Министерство общего и профессионального образования
Свердловской области
Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Свердловской области
«Краснотурьинский индустриальный
колледж»
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
Тема: Проектирование устройства
контроля интенсивности движения автомобилей по автомагистрали на контроллере Atmega32
Целью выпускной квалификационной работы является освоение технологии проектных работ, выбор и обоснование технических решений, развитие навыков самостоятельной работы. Целью данного дипломного проектирования является закрепление и расширение знаний, полученных на лекциях, лабораторных и практических занятиях по принципам построения микропроцессорных устройств и систем на конкретном примере проектирования микроконтроллерного устройства. При этом в качестве аппаратных средств рекомендуется использование однокристальных микроконтроллеров.
Задачи данного дипломного проектирования:
в соответствии с заданием разработать алгоритм работы микроконтроллерного устройства или микроконтроллерной системы, выбрав при этом необходимые первичные преобразователи (датчики);
выбрать компоненты, удовлетворяющие требованиям быстродействия и функциональным возможностям реализации алгоритма;
с учетом выбранного микроконтроллера, выбрать инструментальные средства для разработки программы выполнения алгоритма и разработать программу;
создать интегрированную библиотеку для создания принципиальной схемы устройства и печатной платы;
в выбранной инструментальной среде осуществить создание печатной платы;
произвести расчет сетевого источника питания.
Оптические датчики делаться на 2 группы
· По типу устройства;
· По принципу работы;
По типу устройства оптические датчики делятся на моноблочные и двухблочные. В моноблочных излучатель и приёмник находятся в одном корпусе. У двухблочных датчиков источник излучения и приёмник оптического сигнала расположены в отдельных корпусах.
По принципу работы выделяют три группы оптических датчиков:
· тип T - датчики барьерного типа (приём луча от отдельно стоящего излучателя);
· тип R - датчики рефлекторного типа (приём луча, отражённого катафотом);
· тип D - датчики диффузионного типа (приём луча, рассеянно отражённого объектом).
У датчиков барьерного типа излучатель и приёмник находятся в отдельных корпусах, которые устанавливаются друг напротив друга на одной оси. Дальность разнесения корпусов может достигать 100 метров. Предмет, попавший в активную зону оптического датчика, прерывает прохождение луча. Изменение фиксируется приёмником, появившийся сигнал после обработки подаётся на управляемое устройство.
Датчики рефлекторного типа содержат в одном корпусе и передатчик оптического сигнала, и его приёмник. Для отражения луча используется рефлектор (катафот). Датчики такого типа активно используются на конвейере для подсчёта количества продукции. Для обнаружения объектов с зеркальной, отражающей металлической поверхностью в датчиках рефлекторного типа используют поляризационный фильтр. Дальность действия датчиков рефлекторного типа может достигать 8 метров.
В датчиках диффузионного отражения источник оптического сигнала и его приёмник находятся в одном корпусе. Приёмник учитывает интенсивность луча, отражённого контролируемым объектом. Для точности срабатывания в датчиках данного типа может включаться функция подавления фона. Дальность действия зависит от отражательных свойств объекта, может быть определена с помощью поправочного коэффициента, и при использовании стандартной мишени может достигать 2 метров.
Оптические датчики имеют индикатор рабочего состояния и, как правило, регулятор чувствительности, который даёт возможность настроить срабатывание на объект, находящийся на неблагоприятном фоне.
Источником излучения в современных оптических датчиках являются светодиоды. [8]
Для проектирования устройства контроля интенсивности движения автомобилей по автомагистрали нужны следующие комплектующие: оптический датчик, микроконтроллер АТmega 32, ЖКИ.
Устройство контроля движения автомобиля по автомагистрали нужно для подсчёта количества проехавших машин. В настоящее время это устройство популярно и необходимо, т.к. устанавливается на автомагистралях с целью мониторинга машин.
Основной составляющей этого устройства является оптический датчик. Он
через определенные промежутки времени выдает сигналы, которые поступают на
микроконтроллер, а с МК на ЖКИ в виде цифровой информации.
. Описательная часть
алгоритм микроконтроллер программа плата
ATmega32 представляет собой маломощный 8-разрядный микроконтроллер CMOS семейства AVR, построенным на RISC архитектуре, что позволяет выполнять мощные команды за 1 такт.достигает пропускной способности, приближающейся к 16 MIPS на 16МГц, что позволяет проектировщику оптимизировать энергопотребление и скорость обработки.
Ядро Atmel контроллера сочетает в себе богатый набор команд с 32 рабочими регистрами общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с Арифметико-логическим блоком (ALU), что позволяет двум независимым регистрам, которые должны быть доступны в одной инструкции, выполняться за один такт.
В результате архитектура становится более эффективной с точки зрения кода, а пропускная способность - в десять раз быстрее, чем обычные микроконтроллеры CISC.предоставляет следующие возможности:
· 32 Кбайт встроенной программируемой Flash-памяти;
· Программная память с возможностью чтения в режиме записи;
· 1024 байта EEPROM;
· 2 Кбайт SRAM;
· 32 общие линии ввода / вывода, 32 рабочих регистра общего назначения;
· интерфейс JTAG.
Встроенная поддержка отладки и программирование, три таймера / счетчика с режимами сравнения, внутренними и внешними прерываниями, последовательным программируемым USART. Двухпроводный последовательный интерфейс, 8-канальный, 10-разрядный АЦП с опциональным дифференциальным входным каскадом с программируемым усилением (только для TQFP), программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI и шесть выбираемых программных режимов энергосбережения. В режиме ожидания останавливает CPU, позволяя USART, двухпроводному интерфейсу, аналого-цифровой преобразователю, SRAM, таймер / счетчику, SPI порту прерваться для продолжения нормальной работы.
Режим Power-down сохраняет регистр, но останавливает осциллятор, отключая все остальные функции чипа до следующего внешнего прерывания или аппаратного сброса. В режиме энергосбережения асинхронный таймер продолжает работать, позволяя пользователю поддерживать работу таймера, пока остальная часть устройства находится в режиме сна.
АЦП в режим Noise Reduction останавливает CPU и все модули ввода / вывода, кроме асинхронного таймера и самого АЦП, чтобы свести к минимуму шум при коммутации во время преобразования АЦП. В режиме ожидания кристалл осциллятора работает, пока остальное устройство находится в режиме сна. Это позволяет очень быстро загружаться в сочетании с низким энергопотреблением.
В режиме расширенного ожидания оба основных осциллятора и асинхронный таймер продолжает работать.
Устройство изготовлено с использованием технологии энергонезависимой памяти Atmel высокой плотности. Onchip ISP Flash позволяет перепрограммировать память программ в системе через последовательный порт SPI обычному программисту или программой On-chip Boot, работающей на ядре AVR. Загрузчик может использовать любой интерфейс загрузки приложения из флеш-памяти. Программное обеспечение в разделе Boot Flash будет продолжать работать, в то время как секция Application Flash обновляется, выполняя операцию чтения-записи.
Совмещая 8-битный RISC-процессор со встроенной самопрограммируемой
Flash-памятью на монолитном чипе, ATmega32 является мощным микроконтроллером,
который обеспечивает высокую гибкость и экономичность. Это решение для многих
встроенных управляющих приложений.AVR ATmega32 поддерживает полный набор
программных и системных разработок, инструменты, включая: компиляторы C,
макроассемблеры, программные отладчики / симуляторы, внутрисхемные эмуляторы. [4]
.2 Основные параметры микроконтроллера
Технические характеристики
· Высокая производительность с низким энергопотреблением;
· Усовершенствованная RISC архитектура:
§ 131 упрощённая инструкция - большинство инструкций выполняются за 1 тактовый цикл;
§ 32 × 8 регистров общего назначения;
§ фиксированный набор команд;
§ Пропускная способность 16 MIPS до 16 МГц;
§ 2-х циклический умножитель на чипе.
· Дополнительный раздел кода загрузки с независимыми битами блокировки
· Программирование системы загрузки происходит с помощью прошивки на чипе. Безошибочные операции чтения/записи. Программы блокировки для обеспечения безопасности;
· JTAG (IEEE Std. 1149.1 совместимый) интерфейс:
§ Возможность периферийного сканирования согласно стандарту JTAG;
§ Обширные отладки поддержки чипов;
§ Программирование памяти, EEPROM, предохранители, и биты блокировки через интерфейс JTAG
Периферийные модули:
§ Два 8-разрядных таймеров / счетчиков с отдельными делителями и режимами сравнения;
§ Один 16-разрядный таймер / счетчик с отдельным предделителем частоты, режим сравнения и режим захвата;
§ Счетчик реального времени с отдельным генератором;
§ Четыре ШИМ-контроллера
§ 8-канальный, 10-разрядный АЦП: 8 однополярный каналов, 7 дифференциальных каналов в TQFP пакете, 2 дифференциальных канала с программируемым коэффициентом усиления на 1x, 10x или 200x;
§ Старт-бит двунаправленного последовательного интерфейса;
§ Программируемый последовательный USART;
§ Master / Slave SPI для последовательного интерфейса;
§ Программируемый сторожевой таймер с отдельным генератором;
§ Аналоговый компаратор;
Специальные функции микроконтроллера:
§ Сброс по включению питания и программируемое уменьшение напряжения;
§ Внутренний калиброванный RC-осциллятор;
§ Внешние и внутренние источники прерываний;
§ Шесть режимов сна: Idle, АЦП снижение шума, экономии энергии, при отключении питания, в режиме ожидания и длительного ожидания.
· I / O и корпус
§ 32 вывода;
§ 40-контактный PDIP, 44-выводном TQFP и 44-накладка QFN / MLF;
· Напряжения питания по эксплуатации
§ 4.5V - 5.5V;
· Скорость
§ 0 - 16 МГц;
· Потребляемая мощность на частоте 1 МГц, 3V при 25 ° C
§ Активный: 1.1mA;
§ Пассивный: 0.35mA;
§ Выключение режима питания: <1 мкА.
· Высокая износостойкость, энергонезависимые сегменты памяти:
§ 32 Кбайт самопрограммируемой системной флэш-памяти программ;
§ 2 Кбайта внутренняя SRAM-память;
§ количество записи /стирания: 10000 Flash / EEPROM 100000;
§ Хранение данных: 20 лет при 85 ° С / 100 лет при 25 ° C. [4]
Выводы контроллера - это проводники, предназначенные для электрического соединения с другими устройствами.
На рисунке 1 представлены выводы микроконтроллера:- Цифровой напряжению питания.- Земля.
Порт A (PA7.PA0) - служит в качестве аналоговых входов для A / D конвертера. Порт A также служит в качестве порта 8-разрядного двунаправленного ввода / вывода, если АЦП преобразователь не используется. Выводы портов обеспечены внутренними подтягивающими резисторами (выбранные для каждого бита).
Выходные буферы порта A имеют высокую пропускную способность. Когда PA0 и PA7 используются как входы, они будут источником тока, если внутренние подтягивающие резисторы активируются. Выводы порта A находятся в 3 состоянии, когда условие сброса становится активным.
Порт B (PB7.PB0) - Порт B является порт 8-разрядный двунаправленный ввода / вывода с внутренними нагрузочными резисторами (выбранных для каждого бита).
Выходные буферы порта B имеют симметричный привод с высокой пропускной способностью. В качестве исходных данных, порт B, который будет источником тока, если подтягивающие резисторы активируются. Выводы порта B находятся в 3 состоянии, когда условие сброса становится активным, даже если часы не работают.
Т0 и Т1 - входы подключения таймера счётчика.
PB2-PB3 - для подключения аналогового компаратора, так же для принятия сигнала прерывания, режим сравнения таймера и PB4 - разрешение кристалла.-PB7 - для подключения последовательного интерфейса.
Порт C (PC7.PC0) - представляет собой порт 8-разрядный двунаправленный порт ввода / вывода с внутренними нагрузочными резисторами (выбранных для каждого бита).
Выходные буферы порта C обладают высокой пропускной способностью. Порт С будет являться источником тока, если подтягивающие Выводы порта C находятся в третьем состоянии, когда условие сброса становится активным, даже если часы не работают.
Если интерфейс JTAG включен, то подтягивающие резисторы на выводах PC5 (ТДИ), РС3 (ТМС) и ПК2 (ТСК) будут активированы, даже если происходит сброс. Вывод TD0 будет находиться в 3 состоянии, то данные не будут введены.-7 - включение асинхронного режима таймера.-4 - вход\выход тестовых данных.
PC3-2 - тактирование тестовое и выбор режима тестирования.- двунаправленная линия данных. Для передачи данных ведущее устройство посылает ведомому
PC0 - тактирующая линия, которая управляется ведущим устройством.
Порт D (PD7.PD0) - Порт D представляет собой порт 8-разрядный двунаправленный порт ввода / вывода с внутренними нагрузочными резисторами (выбранных для каждого бита). Выходные буферы порта D имеют симметричный привод с высокой пропускной способностью. В качестве исходных данных, порт D, который является источником тока, если подтягивающие резисторы активируются. Выводы порта D находятся в 3 состоянии, когда условие сброса становится активным, даже если таймер в состоянии покоя.
PD0-1 - вывод\ввод данных.-3 - запрос на прерывание.-5 - выходы таймера\счётчика.
PD6 - сигнал работы таймера по захвату.- режим сравнения таймера.
RESET
- вход сброса. Низкий уровень сигнала длится дольше, чем минимальная
длительность импульса будет генерировать сброс, даже если часы не работают. -
вход усилителя инвертирующего генератора. - выход из инвертирующего усилителя
генератора.С - контакт напряжения питания для порта A и A / D конвертера. Он
должен быть внешне подключен к VCC, даже если АЦП не используется. Если АЦП
используется, он должен быть подключен к VCC через низкочастотный фильтр.F - является аналогом для A / D
конвертера. [4]
Рисунок 1 - Цоколёвка
1.3 Описание особенностей работы микроконтроллера
Тактовый генератор - это упрощенное устройство синхронизации микроконтроллеров семейства Mega. На основе системного тактового сигнала формируются дополнительные сигналы, используемые для тактирования различных модулей и блоков микроконтроллера: