Разработка универсальной микропроцессорной системы на основе микроконтроллера для ОПС. Часть 3

1  2  3  4  5

---

3.2 Выбор интегральных микросхем

 

Стабилизатор напряжения LM7805

Для стабилизации питающего напряжения бортовой сети, ограничения его уровня и защиты от импульсных помех целесообразно использовать недорогое ИМС стабилизаторы напряжения.

Стабилизатор 5В часто делают на одном из представителей интегральных стабилизаторов серии 78XX — 7805. Стабилизатор напряжения 5В 7805 это стабилизатор положительного напряжения 5 вольт в корпусе типа TO-220 с тремя выводами. Способность стабилизации такого популярного напряжения как 5 вольт делает его полезным в целой массе различных электронных устройств. Часто эти стабилизаторы применяются для питания какой-то локальной части схемы, когда невыгодно делать полноценный блок питания на 5 вольт, а проще применить 7805 просто понизив основное, более высокое напряжение питания основной схемы.

Технические характеристики микросхемы представлены в таблице 3.3

Таблица 3.3 – Технические характеристики стабилизатора LM7805

Рисунок 3.7 – Схема включения стабилизатора

Существуют два типа данной микросхемы: мощный 7805 (ток нагрузки до 1А) и маломощный 78L05 (ток нагрузки до 0,1А). Отечественными аналогами являются для 78L05 — КР1157ЕН5, а для 7805 — 142ЕН5/

Конденсатор С1 на входе необходим для ликвидации ВЧ помех при подачи входного напряжения. Конденсатор С2 на выходе стабилизатора, как и в любом другом источнике питания, обеспечивает стабильность блока питания при резком изменении тока нагрузки, а также уменьшает степень пульсаций.

При разработке блока питания необходимо иметь в виду, что для устойчивой работы стабилизатора 78L05 напряжение на входе должно быть не менее 7 и не более 20 вольт.

В 7805 стабилизаторе применяется внутренняя защита по току и защита от перегрева, делая блок питания на его основе практически неубиваемым. Если применяется достаточный теплоотвод (применяется достаточный радиатор), то 7805 стабилизатор может отдать в нагрузку ток до 1А. Максимальное напряжение на входе должно быть не меньше 6.2 вольт и не больше 35 вольт.

Принципиальная схема интегрального стабилизатора представлена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Принципиальная схема стабилизатора напряжения LM7805

 

3.3 Выбор датчиков сигнализации

 

Дымовой оптико-электронный извещатель ДИП-34А-01-02

Рисунок 3.9 – Извещатель ДИП-34А-01-02

Извещатель пожарный ДИП-34А предназначен для контроля состояния и обнаружения загораний, сопровождающихся появлением дыма в закрытых помещениях различных зданий и сооружений и выдачи извещений «Пожар», «Запыленность», «Внимание», «Неисправность», «Отключен»

• Контроль работоспособности
• Контроль запыленности
• Контроль текущего значения концентрации дыма
• Питание по двухпроводной линии связи (от «С2000-КДЛ»)
• Подключение к двухпроводной линии до 127 извещателей

Таблица 3.5 – Технические характеристики извещателя ДИП-34А-01-02

Датчик движения производства торгового дома Пан Электроник имеет хорошие характеристики и низкую стоимость.

Рисунок 3.10 – Датчик движения

Датчик движения предназначен для фиксации появлении человека в зоне охвата датчика. Отличается увеличенным углом охвата 180°.

При регистрации движения в 12-метровой зоне охвата, выдает логический сигнал на регистрирующие устройство. Датчик настроен реагировать на движение объекта размером с человека и не будет реагировать на домашних животных.

Технические характеристики

Максимальнае дальность действия: 12 метров

Угол охвата: 180°

Возможна настройка угла вертикально на 180°

Напряжение питания: 5 В

Потребляемый ток: 0,05 А

Тип выхода: логический

Степень защиты: IP44

Магнитоконтактный датчик ИО 102-29 «Эстет»

Извещатели предназначены для блокировки дверных и оконных проемов, а также блокировки других конструктивных элементов зданий и сооружений, на открывание или смещение с выдачей сигнала «Тревога» на приемно-контрольный прибор, концентратор или пульт централизованного наблюдения. Конструктивно извещатели состоят из датчика магнитоуправляемого (датчика) на основе геркона и задающего элемента (магнита), выполненных в корпусах из ABS пластика фирмы BAYER AG. [34]

Рисунок 3.11 – Магнитоконтактный датчик

Контакты извещателей находятся в замкнутом состоянии при расположении магнита и датчика на расстоянии 10 мм и менее, и в разомкнутом состоянии на расстоянии 25 мм и более.

Технические характеристики:

Коммутируемый ток: от 0,001 до 0,5 А

Коммутируемое напряжение: от 0,02 до 72 В (макс. коммутируемая мощность не более 10Вт)

Сопротивление замкнутых контактов: не более 0,5 Ом

По устойчивости к механическим воздействиям исполнение извещателей рассчитано для категории размещения 03 по ГОСТ 251099-83, по устойчивости к климатическим воздействиям исполнение извещателей рассчитано для категории размещения 02 по ГОСТ 25 1099-83.Степень защиты оболочки соответствует исполнению IP20 по ГОСТ 14254-96.

Как правило для защиты квартиры достаточно этих двух типов датчиков. По желанию клиента могут быть также установлены и дополнительные датчики: акустические, вибрации и т.д.

Датчик движения имеет потолочное и настенное крепление и должен устанавливаться в местах наиболее вероятного движения злоумышленника. Магнитоконтактный датчик устанавливаются на входную дверь. На крайних этажах желательна также установка акустических датчиков реагирующих на шум разбитого окна.

 

3.4 Расчет схемы принципиальной

 

Принципиальная схема сигнализации представлена на рисунке 3.10

АЦП измеряет сигнал в диапазоне от 0 до Vref, де Vref – опорное напряжение АЦП. В качестве источника опорного напряжения может быть использовано напряжение питания АЦП, внешний источник напряжения, либо внутренний источник опорного напряжения 2,6 В. Выберем в качестве источника Vref напряжение питания микроконтроллера.

Сопротивление портов микроконтроллера сконфигурированных как вход составляет 100 МОм[6]. Поэтому ими можно пренебречь в расчетах, считая их бесконечно большими. Для защиты портов микроконтроллера от превышения токовой нагрузки используются токоограничивающие резисторы.

Из [11] выберем номинальный ток диода равен 6 мА

Частота модулирующего сигнала определяется как:

Для микроконтроллера ATMega 16, работающего на частоте в 16 МГц параметры таймера будут следующими:

TCCR1A=0x40;

TCCR1B=0x09;

OCR1AH=0x00;

OCR1AL=0x84;

Рассчитаем требуемую мощность для блока питания (питание схемы со стороны микроконтроллера):

1. Потребление микроконтроллера при частоте работы 12 МГц составляет 9 мА. Следовательно, потребляемая мощность равна: мВт.

2. Потребление датчиков составляет не более 0,6 Вт, соответственно общее потребление не превысит 2,4 Вт.
3. Суммарная потребляемая мощность определяется в этом случае потреблением датчиков и не превысит 2,5 Вт
4. Максимальный выходной ток стабилизатора А.

 

3.5 Разработка конструкции

 

Основная задача при разработке конструкции – снизить влияние электромагнитного воздействия на результат измерений. Для достижения этого предприняты следующие меры:

• Уменьшена длина дорожек аналогового сигнала.
• «Вывод «земли» АЦП соединен с общим проводом только в одной точке.
• Аналоговые и цифровые дорожки разнесены на максимальное расстояние.
• Источники питания также удалены друг относительно друга.

Монтаж МК выполнен на печатной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита. Трансформатор закреплен механическим способом с помощью шайбы и винтового соединения. Дополнительно следует отметить необходимость качественной изоляции вторичных обмоток трансформатора, для снижения возможности пробоя между измерительной и передающей частями платы. Для защиты от перенапряжения в линии связи, на плате установлены защитные двухполярные диоды.

На плате предусмотрены индикаторы приема и передачи данных по сети, а также индикатор наличия питания. По причине малой потребляемой мощности стабилизатор напряжения DA6 может быть установлен без дополнительного теплоотвода.

Датчики температуры размещаются внутри контролируемой зоны. Датчик температуры располагают на стене или потолке вдалеке от источников тепла.

 

3.6 Расчет технологических параметров

 

Оценочный расчёт надёжности конструкции заключается в определении показателей надёжности изделия по известным характеристикам надёжности составляющих компонентов и условиям их эксплуатации. В дипломном проекте оценочный расчёт надёжности изделия выполняется по внезапным отказам, в соответствии с которым определяется интенсивность отказов устройства с учётом условий его эксплуатации.

Необходимо обеспечить наработку до отказа МК 60000 часов.

Расчёт интенсивности отказов ПП с металлизированными отверстиями

λ₀ – значение базовой интенсивности отказа плат в зависимости от технологии изготовления, для печатного монтажа:

К_Э – коэффициент эксплуатации (ГОСТ Р.В. 20.36.304-98)

К_Э = 1

К_С – коэффициент сложности в зависимости от числа слоёв, для ДПП:

К_С = 1

N₁ – количество соединений, пропаянных групповыми методами (все выводы МС)

N₂ – количество соединений, пропаянных вручную (выводы разъёмов),

Расчёт интенсивности отказов соединений

n – количество видов соединений (пайка волной и ручная пайка)

К_Э – коэффициент эксплуатации (ГОСТ Р.В. 20.36.304-98)

К_Э = 1

N_i – кол-во соединений i-го вида

N₁ = 28

N₂ = 5

– базовая интенсивность отказов i^го вида соединения

(пайка волной)

(ручная пайка без накрутки)

Расчёт интенсивности отказов электрического соединителя (разъём

λ₀ – базовая интенсивность отказов соединителя в зависимости от технологии изготовления

К_Т – коэффициент температуры

Tc – температура среды (30 ^оС)

∆t – среднее превышение температуры разъема относительно окружающей среды

I – ток, протекающий через контакты

(максимальный ток через разъём)

А – коэффициент, зависящий от количества задействованных выводов (А(5) = 0,07)

К_КМ – коэффициент, зависящий от количества сочленений/расчленений за 1000 часов (для количества сочленений/расчленений в интервале 5–50 К_КМ = 3)

К_УК – коэффициент уровня качества

К_УК = 2

К_Э – коэффициент эксплуатации

К_Э = 1

Расчёт интенсивности отказов COM порта

λ₀ – эксплуатационная интенсивность отказов кристаллов

К_Т – коэффициент температурного влияния

Ea – энергия активации

Ea = 0,35 эВ

N_Т – эмпирический коэффициент

N_Т = 298

Т_J – перегрев тела

Т_J = 40^оС

К_СЛ – коэффициент сложности кристалла

S_К – площадь кристалла

S_К = 0,64 см²

X_S – топологическое разрешение

X_S = 0,25 мкм

λ_К – интенсивность отказов корпуса

Nв – количество выводов

Nв = 28

К_Э – коэффициент, учитывающий режим эксплуатации

К_Э = 0,5

К_УК – коэффициент, учитывающий уровень качества (класс В₁)

К_УК = 2

К_К – коэффициент влияния корпуса (DIP не герметичный)

К_К = 1,3

Расчёт интенсивности отказов

Расчёт наработки до отказа модуля

Рассчитанное значение наработки до отказа удовлетворяет предъявленным требованиям.

 

ГЛАВА 4. Разработка программного обеспечения РАЗРАБАТЫВАЕМОГО УСТРОЙСТВА

4.1 Разработка алгоритма работы

 

На рисунке 4.1 представлена блок схема алгоритма работы микроконтроллера сигнализации.

При подаче питания микроконтроллер инициализирует порты ввода-вывода, переводя их в высокоимпедансное состояние, производит настройку и запуск таймера. Таймер отсчитывает время для определения временных интервалов.

После измерения временных интервалов происходит обработка результатов – определения факта срабатывания датчика.

После инициализации контроллер отслеживает состояние контакта PD3/ Если на данном выводе низкий сигнал (кнопка включения сигнализации нажата), то контроллер проверяет состояние подключенных датчиков. После включения сигнализации у пользователя есть 1 минута, чтобы покинуть помещение. после этого, если на всех контактов от датчиков высокий уровень (датчики не сработали), то контроллер включает режим охраны. После подачи сигнала с какого-либо датчика, у пользователя есть минута для отключения сигнализации. В противном случае включается устройства оповещения (сирена, световая индикация и т.п.)

Функция обработки запросов по интерфейсу UART-USB реализована в виде подпрограммы обработки прерываний (Рисунок 4.2). После сохранения измеренных значений происходит возврат в основную программу.

 

4.2 Интегрированная система разработки AVR Studio

 

AVR Studio – это интегрированная отладочная среда разработки приложений для 8-разрядных RISC – микроконтроллеров семейств AVR (Tiny, Classic, Mega). Версия AVR Studio 4 объединяет средства управления проектами, текстовый редактор, Ассемблер и отладчик программ на языках Си и Ассемблер. Таким образом, AVR Studio 4 поддерживает проектировщика на стадиях разработки, отладки и верификации программного обеспечения. Кроме того, AVR Studio 4 поддерживает аппаратную платформу STK500, которая позволяет программировать все устройства AVR, и внутрисхемные эмуляторы ICE40, ICE50, ICE200, JTAG ICE.

Программа для устройства была написана и отлажена в среде для разработки AVR Studio. AVR Studio — интегрированная среда разработки (IDE) для разработки 8-ми и 32-х битных AVR приложений от компании Atmel, работающая в операционных системах Windows NT/2000/XP/Vista/7. AVR Studio содержит ассемблер и симулятор, позволяющий отследить выполнение программы. Текущая версия поддерживает все выпускаемые на сегодняшний день контроллеры AVR и средства разработки. AVR Studio содержит в себе менеджер проектов, редактор исходного кода, инструменты виртуальной симуляции и внутрисхемной отладки, позволяет писать программы на ассемблере или на C/C++.Содержание

Характеристики AVR Studio:

Интегрированный Ассемблер;

Интегрированный симулятор;

Поддержка инструментов Atmel, совместимых с 8-разрядной AVR архитектурой, в том числе AVR ONE!, JTAGICE mkI, JTAGICE mkII, AVR Dragon, AVRISP, AVR ISPmkII, AVR Butterfly, STK500 и STK600;

Поддержка плагина AVR RTOS;

Поддержка AT90PWM1 и ATtiny40;

Интерфейс командной строки с поддержкой TPI.

Программа не имеет команды останова и выполняется циклически пока микроконтроллер подключен к питанию. Основные команды и процессы описаны в комментариях в тексте программы.

Ввиду ограниченных ресурсов микроконтроллерных систем исходные тексты их программ создаются и обрабатываются на персональном компьютере вплоть до получения исполняемой программы. В этом случае говорят, что инструментальная система другая, а ассемблирование называют кросс-ассемблированием (перекрестным ассемблированием). Существуют компьютерные программы, имитирующие работу микроконтроллеров, что может быть весьма полезно для отладки программ на инструментальных компьютерах (KEIL, 2550A.D.Software,Inc, IAR и т.д.) Такие методы моделирования работы программ называются математическими. При помощи инструментальных компьютеров и специальных приставок к ним осуществляется отладка программ в условиях, приближенных к реальной работе микроконтроллера с реальным изделием. Такие методы отработки называются эмуляцией. Инструментальные компьютеры используются и для записи исполняемого файла в ПЗУ при помощи периферийного устройства, называемого программатором.

Так, использование интегрированной среды проектирования AVR Studio, свободно распространяемой, дает возможность не только разрабатывать, но и отлаживать создаваемое программное обеспечение с помощью встроенного симулятора.

Наконец, подключив к AVR Studio 4 стартовый набор разработчика STK500, можно проверить созданную программу непосредственно в целевом микроконтроллере, а подключив через разъем расширения дополнительные устройства, — и в составе системы. Попутно отметим сравнительно невысокую стоимость STK500, что немаловажно для учебных заведений.

AVR Studio состоит из нескольких панелей и модулей, каждый из которых выполняет часть общей задачи. Создание программ в среде AVR Studio происходит в виде проектов, каждый из которых имеет файл, сохраняющий информацию о проекте и входящих в него файлах, установки Ассемблера, пользовательские настройки и т. д.

Описание: Atmel Studio 6 позволяет осуществлять разработку и отладку на платформах AVR, AVR32 и ARM, поддерживает большое количество средств программирования и отладки для этих платформ, содержит встроенный компилятор С/С++ (GNU GCC).

Рисунок 4.4 – Внешний вид программы AVR Studio

Редактор служит для написания программного кода, он полнофункционален, имеет подсветку синтаксиса, которая может быть изменена и дополнена пользователем. Окно редактора также используется при отладке, при этом точки возможного программного останова могут быть размещены на левой границе поля.

Рабочее пространство разделено на несколько областей, расположение и комбинации которых можно изменять. Основная часть рабочего пространства отведена для написания кода, а все остальные элементы для отображения состояния микроконтроллера в режиме пошаговой отладки. Таким образом, пока не будет запущена пошаговая отладка, эти элементы не активны.

Наиболее важными и полезными рабочими областями являются: «Processor», «I/O View», «Memory».

Рабочая область Processor отображает указатель команд, указатель вершины стека, частоту процессора, регистр SREG, а также 32 РОН во вкладке Registers. Регистры X, Y, Z, входящие в число 32-х регистров общего назначения, для удобства вынесены отдельно. Параметр Stop Watch отображает время после включение питания контроллера (в данном случае это начало пошаговой отладки). С его помощью можно быстро определить сколько времени занимает та или иная команда, цикл и т.д.

Рисунок 4.5 — Рабочая область Processor

Рабочая область I/O View отображает состояние всех регистров, отвечающих за управление периферийными устройствами контроллера. По каждому из устройств можно получить подробную информацию, если раскрыть соответствующую вкладку. Для примера рассмотрим вкладку TIMER_COUNTER_1 (вкладка была открыта во время пошаговой отладки).

Рисунок 4.6 — Информация о периферийных устройствах микроконтроллера

При раскрытии списка TIMER_COUNTER_1 отображаются все регистры, имеющие отношению к данному таймеру, их адреса (относительные и абсолютные) и значения (в шестнадцатеричном и побитовом представлении). Значения этих регистров доступны для изменения во время отладки программы.

Рисунок 4.7 — Состояние таймера TIMER_COUNTER_1

Рабочая область Memory отображает содержимое памяти контроллера. На рисунке показано, что можно выбрать память данных (Data), память программ (Program)б EEPROM, регистров ввода/вывода (I/O), остальных регистров (Register).

В графе Address можно ввести адрес интересуемого сегмента памяти в шестнадцатеричном виде, чтобы быстро перейти к отображению его содержимого, что является весьма удобным средством при отладке программ.

Рисунок 4.8 — Окно Memory

Установка ПО

Для поддержки STK500 требуется AVR Studio версии 3.2 и выше. В приложении приведен загрузочный файл для версии 4.16.

Для инсталляции AVR Studio вставьте компакт-диск приложения в компьютер и скопируйте файл «AvrStudio416Setup.exe» в любую свободную папку на жестком диске, запустите.

В ходе инсталляции будем предложено ввести директорию, в которую будет устанавливаться AVR Studio. Для стабильной работы приложения, этот путь должен быть максимально простым, например, «C:\AVR\», и не должен содержать кириллические символы.

Работа с ПО

После установки AVR Studio создадим проект. Для этого нужно открыть вкладку «Project» и выбрать «New Project». После этого откроется окно с выбором свойств проекта. Тип проекта определяет на каком языке будет написано приложение. В данной работе приведены приложения созданные только с использованием Atmel AVR Assembler. Для использования AVR GCC требуется дополнительно установить приложение WinAVR перед установкой AVR Studio. Также указывается имя проекта, имя исходного файла и расположение проекта.

Рисунок 4.9 — Окно «Создание проекта», а

После указания основных свойств проекта можно перейти далее и указать свойства проекта более подробно. В частности, предлагается указать отладочную платформу и наименование микроконтроллера. В данной работе использовался программный симулятор AVR Simulator и микроконтроллер ATmega88.

Рисунок 4.10 — Окно «Создание проекта»,

Создание проекта завершено и можно переходить непосредственно к написанию и отладке программы.

Для того чтобы загрузить программу в микроконтроллер необходимо вызвать компиляцию программы на панели управления. Если в программе имеются ошибки, то их нужно устранить, в противном случае исполняемый файл не будет создан. Желательно, чтобы работы программы была предварительно проверена с помощью программного симулятора, так как количество числа стираний/записи в Flash-память микроконтроллера ограничено.

Рисунок 4.11 — Выбор используемых аппаратных средств

Далее нужно выбрать элемент «Connection» на панели управления. В раскрывшемся окне необходимо указать имеющуюся в наличии платформу (программатор) и номер COM-порта, к которому он подключен, после чего нажать «Connect». Стоит отметить, что питание у стенда STK500 должно быть включено.

Рисунок 4.12 — Настройки программатора

После соединения AVR Studio с платформой STK500 откроется окно программатора. Чтобы записать программу в микроконтроллер во вкладке Flash нужно выбрать исполняемый файл с расширением .hex. Важно отметить, что при смене проектов имена загружаемых файлов не меняются автоматически в строке адреса, а потому стоит внимательно проверять их при каждом запуске программатора.

Функция Verify позволяет проверить сохранность файла (выполняется проверка контрольной суммы). Функция Read позволяет считать файл, записанный в микроконтроллер ранее.

Для записи данных в EEPROM используется аналогичный набор функций.

---

1  2  3  4  5