Файл: Микропроцессорные устройства систем управления (Ю.И. Иванов, 2005).pdf

5.2.Микроконтроллерная система управления температурой

Вкачестве примера реализации всех необходимых функций управления микроконтроллером AT90S8535 рассмотрим задачу поддержания микро­ климата в помещении, алгоритм решения которой приведен в главе 1 на рис. 3. Подготовка программы для микроконтроллера требует уточнения некоторых деталей и распределения функций между различными средства­ ми реализации.

Висходных данных задачи приведены только сведения, необходимые для составления общего алгоритма работы. Будем полагать, что управление охлаждением и подогревом производится независимыми стандартными ло­ гическими сигналами (1 - включено, 0 - выключено). Контролируемая температура измеряется двумя аналоговыми датчиками, оценка температу­ ры производится по среднему арифметическому значению их двух выход­ ных сигналов. Параметры аналоговых сигналов и опорное напряжение АЦП обеспечивают формирование кодов температуры в следующем фор­ мате: старший байт выходного кода АЦП соответствует значению темпера­

туры с точностью до 0,1 °С (например, код 215 (0xd7) - 21,5 °С). Пороговые значения температур следующие: tram=17,0 °C, traax==22,0 °C.

Любая система управления должна содержать средства управления и индикации. В минимальном варианте необходимо производить включение и выключение системы кнопками управления, индикацию состояния сис­ темы и температуры в помещении. Тестовые режимы для проверки работо­ способности системы рассматривать не будем, хотя реальная система функции диагностики также должна поддерживать.

Кнопки управления можно подключить к свободным линиям параллель­ ных портов микроконтроллера с формированием общего сигнала внешнего прерывания по схеме, показанной на рис. 7. Такая схема позволяет при не­ обходимости подключить к "этому сигналу внешнего прерывания и другие

Рис. 7. Схема подключения кнопок управления

цепи. При обработке сигналов кнопок необходимо программно определить приоритеты сигналов при одновременном нажатии обеих кнопок ("защита от дурака"). Можно также указать, что в этой задаче применение алгоритма "антидребезга" необязательно, так как первое же замыкание кнопки пере-

104

водит систему в соответствующий режим. Последующие замыкания кон­ тактов будут только подтверждать команду перехода в этот режим.

Для индикации можно применять стандартные семисегментные индика­ торы, так как требуется отображение цифровых кодов температуры. Инди­ кация режима работы тоже может выполняться этими индикаторами. Вы­ ключением индикации можно отображать режим "Стоп", а включенная ин­ дикация температуры может отображать режим "Пуск". Для индикации со­ стояния "подогрев", "охлаждение" можно использовать соответствующие сигналы управления.

Управление цифровыми индикаторами через параллельные порты воз­ можно, но нецелесообразно: индикация каждой цифры требует отдельного байта управления. Рациональнее байты управления для индикации переда­ вать через последовательный интерфейс SPI во внешние регистры, а с их выходов в параллельном формате управлять индикаторами (рис. 8).

Регистры индикаторов - стандартные однобайтовые регистры сдвига D1-D3 с входом последовательной записи In, тактовыми импульсами по­ следовательной записи SC, сигналом управления для вывода в параллель­ ном формате СР и параллельными выходами, к которым подключены циф­ ровые индикаторы. Выходные сигналы MOSI интерфейса SPI, работающе-

105

го в режиме master, поступают на вход In регистра D1, тактовые импульсы SCK - на входы тактирования последовательной записи SC всех регистров.

Алгоритм вывода должен обеспечивать последовательную выдачу трех байтов управления индикаторами, передача байтов должна начинаться с младшего разряда кода температуры. После трех циклов работы интерфей­ са SPI первый байт будет записан в регистре D3, второй байт - в регистpeD2 и третий байт - в регистре D1. Для выдачи принятого трехбайтового кода в индикаторы необходимо программно выполнить передачу сигнала Load, который интерфейсом SPI не формируется.

На следующем этапе необходимо выбрать средства микроконтроллера для реализации необходимых функций управления и определить их пара­ метры и режимы работы. Первое, что требуется оценить, достаточны ли программно-аппаратные ресурсы микроконтроллера для решения задачи? Предварительная оценка времени, требуемого для выполнения всех необ­ ходимых функций, - единицы миллисекунд (блок-схема алгоритма на рис. 3 позволяет определить ориентировочное число команд программы: от не­ скольких сот до 1 - 2 тысяч). Если ресурсы недостаточны, может потребо­ ваться применение других, более сложных средств. Тепловая инерцион­ ность помещений с постоянными времени десятки и более секунд обычно не предъявляет особых требований к быстродействию. Алгоритм управле­ ния не требует выполнения каких-либо сложных операций преобразования данных, поэтому можно сделать вывод о достаточных функциональных возможностях микроконтроллера для решения данной задачи.

Мало того, предварительная оценка быстродействия микроконтроллера и инерционности объекта управления показывает, что имеет смысл искус­ ственно увеличить интервалы времени для контроля температуры. Это по­ зволяет и обеспечить эффективное управление, и резервировать ресурсы микроконтроллера для решения дополнительных задач. Выберем перио­ дичность запуска функций управления, равной 1 с. Такая периодичность практически не повлияет на эффективность управления температурной (те­ пловые постоянные времени объекта управления на 1-2 порядка выше), обеспечит необходимую оперативность и наглядность отображения темпе­ ратуры на индикаторе и достаточно просто реализуется с помощью тайме­ ров микроконтроллера.

Дополнительного уточнения также требуют пороговые значения темпе­ ратуры tmin и tmax . Для единственного порогового значения и для включе­ ния, и для выключения, весьма вероятен режим, при котором в каждом очередном цикле контроля будет производиться переключение сигнала управления (включение-отключение-включение-отключение и т.д.). Если ввести гистерезис (различные пороговые значения для включения tj и вы­ ключения t2), такой режим постоянных переключений станет маловероят­ ным. Разность пороговых значений выберем ±1°С, тогда tmaxi=23,0 °C; tmax2=21,0°C; ^1=16,0 °С; tmin2=18,0°C.

106

Выберем тактовую частоту микроконтроллера, которая определяется внешними частотозадающим элементами и может лежать в диапазоне 0 - 8 МГц. Типичное значение тактовой частоты - 4 МГц. Ввод аналоговых сиг­ налов от датчиков температуры будем производить через АЦП микрокон­ троллера, используя входы порта А: РАО - датчик 1, РА1 - датчик 2. Пере­ ключение входов АЦП программное с помощью регистра мультиплексора ADMUX. В байте управления АЦП необходимо определить режим одно­ кратного преобразования с программным запуском, разрешение прерыва­ ния и тактовую частоту с коэффициентом деления 32. Выходной код АЦП будем преобразовывать в однобайтовый формат и передавать для дальней­ шей обработки вектором прерывания АЦП. Сразу же можно выбрать линии ввода-вывода для передачи сигналов управления: РА7 - управление охлаж­ дением, РА6 - управление подогревом. Таким образом, в порте А две ли­ нии должны настраиваться на ввод (датчики) и две линии - на вывод (сиг­ налы управления).

Интерфейс SPI также требует выбора параметров настройки для регист­ ра управления SPCR. Управление интерфейсом также будем производить через его вектор прерывания с заданием режима master, порядка формиро­ вания байта данных при выводе, параметров сигнала SCK и его частоты. Высокая скорость передачи данных не требуется, поэтому выберем коэф­ фициент деления для тактовой частоты интерфейса - 16. Интерфейс пере­ дает выходные сигналы через РВ5 (MOSI), PB7 (SCK). Для сигнала управ­ ления индикацией (Load) выберем РВО. Эти три бита порта В должны быть настроены на вывод данных с заданием пассивного высокого уровня сигна­ ла.

Алгоритм вывода кодов индикации через интерфейс SPI должен вклю­ чать преобразование байтов кода температуры в коды индикации трех де­ сятичных цифр с десятичной точкой после второй цифры. Управление ин­ дикаторами требует формирования специальных кодов для каждой деся­ тичной цифры. Эти коды индикации можно хранить в FLASH, а для вывода кодов индикации выполнять программное преобразование трех десятичных цифр температуры в три байта кодов управления индикаторами с помощью констант из FLASH. Первым в интерфейсе SPI должен поступать код инди­ кации младшей цифры, после вывода третьего кода индикации необходимо программно сформировать сигнал управления на РВО.

Для обработки сигналов от кнопок управления используем внешнее пре­ рывание INTO. Определим режим формирования этого запроса прерывания в регистре MCUCR по падающему фронту сигнала PD2 и разрешение этого прерывания в регистре GIMSK. Вектор прерывания должен анализировать состояния сигналов РВ1 и РВ2, определяя выполняемую операцию управ­ ления (Пуск, Стоп). Для реализации этих функций необходимо задать ре­ жим ввода на PD2, РВ1 и РВ2 с обязательным формированием пассивного высокого уровня. Если кнопки не замкнуты, на всех этих входах - высокий

107

димости ограничение спектра сигналов для снижения уровня помех и по­ вышения точности преобразования в цифровой код. Вместе с прецизион­ ным источником опорного напряжения (REF) эти усилители определяют диапазон измеряемой температуры и значения кодов на выходе АЦП мик­ роконтроллера. В соответствии с погрешностями дискретизации АЦП точ­ ность формирования сигналов всеми аналоговыми устройствами должна быть на уровне 0,1-0,2 %.

Усилители сигналов управления РА6, РА7 должны формировать сигна­ лы cool, heat с требуемыми параметрами, преобразуя стандартные логиче­ ские сигналы на выходах микроконтроллера. В зависимости от характери­ стик сигналов управления эти усилители могут содержать ключи на бипо­ лярных или полевых транзисторах, ключи с электромагнитными реле или твердотельные реле. Кнопки управления и блок индикации показаны ранее на рис. 7, 8.

Взаимодействие устройств микроконтроллера при выполнении всех ука­ занных функций достаточно эффективно обеспечивается применением сис­ темы прерываний. Отдельные элементы задачи управления могут быть описаны в форме подпрограмм для векторов прерываний и подпрограмм для реализации некоторых дополнительных функций. Логическая органи­ зация программы микроконтроллера стандартна, программа состоит из следующих элементов: описание векторов прерываний, инициализация всех используемых компонентов микроконтроллера, комплекс подпро­ грамм для реализации всех необходимых функций. Вызов подпрограмм производится соответствующими аппаратными средствами микроконтрол­ лера.

В режиме Стоп все функции системы управления отключены, аппарат­ ные и программные средства в состоянии покоя, микроконтроллер может выполнять какие-нибудь другие функции. При нажатии кнопки "Пуск" подпрограммой вектора внешнего прерывания запускается первый цикл управления температурой и таймер 0 для выполнения повторных циклов контроля с периодом около 1 с. Каждый цикл контроля начинается с запус­ ка АЦП, по его вектору прерывания вводится код текущей температуры. Код температуры поступает в интерфейс SPI для управления индикацией и одновременно на программную обработку с реализацией алгоритма управ­ ления, приведенного на рис. 3. После завершения этих функций, которые загружают процессор в течение единиц миллисекунд, выполнение алго­ ритмов управления приостанавливается до повторного запуска цикла тай­ мером 0. Нетрудно показать, что задача управления требует менее 1% об­ щего времени работы процессора.

Работа системы управления может быть прервана на любом этапе нажа­ тием кнопки "Стоп", подпрограмма вектора внешнего прерывания должна остановить работу всех используемых средств: АЦП, таймера 0, через SPI

109