Таймер на микроконтроллере MSP430F2013

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова»

 

 

 

 

Кафедра управления и информатики в технических системах

 

 

 

Научно-исследовательская работа

«Таймер на микроконтроллере MSP430F2013»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:ст.гр.РТЭ-11-08

Егорова Екатерина

Научный руководитель: доцент

Гильденберг Б.М

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары-2012

 

Цель работы – разработка таймера на микроконтроллере MSP430F2013, рассчитанного на 24 часа.

ВВЕДЕНИЕ

Практически в любой современной электронной технике можно найти микроконтроллеры. Столь широкое применение этих микросхем обусловлено чрезвычайно удачным сочетанием низкой стоимости, миниатюрных габаритов, высокой надёжности и огромным набором выполняемых функций, что в сочетании с возможностью адаптации микроконтроллеров к работе в конкретном устройстве определило их повсеместное распространение в любой технике.

Микроконтроллерный таймер -  устройство для отсчета и отображения заданного интервала времени и включения силовой нагрузки через оптосимисторный ключ на интервал времени, заданный таймером или её включения после отработки таймером заданного интервала времени. Режим управления нагрузкой задается тумблером. Таймер может использоваться в быту или в организациях для управления силовой нагрузкой и/или задания нужного временного интервала.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ:

 

1. ИНЖЕНЕРНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ЗАДАНИЯ

 

1. Выполняемые функции

Таймер выполняет следующие функции:

• ввод/редактирование времени срабатывания таймера посредством двух кнопок, где  кнопка «Mode»  выбирает изменяемую цифру, которая мигает с 2 Гц, а  вторая «UP» увеличивает её значение от 0 до 9;
• отображение времени до окончания отсчета заданного интервала, в пределах 24 часов с точностью до 1 секунды. Время отображается на шести семисегментных светодиодных индикаторах;
• управление включением или отключением силовой нагрузки на период работы таймера, в зависимости от положения тумблера режима управления силовой нагрузкой «Load»;
• сигнализация об истечении времени таймера звуковым сигналом в течение 5 сек.

 

Структурная схема микроконтроллерного таймера представлена на рис. 1:

Рис.1. Таймер на микроконтроллере MSP430. Структурная схема

 

3. Режимы работы

Таймер работает в двух режимах: первый – режим отображения времени, второй – ввода/редактирования времени таймера. Исходное состояние после включения – режим отображения времени (00 00 00).  При нажатии кнопки  «Mode», микроконтроллер переходит в режим ввода/редактирования, мигает c частотой 2 Гц цифра десятков часов, Кнопкой «Up» устанавливаем требуемое значение. При следующем нажатии кнопки «Mode» осуществляется переход к редактированию цифры единиц часов, далее – десятков, единиц минут, десятков секунд. При последующем нажатии кнопки «Mode» обнуляется цифра единиц секунд и осуществляется переход к счету времени (на вычитание) и его отображению. Счет времени ведется до 00 00 00. При достижении  этого момента, на 5 секунд включается через усилитель звуковой излучатель с внутренним генератором. На период работы таймера включается через оптосимисторный ключ силовая нагрузка, если тумблер  «Load» находится в положении «On», или нагрузка отключается на этот период , если тумблер  находится в положении «Off».

Так как применен микроконтроллер с малым числом линий ввода/вывода, то для расширения числа таких линий, используется  шестнадцатиразрядный сдвиговый регистр, преобразующий последовательный код из микроконтроллера (3 линии) в параллельный (16 выходных линий). Управление дисплеем осуществляется в динамическом режиме, т.е. цифры зажигаются поочередно, но вследствие инерционности зрения, это для наблюдателя незаметно. Частота развертки экрана 83 Гц, что достаточно комфортно. Управление силовой нагрузкой осуществляется подачей управляющего сигнала на внешний оптосимисторный ключ с датчиком нуля, что обеспечивает коммутацию силовой нагрузки до 2 кВт без генерации помех.

Защита от дребезга контактов при нажатии кнопок реализована программно.

Для питания схемы используется стабилизатор с выходным напряжением 3,3 вольта. На его вход подается напряжение 6…10 вольт от любого внешнего сетевого адаптера с выходным током 200 мА.

 

 

 

2. РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ БАЗЫ

В устройстве используется недорогой 16-разрядный микроконтроллер MSP430F2013 (возможна замена на  MSP430F2011, MSP430F2012 с идентичными характеристиками без изменения аппаратной и программной частей) [1, 2].

 Технические характеристики MSP430F2013.

Процессор	RISC
Размер ядра	16-Bit
Подключения	I²C, SPI
Число вводов/выводов	10
Размер программируемой памяти	2KB
Тип программируемой памяти	FLASH
Напряжение источника (Vcc/Vdd)	1.8 V ~ 3.6 V

 

1. Разработка принципиальной схемы

Принципиальная схема микроконтроллерного таймера представлена на рис. 2.

Кварцевый резонатор 32768 Гц («часовой» кварц), подключается к внешним выводам XIN и XOUT, задает частоту тактирования внутреннего таймера микроконтроллера. Тактирование микропроцессорного ядра микроконтроллера осуществляется от внутреннего генератора.

Для реализации шестнадцатиразрядного регистра сдвига используются две микросхемы 74НС495 – восьмиразрядные  регистры сдвига с регистром - защелкой на выходе, соединенные последовательно, образуя 16 выходов [3]. Для выдачи последовательного кода из микроконтроллера на регистр используется интерфейс SPI (выводы данных и синхронизации)  и один дополнительный вывод для защелки сдвинутых данных. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Таймер на микроконтроллере MSP430. Схема электрическая принципиальная

 

Подача питающего напряжения на анод очередной активизируемой цифры дисплея осуществляется через транзисторный ключ, управляемый сигналом низкого уровня  с выхода сдвигающего регистра D2.  Для зажигания светодиодных сегментов, на их катоды через токоограничивающие резисторы подается низкий уровень сигнала непосредственно с  выходов сдвигающего регистра D3. Светодиод HL1 используются для индикации состояния силовой нагрузки - если выдан сигнал на включение, то он горит. Светодиод HL2 индицирует включенное состояние таймера.

Электромагнитный излучатель включается через транзисторный ключ, управляемый сигналом низкого уровня непосредственно с вывода Р1.3 микроконтроллера. Кнопки и тумблер подключаются непосредственно к входам  порта P1, настроенным на ввод с подключением внутренних подтягивающих резисторов.

Для включения силовой нагрузки с вывода порта Р1.7 подается низкий уровень сигнала, обеспечивающий протекание тока через светодиод маломощного симисторного оптрона с датчиком нуля, включенного в цепь управления  мощного симистора, коммутирующего силовую нагрузку мощностью до 2 кВт.

Принципиальная схема оптосимисторного ключа представлена на рис. 3.

Рис.3. Таймер на микроконтроллере MSP430. Оптосимисторный ключ

 

 

 

2. Дисплей с 6 семисегментными индикаторами.

Семисегментные индикаторы (ССИ) широко используются для отображения цифровой и буквенной информации.

Семь отображающих элементов позволяют высвечивать десятичные и шестнадцатеричные цифры, некоторые буквы латинского и русского алфавитов, а так же некоторые специальные знаки.

Для засветки одного сегмента большинства типов ССИ необходимо обеспечить протекание через сегмент тока около 10 мА при напряжении 2,0-2,5 В.

 

Преобразование двоичных кодов в коды для ССИ осуществляется программно. МК выдает через сдвигающий регистр D3 на сегменты индикатора код образа отображаемой цифры в формате abcdefg1( при нулевом значении бита  – соответствующий сегмент горит) в соответствии с таблицей TBL_IMAGE:

Цифра	Код образа
	abcdefg1
0	00000011
1	10011111
2	00100101
3	00001101
4	10011001
5	01001001
6	01000001
7	00011111
8	00000001
9	00001001

 

Разрешение на горение очередной цифры выдается нулем в соответствующем разряде сдвигающего регистра в формате 00A1A2A3A4A5A6, в соответствии с таблицей TBL_COM:

Назначение индикатора	Анод	Код разрешения
Десятки часов	A1	00011111
Единицы часов	A2	00101111
Десятки минут	A3	00110111
Единицы минут	A4	00111011
Десятки секунд	A5	00111101
Единицы секунд	A6	00111110

Примечание: старшие 2 бита используются для управления индикаторами LH1, LH2 и в таблице равны 0.

 

 

4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Для написания и отладки программы была  использована интегрированная среда разработки IAR Embedded Workbench. В её состав входит оптимизирующий C/C++ компилятор и все необходимые средства для создания и отладки программ встроенных приложений на базе микроконтроллеров семейства MSP430. Для отладки в реальном времени был также использован отладочный комплект eZ430-F2013 [4]. Программа написана на языке С.

 

6. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОГРАММЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Алгоритм программы микроконтроллера состоит из двух основных частей:

основной программы и прерывающей программы таймера.

1. Основная программа (MAIN) осуществляет начальную инициализацию и переводит процессор микроконтроллера в спящий режим, при котором потребление минимально. Спящий режим прерывается запросом прерывания от внутреннего таймера, поступающего через каждые 2 мс, подпрограмма обслуживания которого и реализует все функции устройства.
2. Прерывающая программы таймера (Int_Timer_A) реализует следующие функции:

• динамическая индикация (подпрограмма Display вызывается через 2мс);

• опрос клавиатуры с защитой от дребезга (подпрограмма KeyBScan вызывается через 2мс);
• ввод/редактирование времени таймера (подпрограмма Servis_Key вызывается через 2мс);
• отсчет таймера (подпрограмма Timer вызывается через 1 сек);
• выдача звукового сигнала в течение 5 секунд, при истечении времени таймера (подпрограмма Beep вызывается через 1 сек).

Р-схемы программ приведены на рис. 4.

 

 

 

 

 

 

Рис.4. Таймер на микроконтроллере MSP430.Р-схемы

 

 

7. ЛИТЕРАТУРА
1. Семейство микроконтроллеров MSP430x2xx. Архитектура, программирование, разработка приложений / пер. с англ. Евстифеева А. В. — М. :  Додэка_XXI, 2010. — 544 с.: ил. — (Серия «Мировая электроника»).
2. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f2013.pdf
3. http://avrdevices.ru/sdvigovy-registr-74hc595/#more-478
4. http://www.ti.com/tool/ez430-f2013