Схема шестикнопочного устройства

    Содержание 
 
 

Задание……………………………………………………………………………….4

Введение……………………………………………………………………………..5

1 Обзор  вариантов решения технической  задачи и выбор метода расчета……7

2 Обоснование  выбора микроконтроллеров MicroChip………………………….11

3 Разработка  схемы электрической принципиальной  и перечня элементов.....11

3.1 Основные  системы микроконтроллера ………….………………………….13

3.1.1 Схема тактирования ………….………….………….………….……. ……..11

3.1.2 Схема сброса ………….………….…………………………………………..15

3.1.3 Последовательный внутрисхемный интерфейс программирования …….17

3.2 Цепь сопряжения аналоговых датчиков с микроконтроллером .……….…20

3.3 Часы  реального времени…...25

3.4 Внутренний  последовательный интерфейс……………………………..…..27

3.5 Система  стабилизации питания…….……………………...………….…......29

3.6 Система  управления светодиодной индикацией…………………………….31

3.7 Реализация  работы клавиатуры…………………………………….………….37 

4 Расчёт потребляемой мощности……………………………………..………….39

5 Разработка печатной платы устройства ……………………………………….43

Вывод……………………………………………………………………………….45

Список литературы……………………………………………………..………….46 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Задание 
 
 

     Построение  системы сбора данных со следующими параметрами:

Аналоговые входы …………………………………………………………….. 6 шт.

Наличие внешний памяти………………………………………………………. есть

Клавиатура, количество клавиш………………………………………………..6 шт.

Последовательный  интерфейс………………………………………………….. есть

Жидкокристаллический  индикатор…………………………………………… есть 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 
 
 

     На  сегодняшний день практически не осталось областей в жизни человека, незатронутых электронной техникой, не говоря уже о промышленности, в которой на сегодняшний день без применения электронных устройств невозможно успешное существование ни одного предприятия. Электронные промышленные устройства позволяют вести контроль, диагностику и управление оборудованием, осуществляют поиск неполадок и предлагают варианты их решения, выполняют сложнейшие операции, позволяют синхронизировать действия между несколькими различными устройствами. Как мы видим, область применения промышленных устройств достаточно широка, а тот факт, что они имеют очень высокое быстродействие и высокую точность, обусловил их распространение на всех уровнях производства, от выполнения простейших операция, до работы в каскаде из нескольких агрегатов выполняя сложную конструкторскую задачу.

     В данном курсовом проекте мы синтезируем одно из электронных устройств – мультиплексную систему сбора данных. Данная система должна осуществлять автоматизированный сбор информации о значениях физических параметров различных объектов исследования с аналоговых и цифровых источников сигнала, а также будет производить первичную обработку, накопление и передачу данных. Так же схема будет обладать внешним интерфейсом для обмена информацией с различными устройствами.

     Мультиплексная  система сбора данных имеет на каждый измерительный канал индивидуальные средства аналоговой обработки сигнала и общий для всех каналов блок аналого-цифрового преобразования. Наибольшее распространение в настоящее время имеют именно мультиплексные системы сбора данных.

     Одна  из основных задач данного курсового  проекта состоит в том, чтобы  подобрать необходимую элементную базу, произвести синтезирование, анализ и расчёт электрический принципиальных схем различных узлов, и соединив воедино, получить полноценную систему  сбора данных.

     Но  помимо разработки самой схемы, в  данную работу будет включена проектировка печатной платы, создание программы инициализации различных узлов системы сбора данных, а так же произведена разработка корпуса устройства.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  

     1 Обзор вариантов решения технической  задачи и выбор метода расчета 
 
 

     Система сбора данных будет собрана на основе микроконтроллера, поскольку это наиболее удобно и более функционально в отличии от использования связки раздельных ЦП, ОЗУ и ПЗУ, а так же АЦП. Имея гораздо меньшие габариты, микроконтроллер предоставляет гораздо больший функционал. Он позволяет запрограммировать порты ввода-вывода наиболее удобным для нас образом.

     В свою очередь, синтез устройства значительно  облегчается тем, что внутри микроконтроллера уже имеются некоторые модули, необходимые для работы системы сбора данных, например АЦП и внутренняя память (как оперативная, так и постоянная). Для включения, которых необходимо всего лишь инициализировать их в программе и настроить алгоритм работы.

     Можно использовать дорогие микроконтроллеры с большим количеством программируемых портов, со встроенным последовательным интерфейсом USB, это позволит значительно уменьшить количество внешних модулей, но при этом значительно возрастёт цена готового устройства.

     Выбранные элементы должны обеспечивать функциональность системы сбора данных согласно структурной схеме на рисунке 1

     Рисунок 1 Структурная схема системы сбора  данных

     2 Обоснование выбора микроконтроллеров MicroChip 
 
 

     Микроконтроллеры  Microchip радуют разнообразием предлагаемых возможностей. Это результат политики, сосредоточившей технологическое, производственные и маркетинговые разработки на выпуске 8-разрядных микроконтроллеров PIC16/17 (Peripheral Interface Controller), которые объединяют все передовые технологии микроконтроллеров: электрически программируемые пользователем ППЗУ, минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру, функциональную законченность и минимальные размеры. Эта политика позволила фирме добиться лучшего показателя цена/производительность.

     Микроконтроллеры  PICmicro построены по RISC архитектуре. Reduced Instruction Set Code - обозначение процессора с сокращённым набором команд. Цель сокращения системы команд состоит в получении более компактных программ и ускорении их выполнения. Микроконтроллеры с RISC процессорами фирмы Microchip очень эффективны. Компактный код программы получается вследствие того, что все команды имеют размер в одно слово. Это предполагает, что все инструкции имеют одну длину и выбираются за один машинный цикл. В качестве примера отметим, что библиотека функций с плавающей запятой занимает 530 слов. Сокращённый набор команд предполагает быстрое обучение программиста. Однако следует отметить известный факт, что при изучении ассемблера микросхем PIC программистом, привыкшим к "обычной" системе команд (Intel, Zilog), возникают трудности, связанные с разительным отличием системы команд RISC.

     Набор инструкций этих микроконтроллеров  широкий, тщательно подобранный  специально для задач управления. Гарвардская архитектура процессора, очередь команд, RISC набор команд - все это позволило добиться очень высокого быстродействия и получить очень компактный код. Все команды микроконтроллера, за исключением команд перехода, выполняются за один машинный цикл, который составляет 4 периода тактового генератора. Так, например, на тактовой частоте 20 МГц производительность микроконтроллеров достигает 5 MIPS.

     Для иллюстрации скоростных возможностей микроконтроллеров PICmicro и компактности их программного кода приведем выдержки из сравнительного анализа, приведенного фирмой Microchip. В качестве тестовых программ использовались типичные для систем управления задачи: тестирование бита с ветвлением по нему, цикл по счетчику, побитный сдвиг байта, программная задержка. Сравнивались PIC16Fxx и микроконтроллеры фирм Motorola, Intel, National, Zilog и SGS-Thomson.

     Результаты  сравнительного анализа представлены в таблице 1:

     Таблица 1

 

     Все микроконтроллеры PICmicro имеют расположенную на кристалле кодовую память. Большинство микроконтроллеров снабжено дешевой однократно программируемой (OTP) памятью. Большое значение фирма Microchip уделяет именно OTP памяти, расположенной на кристалле микроконтроллера. Применение OTP памяти в сравнение с масочной дает массу преимуществ микроконтроллерам семейства: изделия на базе PICmicro становятся гибкими, легко модифицируется коды программ под требования конечного пользователя, экономически выгодным становится выпуск изделий мелкими сериями, уменьшается время на разработку изделий. Политика фирмы заключается в приближении цены микроконтроллеров с OTP память к микроконтроллерам с масочной памятью. Наряду с OTP кодовой памятью Microchip выпускает и микроконтроллеры с масочной памятью, а также перепрограммируемой памятью с ультрафиолетовым стиранием и FLASH памятью.

     Микроконтроллеры  PICmicro работают в очень широком диапазоне частот - 0...33MHz и имеют несколько режимов встроенного тактового генератора, который позволяет работать на частотах от 32кГц до 33 МГц.

     Микроконтроллеры  не требуют традиционных внешних  цепей для формирования сигнала  сброса. Они вырабатывают его автоматически  при включении питания или  при подаче внешнего сигнала сброса.

     Процессоры  семейства PICmicro работают в очень широком диапазоне питающих напряжений, у некоторых образцов питание может изменятся в пределах от 2.0 до 6.0 Вольт. Микроконтроллеры характеризуются и очень низкими токами потребления. Так, например, PIC16Fxx на частоте 4кГц потребляет 12 мкА, на частоте 4МГц- 2 мА, на частоте 20МГц - 9 мА. В режиме пониженного энергопотребления потребление уменьшается до 0.25мкА. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Разработка схемы электрической принципиальной и перечня элементов 
 
 

     В основе нашей системы сбора данных лежит микроконтроллер PIC16F73 изображённый на рисунке 2. Имеет DIP корпус с 28-ю выводами.

     Так же на рисунке указаны обозначения  выводов в том виде, в котором  они могут быть использованы в  нашей схеме 

Рисунок 2 Микроконтроллер PIC16F73 

     Микроконтроллер обладает следующими характеристиками:

Таблица 2 Характеристики микроконтроллера PIC16F73

 

     Помимо  этого, микроконтроллер обладает ещё  рядом особенностей:

          - Всего 35 простых для изучения инструкций

          - Минимальная длительность такта 200 нс

          - Сильноточные схемы портов ввода/вывода (25мА вход/выход ток)

          - Последовательные  интерфейсы SPI, I²C и USART