Разработка средств автоматизации теплиц на микроконтролеррах

AVR Studio – это интегрированная отладочная среда разработки приложений для 8-разрядных RISC – микроконтроллеров семейств AVR (Tiny, Classic, Mega). Версия AVR Studio 4 объединяет средства управления проектами, текстовый редактор, Ассемблер и отладчик программ на языках Си и Ассемблер. Таким образом, AVR Studio 4 поддерживает проектировщика на стадиях разработки, отладки и верификации программного обеспечения. Кроме того, AVR Studio 4 поддерживает аппаратную платформу STK500, которая позволяет программировать все устройства AVR, и внутрисхемные эмуляторы ICE40, ICE50, ICE200, JTAG ICE [15].Программа для устройства была написана и отлажена в среде для разработки AVR Studio. AVR Studio– интегрированная среда разработки (IDE) для разработки 8-ми и 32-х битных AVR приложений от компании Atmel, работающая в операционных системах Windows NT/2000/XP/Vista/7. AVR Studio содержит ассемблер и симулятор, позволяющий отследить выполнение программы. Текущая версия поддерживает все выпускаемые на сегодняшний день контроллеры AVR и средства разработки. AVR Studio содержит в себе менеджер проектов, редактор исходного кода, инструменты виртуальной симуляции и внутрисхемной отладки, позволяет писать программы на ассемблере или на C/C++.Характеристики AVR Studio:Интегрированный Ассемблер;Интегрированный симулятор;Поддержка инструментов Atmel, совместимых с 8-разрядной AVR архитектурой, в том числе AVR ONE!, JTAGICE mkI, JTAGICE mkII, AVR Dragon, AVRISP, AVR ISPmkII, AVR Butterfly, STK500 и STK600;Поддержка плагина AVR RTOS;Поддержка AT90PWM1 и ATtiny40;Интерфейс командной строки с поддержкой TPI.Ввиду ограниченных ресурсов микроконтроллерных систем исходные тексты их программ создаются и обрабатываются на персональном компьютере вплоть до получения исполняемой программы. В этом случае говорят, что инструментальная система другая, а ассемблирование называют кросс-ассемблированием (перекрестным ассемблированием). Существуют компьютерные программы, имитирующие работу микроконтроллеров, что может быть весьма полезно для отладки программ на инструментальных компьютерах (KEIL, 2550A.D.Software,Inc, IAR и т.д.) Такие методы моделирования работы программ называются математическими. При помощи инструментальных компьютеров и специальных приставок к ним осуществляется отладка программ в условиях, приближенных к реальной работе микроконтроллера с реальным изделием. Такие методы отработки называются эмуляцией. Инструментальные компьютеры используются и для записи исполняемого файла в ПЗУ при помощи периферийного устройства, называемого программатором.Так, использование интегрированной среды проектирования AVR Studio, свободно распространяемой, дает возможность не только разрабатывать, но и отлаживать создаваемое программное обеспечение с помощью встроенного симулятора.Наконец, подключив к AVR Studio 4 стартовый набор разработчика STK500, можно проверить созданную программу непосредственно в целевом микроконтроллере, а подключив через разъем расширения дополнительные устройства, – и в составе системы. AVR Studio состоит из нескольких панелей и модулей, каждый из которых выполняет часть общей задачи. Создание программ в среде AVR Studio происходит в виде проектов, каждый из которых имеет файл, сохраняющий информацию о проекте и входящих в него файлах, установки Ассемблера, пользовательские настройки и т. д.Рисунок 6.3 – Внешний вид программы AVR StudioОписание: AtmelStudio 6 позволяет осуществлять разработку и отладку на платформах AVR, AVR32 и ARM, поддерживает большое количество средств программирования и отладки для этих платформ, содержит встроенный компилятор С/С++ (GNU GCC).Редактор служит для написания программного кода, он полнофункционален, имеет подсветку синтаксиса, которая может быть изменена и дополнена пользователем. Окно редактора также используется при отладке, при этом точки возможного программного останова могут быть размещены на левой границе поля.Рабочее пространство разделено на несколько областей, расположение и комбинации которых можно изменять. Основная часть рабочего пространства отведена для написания кода, а все остальные элементы для отображения состояния микроконтроллера в режиме пошаговой отладки. Таким образом, пока не будет запущена пошаговая отладка, эти элементы не активны.Наиболее важными и полезными рабочими областями являются: «Processor», «I/O View», «Memory». Рабочая область Processor отображает указатель команд, указатель вершины стека, частоту процессора, регистр SREG, а также 32 РОН во вкладке Registers. Регистры X, Y, Z, входящие в число 32-х регистров общего назначения, для удобства вынесены отдельно. Параметр StopWatch отображает время после включение питания контроллера (в данном случае это начало пошаговой отладки). С его помощью можно быстро определить, сколько времени занимает та или иная команда, цикл и т.д.Рисунок 6.4 – Рабочая область ProcessorРабочая область I/O View отображает состояние всех регистров, отвечающих за управление периферийными устройствами контроллера. По каждому из устройств можно получить подробную информацию, если раскрыть соответствующую вкладку. Для примера рассмотрим вкладку TIMER_COUNTER_1 (вкладка была открыта во время пошаговой отладки).Рисунок 6.5 – Информация о периферийных устройствах микроконтроллераПри раскрытии списка TIMER_COUNTER_1 отображаются все регистры, имеющие отношению к данному таймеру, их адреса (относительные и абсолютные) и значения (в шестнадцатеричном и побитовом представлении). Значения этих регистров доступны для изменения во время отладки программы. Рисунок 6.6 – Состояние таймера TIMER_COUNTER_1Рабочая область Memoryотображает содержимое памяти контроллера. На рисунке показано, что можно выбрать память данных (Data), память программ (Program )в EEPROM, регистров ввода/вывода (I/O), остальных регистров (Register).В графе Address можно ввести адрес интересуемого сегмента памяти в шестнадцатеричном виде, чтобы быстро перейти к отображению его содержимого, что является весьма удобным средством при отладке программ.Рисунок 6.7 – Окно MemoryУстановка ПОДля поддержки STK500 требуется AVR Studio версии 3.2 и выше. В приложении приведен загрузочный файл для версии 6.16.Для инсталляции AVR Studio вставьте компакт-диск приложения в компьютер и скопируйте файл «AvrStudio416Setup.exe» в любую свободную папку на жестком диске, запустите. В ходе инсталляции будем предложено ввести директорию, в которую будет устанавливаться AVR Studio. Для стабильной работы приложения, этот путь должен быть максимально простым, например, «C:\AVR\», и не должен содержать кириллические символы.Работа с ПОПосле установки AVR Studio создадим проект. Для этого нужно открыть вкладку «Project» и выбрать «NewProject». После этого откроется окно с выбором свойств проекта. Тип проекта определяет, на каком языке будет написано приложение. В данной работе приведены приложения, созданные только с использованием Atmel AVR Assembler. Для использования AVR GCC требуется дополнительно установить приложение WinAVR перед установкой AVR Studio. Также указывается имя проекта, имя исходного файла и расположение проекта. Рисунок 6.8 – Окно «Создание проекта»После указания основных свойств проекта можно перейти далее и указать свойства проекта более подробно. В частности, предлагается указать отладочную платформу и наименование микроконтроллера. В данной работе использовался программный симулятор AVR Simulator и микроконтроллер ATmega88.Рисунок 6.9 – Окно «Создание проекта», Создание проекта завершено, и можно переходить непосредственно к написанию и отладке программы. Для того чтобы загрузить программу в микроконтроллер необходимо вызвать компиляцию программы на панели управления. Если в программе имеются ошибки, то их нужно устранить, в противном случае исполняемый файл не будет создан. Желательно, чтобы работы программы была предварительно проверена с помощью программного симулятора, так как количество числа стираний/записи в Flash-память микроконтроллера ограничено.Рисунок 6.10 – Выбор используемых аппаратных средствДалее нужно выбрать элемент «Connection» на панели управления. В раскрывшемся окне необходимо указать имеющуюся в наличии платформу (программатор) и номер COM-порта, к которому он подключен, после чего нажать «Connect». Стоит отметить, что питание у стенда STK500 должно быть включено.Рисунок 6.11 – Настройки программатора После соединения AVR Studio с платформой STK500 откроется окно программатора. Чтобы записать программу в микроконтроллер во вкладке Flash нужно выбрать исполняемый файл с расширением .hex. Важно отметить, что при смене проектов имена загружаемых файлов не меняются автоматически в строке адреса, а потому стоит внимательно проверять их при каждом запуске программатора.Функция Verify позволяет проверить сохранность файла (выполняется проверка контрольной суммы). Функция Read позволяет считать файл, записанный в микроконтроллер ранее.Для записи данных в EEPROM используется аналогичный набор функций. 6.3 Программа работы микроконтроллераAVRStudio позволяет писать программу как на языке низкого уровня – Assembler, так и на языке C.Наша программа написана на языке Assembler. Этот язык позволяет нам рациональнее использовать программную память микроконтроллера, что не маловажно при больших размерах программы и при использовании сложных конструкций подпрограмм.Программа не имеет команды останова и выполняется циклически, пока микроконтроллер подключен к питанию. Основные команды и процессы описаны в комментариях в тексте программы.Рассмотрим несколько подпрограмм, которые выполняют в нашем приборе те или иные функции.АЦП – аналого-цифровой преобразователь, в данной системе используется для определения и расчета данных, полученных от датчика влажности HIH4010-004.ACP_init-подпрограмма настройки АЦПldir16,0b10000000;outADCSRA,r16;nop;Пропускаем один машинный циклldir16,0b10000111;outADCSRA,r16;nop; Пропускаем один машинный циклldir16,0b00100000;outADMUX,r16;nop; Пропускаем один машинный циклret1)Установив 1 в бите №7 регистра ADCSRA мы разрешаем работу АЦП – включаем аппаратную часть микроконтроллера, которая выполняет преобразование аналогового сигнала в цифровой, методом последовательного приближения.2)Битами 0-2 регистра ADCSRA настраивается делитель тактовой частоты процессора, в нашем случае, делитель равен 128.3)В регистре ADMUX настраиваем формат данных (правосторонний или левосторонний) и битами 0-4 выбираем вывод микроконтроллера, к которому подключен датчик влажности.4)Инструкция NOP – это инструкция не имеющая действия, она использована для того, чтобы АЦП успел корректно записать все настройки, которые были к нему применены. Инструкция RET – возвращает вектор выполнения основной программы на то место, из которого была вызвана подпрограмма настройки АЦП.На этом настройка АЦП окончена, теперь, при запуске преобразования, АЦП правильно рассчитает цифровое значение – соответствующее уровню входного сигнала, полученного от датчика влажности.1.8.2 UART –интерфейс для связи микроконтроллера и модемаРассмотрим три подпрограммы, обеспечивающие общение микроконтроллера и модема.Первая подпрограмма настраивает UART таким образом, чтобы все настройки его совпадали с настройками UARTа модема WISMO228. Вторая и третья – обеспечивают передачу и прием соответственно.UART_init:Настройка UARTldir16,24outUCSR0B,r16ldir16,0x86stsUCSR0C,r16ldir16,0x00stsUBRR0H,r16ldir16,0x01outUBRR0L,r16retВ регистре UCSR0B настраиваются запрет или разрешение выполнения прерываний по приему или передаче, включение и выключение приемника и передатчика, длинна передаваемого и принимаемого байта.В регистре UCSR0С мы выбираем синхронный или асинхронный режимы передачи данных, четность, устанавливаем количество стоп-битов.В регистрах UBRR0H и UBRR0L настраивается скорость обмена данными.UART_rec:Передача данных UartCKL:ldsr17,UCSR0Asbrsr17,5rjmpUartCKLstsUDR0,r16retОтправка данных в UART происходит следующим образом, сначала реализуется цикл, в котором мы определяем, свободен ли регистр данных, и готов ли он для загрузки байта для отправки в UART, как только регистр освобождается мы отправляем в него передаваемый нами байт.UART_res:Приемданныхcallinterruptldir16,0x30ldir20,1ldir18,0x3Aclrr31ldir30,1okz1:clrr16sbicUCSR0A,RXC0rjmpcht11cpser30,r20 rjmpokexit1rjmpokz1cht11:inr16,UDR0cpser16,r18rjmpokz1 incr31okk1:clrr16sbicUCSR0A,RXC0rjmpcht12cpser30,r20 rjmpokexit1rjmpokk1cht12:inr16,UDR0incr31cpir31,5brneok11sts1204,r16ok11:cpir31,6brneok12sts1201,r16ok12:cpir31,7brneok13sts1200,r16ok13:cpir31,8brneok14sts1202,r16ok14:cpir31,9brneok15sts1203,r16ok15:cpir31,27brshokexit1rjmpokk1okexit1:ret«callinterrupt»-вызываем подпрограмму настройки прерывания, если модем по какой либо причине не ответит нам на запрос, то по окончании времени, отведенного на прием, микроконтроллер сам выйдет из цикла ожидания ответа, в противном случае, микроконтроллер останется в цикле ожидания до тех пор, пока модем не ответит либо пока микроконтроллер не будет перезагружен. В ветке «okz1:» организован цикл ожидания байта и проверка на переполнение таймера ожидания. В остальных циклах – Okl1-Okl5 происходит запись пяти байт, полученных от модема. Количество байт может быть любым, и способы приема байт тоже могут быть разными, для нас было удобнее организовать прием таким образом, так как принятые байты мы сохраняем в определенных ячейках оперативной памяти микроконтроллера.Рассматривать весь код не имеет смысла, так как он имеет размер в 20`000 строчек кода, поэтому я привел примеры всего нескольких подпрограмм, отображающих основные процессы, протекающие в приборе. Все подпрограммы выполняются в строгой последовательности, в них определяется значение температуры и влажности, принимаются решения о включении или выключении исполнительных устройств, происходит обмен данными с модемом, в экстренных случаях происходит отправка сообщений на номера телефонов лиц, которые занимаются обслуживанием теплиц, а так же происходит прием и обработка входящих СМС, посредством которых выполняется управление и настройка прибора на расстоянии.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ данной дипломной работе быласпроектированасистема на основе работы микроконтроллераATmega256, которая осуществляет регулирование влажности и контроль температуры в теплице. В ходе выполнения данной работы был произведен анализ принципов работы систем управления поддержанием технологических параметров теплиц, измерения параметров, полное управления каждой отдельной подсистемой.АСУ ТКГМК позволяетв автоматическом режиме поддерживать заданные параметры микроклимата и в теплице. Повышение гибкости системы возможно с помощью применения в качестве задающего и контролирующего устройства центральной ЭВМ тепличного комплекса. Разработанная система позволяет:-повысить урожайность и улучшить качества продукции по сравнению с традиционными методами;-эффективно использовать энергоресурсы, существенно уменьшая себестоимость производимой продукции;-максимально эффективно использовать возможности исполнительных систем, возможности культивирование различных видов культур растений;- поддерживать заданные параметры микроклимата в течение всего года.Основной причиной создания АСУ ТКГМК является высокая экономическая эффективность, получаемая как за счет повышения урожайности, так и вследствие значительной экономии ресурсов.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВПушкарев О. GSM-модуль начального уровня WISMO 218 // Новости электроники. 2009. № 10. с. 15-18Техническое описание. www.sierrawireless.com/ en/Support/Downloads.WISMO228.Изаков Ф.Я., Попова С.А. Энергосберегающие системы автоматического управления микроклиматом. - ЧГАУ 2003. 231 c.Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные устройства. Справочное пособие/ Б.Д. Кошарский. - Л.: Машиностроение, 1976, - 347 c.Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок. - М.: Энергоиздат, 2012, - 124 c.Гурвич Л.Ч. Статистические и динамические характеристики многопролётной блочной системы: // РИСХ. - М.: 2008.Попова С.А. Энергосберегающая система автоматического управления температурным режимом в теплице: Диссертация к.т.н. - ЧГАУ 2010, 176 c.Рысс А.А., Гурвич Л.И. Автоматическое управление температурным режимом в теплицах. - М.: Агропромиздат, 2005, 213 c.Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные устройства. Справочное пособие/ Б.Д. Кошарский. - Л.: Машиностроение, 2011. 411 c.Беликов Ю.М. Автоматизация управления микроклиматом в тепличных комбинатах. Техника в с/х №1, 2006.с. 21-24Гончарук Н.С., Лебл Д.О. Новые направления в автоматизации микроклимата теплиц.//Механизация и электрификация с/х. - №2, 2007, с. 24-27Трамперт, В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR–микроконтроллеров / В. Трамперт; пер. с нем. – Киев.: МК-Пресс, 2006. – 208 с.Кравченко, А.В. 10 Практических устройств на AVR-микроконтроллерах/ А.В. Кравченко// Книга 1 – М.:Издательский дом «Додэка-XXI», Киев «МК-Пресс», 2008. 224с.Кестер, У.Н. Аналогово-цифровое преобразование / У.Н. Кестер// Под ред. У. Кестера. – М.: Техносфера, 2007. 1016 с.Волович, Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств/ Г.И. Волович. М.: Додэка-XXI, 2005. 528 с.Yandex: ATMEL 8-разрядный AVR-микроконтроллер ATmega 256. Datasheet /Электронный ресурс URL.: http://atmel.ruYandex: LM7805. 1.2V to 37V voltage regulator. Datasheet /Электронный ресурс URL:http://www.datasheetarchive.comМальцев, П.П. Цифровые интегральные микросхемы / П. П. Мальцев. М.: Радио и связь, 1994. 240 сПетров, И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / И.В. Петров. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 256 с.Дьяконов, В.П. Генерация и генераторы сигналов / В.П. Дьяконов. М. : ДМК Пресс, 2009. 384 с.Голубева, Ю.Л. Типовые нормы времени на разработку конструкторской документации/ Ю.Л. Голубева. М.: Экономика, 1991.44 с.Евстифеев, А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя / А.В. Евстифеев. М.: Додека-XXI, 2007. 592 с.Хемминг, Р. В. Цифровые фильтры / Р.В. Хемминг. М.: Недра, 1987. 221 с.Рабинер, Л. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Л. Рабинер, Б. Гоулд. М.: Мир, 1978. 847 с.Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И. Баскаков. М.: Высшая школа, 1988. 448 с. Мамаев, В.Я. Воздушная навигация и элементы самолетовождения/ В. Я. Мамаев, А. Н. Синяков, К. К. Петров, Д. А. Горбунов; СПбГУАП. СПб., 2002. 256 с. Бузыкин, Г.А. Радиотехническое оборудование летательных аппаратов/ Г.А. Бузыкин, В.И. Вертоградов, М.В. Подашевский. М.: Воениздат, 1970, 416 с.Операционные усилители и компараторы: Справочник. Том 141 М.:Додэка-XXI: 2002– 560 с.Богданченко, Н.М., Курсовые системы и навигационные автоматы самолетов гражданской авиации/ Н.М. Богдаренко, Г.Ю. Волошин, В.С. Белых. М.:Транспорт, 1971. 268 с.Интегральные микросхемы: Микросхемы для линейных источников питания и их применение. Издание второе, исправленное и дополненное – М. ДОДЭКА, 1998 г., 400 с.Аверин, С.В. Проектирование печатных плат устройств силовой электроники на основе САПР OrCAD и P-CAD/ С.В. Аверин. М.:Додэка: 2009,88 с.Сердюк, В.С. Безопасность жизнедеятельности: Методические указания к самостоятельным работам / В.С. Сердюк, Игнатович И.А., Кирьянова Е.Н., Стишенко Л.Г. Омск: ОмГТУ, 2007.ГОСТ 23752-79. Платы печатные. Общие технические условияГОСТ Р 52003-2003 Уровни разукрупнения радиоэлектронных средств. Термины и определенияГОСТ Р 50923-96 «Дисплеи. Рабочее место оператора. Общие эргономические требования и требования к производственной среде. Методы измерения».ГОСТ 12.0.003-74* «ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация»ГОСТ 12.1.038-82* «Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов»ГОСТ Р 50948-2001 «Средства отображения информации индивидуального пользования. Общие эргономические требования и требования безопасности»ГОСТ Р 50949-2001 «Средства отображения информации индивидуального пользования. Методы измерения и оценки эргономических параметров и параметров безопасности»:ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования»СанПиН 2.2.2/2.5.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы»СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение»СанПиН 2.2.5.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений»СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».ГН 2.2.6.009-94 «Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны».СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки»НПБ 88-2001 «Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования»НПБ 104-03 «Системы оповещения и управления эвакуацией людей при пожарах в зданиях и сооружениях»