Министерство  образования Российской Федерации 

Северокавказский  Государственный  Технический Университет

Кафедра электроники и  микроэлектроники

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

По предмету :    Микропроцессорные системы управления и диагностики

На тему "Разработка часов  на микроконтроллере PIC16F84  " 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:  студент 5 курса

группы  УПЭ-991

     Козидубов Е.Н

Принял:   Якушев В.М.   
 
 
 
 
 
 
 
 

Ставрополь 2002 

Задание 
 

      Разработать часы реального времени на микроконтроллере PIC16F84, программное обеспечения для него на языке ассемблер, рассмотреть вопросы программирования микроконтроллера.  
 

Напряжение  пипания устройства      5В +/-1В

Частота тактового генератора МК          4 Мгц

Количество  отображаемых цифр на идикаторе        4 

Количество  кнопок управления          2

Единицы измерения  времени              Часы

       Минуты

                                                                 Секунды 
 

Содержание 
 

Введение

1.Разработка  структурной схемы устройства

2.Выбор элементной  базы

3.Разработка  схемы электрической принципиальной

4.Разработка программного обеспечения 

5.Программирование  микроконтроллера

Заключение

Список литературы 

Введение 

Последние годы отмечены массовым наполнением  рынка всевозможной автоматизированной аппаратурой самого различного назначения и самой различной сложности  от пластиковой платежной карточки до холодильника, автомобиля и сложнейших установок. Это стало возможным благодаря микроконтроллерам (МК) Микроконтроллеры входят во все сферы жизнедеятельности человека, их насыщенность в нашем окружении растет из года в год. То что казалось нам  5 лет назад сказкой  сейчас вполне возможно благодаря стремительному развитию технологии производства электронных компонентов. Да пять лет назад мы уже знали про суперкомпьютеры суперпроцессоры суперАЦП и т.д. Ну а что же сейчас а сейчас "ВСЕ В ОДНОМ КОРПУСЕ" и это жестокая правда. Раньше , изобретателю электронных схем приходилось иметь дело с "кучей" электронных компонентов , размещая с огромным трудом все на печатной плате размером метр на метр и при испытании кипятить чайник на тойже плате (это про расходуемую энергию), в наше время разработчику электронной аппаратуры не грозят выше указанные сложности,  точнее чем больше денег тем меньше сложностей. Но появляются новые неудобства информационного  общества такие как :

Фирмы производящие микроконтроллеры ATMEL,INTEL,ZILOG,MICROCHIP, "и с радостью для патриотов" АНГСТРЕМ, scenix, кажется можно продолжать бесконечно. Каждая из перечисленных фирм кроме АНГСТРЕМ имеет более 100 видов различных по назначению микроконтроллеров, а каждый микроконтроллер не менее 200 страниц технических описаний и характеристик плюс к этому на английском языке, кроме АНГСТРЕМ. Выбери свой девиз современного общества.

Средства  разработки программного обеспечения  для микроконтроллеров у каждой фирмы свое, а что касается языков программирования конечно ассемблер самый старый, добрый, всем понятный, ну а что через год перечислим некоторые, "C, PASCAL, JAVA, DELPHI,C++, +TURBO,+VISUAL" опять можно продолжать бесконечно.

      Вернемся  к теме "в одном корпусе" раньше К155ХХ  50 штук а сейчас PIC16F84 и просто в подарок ПЗУ, ОЗУ, таймер, система прерываний, аналогово-цифравой преобразователь, встроенный генератор, корпус с 20 ножками и т.д.

      Ну  хватит о грустном за работу!

      В данной проекте будет разработано  устройство на современном микроконтроллере, написана программа и рассмотрены инструментальные средства. Также будит применены знания полученные на занятиях.

1.Разработка  структурной схемы устройства 
 

      Структурная схема электронных часов на микропроцессоре приведена на рисунке 1. Она состоит из 4 основных блоков. Тактовый генератор предназначен для генерации прямоугольных импульсов частотой 4 Мгц для тактирования микропроцессора и программируемого таймера . Микропроцес-   

Рисунок 1. Структурная схема устройства 

сорный  блок  состоит из микропроцессора, постоянного и оперативного запоминающего  устройств  предназначен для управления всеми другими блоками  часов. Он осуществляет обработку прерывания полученного от таймера предварительно делает его установку на нужное значение, готовит данные полученные от таймера,  выводит значение на индикатор и считывает значение с клавиатуры. Контроллер клавиатуры и дисплея   предназначен для дешифрации значений полученных от микропроцессора и усиления сигналов для индикатора также осуществляет предварительную обработку сигналов полученных от клавиатуры. Дисплей предназначен для вывода реального времени в графическом виде понятном для человека. Клавиатура электронных часов служит для ввода управляющих сигналов таких как установка режима индикации дисплея и установка времени.

2.Выбор  элементной базы 
 

      Данное  устройство может быть выполнено  на разной элементной базе включая  микросхемы серии 155,176,561 также различные  микропроцессорные комплекты 580,1816,1830 и на специализированных  микросхемах например 1901 что предпочтительней с экономической точки зрения т.к в их состав входят контроллер клавиатуры и дисплея тактовый генератор, устройство управления, таймер и многое другое необходимое для электронных часов. В данной работе в учебных целях это устройство будет разработано на микроконтроллере фирмы  Microchip.inc.

      PIC16F84 относится к семейству КМОП микроконтроллеров. Отличается тем, что имеет внутреннее 1K x 14 бит EEPROM для программ, 8-битовые данные и 64байт EEPROM памяти данных. При этом отличаются низкой стоимостью и высокой производительностью. Все команды состоят из одного слова (14 бит шириной) и исполняются за один цикл (400 нс при 10 МГц), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла (800 нс). PIC16F84 имеет прерывание, срабатывающее от четырех источников, и восьмиуровневый аппаратный стек. Периферия включает в себя 8-битный таймер/счетчик с 8-битным программируемым предварительным делителем (фактически 16 - битный таймер) и 13 линий двунаправленного ввода/вывода. Высокая нагрузочная способность (25 мА макс. втекающий ток, 20 мА макс. вытекающий ток) линий ввода/вывода упрощают внешние драйверы и, тем самым, уменьшается общая стоимость системы. Разработки на базе контроллеров PIC16F84 поддерживается ассемблером, программным симулятором, внутрисхемным эмулятором (только фирмы Microchip) и программатором.  
Серия PIC16F84 подходит для широкого спектра приложений от схем высокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов и связных процессоров. Наличие ПЗУ позволяет подстраивать параметры в прикладных программах (коды передатчика, скорости двигателя, частоты приемника и т.д.). Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает PIC16F84 привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры. Например, таймеры, замена жесткой логики в больших системах, сопроцессоры. Cледует добавить, что встроенный автомат программирования EEPROM кристалла PIC16F84 позволяет легко подстраивать программу и данные под конкретные требования даже после завершения ассемблирования и тестирования. Эта возможность может быть использована как для тиражирования, так и для занесения калибровочных данных уже после окончательного тестирования.

      Структурная схема микроконтроллера приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема микроконтроллера PIC16F84   

Архитектура основана на концепции раздельных шин  и областей памяти для данных и  для команд (Гарвардская архитектура). Шина данных и память данных (ОЗУ) - имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 14 бит. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения. 14- битовая ширина программной памяти обеспечивает выборку 14-битовой команды в один цикл. Двухступенчатый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды. Все команды выполняются за один цикл, исключая команды переходов. В PIC16F84 программная память объемом 1К х 14 расположена внутри кристалла. Исполняемая программа может находиться только во встроенном ПЗУ.  

      Условно графическое обозначение микроконтроллера приведено на рисунке 3.

Программный код, который записан в кристалл, может быть защищен от считывания при помощи установки бита защиты (CP) в слове конфигурации в ноль. Содержимое программы не может быть прочитано так, что с ним можно  было бы работать. Кроме того, при  установленном бите защиты становится невозможным изменять программу. То-же относится и к содержимому памяти данных EEPROM. 
Если установлена защита, то бит CP можно стереть только вместе с содержимым кристалла. Сначала будет стерта EEPROM программная память и память данных и в последнюю очередь бит защиты кода CP.

      Кристалл PIC16C84 имеет четыре слова, расположенные  по адресу (2000h-2003h) Они предназначены  для хранения идентификационного кода (ID) пользователя, контрольной суммы  или другой информации. Как и слово  конфигурации, они могут быть прочитаны или записаны только с помощью программатора. Доступа по программе к ним нет. 
Если кристалл защищен, пользователю рекомендуется использовать для идентификации только младшие семь бит каждого ID слова, а в старший бит записывать `0`. Тогда ID слова можно будет прочитать даже в защищенном варианте.

      Вход  в режим SLEEP осуществляется командой SLEEP. По этой команде, если WDT разрешен, то он сбрасывается и начинает счет времени, бит "PD" в регистре статуса (f3) сбрасывается, бит "TO" устанавливается, а встроенный генератор выключается. Порты ввода/вывода сохраняют состояние, которое они имели до входа в режим SLEEP. Для снижения потребляемого тока в этом режиме, ножки на вывод должны иметь такие значения, чтобы не протекал ток между кристаллом и внешними цепями. Ножки на ввод должны быть соединены внешними резисторами с высоким или низким уровнем, чтобы избежать токов переключения, вызываемых плавающими высокоомными входами. То же и про RTCC. Ножка /MCLR должна быть под напряжением Vihmc.  
 
 
 
 
 
 
 
 

Выход параметров за данные пределы может  привести к повреждению микросхемы. Работа кристалла на предельно допустимых значениях в течение длительного  времени повлияет на его надежность.

Область ОЗУ организована как 128 х 8. К ячейкам ОЗУ можно адресоваться прямо или косвенно, через регистр указатель FSR (04h). 
Это также относится и к EEPROM памяти данных-констант.

      В регистре статуса (03h) есть биты выбора страниц, которые позволяют обращаться к четырем страницам будущих  модификаций этого кристалла. Однако для PIC16F84 память данных существует только до адреса 02Fh. Первые 12 адресов используются для размещения регистров специального назначения. Регистры с адресами 0Ch-2Fh могут быть использованы, как регистры общего назначения, которые представляют собой статическое ОЗУ. Некоторые регистры специального назначения продублированы на обеих страницах, а некотрые расположены на странице 1 отдельно. Когда установлена страница 1, то обращение к адресам 8Ch-AFh фактически адресует страницу 0. К регистрам можно адресоваться прямо или косвенно. В обоих случаях можно адресовать до 512 регистров.

      Watchdog таймер представляет собой полностью  независимый встроенный RC генератор,  который не требует никаких  внешних цепей. Он будет работать, даже если основной генератор остановлен, как это бывает при исполнении команды SLEEP. Таймер вырабатывает сигнал сброса. Выработка таких сбросов может быть запрещена путем записи нуля в специальный бит конфигурации WDTE. Эту операцию производят на этапе программирования  микросхем.

      Номинальная выдержка WDT составляет 18 мс (без использования  делителя). Она зависит от температуры, напряжения питания, от особенностей типов  микросхем. Если требуются большие  задержки, то к WDT может быть подключен  встроенный делитель с коэффициентом деления до 1:128; который программируется путем записи в регистр OPTION. Здесь могут быть реализованы выдержки до 2.5 секунд. 
Команды "CLRWDT" и "SLEEP" обнуляют WDT и делитель, если он подключен к WDT. Это запускает выдержку времени сначала и предотвращает на некоторое время выработку сигнала сброс. Если сигнал сброса от WDT все же произошел, то одновременно обнуляется бит "TO" в регистре статуса (f3). В приложениях с высоким уровнем помех, содержимое регистра OPTION подвержено сбою. Поэтому регистр OPTION должен обновляться через равные промежутки времени. Следует учесть, что наихудшей комбинацией является: Vdd=min, температура=max и max коэффициент деления делителя,- это приводит к самой большой выдержке времени, она может достигать нескольких секунд.

      Также в устройстве будет использован  цифро-буквенный индикатор с высотой  цифр 7,5 мм из семи сегментов с децимальной  точкой АЛС324А, его графическое изображение  приведено на рисунке 4.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.Разработка  схемы электрической принципиальной 
 

      Применение  микроконтроллеров PIC16F84 приводит к резкому уменьшению размеров устройства потребляемой мощности и количества используемых элементов. При разработке устройств на микроконтроллерах  разработчику электронной схемы  необходимо выбрать частоту тактового генератора для поставленной задачи и следить чтобы  максимальная нагрузка на порты ввода вывода не превышала допустимую.

      Кристаллы PIC16F84 могут работать с четырьмя типами встроенных генераторов. Пользователь может запрограммировать два конфигурационных бита (FOSC1 и FOSC0) для выбора одного из четырех режимов: RC, LP, XT, HS. Кристаллы PIC16... могут также тактироваться и от внешних источников. Генератор, построенный на кварцевых или керамических резонаторах, требует периода стабилизации после включения питания. Для этого, встроенный таймер запуска генератора держит устройство в состоянии сброса примерно 18 мс после того, как сигнал на /MCLR ножке кристалла достигнет уровня логической единицы. Таким образом, внешняя цепочка RC , связанная с ножкой /MCLR во многих случаях не требуется.

Встроенные  генераторы работоспособны при определенных номиналах питающего напряжения:

При частотах ниже 500 кГц, внутренний генератор может  генерировать сбойный импульс на гармониках, когда переключается  бит 0 порта A. Этого не происходит при  использовании внешнего генератора или при встроенном RC генераторе. PIC16F84-XT, -HS или -LP требуют подключения кварцевого или керамического резонатора к выводам OSC1 и OSC2. Маркировка следующая: XT - стандартный кварцевый генератор, HS - высокочастотный кварцевый генератор, LP - низкочастотный генератор для экономичных приложений. Резистор Rs может потребоваться для генератора "HS", особенно при частотах ниже 20 МГц для гашения гармоник. Он также может потребоваться в режиме XT с резонатором типа AT strip-cut. Необходимые значения конденсаторов для разных частот приведены в таблице.

      Более высокая емкость будет увеличивать  стабильность генератора, но также  будет увеличивать время запуска. Значения приведены для ориентировки. В режимах HS и XT, чтобы избежать гармоник может потребоваться последовательный резистор Rs.

Таблица    Выбор конденсатора для кварцевого генератора

      Ввод  информации для управления электронными часами осуществляется через 2 кнопки подключенных к портам RB0 и RA0 микроконтроллера. Схема подключения показана на рисунке 6. Меры по предотвращению дребезга контактов могут реализоватся програмным метадом. Сопротивление резисторов выбирается  из расчета протикания наименьшего  тока  необходимого для фиксации логической 1 на входах микрокантроллера при неактивных позициях кнопок и в данном случае составляют 10 Ком.  

      Рисунок 6 . Подключение клавиатуры управления 

      Рисунок 7. Схема подключения устройства индикации

      Также в устройстве присутствует блок индикации состоящий из 4-х индикаторов АЛС324А которые управляются микропроцессором через токоограничивающие резисторы R4...R10 номеналом 180 ом. Индикация осуществляется динамическим способом т.е вывод осуществляется по порядку 1,2,3,4 - индикатор по 10мс на каждый индикатор. Схема подключения индикаторов показана на рисунке 7.

       Электрическая принципиальная схема  устройства приведена на чертеже  1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.Разработка  программного обеспечения 
 

      При разработке и отладке программы была использована бесплатная программа Mplab предоставляемая фирмой Microchip.

      MPLAB - это интегрированная среда разработки (IDE) для семейства микроконтроллеров  PICmicro фирмы Microchip Technology Incorporated. MPLAB позволяет  писать, отлаживать и оптимизировать программы для Ваших разработок. MPLAB включает текстовый редактор, симулятор (виртуальный отладчик), менеджер проектов и поддерживает эмуляторы (внутрисхемные отладчики) MPLAB-ICE и PICMASTER , программаторы PICSTART Plus и PRO MATE II и другие средства и инструменты разработок фирмы Microchip и других фирм.

Инструментальные  средства MPLAB, организованные как ниспадающие  меню и определяемые быстрые клавиши, позволяют:- ассемблировать, компилировать  исходный текст;- отлаживать логику работы, наблюдая с помощью симулятора или, в реальном времени, с эмулятором MPLAB-ICE ;- просматривать переменные в окнах просмотра;- программировать кристаллы с помощью программаторов PICSTART Plus или PRO MATE II- и многое другое. 

      Рисунок 8. Блок схема программы 
 
 

      MPLAB работает под Microsoft Windows 3.1x, Windows 95, 98, NT, 2000 (начиная с версии 5.00.00). Правда  не все дополнительное оборудование, такое как внутрисхемные эмуляторы  и программаторы будет функционировать  под всеми операционными системами. Для более подробного описания обращайтесь к специализированной литературе и техническим описаниям фирмы Microchip.

      Описание  программы можно найти на интернет сайте фирмы Microchip

      Блок  схема разрабатываемой программы  приведена на рисунке 8.Она состоит из блока началиных установок в который входят процедуры обнуления переменных используемых в программе, установки направления портов, установки нужного коэффициента предделителя, тест работоспособности индикаторов. Блока вывода на идикацию в катором осуществляется преодразование двоичного кода в код семисегментных индикаторов, формируются необходимые задержки времени для динамической индикации, также контроль вывода выбронного пользователем режима индикации (режим часы : минуты и минуты : секунды ). Участок программы сканирования клавиатуры отвечает за выбор режима индикации и установку времени вводимых с клавиатуры, в следующей последовательности в режиме (часы : минуты ) кропкой установки времени может быть изменено только значение раздела часов а в режиме (минуты : секунды) только минут.

      Самая ответственная часть программы  это обработка прерывания полученного  от встроенного таймера микроконтроллера от неё зависит точность хода часов  т.е ошибки в этой части программы  приводят к значительному отстованию или опережению хода часов тамже может быть осуществлена точная подстройка. Рассмотрим получение интервала в 1 секунду с помощью таймера, при конфигурации таймера его надо подключить к внутреннему генератору который по заданию вырабатывает частоту 4,00 Мгц после такого подключения в данном микроконтроллере на таймер будет подаватся частота генератора (Fг)/4 и будет равна 1000000 гц с помощью встроенного предделителя она делится на 64 и на таймер приходит уже 15625 гц. После этого нам необходимо разделить это число на такоеже чтобы получить частоту колебаний в 1гц. Из за небольшой разрядности таймера (8) эта процедура делается в два этапа длем на 125 и еще раз на столько же. Сразу после этого прибавляем 1 к регистру секунд (в программе sek).Результат приведен ниже :

                  1. F(г)=4 мГц/4=1000000

                  2. 1000000/64=15625

                  3. 15625/125=125

                  4. 125/125=1 Гц      

      LIST    p=16F84A  ; указатель процессора

include <p16F84A.inc>

      org 0x00  ; Вектор сброса

Goto Start

;***************************************************************