Автомобильный термометр

Содержание Введение

1. Разработка функциональной схемы. Работа измерителя

2. Обоснование и выбор элементной базы

2.1 Датчик

2.2 Усилитель

2.3 Микроконтроллер

2.4 ЖК индикатор

2.5 Источник питания

3. Архитектура и основные элементы микроконтроллера

4. Блок-схема программы Заключение Литература

Введение

Целью данного курсового проекта является разработка малогабаритного автомобильного термометра на базе микроконтроллера. Устройство должно отвечать следующим требованиям:

— диапазон измеряемых температур от -40 до +60 градусов Цельсия

— индикация — жидкокристаллический цифровой индикатор

— разрешающая способность 0,5 градусов Цельсия

— тип чувствительного элемента — терморезистор

— питание термометра — 12 В постоянного тока Как понятно из названия, автомобильные термометры используется в транспортных средствах для измерения и индикации температуры окружающей среды. Подобные устройства должны обладать небольшими габаритами, выводить информацию в удобной цифровой форме на ЖК или светодиодный дисплей и питаться от автомобильной сети 12 В.

1. Разработка функциональной схемы. Работа измерителя Рисунок 2.1 — Функциональная схема измерительного устройства (Д — датчик температуры (терморезистор), У — усилитель, МК — микроконтроллер, ЖК — жидкокристаллический дисплей, ИП — источник питания) Устройство работает следующим образом: терморезистивный датчик, помещаемый снаружи автомобиля, включен в одно из плеч измерительного моста Уитстона. В исходном состоянии мост сбалансирован — сопротивления всех элементов равны 1.2 кОм, что соответствует максимальной измеряемой температуре — плюс 60 градусов Цельсия. Если температура внешней среды меняется, это влечет за собой изменение сопротивления терморезистора, и, как следствие, разбалансировку измерительного моста. Напряжение с измерительной диагонали моста подается на входы инструментального операционного усилителя, где производится их вычитание и усиление. После этого сигнал поступает на вход 10-ти битного АЦП, встроенного в микроконтроллер. Дискретизированный сигнал обрабатывается программой контроллера, которая вычисляет сопротивление терморезистора и, затем, по таблице определяет температуру.

2. Обоснование и выбор элементной базы

2.1 Датчик В качестве датчика для устройства используется NTC терморезистор B57020 производства компании Epcos. Датчик является выносным и имеет защищенный соединительный кабель. Основные технические характеристики датчика привдены в Таблице 1.

Таблица 1 — Технические характеристики B57020.

2.2 Усилитель В качестве усилителя сигнала датчика для данного устройства используется прецизионный операционный усилитель AD8551 фирмы Analog Devices. Усилитель работает в дифференциальном режиме, т. е. усиливает разность напряжений на своих входах. Усилитель имеет однополярное питание, высокую точность и небольшой потребляемый ток.

Рисунок 2.2 — Схема включения усилителя Выходное напряжение, при этом .

Чтобы рассчитать коэффициент усиления, оценим максимально и минимально возможное напряжение на входе усилителя по формуле

.

Получим Umax=0.49 В, Umin= 0 В. Следовательно, коэффициент усиления следует установить равным 10.

2.3 Микроконтроллер В качестве микроконтроллера в устройстве используется микросхема AT89C51AC3 производства фирмы Atmel. Так как в данном устройстве от контроллера не требуется высокой скорости вычисления и большого объема памяти, то выбор был в первую очередь обусловлен наличием в этом контроллере достаточного количества выводов для реализации статической индикации, а так же встроенного АЦП, что позволило несколько упростить схему устройства.

Данный контроллер выполнен на архитектуре процессора Intel MCS51 и имеет 256 байт встроенного ОЗУ, 2048 байт встроенного расширенного ОЗУ, 64 кбайт встроенной флэш-памяти, три 16-разрядных таймера-счетчика, Диапазон рабочих напряжение питания 3…5.5 В, пять портов: 32 + 4 цифровых линии ввода-вывода,

10-разрядный АЦП с 8 мультиплексированными входами. Потребляемые микроконтроллером в режиме работы ток высчитывается по формуле:

В качестве резонатора используется керамический резонатор CSTCV12.0MTJ0C4-TC частотой 12 Мгц производства компании Murata.

2.4 ЖК индикатор Так как в устройстве требуется выводить всего три цифры и знак, в качестве устройства индикации удобно взять 3.5-символьный семисегментный ЖК индикатор фирмы Futurlec с общим анодом. Устройство работает от напряжении 5 В и имеет очень маленький потребляемый ток (максимум 25 мкА).

Индикатор подключен напрямую к микроконтроллеру в режиме статической индикации.

2.5 Источник питания Напряжение питания схемы — 12 В постоянного тока. Все токопотребляющие элементы имеют рабочее напряжение 5 В, поэтому в качестве DC-DC преобразователя можно использовать стабилизатор напряжения LM78M05 фирмы Fairchild Semiconductor. Он выдает стабилизированные 5 В при входном напряжении от 7 до 20 В и силе тока на выходе 350 мА.

Рассчитаем токопотребление нашей схемы:

Из расчета видно, что источник питания обеспечивает достаточный ток для питания устройства.

3. Архитектура и основные элементы микроконтроллера термометр микроконтроллер измеритель Рисунок 3.1 — Структурная схема микроконтроллеров семейства MCS-51

Архитектура семейства MСS-51 в значительной мере предопределяет ее назначение — это построение компактных и дешевых цифровых устройств. Все функции микроконтроллера реализуются с помощью единственной микросхемы. В состав семейства MCS-51 входит ряд микросхем от самых простых микроконтроллеров до достаточно сложных. Микроконтроллеры семейства МС8−51 позволяют выполнять как задачи управления различными устройствами, так и реализовывать простейшие алгоритмы цифровой обработки сигналов. Все микросхемы этого семейства работают с одной и той же системой команд. Большинство микросхем выполняется в одинаковых корпусах с совпадающей цоколевкой (схемой расположения выводов). Это позволяет использовать для разработанного устройства микросхемы разных фирм-производителей (таких как Intel, Dallas, Atmel, Philips и т. д.) без переделки принципиальной схемы устройства и программы.

Структурная схема микроконтроллера представлена на рисунке 3.1 и состоит из следующих основных функциональных узлов:

— блока управления;

— арифметико-логического блока;

— блока таймеров/счетчиков;

— блока последовательного интерфейса и прерываний;

— программного счетчика, памяти данных и памяти программ.

Двусторонний обмен данными между элементами внутренней структуры микроконтроллера осуществляется с помощью внутренней 8-разрядной I шины данных.

По такой схеме построены практически все представители семейства МСS-51. Различные микросхемы этого семейства различаются только регистрами специального назначения (в том числе и количеством портов). Система команд всех контроллеров семейства МСЗ-51 содержит 111 базовых команд длиной 1, 2 или 3 байта и не изменяется при переходе от одной микросхемы к другой. Это обеспечивает прекрасную переносимость программ с одной микросхемы на другую. Рассмотрим подробнее назначение каждого блока.

Блок управления и синхронизации предназначен для выработки синхронизирующих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию совместной работы блоков микроконтроллера во всех допустимых режимах его работы. В состав блока управления входят:

— устройство формирования временных интервалов;

— логика ввода-вывода;

— регистр команд;

— регистр управления потреблением электроэнергии;

— дешифратор команд, логика управления микроконтроллером.

Устройство формирования временных интервалов предназначено для формирования и выдачи внутренних синхросигналов фаз, тактов и циклов. Количество машинных циклов определяет продолжительность выполнения команд. Практически все команды микроконтроллера выполняются за один или два машинных цикла, кроме команд умножения и деления, продолжительность выполнения которых составляет четыре машинных цикла. Обозначим частоту задающего генератора через Fг. Тогда длительность машинного цикла равна 12/Fг или составляет 12 периодов сигнала задающего генератора. Логика ввода-вывода предназначена для приема и выдачи сигналов, обеспечивающих обмен информацией с внешними устройствами через порты ввода-вывода РО-РЗ.

Регистр команд предназначен для записи и хранения 8-разрядного кода операции выполняемой команды. С помощью дешифратора команд и логики управления микроконтроллера он преобразуется в микропрограмму выполнения заданной команды.

Регистр управления потреблением (PCON) позволяет останавливать микроконтроллер для уменьшения потребления электроэнергии и уменьшена уровня помех. Еще большего уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения помех можно добиться, остановив задающий генератор микроконтроллера при помощи переключения битов регистра управления потреблением PCON. В вариантах микросхемы, изготовленных по технологии n-МОП (серия 1816 или иностранных микросхем, в названии 1 вторых в середине отсутствует буква «с»), регистр управления потреблением PCON содержит только один бит, управляющий скоростью передачи последовательного порта SMOD, а биты управления потреблением электроэнергии отсутствуют.

Арифметико-логический блок (АЛБ) представляет собой параллельное

8-разрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций. АЛБ состоит из:

— регистров временного хранения ТМР1 и ТМР2;

— ПЗУ констант;

— арифметико-логического устройства;

— дополнительного регистра (регистра В);

— аккумулятора (АСС);

— регистра состояния программ (Р8У).

Регистры временного хранения — это 8-разрядные регистры, предназначенные для приема и хранения операндов на время выполнения операций над ними. Регистры временного хранения программно не доступны, ими управляет только микропрограмма выполнения команд.

ПЗУ констант обеспечивает выработку корректирующего кода при дво-1чнодесятичном представлении данных или кода маски при битовых операциях и констант.

Арифметико-логическое устройство представляет собой схему комбинационного типа с последовательным переносом, предназначенную для выполнения арифметических операций сложения, вычитания и логических операций «И», «ИЛИ», суммирования по модулю 2 и инвертирования.

Регистр В — восьмиразрядный регистр, используемый во время операций умножения и деления. Для других инструкций он может рассматриваться как дополнительный регистр внутренней памяти микроконтроллера.

Аккумулятор — 8-разрядный регистр, предназначенный для приема и хранения результата, полученного при выполнении арифметико-логических операций или операций сдвига

Блок последовательного интерфейса и прерываний предназначен для

Организации последовательного ввода-вывода информации и организации

Прерываний выполнения программы. В состав этого блока входят:

— логика управления;

— регистр управления;

— буфер передатчика;

— буфер приемника;

— приемопередатчик последовательного порта;

— регистр приоритетов прерываний;

— регистр разрешения прерываний;

— логика обработки флагов прерываний.

Счетчик команд предназначен для формирования текущего 16-разрядного адреса внутренней или внешней памяти программ. В состав счетчика команд входят 16-разрядный буфер счетчика команд, регистр счетчика команд и схема инкремента (увеличения содержимого на 1).

Память данных предназначена для временного хранения информации, используемой в процессе выполнения программы.

Порты РО, Р1, Р2, РЗ являются квазидвунаправленными портами ввода-1 вывода и предназначены для обеспечения обмена информацией между микроконтроллером и внешними устройствами, образуя 32 линии ввода-вывода.

Регистр состояния программы (PSW) предназначен для хранения информации о состоянии АЛУ при выполнении программы.

Память программ предназначена для хранения программного кода и представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В разных микросхемах применяются масочные, стираемые ультрафиолетовым излучением или FLASH ПЗУ.

Регистр указателя данных (DPTR) предназначен для формирования 16-разрядного адреса внешней памяти данных или памяти программ при считывании таблиц констант.

Указатель стека (SP) представляет собой 8-разрядный регистр, предназначенный для организации особой области памяти данных (стека), в которой хранятся адреса возврата из подпрограмм, переменные и содержимое внутренних регистров микроконтроллера (в том числе регистры PSW и аккумулятор).

4. Блок-схема программы Рисунок 4.1 — Блок-схема программы

Заключение

В результате курсовой работы был разработан малогабаритный автомобильный термометр на базе микроконтроллера, отвечающий следующим требованиям:

— диапазон измеряемых температур от -40 до +60 градусов Цельсия

— индикация — жидкокристаллический цифровой индикатор

— разрешающая способность 0,5 градусов Цельсия

— тип чувствительного элемента — терморезистор

— питание термометра — 12 В постоянного тока

1. Аш Ж. с соавторами. Датчики измерительных систем. -М., 2010. -480 с.

2. Микушин А. Занимательно о микроконтроллерахСПб., 2009. 424 с.

3. Фрунзе А. Микроконтроллеры? Это же просто! -М., 2012. 336с.