Дипломная (вкр): Разработка информационной системы управления отопительным котлом для частного дома

АЛУ подключено непосредственно к регистрам общего назначения;

большинство команд выполняется за один машинный цикл;

многоуровневая система прерываний; поддержка очереди прерываний;

от 3 до 16 источников прерываний (из них до 2 внешних);

наличие программного стека.

Характеристики подсистемы ввода/вывода:

программное конфигурирование и выбор портов ввода/вывода;

каждый вывод может быть запрограммирован как входной или как выходной независимо от других;

входные буферы с триггером Шмита на всех выводах;

возможность подключения ко всем входам внутренних подтягивающих резисторов (сопротивление резисторов составляет 35…120 кОм);

нагрузочная способность всех выводов составляет до 20 мА, что позволяет непосредственно управлять светодиодными индикаторами.

Периферийные устройства:

Микроконтроллеры семейства Classic обладают достаточно развитой периферией. Набор периферийных устройств, имеющихся в составе того или иного микроконтроллера, зависит от конкретной модели. Перечислим все периферийные устройства, так или иначе встречающиеся в микроконтроллерах семейства:

8-разрядный таймер/счетчик с предделителем (таймер Т0);

16-разрядный таймер/счетчик с предделителем (таймер Т1);

8-разрядный таймер/счетчик с возможностью работы в асинхронном режиме (таймер Т2);

сторожевой таймер (WDT)

одно- или двухканальный 8… 10-разрядный генератор сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);

одноканальный 8-разрядный генератор сигнала с ШИМ;

аналоговый компаратор;

10-разрядный АЦП (6 или 8 каналов);

полнодуплексный универсальный асинхронный приемопередатчик

последовательный синхронный интерфейс SPI.

Архитектура ядра

Ядро является «сердцем» микроконтроллеров AVR. Оно выполнено по усовершенствованной RISC (enhanced RISC) архитектуре, в которой используется ряд решений, направленных на повышение быстродействия микроконтроллеров. Схематическое упрощенное изображение ядра показано на рисунке 2.5. [6]

Рисунок. 2.5 - Архитектура ядра микроконтроллеров AVR

Далее рассмотрим особенности микроконтроллеров PIC которая производит фирма MicrochipTechnology.Эта фирма представляет нам серию микроконтроллеров PIC16ХXX,

это 8-pазpядные микроконтроллеры с сокращенным набором команд (RISK), имеют двухшинную Гарвардскую архитектуру,

за счет чего имеют большую скорость выполнения инструкций (команд), которых у них всего 35. Одна команда выполняется за

такта (кроме условных команд перехода, они за 8),

тактовой частоты, то есть, при частоте тактирования 1 МГц, скорость выполнения одной команды 4 мкс. Также существует специальная серия, предназначенная для применения в готовых изделиях, которые полностью готовы к работе. Они предназначены для однократного программирования, выпускаются в более дешевом пластиковом корпусе. Это позволяет несколько уменьшить цену. [4]

Достоинства:

Увеличивает число внутренних соединений между периферией и портами ввода-вывода

Добавляет аппаратные функции и сохраняет место на печатной плате

Программное управление комбинационной и последовательной логики - эффективное создание программируемых логических элементов

Программно-управляемые логические функции уменьшают размер кода и не требуют процессорного времени.

Примеры использования:

Модуляция данных;

Последовательная выдача питания;

Декодеры Манчестер/IrDA;

Импульсные источники питания;

Логика общего назначения;

умные системы управления;

Пример: повышающий регулятор с аналоговой обратной связью представлен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - регулятор с обратной связью

Данное семейство микроконтроллеров используется в основном для периферийных устройств. [7]

Завершают краткий обзор, семейство мощных микроконтроллеров ARM.

На смену известным микроконтроллерам серии LPC21 <#"897069.files/image013.gif">

Рисунок 2.7- Внутренняя структурная схема микроконтроллеров семейства LPC23

Отличительные особенности семейства LPC23xx:

ARM7TDMI-S процессор, работающий на тактовой частоте до 72 МГц;

до 512 кбайт встроенной Флэш-памяти программ;

до 64 кбайт высокоскоростного статического ОЗУ;

по 16 кбайт статического ОЗУ для Ethernet и USB интерфейсов, с возможностью использования в качестве ОЗУ общего назначения; [9]

сдвоенная система шин AHB, которая обеспечивает бесконфликтную одновременную работу Ethernet DMA, USB DMA и исполнение программы из встроенной флэш-памяти;

контроллер внешней памяти, поддерживающий работу с микросхемами flash, статической, динамической и постоянной памяти;

AHB DMA-контроллер общего назначения (GPDMA), который может быть использован с SSP интерфейсом, I2S-портом, интерфейсом для карт SD/MMC, а также для ускорения переноса содержимого памяти;

последовательные интерфейсы:

10/100 Ethernet MAC-блок с контроллером DMA, использующий MII-(MediaIndependentInterface) или RMII- (reduced MII) протокол и встроенную MIIM- (MediaIndependentInterfaceManagement) последовательную шину для связи с внешней микросхемой физического уровня Ethernet PHY;

USB Device, Host (OHCI совместимый) и OTG блоки с DMA и со встроенными физическими уровнями (PHY);

четыре UART со встроенными тактовыми генераторами и с буферами FIFO, один из которых - с полной поддержкой модемного контроля, и один - с IrDA поддержкой;

CAN 2.0B-контроллер с двумя каналами;

SPI-контроллер;

два SSP-контроллера с буферами FIFO;

три I2C-интерфейса;

I2S-интерфейс для цифровых аудио входов или выход.

вспомогательная APB периферия:

Интерфейс карт памяти SecureDigital (SD)/MultiMediaCard (MMC);

10-разрядный высокоскоростной (время преобразования 2,44 мкс) АЦП с мультиплексированием на восемь каналов, для каждого из которых смотрен индивидуальный регистр результата преобразования; [9]

10-разрядный высокоскоростной ЦАП с буферизированным выходом;

четыре таймера общего назначения с четырьмя входами захвата и четырьмя выходами сравнения. Каждый из таймеров содержит внешний счетный вход;

два ШИМ-модуля, каждый с поддержкой управления трехфазным двигателем и с возможностью установки программируемого защитного интервала, каждый модуль также имеет внешний счетный вход;

полноформатные часы реального времени (RTC) со встроенным статическим ОЗУ емкостью 2 кбайт, с индивидуальным внешним выводом питания и возможностью выбора источника тактирующих импульсов: либо с выхода программируемого делителя частоты периферийной шины, либо от часового кварца 32768 Гц;

сторожевой таймер, который может тактироваться от встроенного RС-генератора, RTC-генератора или от периферийной шины;

единое напряжение питания 3,3 В;

четыре режима снижения энергопотребления: Idle, Sleep,PowerDown, и DeepPowerdown;

четыре входа внешних прерываний;

детектор снижения напряжения питания с разными уровнями прерывания и ускоренного сброса;

сброс по включению питания;

встроенный кварцевый генератор на диапазон частот от 1 до 24 МГц; встроенный RC-генератор с тактовой частотой 4 МГц;

встроенная ФАПЧ: позволяет процессору работать с максимальной производительностью без использования высокочастотных кварцевых резонаторов; источником тактового сигнала ФАПЧ может служить как основной генератор, так и встроенные RC- и RTC-генераторы;

промышленный температурный диапазон: -40...85°С;

корпус: LQFP100, LQFP144.

Подведем итоги аналитического обзора, и сделаем выводы.

Несмотря на привлекательность и многозадачность микроконтроллеров ARM, главным критерием отказаться от использования в проекте отладочных плат на основе микроконтроллеров ARM, послужило отсутствие необходимости использования столь широких возможностей микроконтроллеров.

Оптимальным решением стал выбор микроконтроллеров AVR, за оптимальные показатели и широкие возможности дешёвых возможностей расширения на базе отладочных плат.

3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Для программирования AVR-микроконтроллеров существует немало средств разработки, основным языком программирования является стандартный C++ <https://ru.wikipedia.org/wiki/C%2B%2B>, с использованием вложенных библиотек низко уровневых языков, для согласования и отладки программируемого периферийного оборудования также (используется компилятор AVR-GCC <https://ru.wikipedia.org/wiki/GNU_AVR_toolchain>).

ведется целиком через собственную программную оболочку (IDE), В этой оболочке имеется текстовый редактор <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BA%D1%81%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80>, менеджер проектов, препроцессор <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%B5%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%BE%D1%80>, компилятор <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D0%B8%D0%BB%D1%8F%D1%82%D0%BE%D1%80> и инструменты для загрузки программы в микроконтроллер. Оболочка написана на Java <https://ru.wikipedia.org/wiki/Java> на основе проекта Processing <https://ru.wikipedia.org/wiki/Processing>, работает под Windows <https://ru.wikipedia.org/wiki/Windows>, Mac OS X <https://ru.wikipedia.org/wiki/Mac_OS_X> иLinux <https://ru.wikipedia.org/wiki/Linux>.

Основными инструментами для программирования микроконтроллеров являются AmtelStodioи Arduino СС.

Среда разработки скомпонована с библиотекой AVR Libc <#"897069.files/image014.jpg">

Рисунок 3.1 - AmtelStodio

Как и на многих других платформах, возможности среды программирования Arduino могут быть существенно расширены за счет использования библиотек. Библиотеки расширяют функциональность программ и несут в себе дополнительные функции, например, для работы с аппаратными средствами, функции по обработке данных и т.д. Ряд библиотек устанавливается автоматически вместе со средой разработки, также для согласования оборудования собственной разработки предусмотрено написание собственных библиотек, для работы непосредственно с железом.

Библиотека в Ардуино это не что иное, как дополнительный класс. Поэтому, прежде всего, необходимо определить функции для библиотеки как класс.

Библиотека должна иметь как минимум два файла:

заголовочный файл (расширение. h);

файл с исходным кодом (расширение .cpp).

В первом файле содержится описание самого класса, переменные, константы. Кода программы здесь нет. А второй файл содержит программный код методов. Разрабатывать и редактировать файлы библиотеки можно в любой среде разработки для C++ или в текстовом редакторе, желательно с подсветкой синтаксиса.

библиотеки, использованные в проекте разработки «ИСУ»:

EEPROM <#"897069.files/image015.jpg">

Рисунок 4.1-структурная схема

5. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ «ИСУ»

Проектируя автоматизированную информационную систему управления отопительным котлом, «ИСУ» необходимо выбрать следующие элементы:

отладочную плату на микроконтроллере.дисплей с тачскрином.

Понижающий Блок питания для отладочной платы.

Датчик температуры в контуре теплообменника котла.

Датчик температуры в подающем шнеке (датчик прогорания пеллет)

Датчик дымовых газов.

Два магнитных реле для силовых агрегатов до 2 Квт.

Управляемый Мк диммер (устройство регулирования мощности) до 2Квт.

Начиная выбор отладочных плат мой выбор пал на довольно заурядную модель из всего многочисленного семейства отладочных плат,представлена на рисунке 5. 1. [12]

Рисунок 5.1- MegaADK

имеет следующие характеристики:

MegaADK имеет следующие входы и выходы каждый из 54 цифровых выводов Mega, используя функции pinMode() <#"897069.files/image017.jpg">

Рисунок 5.2 - LCDTFTdisplay

Характеристики LCDTFT дисплея:

Диагональ 3’2 Разрешение 320 х 240

Соотношение сторон экрана 4: 3

Углы обзора верх/низ/лево/право 45/65/65/65

Яркость кд/м2 250

Контрастность 500:1

Ток потребления, мА 220

Монитор совместим с контроллерами Arduino Mega2560. Так как монитор работает с уровнями сигналов 3,3 В, несовместимыми с Arduino, необходимо использовать преобразователь уровней нам понадобится несколько микросхем 74hc541pw. Микросхема изображена на рисунке 5.3.[12]

Рисунок 5.3 -74hc541pw

) Понижающий блок питания.

Блок питания Робитон 600 изображен нарисунке5.4.

Рисунок 5.4 - блок питания Робитон 600

Технические характеристики блока питания:

очень легкий и компактный;

соответствует последним стандартам: сниженное энергопотребление и высокий КПД;

защита от перегрузок;

защита от короткого замыкания;

Тип электросхемы- Импульсный;

Напряжение питания: 100В-110В, 220В-240В;

Выходной ток (макс.): 600 мА; [12]

Этот продукт является результатом последних разработок ROBITON, нацеленных на повышение эффективности использования и экономии электроэнергии. Импульсные блоки питания ROBITON серии ImpulseEfficient обладают улучшенными характеристиками и сниженным энергопотреблением. на 95% сокращены потери электроэнергии в режиме ожидания и до 70% эффективней по сравнению с трансформаторными блоками питания

Это импульсные блоки питания - блоки питания на основе принципиально новой схемы. У них более высокий КПД по сравнению с традиционными блоками питания. И большие значения тока при меньшем размере корпуса. Данная схема также обеспечивает автоматическую защиту от короткого замыкания и защиту от перегрузок. При этом они значительно легче и компактней, чем обычные блоки питания. Это самые современные блоки питания для современной техники! [10]

-5) датчик температуры теплоносителя.

Датчик температуры герметичный ИПТГ (выход 4-20 мА) рисунок 5.5

Рисунок 5.5- ИПТГ

Датчик температуры герметичный ИПТГ предназначен для измерения температуры жидких и газообразных сред. Датчик имеет простую конструкцию и небольшие габариты. Датчик выполнен в металлическом корпусе со степенью защиты IP54. Выходной сигнал 4- 20 мА. Диапазоны измерения в пределах от -50°С до 200°С. [12]

) Датчик температуры шнека.

Датчик температуры герметичный IFM Electronic, рисунок 5.6.

Рисунок 5.6-IFM Electronic

Датчик температуры герметичный IFM Electronic предназначен для измерения температуры жидких и газообразных сред. Датчик имеет простую конструкцию и небольшие габариты. Датчик выполнен в металлическом корпусе со степенью защиты IP64. Выходной сигнал 4- 20 мА. Диапазоны измерения в пределах от 0°С до 600°С.