Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра инженерной кибернетики

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ
УПРАВЛЕНИЯ В ЗАДАЧАХ АВТОМАТИЗАЦИИ
Методические указания по выполнению курсовых работ
для магистрантов специальности 6М070200-Автоматизация и  управление

Алматы 2014

СОСТАВИТЕЛЬ: А.А.Копесбаева. Программные средства микропроцессорных контроллеров управления в задачах автоматизации. Методические указания по выполнению курсовых работ для магистрантов специальности 6М070200-Автоматизация и  управление . Алматы: АУЭС, 2014 – 10 с.

Настоящие методические указания включают в себя методические рекомендации и примеры выполнения курсовой работы по дисциплине «Программные средства микропроцессорных контроллеров управления в задачах автоматизации» в рамках дисциплин по выбору для специализации «Автоматизация и управление».

Методические указания предназначены для магистрантов 6М070200– Автоматизация и управление.

Ил. 2, библиогр. – 15 назв.

Рецензент: канд.техн.наук, доцент Башкиров М.В.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2014 г.

©НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2014 г.

Содержание

Введение                                                                                                 4

Порядок выполнения работы                                                                4

Требования к оформлению и защите курсового проекта                    7

Контрольные вопросы                                                                           8

Варианты заданий                                                                                  8

Список литературы                                                                                9

Введение

Тема курсовой работы: «Проектирование системы управления, регулирования, контроля и сигнализации технологическим объектом на микроконтроллерах управления»

Цель курсового проекта: привитие навыков проектирования аппаратного и программного обеспечения автоматической системы управления технологическим процессом на базе микроконтроллера.

Цель достигается выполнением следующих задач:

1)  Для определенного объекта, соответственно с темой диссертаци (задание определяется руководителем магистерской диссертации или преподавателем по дисциплине) составить словесное описание одной из задач:

-   подсистемы измерения;

-   подсистемы управления и регулирования;

-   подсистемы защиты и контроля.

2)  Обосновать выбор микроконтроллера, привести описание архитектуры и основных, используемых режимов работы.

3)  Разработать принципиальную электрическую схему соединения периферийных элементов к центральному микроконтроллеру.

4)    Составить модель функционирования устройства в симуляторе.

5)  Организовать документирование информации и представить варианты выполнения основных режимов на макете устройства.

1       Порядок выполнения работы

1.1 Для определенного объекта (задание определяется руководителем магистерской диссертации или преподавателем по дисциплине), соответственно с темой диссертации составить словесное описание одной из задач:

-        подсистемы измерения;

-        подсистемы управления и регулирования;

-        подсистемы защиты и контроля.

В этом разделе ведется подготовка к созданию макета устройства автоматизации.  Так как программирование микроконтроллера требует больше времени, чем программирование промышленных свободно-программируемых контроллеров (СПЛК), задача должна содержать только некоторые аспекты магистерской диссертации. Несколько примеров такого задания приведено в разделе 4.

1.2 Обосновать выбор микроконтроллера, привести описание архитектуры и основных, используемых режимов работы.

В этом разделе необходимо указать микроконтроллер, на базе которого будет выполнен проект. В настоящее время микроконтроллеров управления на рынке автоматизации великое множество, каждое из них отличается областью применения, характеристиками цифрового устройства обработки сигналов (разрядностью, частотой, объемом памяти программ и данных, архитектурой, набором команд), коммерческими характеристиками (стоимость, надежность, эксплуатационные характеристики). Каждое из этих характеристик должно быть описано, приведено для сравнения несколько вариантов выбора микроконтроллера, обоснован выбор используемого в проекте микроконтроллера. При выборе микроконтроллера немаловажным фактором является подготовленность к проектированию и программированию исполнителя. Поэтому такое решение может быть определяющим при окончательном выборе микроконтроллера.

Описание микроконтроллера представляется в справочной документации и содержит обширный материал на 200-300 страниц. Нет необходимости приводить полное описание микроконтроллера, но необходимо указать на основные технические характеристики принципиально важные для решения конкретной задачи. Описание микроконтроллера содержит инструкции по исполнению всех режимов работы. В курсовой работе необходимо привести используемые для решения данной задачи режимы и их описание. Периферия микроконтроллера характеризует возможности по подключению внешних дополнительных устройств, поэтому необходимо указать какие порты и как подключаются для конкретной задачи. Необходимо привести описание выводов микроконтроллера, желательно со схемой или рисунком микроконтроллера.

Помимо микроконтроллера необходимо выбрать и привести описание измерительных приборов и датчиков, исполнительных элементов, элементов индикации и сигнализации, продумав их согласованность по напряжению, току и нагрузке. Привести описание принципа действия выбранных элементов, описание и назначение  цифровых выводов. Так, например, если в проекте используется аналоговый датчик, то необходимо привести описание принципа действия АЦП, описание выводов микроконтроллера для подключения аналогового сигнала, описание выводов датчика, технические характеристики датчика, погрешность и диапазон измерения. Исполнительные элементы должны также должны быть выбраны, приведены описание их выводов, схемы подключения выводов, временные, энергетические и другие технические характеристики, диаграммы и алгоритмы функционирования.

1.3  Разработать принципиальную электрическую схему соединения периферийных элементов к центральному микроконтроллеру.

На этом этапе магистрант приобретает навыки по составлению принципиальных электрических схем устройств автоматизации на базе микроконтроллеров управления. Такие схемы отражают принцип действия устройства в целом. Привести электрические схемы, описать принцип действия электронного устройства автоматизации, привести спецификацию элементов – вот задача проектировщика устройства автоматизации на базе микроконтроллера. На рисунках 1 и 2 приведены примеры составления электрических схем.

Рисунок 1 - Схема подключения периферийных устройств к МК беспроводной системы автоматического управления климат контролем жилого помещения

Рисунок 2 –Схема подключения периферийных устройств к МК в системе  индикации и контроля температуры

1.4 Составить модель функционирования устройства в симуляторе.

Симуляторы являются программными моделями реальных микропроцессорных устройств, позволяющими написать, компилировать и отладить программу для микропроцессорного устройства. 

1.4.1 Открыть редактор ассемблера или С++ и написать сначала текст программы. Это может быть только часть всей программы.

1.4.2 Выбрать из каталога свой тип микросхемы и составить виртуальное подключение устройств: светодиодной сигнализации, индикации на LCD или семисегментные индикаторы, дискретные датчики, кнопки, матричную клавиатуру, лампы, аналоговые потенциометрические датчики. Выполнить настройку устройств.

1.4.3 Загрузить программу, исправить орфографические (error) и стилистические ошибки (warning).

1.4.4 Запустить программу и обнаружив логические ошибки при работе устройств, снова отладить программу.

1.4.5 Выполнить все шаги, записанные при формулировке задания. Наблюдать за переменными в пошаговом режиме, выполнить останов программы в контрольных точках, организовать наблюдение в изменениях внутренних регистров, записать последовательность изменения регистров, входных и выходных портов.

1.5           Организовать документирование информации и представить варианты выполнения основных режимов на макете устройства.

Все выполненные в пункте 1.4 шаги документировать текстами программ, скриншотами выполнения всех шагов, видеокадрами и архивами. Представить описание режимов работы по заданию с подтверждением их скриншотами.

2 Требования к оформлению и защите курсового проекта

2.1 Требования к содержанию курсовой работы. Курсовая работа должна состоять из следующих пунктов:

1)  Содержание.

2) Введение.

3)Формулировка задания.

4)Обоснование выбора микроконтроллера, периферийных устройств и сопровождающих программ.

5)Принципиальная электрическая схема соединений периферийных элементов к центральному микроконтроллеру.    

6)Модель функционирования устройства в симуляторе.

7)Документирование информации и варианты выполнения основных режимов на макете устройства.

2.2 Требования к защите курсовой работы.

Защита курсовой работы состоит в представлении доклада по работе (3-5 минут), ответы на вопросы по выполненной работе.

3 Контрольные вопросы

1.Какие функции выполняет проектируемое устройство?

2.Приведите характеристики микроконтроллера, которые явились определяющими при выборе микроконтроллера?

3. Дайте определение терминам микроконтроллер, микропроцессорное устройство, микропроцессорная система.

4. Обоснуйте выбор программного обеспечения для вашего проекта.

5. Перечислите элементы и узлы, входящие в состав устройства.

6. К каким типам системы автоматизации Вы отнесете разработанное устройство?

7. Что такое режим реального времени? Как реализуется режим реального времени на микроконтроллере и в симуляторе микроконтроллера?

8. Какие параметры являются определяющими при выборе микроконтроллера?

9. Как реализуется режим отладки реального и виртуального оборудования?

10. Какие процессоры называются сигнальными? Необходимо ли применение в Вашем проекте сигнального процессора?

11. Назовите значения уровней входных и выходных электрических сигналов контроллеров.

12. Перечислите периферийные устройства микроконтроллера.

13. Какие подключения к выводам микроконтроллера необходимо выполнить в обязательном порядке?

14. Какие основные режимы работы микроконтроллера используются при автоматизации управления технологическим процессом?

15. Перечислите функции системы отладочного комплекса, режимы работы?

4 Варианты заданий

Пример 1. С помощью АЦП прочитать сигналы с двух аналоговых каналов AN0, AN1 и вывести данные сигналы на LCD – дисплей в десятичном виде. Если сигнал с датчика температуры превысит значение равное 105 °С, то включить аварийный сигнал в виде 7 бита на порте С. Если сигнал с датчика расхода  превысит значение равное 600 м3, то включить аварийный сигнал в виде 6 бита на порте С.

Пример 2. Необходимо написать программу для контроллера Atmel, реализующую поддержание постоянной температуры внутри термобокса равной  25C.  Для поддержания постоянства температуры использовать лампу накаливания и вентилятор.

Пример 3. Требуется поддерживать оптимальную температуру в жилом помещении, путем управления температурой подаваемого теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха. Управление температурой подаваемого теплоносителя осуществляется на смесительных и/или теплообменных узлах. Управление происходит с помощью двухходового клапана.

Пример 4. Подключить матричную клавиатуру. Задавать значение координат с клавиатуры. Измерить положение координаты манипулятора по трем осям. Отображать на LCD индикаторе координаты точки останова манипулятора.

Пример 5. Измерять уровень жидкости в резервуаре с помощью датчика уровня и датчика давления. Отображать значения на LCD индикаторе. Сравнить показания двух датчиков и вывести на экран разницу показаний в виде: «Погрешность: 23 мм». Если разница превышает 1 см, то указать этот фактор включением сигнальной лампы.

Пример 6. Измерять значение расхода воды в парогенератор ТЭЦ. Нормировать значение показаний датчика расхода при соотношениях диапазонов измерения от 0 до 200 М3/час, измерениях расхода датчиком с выходным сигналом от 0В до 10 В. Нормировать и произвести вычисления измерений в микроконтроллере.

Пример 7. На два цифровых порта микроконтроллера подключить сигналы одних и тех же аварийных датчиков котлоагрегата. Через каждые 10 секунд проверять, что состояние портов одинаковы. Если имеется разница в значениях этих портов, отключать двигатель, подключённый к дискретному порту микроконтроллера, включить аварийную лампу на 3 секунды.  

Пример 8. В системе складирования нефти вести контроль уровней сырья в трех резервуарах. Если уровень нефти в любом из резервуаров окажется больше максимального, остановить насос подачи нефти и открыть выходной клапан и  включить насос заполнения резервуара транспортировки. Если уровень в любом из резервуаров окажется меньше минимального, включить насос подачи, закрыть выходной клапан и отключить насос заполнения резервуара.

Список литературы

1.  Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / Под ред. Проф. В.П. Дьяконова.-М.:СОЛОН-Пресс, 2004. – 256 с.:ил. – (Серия «Библиотека инженера»).

2.  Копесбаева А.А. Программные средства управления на микропроцессорных контроллерах в задачах автоматизации. Конспект лекций для магистрантов специальности 6М070200 –Автоматизация и управление – АУЭС, Алматы 2013.

3.  Копесбаева А.А., Файзулина А.Б., Рябцев А.А.. Микропроцессорные средства и программно-технические комплексы. Методические указания к выполнению лабораторных и семестровых работ (для студентов специальности 36.03 – Автоматизация технологических процессов), Часть 2. – АИЭС, Алматы, 2001.

4.  Парр Э. Программируемые контроллеры: руководство для инженера. – М.:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 516 с.:ил.

5.  Копесбаева А.А. Микропроцессорные комплексы в системах управления. - Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В070200 – Автоматизация и управление. – Алматы: АИЭС, 2009. – 47 с.

6.  Копесбаева А.А. Микропроцессорные комплексы в системах управления. – Учебное пособие. – Алматы: АУЭС, 2010 – 113 с.

7.  Копесбаева А. А. Программные средства микропроцессорных контроллеров управления в задачах автоматизации. Методические указания к лабораторным работам для магистрантов всех форм обучения специальности 6М070200 – Автоматизация и управление. – Алматы: АУЭС, 2011 – 49 с.

8.  Магда Ю.С. Программирование и отладка С/С++ приложений для микроконтроллеров ARM.-М.: «ДМК», 2012.

9.  Предко М. Справочник по PIC – микроконтроллерам. - М., 2002, 2004, 2006, 2009.

10.  Семейство микроконтроллеров МSP430. Рекомендации по применению.-М., 2005.

11.  Тавернье К. PIC – микроконтроллеры. Практика применения.-М., 2002, 2003, 2004.

12.  Белов А.В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR.-СПб., 2008.

13.  Белов А.В. Создаем устройства на микроконтроллерах.-СПб.:        « Наука и техника», 2007.

14.  Брэй  Б. Применение микроконтроллеров PIC 18. Архитектура, программирование и построение интерфейсов с примененем Си ассемблера.-К.: «МК-Пресс», СПб.: «Корона-Век», 2008.

15.  Магда Ю.С. Современные микроконтроллеры. Архитектура, программирование, разработка устройств.-М.: «ДМК Пресс», 2010, 2013.

Сводный план 2014 г., поз. 105

Акшолпан Ауелбековна Копесбаева

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ
УПРАВЛЕНИЯ В ЗАДАЧАХ АВТОМАТИЗАЦИИ
Методические указания по выполнению курсовых работ
для магистрантов специальности 6М070200-Автоматизация и  управление

Редактор Н.М. Голева
Специалист по стандартизации Н.К. Молдабекова

Подписано в печать __. __. __.
Формат 60х84  1/ 16
Тираж  50 экз.
Бумага типографская № 1
Объем _____ уч.-изд. л.      
Заказ _____. Цена ____ тг.

Копировально-множительное бюро
некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи»
050013 Алматы, Байтурсынова, 126