический университет

Кафедра Автоматика и управление в технических системах

Смесительное устройство на базе микроконроллера Philips P89C51RD2

Курсовой проект

Пояснительная записка

1909 420 000 010 ПЗ

Руководитель Мокрецов В. П.

Студент Ковалевский Н. С.

Р-311а Мансуров А. А.

Екатеринбург 2003

РЕФЕРАТ

В рамках данного курсового проекта было разработанно смесительное устройство под управлением микроконтроллера фирмы Phillips, модель P89C51RD2. Кроме указанного микроконтроллера устройство включает в себя аналого-цифровой преобразователь К1108ПВ1А, датчик уровня жидкости и схемы управления.

Устройство может применяться для управления уровнем жидкости в какой-либо емкости а также для приготовления смесей с различными пропорциями вхождения компонентов.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Описание структурной схемы

2. Принципиальная схема, выбор элементной базы

2.1 Описание работы принципиальной схемы

2.2 Схема аналоговой части

2.3 Построение АЦП

2.4 Построение ЦАП

ВВЕДЕНИЕ

Развитие микроэлектронной и микропроцессорной техники и широкое применение её изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса.

В микроэлектронике бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных микроконтроллеров, которые предназначены для «интеллектуализации» оборудования различного назначения. Использование микроконтроллеров в системах управления подобных объектов обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости.

1. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Датчик производит замер уровня жидкости в резервуаре и передает эти данные на АЦП, где они преобразуются в цифровой 8-ми разрядный параллельный код. Эта информация обрабатывается МК в соответствии с программой из ЭВМ, и результирующие сигналы поступают на усилитель, и далее к задвижкам сосудов.

2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА, ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

2.1. Описание работы принципиальной схемы

Принципиальная схема устройства приведена в приложений 1.

На принципиальной схеме реализован автоматический сброс по включению питания путём подключения входа RST к U_cc через цепочку VD5, R7, C5, R8

2. 2. Схема включения согласующего операционного усилителя К544УД2

Мы используем схему подключения согласующего операционного усилителя для преобразования двухполярного входного напряжения. В ней используется инвертирующий режим усиления (по отношению к U_вх) и диодная схем защиты АЦП при перегрузках. Напряжение на входе АЦП связано с входным сигналом следующим соотношением

U_IRN = - KU_вх + (1 + K)U_REF1

где K = R₄/(R₅ + R₆) - коэффициент передачи усилителя

U_REF1 - опорное напряжение на не инвертирующем входе ОУ

(задается делителем R1-R3)

В нашем случае для диапазона преобразования U_вх = 0-2,5В выбираются К = 0,58 и опорный уровень U_REF1 = 0,905 В (при U_REF = 2,5 В). Настройка коэффициента передачи осуществляется сопротивлением резистора R5, после чего резистором R2 устанавливается нуль на середину передаточной характеристики АЦП.

При U_вх = -2,5В на АЦП появляется выходной код 11..11.

Схема защиты входа АЦП от перегрузок работает следующим образом. Диоды VD1 и VD2, включенные параллельно резистору обратной связи R4, образуют двухсторонний ограничитель. Диод VD4 и стабилитрон VD3, смещенные постоянным током от источников 15 и -15В, задают уровни ограничения в отрицательной и положительной областях (относительно U_REF1).

Диод VD5 обеспечивает защиту входа АЦП в случае отключения источников питания ОУ или выхода его из строя.

Данная схема включения согласующего ОУ универсальна и позволяет использовать АЦП К1108ПВ1А в режиме максимального быстродействия. При работе БИС АЦП с быстродействующим ОУ типа К544УД2, тщательном монтаже и оптимальной схеме коррекции ОУ время установления процессов в согласующей схеме на уровне 0,1% не превышает 1 мкс.

Операционный усилитель типа К574УД1 имеет следующие характеристики

U_cc = 15 В; U_вых 10 мВ; I_вх 0,5 нА; I_потр 10 мА

Потребляемая мощность составляет

P_потр = 150 мВт

2.3. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Мы используем микросхему быстродействующего функционально законченного АЦП последовательного приближения К1108ПВ1А предназначенную для преобразования аналогового сигнала в двоичный параллельный цифровой код.

Микросхема рассчитана на преобразование однополярного входного напряжения в диапазоне от 0 до 3 В, при максимальной частоте преобразования 1,33 МГц для восьмиразрядного режима.

Для работы АЦП К1108ПВ1А требуется несколько внешних керамических конденсаторов и источники напряжения U_cc1 = 5 В 5% и U_cc2 = -5,2 В5%. Мощность потребляемая от источников питания, не превышает 0,85 Вт. Конденсатор С9 необходим для частотной коррекции ОУ и фильтрации помех.

Для работы в восьмиразрядном режиме вход SE10/8 соединяется с шиной отрицательного источника питания U_cc2 .

Цикл преобразования в режиме восьмиразрядного АЦП состоит из 10 тактов (восемь рабочих в процессе кодирования и по одному служебному в начале и конце цикла преобразования).

Цикл начинается с первым отрицательным фронтом тактового импульса после поступления команды ST. Во время первого служебного такта осуществляется сброс регистров и установление напряжения на входе селектора опорных уровней.

В течение следующих восьми тактов происходит кодирование аналогового сигнала при условии, что он зафиксирован на входе АЦП.

На десятом такте код из регистра хранения переписывается в выходной регистр, после чего формируется сигнал готовности данных. Появление на выходе RAD сигнала логический 0 свидетельствует о смене информации в выходном регистре и ее хранении весь следующий цикл преобразования.

Для считывания информации необходимо подать на вход ERD сигнал логический 0.

Запуск АЦП считается устойчивым, если сигнал ST подается в течение одного периода тактовой частоты с момента начала очередного цикла (t = 1мкс).

К ТТЛ ЦИС микросхема К1108ПВ1А подключается без дополнительных устройств сопряжения.

Назначение выводов ИС

Микросхема К1108ПВ1А имеет следующие характеристики

(U_cc1 = 5,25 В; U_cc1 = -5,25 В; U¹_вых 2,4 В; U⁰_вых 0,4 В; I_{потр сс1} 50 мА;

I_{потр сс2} 130 мА; I⁰_вх 2,5 мА; I¹_вх 0,4 мА; I⁰_вых 3,2 мА; I¹_вых 0,1 мА; t_здр 60 нс )

Потребляемая мощность микросхемы К1108ПВ1А равна:

P_потр 850 мВт

2.4. Устройство управления на микроконтроллере Philips P89C51RD2

Общие характеристики:

Микроконтроллер Philips P89C51RD2 имеют следующие аппаратные особенности:

· Внутреннее ОЗУ объёмом 1 Кбайт;

· Четыре двунаправленных побитно настраиваемых восьмиразрядных порта ввода-вывода;

· Два 16-ти разрядных таймера-счётчика;

· Встроенный тактовый генератор;

· Адресация 64 Кбайт памяти программ и 64 Кбайт памяти данных;

· Две линии запросов на прерывание от внешних устройств;

· Интерфейс UART для последовательного обмена информацией с другими микроконтроллерами или персональными компьютерами.

Рис.4. Функциональная схема микроконтроллера семейства 8051.

Цоколевка микроконтроллера приведена на рис 4.

Рис 5. Микроконтроллер Philips P89C51RD2

Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой n-МОП технологии. Через 4 программируемых параллельных порта ввода/вывода и один последовательный порт микроконтроллер взаимодействует с внешними устройствами. Основу структурной схемы образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой основные узлы и устройства микроконтроллера: память программ, память данных, арифметико-логическое устройство, блок регистров специальных функций, устройство управления и порты ввода/вывода (P0-P3).

Арифметико-логическое устройство.

8-битное арифметико-логическое устройство (ALU) может выполнять арифметические операции сложения, вычитания, умножения и деления; логические операции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, а также операции циклического сдвига, сброса, инвертирования и т.п. К входам подключены программно-недоступные регистры, предназначенные для временного хранения операндов, схема десятичной коррекции и схема формирования признаков результата операции (PSW). Также в ALU реализуется механизм каскадного выполнения простейших операций для реализации сложных команд. Важной особенностью ALU является его особенность оперировать не только байтами, но и битами, т.к. для управления объектами часто применяются алгоритмы, содержащие операции над входными и выходными булевыми переменными, реализация которых средствами обычных микропроцессоров сопряжена с определёнными трудностями.

Таким образом, ALU может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевыми (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В ALU выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путём комбинирования операции и режима адресации базовое число команд расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

Память программ (ПЗУ).

Как и у большинства микроконтроллеров, у микроконтроллеров семейства 8051, память программ и память данных являются самостоятельными и независимыми друг от друга устройствами, адресуемыми различными командами и управляющими сигналами PSEN, RD#, WR#. Объём встроенной памяти программ равен 64 Кбайт (адреса 0000Н..FFFFН). При обращении к внешней памяти программ все микроконтроллеры семейства 8051всегда используют 16-ти разрядный адрес, что обеспечивает им доступ к 64 Кбайт ПЗУ (адреса 1000Н..FFFFH). Микроконтроллер обращается к программной памяти при чтении кода операции и операндов (используя счётчик команд РС), а также при выполнении команд переноса байта из памяти программ в аккумулятор. При выполнении команд переноса данных адресация ячейки памяти программ, из которой будут прочитаны данные, может осуществляться с использованием как счётчика РС, так и специального двухбайтового регистра - указателя данных DPTR.

Память данных (ОЗУ).

Объём расположенной на кристалле памяти данных - 1 Кбайт (адреса 000Н..3FFH). Объём внешней памяти данных может достигать 64 Кбайт (адреса 0000Н..FFFFH). Первые 32 байта организованы в 4 банка регистров общего назначения, обозначаемых соответственно банк 0-банк 3. Каждый из них состоит из 8-ми регистров R0-R7. В любой момент программе доступен только один банк регистров, номер которого содержится в третьем и четвёртом битах слова-состояния программы PSW.

Оставшееся адресное пространство может конфигурироваться разработчиком по своему усмотрению: в нём располагаются стек, системные и пользовательские области данных. Обращение к ячейкам памяти данных возможно двумя способами. Первый способ - прямая адресация ячейки памяти. В этом случае адрес ячейки памяти является операндом соответствующей команды. Второй способ - косвенная адресация с помощью регистров R0 и R1: перед выполнением соответствующей команды в один из них должен быть занесён адрес ячейки, к которой необходимо обратиться.

Часть памяти данных представляет собой так называемую битовую область, в ней имеется возможность при помощи специальных битовых команд адресовываться к каждому разряду ячеек памяти. Адрес прямо адресуемых битов может быть записан в виде (Адрес байта).(Разряд), либо в виде абсолютного битового адреса.

Устройство управления и синхронизации.

Кварцевый резонатор, подключаемый к внешним выводам микроконтроллера, управляет работой внутреннего генератора, который в свою очередь формирует сигналы синхронизации. Устройство управления на основе сигналов синхронизации формирует машинный цикл фиксированной длительности, равной 12 периодам резонатора. Большинство команд микроконтроллера выполняется за один машинный цикл. Некоторые команды, оперирующие с 2-байтными словами или связанные с обращением к внешней памяти, выполняются за 2 машинных цикла. Только команды деления и умножения требуют четырёх машинных циклов. На основе этих особенностей работы устройства управления производится расчёт времени исполнения прикладных программ.

На схеме микроконтроллера к устройству примыкает регистр команд (IR). В его функцию входит хранение кода выполняемой команды.

Входные и выходные сигналы устройства управления и синхронизации:

· PSEN-разрешение программной памяти;

· ALE-выходной сигнал разрешения фиксации адреса;

· PROG-сигнал программирования;

· EA-блокировка работы с внутренней памятью;

· VPP-напряжение программирования;

· RST-сигнал общего сброса;

· VPD-вывод резервного питания памяти от внешнего источника;

· XTAL-входы подключения кварцевого резонатора.

Организация портов ввода/вывода.

· Количество портов- 4. Название-Р0…Р3, они адресуются как регистры специальных функций.

· Разрядность - 8 с возможностью побитной адресации разрядов.

· Направление обмена информацией через порты - все порты двунаправленные, причём имеется возможность в каждом порту часть разрядов использовать для ввода данных, а часть для вывода.

Из-за ограниченного количества выводов корпуса ИМС микроконтроллера, большинство выводов используется для выполнения двух функций - в качестве линий портов и для альтернативных функций.

· Порты Р0, Р1 и Р2 используются при обращении к внешней памяти. При этом на выходах Р0 младший байт адреса внешней памяти мультиплексируется с вводимым/выводимым байтом. Выходы Р2 содержат старший байт адреса внешней памяти, если адрес 16-ти разрядный. При использовании 8-разрядного адреса портом Р2 можно пользоваться для ввода/вывода информации обычным образом. При обращении к внешней памяти в Р0 автоматически заносятся 1 во все биты. Информация в Р2 при этом остаётся неизменной.

· Порт Р3 помимо обычного ввода и вывода информации используется для формирования и приёма специальных управляющих и информационных сигналов. Разряды порта (все или частично) при этом могут выполнять следующие альтернативные функции:

Вывод порта Альтернативная функция

Р3.0 RxD-вход последовательного порта

Р3.1 TxD-выход последовательного порта

Р3.2 INT0-внешнее прерывание 0

Р3.3 INT1-внешнее прерывание 1

Р3.4 T0-вход таймера-счётчика 0

Р3.5 T1-вход таймера-счётчика 1

Р3.6 WR-строб записи во внешнюю память данных

Р3.7 RD-строб чтения из внешней памяти данных