Разработка устройств на основе ARDUINO
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
АО МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Ансабаев Т.А
Разработка устройств на основе ARDUINO
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Специальность 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Алматы 2019
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
АО МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
Допущен к защите:
Заведующий кафедрой
PhD, ассист.профессор
___________Е.А. Дайнеко
_____ ___________2019г.
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Тема проекта: Разработка устройств на основе ARDUINO
Кодовый замок на основе Arduino
по специальности 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Студент:
гр. РЭТ-1501 Т.А.Ансабаев
____ ________2019 г.
_____________
(подпись)
Научный руководитель:
Сениор-лектор С.П.Луганская
____ ________2019 г.
__________
(подпись)
Рецензент:
Доцент.кафедры Радиотехника и телекоммуникации КазАТК им М.Тынышпаева PhD, А.К.Оразымбетова
____ ________2019 г.
Алматы 2019
АО Международный Университет Информационных Технологий
Факультет Информационных Технологий
Кафедра Радиотехника, Электроника и Телекоммуникации
Специальность 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Задание на дипломный проект
Ансабаев Тынысбек Асхатович
Тема проекта: Разработка устройств на основе ARDUINO
Утверждено приказом № МУИТ от __ ______________ 201__ г.
Срок сдачи студентом законченного проекта 1 июля 2019 г.
Исходные данные к проекту: светодиод - 2 В, arduino - uno, резистор - 100 кОм, микроконтроллер - 1, кнопки - 2, панель с контактными гнездами - 1, пьезопреобразователь звука - 1,
Содержание расчетно - пояснительной записки перечень подлежащих разработке вопросoв:
1. Общие сведения о микроконтроллерах
2. Электронные компоненты и их свойства
3. Конструкторская часть
4. Экономическое обоснование дипломного проекта
5. Охрана труда и промышленной экологий
Лазерный CD диск с текстом дипломного проекта и приложениями:
1. Пояснительная записка к дипломному проектированию.
2. Презентация.
Консультанты по проекту, с указанием относящихся к ним разделов проекта
Раздел
Консультант
Подпись, дата
Задание выдал
Задание принял
Экономическое обоснование ДП
и.о.профессор, к.э.н.,
Бердыкулова Г.М.
ОТ и ПЭ
Ассистент-
профессор, PhD
Малгаждарова М.К.
Нормоконтроль
И.о. ассоц-профессор, к.т.н. Жаксылык А.
Дата выдачи задания: ____ _____________2018 г.
Руководитель ___________________________________ ___ С.П.Луганская
(подпись)
Задание принял к исполнению_________________________ _А.Т.Ансабаев
(подпись)
Календарный план выполнения дипломного проекта
Студент ______ группа ________ курс _____
Международный Университет Информационных Технологий
___________________________________ _________________________
(Ф.И.О)
Тема:___________________________________ ________________________
(тема дипломного проекта)
___________________________________ ________________________
№
Наименование этапов дипломного проекта (работы)
Срок выполнения этапов проекта (работы)
Примечание
1.
Составление графика написания дипломной работы. Представление на кафедру
Ноябрь
2.
Сбор, изучение, обработка, анализ и обобщение данных
Ноябрь-Декабрь
3.
Составление и представление научному руководителю.
Введение
Глава 1
Глава 2
Глава 3
Глава 4
Глава 5
Заключение
Январь-Февраль
4.
Доработка дипломной работы с учетом замечаний консультанта
Март-Апрель
5.
Подача заполненного дипломного проекта руководителю ДП
15 Апреля
6.
Отчетность по дипломной работе на семинарах кафедры
21-25 Января
5-16 Февраля,
1-5 Апреля
7.
Предзащита
8-12 Апреля,
13-17 Мая
20-23 Мая
8.
Предоставление ДП на утверждение рецензента
22 Мая - 5 Июня
9.
Составление доклада для ГАК
25 Мая - 8 Июня
10.
Презентация ДП для ГАК
1 Июля - 6 Июля
Руководитель___________________________________ __________ С.П.Луганская
(подпись)
Задание принял к исполнению_________________________ ______ Т.А.Ансабаев
(подпись)
Дата выдачи задания ___ ___________ 2019
АҢДАТПА
Бұл дипломдық жобада келесі талаптарды ескере отырып, микроконтроллердегі адамдарды электронды есептеу құрылғысын әзірлеу қарастырылады:
-схеманың қарапайымдылығы (компоненттердің ең аз саны);
-функционалдық қанықтығы, реттелетін параметрлердің алуан түрлілігі;
-желілік кернеудің броскаларына төзімділік, ұзақ уақыт;
-төмен энергия тұтыну.
Дипломдық жоба 5 тараудан тұрады.
Бірінші тарауда оқу құрылғысының жұмысын талдау қарастырылады.
Екінші тарау элементтік базаны таңдауға, сипаттауға және есептеуге, микроконтроллердің бағдарламалық қамтамасыз етілуін әзірлеуге арналған.
Үшінші бөлімде құрылғыны әзірлеу жүргізіледі: аппараттық құралдар мен бағдарламалық жасақтаманы әзірлеу және баптау.
Төртінші тарау құрылғыны әзірлеу шығындары есептелген экономикалық есептеулерге арналған.
Бесінші тарау еңбекті қорғау мен қоршаған ортаның экологиясын қарастырады. Бұл бөлімде жарықтандыру және бөлмедегі микроклимат, жұмыс орнына эргономикалық талаптар қарастырылған.
Дипломдық жоба 74 бет, 15 сурет, 10 кесте, 15 әдебиет көздерінен турады.
Түйінді сөздер: ARDUINO UNO, Atmega16 микроконтроллері, сенсор, дисплей, индикатор
АННОТАЦИЯ
В данном дипломном проекте рассматривается разработка устройства электронного подсчета людей на микроконтроллере, с учётом следующих требований:
- простота схемы (минимальное количество компонентов);
- функциональная насыщенность, многообразие регулируемых параметров;
- устойчивость к броскам сетевого напряжения, долговечность;
- низкое энергопотребление.
Дипломный проект состоит из 5-ти глав.
В первой главе рассматривается анализ работы считывающего устройства.
Вторая глава посвящена выбору, описанию и расчету элементной базы, разработке программного обеспечения микроконтроллера.
В третьем разделе проводится разработка устройства: разработка и отладка аппаратных средств и программного обеспечения.
Четвертая глава посвящена экономическим расчетам, где рассчитаны расходы на разработку устройства.
Пятая глава рассматривает охрану труда и экологию окружающей среды. В этой главе рассмотрены вопросы освещения и микроклимата в помещении, эргономические требования к рабочему месту.
Дипломный проект содержит: 74 страниц, 15 рисунков, 10 таблицы, 15 источников литературы.
Ключевые слова: ARDUINO UNO, микроконтроллер Atmega16, сенсор, дисплей, индикатор
ABSTRACT
In this diploma project is considered the development of electronic counting device people on the microcontroller, taking into account the following requirements:
- simplicity of the scheme (minimum number of components);
- functional richness, the diversity of adjustable parameters;
- resistance to mains voltage surges, durability;
- low power consumption.
The graduation project consists of 5 chapters.
The first Chapter discusses the analysis of the reader.
The second Chapter is devoted to the selection, description and calculation of the element base, the development of software microcontroller.
The third section is the development of the device: development and debugging of hardware and software.
The fourth Chapter is devoted to economic calculations, which calculated the cost of developing the device.
The fifth Chapter deals with health and environmental protection. This Сhapter discusses the issues of lighting and microclimate in the room, ergonomic requirements for the workplace.
Diploma project contains: 74 pages, 15 figures, 10 tables, 15 sources of literature.
Keywords: ARDUINO UNO, microcontroller Atmega16, sensor, display, indicator
СОДЕРЖАНИЕ
Обозначения и сокращения
... ... ... .
10
ВВЕДЕНИЕ
... ...
11
1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ
12
1.1
Структура и принцип работы МК
12
1.2
Процессорное ядро микроконтроллера
15
1.3
Основные этапы разработки
18
2
ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПАНЕНТЫ И ИХ СВОЙСТВА
23
2.1
Выбор микроконтроллеры
23
2.1
Интегральный источник опорного напряжении
38
2.2
Напряжение питания микроконтроллера
46
2.3
Разработка программного обеспечения микроконтроллера
53
3
КОНСТРУКТОРНАЯ ЧАСТЬ
31
3.1
Принцип работы кодового замка
31
3.2
Разработка и отладка аппаратных средств
39
3.3
Разработка и отладка программного обеспечения
43
3.4
Выбор микроконтроллера
44
4
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
54
4.1
Расчет расходов ПО для микроконтроллера
54
4.2
Расчет расходов на создание ПО
55
4.3
Расчет расходов на стадии производства изделия
59
5
ОХРАНА ТРУДА
62
5.1
Требования к производственным помещениям
62
5.2
Эргономические требования к рабочему месту
67
5.3
Режим труда
70
5.4
Расчет освещенности
71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
75
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
76
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
В данной работе были использованы следующие обозначения и сокращения:
ИК - Инфракрасный контроль;
ПП - Полупроводниковый диод;
ПЗУ - постоянные запоминающие устройства;
ОЗУ - оперативные запоминающие устройство;
ШИМ - широтно-импульсная модуляция;
ADS - протокол для пиринговых сетей;
АЦП - Аналого-цифровой преобразователь;
АЛУ - арифметико-логическое устройство;
EEPROM - электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство;
AGND - аналоговая земля;
DGND - цифровая земля;
МИС - монолитная интегральная схема ;
ППМ - приемопередающий модуль;
ППР - приемник предупреждения радара;
ПК - персональный компьютер
ВВЕДЕНИЕ
Кодовые замки являются эффективным средством предотвращения доступа посторонних лиц к охраняемым помещениям. К их достоинствам можно отнести простоту в обращении, надёжность, возможность обеспечить высокую степень защиты, относительную лёгкость смены кода (по сравнению со сменой обычного механического замка). Также немаловажными являются отсутствие необходимости изготовления ключей при предоставлении доступа большому количеству людей и невозможность физической потери ключа. Недостатком таких систем можно назвать возможность для злоумышленника подсмотреть код или подобрать его. Однако, при большой разрядности кода или наличии конструктивных особенностей, препятствующих подбору кода, таких как ограничение количества попыток или введение временной задержки между неудачными попытками, эта задача сильно затрудняется, поэтому последний недостаток нельзя назвать существенным. В данном курсовом проекте осуществляется разработка электронного кодового замка для наружной двери жилого дома с использованием микроконтроллера. Одним из требований является осуществление сигнализации при попытке подбора кода.
Рассмотрим специфику данной задачи. Кодовый замок должен обеспечивать управление исполнительным устройством электромеханического замка, то есть должен управлять подачей напряжения, обеспечивающего отпирание двери. Предполагается, что замок открывается наличием напряжения на исполнительном устройстве и закрывается его отсутствием. Поэтому в системе должен присутствовать датчик открытия двери, чтобы можно было определить, когда дверь открыта, и подача питания уже не требуется.
Когда пользователь вводит верный код, он должен быть извещён о том, что замок открыт, и дверь можно открывать, то есть должна присутствовать индикация факта открытия замка.
При последовательных попытках подбора кода замка жителям дома будет полезно узнать об этом, будь то злоумышленник, пытающийся проникнуть в помещение или жилец, который забыл или не в состоянии набрать верный код. Таким образом, система должна сигнализировать о попытке подбора кода после определённого числа неудачных попыток.
Кодовый замок представляет собой систему, отказ или сбои в работе которой могут привести к возникновению серьёзных трудностей и неудобств у владельца охраняемого помещения, поэтому система должна быть надёжной и обеспечивать стабильную работу.
Учитывая то, что замок устанавливается на наружной двери дома, он должен быть способен функционировать в широком диапазоне температур.
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ
Перед тем как начать работать с аппаратной вычислительной платформой Arduino, важно получить общие сведения о микроконтроллерах. Микроконтроллеры применяются, прежде всего, для автоматизации в метрологии, технике управления и автоматического регулирования. Преимущество микроконтроллеров состоит в том, что можно эффективно и с малыми затратами измерять и интерпретировать физические величины, чтобы потом принимать требуемые решения и выполнять необходимые действия.
В процессе миниатюризации функциональные блоки, которые в обычных компьютерных системах размещались в отдельных интегральных схемах (процессор, память, порты ввода вывода, таймеры, контроллеры прерываний и пр.) стали объединять на одном кристалле. Так появились микроконтроллеры или, как их принято называть в отечественной литературе, однокристальные ЭВМ. Такой подход позволил значительно сократить не только размеры встроенных систем, но также сложность и сроки их разработки, а следовательно и стоимость. Сокращение числа компонентов повлекло за собой повышение надежности готовых устройств. В некоторых случаях для построения полноценной встроенной системы достаточно одной микросхемы - микроконтроллера.
Основные требования, которые потребители предъявляют к управляющим блокам приборов (микроконтроллерам) можно сформулировать следующим образом:
низкая стоимость,
oo высокая надежность,
oo высокая степень миниатюризации,
oo малое энергопотребление,
oo работоспособность в жестких условиях эксплуатации;
oo достаточная производительность для выполнения всех требуемых функций.
В отличие от универсальных компьютеров к управляющим контроллерам, как правило, не предъявляются высокие требования к производительности и программной совместимости. Выполнение всех этих довольно противоречивых условий одновременно затруднительно, поэтому развитие и совершенствование техники пошло по пути специализации и в настоящее время количество различных моделей управляющих микроконтроллеров чрезвычайно велико.
0.1 Структура и принцип работы МК
Контроллер представляет собой, по сути, микрокомпьютер и содержит все присущие ему основные модули (См.рис. 1.1). Стандартные блоки каждого микроконтроллера - это центральный процессор (CPU), оперативная память (RAM), а также память программ (Flash-память) и внешние устройства.
Рисунок 1.1- Упрощенная структура микроконтроллера
В настоящее время выпускается целый ряд типов МК. Все эти приборы можно условно разделить на три основных класса:
oo 8-разрядные МК для встраиваемых приложений;
oo 16- и 32-разрядные МК;
oo цифровые сигнальные процессоры (DSP).
Наиболее распространенным представителем семейства МК являются 8-разрядные приборы, широко используемые в промышленности, бытовой и компьютерной технике. Они прошли в своем развитии путь от простейших приборов с относительно слаборазвитой периферией до современных многофункциональных контроллеров, обеспечивающих реализацию сложных алгоритмов управления в реальном масштабе времени. Причиной жизнеспособности 8-разрядных МК является использование их для управления реальными объектами, где применяются, в основном, алгоритмы с преобладанием логических операций, скорость обработки которых практически не зависит от разрядности процессора.
Росту популярности 8-разрядных МК способствует постоянное расширение номенклатуры изделий, выпускаемых такими известными фирмами, как Motorola, Microchip, Intel, Zilog, Atmel и многими другими. Современные 8-разрядные МК обладают, как правило, рядом отличительных признаков. Перечислим основные из них:
oo модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации;
oo использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Таким образом, МК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается;
oo использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей;
oo расширение числа режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК.
При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей. Структура модульного МК приведена на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 - Модульная организация микроконтроллера.
Процессорное ядро включает в себя:
oo центральный процессор;
oo внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления;
oo схему синхронизации МК;
oo схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д.
Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема, порты вводавывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В относительно простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой отдельный модуль с развитыми возможностями. В состав изменяемого функционального блока могут входить и такие дополнительные модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в составе МК с учетом протокола ВКМ. Данный подход позволяет создавать разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства.
0.2 Процессорное ядро микроконтроллера
Структура процессорного ядра МК
Основными характеристиками, определяющими производительность процессорного ядра МК, являются:
oo набор регистров для хранения промежуточных данных;
oo система команд процессора;
oo способы адресации операндов в пространстве памяти;
oo организация процессов выборки и исполнения команды.
С точки зрения системы команд и способов адресации операндов процессорное ядро современных 8-разрядных МК реализует один из двух принципов построения процессоров:
oo процессоры с CISC-архитектурой, реализующие так называемую полную систему команд (Complicated Instruction Set Computer);
oo процессоры с RISC-архитектурой, реализующие сокращенную систему команд (Reduced Instruction Set Computer).
CISC-процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации, давая разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции. В применении к 8-разрядным МК процессор с CISC-архитектурой может иметь однобайтовый, двухбайтовый и трехбайтовый (редко четырехбайтовый) формат команд. Время выполнения команды может составлять от 1 до 12 циклов. К МК с CISC-архитектурой относятся МК фирмы Intel с ядром MCS-51, которые поддерживаются в настоящее время целым рядом производителей, МК семейств НС05, НС08 и НС11 фирмы Motorola и ряд других.
В процессорах с RISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до минимума. Для реализации более сложных операций приходится комбинировать команды. При этом все команды имеют формат фиксированной длины (например, 12, 14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл (такт) синхронизации. Система команд RISC-процессора предполагает возможность равноправного использования всех регистров процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций. К МК с RISC-процессором относятся МК AVR фирмы Atmel, МК PIC16 и PIC17 фирмы Microchip и другие.
На первый взгляд, МК с RISC-процессором должны иметь более высокую производительность по сравнению с CISC МК при одной и той же тактовой частоте внутренней магистрали. Однако на практике вопрос о производительности более сложен и неоднозначен.
С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команды в современных 8-разрядных МК применяется одна из двух уже упоминавшихся архитектур МПС: фон-неймановская (принстонская) или гарвардская.
Основной особенностью фон-неймановской архитектуры является использование общей памяти для хранения программ и данных, как показано на рисунке 1.3.
Рисунок.1.3 - Структура МПС с фон-неймановской архитектурой.
Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана - упрощение устройства МПС, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того, использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость МПС с точки зрения разработчика программного обеспечения. Размещение стека в общей памяти облегчало доступ к его содержимому. Неслучайно поэтому фон-неймановская архитектура стала основной архитектурой универсальных компьютеров, включая персональные компьютеры.
Основной особенностью гарвардской архитектуры является использование раздельных адресных пространств для хранения команд и данных, как показано на рисунке 1.4.
Рисунок.1.4 - Структура МПС с гарвардской архитектурой.
Гарвардская архитектура почти не использовалась до конца 70-х годов, пока производители МК не поняли, что она дает определенные преимущества разработчикам автономных систем управления. Дело в том, что, судя по опыту использования МПС для управления различными объектами, для реализации большинства алгоритмов управления такие преимущества фон-неймановской архитектуры как гибкость и универсальность не имеют большого значения. Анализ реальных программ управления показал, что необходимый объем памяти данных МК, используемый для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ. В этих условиях использование единого адресного пространства приводило к увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации операндов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных.
Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Этот метод реализации операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы.
Большинство производителей современных 8-разрядных МК используют гарвардскую архитектуру. Однако гарвардская архитектура является недостаточно гибкой для реализации некоторых программных процедур. Поэтому сравнение МК, выполненных по разным архитектурам, следует проводить применительно к конкретному приложению.
1.3 Основные этапы разработки
Микропроцессорные системы на основе микроконтроллеров используются чаще всего в качестве встроенных систем для решения задач управления некоторым объектом. Важной особенностью данного применения является работа в реальном времени, т.е. обеспечение реакции на внешние события в течение определенного временного интервала. Такие устройства получили название контроллеров.
Перед разработчиком микропроцессорных систем стоит задача реализации полного цикла проектирования, начиная от разработки алгоритма функционирования и заканчивая комплексными испытаниями в составе изделия, а, возможно, и сопровождением при производстве. Сложившаяся к настоящему времени методология проектирования контроллеров может быть представлена так, как показано на рисунке 1.2.
В техническом задании формулируются требования к контроллеру с точки зрения реализации определенной функции управления. Техническое задание включает в себя набор требований, который определяет, что пользователь хочет от контроллера и что разрабатываемый прибор должен делать. Техническое задание может иметь вид текстового описания, не свободного в общем случае от внутренних противоречий.
На основании требований пользователя составляется функциональная спецификация, которая определяет функции, выполняемые контроллером для пользователя после завершения проектирования, уточняя тем самым, насколько устройство соответствует предъявляемым требованиям. Она включает в себя описания форматов данных, как на входе, так и на выходе, а также внешние условия, управляющие действиями контроллера.
Этап разработки алгоритма управления является наиболее ответственным, поскольку ошибки данного этапа обычно обнаруживаются только при испытаниях законченного изделия и приводят к необходимости дорогостоящей переработки всего устройства. Разработка алгоритма обычно сводится к выбору одного из нескольких возможных вариантов алгоритмов, отличающихся соотношением объема программного обеспечения и аппаратных средств(См. рис. 1.5).
Рисунок 1.4- Этапы разработки кодового замка
При этом необходимо исходить из того, что максимальное использование аппаратных средств упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие контроллера в целом, но сопровождается, как правило, увеличением стоимости и потребляемой мощности. При выборе типа микроконтроллеров учитываются следующие основные характеристики:
- разрядность;
- быстродействие;
- набор команд и способов адресации;
- требования к источнику питания и потребляемая мощность в различных режимах;
- объем ПЗУ программ и ОЗУ данных;
- возможности расширения памяти программ и данных;
- наличие и возможности периферийных устройств, включая средства поддержки работы в реальном времени (таймеры, процессоры событий и т.п.);
- возможность перепрограммирования в составе устройства;
- наличие и надежность средств защиты внутренней информации;
- возможность поставки в различных вариантах конструктивного исполнения;
- стоимость в различных вариантах исполнения;
- наличие полной документации;
- наличие и доступность эффективных средств программирования и отладки МК;
- количество и доступность каналов поставки, возможность замены изделиями других фирм.
Список этот не является исчерпывающим, поскольку специфика проектируемого устройства может перенести акцент требований на другие параметры МК.
Номенклатура выпускаемых в настоящее время МК исчисляется тысячами типов изделий различных фирм. Современная стратегия модульного проектирования обеспечивает потребителя разнообразием моделей МК с одним и тем же процессорным ядром. Такое структурное разнообразие открывает перед разработчиком возможность выбора оптимального МК, не имеющего функциональной избыточности, что минимизирует стоимость комплектующих элементов.
Однако для реализации на практике возможности выбора оптимального МК необходима достаточно глубокая проработка алгоритма управления, оценка объема исполняемой программы и числа линий сопряжения с объектом на этапе выбора МК. Допущенные на данном этапе просчеты могут впоследствии привести к необходимости смены модели МК и повторной разводки печатной платы макета контроллера. В таких условиях целесообразно выполнять предварительное моделирование основных элементов прикладной программы с использованием программно-логической модели выбранного МК.
На этапе разработки структуры контроллера окончательно определяется состав имеющихся и подлежащих разработке аппаратных модулей, протоколы обмена между модулями, типы разъемов. Выполняется предварительная проработка конструкции контроллера. В части программного обеспечения определяются состав и связи программных модулей, язык программирования. На этом же этапе осуществляется выбор средств проектирования и отладки.
После разработки структуры аппаратных и программных средств дальнейшая работа над контроллером может быть распараллелена. Разработка аппаратных средств включает в себя, разработку общей принципиальной схемы, разводку топологии плат, монтаж макета и его автономную отладку. На этапе ввода принципиальной схемы и разработки топологии используются, как правило, распространенные системы проектирования типа "ACCEL EDA" или "OrCad".
Содержание этапов разработки программного обеспечения, его трансляции и отладки на моделях существенно зависит от используемых системных средств. В настоящее время ресурсы 8-разрядных МК достаточны для поддержки программирования на языках высокого уровня. Это позволяет использовать все преимущества структурного программирования, разрабатывать программное обеспечение с использованием раздельно транслируемых модулей. Одновременно продолжают широко использоваться языки низкого уровня типа ассемблера, особенно при необходимости обеспечения контролируемых интервалов времени. Задачи предварительной обработки данных часто требуют использования вычислений с плавающей точкой, трансцендентных функций.
В настоящее время самым мощным средством разработки программного обеспечения для МК являются интегрированные среды разработки, имеющие в своем составе менеджер проектов, текстовый редактор и симулятор, а также допускающие подключение компиляторов языков высокого уровня типа Паскаль или Си. При этом необходимо иметь в виду, что архитектура многих 8-разрядных МК вследствие малого количества ресурсов, страничного распределения памяти, неудобной индексной адресации и некоторых других архитектурных ограничений не обеспечивает компилятору возможности генерировать эффективный код.
Для проверки и отладки программного обеспечения используются так называемые программные симуляторы, предоставляющие пользователю возможность выполнять разработанную программу на программно-логической модели МК. Программные симуляторы распространяются, как правило, бесплатно и сконфигурированы сразу на несколько МК одного семейства. Выбор конкретного типа МК среди моделей семейства обеспечивает соответствующая опция меню конфигурации симулятора. При этом моделируется работа ЦП, всех портов вводавывода, прерываний и другой периферии. Карта памяти моделируемого МК загружается в симулятор автоматически, отладка ведется в символьных обозначениях регистров.
Загрузив программу в симулятор, пользователь имеет возможность запускать ее в пошаговом или непрерывном режимах, задавать условные или безусловные точки останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров симулируемого МК.
Этап совместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени является самым трудоемким и требует использования инструментальных средств отладки. К числу основных инструментальных средств отладки относятся:
- внутрисхемные эмуляторы;
- платы развития (оценочные платы);
- мониторы отладки;
- эмуляторы ПЗУ.
Внутрисхемный эмулятор - программно-аппаратное средство, способное заменить эмулируемый МК в реальной схеме.
Внутрисхемный эмулятор - это наиболее мощное и универсальное отладочное средство, которое делает процесс функционирования отлаживаемого контроллера прозрачным, т.е. легко контролируемым, произвольно управляемым и модифицируемым.
Этап совместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени завершается, когда аппаратура и программное обеспечение совместно обеспечивают выполнение всех шагов алгоритма работы системы. В конце этапа отлаженная программа заносится с помощью программатора в энергонезависимую память МК, и проверяется работа контроллера без эмулятора.
2 ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ И ИХ СВОЙСТВА
Далее коротко опишем основные электронные компоненты и их назначение. Но получить практические навыки вам помогут только реальные эксперименты с электронными схемами.
2.1 Выбор микроконтроллера
Для проектирования устройства автоматического регулирования света постараемся выбрать относительно недорогой, простой и широко используемый микроконтроллер.
Все эти особенности можно отнести к микроконтроллерам корпорации ATMEL.
Корпорация ATMEL, является в настоящее время признанным мировым лидером в областях разработки, производства и маркетинга современных электронных компонентов.
At mega 16 обладает очень большим количеством самых разнообразных функций. Вот некоторые его характеристики:
- максимальная тактовая частота - 16 МГц
- большинство команд выполняются за один такт
- 32 8-битных рабочих регистра
- 4 полноценных 8-битных порта вводавывода
- два 8-битных таймерасчетчика и один 16-битный
- 10-разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)
- внутренний тактовый генератор на 1 МГц
- аналоговый компаратор
- интерфейсы SPI, I2C, TWI, RS-232, JTAG
- внутрисхемное программирование и самопрограммирование
- модуль широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
- 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением
- прогрессивная RISC архитектура
- 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл
- 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения
- Энергонезависимая память программ и данных
- 16 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash). Обеспечивает 1000 циклов стираниязаписи
Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки, программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя(См. рис. 2.1).
Рисунок 2.1 - Расположение выводов микроконтроллера Atmega 16
Расположение выводов микроконтроллера Atmega 16(См. рис. 2.2):
- встроенная периферия;
- два 8-разрядных таймерасчетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения;
- счетчик реального времени с отдельным генератором;
- четыре канала PWM;
- 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь;
- 8 несимметричных каналов;
- 7 дифференциальных каналов (только в корпусе TQFP);
- дифференциальных канала с программируемым усилением в 1, 10 или 200 крат (только в корпусе TQFP);
- байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс;
- специальные микроконтроллерные функции;
- сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания;
- встроенный калиброванный RC-генератор;
- внутренние и внешние источники прерываний;
- шесть режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby, Extended Standby и снижения шумов ADC;
- выводы IO и корпуса;
- 32 программируемые линии вводавывода;
- 40-выводной корпус PDIP и 44-выводной корпус TQFP;
Рабочие напряжения;
- 2,7 - 5,5 В (PIC 16F84);
Рабочая частота
- 0 - 8 МГц (PIC 16F84 )
Рисунок 2.2 - Функциональная схема микроконтроллера ATMega 16L
2.3 Светодиоды
Выпускают красные, желтые и зеленые светодиоды. При подключении важно обращать внимание на полярность. Минусовой (более короткий) вывод называется катодом. Положительный (более длинный) вывод - это анод (рис. 2.3). Внутри прозрачного корпуса светодиода видна структура, подобная чаше. Это держатель кристалла светодиода, который соединен с катодом. Вывод анода соединен с верхним контактом кристалла очень тонкой маленькой проволокой. Всегда обращайте внимание на полярность включения светодиода и никогда не подключайте прибор непосредственно к батарее или к контактам питания USB. Это может вывести светодиод из строя и даже повредить предохранительное сопротивление на экспериментальной плате(См. рис.2.3).
Рисунок 2.3 - Светодиод и его условное графическое обозначение
2.4 Резисторы
Для экспериментов подойдут пленочные резисторы с допуском 5%. Токопроводящий материал резистора нанесен на керамический сердечник и покрыт защитным лаком. Номинал и допуск резистора обозначают кодом из цветных колец, нанесенных на корпус (См. рис. 2.4). Значения сопротивления резисторов с допуском +-5% принадлежат ряду E24, причем каждая декада содержит 24 равноотстоящих значения. Вот значения нормального ряда E24:
1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1
Цветной код читается, начиная с кольца, которое расположено ближе к краю резистора. Первые оба кольца соответствуют двум цифрам, третье кольцо - это множитель значения сопротивления в омах. Четвертое кольцо указывает допуск(См. рис.2.4).
Рисунок 2.4 - Резистор и его условное графическое обозначение
2.5 Акустический пьезопреобразователь
Акустический пьезопреобразователь (См. рис. 2.5) может работать как простой маленький динамик, датчик или микрофон. Структура пьезопреобразователя похожа на дисковый керамический конденсатор, но диэлектрик дополнительно электрически заряжен. Вследствие этого возникает взаимосвязь между механическим и электрическим напряжением. Пьезоэлектрическим эффектом обладают кристаллы кварца. Еще пример - электрическая зажигалка, однако в ней генерируемое напряжение значительно выше, чем в нашем пьезоакустическом преобразователе.
Рисунок 2.5 - Пьезоакустический преобразователь и его условное обозначение
2.6 Монтажный провод
При помощи провода выполняются все подключения на нашей монтажной плате. Нарежьте маленькими кусачками-бокорезами или ножницами отрезки подходящей длины и снимите изоляцию с обоих концов. Не выбрасывайте использованные провода, они еще пригодятся.
2.7 Кнопка
Кнопка замыкает или размыкает электрическую цепь. В отличие от переключателя после отпускания она не остается в конечном положении, а возвращается в свое первоначальное положение. Наша кнопка имеет четыре вывода, причем два из них всегда соединены друг с другом.
2.8 Монтажная панель с контактными гнездами
На монтажной панели с контактными гнездами можно запросто собрать наши схемы без пайки. Контакты обозначены буквами от A до E и от F до J (См. рис. 2.8). Наша панель с контактными гнездами состоит из 20 столбцов и 10 рядов (от A до J). Полезно немного обрезать выводы компонента (3 мм) наискось так, чтобы получилось что-то вроде клина. Тогда комплектующие изделия легче вставить в контактные гнезда панели. Если все же возникают сложности со вставкой выводов, то для установки компонента лучше всего воспользоваться маленькими плоскогубцами.
Рисунок 2.8 - Монтажная панель с контактными гнездами Tiny
2.9 Экспериментальная плата Freeduino
Малогабаритная экспериментальная плата Freeduino функционально соответствует плате Arduino Duemilanove. Платформа Freeduino представляет собой версию бесплатного программного обеспечения, полностью совместимого с Arduino Duemilanove. Далее мы будем кратко называть их "микроконтроллер" и "плата микроконтроллера". Подключение между персональным компьютером и микроконтроллером AVR осуществляется через порт USB. В персональный компьютер передаются данные из нашей Arduino-программы. Плата служит как база для экспериментов с уже имеющимся аппаратным оборудованием. Еще для экспериментов потребуется маленькая панель с контактными гнездами на макетной плате, в которую вставляются комплектующие изделия и с помощью которых можно выполнять соединения проводами. В процессе экспериментов соединяют выбранные комплектующие и через USB-порт загружают подготовленные программы в микроконтроллер. Таким образом можно легко освоить назначение и свойства электронных компонентов и одновременно изучить основы метрологии и техники управления, а также программирование с Visual Basic Dot.Net и обращение с платформой Arduino. Все подключения платы Freeduino (См. рис.2.9) можно осуществить через разъемы. Светодиод "PWR" включения питания сигнализирует, что на плату микроконтроллера подается электропитание. Светодиод на плате Freeduino, который постоянно подключен к цифровому выводу 13 платы Arduino, обозначен символом "L". Провода и комплектующие изделия можно непосредственно вставлять в разъемы. Светодиоды с обозначением "TX" и "RX" показывают трафик последовательного интерфейса. В процессе обмена данными через UART-интерфейс светодиоды ритмично мигают.
Рисунок 2.9 - Экспериментальная плата Freeduino
Рисунок 2.10 - Принципиальная схема экспериментальной платы Freeduino
3 КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
3.1 Принцип работы кодового замка
Для нашего замка потребуются только две кнопки: кнопка SW1 (вывод 2) и кнопка SW2 (вывод 3) на экспериментальной плате. Для ввода кода нужно нажимать, в зависимости от цифры кода, например, на кнопку SW1 дважды и кнопку SW2 три раза. Нажатие кнопок будет подтверждаться при помощи красного светодиода, подключенного к выводу 4, и звукового пьезопреобразователя. Если код введен правильно, то на 5 секунд включается светодиод красного цвета (вывод 5). Если код набран с ошибкой, то можно очистить ввод данных более длительным нажатием на кнопку SW2. Об удалении сигнализируют мигающий светодиод, подключенный к выводу 7,и "пищалка". Вместо светодиода через транзистор можно присоединить устройство для автоматического открывания двери, и тогда получится настоящий кодовый замок. Монтаж схемы кодового замка показан на рис. 3.1
Рисунок 3.1 - Монтаж схемы кодового замка
Принцип работы кодирующего устройства основан на логическом ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
АО МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Ансабаев Т.А
Разработка устройств на основе ARDUINO
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Специальность 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Алматы 2019
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
АО МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
Допущен к защите:
Заведующий кафедрой
PhD, ассист.профессор
___________Е.А. Дайнеко
_____ ___________2019г.
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Тема проекта: Разработка устройств на основе ARDUINO
Кодовый замок на основе Arduino
по специальности 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Студент:
гр. РЭТ-1501 Т.А.Ансабаев
____ ________2019 г.
_____________
(подпись)
Научный руководитель:
Сениор-лектор С.П.Луганская
____ ________2019 г.
__________
(подпись)
Рецензент:
Доцент.кафедры Радиотехника и телекоммуникации КазАТК им М.Тынышпаева PhD, А.К.Оразымбетова
____ ________2019 г.
Алматы 2019
АО Международный Университет Информационных Технологий
Факультет Информационных Технологий
Кафедра Радиотехника, Электроника и Телекоммуникации
Специальность 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Задание на дипломный проект
Ансабаев Тынысбек Асхатович
Тема проекта: Разработка устройств на основе ARDUINO
Утверждено приказом № МУИТ от __ ______________ 201__ г.
Срок сдачи студентом законченного проекта 1 июля 2019 г.
Исходные данные к проекту: светодиод - 2 В, arduino - uno, резистор - 100 кОм, микроконтроллер - 1, кнопки - 2, панель с контактными гнездами - 1, пьезопреобразователь звука - 1,
Содержание расчетно - пояснительной записки перечень подлежащих разработке вопросoв:
1. Общие сведения о микроконтроллерах
2. Электронные компоненты и их свойства
3. Конструкторская часть
4. Экономическое обоснование дипломного проекта
5. Охрана труда и промышленной экологий
Лазерный CD диск с текстом дипломного проекта и приложениями:
1. Пояснительная записка к дипломному проектированию.
2. Презентация.
Консультанты по проекту, с указанием относящихся к ним разделов проекта
Раздел
Консультант
Подпись, дата
Задание выдал
Задание принял
Экономическое обоснование ДП
и.о.профессор, к.э.н.,
Бердыкулова Г.М.
ОТ и ПЭ
Ассистент-
профессор, PhD
Малгаждарова М.К.
Нормоконтроль
И.о. ассоц-профессор, к.т.н. Жаксылык А.
Дата выдачи задания: ____ _____________2018 г.
Руководитель ___________________________________ ___ С.П.Луганская
(подпись)
Задание принял к исполнению_________________________ _А.Т.Ансабаев
(подпись)
Календарный план выполнения дипломного проекта
Студент ______ группа ________ курс _____
Международный Университет Информационных Технологий
___________________________________ _________________________
(Ф.И.О)
Тема:___________________________________ ________________________
(тема дипломного проекта)
___________________________________ ________________________
№
Наименование этапов дипломного проекта (работы)
Срок выполнения этапов проекта (работы)
Примечание
1.
Составление графика написания дипломной работы. Представление на кафедру
Ноябрь
2.
Сбор, изучение, обработка, анализ и обобщение данных
Ноябрь-Декабрь
3.
Составление и представление научному руководителю.
Введение
Глава 1
Глава 2
Глава 3
Глава 4
Глава 5
Заключение
Январь-Февраль
4.
Доработка дипломной работы с учетом замечаний консультанта
Март-Апрель
5.
Подача заполненного дипломного проекта руководителю ДП
15 Апреля
6.
Отчетность по дипломной работе на семинарах кафедры
21-25 Января
5-16 Февраля,
1-5 Апреля
7.
Предзащита
8-12 Апреля,
13-17 Мая
20-23 Мая
8.
Предоставление ДП на утверждение рецензента
22 Мая - 5 Июня
9.
Составление доклада для ГАК
25 Мая - 8 Июня
10.
Презентация ДП для ГАК
1 Июля - 6 Июля
Руководитель___________________________________ __________ С.П.Луганская
(подпись)
Задание принял к исполнению_________________________ ______ Т.А.Ансабаев
(подпись)
Дата выдачи задания ___ ___________ 2019
АҢДАТПА
Бұл дипломдық жобада келесі талаптарды ескере отырып, микроконтроллердегі адамдарды электронды есептеу құрылғысын әзірлеу қарастырылады:
-схеманың қарапайымдылығы (компоненттердің ең аз саны);
-функционалдық қанықтығы, реттелетін параметрлердің алуан түрлілігі;
-желілік кернеудің броскаларына төзімділік, ұзақ уақыт;
-төмен энергия тұтыну.
Дипломдық жоба 5 тараудан тұрады.
Бірінші тарауда оқу құрылғысының жұмысын талдау қарастырылады.
Екінші тарау элементтік базаны таңдауға, сипаттауға және есептеуге, микроконтроллердің бағдарламалық қамтамасыз етілуін әзірлеуге арналған.
Үшінші бөлімде құрылғыны әзірлеу жүргізіледі: аппараттық құралдар мен бағдарламалық жасақтаманы әзірлеу және баптау.
Төртінші тарау құрылғыны әзірлеу шығындары есептелген экономикалық есептеулерге арналған.
Бесінші тарау еңбекті қорғау мен қоршаған ортаның экологиясын қарастырады. Бұл бөлімде жарықтандыру және бөлмедегі микроклимат, жұмыс орнына эргономикалық талаптар қарастырылған.
Дипломдық жоба 74 бет, 15 сурет, 10 кесте, 15 әдебиет көздерінен турады.
Түйінді сөздер: ARDUINO UNO, Atmega16 микроконтроллері, сенсор, дисплей, индикатор
АННОТАЦИЯ
В данном дипломном проекте рассматривается разработка устройства электронного подсчета людей на микроконтроллере, с учётом следующих требований:
- простота схемы (минимальное количество компонентов);
- функциональная насыщенность, многообразие регулируемых параметров;
- устойчивость к броскам сетевого напряжения, долговечность;
- низкое энергопотребление.
Дипломный проект состоит из 5-ти глав.
В первой главе рассматривается анализ работы считывающего устройства.
Вторая глава посвящена выбору, описанию и расчету элементной базы, разработке программного обеспечения микроконтроллера.
В третьем разделе проводится разработка устройства: разработка и отладка аппаратных средств и программного обеспечения.
Четвертая глава посвящена экономическим расчетам, где рассчитаны расходы на разработку устройства.
Пятая глава рассматривает охрану труда и экологию окружающей среды. В этой главе рассмотрены вопросы освещения и микроклимата в помещении, эргономические требования к рабочему месту.
Дипломный проект содержит: 74 страниц, 15 рисунков, 10 таблицы, 15 источников литературы.
Ключевые слова: ARDUINO UNO, микроконтроллер Atmega16, сенсор, дисплей, индикатор
ABSTRACT
In this diploma project is considered the development of electronic counting device people on the microcontroller, taking into account the following requirements:
- simplicity of the scheme (minimum number of components);
- functional richness, the diversity of adjustable parameters;
- resistance to mains voltage surges, durability;
- low power consumption.
The graduation project consists of 5 chapters.
The first Chapter discusses the analysis of the reader.
The second Chapter is devoted to the selection, description and calculation of the element base, the development of software microcontroller.
The third section is the development of the device: development and debugging of hardware and software.
The fourth Chapter is devoted to economic calculations, which calculated the cost of developing the device.
The fifth Chapter deals with health and environmental protection. This Сhapter discusses the issues of lighting and microclimate in the room, ergonomic requirements for the workplace.
Diploma project contains: 74 pages, 15 figures, 10 tables, 15 sources of literature.
Keywords: ARDUINO UNO, microcontroller Atmega16, sensor, display, indicator
СОДЕРЖАНИЕ
Обозначения и сокращения
... ... ... .
10
ВВЕДЕНИЕ
... ...
11
1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ
12
1.1
Структура и принцип работы МК
12
1.2
Процессорное ядро микроконтроллера
15
1.3
Основные этапы разработки
18
2
ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПАНЕНТЫ И ИХ СВОЙСТВА
23
2.1
Выбор микроконтроллеры
23
2.1
Интегральный источник опорного напряжении
38
2.2
Напряжение питания микроконтроллера
46
2.3
Разработка программного обеспечения микроконтроллера
53
3
КОНСТРУКТОРНАЯ ЧАСТЬ
31
3.1
Принцип работы кодового замка
31
3.2
Разработка и отладка аппаратных средств
39
3.3
Разработка и отладка программного обеспечения
43
3.4
Выбор микроконтроллера
44
4
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
54
4.1
Расчет расходов ПО для микроконтроллера
54
4.2
Расчет расходов на создание ПО
55
4.3
Расчет расходов на стадии производства изделия
59
5
ОХРАНА ТРУДА
62
5.1
Требования к производственным помещениям
62
5.2
Эргономические требования к рабочему месту
67
5.3
Режим труда
70
5.4
Расчет освещенности
71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
75
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
76
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
В данной работе были использованы следующие обозначения и сокращения:
ИК - Инфракрасный контроль;
ПП - Полупроводниковый диод;
ПЗУ - постоянные запоминающие устройства;
ОЗУ - оперативные запоминающие устройство;
ШИМ - широтно-импульсная модуляция;
ADS - протокол для пиринговых сетей;
АЦП - Аналого-цифровой преобразователь;
АЛУ - арифметико-логическое устройство;
EEPROM - электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство;
AGND - аналоговая земля;
DGND - цифровая земля;
МИС - монолитная интегральная схема ;
ППМ - приемопередающий модуль;
ППР - приемник предупреждения радара;
ПК - персональный компьютер
ВВЕДЕНИЕ
Кодовые замки являются эффективным средством предотвращения доступа посторонних лиц к охраняемым помещениям. К их достоинствам можно отнести простоту в обращении, надёжность, возможность обеспечить высокую степень защиты, относительную лёгкость смены кода (по сравнению со сменой обычного механического замка). Также немаловажными являются отсутствие необходимости изготовления ключей при предоставлении доступа большому количеству людей и невозможность физической потери ключа. Недостатком таких систем можно назвать возможность для злоумышленника подсмотреть код или подобрать его. Однако, при большой разрядности кода или наличии конструктивных особенностей, препятствующих подбору кода, таких как ограничение количества попыток или введение временной задержки между неудачными попытками, эта задача сильно затрудняется, поэтому последний недостаток нельзя назвать существенным. В данном курсовом проекте осуществляется разработка электронного кодового замка для наружной двери жилого дома с использованием микроконтроллера. Одним из требований является осуществление сигнализации при попытке подбора кода.
Рассмотрим специфику данной задачи. Кодовый замок должен обеспечивать управление исполнительным устройством электромеханического замка, то есть должен управлять подачей напряжения, обеспечивающего отпирание двери. Предполагается, что замок открывается наличием напряжения на исполнительном устройстве и закрывается его отсутствием. Поэтому в системе должен присутствовать датчик открытия двери, чтобы можно было определить, когда дверь открыта, и подача питания уже не требуется.
Когда пользователь вводит верный код, он должен быть извещён о том, что замок открыт, и дверь можно открывать, то есть должна присутствовать индикация факта открытия замка.
При последовательных попытках подбора кода замка жителям дома будет полезно узнать об этом, будь то злоумышленник, пытающийся проникнуть в помещение или жилец, который забыл или не в состоянии набрать верный код. Таким образом, система должна сигнализировать о попытке подбора кода после определённого числа неудачных попыток.
Кодовый замок представляет собой систему, отказ или сбои в работе которой могут привести к возникновению серьёзных трудностей и неудобств у владельца охраняемого помещения, поэтому система должна быть надёжной и обеспечивать стабильную работу.
Учитывая то, что замок устанавливается на наружной двери дома, он должен быть способен функционировать в широком диапазоне температур.
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ
Перед тем как начать работать с аппаратной вычислительной платформой Arduino, важно получить общие сведения о микроконтроллерах. Микроконтроллеры применяются, прежде всего, для автоматизации в метрологии, технике управления и автоматического регулирования. Преимущество микроконтроллеров состоит в том, что можно эффективно и с малыми затратами измерять и интерпретировать физические величины, чтобы потом принимать требуемые решения и выполнять необходимые действия.
В процессе миниатюризации функциональные блоки, которые в обычных компьютерных системах размещались в отдельных интегральных схемах (процессор, память, порты ввода вывода, таймеры, контроллеры прерываний и пр.) стали объединять на одном кристалле. Так появились микроконтроллеры или, как их принято называть в отечественной литературе, однокристальные ЭВМ. Такой подход позволил значительно сократить не только размеры встроенных систем, но также сложность и сроки их разработки, а следовательно и стоимость. Сокращение числа компонентов повлекло за собой повышение надежности готовых устройств. В некоторых случаях для построения полноценной встроенной системы достаточно одной микросхемы - микроконтроллера.
Основные требования, которые потребители предъявляют к управляющим блокам приборов (микроконтроллерам) можно сформулировать следующим образом:
низкая стоимость,
oo высокая надежность,
oo высокая степень миниатюризации,
oo малое энергопотребление,
oo работоспособность в жестких условиях эксплуатации;
oo достаточная производительность для выполнения всех требуемых функций.
В отличие от универсальных компьютеров к управляющим контроллерам, как правило, не предъявляются высокие требования к производительности и программной совместимости. Выполнение всех этих довольно противоречивых условий одновременно затруднительно, поэтому развитие и совершенствование техники пошло по пути специализации и в настоящее время количество различных моделей управляющих микроконтроллеров чрезвычайно велико.
0.1 Структура и принцип работы МК
Контроллер представляет собой, по сути, микрокомпьютер и содержит все присущие ему основные модули (См.рис. 1.1). Стандартные блоки каждого микроконтроллера - это центральный процессор (CPU), оперативная память (RAM), а также память программ (Flash-память) и внешние устройства.
Рисунок 1.1- Упрощенная структура микроконтроллера
В настоящее время выпускается целый ряд типов МК. Все эти приборы можно условно разделить на три основных класса:
oo 8-разрядные МК для встраиваемых приложений;
oo 16- и 32-разрядные МК;
oo цифровые сигнальные процессоры (DSP).
Наиболее распространенным представителем семейства МК являются 8-разрядные приборы, широко используемые в промышленности, бытовой и компьютерной технике. Они прошли в своем развитии путь от простейших приборов с относительно слаборазвитой периферией до современных многофункциональных контроллеров, обеспечивающих реализацию сложных алгоритмов управления в реальном масштабе времени. Причиной жизнеспособности 8-разрядных МК является использование их для управления реальными объектами, где применяются, в основном, алгоритмы с преобладанием логических операций, скорость обработки которых практически не зависит от разрядности процессора.
Росту популярности 8-разрядных МК способствует постоянное расширение номенклатуры изделий, выпускаемых такими известными фирмами, как Motorola, Microchip, Intel, Zilog, Atmel и многими другими. Современные 8-разрядные МК обладают, как правило, рядом отличительных признаков. Перечислим основные из них:
oo модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации;
oo использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Таким образом, МК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается;
oo использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей;
oo расширение числа режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК.
При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей. Структура модульного МК приведена на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 - Модульная организация микроконтроллера.
Процессорное ядро включает в себя:
oo центральный процессор;
oo внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления;
oo схему синхронизации МК;
oo схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д.
Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема, порты вводавывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В относительно простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой отдельный модуль с развитыми возможностями. В состав изменяемого функционального блока могут входить и такие дополнительные модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в составе МК с учетом протокола ВКМ. Данный подход позволяет создавать разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства.
0.2 Процессорное ядро микроконтроллера
Структура процессорного ядра МК
Основными характеристиками, определяющими производительность процессорного ядра МК, являются:
oo набор регистров для хранения промежуточных данных;
oo система команд процессора;
oo способы адресации операндов в пространстве памяти;
oo организация процессов выборки и исполнения команды.
С точки зрения системы команд и способов адресации операндов процессорное ядро современных 8-разрядных МК реализует один из двух принципов построения процессоров:
oo процессоры с CISC-архитектурой, реализующие так называемую полную систему команд (Complicated Instruction Set Computer);
oo процессоры с RISC-архитектурой, реализующие сокращенную систему команд (Reduced Instruction Set Computer).
CISC-процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации, давая разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции. В применении к 8-разрядным МК процессор с CISC-архитектурой может иметь однобайтовый, двухбайтовый и трехбайтовый (редко четырехбайтовый) формат команд. Время выполнения команды может составлять от 1 до 12 циклов. К МК с CISC-архитектурой относятся МК фирмы Intel с ядром MCS-51, которые поддерживаются в настоящее время целым рядом производителей, МК семейств НС05, НС08 и НС11 фирмы Motorola и ряд других.
В процессорах с RISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до минимума. Для реализации более сложных операций приходится комбинировать команды. При этом все команды имеют формат фиксированной длины (например, 12, 14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл (такт) синхронизации. Система команд RISC-процессора предполагает возможность равноправного использования всех регистров процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций. К МК с RISC-процессором относятся МК AVR фирмы Atmel, МК PIC16 и PIC17 фирмы Microchip и другие.
На первый взгляд, МК с RISC-процессором должны иметь более высокую производительность по сравнению с CISC МК при одной и той же тактовой частоте внутренней магистрали. Однако на практике вопрос о производительности более сложен и неоднозначен.
С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команды в современных 8-разрядных МК применяется одна из двух уже упоминавшихся архитектур МПС: фон-неймановская (принстонская) или гарвардская.
Основной особенностью фон-неймановской архитектуры является использование общей памяти для хранения программ и данных, как показано на рисунке 1.3.
Рисунок.1.3 - Структура МПС с фон-неймановской архитектурой.
Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана - упрощение устройства МПС, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того, использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость МПС с точки зрения разработчика программного обеспечения. Размещение стека в общей памяти облегчало доступ к его содержимому. Неслучайно поэтому фон-неймановская архитектура стала основной архитектурой универсальных компьютеров, включая персональные компьютеры.
Основной особенностью гарвардской архитектуры является использование раздельных адресных пространств для хранения команд и данных, как показано на рисунке 1.4.
Рисунок.1.4 - Структура МПС с гарвардской архитектурой.
Гарвардская архитектура почти не использовалась до конца 70-х годов, пока производители МК не поняли, что она дает определенные преимущества разработчикам автономных систем управления. Дело в том, что, судя по опыту использования МПС для управления различными объектами, для реализации большинства алгоритмов управления такие преимущества фон-неймановской архитектуры как гибкость и универсальность не имеют большого значения. Анализ реальных программ управления показал, что необходимый объем памяти данных МК, используемый для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ. В этих условиях использование единого адресного пространства приводило к увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации операндов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных.
Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Этот метод реализации операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы.
Большинство производителей современных 8-разрядных МК используют гарвардскую архитектуру. Однако гарвардская архитектура является недостаточно гибкой для реализации некоторых программных процедур. Поэтому сравнение МК, выполненных по разным архитектурам, следует проводить применительно к конкретному приложению.
1.3 Основные этапы разработки
Микропроцессорные системы на основе микроконтроллеров используются чаще всего в качестве встроенных систем для решения задач управления некоторым объектом. Важной особенностью данного применения является работа в реальном времени, т.е. обеспечение реакции на внешние события в течение определенного временного интервала. Такие устройства получили название контроллеров.
Перед разработчиком микропроцессорных систем стоит задача реализации полного цикла проектирования, начиная от разработки алгоритма функционирования и заканчивая комплексными испытаниями в составе изделия, а, возможно, и сопровождением при производстве. Сложившаяся к настоящему времени методология проектирования контроллеров может быть представлена так, как показано на рисунке 1.2.
В техническом задании формулируются требования к контроллеру с точки зрения реализации определенной функции управления. Техническое задание включает в себя набор требований, который определяет, что пользователь хочет от контроллера и что разрабатываемый прибор должен делать. Техническое задание может иметь вид текстового описания, не свободного в общем случае от внутренних противоречий.
На основании требований пользователя составляется функциональная спецификация, которая определяет функции, выполняемые контроллером для пользователя после завершения проектирования, уточняя тем самым, насколько устройство соответствует предъявляемым требованиям. Она включает в себя описания форматов данных, как на входе, так и на выходе, а также внешние условия, управляющие действиями контроллера.
Этап разработки алгоритма управления является наиболее ответственным, поскольку ошибки данного этапа обычно обнаруживаются только при испытаниях законченного изделия и приводят к необходимости дорогостоящей переработки всего устройства. Разработка алгоритма обычно сводится к выбору одного из нескольких возможных вариантов алгоритмов, отличающихся соотношением объема программного обеспечения и аппаратных средств(См. рис. 1.5).
Рисунок 1.4- Этапы разработки кодового замка
При этом необходимо исходить из того, что максимальное использование аппаратных средств упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие контроллера в целом, но сопровождается, как правило, увеличением стоимости и потребляемой мощности. При выборе типа микроконтроллеров учитываются следующие основные характеристики:
- разрядность;
- быстродействие;
- набор команд и способов адресации;
- требования к источнику питания и потребляемая мощность в различных режимах;
- объем ПЗУ программ и ОЗУ данных;
- возможности расширения памяти программ и данных;
- наличие и возможности периферийных устройств, включая средства поддержки работы в реальном времени (таймеры, процессоры событий и т.п.);
- возможность перепрограммирования в составе устройства;
- наличие и надежность средств защиты внутренней информации;
- возможность поставки в различных вариантах конструктивного исполнения;
- стоимость в различных вариантах исполнения;
- наличие полной документации;
- наличие и доступность эффективных средств программирования и отладки МК;
- количество и доступность каналов поставки, возможность замены изделиями других фирм.
Список этот не является исчерпывающим, поскольку специфика проектируемого устройства может перенести акцент требований на другие параметры МК.
Номенклатура выпускаемых в настоящее время МК исчисляется тысячами типов изделий различных фирм. Современная стратегия модульного проектирования обеспечивает потребителя разнообразием моделей МК с одним и тем же процессорным ядром. Такое структурное разнообразие открывает перед разработчиком возможность выбора оптимального МК, не имеющего функциональной избыточности, что минимизирует стоимость комплектующих элементов.
Однако для реализации на практике возможности выбора оптимального МК необходима достаточно глубокая проработка алгоритма управления, оценка объема исполняемой программы и числа линий сопряжения с объектом на этапе выбора МК. Допущенные на данном этапе просчеты могут впоследствии привести к необходимости смены модели МК и повторной разводки печатной платы макета контроллера. В таких условиях целесообразно выполнять предварительное моделирование основных элементов прикладной программы с использованием программно-логической модели выбранного МК.
На этапе разработки структуры контроллера окончательно определяется состав имеющихся и подлежащих разработке аппаратных модулей, протоколы обмена между модулями, типы разъемов. Выполняется предварительная проработка конструкции контроллера. В части программного обеспечения определяются состав и связи программных модулей, язык программирования. На этом же этапе осуществляется выбор средств проектирования и отладки.
После разработки структуры аппаратных и программных средств дальнейшая работа над контроллером может быть распараллелена. Разработка аппаратных средств включает в себя, разработку общей принципиальной схемы, разводку топологии плат, монтаж макета и его автономную отладку. На этапе ввода принципиальной схемы и разработки топологии используются, как правило, распространенные системы проектирования типа "ACCEL EDA" или "OrCad".
Содержание этапов разработки программного обеспечения, его трансляции и отладки на моделях существенно зависит от используемых системных средств. В настоящее время ресурсы 8-разрядных МК достаточны для поддержки программирования на языках высокого уровня. Это позволяет использовать все преимущества структурного программирования, разрабатывать программное обеспечение с использованием раздельно транслируемых модулей. Одновременно продолжают широко использоваться языки низкого уровня типа ассемблера, особенно при необходимости обеспечения контролируемых интервалов времени. Задачи предварительной обработки данных часто требуют использования вычислений с плавающей точкой, трансцендентных функций.
В настоящее время самым мощным средством разработки программного обеспечения для МК являются интегрированные среды разработки, имеющие в своем составе менеджер проектов, текстовый редактор и симулятор, а также допускающие подключение компиляторов языков высокого уровня типа Паскаль или Си. При этом необходимо иметь в виду, что архитектура многих 8-разрядных МК вследствие малого количества ресурсов, страничного распределения памяти, неудобной индексной адресации и некоторых других архитектурных ограничений не обеспечивает компилятору возможности генерировать эффективный код.
Для проверки и отладки программного обеспечения используются так называемые программные симуляторы, предоставляющие пользователю возможность выполнять разработанную программу на программно-логической модели МК. Программные симуляторы распространяются, как правило, бесплатно и сконфигурированы сразу на несколько МК одного семейства. Выбор конкретного типа МК среди моделей семейства обеспечивает соответствующая опция меню конфигурации симулятора. При этом моделируется работа ЦП, всех портов вводавывода, прерываний и другой периферии. Карта памяти моделируемого МК загружается в симулятор автоматически, отладка ведется в символьных обозначениях регистров.
Загрузив программу в симулятор, пользователь имеет возможность запускать ее в пошаговом или непрерывном режимах, задавать условные или безусловные точки останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров симулируемого МК.
Этап совместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени является самым трудоемким и требует использования инструментальных средств отладки. К числу основных инструментальных средств отладки относятся:
- внутрисхемные эмуляторы;
- платы развития (оценочные платы);
- мониторы отладки;
- эмуляторы ПЗУ.
Внутрисхемный эмулятор - программно-аппаратное средство, способное заменить эмулируемый МК в реальной схеме.
Внутрисхемный эмулятор - это наиболее мощное и универсальное отладочное средство, которое делает процесс функционирования отлаживаемого контроллера прозрачным, т.е. легко контролируемым, произвольно управляемым и модифицируемым.
Этап совместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени завершается, когда аппаратура и программное обеспечение совместно обеспечивают выполнение всех шагов алгоритма работы системы. В конце этапа отлаженная программа заносится с помощью программатора в энергонезависимую память МК, и проверяется работа контроллера без эмулятора.
2 ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ И ИХ СВОЙСТВА
Далее коротко опишем основные электронные компоненты и их назначение. Но получить практические навыки вам помогут только реальные эксперименты с электронными схемами.
2.1 Выбор микроконтроллера
Для проектирования устройства автоматического регулирования света постараемся выбрать относительно недорогой, простой и широко используемый микроконтроллер.
Все эти особенности можно отнести к микроконтроллерам корпорации ATMEL.
Корпорация ATMEL, является в настоящее время признанным мировым лидером в областях разработки, производства и маркетинга современных электронных компонентов.
At mega 16 обладает очень большим количеством самых разнообразных функций. Вот некоторые его характеристики:
- максимальная тактовая частота - 16 МГц
- большинство команд выполняются за один такт
- 32 8-битных рабочих регистра
- 4 полноценных 8-битных порта вводавывода
- два 8-битных таймерасчетчика и один 16-битный
- 10-разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)
- внутренний тактовый генератор на 1 МГц
- аналоговый компаратор
- интерфейсы SPI, I2C, TWI, RS-232, JTAG
- внутрисхемное программирование и самопрограммирование
- модуль широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
- 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением
- прогрессивная RISC архитектура
- 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл
- 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения
- Энергонезависимая память программ и данных
- 16 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash). Обеспечивает 1000 циклов стираниязаписи
Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки, программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя(См. рис. 2.1).
Рисунок 2.1 - Расположение выводов микроконтроллера Atmega 16
Расположение выводов микроконтроллера Atmega 16(См. рис. 2.2):
- встроенная периферия;
- два 8-разрядных таймерасчетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения;
- счетчик реального времени с отдельным генератором;
- четыре канала PWM;
- 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь;
- 8 несимметричных каналов;
- 7 дифференциальных каналов (только в корпусе TQFP);
- дифференциальных канала с программируемым усилением в 1, 10 или 200 крат (только в корпусе TQFP);
- байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс;
- специальные микроконтроллерные функции;
- сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания;
- встроенный калиброванный RC-генератор;
- внутренние и внешние источники прерываний;
- шесть режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby, Extended Standby и снижения шумов ADC;
- выводы IO и корпуса;
- 32 программируемые линии вводавывода;
- 40-выводной корпус PDIP и 44-выводной корпус TQFP;
Рабочие напряжения;
- 2,7 - 5,5 В (PIC 16F84);
Рабочая частота
- 0 - 8 МГц (PIC 16F84 )
Рисунок 2.2 - Функциональная схема микроконтроллера ATMega 16L
2.3 Светодиоды
Выпускают красные, желтые и зеленые светодиоды. При подключении важно обращать внимание на полярность. Минусовой (более короткий) вывод называется катодом. Положительный (более длинный) вывод - это анод (рис. 2.3). Внутри прозрачного корпуса светодиода видна структура, подобная чаше. Это держатель кристалла светодиода, который соединен с катодом. Вывод анода соединен с верхним контактом кристалла очень тонкой маленькой проволокой. Всегда обращайте внимание на полярность включения светодиода и никогда не подключайте прибор непосредственно к батарее или к контактам питания USB. Это может вывести светодиод из строя и даже повредить предохранительное сопротивление на экспериментальной плате(См. рис.2.3).
Рисунок 2.3 - Светодиод и его условное графическое обозначение
2.4 Резисторы
Для экспериментов подойдут пленочные резисторы с допуском 5%. Токопроводящий материал резистора нанесен на керамический сердечник и покрыт защитным лаком. Номинал и допуск резистора обозначают кодом из цветных колец, нанесенных на корпус (См. рис. 2.4). Значения сопротивления резисторов с допуском +-5% принадлежат ряду E24, причем каждая декада содержит 24 равноотстоящих значения. Вот значения нормального ряда E24:
1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1
Цветной код читается, начиная с кольца, которое расположено ближе к краю резистора. Первые оба кольца соответствуют двум цифрам, третье кольцо - это множитель значения сопротивления в омах. Четвертое кольцо указывает допуск(См. рис.2.4).
Рисунок 2.4 - Резистор и его условное графическое обозначение
2.5 Акустический пьезопреобразователь
Акустический пьезопреобразователь (См. рис. 2.5) может работать как простой маленький динамик, датчик или микрофон. Структура пьезопреобразователя похожа на дисковый керамический конденсатор, но диэлектрик дополнительно электрически заряжен. Вследствие этого возникает взаимосвязь между механическим и электрическим напряжением. Пьезоэлектрическим эффектом обладают кристаллы кварца. Еще пример - электрическая зажигалка, однако в ней генерируемое напряжение значительно выше, чем в нашем пьезоакустическом преобразователе.
Рисунок 2.5 - Пьезоакустический преобразователь и его условное обозначение
2.6 Монтажный провод
При помощи провода выполняются все подключения на нашей монтажной плате. Нарежьте маленькими кусачками-бокорезами или ножницами отрезки подходящей длины и снимите изоляцию с обоих концов. Не выбрасывайте использованные провода, они еще пригодятся.
2.7 Кнопка
Кнопка замыкает или размыкает электрическую цепь. В отличие от переключателя после отпускания она не остается в конечном положении, а возвращается в свое первоначальное положение. Наша кнопка имеет четыре вывода, причем два из них всегда соединены друг с другом.
2.8 Монтажная панель с контактными гнездами
На монтажной панели с контактными гнездами можно запросто собрать наши схемы без пайки. Контакты обозначены буквами от A до E и от F до J (См. рис. 2.8). Наша панель с контактными гнездами состоит из 20 столбцов и 10 рядов (от A до J). Полезно немного обрезать выводы компонента (3 мм) наискось так, чтобы получилось что-то вроде клина. Тогда комплектующие изделия легче вставить в контактные гнезда панели. Если все же возникают сложности со вставкой выводов, то для установки компонента лучше всего воспользоваться маленькими плоскогубцами.
Рисунок 2.8 - Монтажная панель с контактными гнездами Tiny
2.9 Экспериментальная плата Freeduino
Малогабаритная экспериментальная плата Freeduino функционально соответствует плате Arduino Duemilanove. Платформа Freeduino представляет собой версию бесплатного программного обеспечения, полностью совместимого с Arduino Duemilanove. Далее мы будем кратко называть их "микроконтроллер" и "плата микроконтроллера". Подключение между персональным компьютером и микроконтроллером AVR осуществляется через порт USB. В персональный компьютер передаются данные из нашей Arduino-программы. Плата служит как база для экспериментов с уже имеющимся аппаратным оборудованием. Еще для экспериментов потребуется маленькая панель с контактными гнездами на макетной плате, в которую вставляются комплектующие изделия и с помощью которых можно выполнять соединения проводами. В процессе экспериментов соединяют выбранные комплектующие и через USB-порт загружают подготовленные программы в микроконтроллер. Таким образом можно легко освоить назначение и свойства электронных компонентов и одновременно изучить основы метрологии и техники управления, а также программирование с Visual Basic Dot.Net и обращение с платформой Arduino. Все подключения платы Freeduino (См. рис.2.9) можно осуществить через разъемы. Светодиод "PWR" включения питания сигнализирует, что на плату микроконтроллера подается электропитание. Светодиод на плате Freeduino, который постоянно подключен к цифровому выводу 13 платы Arduino, обозначен символом "L". Провода и комплектующие изделия можно непосредственно вставлять в разъемы. Светодиоды с обозначением "TX" и "RX" показывают трафик последовательного интерфейса. В процессе обмена данными через UART-интерфейс светодиоды ритмично мигают.
Рисунок 2.9 - Экспериментальная плата Freeduino
Рисунок 2.10 - Принципиальная схема экспериментальной платы Freeduino
3 КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
3.1 Принцип работы кодового замка
Для нашего замка потребуются только две кнопки: кнопка SW1 (вывод 2) и кнопка SW2 (вывод 3) на экспериментальной плате. Для ввода кода нужно нажимать, в зависимости от цифры кода, например, на кнопку SW1 дважды и кнопку SW2 три раза. Нажатие кнопок будет подтверждаться при помощи красного светодиода, подключенного к выводу 4, и звукового пьезопреобразователя. Если код введен правильно, то на 5 секунд включается светодиод красного цвета (вывод 5). Если код набран с ошибкой, то можно очистить ввод данных более длительным нажатием на кнопку SW2. Об удалении сигнализируют мигающий светодиод, подключенный к выводу 7,и "пищалка". Вместо светодиода через транзистор можно присоединить устройство для автоматического открывания двери, и тогда получится настоящий кодовый замок. Монтаж схемы кодового замка показан на рис. 3.1
Рисунок 3.1 - Монтаж схемы кодового замка
Принцип работы кодирующего устройства основан на логическом ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Похожие работы
Дисциплины
- Информатика
- Банковское дело
- Оценка бизнеса
- Бухгалтерское дело
- Валеология
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Религия
- Общая история
- Журналистика
- Таможенное дело
- История Казахстана
- Финансы
- Законодательство и Право, Криминалистика
- Маркетинг
- Культурология
- Медицина
- Менеджмент
- Нефть, Газ
- Искуство, музыка
- Педагогика
- Психология
- Страхование
- Налоги
- Политология
- Сертификация, стандартизация
- Социология, Демография
- Статистика
- Туризм
- Физика
- Философия
- Химия
- Делопроизводсто
- Экология, Охрана природы, Природопользование
- Экономика
- Литература
- Биология
- Мясо, молочно, вино-водочные продукты
- Земельный кадастр, Недвижимость
- Математика, Геометрия
- Государственное управление
- Архивное дело
- Полиграфия
- Горное дело
- Языковедение, Филология
- Исторические личности
- Автоматизация, Техника
- Экономическая география
- Международные отношения
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда
