СОДЕРЖАНИЕ

                                                                                                                            Лист

ВВЕДЕНИЕ	3
1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ	5
1.1 Основные требования, предъявляемые к устройству	7
1.2 Характеристики микроконтроллера	9
2 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ	14
2.1 Принцип работы устройства	13
2.2 Разработка функциональной схемы устройства	14
2.3 описание электрической принципиальной схемы устройства	14
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ	16
3.1 Сравнение характеристик семейства PIC-контроллеров	16
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	25
ЛИТЕРАТУРА	26
ПРИЛОЖЕНИЯ:
Приложение А: Спецификация
Приложение Б: Электрическая принципиальная схема устройства (формат А1)

 ВВЕДЕНИЕ
В медицине и бытовой сфере проблема эффективного использования тепловой энергии - одна из важнейших. Ее решение возможно только при комплексной автоматизации всего теплотехнического оборудования с помощью различных цифровых приборов локального учета, контроля и управления (с возможностью соединения таких приборов в локальную вычислительную сеть для создания систем глобального регулирования всего объекта).

 AVR-микроконтроллеры в сочетании с датчиками позволяют создавать эффективные системы контроля в бытовой и промышленной, а также в медицинской технике. Их главные достоинства - универсальность, программная гибкость, возможность цифровой обработки данных и реализации сложных алгоритмов управления. Интеграция в одном корпусе большого количества периферийных устройств обеспечивает компактность и низкую стоимость приборов в условиях сжатых сроков разработки и постановки изделий на производство.

Однокристальная микро-ЭВМ (микроконтроллер) представляет собой, построенную вокруг микропроцессора вычислительную систему, которая выполнена на одном кристалле вместе с микропроцессором.

В данной работе используется микроконтроллер AТmega103 фирмы Atmel. Микросхема выполнена в 40-выводном корпусе, что дает безусловный выигрыш. Таким образом, микроконтроллер имеет (4 внешних порта РА ,РВ,РС и РD). Прибор обеспечивает производительность, приближающуюся к 1 МГц. Архитектура эффективно поддерживает как языки высокого уровня, так и программы на языке ассемблер. Микроконтроллер AТmega103 [3, стр.50] содержит: 4Кбайта загружаемого ПЗУ, 256 байтов СОЗУ дает возможность наращивать память данных, программируемый последовательный UART, программируемый сторожевой таймер и многое  другое.

Стандартное решение такой конструкторской задачи - построение схемы, выполняющей следующую последовательность действий:

-         преобразование сопротивления в напряжение при помощи источника тока;

-         преобразование напряжения в код при помощи встроенного в контроллер аналогово-цифрового   преобразователя (АЦП);

-         подача полученного кода в микроконтроллер (МК), где полученная информация обрабатывается и передается дальше.

     Сегодня некоторые зарубежные фирмы выпускают АЦП, выполняющие описанную выше цепочку преобразований. Например, фирма Analog Devices производит аналого-цифровые преобразователи AD7710, AD7711 и AD7713 со встроенными операционным усилителем (с программируемым коэффициентом усиления), источниками тока и последовательным интерфейсом. Эти микросхемы адаптированы для применения в измерительных системах (где датчиками могут служить термометр сопротивления, термопара или тензорезистивный мост), и датчики подключаются непосредственно к АЦП при минимуме дополнительных компонентов. Применять такие АЦП в небольших приборах дорого (цена специализированных АЦП превышает стоимость всех остальных компонентов, вместе взятых), а использование обычных АЦП значительно увеличивает число компонентов в схеме (и отрицательно сказывается на стоимости, габаритах и надежности прибора).

Целью моей курсовой работы является исследование принципа устройства .......... и характеристик микроконтроллера.

В работе рассмотрены следующие вопросы: описание принципиальной и функциональной схемы, характеристики микроконтроллеров.

1 Общая часть
1.1 Основные требования предъявляемые к устройству

Согласно заданию схема должна содержать следующие блоки:

· Стабилизатор напряжения (необходим для преобразования напряжения 10-30В, в 5В).

· Микроконтроллер (служит для управления всеми блоками данной схемы).

· Датчик температуры.

· Источник тока (необходим для измерения температуры, так как на термометр сопротивления необходимо подавать постоянный ток).

· Источник опорного напряжения (для создания опорного напряжения в АЦП).

· Последовательный интерфейс для связи с ПК (необходим для передачи полученных данных в персональный компьютер).

· Дисплей (предназначен для отображения измеряемых данных).

· Клавиатуру (по нажатию какой либо кнопки мы можем измерять температуру или просмотреть уже измеренную).

· Супервизор напряжения (вырабатывает общий сигнал сброса).
1.2.  Характеристики микроконтроллера

Развитие семейства MSP430 приведено на рисунке 1.


Рисунок 1-Развитие семейства MSP430P325

16 разрядный микроконтроллер MSP430P325IPG производства TEXAS INSTRUMENTS.

Таблица 1 - Параметры микроконтроллера MSP430P325IPG

Наименование	характеристики
Разрядность	16
Масочное ПЗУ	нет
Flash	нет
EEPROM	16k
RAM	512
Линий I/O	14
АЦП	6/14
Компаратор	нет
Встроенный генератор	есть
Интерфейсы	LCD 84сег
Рабочая частота	8 МГц
Корпус	QFP64

Основные параметры микроконтроллера MSP430P325IPG представлена в таблице1                              

Микроконтроллер MSP430P325IPG имеет встроенный стабилизатор тока 0…6 мА и 12-разърядный АЦП с расширением до 14-разрядов. Поэтому измерение температуры с применением микроконтроллера MSP430P325IPG не представляет особых трудностей.



2 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.2 Разработка функциональной схемы устройства
Функциональная схема представленная на рис. 1. состоит из следующих блоков:

1)   Стабилизатор напряжения. На вход данной микросхемы подается напряжение 10-30В с выхода получаем постоянное напряжение 5В. Напряжение 5в необходимо для питания микросхем.

2)      Микроконтроллер. На данную микросхему также подается земля и питание. Сигнал сброса и на его входы также поступают сигналы от различных устройств таких как датчик температуры, последовательный интерфейс обмена, клавиатура, устройство отображения и др. т.е данная микросхема управляет всеми остальными.

3)      Датчик температуры. Представлен в виде термометра сопротивления и через должен него протекает постоянный ток, чтобы с выводов снимать изменяющееся напряжение. Напряжение будет изменяться в зависимости от температуры.

4)      Источник тока. С выхода данной микросхемы снимаем постоянный ток, на вход подается земля и питание.

5)      Источник опорного напряжения. На вход земля и питание, с выхода получаем постоянное напряжение 2,5В. Опорное напряжение для встроенного АЦП.

6)        Последовательный интерфейс. Он управляется от микроконтроллера, т.е. на его входы кроме питания и земли, подаются сигналы (RE,R0,DE,DO) по которым происходит считывание или запись данных в компьютер по последовательному порту.  

7)      Клавиатура. С выхода идет код в микроконтроллер, который там обрабатывается и по нему выполняется какая либо операция, на вход подается земля.

8)      Дисплей. Предназначен для вывода измерений. Выводом данных на экран управляет микроконтроллер, поэтому на входы данного блока также поступают  сигналы управления и сами данные с микроконтроллера. На вход также подается земля и питание.

9)      Супервизор напряжения. На выходе данного блока формируется общий сигнал сброса, на вход подаются земля и питание.




Рисунок 1 — Функциональная схема микроконтроллера AVR



2.3 Описание принципиальной электрической схемы
Согласно заданию требуется исследовать цифровой медицинский термометр на базе контролера AVR. Микроконтроллер имеет достаточное число выводов, напряжение питания от  2,7 до 6 В, есть программируемый полный дуплексный UART (так как мне необходимо организовать последовательную связь с компьютером). Еще в нем имеется сторожевой таймер, внутренняя память и в данном микроконтроллере имеется возможность применить языки высокого уровня для его программирования.

    Для супервизора напряжения была  выбрана микросхема mcp100 так как она обладает следующими характеристиками:

·                      напряжение питания до 5В,

·                      высокий и низкий уровень сигнала Reset,

·                       время сигнала Reset 350 мС, потребляемый ток 45мкА,

·                      температурный диапазон от –40до +85 гр.С

По характеристикам эта схема подходит для данного устройства.

   Для связи с компьютером используется интерфейс RS485. Была выбрана микросхема  МАХ481, у нее напряжение питания тоже 5 В.

    Также используется датчик температуры 100П

    Для устройства необходим  жидко кристаллический индикатор со следующими характеристиками

·                        напряжение питания 5В

·                        двух строчечный

·                        со встроенным контроллером, русским алфавитом и наиболее дешевый

Данными свойствами обладает модуль PG1602.

Термометр смонтирован на двухслойной печатной пластине. На её лицевой стороне помещены ЖК-индикатор и кнопки. Микроконтроллер и остальные элементы установлены на обратной стороне. В Цифровом термометре применены SMD-контроллеры. Печатная плата термометра помещена в стандартный корпус, в верхней части которого находится разъём для температурного зонда. Расположение основных элементов цифрового термометра в нутрии корпуса показано на рис.3.




Рисунок 3- принципиальная электрическая схема.

 Печатная плата крепится четырьмя винтами к бобышкам на верхней крышке корпуса. Последняя закрыта специальной плёнкой , на которую методом шелкографии нанесены надписи. Индикатор защищен окном из прозрачной пластмассы толщиной 0,6мм. Крышки термометра крепятся друг к другу четырьмя винтами. Для достижения герметичности корпуса все швы перед сборкой проклеиваются силиконом.

Термометр обладает следующими характеристиками:

  1.погрешность измерения ( аппаратная) – в диапазоне от -50 до 199,9°С;

  2.погрешность измерения ( аппаратная) в диапазоне от +200°С до         +450°С_±0,1°С;

  3.период измерения температуры равен 1с;

  4.точность внутренних часов составляет ±10 с в сутки;

  5.индикация разряда батареи;

  6.4½-разрядный ЖК-индикатор с высотой цифр 9мм;

  7.Габариты: 65х130х25мм;

  8.Вес 120г;

  9.Питание от литиевой батареи 3,6в;

 10. Срок службы батареи при работе 12 часов в сутки – не менее 5 лет.

Внутренне устройство цифрового термометра представлено  на рис. 4.

 




Рисунок4 - Внешнее устройство цифрового термометра

Базовый элемент схемы-микроконтроллер MSP430P325- идеальная микросхема для создания энергонезависимых измерительных приборов. Микроконтроллер MSP430P325 с EPROM-памятью программ используется для отработки программного обеспечения, а однократно программируемый микроконтроллер MSP430P325- в серийной продукции. Микроконтроллер MSP430P325 имеет встроенный стабилизатор тока0…6мА и 12 разрядный АЦП с расширением до 14 разрядов. Поэтому измерение температуры с применением микроконтроллера MSP430P325 не представляет особых трудностей.

РезисторR2 создаёт ток, протекающий через датчик PT1000. Конденсатор С1,С3 и резистор R3 представляют собой простейший фильтр. Остальные элементы необходимы для нормального функционирования прибора. Кнопки SB1-SB2,R12 и контроллер С8 используются схемой обслуживания кнопок. Резистор R7 и микросхема DA1 применяются для формирования опорного напряжения в программе контроля разряда батареи питания. Резисторы R8-R11 определяют режим работы встроенного драйвера жидкокристаллического индикатора HL1. ЖК-индикатор типа 5066 имеет три подложки и работает в мультиплексном режиме.

Литиевая батарея Bat1 обеспечивает прибор питанием. Микроконтроллер  MSP430P325 (DD1) управляет всеми перечисленными элементами. Благодаря его использованию, количество элементов в схеме минимально. Основные элементы, необходимые для работы термометра АЦП, стабилизатор тока, драйвер ЖК-индикатора, аналоговый мультиплексор, таймер – в микроконтроллер.

Кнопка SB1(ON/OFF) включает выключает термометр. Кнопка SB2(Hold/Set) в режиме «температура» фиксирует показания измеренной температуры на индикаторе или включает режим непрерывного измерения. Кнопка SB3(С/TIME) переключает режимы работы термометра «температура/часы». Внешнее устройство цифрового термометра представлено на рис.5.


Рисунок5-Внешнее устройство цифрового термометра



3Экспериментальная часть
3.1Сравнительные характеристики микроконтроллеров

На сравнение микроконтроллеров были взяты два микроконтроллера на базе
AVR

AT90S2333 и AT90S4433 - экономичные 8-битовые КМОП микроконтрол­леры, построенные с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. Исполняя по одной команде за период тактовой частоты, AT90S2333 и AT90S4433 имеют производительность около 1MIPS на МГц, что позволяет разработчикам создавать системы оптимальные по скорости и потребляемой мощности. В основе ядра AVR лежит расширенная RISC архитектура, объединяю­щая развитый набор команд и 32 регистра общего назначения. Все 32 ре­гистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), что дает доступ к любым двум регистрам за один машинный цикл. Подобная архитектура обеспечивает десятикратный выигрыш в эффективнос­ти кода по сравнению с традиционными CISC микроконтроллерами. AT90S2333/4433 предлагают следующие возможности: 2кБ/4кБ загружа­емой флэш памяти; 128/256 байт EEPROM; 128 байт статического ОЗУ, 20 линий ввода/вывода общего назначения; 32 рабочих регистра; настраивае­мые таймеры/счетчики с режимом совпадения; внешние и внутренние преры­вания; программируемый универсальный последовательный порт; 6-каналь­ный 10-разрядный АЦП; программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором; SPI последовательный порт для загрузки программ; два вы­бираемых программно режима низкого энергопотребления. Холостой режим (Idle Mode) отключает ЦПУ, оставляя в рабочем состоянии регистры, тай­меры/счетчики, SPI порт и систему прерываний. Экономичный режим (Power Down Mode) сохраняет содержимое регистров, но отключает генератор, за­прещая функционирование всех встроенных устройств до внешнего прерыва­ния или аппаратного сброса. Микросхемы производятся с использованием технологии энергонезави­симой памяти высокой плотности фирмы Atmel. Загружаемая флэш память на кристалле может быть перепрограммирована прямо в системе через после­довательный интерфейс SPI или доступным программатором энергонезависи­мой памяти. Объединяя на одном кристалле усовершенствованный 8-бито­вый RISC процессор с загружаемой флэш памятью, AT90S2333/4433 являются мощными микроконтроллерами, которые позволяют создавать достаточно гибкие и эффективные по стоимости устройства. AT90S2333/4433 поддерживаются полной системой разработки включаю­щей в себя компиляторы Си, макроассемблеры, программные отладчики/си­муляторы, внутрисхемные эмуляторы и отладочные комплекты.

Таблица2-Описание выводов

Назначение  вывода	Номер вывода	Номер вывода PDIP
RESET	29	1
PD0/RXD	30	2
PD1/TXD	31	3
PD2/INT0	32	4
PD3/INT1	1	5
PD4/T0	2	6
VCC	4	7
GND	5	8
XTAL1	7	9
XTAL2	8	10
PD5/T1	9	11
PD6/AIN0	10	12
PD7/AIN1	11	13
PB0/ICP	12	14
PB1/OC1	13	15
PB2/SS	14	16
PB3/MOSI	15	17
PB4/MISO	16	18
PB5/SCK	17	19
Назначение вывода	Номер вывода	Номер вывода PDIP
AVCC	18	20
AREF	20	21
AGND	21	22
PC0/ADC0	23	23
PC1/ADC1	24	24
PC2/ADC2	25	25
PC3/ADC3	26	26
PC4/ADC4	27	27
PC5/ADC5	28	28

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрайтис Б.Б., Аверьянов Н.Н., Белоус А.И.  и др. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник – М.: Радио и связь, 2003г. – 214с

2. Александров К.К. Кузьмина Е.Т. Электротехнические чертежи и схемы – СПб.: Микро, 2003г. – 233с.

3 Барнс Дж.  Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами / пер. с англ. Г.М. Мосина – М.: 2002г.

   4. Болл Стюарт Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров – М.: Додэка-ХХI, 2007г

5. Борисов В.Г. Юный радиолюбитель – М.: Наука, 2002г. – 134с.

   6. Бойко В.И., Гуржий А.Н., Жуйков В.Я. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства – СПб. БХВ, 2004г. – 512с.

    7.Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств.-          М.: Додэка-XXI, 2005г. – 528с.

 8. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы:учебник для ВУЗов, издание 4-е, пер. и доп., Москва, "Радио и связь",2001г. 512с.

9. Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств/ пер. с англ. Г.М. Мосина – М.:2002г. два тома.

10. Журнал схемотехника, август 2004г, стр. 53-54

  11. Иванов М.Т., Серrиенко А.Б., Ушаков В.Н. Теоретические основы радиотехники Учеб. пособие. под ред. Ушакова В.Н. – М.: Высш.шк. 2002г. 306 с.

12. Кашкаров А. П. Электронные самоделки – СПб.: БХВ, 2007г

13. Лаврентьев Б.Ф. Аналоговая и цифровая электроника Учебное пособие. Йошкар-Ола, 2000г.

14. Ленк Джон. Электронные схемы: Практическое руководство/ пер. с англ.

15. Лобанов В.И.  Азбука разработчика цифровых устройств – СПб.: Электрон, 2001г.

16. Машкова Т.Т., Степанов С.Н. Основы радиотехники – М.: Наука, 2000г. – 134с.

17. Микшиса В.Н. под ред. Теплюка И.Н. – М.: МИР. 1999. 343с.

18. Преснухина Л.Н. Микропроцессоры – М.: Высшая школа, 2000г., в 3- книгах.

19. Техническая документация по PIC16F627/628 (пер. с англ. Microchip)

20. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы – Челябинск, МБР, 1999г.

21.Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника - СПб.: Электрон, 2004г. – 528с.






Элементы входящие в состав схемы.

Поз. обозначение	Наименование		Примечание
	Конденсаторы
С1,С3	Конденсатор КМ4 –0,1 мкФ ± 10%       ОЖО.506.089 ТУ	2
С2,С4	Конденсатор КМ56 -100 мкФ ± 10%     ОЖО.563.087 ТУ	2
С5,С6	Конденсатор  КМ4-9пФ ± 10%               ОЖО.506.089 ТУ	2
С7	Конденсатор  КМ56 -100 нФ ± 10%     ОЖО.563.082 ТУ	1
	Микросхемы
DD1	Микросхема DA37805	1
DD2	Микросхема MCP100	1
DD3,DD4	Микросхема AD680	2
DD5	Микросхема ATmega 103	1
DD6	Микросхема МАХ481	1
	Модули
DD7	Модуль PG1602	1
	Кварцевый генератор
G1	Резонатор кварцевый РК 4МГц	1
	Резисторы
R1	Резистор МЛТ-0,125 70Ом ± 5 %         ОЖО.467.091 ТУ	1
R2	Резистор МЛТ-0,125 100Ом ± 5 %         ОЖО.467.096 ТУ	1
R3	Резистор 100П                                        ОЖО.490.093 ТУ	1
	Ключи
SW1-SW8	П2К                                                           ОЖО.498.091 ТУ	8
	Диоды полупроводниковые
VD1	КЦ 105                                                           ГОСТ  4789 -89	1