Разработка микропроцессорной системы управления локальным объектом

Разработка микропроцессорной  системы управления локальным объектом

 

Разработать МПС управления электронными часами по данным:

1. индицировать часы-минуты-секунды

2. электронный будильник

3. управляющие порты 10h,11h,12h

4. индикаторы АЛС 304

5. использовать МПК К580  
Введение  

    В  данном  курсовом  проекте  будет  разработана  микропроцессорную систему управления электронными часами. 

    В качестве микропроцессорного элемента в системе будет использоваться процессор КР580ВМ80А.

 

1.  Аналитический обзор

    Электронные часы – это часы, в которых для отсчёта времени используются периодические колебания электронного генератора, преобразованные в дискретные сигналы, повторяющиеся через 1 с, 1 мин, 1 ч и т. д.; сигналы выводятся на цифровое табло, показывающее текущее время.

    Основа  электронных часов — кварцевый генератор стабилизированных электрических колебаний, с микросхемой, предназначенной для вычисления времени и вывода сигналов на цифровой дисплей. Часы с питанием от сети переменного тока могут не иметь собственного генератора и использовать частоту сети.

    Время на дисплее отображается в виде цифр (например: 13:20).

    Питание — от сети переменного тока или химических элементов питания, в том числе миниатюрных (в наручных электронных часах).

    Существуют  электронные часы, конструктивно  объединённые (на базе общей микросхемы) с микрокалькулятором, а также электронные часы-будильник, и другими техническими устройствами.

    Различают два вида поправок в электронных  часах:

    Поправка  показаний электронных часов, когда  часы отстают или cпешат, в некоторых  часах вносят поправку в показания часов, точность хода самих часов при этом остаётся прежней;

    Поправка  точности хода электронных часов, когда  с поправкой показаний делается и поправка хода часов, то есть меняется или тактовая частота задающего  генератора или меняется коэффициент деления счётчика-делителя. Такая коррекция существует лишь в некоторых электронных часах.

    Функциональная  схема электронных часов показана на рис 1

    

    Основой часов служит большая интегральная микросхема DD (обозначена штрих- пунктирными  линиями), содержащая блок образцовой частоты кварцевого генератора G и оперативное устройство ОУ, к которой подключают цифровые индикаторы HG1 — HG4, блок управления часами БУ и акустический преобразователь НА. Преобразователь напряжения ПН обеспечивает питанием все цепи и узлы часов от одного общего источника постоянного тока напряжением 12 В. Блок кварцевого генератора по своему функциональному назначению аналогичен блокам образцовых частот любительских электронных часов, собираемых на микросхемах средней степени интеграции. А оперативное устройство, управляющее знакосинтезирующими индикаторами, обеспечивает работу в качестве секундомера и будильника.

    Состоит из: многофункциональная микросхема КА1016ХЛ1  (или ЧБ-32), кварцевый резонатор РК-72ЧА-17БУ, звонок пьезокерамический типа ЗП-1, знаковые индикаторы ИВ-ЗА (или ИВ-6), печатная плата и другие необходимые детали и материалы. Обладателю набора надо только разобраться в назначении узлов и элементов часов, смонтировать детали на плате и по своему вкусу сделать корпус для них. Источником питания может служить аккумуляторная батарея напряжением 12 В (если часы предполагается установить в автомобиле) или выпрямитель с таким же выходным напряжением постоянного тока. Потребляемый ток от источника напряжением 12 В не превышает 200 мА. Точность хода часов не хуже +- 1 с в сутки.  
Принципиальная схема часов приведена на рис. 2.

     
Рис.2 
Источником питания микросхемы DD1 служит стабилизатор напряжения на стабилитроне VD1 и транзисторе VT1. Стабилизированное напряжение 15 В подается на выводы 15 и 12 микросхемы. Общим цепи питания ее является вывод 12. Собственная частота кварцевого резонатора ZQ1, а значит, и генератора образцовой частоты, равна 32 768 Гц. Элементами делителя частоты, входящего в состав микросхемы, она делится до 1 Гц, что соответствует 1 с времени. Кнопочные выключатели SB1 — SB2 образуют блок управления оперативным устройством микросхемы, которое обеспечивает управление цифровыми индикаторами HG1 — HG4.  
Знакосинтезирующий индикатор ИВ-ЗА представляет собой электронную лампу с катодом прямого накала (выводы 7, 8), восемью анодами с отдельными выводами (1—6, 10 и 11) и общей управляющей сеткой (вывод 9). Семь анодов выполнены в виде узких полосок, образующих стилизованную цифру 8, а восьмой — в виде точки. Аноды покрыты тонким слоем люминофора. При подаче положительного напряжения на сетку и элементы-аноды индикатора между катодом и анодами возникает поток электронов, вызывающих свечение люминофора.  
В часах одноименные аноды-элементы цифровых знаков всех индикаторов соединены между собой и подключены к соответствующим выводам микросхемы. На них в определенные моменты времени с оперативного устройства подается закодированный сигнал, синтезирующий один из элементов цифр. Одновременно на сетки индикаторов подается управляющий сигнал. В результате одновременного воздействия сигналов кода и управляющего на индикаторах высвечиваются цифры от 0 до 9. Индикаторы HG1 и HG2 высвечивают часы, a HG3 и HQ4 — минуты текущего времени. Знак точки во втором индикаторе, отделяющий значения часов от минут, горит постоянно. Аналогичные знаки в других индикаторах не используются.  
Нажатием на кнопку SB1 «К» блока управления корректируют показание индикаторами текущего времени и времени автоматического включения звукового сигнала будильника. Кнопкой SB5 «Ч» устанавливают часы, а кнопкой SB4 «М» — минуты текущего времени. Кнопка SB2 «С» служит для перевода часов в режим счета секунд текущего времени и на работу как секундомера с нулевых значений времени. Кнопкой SB3 «Б» включают ждущий режим будильника; при совпадении предварительно установленного и текущего времени пьезокерамический звонок НА1, подключенный к выводу 10 микросхемы, издает звуковой сигнал частотой около 2 кГц.  
Подстроенным конденсатором С1, входящим в кварцованный генератор образцовой частоты, можно корректировать точность «хода» часов.  
Нити накала знаковых индикаторов рассчитаны на питание напряжением 0,85...1,15 В при токе 45...55 мА. В часах они соединены параллельно и питаются от общего источника напряжением 12 В через гасящий резистор R18. Делитель напряжения R16R17 и двуханодный (симметричный) стабилитрон VD2 образуют среднюю точку нитей накала, относительно которой на элементы индикаторов подается через резисторы R4—R15 отрицательное напряжение, снимаемое с выхода выпрямителя преобразователя напряжения, для устранения мерцания выключаемых элементов индицирующих цифр.  
Трансформатор TS1 и транзисторы VT2, VT3 образуют двухтактный преобразователь постоянного напряжения внешнего источника питания в переменное напряжение частотой около 2 кГц. Отрицательное напряжение внешнего источника подается непосредственно на эмиттеры транзисторов, а положительное—на их коллекторы — через обмотки III и IV трансформатора TS1. Напряжение, снимаемое с резистора R20 делителя R19R20, через обмотки I и II подается на базы транзисторов и создает на них положительное (относительно эмиттеров) смещение и тем самым обеспечивает запуск преобразователя. В результате действия положительной обратной связи между коллекторной и базовой цепями транзисторов устройство возбуждается. При этом в обмотке V трансформатора наводится переменное напряжение прямоугольной формы, которое выпрямляется диодами VD2 — VD5, включенными по мостовой схеме, и далее стабилизируется стабилитроном VD1 и транзистором VT1.

Печатная плата  представлена на рис 3

 
 

 

 

2.  Обоснование выбранного варианта

    В  данном  курсовом  проекте  предлагается  реализовать  электронные часы  с помощью интегральных  микросхем на  базе микропроцессорного  комплекта  К580.  Вычисление  функции  по  аргументу производится программным путем и выдается в аналоговом формате.

    Такой  подход  к  решению  задачи  имеет  существенный  недостаток  по сравнению с аналоговыми преобразователями, а именно, меньшую точность, но кроме этого он имеет ряд преимуществ. Во-первых, устройства, изготовленные на  интегральных  схемах,  дешевле  устройств  на  дискретных  элементах.  Во-вторых, улучшаются эксплуатационные характеристики, повышает надежность системы, при необходимости можно легко изменить функцию преобразования путем замены  программной части.  В данной  работе  оптимальным является выбор однокристальной ЭВМ,  но,  с другой  стороны,  использование микропроцессорного  комплекта К580  позволит  лучше изучить устройство  и особенности реализации отдельных элементов микропроцессорных систем.

 

3.  Разработка схемы

3.1.  Разработка  структурной схемы 

     Элементарные  часы могут быть реализованы благодаря  тому, что имеется возможность  получать импульсы со стабильным временным интервалом. Если в некоторый момент начать подавать их на счетчик, то накапливающиеся в нем число соответствует промежутку времени, отсчитанному от указанного монета.

     Поэтому основу электронных часов составляет генератор стабильной частоты и  счетчики с определенными модулями счета.

     Импульсы  стабилизированные кварцем генератора поступают на отделитель частоты, на входе которого получаются импульсы с периодом в одну секунду. Они  заполняют счетчик СТ1 секундных  импульсов, изменяющий модуль счета. Каждый импульс его переполнения увеличивает содержимое счетчика СТ2 с модулем счета. Максимальное число счетчиков СТ1 и СТ2 составляет 59. С поступлением следующего секундного импульса счетчики СТ1 и СТ2 обнуляются и импульс переноса с СТ2 записывает единицу счетчик СТ3. Следующая единица в СТ3 будет записана через минуту. Счетчики СТ3 и СТ4 (десятки минут) имеют модуль счета соответственно равной модулям счета СТ1 и СТ2. С выходом счетчика СТ4 импульсы переноса с периодом в один час заполняют счетчик СТ5 (единицы часов), с которого каждые 10 часов импульсы переноса заполняют счетчик СТ6 (десятки часов), имеющий модуль счета. Максимальное число в счетчиках СТ1 – СТ6 соответствует времени 23 часа 59 минут 59 секунд. Поступающий после этого секундный импульс вызывает пополнение всех счетчиков – устанавливает их в ноль, начинается счет времени следующих суток.

      
 

    3.2.  Разработка принципиальной схемы 

    Принципиальная  схема  электронных часов  представляется  довольно  сложной,  поэтому разобьем разработку принципиальной схемы на блоки, которые рассмотрим отдельно.

    3.2.1. Схема управления шинами

    Микросхема  управления шинами

       

3.2.6. Схема подключения  ППИ  

    Для  ввода/вывода  информации  используется  программируемый параллельный  интерфейс (ППИ).  ППИ  представляет  из  себя  микросхему КР580ВВ55А с тремя  портами, которые можно запрограммировать как на ввод информации, так и на вывод.

    Схема подключения ППИ показана на рисунке.

 

3.2.7. Схема буферизации 

    Будем использовать 8-ми разрядный сдвиговый регистр 74LS164, который является аналогом   многорежимного  буферного  регистра  КР580ИР82.

3.2.8. Схема индикаторов

    В качестве индикаторов берем индикаторы АЛ 340

 

3.2.9. Разработка общей принципиальной схемы

    Общая  принципиальная  схема  разработанной  схемы электронных часов  приведена в приложении  1.  

    Часы-будильник  выполнены на основе микросхемы с  управлением по шине I2C (DD1), микроконтроллера AT90S2313 (DD2) с прошитым программным обеспечением обработки сигналов управления и индикации, 8-ми разрядного сдвигового регистра 74(A)LS164 (DD3) (аналог КР1533ИР8) выполняющего роль расширителя портов микроконтроллера для управления индикаторами HL1 - HL4, цепи питания микросхем/индикатора (С7, C8, DA1), цепей питания и пуска сильноточного реле K1 (С11, R16, VD4 и С10, R13, R14, R15, VD3, VT2). При замыкании электронного ключа VT2, конденсатор C10, заряжаясь через обмотку реле K1, создаёт импульс тока, достаточный для притяжения якоря этого реле. После заряда конденсатора якорь реле удерживается меньшим током, протекающим через резистор R15, что делает устройство экономичнее с точки зрения потребления тока. Диод VD3 защищает транзистор VT2 от импульсного пробоя в момент его закрытия. Источник питания всей системы выполнен по схеме, не обеспечивающей гальванической развязки с бытовой сетью переменного тока 220 В. Он состоит из конденсатора C12, гасящего резистора R18, диодного моста VD5 и резистора R17, исполняющего роль ограничителя тока в момент подключения устройства к сети (заряда конденсатора C12). При отсоединении питания от устройства конденсатор С12 разряжается через резистор R18, что снижает риск поражения электрическим током.

    Литиевый  элемент питания GB обеспечивает подпитку микросхемы часов DD1 при отключении основного источника напряжения. Ток потребления DD1 в таком режиме составляет менее 5 мкА, что позволяет сохранять все настройки и производить отсчет точного времени на протяжении примерно года. Диоды VD1 и VD2 обеспечивают развязку напряжений элемента GB и основного источника.

    Напряжение  питания подается на контакты X1, X2. Нагрузка подключается к контактам X3, X4 (на замыкание  реле К1) или X3, X5 (на размыкание реле К1) соответственно.

    Разъем XP1 предназначен для подключения дополнительных устройств контроля и обработки работающих с шиной I2C.

    Разъем XP2 предназначен для подключения  дополнительного блока реле на четыре сильноточные нагрузки для работы с  программным обеспечением версии 182.02 (4-х канальный таймер) или других устройств (термодатчика и т.д.).

    Разъем XP3 используется для стыковки платы  управления и платы светодиодных семисегментных индикаторов с помощью  угловых соединителей.

    Съемной перемычкой JP осуществляется подключение/отключение реле К1 к системе для его срабатывания в режиме будильника совместно со звуковым сигналом.  

3. Разработка  управляющей программы 

3.3.1. Алгоритм  управляющей программы 

Блок-схема алгоритма  управляющей программы представлена на рисунке 

 

    Индикация активации и деактивации будильника осуществляется мигающей точкой рядом с младшим разрядом минут. Ход часов индицируется мигающей точкой рядом с младшим разрядом часов.

    При срабатывании будильника звуковой сигнал и обмотка реле К1 отключаются  нажатием клавиши TA4. 

    3.3.2. Разработка управляющей программы

    Для  написания  программы  используем  данные  пунктов  3.3.1  –  3.3.2.  В  качестве  ассемблера  воспользуемся  комплектом  MASM-80  v3.44.  Этот комплект  разработан  для  функционирования  под  операционной системой CP/M-80,  которая в свою  очередь функционирует на  системе на  базе процессора  i8080 (аналоги: КР580ВМ80А, Z80).  

MACRO window N,attrib,y1,x1,y2,x2  
mov ah,06h  
mov al,N  
mov bh,attrib  
mov ch,y1  
mov cl,x1  
mov dh,y2  
mov dl,x2  
int 10h  
ENDM window  
 
MACRO locate y,x 
mov ah,02h 
mov bh,0 
mov dh,y 
mov dl,x 
int 10h 
ENDM locate 
 
MACRO cprintf mes,len,attrib,x,y,n 
mov ah,13h 
mov al,1 ;Признак смещения курсора в конец строки 
mov bh,n ;Номер видеостраницы 
mov bl,attrib 
mov cx,len 
mov dh,y 
mov dl,x 
mov bp,offset mes ;Адрес строки ES:BP 
int 10h 
ENDM cprintf 
 
MACRO out_str mes 
mov ah,09h 
lea dx,[mes] 
int 21h 
ENDM out_str 
 
 
Start: 
mov ax,@data  
mov ds,ax 
mov es,ax 
 
;вывод пользовательского меню 
 
window 0,8Fh,0,0,25,80  
locate 0,0  
 
out_str intro 
out_str mes_t11 
out_str status 
out_str mode 
out_str info1  
 
mov ax,0C800h  
int 2Fh  
cmp al,0ffh  
jne ok  
cprintf yes,yes_len,2Fh,12,11,0 
mov [temp1],1 
 
jmp work 
 
; резидента в памяти нет - выход 
ok:  
cprintf no,no_len,4Fh,12,11,0 
jmp quit 
 
; вывод на экран незамедленного (системного) времени  
work:  
mov ah, 2Ch 
int 21h 
jc end_out 
push cx 
mov al,ch 
call bcd_asc