Микроконтроллеры и микропроцессорные системы

РЕФЕРАТ

 

Пояснительная записка  состоит из 59 страниц, 8 рисунков, 7 таблиц, 6 источников.

Микроконтроллер, Жидкокристаллический индикатор, Датчик, кварцевый резонатор, кнопка

Цель работы: разработка микропроцессорной системы на базе микроконтороллера, электронного термометра для использования на метеостанциях и в быту. Задание режима измерений осуществляется при помощи специальных кнопок. Отображение информации осуществляется на двухрядном жидкокристаллическом индикаторе.

Содержание работы: в  работе выполнено построение структурной схемы, построение функциональной схемы, сформирован алгоритм работы системы, выбор элементной базы, оптимальной для реализации поставленных задач по диапазону характеристик, разработана программа, разработана принципиальная схема устройства.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

1. Описание объекта и функциональная спецификация

2. Описание структуры системы

3. Описание ресурсов МК PIC16F628

3.1 Характеристика RISC ядра

3.2 Особенности микроконтроллеров

3.3 Характеристики пониженного энергопотребления

3.4 Периферия

3.5 Расположение выводов

3.6 Особенности структурной организации PIC 16С84

3.7 Обозначение выводов и их функциональное назначение

3.8 Организация памяти данных (ОЗУ)

4. Разработка алгоритма работы устройства

5. Ассемблирование

6. Описание функциональных узлов МПС и алгоритма их взаимодействия

7. Описание выбора элементной базы и работы принципиальной схемы

8. Работа с устройством

Заключение

Список литературы

Приложение  А. Листинг программы и объектный файл

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Современную микроэлектронику трудно представить без такой важной составляющей, как микроконтроллеры. Микроконтроллеры незаметно завоевали весь мир. Микроконтроллерные технологии очень эффективны. Одно и то же устройство, которое раньше собиралось на традиционных элементах, будучи собрано с применением микроконтроллеров, становится проще, не требует регулировки и меньше по размерам. С применением микроконтроллеров появляются практически безграничные возможности по добавлению новых потребительских функций и возможностей к уже существующим устройствам. Для этого достаточно просто изменить программу.

Однокристальные (однокорпусные) микроконтроллеры представляют собой  приборы, конструктивно выполненные  в виде БИС и включающие в себя следующие составные части: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой.

Мировая промышленность выпускает огромную номенклатуру микроконтроллеров. По области применения их можно разделить на два класса : специализированные, предназначенные для применения в какой-либо одной конкретной области (контроллер для телевизора, контроллер для модема, контроллер для компьютерной мышки ) и универсальные, которые не имеют конкретной специализации и могут применяться в самых различных областях микроэлектроники, с помощью которых можно создать как любое из перечисленных выше устройств, так и принципиально новое устройство.

Цель курсовой работы – основываясь на знаниях, полученных при изучении темы «Микроконтроллеры  и микропроцессорные системы» разработать микропроцессорную систему цифрового термометра на базе микроконтроллера.

 

1. Описание объекта и функциональная спецификация

 

Разработаем устройство предназначено для фиксации минимальной  и максимальной суточных температур по двум термодатчикам с записью в память микроконтроллера данных за восемь дней. Его можно использовать для наблюдения за изменением температуры наружного воздуха на метеостанциях, при различных технологических процессах и в домашних условиях.

Устройство состоит  из двух термодатчиков типа DS18B20, микроконтроллера PIC16F628, двухрядного жидкокристаллического индикатора GDM1602 и кнопок управления "Режим", "Разряд", "Установка", "Просмотр 1-2/Сброс" и "Просмотр".

Устройство поддерживает три режима индикации:

• текущий — вывод  текущих значений числа, месяца, времени и температуры по двум термодатчикам с точностью 0,1 градуса;

• установка даты и  времени;

• просмотр — вывод  на индикатор зафиксированных значений максимальной и минимальной температур текущего дня, а при нажатии кнопки "Просмотр" — и значения экстремальных температур предыдущих восьми дней. При нажатии кнопки "Просмотр 1-2" можно просмотреть экстремальные значения температур по первому и второму термодатчикам и время, когда эти значения были зафиксированы.

Функциональная спецификация

1. Входы
1. Два термодатчика типа DS18B20
2. 5 кнопок управления
2. Выходы
1. двухрядный жидкокристаллический индикатор GDM1602
3. Функции
1. Вывод текущего значения числа, месяца, времени и температуры по двум термодатчикам с точностью 0,1 градуса
2. Возможность установки даты и времени
3. Возможность просмотра на индикаторе зафиксированных значений максимальной и минимальной температур текущего дня, а при нажатии кнопки "Просмотр" — и значения экстремальных температур предыдущих восьми дней.
4. При нажатии кнопки "Просмотр 1-2" можно просмотреть экстремальные значения температур по первому и второму термодатчикам и время, когда эти значения были зафиксированы

 

 

2. Описание структуры системы

 

После определения входов и выходов устройства разработана структурная схема устройства. Структурная схема электронного термометра приведена на рис. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

Кнопки управления SB1- SB5

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Структурная схема  электронного термометра

 

 

3. Описание ресурсов МК PIC16F628

 

Микроконтроллеры PIC 16С84 (16F84) также относятся к расширенному семейству, имеют целый ряд таких же существенных отличий от МК базового семейства PIC 16С5Х как и PIC 16С71, абсолютно не отличаются от последних системой команд и особенностями программирования, но обладают несколько другими функциональными возможностями.

Рассмотрим основные характеристики микроконтроллера PIC16F628А.

 

3.1 Характеристика RISC ядра

 

Тактовая частота от DC до 20МГц

Поддержка прерываний

8-уровневый аппаратный  стек

Прямая, косвенная и  относительная адресация

35 однословных команд

- все команды выполняются  за один машинный цикл, кроме  команд ветвления и условия  с истинным результатом

 

3.2 Особенности  микроконтроллеров

 

Внешний и внутренний режимы тактового генератора

- Прецизионный внутренний генератор 4МГц,

нестабильность +/- 1%

- Энергосберегающий внутренний  генератор 37кГц

- Режим внешнего генератора  для подключения кварцевого или  керамического резонатора

Режим энергосбережения SLEEP

Программируемые подтягивающие  резисторы на входах PORTB

Сторожевой таймер WDT с отдельным генератором

Режим низковольтного программирования

Программирование на плате через последовательный порт (ICSP) (с использованием двух выводов)

Защита кода программы

Сброс по снижению напряжения питания BOR

Сброс по включению питания POR

Таймер включения питания PWRT и таймер запуска генератора OST

Широкий диапазон напряжения питания от 2.0В до 5.5В

Промышленный и расширенный  температурный диапазон

Высокая выносливость ячеек FLASH/EEPROM

- 100 000 циклов стирания /записи FLASH памяти программ

- 1 000 000 циклов стирания /записи EEPROM памяти данных

- Период хранения данных FLASH/EEPROM памяти > 100 лет

 

3.3 Характеристики  пониженного энергопотребления

 

Работа PIC 16С84 в режиме SLEEP в основном полностью аналогична PIC 16С71 за исключением выхода из этого режима по прерыванию. В данном МК предусмотрен выход из режима SLEEP по окончанию записи данных-констант в EEPROM, так как прерывание от АЦП отсутствует.

Режим энергосбережения:

- 100нА @ 2.0В (тип.)

Режимы работы:

- 12мкА @ 32кГц, 2.0В (тип.)

- 120мкА @ 1МГц, 2.0В (тип.)

Генератор таймера TMR1:

- 1.2мкА, 32кГц, 2.0В (тип.)

Сторожевой таймер:

- 1мкА @ 2.0В (тип.)

Двухскоростной внутренний генератор:

- Выбор скорости старта 4МГц или 37кГц

- Время выхода из SLEEP режима 3мкс @ 3.0В (тип.)

 

3.4 Периферия

 

16 каналов ввода/вывода  с индивидуальными битами направления

Сильноточные схемы  портов сток/исток, допускающих непосредственное подключение светодиодов

Модуль аналоговых компараторов:

- Два аналоговых компаратора

- Внутренний программируемый  источник опорного напряжения

- Внутренний или внешний  источник опорного напряжения

- Выходы компараторов  могут быть подключены на выводы  микроконтроллера

TMR0: 8-разрядный таймер/счетчик  с программируемым предделителем

TMR1: 16-разрядный таймер/счетчик  с внешним генератором

TMR2: 8-разрядный таймер/счетчик  с программируемым предделителем и постделителем

CCP модуль:

- разрешение захвата  16 бит

- разрешение сравнения  16 бит

- 10-разрядный ШИМ

Адресуемый USART модуль

 

PICmicro	Память программ (слов)	Память данных		Портов I/O	CCP (ШИМ)	USART	Компар.	Таймеры 8/16 бит
		ОЗУ (байт)	EEPROM (байт)
PIC16F628A	2048	224	128	16	1	+	2	2/1

 

3.5 Расположение выводов

 

Рис. 2. Расположение выводов  в различном исполнении микроконтроллеров PIC16F628А

 

3.6 Особенности  структурной организации PIC 16С84

 

Главным отличием данного  МК от PIC 16С71 является наличие электрически перепрограммируемой памяти данных-констант EEPROM и отсутствие модуля АЦП. Эти и другие связанные с ними отличия приведены в следующем списке:

1. Память программ  электрически перепрограммируема (EEPROM). Это позволяет пользователю достаточно просто многократно перепрограммировать микроконтроллер, что очень существенно на этапе отладки рабочих программ и при изменении функциональных возможностей МКУ в процессе создания и эксплуатации.

2. Наличие дополнительной  электрически перепрограммируемой EEPROM памяти для данных-констант размером 64х8 байт.

3. Четыре источника  прерывания. Три из которых точно  такие же как и в PIC 16С71:

- внешнее прерывание  с вывода RBO/INT,

- прерывание от счетчика/таймера  TMRO(RTCC),

- прерывание от изменения сигналов на входах порта RB<7:4>,

а четвертый источник новый:

- по завершению записи  данных в памяти EEPROM.

4. Рабочая частота  – 0 Гц.....10 МГц (минимальный цикл  выполнения команды – 400 нс).

5. Модуль АЦП отсутствует.

6. Управляющий регистр прерываний INTCON модифицирован.

Вместо бита разрешения/запрещения прерывания от аналого-цифрового преобразователя ADIE в 6-м разряде регистра INTCON находится  бит разрешения/запрещения прерывания по завершению записи данных в памяти EEPROM (EEIE), причем:

EEIE=0 запрещает прерывание (флаг EEIF в регистре EECON1), EEIE = 1 запрещает прерывание.

Назначение всех остальных  бит регистра INTCON точно такое  же как и в PIC 16С71

7. В составе 15-ти  специальных регистров вместо  ненужных в данном микроконтроллере ADCON, ADCON1, ADRES и ADRES2 (в связи с отсутствием АЦП) появились новые регистры EEDATA, EECON1, EEADR и EECON, которые управляют EEPROM данных-констант и расположены в ОЗУ(RAM) соответственно по тем же адресам. Более подробно они будут рассмотрены далее.

 

Рис. 3. Структурная схема ОМК PIC16F84 (16C84)

 

3.7 Обозначение  выводов и их функциональное  назначение

 

Расположение и обозначение  выводов ОМК PIC 16С84 полностью совпадает  с PIC 16С71 за исключением того, что  ножки RA0, RA1, RA2, RA3 в связи отсутствием  АЦП представляют собой лишь двунаправленные линии ввода/вывода сигналов с ТТЛ уровнями.