Микропроцессорная техника Дерюшев

На заказ курсовые БГУИР

А.А. Дерюшев, И.И. Шпак МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
по курсовому проектированию по предмету
«Микропроцессорная техника»
для студентов специальности «Промышленная электроника»
Часть 1
Минск 2014
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КУРСОВОГО ПРОЕКТА 4
1.1 Тематика курсового проектирования 4
1.2 Структура курсового проекта 5
1.3 Содержание разделов пояснительной записки 6
2 ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА 14
2.1 Требования к оформлению пояснительной записки 14
2.2 Требования к оформлению чертежей 18
3 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ AVR 25
3.1 Выбор микроконтроллера для курсового проекта 25
3.2 Общие сведения о микроконтроллерах AVR 26
3.3 Структурная схема AVR микроконтроллера 27
3.4 Подключение микроконтроллера 34
4 ПРОГРАММИРОВАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ AVR 37
4.1 Элементы программы 37
4.2 Структура программы 50
4.3 Работа с портами ввода-вывода 51
4.5 Программирование циклов 56
4.6 Организация задержек без использования таймера 58
4.7 Использование прерываний  64
4.8 Организация задержек с помощью таймера 70
4.9 Чтение таблиц данных из памяти программ 78
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 811

Дисциплина «Микропроцессорная техника» является одной из ведущих дисциплин специальности «Промышленная электроника», в связи с чем ее изучению отведено два семестра, а также предусмотрено выполнение курсового проекта.
Курсовой проект выполняется во втором семестре изучения дисциплины и имеет следующие цели и задачи:
- закрепить и углубить теоретические знания, полученные при изучении дисциплины «Микропроцессорная техника» и смежных дисциплин (теории автоматического управления, цифровых и аналоговых устройств, теории цепей и
др);
- развить навыки поиска информации, применения справочной и нормативно-технической литературы;
- сформировать практические навыки решения инженерных задач с применением микропроцессорных устройств;
- придать студенту уверенность в своих силах, способности самостоятельно решать реальные инженерные задачи;
- подготовить студента к дипломному проектированию и последующей работе по специальности.
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КУРСОВОГО ПРОЕКТА
1.1 Тематика курсового проектирования
Тема курсового проекта может быть выбрана студентом самостоятельно при согласовании с преподавателем. При отсутствии предложений со стороны студента тема выдается преподавателем в директивном порядке.
Типовыми вариантами тем курсового проекта являются:
- разработка функционально законченного цифрового либо аналого-цифрового устройства, содержащего микроконтроллер;
- разработка устройства на базе микроконтроллера для управления существующим оборудованием;
- разработка средств тестирования или отладки устройств на базе микроконтроллеров.
При самостоятельном выборе тематики курсового проекта следует учитывать:
- практическую востребованность разрабатываемого устройства (в том числе по месту работы студента-заочника);
- возможность воплощения разработки «в железе»;
- наличие аналогов, их технические и экономические достоинства и недостатки;
- возможность включения разрабатываемого устройства в состав более
крупной системы;
- пути дальнейшего совершенствования устройства;
- возможность использования полученных при выполнении курсового проектирования результатов при написании дипломного проекта.
При выдаче темы преподавателем обеспечивается выполнения следующих условий:
- уникальность темы для каждого студента;
- неповторяемость технического задания не только среди студентов данного потока, но и среди студентов предыдущих лет обучения;
- учет современных тенденций развития элементной базы и схемотехники устройств на базе микроконтроллеров;
- наличие аналогов разрабатываемого устройства (уникальное, не имеющее аналогов устройство, может быть дано в разработку только после детального согласования со студентом).
1.2 Структура курсового проекта
Курсовой проект включает в себя пояснительную записку и графическую
часть.
В пояснительную записку входят:
- титульный лист;
- задание;
- содержание;
- введение;
- обзор литературных источников;
- выбор и описание прототипа разрабатываемого устройства;
- разработка структурной схемы;
- разработка принципиальной схемы;
- разработка программного обеспечения;
- моделирование устройства;
- заключение;
- список использованных источников;
- приложения (при необходимости).
Объем пояснительной записки составляет примерно 35-50 страниц.
В графическую часть входят следующие чертежи:
- схема электрическая структурная (Э1);
- схема электрическая принципиальная (Э3);
- схема программы для микроконтроллера (ПД);
- результаты моделирования (РР).
Три чертежа графической части выполняются на формате А3, один чертеж выполняется на формате А2.
Чертеж, выполняемый на формате А2, выбирается студентом самостоятельно исходя из объема графического материала.

1.3 Содержание разделов пояснительной записки
Титульный лист выполняется по образцу, приведенному на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Титульный лист курсового проекта

Задание к курсовому проекту выдается преподавателем. При получении задания по электронной почте его необходимо распечатать на двух сторонах одного листа формата А4. Листы задания не нумеруются, однако учитываются в общей нумерации листов курсового проекта как два листа.

Содержание помещают сразу после задания по курсовому проекту. В содержание включают заголовки всех частей пояснительной записки, при этом расположение заголовков в содержании должно точно отражать последовательность и соподчиненность разделов и подразделов в тексте пояснительной записки.
Введение должно быть кратким и четким, без отступлений от темы проекта и общих слов. Объем введения составляет 1-2 листа. Примерная структура материла введения:
- краткая характеристика задачи, решению которой посвящен курсовой проект, достижения и недостатки существующих решений;
- цель курсового проектирования (например, улучшение функциональности устройства за счет введения новых функций и режимов работы (с их перечислением), улучшение параметров устройства (с указанием каких и на сколько) и т.д.);
- краткая характеристика проделанной в курсовом проекте работы для достижения указанной цели.
Обзор литературных источников. Данный раздел служит для знакомства студента с существующими решениями в рассматриваемой в курсовом проекте области, что позволяет избежать ситуации «изобретания велосипеда». Объем данного раздела составляет 10-15 страниц. В нем необходимо описать не менее 5 устройств, аналогичных разрабатываемому в курсовом проекте, выделив их сильные стороны и недостатки. Необходимо привести не только характеристики устройств и их внешний вид, но также принципиальные схемы и описание работы, особенности построения программного обеспечения.
Также можно описать схемотехнику отдельных блоков устройства, которые могут быть использованы при дальнейшем проектировании (например, удачная реализация входной цепи аналогового вольтметра может быть использована при построении цифрового вольтметра на микропроцессоре). Необходимо использовать не только печатные источники, но и сеть Интернет, электронные библиотеки [1, 2].
При описании каждого устройства необходимо обязательно привести в квадратных скобках ссылку на источник, откуда получена информация об данном устройстве.
Для анализа перспектив развития устройств желательно использовать патентную информацию, которую можно получить либо в Республиканской научно-технической библиотеке (г. Минск, просп. Победителей, 7), либо в электронном виде на сайтах [3-5].
Выбор и описание прототипа разрабатываемого устройства. Этот раздел содержит описание устройства, наиболее близкого к разрабатываемого; при этом описание не должно дублировать сведения, уже приведенные разделе обзора литературы. Описание должно быть максимально подробным, с приведением технических характеристик, принципиальных схем, описанием работы, особенностей программного обеспечения существующего прототипа. Обязательно должны быть приведены достоинства данного устройства, указаны его
недостатки (часть из которых, естественно, будет устранена в устройстве, разработанном в ходе курсового проектирования).
Разработка структурной схемы. В этом разделе необходимо разработать схему электрическую структурную разрабатываемого устройства, привести описание его работы.
При написании данного раздела необходимо придерживаться следующей последовательности действий:
- дополнить недостающие требования задания на курсовое проектирование;
- определиться с видами и способами подключения внешних датчиков и нагрузок;
- произвести распределение функций устройства между программной и аппаратной частями;
- определиться с тем, какие аппаратные функциональные блоки будут выполнены на дискретных элементах, а какие войдут в состав микроконтроллера;
- сформулировать требования к микроконтроллеру, на основании анализа прототипа и других источников оценить их выполнимость;
- начертить структурную схему;
- привести описание ее работы.
Рассмотрим каждое из этих действий подробнее.
Как правило, задание на курсовое проектирование описывает только наиболее важные характеристики устройства, при этом оставляя студенту возможность творческого выбора других параметров. Например, в задании на разработку часов-будильника будут даны требования к точности хода, размеру и типу индикаторов, числу будильников, однако ничего не будет сказано про способы организации взаимодействия пользователя с часами. Однако такое взаимодействие необходимо для начальной установки времени, установки и выключения будильников и т.д. Такое взаимодействие можно организовать как с помощью небольшого числа кнопок (например, «Режим», «Плюс», «Минус»), что упростит аппаратную реализацию, но усложнит программу, так и с помощью широкого набора кнопок («Час плюс», «Час минус», «Минуты плюс», «Минуты минус» и т.д.), усложняющего аппаратную часть но упрощающую программу. Кроме того, кнопки могут быть как обычные, контактные, так и емкостные. Произведенный выбор во многом определит вид структурной схемы и алгоритм работы программного обеспечения.
Внешние датчики также существенно влияют на ход проектирования. Так, при разработке термометра существенное влияние на схему окажет выбор термодатчика:
- аналоговый или цифровой;
- с последовательной передачей кода температуры либо с кодированием длительностью импульса;
- в токовым выходом либо с выходом по напряжению и т.д.
При выборе аналоговых датчиков в схему необходимо будет ввести АЦП, который может быть выполнен как в виде отдельной микросхемы, так и блока,

встроенного в микроконтроллер.
При распределении функций между аппаратной и программной частями устройства мы советуем придерживаться следующих соображений:
- максимально использовать аппаратные модули, встроенные в состав микроконтроллера (приблизительный состав модулей в составе микроконтроллера можно оценить, например, на основе анализа прототипа), что позволит значительно упростить аппаратную реализацию устройства и дальнейшую разработку программного обеспечения;
- для реализации остальных функций по возможности использовать программный метод, что позволит снизить стоимость устройства, уменьшит его габариты, энергопотребление, улучшит надежность.
В качестве требований к микроконтроллеру необходимо определить значения следующих параметров:
- разрядность микроконтроллера;
- требуемое быстродействие либо тактовая частота, необходимость наличия встроенных команд умножения и деления, архитектура микроконтроллера;
- объем памяти программ;
- объем памяти данных;
- необходимость наличия встроенных модулей (таймеров, аналого-цифровых или цифро-аналоговых преобразователей, модулей широтно-импульсной модуляции, модулей последовательной передачи данных (UART, USART), контроллеров CAN и USB, шины IIC, драйверов ЖК индикаторов и т.д.), их число и характеристики;
- число портов ввода/вывода, минимальные требования к их нагрузочным характеристикам;
- число внешних входов прерываний;
- необходимость работы при пониженном напряжении питания;
- требования по наличию «спящих» режимов работы микроконтроллера и энергопотреблению в «спящем» режиме;
- наличие требований работы в условиях действия промышленных помех, широком интервале изменения температуры.
Как правило, в курсовом проекте выбирается восьмиразрядный микроконтроллер, что позволяет выполнить требования технического задания при достаточно простой схемотехнической реализации устройства.
Требуемое быстродействие микроконтроллера можно оценить, проанализировав на основе анализа прототипа характеристики датчиков, особенности алгоритма обработки данных и дискретность изменения выходных сигналов микропроцессорного устройства. На быстродействие влияют выбранная тактовая частота работы микроконтроллера, а также особенности его архитектуры и реализации конкретным производителем (CISC или RISC, число команд, число тактов на выполнение одной команды, время на обработку прерываний, число регистров микроконтроллера и ряд других). После выбора архитектуры и семейства микроконтроллеров необходимо выбрать тактовую частоту его работы, при этом
для устройств с батарейным питанием следует выбрать рабочую частоту на нижнем краю возможного диапазона, что позволит уменьшить его энергопотребление.
На этапе разработки структурной схемы объем памяти программ и данных проще всего оценить на основе анализа прототипа. Если функциональность разрабатываемого устройства будет выше, то требуемые объемы памяти можно пропорционально увеличить в соответствии с числом функций прототипа и разрабатываемого устройства. В дальнейшем, после разработки программного обеспечения, когда будут точно известны необходимые объемы памяти программ и данных, требования к контроллеру можно будет подкорректировать, выбрав другой контроллер из этого-же семейства.