Проектирование позиционера на микроконтроллере

Микроконтроллеры  семейства AT89 выпускаются для работы при разных значениях напряжения питания и тактовой частоты, определяемой частотой подключенного к микроконтроллеру кварцевого резонатора. Диапазон значений напряжения питания (Vcc) лежит в пределах от 2,7 В до 6 В (V=3 В) или от 4 В до 6В (V = 5В). Тактовая частота (Fosc) у микроконтроллеров разных типов достигает 12 или 24 МГц. Ток потребления зависит от величины напряжения питания и тактовой частоты. Максимальное значение тока потребления в рабочем режиме (Icc) при максимальном значении напряжения питания и Fosc=12 МГц составляет 15 мА.

Кроме рабочего режима микроконтроллер может быть переведен в энергосберегающие  режимы работы – режим холостого хода (Idle Mode) и режим пониженного энергопотребления (Power Down Mode). В режиме холостого хода процессор остановлен, периферийные устройства продолжают работать, коды в IRAM сохраняются. Ток потребления уменьшается в 4-5 раз. Перевод в режим холостого хода выполняется по команде в программе, выход из режима – по сигналу сброса или при поступлении любого разрешенного запроса прерывания.

В режиме пониженного  энергопотребления остановлен генератор  тактового сигнала, коды в IRAM сохраняются. Ток потребления имеет величину 20÷100 мкА. Перевод в режим пониженного энергопотребления выполняется по команде в программе, выход из режима – по сигналу сброса. Микроконтроллеры типов S53, LS53, S8252 и LS8252 выходят из режима также при поступлении внешнего запроса прерывания.

Микроконтроллеры  выпускаются в корпусах разных типов  с разным числом выводов, при этом число выводов, используемых для  подключения микроконтроллера к  схеме устройства, может отличаться от числа выводов корпуса. Микроконтроллеры, имеющие число выводов, равное 20, выпускаются в корпусах PDIP20 и SOIC20. Микроконтроллер типа AT89S4D12 выпускается в корпусах SOIC28 и PLCC32, а микроконтроллеры остальных типов - в корпусах PDIP40, PLCC44, PQFP44, TQFP44.

Микроконтроллеры семейства AT89 ориентированы на использование в качестве встроенных управляющих контроллеров в промышленном (-40⁰C÷85⁰C) и коммерческом (0⁰C÷70⁰C) диапазонах температур. Имеются исполнения микроконтроллеров AT89C51 и AT89C52, соответствующие требованиям, предъявляемым к приборам используемым в автомобильном (-40⁰C÷125⁰C) и Military (-55⁰C÷125⁰C) диапазонах температур.

С учетом требований технического задания, проанализировав параметры  микроконтроллеров фирмы Atmel, подходящим для проектирования реле  времени

Является микроконтроллер AT89С2051. Он, прежде всего экономичный, построенный с использованием RISK архитектуры. Данный микроконтроллер является 8-разрядным с низким энергопотреблением, основанным на AVR архитектуре. Содержит флэш-память 2 Кб, с возможностью внутрисхемного программирования и память EEPROM данных, емкостью от 64 байта.

 

2.3 Микроконтроллер AT89C2051

 

Микроконтроллер AT89C2051 является наиболее простым в семействе AT89 после AT89C1051. Этот микроконтроллер ориентирован на использование в качестве встроенного управляющего контроллера.

Основные параметры микроконтроллера:

• емкость перепрограммируемой флэш-памяти: 2 Кбайт, 1000 циклов стирание/запись.
• программирование флэш-памяти программ ведется с использованием напряжения 12В, ее содержимое может быть защищено от несанкционированных записи/считывания. Имеется возможность очистки Flash памяти за одну операцию, возможность считывания встроенного кода идентификации.
• диапазон рабочих напряжений от 2,7В до 6В;
• диапазон рабочих частот от 0Гц до 24МГц;
• потребление в активном режиме на частоте 12 МГц не превышает 15 мА и 5,5 мА при напряжении питания 6 В и 3 В, соответственно;
• двухуровневая блокировка памяти программ;
• СОЗУ емкостью 128 байта;
• 15 программируемых линий ввода/вывода;
• один 16-разрядный таймер/счетчик событий;
• три источника сигналов прерывания;
• выходы прямого управления СИД;
• встроенный аналоговый компаратор;
• пассивный (idle) и стоповый (power down) режимы;
• потребление в пассивном режиме, при котором остановлено ЦПУ, но система прерываний, ОЗУ, таймер/счетчик событий и последовательный порт остаются активными, не превышает 5мА и 1 мА. В стоповом режиме потребление не превышает 100 мкА и 20 мкА при напряжении питания 6 В и 3 В, соответственно;
• промышленный (-40⁰C÷85⁰C) и коммерческий (0⁰C÷70⁰C) диапазоны температур;
• 20-выводные корпуса PDIP и SOIC;
• микроконтроллеры данного типа не поддерживают работу с внешней памятью.

Структурная схема микроконтроллера AT89C2051 приведена в Прил.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. РАЗРАБОТКА  АЛГОРИТМА РАБОТЫ ПОЗИЦИОНЕРА  ДЛЯ СПУТНИКОВОЙ АНТЕННЫ

 

Для того чтобы понять принцип работы любого устройства, удобно представить его в виде алгоритма. В Прил. 2 приведен алгоритм работы позиционера для спутниковой антенны.

После того как пользователь включит позиционер, устройство выполнит команды инициализации системы. Эти команды присваивают всем основным переменным программы начальные значения, настраивают систему прерываний  процессора, программируют работу системных таймеров, и поступает команда запуска таймеров. После выполнения модуля инициализации управляющая программа переходит к настройке антенны, устанавливая её в крайнее западное (восточное) положение. После чего будет произведен начальный сброс системы и устройство перейдет в режим «установка». Следующим этапом будет включение режима записи или стирания каналов из памяти (в память) позиционера. Когда устройство выполнит один из режимов (запись/стирание каналов) позиционеру будет дана команда перехода в режим «работа». В этом режиме программа будет находиться все время, вплоть до выключения питания позиционера. В зависимости от режима работы, программа будет выполнять либо режим «работа», либо «установка».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ПОЗИЦИОНЕРА ДЛЯ СПУТНИКОВОЙ АНТЕННЫ

 

4.1 Разработка структурной схемы

 

На данном этапе проектирования предстоит разработать структурную схему позиционера для спутниковой антенны. Структурная схема будет служить опорой при дальнейшей разработке принципиальной схемы устройства. В ней следует обозначить узлы необходимые для работы будущего устройства.

Основной компонент устройства  будет микроконтроллер, он должен управлять следующими устройствами: двухразрядным светодиодным дисплеем,  состоящим из двух семисегментных индикаторов, двумя ключами  включения и выключения мотора поворотного устройства (прямой и инверсный ход). Кроме того, микроконтроллер должен получать и обрабатывать сигналы от следующих внешних устройств: кнопки управления (7 кнопок), датчик поворота антенны, фотоприемник сигналов ДУ.

Для визуального отображения информации о том, в каком положении находится антенна необходимо индикатор. Наиболее оптимальным для устройства будет применение двух семисегментных индикаторов.

Для обеспечения возможности ручного управления  мотором спутниковой антенны  пользователем необходимо предусмотреть в схеме 7 кнопок:

- кнопка «Сброс» будет предназначаться для приведения устройства в начальное положение;

- кнопка «К+» будет предназначаться для увеличения номера каналов

- кнопка «К-» будет предназначаться для уменьшения номера канала;

- кнопка «З/С» будет предназначаться для записи или стирания каналов устройством;

- кнопка «Запад» будет предназначаться для управления поворотом антенны влево;

- кнопка «Восток» будет предназначаться для управления поворотом антенны вправо;

- кнопка «Вкл./Выкл.» будет предназначаться для включения или выключения устройства.

Для распознавания управляющих  сигналов с пульта ДУ, необходимо, что  бы в схеме были применены такие  устройства как: дешифратор и приемник сигнала.

Для записи каналов должен использоваться регистр управления мотором.

Таким образом, исходя из имеющихся данных, можно составить полную структурную схему позиционера для спутниковой антенны, состоящую из следующих узлов:

– микроконтроллер;

– Электронный ключ – 5;

– дешифратор;

– узел управления мотором;

– индикаторы;

– микросхема флэш-памяти;

– фотоприемник ДУ;

– стабилизатор напряжения;

– инвертор сигнала сброса;

– электрически стираемое  ПЗУ 

Структурная схема позиционера для спутниковой антенны  представлена в Прил. 3.

Разработав структурную  схему спутникового позиционера можно приступить к разработке принципиальной схемы прибора.

 

4.2 Разработка принципиальной схемы

 

Следующий этап – разработка принципиальной электрической схемы. К этому этапу нужно подходить со всей серьезностью. Удачно разработанная схема – залог качества и надежности всей конструкции. При создании принципиальной схемы, необходимо решить из каких радиокомпонентов должен создаваться прибор. В принципиальной схеме будет показано, по каким портам микроконтроллера будет осуществляться связь со всеми устройствами схемы. Так же необходимо решить от какого источника питания будет питаться напряжением прибор.

 

4.2.1 Разработка интерфейса индикации и управления

 

Индикаторы позиционера должны работать в режиме динамической индикации. Динамическая индикация – это очень   распространенный прием в цифровой технике. Суть его состоит в том, что для сокращения количества управляющих сигналов индикаторы  включают таким образом, чтобы в каждый момент времени светился только один из разрядов. В процессе работы происходит постоянное переключение индикаторов. Сначала включается первый индикатор и высвечивает старший разряд. Затем включается второй индикатор, и высвечивает  младший. Затем весь цикл повторяется. Частота повторения подобрана таким образом, что человеческий глаз не видит мерцаний. Ему кажется, что каждый индикатор постоянно высвечивает свою цифру. На рис. 4.1 показано подключение индикаторов к портам микроконтроллера.   

Подключение индикаторов  к портам микроконтроллера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.1.

 

4.2.2 Разработка  цепей питания

 

Для питания проектируемого устройства к нему необходимо подключить внешний источник питания 10 В.

Для получения нестабилизированного напряжения +12В для питания цепей управления позиционера в схеме будет применён выпрямительный мост VDA1 совместно с конденсаторами C1, C2. А выпрямительный мост VDA2 будет служить для получения, не сглаженного постоянного напряжения для питания силовых цепей позиционера. Фильтр R4, C8 нужен для получения, не пульсирующего напряжения для питания входных цепей оптопары.

Так же в схеме необходимо применить стабилизатор DA1 (КРЕН5) для получения стабилизированного напряжения питания +5В для всех цифровых микросхем. На рис. 4.2 показаны цепи питания схемы спутникового позиционера.

Цепь питания схемы  спутникового позиционера

 

Рисунок 4.2

 

4.2.3 Разработка интерфейса сопряжения с нагрузкой

 

Развязка будет обеспечиваться при помощи транзисторного оптрона DAI (AOT104). Для питания светодиода оптрона должно использоваться постоянное напряжение, которое снимается с выпрямительного моста VDA2. Это напряжение, так же будет предназначено для питания всех внешних цепей схемы. А именно: двигателя поворота антенны и цепей датчика поворота.

Двигатель будет питаться непосредственно от пульсирующего напряжения. Для питания светодиода такое напряжение непригодно. Импульсы 50 Гц могут быть восприняты, как импульсы от датчика поворота антенны. Поэтому в схеме необходимо применить сглаживающий фильтр R4, С8. Сглаженное напряжение подается на светодиод оптрона DAI через контакт датчика поворота антенны и токоограничивающий резистор R3. Светодиод загорается в момент замыкания контактов датчика. При этом транзистор оптрона открывается и замыкает на общий провод вывод 16 микроконтроллера (линию Р 1.4). Это равносильно подаче на этот вход сигнала логического нуля. При размыкании контакта датчика светодиод гаснет, транзистор закрывается и на входе P 1.4 устанавливается уровень логической единицы, благодаря внутреннему резистору нагрузки выходного каскада. Резистор R5 служит для подачи начального смещения на базу внутреннего транзистора оптрона. В схеме подключения датчика не предусматривается никаких  аппаратных антидребезговых мер.

Подключение микроконтроллера к нагрузке. Это связано с тем, что в позиционере  применен мощный антидребезговый алгоритм, заложенный в управляющую программу. Интерфейс сопряжения с нагрузкой приведен на рис.4.3.

Интерфейс сопряжения с  нагрузкой

Рисунок 4.3

 

4.3 Назначение компонентов и работа схемы

 

При разработке принципиальной схемы позиционера для спутниковой антенны необходимо осветить и подробно рассмотреть все каскады, цепи и узлы, имеющиеся в ней.

Основу схемы позиционера должен составлять микроконтроллер AT89C2051 (D1) фирмы «Atmel». Этот микроконтроллер является аналогом микросхемы 8051 (Intel). Только имеет всего два порта ввода/вывода (P1 и P3) и не имеет возможности подключения внешнего ОЗУ. В микроконтроллере имеется внутренняя флэш-память программ. В ней зашита программа.