Многофункциональный частотомер

Глава 2. Микроконтроллер PIC16F84

2.1. Описание микроконтроллера

PIC16F84 относится к семейству КМОП  микроконтроллеров. Отличается  тем, что имеет внутреннее 1K x 14 бит EEPROM для программ,  8-битовые  данные  и 64байт EEPROM памяти  данных.  При  этом  отличаются  низкой  стоимостью  и  высокой производительностью. Пользователи,  которые  знакомы  с  семейством PIC16C5X могут посмотреть подробный список отличий нового  от  производимых ранее контроллеров. Все команды состоят из одного слова (14 бит шириной)  и исполняются за один цикл (1  мкс  при  4  МГц),  кроме  команд  перехода, которые выполняются за два  цикла  (2 мкс).  PIC16F84  имеет  прерывание, срабатывающее от четырех источников,  и  восьмиуровневый  аппаратный  стек. Периферия   включает   в   себя   8-битный   таймер/счетчик   с    8-битным программируемым предварительным делителем (фактически 16 - битный таймер) и 13 линий двунаправленного ввода/вывода. Высокая нагрузочная способность (25 мА макс. входной ток, 20 мА  макс.  выходной  ток)  линий  ввода/вывода упрощают  внешние  драйверы  и,  тем  самым,  уменьшается  общая  стоимость системы.  Разработки   на   базе   контроллеров   PIC16F84   поддерживается ассемблером,  программным  симулятором,  внутрисхемным  эмулятором  (только фирмы Microchiр) и программатором.

Серия  PIC16F84  подходит  для  широкого  спектра  приложений  от  схем высокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов  и  связных процессоров. Наличие ПЗУ  позволяет  подстраивать  параметры  в  прикладных программах (коды  передатчика,  скорости  двигателя,  частоты  приемника  и т.д.).

Малые размеры корпусов, как для  обычного,  так  и  для  поверхностного монтажа, делает  эту  серию  микроконтроллеров  пригодной  для  портативных приложений.   Низкая   цена,   экономичность,   быстродействие,    простота использования и гибкость ввода/вывода делает PIC16F84 привлекательным  даже в тех  областях,  где  ранее  не  применялись  микроконтроллеры.  Например, таймеры, замена жесткой логики в больших системах, сопроцессоры.

Cледует  добавить,  что  встроенный  автомат  программирования   EEPROM кристалла PIC16F84 позволяет легко  подстраивать  программу  и  данные  под конкретные требования даже после завершения ассемблирования и тестирования. Эта возможность может быть использована как для тиражирования,  так  и  для занесения калибровочных данных уже после окончательного тестирования.

 

2.2. Обзор характеристик.

Высокоскоростной RISC процессор

• только 35 простых команд;
• все команды выполняются за один цикл(1 мкс), кроме команд перехода, выполняющихся за два цикла;
• рабочая частота 0 Гц ... 4 МГц (min 1 мкс цикл команды);
• 14- битовые команды;
• 8- битовые данные;
• 1024 х 14  электрически  перепрограммируемой  программной  памяти  на кристалле (EEPROM);
• 36 х 8 регистров общего использования;
• 15 специальных аппаратных регистров SFR;
• 64 x 8 электрически перепрограммируемой EEPROM памяти для данных;
• восьмиуровневый аппаратный стек;
• прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;
• четыре источника прерывания:
• внешний вход INT,
• переполнение таймера TMR0,
• прерывание при изменении сигналов на линиях порта B,
• по завершению записи данных в память EEPROM.

Периферия и Ввод/Вывод

• 13 линий ввода-вывода с индивидуальной настройкой;
• входной/выходной ток для управления светодиодами.
• макс. входной ток - 20 мА. ,
• макс. выходной ток - 25 мА.,
• TMR0: 8 -  битный  таймер/счетчик TMR0 с   8-битным   программируемым предварительным делителем.

Специальные свойства

• автоматический сброс при включении;
• таймер включения при сбросе;
• таймер запуска генератора;
• Watch Dog таймер   (WDT)   с   собственным   встроенным   генератором, обеспечивающим повышенную надежность;
• EEPROM бит секретности для защиты кода;
• экономичный режим SLEEP;
• выбираемые  пользователем  биты  для  установки  режима  возбуждения встроенного генератора:
• RC генератор : RC;
• обычный кварцевый резонатор : XT;
• высокочастотный кварцевый резонатор : HS;
• экономичный низкочастотный кристалл  : LP;
• встроенное  устройство  программирования  EEPROM  памяти  программ  и данных; используются только две ножки.

 

КМОП технология

• экономичная высокоскоростная КМОП EPROM технология;
• статический принцип в архитектуре;
• широкий диапазон напряжений питания и температур:
• коммерческий: 2.0 ... 6.0 В,  0...+70С,
• промышленный: 2.0 ... 6.0 В, -40...+70С,
• автомобильный: 2.0 ... 6.0 В, 40...+125С;
• низкое потребление:
• 2 мА типично для  5В, 4МГц,
• 15 мкА типично для  2В, 32КГц,
• 1 мкА типично для SLEEP режима при 2В

Глава 3. Многофункциональный частотомер на PIC-микроконтроллере.

3.1. Технические данные

Основные технические характеристики данного частотомера следующие:

• Диапазон измерения частоты: от 0,1 Гц до 100 МГц;
• Порог чувствительности по входному напряжению: 0,08 - 0,15 В;
• Минимальная фиксируемая частотомером величина частоты синусоидального сигнала – 2 Гц (амплитудой 0,15 В);
• Максимальная амплитуда входного сигнала – 3 В;
• Напряжение питания: 9 В;
• Потребляемый ток: 10 – 12 мА;
• Погрешность: 0,1 Гц (время измерения 10 с), 1 Гц (время измерения 1 с), 10 Гц (время измерения 0,1 с)

В частотомере есть возможность  изменения времени измерения (0,1; 1 и 10 с), умножение показаний на 1000 (при применении внешнего делителя частоты), удержание показаний, запись предыдущего значения частоты в энергонезависимую память и возможность последующего считывания.

 

 

3.2. Принципиальная схема  и принцип работы.

 

Схема частотомера представлена на рис. 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.7. Принципиальная схема частотомера

 

Основа частотомера – микроконтроллер PIC16F84A, который осуществляет счет импульсов внешнего сигнала, обработку полученных значений и вывод результатов измерения на ЖКИ. В функции микроконтроллера также входят опрос кнопок (SB1-SB4) и управление питанием прибора.

Кнопка SB1 предназначена для включения и выключения частотомера. После подключения батареи питания частотомер находится  в выключенном состоянии. При нажатии на кнопку SB1 напряжение питания через диод VD1 поступает на интегральный стабилизатор напряжения DA1, а с его выхода – на входной каскад: транзистор VT3, микроконтроллер DD1 и индикатор LCD. Потом на выводе 1 (RA2) микроконтроллера возникает высокий логический уровень, что приводит к открыванию транзисторов VT1 и VT2. Затем микроконтроллер ждет отпускания кнопки SB1 (контролируя сигнал на выводе 6). После размыкания кнопки SB1, напряжение питания подается на вход стабилизатора DA1 через открытый транзистор VT1 и начинается измерение частоты.

Во время удержания SB1 на экране индикатора  отображается надписи «ЧАСТОТОМЕР» и «ВЕРСИЯ: 1.00″. При вторичном нажатии на кнопку SB1, напряжение питания поступает на вывод 6 (RB0) микроконтроллера, который после этого ожидает размыкания кнопки SB1, и когда это произойдет, устанавливает низкий логический уровень на выводе 1 (RA2). В итоге транзисторы VT1, VT2 закрываются,  частотомер обесточивается. Если в режиме замера на индикаторе появляются  нулевые показания в течение приблизительно 3 мин, микроконтроллер устанавливает низкий логический уровень на выводе 1 (RA2), таким образом, отключая   от источника питания.

Время измерения, выбранное кнопкой SB2 (0,1; 1 или 10 с), показывается  в правой части нижней строки индикатора. Цена младшего разряда – 10, 1 или 0,1 Гц соответственно. При времени измерения 0,1; 1 и 10 с максимально на LCD может отображаться семь, восемь или девять разрядов, т. е. наибольшее отображаемое значение равно соответственно 99,999.99, 99,999.999 или 99,999.999.9 МГц.

Нажатием кнопки SB3 показания частоты умножают на 1000. Это необходимо  для считывания показаний при использовании внешнего делителя на 1000. Этот коэффициент умножения («х1″ или «х1000″) отображается в середине нижней строки. Для удержания  показания, нажимают кнопку SB4 («Память»). При этом на LCD фиксируется значение той частоты, которое было в момент нажатия кнопки. Его можно сохранить в энергонезависимой памяти микроконтроллера, воспользовавшись кнопкой SB2, функция которой в этом случае – «Запомнить».

Прежнее значение при этом стирается. Для того чтобы почитать частоту из памяти, необходимо нажать на кнопку  SB3. Для выхода из режима работы с памятью используют кнопку SB4. В режиме работы с памятью, частотомер автоматически выключается примерно через 3 мин после нажатия на любую кнопку независимо от показаний индикатора. После выключения питания в энергонезависимой памяти сохраняются последние параметры измерения (время измерения и множитель).

Калибруют частотомер по образцовому генератору с помощью подстроечного конденсатора С10. Подбором резистора R5 добиваются максимальной чувствительности прибора по напряжению. Контрастность выводимых показаний индикатора регулируют подбором резистора R11.

 

                                         Заключение

 

В данном курсовом проекте было произведено проектирование и расчет малогабаритного частотомера. В результате проектирования получилось изделие, которое удовлетворяет требованиям технической эстетики; габариты и масса прибора минимальны. Прибор отлично работает и готов для дальнейшего использования. Кроме того, были рассмотрены и освоены основные методы измерения частоты.

Разводка печатной платы частотомера была проведена в программе «Sprint Layout 5.0». Частотомер работает на микроконтроллере PIC16F84.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс).Под ред. Е. Г. Шрамкова — М.:Высшая школа, 1972

2. Справочник по электроизмерительным приборам; Под ред. К. К. Илюнина - Л.:Энергоатомиздат, 1983

3. Епифанов С.Н., Красных А.А.- Электроизмерительные приборы,  2005

4. Справочник по PIC-микроконтроллерам: Предко М. Пер. с англ. - М.: ДМК Пресс, 2002; ООО «Издательский дом «Додэка-ХХI», 2002.

5. Микроконтроллеры Microchip®. Практическое руководство Яценков В. С.— Москва: Горячая линия-Телеком, 2002.

6. PIC-микроконтроллеры. Все, что вам необходимо знать / Сид. Катцен; пер. с англ. Евстифеева А. В. — М.: Додэка-ХХI, 2008.

7. Радиоизмерительная техника-Меерсон А. М.Л.: Энергия, 1978

8. Журнал «Радио»,2002

9. Микроконтроллер PIC-16F84, даташит

10. Справочник по радиоизмерительным приборам: В 3-х т.; Под ред. В. С. Насонова — М.: Сов. радио, 1979

 

Приложение 1.

Фото устройства: