Автор работы: Пользователь скрыл имя, 10 Декабря 2013 в 18:15, курсовая работа
Целью курсовой работы на тему «Дистанционный регулятор света – диммер» является подтверждение ранее полученных теоретических знаний в процессе обучения и углубления знаний по предмету, она должна быть достигнута с помощью поставленных задач:
выбор схемы в технической и справочной литературе и интернет ресурсах;
описание теоретической части сведений по микропроцессорным системам;
расчет выбранного узла;
описание принципа работы устройства;
расчет надежности схемы;
Содержание
Введение
Целью курсовой работы на тему «Дистанционный регулятор света – диммер» является подтверждение ранее полученных теоретических знаний в процессе обучения и углубления знаний по предмету, она должна быть достигнута с помощью поставленных задач:
Микроконтроллеры (МК) — разновидность микропроцессорных систем (микро-ЭВМ), ориентированных на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. Микроконтроллеры проще, чем универсальные микро-ЭВМ, и уже около 25 лет тому назад оказалось возможным размещать их на одном кристалле в виде "однокристальных микро-ЭВМ'. Микроконтроллеры — БИС такой функциональной законченности, которая позволяет решать в полном объеме задачи определенного класса с помощью одного кристалла.
Что отличает МК от универсальной микро-ЭВМ? Прежде всего, это малый объем памяти и менее разнообразный состав внешних устройств. В состав универсальной микро-ЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого быстродействия, имеется сложная иерархия ЗУ, поскольку многие задачи (автоматизированное проектирование, компьютерная графика, мультимедийные приложения и др.) без этого решить невозможно. Для МК ситуация иная, они реализуют несложные алгоритмы, и для размещения программ им требуются емкости памяти, на несколько порядков меньшие, чем у микро-ЭВМ широкого назначения. Для хранения промежуточных данных достаточна память небольшой емкости. Набор внешних устройств также существенно конкретизируется и сужается, а сами они значительно проще. В результате модули универсальной микро-ЭВМ (процессор, память, интерфейсные схемы) требовалось выполнять как конструктивно самостоятельные, тогда как МК размещается на одном кристалле, хотя и имеет модули того же функционального назначения.
Сопоставляя микропроцессор (т. е. центральный процессорный элемент достаточно сложной системы) и МК (т. е. микросхему простой системы в целом) с точки зрения коммерческих потребностей, можно видеть преобладание МК. Число пользователей МК в несколько раз превышает число пользователей микросхем МП. Применение МК поддерживается такими областями массового производства, как бытовая аппаратура, станкостроение, автомобильная промышленность, военное оборудование и т. д.
Первые МК были выпущены фирмой Intel в 1976 г. (восьмиразрядный МК 8048). В настоящее время многими поставщиками выпускаются 8-, 16-и 32-разрядные МК с емкостью памяти программ до десятков килобайт, небольшими ОЗУ данных и набором таких интерфейсных и периферийных схем, как параллельные и последовательные порты ввода/вывода, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы и др.
Среди выпускаемых МК широко известно семейство восьмиразрядных контроллеров МСS-51/151/251 и 16-разрядных МСS-96/196/296 (фирма Intel). Очень многие производители выпускают аналоги этих семейств или совместимые с ними МК. В отечественной номенклатуре это восьмиразрядные МК К1816ВЕ51, К1830ВЕ51. В последнее время фирма Intel сосредоточила усилия на разработке сложных микропроцессоров для компьютеров и уступила сектор рынка простых МК другим фирмам, в частности, фирме Atmel, которая выпускает несколько популярных семейств МК. Признанными авторитетами в области создания и производства МК являются такие фирмы, как Motorola, Microchip, Zilog и др. В настоящее время микроконтроллеры все чаще применяют в составе СБИС программируемой логики типа "система на кристалле".
Несмотря на появление новых 16- и 32-разрядных МК, наибольший успех на рынке остается за восьмиразрядными. Сейчас около половины рынка занято 8-разрядными МК, которые лидируют с большим отрывом относительно микроконтроллеров других разрядностей. На рынке восьмиразрядных микроконтроллеров доминирует следующая тройка: семейство 8051 фирмы Intel (аналоги микроконтроллеров этого семейства выпускаются несколькими фирмами), семейство АVR (фирмы Аtmel) и микроконтроллеры семейства РIС (фирмы Мicrochip). В качестве примера современного микроконтроллера далее рассмотрена микросхема из семейства АVR. Сейчас, правда, самая большая доля рынка (около 25%) все еще. принадлежит микроконтроллерам семейства 8051, за которыми следуют семейства АVR и РIС (приблизительно по 15%). Остальные микроконтроллеры по объему продаж значительно отстают от лидеров. Микроконтроллеру АVR предпочтение отдано как обладающему хорошо продуманной архитектурой и высоким быстродействием. Микросхемы АVR используют RISC-процессоры, которые в последнее время интенсивно внедряются в структуры микроконтроллеров. К тому же микроконтроллеры семейства 8051 многократно описаны в литературе, начиная с работ пятнадцатилетней давности, например, и кончая современными, например, Микроконтроллеры марки АVR подразделяются на три семейства, среди которых базовым является семейство Сlassiс. Ниже рассматривается представитель именно этого семейства, который для краткости называется просто микроконтроллером АVR.
Микроконтроллеры (далее иногда просто контроллеры) АVR имеют RISC -архитектуру и изготовляются по усовершенствованной КМОП - технологии Контроллеры семейства АVR имеют следующие параметры:
Базовая линия развития контроллеров АVR (линия Classic) насчитывает около двух десятков моделей. Далее рассматривается модель АVR 8515, обладающая повышенной функциональной полнотой и поддерживающая большую часть возможностей, характерных для всего семейства в целом.
МК АVR — восьмиразрядный RISC-микроконтроллер с Гарвардской архитектурой и пониженным энергопотреблением. Набор команд, ограниченность которого свойственна RISC -архитектурам, в данном случае необычно широк (120 команд), однако при этом сохранено основное преимущество RISC -архитектур — повышенное быстродействие и сокращенное число операций обмена с памятью программ. Почти все команды размещаются в одной ячейке программной памяти и выполняются за один такт синхросигнала. Типичен режим с частотой синхронизации 1 МГц. Максимальная частота синхросигнала составляет 8 МГц. Доступ к памяти программ и памяти данных осуществляется через собственные шины этих модулей, поэтому можно не только сделать различными разрядности шин, но и реализовать параллелизм операций в процессах выполнения текущей команды и выборки и дешифрации следующей, т. е. ввести в работу МК элементы конвейеризации.
Многие блоки АVR по назначению аналогичны рассмотренным блокам микропроцессора и имеют те же самые обозначения. Программный счетчик РС содержит адрес подлежащей выполнению команды и адресует флэш-память программ. Считанная из флэш-памяти команда поступает в регистр команд IR, ее КОП (код операции) декодируется дешифратором команд для выработки сигналов управления блоками микроконтроллера соответственно заданной операции, а КАД (адресная часть) адресует данные в блоке регистров или в памяти данных SRAM. В памяти типа ЕЕРRОМ хранятся редко изменяемые данные (калибровочные константы и т. п.). Указатель стека SР используется для организации стека в некоторой области памяти SRАМ, глубина стека ограничивается только наличием свободной области в этой памяти. Регистры общего назначения (РОН) объединены в регистровый файл согласна рисунка 1.
Рисунок 1 - Структура микроконтроллера AVR
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) способно выполнять операции над содержимым любой пары регистров блока и направлять результат в любой регистр, т. е. все регистры РОН непосредственно доступны для АЛУ. Этим микроконтроллер АVR отличается как от рассмотренного выше микропроцессора, так и от микроконтроллеров других фирм, в которых рабочим регистром для АЛУ обычно служит только один регистр, (аккумулятор). Наличие у АЛУ многих рабочих регистров позволяет выполнять операции за один такт. Три регистровые пары (X, У, 2), получаемые объединением двух восьмиразрядных регистров в один 16-разрядный, используются для косвенной адресации. Регистр состояния по функциональному назначению аналогичен регистру флажков RF в структуре рассмотренного ранее микропроцессора, он содержит признаки результатов при выполнении некоторых команд (нуль, знак, перенос, половинный перенос и т. д).
Генератор синхросигналов имеет внешние выводы для подключения кварцевого или иного резонатора либо внешнего тактирующего сигнала. Кроме основного синхрогенератора микроконтроллер имеет и дополнительный встроенный RС-генератор с фиксированной частотой 1 МГц (при напряжении питания 5 В) для тактирования сторожевого таймера. Вход RESET (L-активный) служит для сброса микроконтроллера (приведения его в исходное состояние), а также перевода его в режим программирования при подаче на этот вход специального повышенного напряжения 12 В. Выход АLЕ имеет то же назначение, что и одноименный выход рассмотренного ранее микропроцессора и используется при подключении к микроконтроллеру внешнего ЗУ. В этом случае реализуется режим мультиплексируемой шины: старший полуадрес выводится в течение всего цикла через один восьмиразрядный порт, а младший — через второй восьмиразрядный порт загружается в начале цикла во внешний регистр-защелку, где сохраняется на все время цикла. После загрузки внешнего регистра - защелки этот же порт используется для передачи данных и сигналов управления.
Модуль прерываний служит для приема и обработки запросов прерывания основной программы, как внутренних, так и внешних. Предусмотрено наличие 10 внутренних и двух внешних запросов.
Блоки, относящиеся к центральному процессорному элементу, рассматривались при описании микропроцессора. Порты ввода/вывода, таймеры, интерфейс SPI, блоки UART рассмотрены в главе 6. Описания не рассмотренных ранее блоков (таких, например, как аналоговый компаратор) даются далее.
Структура одного из четырех портов ввода/вывода МК АVR приведена на рис. Порт представляет собою набор из восьми линий. Каждая из восьми линий любого порта конфигурируется как входная или выходная индивидуально с помощью управляющего слова, загружаемого в регистр направления передачи. Каждый бит этого слова задает конфигурацию своей линии Выводимые или вводимые данные поступают в регистр данных. Входные и выходные сигналы проходят через буферные каскады (драйверы), согласна рисунка 2.
Рисунок 2 - Структура порта ввода/вывода
микроконтроллера АУР
Последовательный периферийный интерфейс SPI применяется как для программирования микроконтроллера в последовательном режиме, так и для обмена данными с периферийными устройствами или между микроконтроллерами. Протокол обмена для SPI предусматривает работу МК в режиме либо ведущего (Master), либо ведомого (Slave). Скорости передачи задаются синхросигналами, получаемыми делением тактовой частоты МК, и имеют четыре программируемых значения: 1/4, 1/16, 1/64 и 1/128 от этой частоты.
Асинхронный последовательный
интерфейс между
Аналоговый компаратор сравнивает напряжения, подаваемые на две специально выделенные линии порта В. Одно из этих напряжений сигнальное, другое опорное. Выходной сигнал компаратора имеет логический характер, показывает, какое из двух напряжений больше, доступен программе и поступает на блок прерываний. С помощью аналогового компаратора можно, например, измерять длительность входных импульсов, поскольку начало и конец импульса могут быть отмечены изменением состояния компаратора, а эти события могут служить источниками команды захвата для таймера, что позволит зафиксировать цифровые значения моментов начала и конца импульса. Можно возразить, что эта задача решается и самим таймером без аналогового компаратора, но это так только для импульсов, у которых уровни напряжения соответствуют уровням логических сигналов. При использовании аналогового компаратора таких ограничений нет и можно измерять длительности импульсов с произвольными значениями высокого и низкого уровней, установив величину опорного напряжения между этими уровнями.
Таймер-счетчик О(ТО) выполняет лишь простые операции формирования временных интервалов и подсчета числа внешних событий. Основной блок таймера — восьмиразрядный счетчик, на вход которого поступают тактирующие сигналы с выхода мультиплексора МUХ8->1. Мультиплексор в зависимости от адресующего кода С50С52 выбирает для подачи на вход счетчика один из восьми сигналов. Выбор "заземленного" входа мультиплексора отключает счетчик, внешний сигнал может быть подан на счетчик в двух вариантах — как прямой или как инвертированный, а тактовые сигналы процессора — непосредственно или через делитель частоты с коэффициентами деления 8, 16, 256, 1024,согласна рисунка 3.