Мікропроцесорна метеостанція (стр. 2 из 5)

- АЦП, призначений для перетворення відхідної безперервної величини в якій міститься вимірювальна інформація у цифровий код, який теж містить цю інформацію.

Блок 6

-Мікроконтролер, призначений для обробки вимірювальної інформації, яка переставлена у цифровому вигляді, керування потоками інформації, забезпечення обміну даними між окремими частинами ІВС та зовнішніми пристроями.

Блок 7

- Інтерфейс, призначений для обміну даними між зовнішніми пристроями.

Блок 8

- Персональний комп’ютер .

Три датчика вимірюють свої фізичні величини. На виході яких після вимірювання утворюється аналогова величина, яка подається через мультирлексор на АЦП. Який перетворює аналогову величину в цифровий код. Після цього цей код поступає на мікроконтролер. А потім через інтерфейс на ПК.[2]

3. Розробка електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

3.1 Вибір мікро контролера

Для реалізації задач дипломного проекту використовується 8-розрядний мікроконтролер фірми Atmel серії AT90S8515.

КМОН мікроконтролери AT90S8515 реалізовані по AVR RISC архітектурі (Гарвардська архітектура з роздільною пам'яттю і роздільними шинами для пам'яті програм і даних). Виконуючи команди за один тактовий цикл, прилади забезпечують продуктивність, що наближається до 1 MIPS/МГЦ.

AVR ядро об'єднує потужну систему команд з 32 8-розрядними регістрами загального призначення і конвеєрне звернення до пам'яті програм. Шість з 32 регістрів можуть використовуватися як три 16-розрядних регістра-покажчика при побічній адресації простору пам'яті. Виконання відносних переходів і команд виклику реалізується з прямою адресацією всього обсягу (4К) адресного простору. Адреси периферійних функцій містяться в просторі пам'яті вводу/виводу. Архітектура ефективно підтримує як мови високого рівня, так і програми на мовах асемблера.

Мікроконтролери містять: 4 Кбайт програмованого Flash, 128 байт СОЗП і 256 байт програмованого ЕСППЗП, 20 ліній вводу/виводу загального призначення, 32 регістри загального призначення, два таймера/лічильника з режимом захоплення і порівняння, 6-канальний 10-розрядний аналого-цифровий перетворювач, систему внутрішніх і зовнішніх переривань, програмований послідовний UART, програмований сторожовий таймер з внутрішнім генератором, послідовний порт з інтерфейсом SPI. Програмно управляються два режими енергозбереження. В пасивному режимі (idle) ЦПУ зупиняється, але СОЗУ, таймери/лічильники, порт SPI, сторожовий, таймер і система переривань залишаються активними. В стоповому режимі (power down) зупиняється тактовий генератор і, отже зупиняються всі функції, доки не надійде сигнал зовнішнього переривання або апаратного скидання,але зберігається вміст регістрів.

Вбудована Flash пам'ять програм може перепрограмовуватися безпосередньо в системі шляхом інтерфейсу SPI (в послідовному низьковольтному режимі) або програмуватися стандартними програматорами енергонезалежної пам'яті (в 12-вольтовому паралельному режимі).

Максимальне споживання приладів в активному режимі складає 3.0 мА і в пасивному режимі 1.2 мА (при VCC =3 В і f = 4 МГЦ). В стоповому режимі, при працюючому сторожовому таймері, мікроконтролер споживає 15 мкА.

Об'єднання на одному кристалі вдосконаленого 8-розрядного RISC ЦПУ з Flash ПЗУ, яка завантажується дозволило фірмі створити потужний мікроконтролер, що забезпечує високу гнучкість і економічність в використанні приладу в якості вбудованого контролера.

Port B (PB5... PB0) 6-розрядний двонаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА. При використанні виводів порта в якості входів і установці зовнішнім сигналом в низький стан, струм буде витікати тільки при підключених вбудованих навантажувальних резисторах. Порт B використовується також при реалізації різноманітних спеціальних функцій.

Port C (PC5... PC0) 6-розрядний двунаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА. При використанні виводів порта в якості входів і установці зовнішнім сигналом в низький стан, струм буде витікати тільки при підключених вбудованих навантажувальних резисторах. Входи порта використовуються також як аналогові входи аналого-цифрового перетворювача.

Port D (PD7.. PD0) 8-розрядний двунаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА.

При використанні виводів порта в якості входів і установці зовнішнім сигналом в низький стан, струм буде витікати тільки при підключених вбудованих навантажувальних резисторах. Порт D використовується також при реалізації різноманітних спеціальних функцій.

RESET Вхід скидання. Для виконання скидання необхідно утримувати низький рівень на вході протягом двох машинних циклів.

XTAL1 Вхід інвертуючого підсилювача генератора і вхід схеми вбудованого генератора тактової частоти.

XTAL2 Вихід інвертуючого підсилювача генератора.

AVCC Напруга живлення аналого-цифрового перетворювача. Виводи під’єднується до зовнішнього VCC через низькочастотний фільтр.

AREF Вхід аналогової напруги порівняння для аналого-цифрового перетворювача. На цей вивід, для забезпечення роботи аналого-цифрового перетворювача, подається напруга в діапазоні між AGND і AVCC.

AGND Цей вивід повинен бути під’єднаний до окремої аналогової землі, якщо плата оснащена нею. В іншому випадку вивід від’єднується до загальної землі.

Мікроконтролер АТ90S8515 має такі технічні характеристики:

- діапазон напруги живлення: від 2,7 до 6,0 В;

- діапазон тактової частоти: від 0 до 4 МГц;

- діапазон роботи АЦП: від 0 до 6 В;

- час перетворення АЦП: 70...280 мс;

- клас точності 0,05 .[3]

3.2 Вибір перетворювача рівня сигналу

За стандартною логікою одиниця представляється рівнем напруги від 2,4 до 5 В, а нуль – від 0 до 0,8 В. Проте, при передачі по каналу RS-232 нуль та одиниця кодуються однаковими за величиною(від 5 до 12 В), але різними за знаком сигналами. Так як для передач по RS-232 стандартні логічні сигнали повинні бути перетворені в сигнали другого рівня, необхідно передбачити у схемі відповідні засоби перетворення. Десять років тому, для цієї мети використовувались спеціальні каскади з трьох-чотирьох транзисторів, пари діодів і майже десятка резисторів. Зараз ситуація значно змінилась: провідні виробники мікросхем повністю завершенні перетворювачі, які потребують мінімальної кількості додаткових елементів. До них відносяться МАХ202Е від МАХІМ і повністю їй ідентична AD232 від Analog Devices. Всередині обидві мікросхеми містять перетворювач напруги +5 В у ±10 В і каскади, що здійснюють перетворення логічних сигналів стандартного рівня у сигнали рівня по стандарту RS-232. Кожна з цих мікросхем містить перетворювачі логічного рівня для двох приймачів та двох передавачів. Кожна із перерахованих вище мікросхем містить перетворювачі логічного рівня для двох приймачів і двох передавачів. Ми використаємо мікросхему AD232 і тільки один її приймально-передавальний канал

Рисунок 3 – Схема включення послідовного інтерфейсу RS232

Швидкість обміну інформацією може бути вибрана в межах: від 9600 бот до 115200 бот. Оскільки мікро контролер при різних швидкостях і опорних частотах має різні помилки передачі, то при опорній частоті 4 МГц, яка використовується, ця помилка буде мінімальною при швидкості 19200 бот. Саме тому буде використовуватися така швидкість. Вона є достатньою для обміну інформацією між мікроконтролером і комп’ютером, а також дозволяє використовувати старі комп’ютери 386 типу.

Технічні характеристики послідовного інтерфейсу ADM232LIN:

- діапазон вхідної напруги низького рівня: від 0 до 0,8 В;

- діапазон вхідної напруги високого рівня: від 2,4 до 5 В;

- час установки вихідної напруги: 4 μс;

- діапазон вихідної напруги: ± 10 В;

- швидкість передачі даних: 19200 бот;

- максимальна помилка при передачі: 0,2 % [4].

Живлення всіх елементів має бути стабільним, щоб уникнути збоїв у роботі системи. Для забезпечення високої стабільності використаємо джерело опорної напруги. Найкращими джерелами, які випускаються в теперішній час є: REF-02, AD586, AD780, LM113, TL431. Одним з найкращих джерел опорної напруги є мікросхема AD780. Схема підключення опорного джерела живлення.

AD780 показана на рисунку 3.1 [4].

Рисунок 3.1 – Схема включення опорного джерела живлення

Джерело опорної напруги AD780 має такі технічні характеристики:

- відхилення напруги від опорного значення: ± 0,02 В;

- струм споживання 2 μА;

- діапазон струму навантаження: від 0 до 10 mА;

- температурний коефіцієнт вихідної напруги: 10^-5/ ºС [5].

Для того щоб вхідний сигнал якомога менше спотворити, при його проходженні через резистори, які будемо використовуватися для ділення напруги та схем включення мікроелементів – будуть прецензійними.

3.3 Аналого-цифровий перетворювач АD1674

Характеристики:

- Монолітний 12 бітний 10 мс АЦП зі схемою вибірки ;

- Вбудований пристрій вибіраки-зберігання ;

- Цоколевка, що відповідає промисловому стандартові ;

- 8 і 16 бітний мікропроцесорний інтерфейс ;

- Визначені і перевірені статичні і динамічні характеристики ;

- Уніполярний і біполярний входи ;

- Діапазони вхідного сигналу ±5 В, ±10 В, 0 В - 10 В и 0 В - 20 В ;