Датчики и микроконтроллеры

Введение

 

Область применения микроконтроллеров - это  различные контроллеры устройств  автоматики, пластиковые карты, контроллеры  периферийных устройств.

Развитие  микроэлектроники и её широкое применений изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и  процессами является в настоящее  время одним из основных направлений  научно-технического прогресса.

Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических  показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и  позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными. Использование микроконтроллеров  в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей  эффективности при низкой стоимости.

Микроконтроллеры  представляют собой эффективное  средство автоматизации разнообразных  объектов и процессов.

AVR фирмы Atmel 8-битные RISC-микроконтроллеры для встраиваемых приложений являются, пожалуй, наиболее интересным направлением, развиваемым фирмой. Они представляют собой мощный инструмент, прекрасную основу для создания современных высокопроизводительных и экономичных встраиваемых контроллеров многоцелевого назначения.

Несмотря  на то, что микроконтроллеры AVR появились  на рынке около 10 лет назад, их популярность до сих пор очень высока. С каждым годом они захватывают все  новые и новые ниши на рынке. Не последнюю роль в этом играет соотношение  показателей цена/быстродействие/энергопотребление, до сих пор являющееся едва ли не лучшим на рынке 8-битных микроконтроллеров. Кроме того, постоянно растет число выпускаемых сторонними производителями разнообразных программных и аппаратных средств поддержки разработок устройств на их основе. Все это позволяет говорить о микроконтроллерах AVR как об индустриальном стандарте среди 8-битных микроконтроллеров.

В настоящее  время в рамках единой базовой  архитектуры микроконтроллеры AVR подразделяются на несколько семейств:

- Tiny AVR;

- Mega AVR;

- Mega AVR для специальных применений;

- ASIC/FPGA AVR.

Далее будет более подробно рассмотрено  семейство Mega. Микроконтроллеры этого семейства имеют наиболее развитую периферию, наибольшие среди всех микроконтроллеров AVR объемы памяти программ и данных. Они предназначены для использования в мобильных телефонах, в контроллерах различного периферийного оборудования (такого как принтеры, сканеры, современные дисковые накопители, приводы CD-ROM/DVD-ROM и т. п.), в сложной офисной технике и т. д.

Микроконтроллеры  семейства Mega поддерживают несколько режимов пониженного энергопотребления, имеют блок прерываний, сторожевой таймер и допускают программирование непосредственно в готовом устройстве.

 

1 Аппаратная часть

 
Структура устройства  

Рисунок1. Структурная схема устройства

 

Используемые  сокращения:

1)DL – Датчик нижнего уровня;

2) DH - Датчики верхнего уровня ;

3) DT - Датчик температуры;

4)K1, K2, K3 – электромагнитные краны ;

5)TEN – электрический нагревательный  элемент;

6) Arduino Duemilanove – платформа Arduino Duemilanove.

Рисунок 1.1 схема установки

 

1.2 Описание принципиальной электрической  схемы

 

Arduino Duemilanove

Рисунок 2. Arduino Duemilanove

 

Общие сведения

Arduino Duemilanove («2009») построена на одном из микроконтроллеров: ATmega168 (техническое описание) или ATmega328 (техническое описание). Платформа содержит 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC, или батареи.

Duemilanove (в переводе с итальянского – 2009) была названа в честь года своего выпуска – 2009 год. Данная платформа является последней из серии Arduino с USB. Для сравнения с предыдущими версиями необходимо обратиться к полному списку плат Arduino.

Характеристики

Микроконтроллер ATmega168

Рабочее напряжение 5 В

Входное напряжение (рекомендуемое) 7-12 В

Входное напряжение (предельное) 6-20 В

Цифровые  Входы/Выходы 14 (6 из которых могут  использоваться как выходы ШИМ)

Аналоговые  входы 6

Постоянный  ток через вход/выход 40 мА

Постоянный  ток для вывода 3.3 В 50 мА

Флеш-память 16 Кб (ATmega168) или 32 Кб (ATmega328) при этом 2 Кб используются для загрузчика

ОЗУ 1 Кб (ATmega168) или 2 Кб (ATmega328)

EEPROM 512 байт (ATmega168) или 1 Кб (ATmega328)

Тактовая  частота 16 МГц

Схема и исходные данные

 

Рисунок 3. Принципиальная схема Arduino Duemilanove

Питание

Arduino Duemilanove может получать питание через подключение USB или от внешнего источника питания. Источник питания выбирается автоматически.

Внешнее питание (не USB) может подаваться через преобразователь напряжения AC/DC (блок питания) или аккумуляторной батареей. Преобразователь напряжения подключается посредством разъема 2.1 мм с центральным положительным полюсом. Провода от батареи подключаются к выводам Gnd и Vin разъема питания.

Платформа может работать при внешнем питании  от 6 В до 20 В. При напряжении питания ниже 7 В, вывод 5V может выдавать менее 5 В, при этом платформа может работать нестабильно. При использовании напряжения выше 12 В регулятор напряжения может перегреться и повредить плату. Рекомендуемый диапазон от 7 В до 12 В.

Выводы  питания:

VIN. Вход используется для подачи  питания от внешнего источника  (в отсутствие 5 В от разъема USB или другого регулируемого источника питания). Подача напряжения питания происходит через данный вывод.

5V. Регулируемый источник напряжения, используемый для питания микроконтроллера  и компонентов на плате. Питание  может подаваться от вывода VIN через регулятор напряжения, или  от разъема USB, или другого регулируемого  источника напряжения 5 В.

3V3. Напряжение на выводе 3.3 В генерируемое микросхемой FTDI на платформе. Максимальное потребление тока 50 мА.

GND. Выводы заземления.

Память

Микроконтроллер ATmega168 имеет 16 кБ флеш-памяти для хранения кода программы, а микроконтроллер ATmega328, в свою очередь, имеет 32 кБ (в обоих случаях 2 кБ используется для хранения загрузчика). ATmega168 имеет 1 кБ ОЗУ и 512 байт EEPROM (которая читается и записывается с помощью библиотеки EEPROM), а ATmega328 – 2 кБ ОЗУ и 1 Кб EEPROM.

Входы и Выходы

Каждый  из 14 цифровых выводов Duemilanove, используя функции pinMode(), digitalWrite(), и digitalRead(), может настраиваться как вход или выход. Выводы работают при напряжении 5 В. Каждый вывод имеет нагрузочный резистор (стандартно отключен) 20-50 кОм и может пропускать до 40 мА. Некоторые выводы имеют особые функции:

Последовательная  шина: 0 (RX) и 1 (TX). Выводы используются для  получения (RX) и передачи (TX) данных TTL. Данные выводы подключены к соответствующим  выводам микросхемы последовательной шины FTDI USB-to-TTL.

Внешнее прерывание: 2 и 3. Данные выводы могут  быть сконфигурированы на вызов прерывания либо на младшем значении, либо на переднем или заднем фронте, или при изменении  значения. Подробная информация находится  в описании функции attachInterrupt().

ШИМ: 3, 5, 6, 9, 10, и 11. Любой из выводов обеспечивает ШИМ с разрешением 8 бит при  помощи функции analogWrite().

SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Посредством данных выводов осуществляется связь SPI, которая, хотя и поддерживается аппаратной частью, не включена в язык Arduino.

LED: 13. Встроенный светодиод, подключенный  к цифровому выводу 13. Если значение  на выводе имеет высокий потенциал,  то светодиод горит.

На  платформе Duemilanove установлены 6 аналоговых входов, каждый разрешением 10 бит (т.е. может принимать 1024 различных значения). Стандартно выводы имеют диапазон измерения до 5 В относительно земли, тем не менее имеется возможность изменить верхний предел посредством вывода AREF и функции analogReference(). Некоторые выводы имеют дополнительные функции:

I2C: 4 (SDA) и 5 (SCL). Посредством выводов  осуществляется связь I2C (TWI), для  создания которой используется  библиотека Wire.

Дополнительная  пара выводов платформы:

AREF. Опорное напряжение для аналоговых  входов. Используется с функцией  analogReference().

Reset. Низкий уровень сигнала на выводе перезагружает микроконтроллер. Обычно применяется для подключения кнопки с целью блокировки микроконтроллера.

Обратите  внимание на соединение между выводами Arduino и портами ATmega168.

Связь

На  платформе Arduino Duemilanove установлено несколько устройств для осуществления связи с компьютером, другими устройствами Arduino или микроконтроллерами. ATmega168 и ATmega328 поддерживают последовательный интерфейс UART TTL (5 В), осуществляемый выводами 0 (RX) и 1 (TX). Установленная на плате микросхема FTDI FT232RL направляет данный интерфейс через USB, а драйверы FTDI (включены в программу Arduino) предоставляют виртуальный COM порт программе на компьютере. Мониторинг последовательной шины (Serial Monitor) программы Arduino позволяет посылать и получать текстовые данные при подключении к платформе. Светодиоды RX и TX на платформе будут мигать при передаче данных через микросхему FTDI или USB подключение (но не при использовании последовательной передачи через выводы 0 и 1).

Библиотекой SoftwareSerial возможно создать последовательную передачу данных через любой из цифровых выводов Duemilanove.

ATmega168 и ATmega328 поддерживают интерфейсы I2C (TWI) и SPI. В Arduino включена библиотека Wire для удобства использования шины I2C. Более подробная информация находится в документации. Для использования интерфейса SPI обратитесь к техническим данным микроконтроллеров ATmega168 и ATmega328.

Программирование

Платформа программируется посредством ПО Arduino. Из меню Tools > Board выбирается «Arduino Diecimila или Duemilanove w/ ATmega168» или «Arduino Duemilanove w/ ATmega328» (согласно установленному микроконтроллеру). Подробная информация находится в справочнике и инструкциях.

Микроконтроллеры ATmega168 и ATmega328 поставляются с записанным загрузчиком, облегчающим запись новых  программ без использования внешних  программаторов. Связь осуществляется оригинальным протоколом STK500.

Имеется возможность не использовать загрузчик  и запрограммировать микроконтроллер  через выводы ICSP (внутрисхемное программирование). Подробная информация находится  в данной инструкции.

Автоматическая (программная) перезагрузка

Duemilanove разработана таким образом, чтобы перед записью нового кода перезагрузка осуществлялась самой программой, а не нажатием кнопки на платформе. Одна из линий FT232RL, управляющих потоком данных (DTR), подключена к выводу перезагрузки микроконтроллеров ATmega168 или ATmega328 через резистор 100 нФ. Активация данной линии, т.е. подача сигнала низкого уровня, перезагружает микроконтроллер. Программа Arduino, используя данную функцию, загружает код одним нажатием кнопки Upload в самой среде программирования. Подача сигнала низкого уровня по линии DTR скоординирована с началом записи кода, что сокращает таймаут загрузчика.

Функция имеет еще одно применение. Перезагрузка Duemilanove происходит каждый раз при подключении к программе Arduino на компьютере с ОС Mac X или Linux (через USB). Следующие полсекунды после перезагрузки работает загрузчик. Во время программирования происходит задержка нескольких первых байтов кода во избежание получения платформой некорректных данных (всех, кроме кода новой программы). Если производится разовая отладка скетча, записанного в платформу, или ввод каких-либо других данных при первом запуске, необходимо убедиться, что программа на компьютере ожидает в течение секунды перед передачей данных.

На  Duemilanove имеется возможность отключить линию автоматической перезагрузки разрывом соответствующей линии. Контакты микросхем с обоих концов линии могут быть соединены с целью восстановления. Линия маркирована «RESET-EN». Отключить автоматическую перезагрузку также возможно подключив резистор 110 Ом между источником 5 В и данной линией. Подробная информация находится в соответствующей ветке форума.

Токовая защита разъема USB

В Arduino Duemilanove встроена перезагружаемая плавкая вставка (предохранитель), защищающая порт USB компьютера от токов короткого замыкания и сверхтоков. Хотя практически все компьютеры имеют подобную защиту, тем не менее, данный предохранитель обеспечивает дополнительный барьер. Предохранитель автоматически прерывает обмен данных при прохождении тока более 500 мА через USB порт.

Физические  характеристики

Длинна  и ширина печатной платы Duemilanove составляют 6.9 и 5.3 см соответственно. Разъем USB и силовой разъем выходят за границы данных размеров. Три отверстия в плате позволяют закрепить ее на поверхности. Расстояние между цифровыми выводами 7 и 8 равняется 0,4 см, хотя между другими выводами оно составляет 0,25 см.

 

1.2 Описание принципиальной электрической  схемы

 

Схема электрическая принципиальная представлена на рисунке 1.2

 

1.3 Выбор и расчет элементов  схемы

 

При разработке устройства были использованы следующие электронные компоненты:

– термодатчик DS 18B20;

- платформа  Arduino

– датчики PL – нижнего уровня и  датчик PH – высокого уровня

- электрический  нагревательный элемент

Для включения электронагревателя или  электродвигателя микроконтроллер  должен выдать сигнал низкого уровня на соответствующую линию порта  вывода.

После включения нагревателя устройство должно поддерживать температуру в  диапазоне от Тмин до Тмакс. Текущее значение температуры отображается на 3-значном цифровом индикаторе.

В исходном состоянии резервуары пуст, все краны  закрыты, нагреватель и двигатель  выключены.

Технологический цикл должен начинаться после нажатия  кнопки «Пуск». По завершении цикла  подать звуковой сигнал частотой 1 – 2 кГц длительностью 2 с.

Датчик  температуры (DT) использует термосопротивление, величина которого зависит от температуры. Датчик проградуирован так, что при температуре 10 С0 он выдает 0,1 В, а при температуре 200 С0 – 2,0В.

 

Даны  значения Тмин=85, Тмакс=90. Следовательно Тмин =174 Тмакс =184

 

1.4 Конструкция устройства

 

Общая характеристика объекта управления. Агрегат содержит один резервуар (Р), который оснащен датчиками и  имеет входные трубы и выпускную  трубу. Дополнительно резервуары могут  содержать электронагреватель (TEN), миксер, приводимый во вращение электродвигателем (ED). Задана последовательность операций, которая обеспечивает химико-технологический процесс приготовления продута.