Система автоматической подстройки частоты

ВВЕДЕНИЕ

Основанием для выполнения проекта является:

1) учебный план кафедры ИУ6

2) техническое задание на курсовой проект

Целью курсового проекта является разработка системы автоматической подстройки частоты (далее САПЧ). Данная система предназначена для сравнения значений о текущей частоте, полученных с датчиков со значениями, заданными с пульта оператора, анализа и обработки отклонения и выдачи соответствующего сигнала управления и информационных сигналов.  САПЧ разработана на основе микроконтроллера (МК) КР1816ВЕ51 (аналог 8051AH фирмы Intel), архитектура которого стала стандартом на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров. В разработанном устройстве обрабатываются 4 канала.

Разработанное устройство может применяться в различных системах, например в генераторах сигналов, радиоприёмной аппаратуре. Разработанная САПЧ  является универсальной и может применяться не только для подстройки частоты, но и для регулирования других сигналов (например, температуры, давления), для которых измерители выдают информацию о текущем значении в виде постоянного напряжения.

Управляющий сигнал зависит от входных сигналов системы в соответствии с программой обработки, которую несложно изменить и ввести в микроконтроллер. Это также придаёт системе универсальность.

1.2 Описание работы функциональной схемы.

Сигналы с датчиков и с пульта оператора для каждого канала подаются через масштабный усилитель на аналоговый мультиплексор, который в зависимости от состояния адресных входов выбирает необходимый. Номер сигнала задаётся в МК. Далее сигнал запоминается в УВХ, переводится в двоичный код и заносится в микроконтроллер.  После выполнения всех необходимых действий, микроконтроллер выдаёт выходной сигнал в двоичном  виде. Этот сигнал преобразуется в аналоговый вид и подаётся на входы четырёх УВХ. На управляющие входы УВХ подаётся сигнал с дешифратора. Дешифратор преобразует адрес, который выдаёт МК и выдаёт активный сигнал на одну из выходных линий, таким образом выбирая одно из УВХ. При отклонении текущей частоты от заданной более чем на 10% выдаётся сигнал на блок светоиндикаторов.

2.3 Коммутатор

В качестве аналогового коммутатора используется микросхема КР590КН1. Этот коммутатор имеет 8 входов (4 входа – сигналы с датчиков, 4 входа – сигналы с пультов оператора). Предельное коммутируемое напряжение – 5 в. Напряжения питания: Uп1= - 15 в., Uп2= + 5в.

2.4 Аналого-цифровой преобразователь

Для аналого-цифрового преобразования использована микросхема К1113ПВ1А. Она представляет собой десятиразрядный АЦП последовательного приближения. Используются 7 старших разрядов. Микросхема характеризуется функциональной полнотой. Необходимы лишь два источника питания Uп1=5 В., Uп2=-15 В. Преобразование начинается при подаче низкого уровня напряжения на вывод 11. После окончания преобразования на выводе 17 появляется напряжение высокого уровня. Этот сигнал поступает в микроконтроллер и используется для проверки готовности данных. Выходные буферные устройства имеют три состояния, что позволяет их использовать для связи с шиной данных микроконтроллера. Уровни входных и выходных сигналов соответствуют уровням ТТЛ. Время преобразования не более 30 мкс.

2.5 Цифро-аналоговый преобразователь

Для цифро-аналогового преобразования использовалась микросхема К1108ПА2, которая является функционально законченным устройством и сопрягается с микропроцессорами. Используется однополярный режим преобразования входных данных без хранения. В этом режиме выводы 6,  1, 18 заземляются. Напряжение питания Uп1=5 В., Uп2=-6 В. Время преобразования 1.5 мкс.

2.6 Дешифратор

В схеме использован дешифратор КР1533ИД4. Это сдвоенный дешифратор 2-4 с отдельными разрешающими входами. Используется один из двух дешифраторов. Разрешающий вход является инверсным. Выходы дешифратора также инверсные. Так как управляющие сигналы для УВХ должны быть взаимодополняющими, к выходам дешифратора подключены инверторы. Для них выбрана микросхема КР1533ЛН1, имеющая в своём составе 6 инверторов. Время задержки распространения сигнала 15 нс.

2.7 Микроконтроллер

В системе микроконтроллер КР1816ВЕ51 (зарубежный аналог 8051АН серии MCS-51 фирмы Intel).

Он имеет ПЗУ емкостью 4Кб, ОЗУ емкостью 128 байт, 4 универсальных порта ввода-вывода, 8-разрядное АЛУ с аппаратной реализацией операций типа умножение, последовательный порт, два 16-разрядных программируемых счётчика таймера.

Каждая линия порта 0 при работе в качестве выходов обеспечивает нагрузочную способность, равную 8 входам маломощной серии LS TTL, каждая линия портов 1-3 – 4 входам.

Синхронизация микроконтроллера осуществляется с использованием внутреннего инвертирующего усилителя, который может быть превращен в синхрогенератор посредством подключения в выводам X1 и X2 внешнего кварцевого резонатора. Схема подключения резонатора и схема сброса при включении электропитания показана на рис.2.3.

Рис.2.3.Схема подключения резонатора и сброса.

 Резистор R1 имеет сопротивление 8,2 кОм, конденсатор С3 имеет ёмкость 10 мкФ.

Кварцевый генератор имеет частоту 4 МГц.

4. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ.

При включении питания схемы на вход RST МК через дифференцирующую цепочку подаётся сигнал высокого уровня и запускается процесс инициализации микроконтроллера.

После этого начинается опрос датчиков и сигналов с пультов оператора. Масштабный усилитель приводит диапазон напряжений к значению 0 – 5 В. В биты 0-2 порта Р0 выводится номер входа мультиплексора. Бит 3 порта Р0 управляет УВХ, стоящим перед АЦП, бит 4 управляет АЦП, бит 5 управляет дешифратором. В биты 4,5 сначала заносится 1, в бит 3 – 0. После переключения мультиплексора в бит 3 заносится единица и начинает работать УВХ в режиме выборки. По окончании выборки в биты 3,4 заносится 0. Начинается аналого-цифровое преобразование сигнала. Далее двоичный код заносится в семь младших разрядов порта Р1 МК. В старший разряд порта заносится сигнал готовности с АЦП. В бит 4 порта Р0 заносится единица, которая переводит выходные буферные устройства АЦП в высокоимпендансное состояние и отключает его от шины данных.

После ввода необходимых значений и их обработки происходит вывод управляющего сигнала. При этом в порт Р1 выводится двоичный код сигнала, который преобразуется в ЦАП в аналоговое напряжение. После преобразования в порт Р0 выводится  номер канала, для которого предназначен управляющий сигнал. Этот номер поступает на дешифратор, который выберет УВХ соответствующего канала. УВХ запомнит значение и будет хранить его до следующей выдачи управляющего сигнала в данный канал. В бит 5 порта Р0 записывается единица, которая отключает дешифратор.

При отклонении текущей частоты более чем на 10 % от заданной, в бит порта Р2 с номером канала, в котором произошло отклонение записывается единица и загорается один из четырёх светодиодов, подключенных к этому порту.

Список использованной литературы

1.  В.Б. Бродин, М.И. Шагурин – Микроконтроллеры. Справочник. /М.; Издательство ЭКОМ, 1999 г. – 400 с.

2.  Е.В. Вениаминов – Микросхемы и их применение. Справ. Пособие. / М.; Радио и связь, 1989г. – 240 с.

3.  В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев – Электроника. Учебное пособие  / М.; Высшая школа, 1990 г. – 622 с.

4.  Ф.В. Шульгин – Справочник по аналоговым микросхемам / М., 1997 г.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

Алгоритмы управления САПЧ.

Рис.1. Главный алгоритм работы системы.

Рис.2. Алгоритмы процедуры ввода INPUT и процедуры вывода OUTPUT.

Рис.3. Алгоритм обработки входных сигналов и подготовки результатов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.

Программа работы микроконтроллера.

N EQU 4

K EQU 31

INIT:    SEL RB0 ;выбор банка регистров

L1:    MOV R2,N    ;занести номер канала

L2:    MOV R0,#20H  ;занести в РПД адрес памяти для данных

АCALL INPUT;чтение данных

MOV A,R2 ;

SUBB A,N ;

MOV R2,A ;R2=R2-N

  INC R0              ;увеличить адрес на 1

  АCALL INPUT ;чтение данных

  АCALL OBRAB         ;обработка данных

  АCALL OUTPUT;вывод результата

  MOV A,R2;

  INC          ;

  ADD A,N ;

  MOV R2,A;R2=R2+1+N

  MOV A,N          ;

  MOV B,#2         ;

  MUL AB ;A=2*N

  SUBB A,R2;

  JZ L1;сравнение A и R2

  АJMP L2;переход на L2

  RET

INPUT:     MOV A,R2  ;процедура чтения данных из порта

SETB ACC.5

SETB ACC.4      

OUT P0,A  ;вывод в Р0 адреса

SETB PO.3          ;запуск УВХ

CLR P0.3;

CLR P0.4 ;запуск АЦП

L3:    IN A,P1;чтение из Р1

          JNB ACC.7 L3;проверка готовности АЦП

          CLR ACC.7;ст. бит аккумулятора равен 0

          SETB PO.4                      

          MOV @R0,A;занести считанные данные в память

          RET         

OUTPUT: MOV A,R2;процедура вывода результатов

          SETB ACC.4     

   OUT P1,R5;вывод в Р1

          OUT P0,A ;вывод в Р0 адреса

          SETB P0.5

   RET       

OBRAB:   DEC RO;адрес значения пульта оператора

          MOV A,@R0;значение пульта оператора в акк.

          INC R0;адрес значения датчика

          SUBB A,@R0;отклонение между пультом оператора и датчиком

          MOV R4,A         ;отклонение в регистр 4

          АCALL ANALIZ ;процедура обработки и получения сигнала управления

          MOV A,R4         ;значения отклонения в акк.

          MOV B,#100;

          MUL AB;умножить отклонение на 100%

          DEC R0;адрес значения пульта оператора

          MOV B,@R0;значение пульта оператора в В

          DIV AB;разделить отклонение на значение пульта оператора

          JB ACC.7 NEG;переход если погрешность <0

          SUB A,#10         ;вычесть 10% из погрешности

          JNB ACC.7 INDIK1;если погрешность > 10% индикация

          АSJMP INDIK2

NEG: ADD A,#10

   JB ACC.7 INDIK1 ;если погрешность > 10% индикация

          АJMP INDIK2

INDIK1:    SETB P2.R2

   АJMP KON

INDIK2:    CRL  P2.R2         

KON:    RET      

ANALIZ:   MOV B,K;в регистр B значение коэффициента пропорциональности         

    MUL AB         ;умножить отклонение на коэффициент

           ADD A,#127;прибавить макс. зн-е результата деленное на 2 =127

           MOV R5,A;занести результат в регистр 5

           RET