Микропроцессорное устройство измерения уровня напряжения

Министерство  образования и науки Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 им. А.Н. ТУПОЛЕВА

 
 
 
 

Кафедра    ПИИС

 
 
 
 

Курсовая  работа по дисциплине:

«Проектирование микропроцессорных  приборных устройств»

На тему:

 

Микропроцессорное устройство измерения      уровня напряжения

 
 
 
 

Выполнила: студ. гр. 3501

_____________Мурзаева  К.А.

 
 

Принял:ст. преп.каф.ПИИС

_______________Семко  М. В.

 

                                                                                                         

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Казань  2010

     Содержание

 

Введение

1. Обоснование  требований предъявляемых к микроконтроллеру, на

     основе которого реализуется микропроцессорное устройство

2. Обоснование метода измерения и анализ погрешности измерения

3. Описание используемых модулей и регистров специального назначения

4. Разработка  и описание электрической принципиальной  схемы устройства

5. Описание принципа действия и построение блок – схемы алгоритма

     работы разрабатываемого устройства

5.1. Алгоритм основной программы

5.2. Алгоритм инициализации МК

5.3 Алгоритм программы задержки в 20 мс

5.4 Алгоритм измерения, осреднения результата

5.5 Алгоритм получения числового эквивалента

5.6 Алгоритм перевода из 2го кода в двоично-десятичный

5.7 Алгоритм вывода на 7-сегментный индикатор

Заключение

Использованная  литература

 
 
 
 
 
 
 
 

 

     Введение

 

     Целью курсовой работы является разработка устройства измерения  уровня напряжения аналогового сигнала на основе микроконтроллера. В качестве микроконтроллера выбирается МК PIC16F877.

      Микроконтроллер (МК) – разновидность микропроцессорной  системы, отличающийся тем, что содержит внутри постоянную оперативную память и многочисленные устройства ввода/вывода, аналоговые и цифровые преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, широтно-импульсные модуляторы, генераторы программируемых импульсов, таймеры реального времени, модули обработки сигналов.

     МК  выполняются в различных корпусах с различным количеством выводов, которые не выполняют никаких  функций и могут быть только входами или выходами. МК классифицируются по разрядности данных: 4-х, 8-ми, 16-ти, 32-х разрядные. МК различаются системой команд (набор двоичных кодов, который определяет перечень всех возможных операций). Каждый код определяет команду.

     Общие тенденции современных МК – это  уменьшение числа внешних элементов, т.е. на кристалле микросхемы размещают всевозможные нагрузочные  («подтягивающие») резисторы, конденсаторы, цепи логики и т.д. По совокупности функциональных возможностей и технических характеристик интерфейсные МК ориентированы на реализацию управления различными приборами и устройствами, в том числе, информационно-измерительными и контрольно-диагностическими.

 

 

1. Обоснование требований  предъявляемых к  микроконтроллеру, на  основе которого реализуется микропроцессорное устройство

 

     Согласно  техническому заданию при выборе микроконтроллера (МК) следует учитывать  следующие требования:

1. МК должен тактироваться от генератора с частотой 20МГц;
2. Управление работой МК осуществлять с помощью внешнего сигнала задаваемого кнопкой;
3. Необходимое количество портов ввода- вывода для подключения источника сигнала, управляющей кнопки и 7-мисегментных индикаторов(3 значащих разряда);
4. Наличие АЦП и его высокая разрядность, для уменьшения погрешности аналогово-цифрового преобразования;
5. Обеспечить автономное питание МК.

     В соответствии с требованиями, предъявляемыми к разрабатываемому микроконтроллерному  устройству, выбираем микроконтроллер  PIC16F877.

     Структура МК PIC16F877 представлена на рисунке :

     

     Особенности МК PIC16F877:

     - аккумуляторно-зависимая система  команд (большинство команд МК  используют регистр-аккумулятор  W (рабочий регистр) в качестве одного из операндов;

     - 8-ми разрядный аппаратный стек;

     - регистровая организация памяти  данных с возможностью прямой и косвенной адресации в любой ячейке памяти;

     - одинаковый размер команд (одно  машинное слово);

     - последовательная обработка команд

     - выполнение всех инструкций за 1 машинный цикл. Кроме инструкций  переходов выполняемых за 2 цикла.

 

     Характеристики  МК PIC16F877:

     - Высокоскоростная RISC архитектура;

     - 35 инструкций;

     - Все команды выполняются за  один цикл, кроме инструкций перехода,    выполняемых за два цикла;

     - Тактовая частота: 

     - DC – 20МГц, тактовый сигнал

     - DC – 200нс, один машинный цикл

     - До 8к 14 слов FLASH памяти программ

     - До 368 8 байт памяти данных (ОЗУ)

     - До 256 8 байт EEPROM памяти данных

     - Совместимость по выводам с  PIC16C73B\76\77

     - Система прерываний (до 14 источников)

     - 8-уровневый аппаратный стек

     - Прямой, косвенный и относительный  режим адресации

     - Сброс по включению питания(POR)

     - Таймер сброса (PWRT) и таймер ожидания запуска генератора (OST) после включения питания

     - Сторожевой таймер WDT с собственным RC генератором

     - Программируемая защита памяти программ

     - Режим энергосбережения SLEEP

     - Выбор параметров тактового генератора

     - Высокоскоростная, энергосберегающая  CMOS FLESH/EEPROM технология

     - Полностью статическая архитектура

     - Программирование в готовом устройстве (используется два вывода микроконтроллера)

     - Низковольтный режим программирования

     - Режим внутрисхемной отладки  (используется два вывода микроконтроллера)

     - Широкий диапазон напряжений  питания от 2,0 В до  5,5В

     - Повышенная нагрузочная способность  портов ввода/вывода (25мА)

     - Малое энергопотребление:

     - <0,6мА @ 3,0 В , 4,0МГц

     - 20мкА @ 3,0 В , 32кГц

     - <1мкА в режиме энергосбережения

 

     Характеристика  периферийных модулей:

      - Таймер 0: 8-миразрядный таймер/счетчик  с 8-миразрядным программируемым  предделителем;

      - Таймер 1: 16-тиразрядный таймер/счетчик с возможностью подключения внешнего резонатора

      - Таймер 2: 8-миразрядный таймер/счетчик  с 8-миразрядным программируемым  предделителем и выходным делителем;

      - два модуля захват/сравнение/ШИМ  (ССР):

- 16-тиразрядный  захват (максимальная разрешающая способность 12,5нс);

- 16-тиразрядное  сравнение (максимальная разрешающая  способность 200 нс);

- 10-тиразрядный  ШИМ;

      - многоканальное 10-разрядное АЦП;

      - последовательный синхронный порт  MSSP:

            - ведущий/ведомый  режим SPI

            - ведущий/ведомый режим I²C

      - последовательный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART с поддержкой детектирования адреса

      - ведомый 8-разрядный параллельный  порт PSP с поддержкой внешних сигналов –RD,-WR,-CS

      - детектор пониженного напряжения (BOD) для сброса по снижению напряжения питания (BOR).

 

      2.Обоснование  метода измерения  и анализ погрешности  измерения

       

     Для измерения уровня напряжения аналогового  сигнала в микроконтроллере PIC16F877 существует 8-канальный модуль аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Модуль АЦП обеспечивает преобразование аналогового входного сигнала в соответствующий 10-разрядный цифровой код. АЦП использует метод последовательного приближения.

     Измеряемый  аналоговый сигнал необходимо подать на аналоговый вход. Можно использовать входы RA0, RA1, RA2, RA3, RA5, RE0, RE1, RE2. При этом также необходимо обеспечить подачу опорного напряжения на входы опорного напряжения модуля АЦП, тем самым задавая диапазон измерения. Входной аналоговый сигнал через коммутатор каналов заряжает конденсатор АЦП. Модуль АЦП преобразует напряжение, удерживаемое на конденсаторе в соответствующий 10-разрядный код. Источник верхнего и нижнего опорного напряжения может быть выбран программно с выводов V_DD, V_ss, RA3 или RA2.

     Погрешность АЦП рассчитывается исходя из того, что модуль АЦП имеет 10 разрядов. Следовательно максимальное число отсчетов, которое можно получить это 1024. Обычно погрешность не более чем  ±1 единица младшего разряда (ЕМР).

     В данной курсовой работе измеряется напряжения аналогового  сигнала в диапазоне от -2В до 2В. Так как используем 10-разрядный АЦП, определим погрешность:

     

     Такая погрешность нас устраивает, так  как мы используем 3 значащих разряда  индикатора,  а, следовательно, абсолютная погрешность составляет 0.01В.   

     Относительная погрешность будет следующей:

     

 

     3.Описание  используемых модулей  и регистров специального  назначения МК  при решении поставленной  задачи

 

     Регистр состояния STATUS, находится во всех банках (адреса 03h, 83h, 103h,183h). Содержит флаги (признаки) состояния АЛУ, флаги сброса МК и биты управления банками памяти.

     Регистры управления АЦП:

     ADCON0 (0 банк – 1Fh) регистр ADCON0 используется для настройки работы модуля АЦП. Биты 7-6 ADCS0 выбор источника тактового сигнала, биты 5-3 выбор аналогового канала, бит 2 GO бит статуса модуля АЦП, , бит 0 ADON бит включения модуля АЦП.