СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЯ

1. Исходные данные к проекту: База данных сервера сбора диагностической информации. Время автономной работы 15 месяцев (период регистрации 12 часов). Напряжение питания от сети 220В. Водный, циркуляционный и воздушный насосы. Датчики температуры.


1.1. Схемотехническая часть: Разработка структурной схемы взаимодействия, структурной схемы, функциональной схемы и принципиальной схемы контроллера системы очистки. Взаимодействие микроконтроллера MSP430F149 с такими элементами как водный, циркуляционный и воздушные насосы, флеш – памяти, источника питания датчиков температуры и др. элементов платы.
1.2. Программная часть:
Программа предназначена для прошивки микроконтроллера MSP430F149 и обеспечивает следующие функции:
- включение и выключение водного, циркуляционного и воздушных насосов;
- сбор и обработка данных с аналоговых датчиков;
- сохранение собранных данных в энергонезависимую память;
- периодическую передачу данных на сервер;
- контроль состояния батареи питания;
Программа использует модульный принцип построения, написана на языке программирования Си++ и скомпилирована для загрузки в микроконтроллер в программе IAR Embedded Workbench версии 4.31.
1.3. Содержание расчетно-пояснительной записки: Введение. Анализ и описание существующих решений и необходимости разработки данного проекта. Электрическая часть. Программная часть. Заключение.
1.4. Содержание графической части проекта: 1. Структурная схема взаимодействия всей системы очистки. 2. Структурная схема контроллера системы очистки. 3. Функциональная схема контроллера системы очистки.
4. Принципиальная схема контроллера системы очистки. 5. Блок схема алгоритма.





СОДЕРЖАНИЕ
ЗАДАНИЕ НА ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ 2
АННОТАЦИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 8
1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ 10
2. СХЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 12
2.1. Структурная схема системы очистки 13
2.2. Структурная схема контроллера системы очистки 14
2.3. Функциональная схема контроллера системы очистки 15
2.3.1. Модуль контроллера 15
2.3.2. Модуль отстойника 16
2.3.3. Модуль усреднителя 16
2.3.4. Модуль циркуляционного насоса 17
2.3.5. Модуль аэротенка 18
2.3.6. Модуль водяного насоса 18
2.3.7. Модуль воздушного насоса 19
2.4. Принципиальная схема контроллера системы очистки 20
2.4.1. Модуль микроконтроллера MSP430F149IPM 20
2.4.1.1. Архитектура 20
2.4.1.2. Гибкая система тактирования 21
2.4.1.3. Встроенная эмуляция 22
2.4.1.4. Адресное пространство 23
2.4.1.5. Flash-память программ 24
2.4.1.6. ОЗУ 24
2.4.1.7. Периферийные модули 24
2.4.1.8. Организация памяти 25
2.4.3. Модуль батареи электропитания 27
2.4.4. Модуль схемы сброса и синхронизации 27
2.4.5. Модуль стабилизатора 27
2.4.6. Модуль датчика температуры 28
2.4.7. Модуль включения и выключения насосов 29
2.5. Заключение по схемотехнической части 30
3. ПРОГРАММНАЯ ЧАСТЬ 31
3.1. Функциональное назначение 31
3.2. Проектирование системы 31
3.3. Проектирование программной части 33
3.3.1. Переключение потоков 34
3.3.2. Взаимодействие между потоками 35
3.3.3. Основные характеристики входных и выходных данных 35
3.4. Схема главного алгоритма 36
3.5. Заключение по программной части 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 38
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 39
ПРИЛОЖЕНИЕ 40





2. СХЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Схемотехническая часть представляет собой определение системы взаимодействия разрабатываемого устройства, его структурной схемы и набора модулей устройства, составляющих ее, разделение их на аппаратные и программные.
На основании технического задания, контроллер системы очистки должен быть выполнен из таких основных блоков, как управляющего микроконтроллера, водного, циркуляционного и воздушных насосов, датчиков температуры, первичного и вторичного отстойника, усреднителя, аэротенка, цеха обезвоживания, ПК.
В дальнейшем нам необходимо будет построить структурную схему взаимодействия системы работы разрабатываемого устройства, затем построить саму структурную схему контроллера системы очистки и провести описание и исследование каждого основного блока устройства.

2.1. Структурная схема системы очистки
Разработка структурной схемы системы основывается на данных технического задания. На рис. 2.1. представим структурную схему взаимодействия системы работы, разрабатываемого устройства контроллера системы очистки сточных промышленных вод. Здесь представлено как происходит система очистки промышленных сточных вод.



















2.2.
2.2. Структурная схема контроллера системы очистки
На основании технического задания и структурной схемы взаимодействия устройства можно построить структурную схему контроллера системы очистки, представленную на рис. 2.2.


























2.3. Функциональная схема контроллера системы очистки
Разработка функциональной схемы основывается на структурной схеме устройства, на требованиях технического задания и заключается в выборе принципов реализации ее модулей.
Рассмотрим каждый модуль подробно:

2.3.1. Модуль контроллера
Для модуля микроконтроллера необходимо определить требования на его архитектуру, в соответствии с заданием и структурной схемой. Так, в нашем случае микроконтроллер должен содержать таймер, контроллер обработки внешних прерываний, охранный таймер. Все современные микроконтроллеры имеют встроенный тактовый генератор с внешней времязадающей цепью. Использование варианта с полностью встроенным тактовым генератором также привлекательно, однако номенклатура таких устройств ограничена. На основании анализа структурной схемы получим, что количество внешних линий ввода/вывода должно быть не менее 30. Поэтому не будет как таковой шины адреса, данных, управления. Будет одна системная шина. В нашем распоряжении есть шесть портов, представляющие собой 8-ми разрядные двунаправленные порты, по которым микроконтроллер будет связываться с подключенными к нему устройствами. Остальные внешние линии ввода/вывода предназначены для того, что организовать для микроконтроллера источник тактовых импульсов, источник питания. Также необходима схема сброса для установки всего контроллера в исходное состояние.






2.3.2. Модуль отстойника





Рис. 2.3.1. Схема модуля отстойника
1 - входной лоток, 2 – отстойная камера, 3 – выходной лоток, 4 – приямок.









Рис. 2.3.2. Схема модуля усреднителя
1 – распределительный лоток, 2 –водоотводный канал, 3 –сборные лотки, 4 – глухая перегородка, 5 – вертикальные перегородки, 6 – подвод воды.


2.3.5. Модуль аэротенка






Рис. 2.3.3. Схема модуля аэротенка


2.3.6. Модуль водяного насоса
В качестве водяного насоса используется мотопомпа для грязной воды.

для системы очистки загрязненных вод, осушения бассейнов, водоемов, колодцев.

2.3.7. Модуль воздушного насоса
Для подачи и распределения воздуха в усреднитель и аэротенк используется


2.4. Принципиальная схема контроллера системы очистки
Разработка принципиальной схемы основывается на функциональной схеме устройства и заключается в выборе конкретной элементной базы, необходимых электрических расчётов элементов. Выбор элементов осуществляется по справочникам, фирменным описаниям, книгам и т.д.

2.4.1.Модуль микроконтроллера MSP430F149IPM
2.4.1.1. Архитектура
Микропроцессор MSP430F149IPM предназначен для управления работой устройства по программе, помещенной в постоянную память микропроцессора. Подключение устройства к компьютеру для программирования и отладки программы осуществляется через JTAG разъем.



представлена принципиальная схема включения микроконтроллера MSP430F149IPM с его обвязкой.























Рис. 2.4.1.9. Принципиальная схема включения микроконтроллера MSP430F149IPM с его обвязкой

2.4.2.Модуль батареи электропитания
В качестве источника электропитания используются две параллельно соединенные литиевые батареи ER 18505 общей емкостью 6,4 А*часа или одна батарея EF184059 емкостью 6,8 А*часа.

2.4.3Модуль схемы сброса и синхронизации
При выборе схемы сброса необходимо обратить внимание на то, чтобы длительность импульса, генерируемого схемой по включению питания, была
больше длительности, требуемой для сброса микроконтроллера. Кроме того, чтобы cбросить устройство, необходимо подать сигнал лог.1 на время двух машинных тактов. В это время генератор сбросит устройство.
На рис. 2.4.4. представлена схема сброса микроконтроллера MSP430F149IPM.







Рис. 2.4.3. Схема сброса микроконтроллера MSP430F149IPM

2.2.4.Модуль стабилизатора
Стабилизатор предназначен для выработки стабилизированного напряжения 3,3В из номинального напряжения литиевой батареи для электропитания микроконтроллера. В качестве стабилизатора используется микросхема MC78LC33NTR. На рис. 2.4.4. представлена схема включения стабилизатора.







Рис. 2.4.4.. Схема включения стабилизатора MC78LC33NTR

Особенности MC78LC33NTR:
- Выходная мощность – 3.3 В;
- Температура – от - 30°С до + 80°C;
- Корпус – SOT – 23.

2.4.5.Модуль датчика температуры







Рис. 2.4.5. Схема подключения датчика температуры LM19C

В качестве датчика температуры подобран LM19C. Используется в качестве слежения температурного состояния водных и воздушных насосов.
Особенности LM19C :
- Температурный диапазон: -55…1300 С.
- Питание: 2.4…5.5 В.
-Ток потребления: 10 мкА.
- Чувствительность: -11.7 мВ/0С.

2.4.6.Модуль включения и выключения насосов


Рис. 2.4.6. Схема включения и выключения насосов



2.5. Заключение по схемотехнической части
В данной части проекта была проведена разработка схемотехнической части, в которой было проведено определение системы взаимодействия разрабатываемого устройства, его структурной, функциональной и принципиальной схем и набора модулей устройства, составляющих ее.
На основании технического задания, контроллер системы очистки был выполнен из таких основных блоков, как управляющего микроконтроллера, водного, циркуляционного и воздушных насосов, датчиков температуры, первичного и вторичного отстойника, усреднителя, аэротенка, цеха обезвоживания, ПК.
Схемотехническая часть является самой основополагающей главой в дипломном проекте в плане первых разработок.



Программные модули определяются на основе анализа требований пользователя и функциональной спецификации. Будем представлять программную часть в виде структуры задачи/состояния.
Первый этап – задачи.
В соответствии с техническим заданием и анализом функциональной схемы выделим следующие задачи:
1. Управляющая программа. Данная задача, на основании сообщений от других задач, осуществляет переключение режима работы контроллера системы очистки.
2. Съем данных с АЦП.
3. Управление водяным насосом.
4. Управление воздушными насосами.
5. Управление циркуляционным насосом.
6. Управление схемой сброса.
7. Отсчет времени.

На рис. 3.2. приведена диаграмма задач контроллера системы очистки.









Рис. 3.2. Диаграмма задач контроллера системы очистки


3.3. Проектирование программной части
Как говорилось в пункте 3.2. для малых систем небольшой сложности микроконтроллеров нашла широкое применение реализация программного обеспечения по типу «суперпетля» и одна из технологий разработки ПО для таких систем – «задачи/состояния».
На этом этапе проектирования программное обеспечение в виде диаграмм потоков. Состав потоков, входящих в «суперпетлю», определяется диаграммой задач и может иметь вид, изображенный на рис. 3.2. Такой вид имеет программное обеспечение в случае одинакового приоритета у всех потоков.
Второй этап проектирования – представление программного обеспечения в виде диаграммы потоков. Приоритетное планирование в случае реализации программного обеспечения по типу «суперпетля» осуществляется через ряд высокоприоритетных потоков, представляющих собой подпрограммы обработки прерываний и последовательно выполняемых в фоновом режиме потоков с одинаково низким приоритетом, образующих «суперпетлю». Система прерываний заставит процессор переключаться при необходимости от выполнения низкоприоритетных фоновых потоков к высокоприоритетным. В отсутствие прерываний последовательно выполняются потоки, помещенные в общий цикл.
Для нашего случая высокоприоритетными следует реализовать три потока: «Обработка данных на насосы», «Обработка данных от насосов» и «Отчет времени». Потоки «Обработка данных на насосы» и «Обработка от насосов» должны активизироваться сразу по началу работы этих насосов. Реализация их в подпрограммы обработки внешнего прерывания позволит задать им необходимый приоритет. Поток «Отсчет времени» служит для формирования временных задержек путем подсчета импульсов таймера. Реализация этого потока в виде подпрограммы обработки прерывания позволит активизировать его только в моменты переполнения таймера.
На рис. 3.3. представлена организация полученного программного обеспечения.











Рис. 3.3. Организация ПО «суперпетля» с приоритетным планированием
На этом этапе необходимо решить вопросы, связанные с механизмами переключения потоков и взаимодействия между ними.

3.3.1. Переключение потоков
Активизация высокоприоритетных потоков осуществляется по аппаратным прерываниям от датчиков и от таймера.
Переключение потоков фонового цикла осуществляется в режиме без вытеснения, т.е. каждый поток сам передает управление следующему потоку. Необходимо, чтобы процессор внутри потока не был занят длительное время. Также предполагается, что алгоритм каждого потока не имеет блокирующих состояний, которые привели бы к непредсказуемо долгому нахождению в выполняемом потоке.
Циклическое переключение потоков можно организовать при помощи конструкции while (1) —/* выполнять непрерывно*/;
while (1) /* выполнять непрерывно*/
{
поток 1;
…
поток n;
}
3.3.2. Взаимодействие между потоками
Взаимодействие между потоками подразумевает доступность дан¬ных, сформированных в одном потоке, другим потокам, а также синхронизацию работы различных потоков.
В простейшем случае пользователю самому следует организовать данный механизм.
Данные между потоками можно передавать с помощью глобальных переменных, а также посредством вызова функций.
Для устранения проблем искажения данных, связанных с приоритет¬ным прерыванием потоков, используют следующие правила проектиро¬вания:
• выделить и защитить критические области;
• выделить и изолировать все передачи данных между потоками.

3.3.3. Основные характеристики входных и выходных данных
Входными данными для программы являются:
- информация, записанная в энергонезависимой памяти устройства.
Выходными данными программы являются:
- информация, передаваемая на сервер сбора данных;
- включение и выключение насосов;
- служебная информация, хранимая в энергонезависимой памяти устройства.

3.4. Схема главного алгоритма
На рис. 3.4. представлена блок – схема главного алгоритма.






















Рис. 3.4. Блок – схема главного алгоритма
3.5. Заключение по программной части
В данной части проекта было проведено ознакомление с функциональным назначением, схемой алгоритма, описанием логики и условий применения программы для контроллера системы очистки.