Устройство регулирования температуры и влажности в помещении

 

 

 

 

 

 

4.2 Выбор микроконтроллера

 

Микроконтроллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких как телефоны, стиральные машины и т. п. Большая часть выпускаемых в мире процессоров — микроконтроллеры.

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д.

В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие большими вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

Большое распространение получили микроконтроллеры с RISC-архитектурой (англ. Reduced Instruction Set Computer — вычисления с упрощённым набором команд). Упрощённый набор команд позволяет выполнять большинство инструкций за один такт, что обеспечивает высокое быстродействие даже при относительно низкой тактовой частоте.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти. В отличие от процессоров общего назначения, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя: универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод; различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet; аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи; компараторы; широтно-импульсные модуляторы; таймеры; контроллеры бесколлекторных двигателей; контроллеры дисплеев и клавиатур; радиочастотные приемники и передатчики; массивы встроенной флеш-памяти; встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер.

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, например, Форта. Используются также встроенные интерпретаторы Бейсика. Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и интерфейс JTAG.

Для разрабатываемого устройства выберем микроконтроллер PIC16F887.

Память данных (ОЗУ) для PIC16F887 имеет разрядность 8 бит (64х8), память программ (ППЗУ) имеет разрядность 14 бит (1024х14).

Данный контроллер располагает:

36 х 8 регистрами общего использования;

15 специальными аппаратными  регистрами SFR;

восьмиуровневым аппаратным стеком.

В нем предусмотрена возможность прямой, косвенной и относительной адресации данных и команд.

Прерывания могут вызывать следующие четыре источника:

внешний вход INT;

переполнение таймера TMR0;

прерывание при изменении сигналов на линиях порта B (PORTB);

по завершению записи данных в память EEPROM.

Кроме того, PIC16F887 имеет:

32 линий ввода-вывода с индивидуальной настройкой:

- макс втекающий ток - 25 мА

- макс вытекающий ток - 20 мА

8-битный таймер/счетчик TMR0 с 8-битным программируемым предварительным делителем;

автоматический сброс при включении;

таймер включения при сбросе;

таймер запуска генератора;

Watchdog таймер WDT с собственным  встроенным генератором, обеспечивающим повышенную надежность;

бит секретности для защиты кода;

экономичный режим SLEEP;

выбираемые пользователем биты для установки режима возбуждения встроенного генератора:

- RC генератор: RC

- обычный кварцевый резонатор: XT

- высокочастотный кварцевый резонатор: HS

- экономичный низкочастотный кристалл: LP

встроенное устройство программирования EEPROM памяти программ и данных.

Расположение выводов изображено на (рисунке 4.6)

 

Рисунок 4.6

 

 

 

 

 

 

 

 

Блок схема микроконтроллера PIC16F887 придставлена на (рисунке 4.7)

 

Рисунок 4.7

 

 

 

 

 

4.3 Схема внешних соединений.

 

На вывод Vсс1 МК подается питание 5 В, Vss используется как земля.

Сброс может быть осуществлен аппаратным и программным способом. В обоих случаях после сброса устройство работает одинаково.

Аппаратный сброс – вывод RESET, с помощью кнопки вкл/выкл на регуляторе, производится удержанием низкого уровня на входе сброса, если напряжение питания  находится в рабочем диапазоне. При переходе сигнала на входе сброса в высокий уровень устройство выходит из состояния сброса и приступает к выполнению программы.

При записи 1 в соответствующий регистр осуществляется программный сброс, имеющий такой же эффект, как и аппаратный сброс, за исключением того, что содержимое ОЗУ сохраняется.

Внутренний тактовый генератор тактируется от кварцевого резонатора. Частота кварцевого резонатора = 1,6 МГц, он подключается к выводам Хin и  Хout. Генератор нужен для тактирования цикла выполнения команд и работы периферийных устройств. Цикл обработки команд состоит из четырех тактов Q1, Q2, Q3, Q4. Счетчик команд увеличивается в первом такте Q1, команда считывается из программной памяти и защелкивается в регистре команд в такте Q4. Потом команда декодируется и выполняется в течение последующего цикла. Данные считываются из памяти в такте Q2 (чтение операнда) и записывается в такте Q4 (запись результата). Частота тактового генератора = 1,6 МГц, значит, один командный цикл выполняется за 2,5 мкс.

Вентилятор подключается к мощному выводу Y14, нагреватель – к мощному выводу Y15. Оба устройства питаются от общей шины вагона (Uпит = 220 В).

Цифровое табло, а именно, 7 световых диодов, которые отображают на экране цифры, введенные пользователем. Подключаются к выводам Y1-Y7. Uдиода = 0,3 – 5 В, Iдиода = 0,1 мА.

Четыре кнопки для ввода данных подключаются к выводам Y8-Y11. Когда кнопка нажата, цепь замыкается.

Часы реального времени нужны для реализации алгоритма работы МК.

Датчик температуры подключаются к выводу Y12. Выход датчика: 4 – 20 мА. Диапазон измерения температуры: от 5 до 50ºС.

Датчик влажности подключаются к выводу Y13. Выход датчика: 4 – 20 мА. Диапазон измерения влажности: 0 – 99 %.

АЦП обрабатывает непрерывный сигнал с датчика влажности и температуры(переводит в цифровой вид). Если выход датчика влажности равняется 4 мА, то на выходе АЦП будет 5 %, 20 мА – 95 %. Если выход датчика температуры равняется 4 мА, то на выходе АЦП будет 5ºС, 20 мА – 50ºС

Устройство самотестирования, работающее с исполнительными механизмами и МП.

4.4 Генератор тактовых  частот.

Используемый в данной схеме кварцевый генератор, генерирует частоту колебаний в 16 МГц (рисунок 4.8).

Кварцевый генератор — генератор колебаний, синтезируемых кварцевым резонатором входящим в состав генератора. Обычно обладает небольшой выходной мощностью.

Частота собственных колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких кГц до сотен МГц. Она определяется физическими размерами резонатора, упругостью и пьезоэлектрической постоянной кварца, а также тем, как вырезан резонатор из кристалла. Так как кварцевый резонатор является законченным электронным компонентом, его частоту внешними элементами и схемой включения можно изменять в очень узком диапазоне выбором резонансной частоты (параллельный или последовательный) или понизить параллельно включенным конденсатором.[1] В 1997 году компания Epson Toyocom выпустила в свет серию генераторов SG8002, в конструктиве которых присутствуют блок подстроечных конденсаторов и два делителя частоты. Что позволяет получить практически любую частоту в диапазоне от 1 до 166 МГц.[2]. Однако, данное достоинство неизбежно влечёт за собой недостаток — повышенный джиттер (фазовый шум). Цитата: Генератор с внутренними цепями фазовой автоподстройки частоты необходимо с предельной осторожностью применять в схемах, содержащих внешние цепи ФАПЧ.

Колебания кварцевого генератора характеризуются высокой стабильностью частоты (10-5 ÷ 10-12), что обусловлено высокой добротностью кварцевого резонатора (104 ÷ 105).

У лучших генераторов спектральная плотность мощности фазовых шумов может быть менее -100 дБн/Гц на отстройке 1 Гц и менее -150 дБн/Гц на отстройке 1 кГц при выходной частоте 10 МГц.

Генераторы могут изготавливаться как в модификации с синусоидальным выходным сигналом, так и с сигналом прямоугольной формы, совместимым по логическим уровням с одним из стандартов (TTL, CMOS, LVCMOS, LVDS и т.д.).

Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот.

Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.

Для получения высокой добротности и стабильности резонатор помещают в вакуум и поддерживают постоянной его температуру.

Кварцевые генераторы используют для измерения времени (кварцевые часы), в качестве стандартов частоты. Кварцевые генераторы широко применяются в цифровой технике в качестве тактовых генераторов.

 

Рисунок 4.8

 

 

4.4 Выбор полевых транзисторов

 

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение.

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).