Разработка и описание работы устройства на PIC-контроллере

Однокристальные микроконтроллеры стремительно занимают ведущее место в электронной аппаратуре. И если каких-нибудь десять лет назад они могли быть использованы при проектировании только профессионалами — слишком много требовалось дорогостоящих средств для их программирования, — то сегодня «однокристалки» используют даже радиолюбители.

Именно микроконтроллер сегодня формирует облик бытовой аудиотехники, видеотехники, средств связи. С передних панелей радиоприемников, магнитол, телевизоров исчезли шкальные индикаторы, ручки настройки, ползунковые регуляторы, переключатели. Их заменили жидкокристаллические табло и кнопки. Десятки разнообразных микросхем, составляющих электронное «нутро» аппаратуры, должны согласованно функционировать, обеспечивая наилучшие технические характеристики и удобство эксплуатации. Решая задачу сопряжения цифровых устройств, разработчики компьютерной техники связали их между собой посредством шин, а способы передачи информации назвали протоколами и стандартизировали их основные принципы. Каждое устройство было снабжено интерфейсом, посредством которого стало возможным подключать его к шине.

Если говорить об аналоговой технике, то специализированные аналоговые микросхемы испокон веков имели уникальные собственные выводы для подключения элементов, с помощью которых устанавливались их рабочие режимы или осуществлялись регулировки в процессе эксплуатации. Объединять эти выводы с целью выполнения универсальной регулировки не представлялось возможным. Современные микросхемы, предназначенные для использования в новой аппаратуре, снабжены цифровым интерфейсом, «спрятали» настроечные выводы внутрь микросборок, а управлять их режимами программно.

Осуществлять управление одной микросхемой очень просто, для этого даже не всегда нужен внешний цифровой интерфейс. А если микросхем несколько, если они должны взаимодействовать друг с другом, обмениваться информацией? Решая эти вопросы, разработчики перспективных микросхем пришли к мысли о необходимости введения общей шины и протокола обмена информацией по ней. Известные по компьютерной технике шины оказались здесь совершенно негодными в силу своей сложности.

Для этих целей фирмой Philips была разработана шина Inter-Integrated Circuit Bus (сокращенно I²С). Принадлежа к классу шин с последовательным способом передачи данных, отличаясь чрезвычайной простотой реализации, шина стала быстро развиваться. Сегодня и другие фирмы, оценившие по достоинству возможности шины, поддерживают ее своей продукцией.

Темой данного курсового проекта, является разработка «Термометра» на основе микроконтроллера.

1 Составление схемы электрической структурной

На основании анализа схемы электрической принципиальной были выделены основные функциональные элементы, и разработана схема электрическая структурная, представленная на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Схема электрическая структурная

Схема электрическая структурная содержит: микроконтроллер, контакты прерывателя, переключатель пределов, светодиодный индикатор, генератор тактовой частоты и источник питания.

Этот тахометр предназначен для использования при регулировке холостого хода карбюраторов двигателей внутреннего сгорания. Его можно применять и для контроля частоты вращения вала автомобильных или лодочных двигателей во время движения.

Тахометр имеет три разряда индикации с пределом измерения от 60 мин"¹ до 7800 мин^-1. Погрешность измерения на пределе 1 секунда равна 30 мин^-1, а на пределе 3 секунды — 10 мин^-1. Нижний предел ограничен погрешностью измерения, а верхний — количеством прерываний между индикацией. Из-за чего индикация разрядов становится прерывистой.

2 Составление схемы электрической функциональной

Схема электрическая функциональная представлена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 - Схема электрическая функциональная

3 Описание элементной базы

3.1 Резисторы

(номиналы см. принципиальную схему)

R3-R10 – резисторы С2-23 не проволочные постоянного сопротивления, мощностью 0,125Вт с номинальными сопротивлениями R3-R9 430 Ом, R2 10 кОм с допуском ±10%. R1- не проволочный постоянного сопротивления, мощностью 0,5 Вт с номинальным сопротивлением 34 кОм.

3.2 Конденсаторы

С1 и С2 – конденсаторы К10-17 керамические не полярные постоянной емкости с группой по ТКЕ – Н90, с номинальным напряжением 25В, номинальной емкостью 30 пФ с допуском ±10%. C3 – 0,01 мкФ.

3.3 Резонатор

ZQ – кварцевый резонатор, работающий на частоте параллельного резонанса 32768 Гц.

3.4 Светодиодный индикатор АЛ304Г

АЛ304А, АЛ304Б, АЛ304В, АЛ304Г

Индикаторы знакосинтезирующие, на основе соединения арсенид – фосфид –галлий, эпитаксиально – планарные (41, стр. 475 – 478). Предназначены для отображения цифровой информации. Индикаторы имеют 7 сегментов и децимальную точку. Выпускаются в пластмассовом корпусе. Высота знака 3 мм.

Масса прибора не более 0,25 г.

Рисунок 3.1 – Структурная схема и монтажные размеры модулей

АЛ304Г: 1 – катод e; 2 – катод d; 3, 8 – анод общий; 4 – катод c; 5 – катод h; 6 –катод b; 7 – катод a; 9 – катод g; 10 – катод f.

3.5 Диоды

VD1 – стабилитрон КС147А Uст. = 4,23-5,17В       Iст. = 58мА, VD2 – диод КД102.

Таблица 3.1- Электрические параметры КД102

3.6 Микросхемы

3.6.1 Микроконтроллер PIC16F84

Контроллеры PIC16F84, как и все микроконтроллеры с торговой маркой PICmicro™ основаны на развитой RISC-архитектуре. Они имеют расширенные опции ядра, восьмиуровневый стек и различные внутренние и внешние прерывания. 14-битные слова команд и 8-битные данные передаются независимо, по разделенным шинам памяти и данных. Большинство команд исполняется за один машинный цикл кроме команды переходов, которые исполняются за два цикла. Набор команд состоит из 35 инструкций с интуитивно понятной мнемоникой.

На кристалле расположены 64 байта EEPROM памяти констант с гарантированным сроком хранения данных более 40 лет при отключенном питании, до 68 байт памяти данных (рабочие регистры для хранения переменных). Кристаллы выпускаются с максимальными тактовыми частотами 4МГц и 10МГц, имеют 13 портов ввода/вывода, встроенный таймер/счетчик TMR0, сторожевой таймер WDT, экономичный режим засыпания SLEEP.

Тактовую частоту можно задавать при помощи RC-цепочки, недорогого керамического резонатора или кварцевого резонатора. Может быть подключен также внешний генератор тактовой частоты. Встроенного тактового генератора, тактирующего процессор, нет. От встроенного на кристалл RC-генератора могут тактироваться только таймер/счетчик TMR0 или сторожевой таймер, по выбору.

Варианты корпуса 18-pin DIP, SOIC.

Рисунок 3.2 - Расположение выводов PIC16F84

Таблица 3.2 - Назначение выводов PIC16F84

Обозначения: I - Вход, О - Выход, I/O - Вход/Выход, Р - вывод питания,

TTL - стандартный TTL вход, ST - вход с триггером Шмитта.

Примечания:

1. Триггер Шмитта на входе применяется, только если вывод сконфигурирован, как вход внешнего прерывания.

2. Триггер Шмитта на входе применяется только в режиме последовательного программирования кристалла.

3. Триггер Шмитта на входе применяется только если включен режим RC-генератора, в остальных случаях как CMOS вход.

Микроконтроллеры PIC16F84 могут программироваться непосредственно на плате устройства, что позволяет отлаживать программу либо записывать константы и калибровочные данные. Для программирования на плате необходимо максимум пять проводов: питание +5В, напряжение программирования, последовательные данные, тактирующие импульсы и общий. Память программ только встроенная.

Таблица 3.3 - Электрические параметры

Организация памяти.

В микроконтроллерах PIC16F84 существует два блока памяти - память программ и память данных. Каждый блок имеет собственную шину, таким образом, доступ к блокам может происходить одновременно.

Память данных, в свою очередь, разделена на специальные регистры и регистры общего применения (ОЗУ пользователя). Специальный регистры применяются для хранения битов состояния, определяющих работу портов вода/вывода, таймеров и других периферийных модулей контроллера.

Кроме специальных регистров и ОЗУ, пространство памяти данных содержит ячейки EEPROM. Эта область памяти не может быть адресована непосредственно, и доступ к ней получают через специальный регистр косвенной адресации EEADR, в который записывают порядковый номер ячейки. 64 байта EEPROM имеют номера с 00h по 3Fh. Обычно EEPROM используется для хранения констант, значения которых не должны пропадать при отключении питания, например кодов управления, индивидуальных номеров и т.п. Важным достоинством EEPROM является то, что данные в ней могут быть изменены даже после занесения программы в однократно программируемый кристалл.

Память программ.

Микроконтроллеры PIC16F84 имеют 13-битный программный счетчик, позволяющий адресовать до 8К х 14 памяти программ. В PIC16F84 доступны первые 1024 (0000h-03FFh) ячеек памяти. Обращение к старшим адресам, лежащим за пределами указанного диапазона физически равносильно обращению к соответствующим адресам внутри диапазона, например, адреса 30h, 430h, 830h, C30h, 1030h, 1430h, 1830h и 1C30h равносильны и адресуют одну и ту же команду.

Старт по сбросу происходит с адреса 0000h, вектор прерывания один и расположен по адресу 0004h. Обычно по адресу 0004h располагают подпрограмма распознавания и обработки прерываний, а по адресу 0000h команду перехода на метку, расположенную за подпрограммой обработки прерывания.

Память данных.

В микроконтроллерах PIC16F84 память данных разбита на две части - специальные регистры и регистры общего применения (ОЗУ пользователя). Кроме этого, память данных разделена на два банка.

Таблица 3.4 - Организация памяти данных

Переключение банков происходит при помощи задания 5-го бита в регистре STATUS. Если бит установлен в 0, адресуется нулевой банк, если в 1, соответственно, первый.

Специальные регистры

Специальные регистры представляют собой статическое ОЗУ.

Регистр STATUS (Адрес 03Н, 81Н)

Регистр STATUS хранит арифметические флаги АЛУ, информацию о сбросе и бит выбора банка памяти данных.

bit7 IRP - регистр выбора банка памяти, применяемый при косвенной адресации. Это бит не применяется в PIC16F84 и должен всегда оставаться сброшенным.

 0 = bank 0,1 (00h-FFh)

 1 = bank 2,3(100h-1FFh)

bit6-5 RP1, RP0 - регистр выбора банка памяти, применяемый при прямой адресации.

 00 = bank 0 (00h-7Fh)

 01 = bank 1 (80h-FFh)

bit4 TO - флаг срабатывания сторожевого таймера. Устанавливается в 1 при включении питания и командами CLRWDT и SLEEP. Сбрасывается в 0 по завершении выдержки сторожевого таймера.

bit3 PD - режим хранения данных. Устанавливается в 1 при включении питания или выполнении команды CLRWDT. Сбрасывается в 0 командой SLEEP.

bit2 Z - флаг нулевого результата. Устанавливается в 1, если результат арифметической или логической операции равен нулю. Сохраняет свое значение до следующей операции.

bit1 DC - флаг десятичного переноса. Используется для команд ADDWF, ADDLW, SUBWF и SUBLW. Отслеживает перенос из четвертого разряда результата.

 1 = Произошел перенос при сложении

 0 = Не произошел перенос при сложении

 Вычитание в АЛУ выполняется сложением кода первого операнда с дополнительным кодом второго операнда. Значение бита контекстно зависит от того, какая операция выполнялась. Для операции вычитания значения бита инвертированы.

bit0 С - флаг переноса. Используется для команд ADDWF, ADDLW, SUBWF и SUBLW. Отслеживает перенос из старшего разряда в бит переноса при сложении.

 1 = произошел перенос при сложении

 0 = не произошел перенос при сложении

 Вычитание в АЛУ выполняется сложением кода первого операнда с дополнительным кодом второго операнда. Значение бита контекстно зависит от того, какая операция выполнялась. Для операции вычитания значения бита инвертированы.

Используя флаги ТО и PD можно определить, чем был вызван сброс.

х - состояние битов не изменилось. Сброс по входу MCLR в обычном режиме не меняет текущие значения битов ТО и PD.

Регистр OPTION_REG (АДРЕС 81Н)

Специальный регистр OPTION_REG представляет собой полностью доступный для записи и чтения регистр, в котором находятся биты, управляющие работой предварительного делителя, источниками внешних прерываний, встроенным таймером TMR0 и подтягивающими резисторами для порта В.

bit7 RBPU - включение встроенной нагрузки порта В

 1 = нагрузка отключена

 0 = нагрузка включена

bit6 INTEDG - выбор фронта прерывающего сигнала

 1 = прерывание по нарастанию сигнала на выводе RB0/INT

 0 = прерывание по спаду сигнала на выводе RB0/INT

bit5 TOGS - выбор источника тактирования для таймера TMR0

 1 = импульсы со входа RA4/T0CKI

 0 = внутренняя тактовая частота (CLKOUT)

bit4 T0SE - выбор фронта сигнала для таймера TMR0, если в качестве источника выбран вход RA4/T0CKI (T0CS=l)

 1 = инкремент по спаду на выводе RA4/T0CKI

 0 = инкремент по нарастанию на выводе RA4/T0CKI

bit3 PSA - бит, управляющий подключением предварительного делителя

 1 = предварительный делитель подключен к WDT

 0 = предварительный делитель подключен к TMR0

bit2-0 PS2-PS0 - управление коэффициентом деления предварительного делителя в зависимости от подключения