Микропроцессорный термометр с подключением к ПК

На выходе компаратора (1OUT) сигнал имеет следующие параметры логический 0 – 0 В, логическая 1 – 3,3 В. Частота при этом остается неизменной. Далее сигнал поступает на микроконтроллер.5.4 Схема включения буфера RS232На рисунке 5.5 представлена схема включения буфера ADM3101EARQZ.Интерфейс RS232 – физический уровень для асинхронного (USART) интерфейса. Это физическая и электрическая среда для передачи данных. Обычно физический уровень описывает: передачи на примерах топологий, сравнивает аналоговое и цифровое кодирование, синхронизацию бит, сравнивает узкополосную и широкополосную передачу, многоканальные системы связи, последовательную (логическую 5.3-вольтовую) передачу данных. Информация передается по проводу двоичным сигналом с двумя уровнями напряжения на персональный компьютер (ПК). Логическому «0» соответствует положительное напряжение (от 5 до 15 В для передатчика), а логической «1» отрицательное (от минус 5 до минус 15 В для передатчика).Микросхема ADM3101EARQZ [2] представляет собой высокоскоростной приемопередатчик, работающий от источника питания плюс 5.3 В. Она имеет в своем составе два приемника и два передатчика сигналов. Микросхема преобразует стандартные уровни логического нуля и единицы интерфейса RS-232 в стандартные ТТЛ/КМОП уровни при приеме, и совершает обратное преобразование при передаче. На рисунке 5.5 приведена стандартная схема включения микросхемы ADM3101. Для нормальной работы буфера ADM3101EARQZ требуется 6 электролитических конденсаторов С10, С11, С14, С15, С13, C12 для работы встроенного удвоителя напряжения и инвертора напряжения.Для дальнейшей работы и анализа данных, требуется подключить к буферу RS232 COM-порт. COM-порт осуществляет прием и передачу данных с МК в ПК и обратно. Линию GND нужно заземлить. Линии DTR, DCD и DSR нужно замкнуть между собой. Линии RTS и CTS, так же замкнуть между собой [5].На рисунке 5.5 изображен Буфер ADM3101EARQZРисунок 5.5 – Буфер ADM3101EARQZ6 РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ6.1 Расчёт потребляемой мощностиЗначения потребляемого тока элементами схемы можно узнать из технической документации. Потребляемая мощность прибора определяется по формуле: ,(6,1)где Р– потребляемая мощность отдельного элемента прибора;U – напряжение питания отдельного элемента прибора;I – ток потребляемый отдельным элементом прибора.Расчет потребляемой мощности спроектированной системой сбора данных представлен в таблице 1.Таблица 6.1 – Расчёт потребляемой мощности системы сбора данныхНаименованиеэлементаПотребляемыйток, АНапряжение, ВПотребляемаяМощность, ВтМикроконтроллерATmega32A-PU0,0053,30,025КомпараторLM2901D0,00183,30,009СтабилизаторL78L330,006100,06СупервизорADM8324WCA29AR0,013,30,07БуферADM3101EARQZ0,00253,30,0125Общее значение0,0253-0,1765Из таблицы 1 видно, что значение потребляемой мощности составляет 176,5 мВт, а потребляемый ток составляет 37 мА.6.2 Расчёт надёжностиИнтенсивности отказов элементов зависят от электрической нагрузки, температуры окружающей среды и других факторов, учитываемых с помощью поправочных коэффициентов.Интенсивность отказов элементов i-го типа определяется по формуле:,(6.2)где λ0 i – интенсивность отказов данного типа элементов при номинальной электрической нагрузке и нормальных условиях эксплуатации, 1/ч;αi – коэффициент, учитывающий влияние температуры окружающей среды и электрической нагрузки элемента;k1 – коэффициент, учитывающий влияние механических факторов (вид проектируемого устройства – наземный стационарный, следовательно, принимаем k1 равное 1,07); k2 – коэффициент, учитывающий влияние климатических факторов (система будет эксплуатироваться при влажности окружающей среды 60 - 70 % и температуре 20 - 40 °С, следовательно, k2 равен 1);k3 – коэффициент, учитывающий влияние пониженного атмосферного давления (система будет эксплуатироваться в наземном помещении, следовательно,k3 равен 1).Характеристики надёжности элементов, их среднее время восстановления и количество указаны в таблице 2.Принимая во внимание значения для поправочных коэффициентовk1,k2,k3, приводим формулу (2) к виду:.(6.3)Интенсивность отказов устройства в целом Λ, (1/ч) определяется по формуле:, (6.4)где mi – количество элементов i-го типа;λi – интенсивность отказов.Таблица 6.2 – Характеристики надёжности элементовТип элементаЧисло элементов m, шт.КоэффициентнагрузкиИнтенсивность отказов, λ0 i∙10–6, 1/чαiλ0 i∙10–6, * αi1/чλi∙10–61/чМикросхемы50,20,50,350,1750,1605Диоды70,20,20,770,1540,1648Оптроны50,20,60,770,4620,4943Конденсаторыкерамические150,20,070,280,020,0214Конденсаторыэлектролитические80,20,50,280,140,1498Резисторы140,20,020,20,0040,0043Кварцевыйрезонатор10,20,510,50,535Диодныймост10,20,60,770,4620,4943Стабилизатор10,20,510,50,535Разъемы90,20,2510,250,2675Пайка2650,20,0110,010,0107Подставляя известные данные получаем:Λ=(1/ч)Вероятность безотказной работы устройства P определяется по формуле:, (6.5)где t – время, определяющее безотказность работы устройства, ч.Значение t выбирается из стандартного ряда: 1000 ч, 2000 ч, 4000 ч, 8000 ч, 16000 ч. Пусть время безотказности работы t равно 8000 ч, тогда:Р(t) = .Условие безотказной работы выполняется т.к. P(t) не менее 0,8 [6].7 НАПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ НА ЯЗЫКЕ АССЕМБЛЕРПрограмма состоит из трех основных частей: первоначальные настройки, основная часть и подпрограмма обработки прерывания.При подаче питания микроконтроллер выполняет настройку векторов прерывания, линий ввода-вывода, а также настраивает таймеры – счетчики и модуль USART. Используются 2 таймера – счетчика: таймер – счетчик 0 должен формировать временной интервал 0,25 с, а таймер – счетчик 1 подсчитывать количество импульсов, поступающее на его вход. Модуль USART настраивается на следующие параметры: скорость 9600 бит/с, 8 бит в посылке, 1 стоп-бит, без контроля, асинхронный стандартный режим. При настройке таймеров – счетчиков и модуля USART следует учитывать, что частота тактового генератора микроконтроллера составляет 1,024 МГц.В основной части программа в бесконечном цикле проверяет, закончена ли обработка прерывания. Если это произошло, то выполняются необходимые вычисления для определения значения температуры. Значение частоты копируется в отдельные ячейки памяти для удобства выполнения математических операций. В исходный текст программы заносятся коэффициенты K` и B`. Затем значение частоты умножается на K` и далее к результату прибавляется B. Значение температуры, полученное в результате вычислений посредством модуля USART отправляется в ПК. Поочередно отправляются восемь байт данных. Каждый новый байт загружается в модуль USART только при условии, если предыдущий байт полностью отправлен.Подпрограмма прерывания выполняет следующие действия: предварительная установка таймера 0 путем записи числа 249 для его совпадения через 0,25 с, и копирование количество импульсов из таймера 1 с последующим умножением на 4 для получения значения частоты.При проверке работоспособности программы, написанной для работы микропроцессорного термометра, используется встроенный в среду разработки AVRStudio отладчик.После пошагового перемещения курсора до флага main, в начале части «основная программа», для упрощения проверки и отладки программы, в регистр TCNT1 вносится ¼ значения максимальной частоты77050 Гц (что соответствует температуре 210оС), равное 38B016.На рисунке 7.1 показанo окно отображающее настройку модуля USART, таймера – счетчика 0 и внесённое значение 38B016 в среде разработкиAVRStudio.Рисунок 7.1 – Окно настройки модуля USART и таймера – счетчика 0Далее проверяется правильность остальных математических вычислений и порядок заполнения регистров ответа, перемещая курсор до окончания цикла работы программы.По завершению расчетов значение температуры должно записывается в регистры r26 – r31. При этом знак температуры записывается в регистр r31, как показано на рисунке 7.2.Рисунок 7.2 - Окно с результатом вычислений температуры Для того, чтоб сделать окончательный вывод об окончании отладки программы, следует на калькуляторе в шетнадцатеричной системе произвести математические расчёты и сверить ответы. В данной курсовой работе ответы, вычисленные на калькуляторе ив процессе отладки программы соответствуют.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ рамках курсового проектирования проведена разработка принципиальной электрической схемы микропроцессорного термометра с подключением к ПК. Основным элементом схемы является микроконтроллер ATmega32A-PU. За счет того, что на его управляющую программу возложены все вычислительные процессы, удалось сократить количество элементов в принципиальной схеме. Принципиальная схема состоит из нескольких основных частей: схема питания, схема включения микроконтроллера, схема триггера Шмитта, и схема включения буфера RS232. Основным элементом схемы питания является интегральный стабилизатор напряжения L78L33. Аналоговый триггер Шмитта реализован на интегральном компараторе LM2903PSR. В качестве буфера RS232 применена схема ADM3101EARQZ. Для мониторинга питающего напряжения и сброса микроконтроллера в случае его понижения применен супервизор ADM8324WCA29AR.Перед составлением программы рассчитаны необходимые числовые константы, на основе которых микроконтроллер определяет значение температуры. Значение погрешности при выполнении расчетов микроконтроллером, которое не превышает% что соответствует требуемой точности измерения. Управляющая программа для микроконтроллера написана на языке ассемблер в интегрированной среде разработки AVR Studio и проверена на наличие ошибок с помощью встроенного отладчика. Для проверки работоспособности программы рассчитаны и подготовлены необходимые коэффициенты, которые затем загружены в программу.В результате разработано устройство, отвечающее современным требованиям, с возможностью подключения устройства к ПК для архивирования или обработки данных при помощи прикладного ПО.СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВСтабилизатор L78L33 Техническая документация [интернет ресурс] https://www.st.com/resource/en/datasheet/l78l.pdf (дата обращения 9.11.19)Микроконтроллер ATmega32A-PU-SU Техническая документация [интернет ресурс] Microntroller-ATmega32A-PU _Datasheet.pdf (дата обращения 12.11.19)Супервизор ADM8324WCA29ARТехническая документация [интернет ресурс] https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADM8324.pdf (дата обращения 15.11.19)Компаратор LM2901PSR Техническая документация [интернет ресурс] http://www.redrok.com/Comparator_LM2901, LM2901AV, LM2901V_(датаобращения 17.11.19)Буфер RS232 ADM3101EACPZ Техническая документация [интернет ресурс] https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adm3101e.pdf (дата обращения 20.11.19)