Файл: Разработка микроконтроллерного устройства управления шаговым двигателем с режимом микрошага.docx
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 307
Скачиваний: 13
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева»Институт информатики, математики и электроникиФакультет электроники и приборостроенияКафедра конструирования и технологии электронных систем и устройствЗадание на курсовую работупо дисциплине
Микропроцессорная техника Студенту ______. группы1. Тема: Разработка микроконтроллерного устройства управления шаговым двигателем с режимом микрошага утверждена приказом по университету от «____»______________20___ г. №____2. Исходные данные к ВКР: 2.1. Диапазон измеряемых давлений 0.2 – 1.3атм 2.2. Группа РЭС-8. 2.3. Питание – сеть 27 В. 2.4. Габариты – не более 200х200х100. 2.5. Масса – не более 5кг. 2.6. Программа выпуска – единичное. 2.7. Среднее время наработки до отказа 5 лет и более. 2.8. Вероятность безотказной работы – 0,97 и более.3. Задачи, решаемые в курсовом проекте:должность, степень подпись И.О.Фамилия6. Дата выдачи задания: «____»_______________20___ г.7. Срок представления на кафедру законченной ВКР: «____»___________20__г.Руководитель ВКР Калаев М.П. //должность, степень подпись И.О.ФамилияЗадание принял к исполнению __________________ //РЕФЕРАТПояснительная записка: 36 страницы, 7 таблиц, 10 источников.Графическая часть: 4 листа формата А4.ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, РЕЖИМ МИКРОШАГА, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА, АЛГОРИТМ, ПРОГРАММА.Цель работы – разработка микроконтроллерного устройства управления шаговым двигателем с режимом микрошага.В процессе работы использованы пакеты прикладных программ автоматизированного проектирования, а также офисная программа для работы с текстовыми документами. В результате работы было выбран оптимальный микроконтроллер: ATmega48-20PU. Спроектированы структурная, функциональная и принципиальная схема устройства, а также алгоритм работы устройства. Разработан программный код микроконтроллера.
4 Проектирование структурной схемы устройства 13
6 Проектирование принципиальной схемы устройства 17
7 Разработка программного кода устройства 23
ВВЕДЕНИЕШаговый двигатель - это электромеханическое устройство, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи.Шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми:Угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые подаются на двигатель, прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу быстрого старта/остановки/реверсирования, высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников. Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи широтно-импульсной модуляции.Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования, наличие достаточного количества портов ввода/вывода способствуют применению микроконтроллеров в различных областях.
Сфера применения шаговых двигателей: подача пленки и изменение масштаба изображения в камерах, факсимильные аппараты, принтерах, копировальные машины, лотки подачи и сортировщики бумаги, а также дисководы, автомобилестроение, светотехническое оборудование, теплотехника, станки с ЧПУ и т.д.В задании на курсовой проект требуется выбрать оптимальный микроконтроллер с использованием комплексного критерия качества, провести анализ и описание характеристик выбранного микроконтроллера, спроектировать структурную, функциональную и принципиальную схему устройства, разработать программный код и алгоритм работы устройства. В данном проекте используется униполярный шаговый двигатель NEMA 17 [2], Драйвер шагового двигателя A4983 [3] и микроконтроллер ATMega48-20PU [4].2. Выбор оптимального микроконтроллера использованием комплексного критерия качестваПри разработке устройства возникает необходимость в выборе микроконтроллера, удовлетворяющего требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т.д. В процессе анализа рынка микроконтроллеров из семейств HCS08, ATMegaX8, PIC и MCU. Для сравнения семейств было выбрано 4 модели: MC908AB32MFUE (№1), ATMega48 -20PU (№2), PIC18F4520 (№3) и Z86E0612PSG (№4). В таблице 1 приведены характеристики сравниваемых МК.Таблица 1 - Технические характеристики сравниваемых микроконтроллеров
В качестве критерия выбора были определены следующие характеристики: тактовая частота, объем ОЗУ (RAM), размер Flash-памяти, количество линий ввода-вывода, наличие отладки и внутрисхемного программирования.В таблице 2 приведены значения коэффициентов (весов) качества критерия выбора для микроконтроллеров.Таблица 2 - Значения коэффициентов качества критериев выбора
Сравнение параметров данных устройств приведены в таблице 3.Таблица 3 - Сравнение параметров микроконтроллеров
Среди рассмотренных микроконтроллеров наблюдается отличия между соотношением коэффициента качества и критерия оптимальности, что говорит нам о большой разнице характеристик рассмотренных микроконтроллеров, а также показало, что более дорогие контроллеры не обязательно будут иметь лучшие показатели. По итогу проведения системного анализа был выбран микроконтроллер ATMega48-20PU, как самый оптимальный для работы.ATMega48/ATMega88/ATMega168 — это малопотребляющие 8 битные КМОП микроконтроллеры с AVR RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATMega48/ATMega88/ATMega168 достигают производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц, что позволяет разработчику оптимизировать отношение потребления к производительности.AVR ядро объединяет богатую систему команд и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. В результате эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура.Отличительные особенности 8-ми битных AVR микроконтроллеров серии ATMega :
Микропроцессорная техника Студенту ______. группы1. Тема: Разработка микроконтроллерного устройства управления шаговым двигателем с режимом микрошага утверждена приказом по университету от «____»______________20___ г. №____2. Исходные данные к ВКР: 2.1. Диапазон измеряемых давлений 0.2 – 1.3атм 2.2. Группа РЭС-8. 2.3. Питание – сеть 27 В. 2.4. Габариты – не более 200х200х100. 2.5. Масса – не более 5кг. 2.6. Программа выпуска – единичное. 2.7. Среднее время наработки до отказа 5 лет и более. 2.8. Вероятность безотказной работы – 0,97 и более.3. Задачи, решаемые в курсовом проекте:должность, степень подпись И.О.Фамилия6. Дата выдачи задания: «____»_______________20___ г.7. Срок представления на кафедру законченной ВКР: «____»___________20__г.Руководитель ВКР Калаев М.П. //должность, степень подпись И.О.ФамилияЗадание принял к исполнению __________________ //РЕФЕРАТПояснительная записка: 36 страницы, 7 таблиц, 10 источников.Графическая часть: 4 листа формата А4.ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, РЕЖИМ МИКРОШАГА, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА, АЛГОРИТМ, ПРОГРАММА.Цель работы – разработка микроконтроллерного устройства управления шаговым двигателем с режимом микрошага.В процессе работы использованы пакеты прикладных программ автоматизированного проектирования, а также офисная программа для работы с текстовыми документами. В результате работы было выбран оптимальный микроконтроллер: ATmega48-20PU. Спроектированы структурная, функциональная и принципиальная схема устройства, а также алгоритм работы устройства. Разработан программный код микроконтроллера.
СОДЕРЖАНИЕ
4 Проектирование структурной схемы устройства 13
6 Проектирование принципиальной схемы устройства 17
7 Разработка программного кода устройства 23
-
Анализ технического задания
Сфера применения шаговых двигателей: подача пленки и изменение масштаба изображения в камерах, факсимильные аппараты, принтерах, копировальные машины, лотки подачи и сортировщики бумаги, а также дисководы, автомобилестроение, светотехническое оборудование, теплотехника, станки с ЧПУ и т.д.В задании на курсовой проект требуется выбрать оптимальный микроконтроллер с использованием комплексного критерия качества, провести анализ и описание характеристик выбранного микроконтроллера, спроектировать структурную, функциональную и принципиальную схему устройства, разработать программный код и алгоритм работы устройства. В данном проекте используется униполярный шаговый двигатель NEMA 17 [2], Драйвер шагового двигателя A4983 [3] и микроконтроллер ATMega48-20PU [4].2. Выбор оптимального микроконтроллера использованием комплексного критерия качестваПри разработке устройства возникает необходимость в выборе микроконтроллера, удовлетворяющего требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т.д. В процессе анализа рынка микроконтроллеров из семейств HCS08, ATMegaX8, PIC и MCU. Для сравнения семейств было выбрано 4 модели: MC908AB32MFUE (№1), ATMega48 -20PU (№2), PIC18F4520 (№3) и Z86E0612PSG (№4). В таблице 1 приведены характеристики сравниваемых МК.Таблица 1 - Технические характеристики сравниваемых микроконтроллеров
| Название | MC908AB32MFUE | ATMega48 -20PU | PIC18F4520 | Z86E0612PSG |
| Цена, USD. | 17,99 | 2,78 | 8,54 | 5,05 |
| Рабочая частота (МГц) | 8 | 20 | 40 | 12 |
| Flash-память (кБайт) (прог.) | 32 | 4 | 32 | 1 |
| Данные ОЗУ(RAM) (байт) (ном.) | 512 | 512 | 1536 | 125 |
| Таймеры (тип.) (8-битные) | 4 | 2 | 2 | 1 |
| Таймеры (тип.) (16 бит) | - | 1 | 1 | - |
| Ввод / вывод (высокий ток) | 33 | 23 | 36 | 14 |
| I2C (тип.) | 1 | 1 | 1 | - |
| SPI (тип.) | 1 | 1 | 1 | 1 |
| UART (тип.) | - | 1 | 1 | - |
| Напряжение питания (В) (мин.) | 2,7 | 2,5 | 2,0 | 4,5 |
| Напряжение питания (В) (макс.) | - | 5,5 | 5,5 | 5,5 |
| Рабочая температура (° C) (мин.) | -40 | -40 | -40 | -40 |
| Рабочая температура (° C) (макс.) | 125 | 85 | 125 | 105 |
В качестве критерия выбора были определены следующие характеристики: тактовая частота, объем ОЗУ (RAM), размер Flash-памяти, количество линий ввода-вывода, наличие отладки и внутрисхемного программирования.В таблице 2 приведены значения коэффициентов (весов) качества критерия выбора для микроконтроллеров.Таблица 2 - Значения коэффициентов качества критериев выбора
| Параметр | Вес параметра для микроконтроллера |
| Размер Flash-памяти | 0,3 |
| Количество линий ввода-вывода | 0,15 |
| Наличие отладки, внутрисхемного программирования | 0,15 |
| Тактовая частота | 0,1 |
| Объем ОЗУ (RAM) | 0,3 |
| Параметр, Единицы измерения, вес | Номер устройства | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Цена, р | 17,99 | 2,78 | 8,54 | 5,05 | |
| Тактовая частота, Мгц, 0,1 | Абсолютная величина | 8 | 20 | 40 | 12 |
| Относительная величина | 0,2 | 0,5 | 1 | 0,3 | |
| С учётом веса | 0,02 | 0,05 | 0,1 | 0,03 | |
| Наличие отладки, внутрисхемного программирования (Наличие=1, отсутствие=0) 0,15 | Абсолютная величина | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Относительная величина | 1 | 1 | 1 | 1 | |
| С учётом веса | 0,15 | 0,15 | 0,15 | 0,15 | |
| Размер Flash-памяти, Кбайт, 0,3 | Абсолютная величина | 32 | 4 | 32 | 1 |
| Относительная величина | 1 | 0,125 | 1 | 0,03 | |
| С учётом веса | 0,3 | 0,375 | 0,3 | 0,009 | |
| Количество линий ввода-вывода, ед, 0,15 | Абсолютная величина | 33 | 23 | 36 | 14 |
| Относительная величина | 0,92 | 0,64 | 1 | 0,39 | |
| С учётом веса | 0,138 | 0,096 | 0,15 | 0,059 | |
| Объем ОЗУ (RAM), Байт, 0,3 | Абсолютная величина | 512 | 512 | 1536 | 125 |
| Относительная величина | 0,33 | 0,33 | 1 | 0,08 | |
| С учётом веса | 0,099 | 0,099 | 0,3 | 0,024 | |
| Коэффициент качества | | 0,707 | 0,77 | 1 | 0,272 |
| Критерий оптимальности | | 25,4 | 3,61 | 8,54 | 18,57 |
Среди рассмотренных микроконтроллеров наблюдается отличия между соотношением коэффициента качества и критерия оптимальности, что говорит нам о большой разнице характеристик рассмотренных микроконтроллеров, а также показало, что более дорогие контроллеры не обязательно будут иметь лучшие показатели. По итогу проведения системного анализа был выбран микроконтроллер ATMega48-20PU, как самый оптимальный для работы.ATMega48/ATMega88/ATMega168 — это малопотребляющие 8 битные КМОП микроконтроллеры с AVR RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATMega48/ATMega88/ATMega168 достигают производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц, что позволяет разработчику оптимизировать отношение потребления к производительности.AVR ядро объединяет богатую систему команд и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. В результате эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура.Отличительные особенности 8-ми битных AVR микроконтроллеров серии ATMega :
-
Высококачественный низкопотребляющий 8- битный AVR микроконтроллер -
Передовая RISC архитектура -
Энергонезависимая память программ и данных -
30 команд, большинство которых выполняется за один тактовый цикл -
Программируемый последовательный USART -
Ведущий/ведомый SPI интерфейс -
Пять режимов пониженного потребления: Idle, ADC Noise Reduction, Power-Save, Power-down и Standby -
Счетчик реального времени с отдельным генератором
| Наименование | Характеристики |
| Серия | ATMegaX8 |
| Ширина шины данных | 8-бит |
| Тактовая частота | 20 МГц |
| Количество входов/выходов | 23 |
| Объем памяти программ | 4 Кбайт (2k x 16) |
| Тип памяти программ | Flash |
| Объем RAM | 512x 8 |
| Наличие АЦП/ЦАП | A/D 6x10b |
| Встроенные интерфейсы | I2C, SPI, UART/USART |
| Напряжение питания, В | 2,7…5,5 |
| Рабочая температура, °С | -40…+125 |
| Корпус | DIP28 |
| Вес, г | 3,83 |