Спеціальна частина

2.1 Вибір елементної бази та побудова схеми електричної принципової

Вибір елементної бази є одним з найбільш відповідальних етапів проектування електронних пристроїв. Від того, на яку елементну базу зорієнтований розроблювальний пристрій залежать його майбутні показники, такі як надійність, габаритні розміри й споживана потужність. Після того як було розглянуто аналогічні схеми, побудовано електричну структурну схему пристрою і в узгодженні з технічним завданням необхідно обрати ті елементи, які будуть застосовуватися в схемі електричній принциповій.

Базовим МК був обраний AT89S8252 сімейства MCS-51, завдяки гарним технічним характеристикам. Цей МК має низьку споживану потужність при високій швидкодії. А також цей тип мікроконтролерів дуже поширений і тому він використовується не тільки в комп’ютерному середовищі, а й в побутовій техніці, що використовується в повсякденному житті [4].

Достоїнством цього МК є можливість заносити програму, не виймаючи мікросхему із пристрою, і записувати інформацію в енергонезалежну пам'ять даних під час роботи, ці достоїнства і обумовили вибір саме цього мікроконтролера. Він має наступні характеристики:

­ тактова частота, мГц0-24;

­ напруга живлення, В5;

­ діапазон робочих температур, °C-40...+85;

­ пам'ять даних, Кб8;

­ оперативна пам'ять, байт256.

Кварцовий резонатор ZQ1 задає тактову частоту роботи мікроконтролера. При виборі кварцового резонатору були розглянуті резонатори з різним типом корпусів: вакуумні і герметичні. Вакуумні корпуси бувають скляні і металеві. Для скляних корпусів використовують колби з електровакуумних ламп, а для деяких вони виготовляються спеціально. Металеві вакуумні корпуси застосовують для мініатюрних резонаторів (наприклад, для наручних годинників). Герметичні корпуси бувають лише металеві. Внутрішній об’єм в них заповнюється сухим киснем або інертним газом. Резонатор вибраний з тактовою частотою 12 мГц. Конденсатори що використовуються для працездатності кварцового резонатора обрані керамічного типу, вони мають невеликі розміри й гарну стабільність [5].

Схема RESET виконана за допомогою двох резисторів МЛТ перемикача типу МП12 і керамічного конденсатора. При виборі резисторів було проглянуто декілька типів, такі як композиційні, металооксидні, металодіелектричні, але вибір зупинився на метало-плівкових резисторах, які характеризуються високою стабільністю параметрів, слабкою залежністю опору від частоти і напруги [6].

Основні параметри таких резисторів:

­ номінальна потужність, Вт0,125;

­ припустима робоча напруга, В200;

­ максимальна робоча температура, °C+125.

Конденсатор який застосовується в схемі RESET обраний керамічного типу, оскільки термін служби таких конденсаторів дуже великий і в порівнянні з електролітичними, плівковими, скляними, склокерамічними і склоемальованими конденсаторами має досить невеликі розміри і за рахунок цього він гарно монтується на плату. Для захисту від вологи ці конденсатори фарбують емалями або герметизують. Його основні характеристики [6]:

­ межі номінальної ємності, пФ2,2 - 39000;

­ припустимі відхилення ємності від номінальної, % ±5;

­ номінальна напруга при температурі до + 85°C, В16;

­ припустима реактивна потужність, В*А20;

­ діапазон робочих температур, °C-60 – +85.

Мікроперемикач, що застосовується в схемі RESET (установка мікроконтролера в початковий стан) вибраний невеликих розмірів і розташований на друкованій платі пристрою. Мікроперемикач має наступні характеристики [6]:

­ комутаційний постійний струм, А10^-6 – 0,5;

­ комутаційна постійна напруга, В0,5 – 36;

­ число комутацій10⁴.

Базовою серією для побудови схеми, обрана КР1533, виготовлена по технології ТТЛШ (закордонний аналог SN74ALS) тому що, вхідні електричні рівні мікро­схем співпадають з вихідними рівнями МК, вона має досить великий функціональний набір елементів, ви­соку швид­кість дії, що сполучається з помірним споживанням потужності.

Для узгодження виводів мікроконтролера із вхідними лініями клавіатури в схемі застосований дешифратор з організацією 2-4. А саме дешифратор ИД4 серії КР1533, що активізує одну з ліній для сканування [7].

Для побудови клавіатури обрані малогабаритні кнопки КМ1-I. Вони виконані на базі мікроперемикача МП3-I [7]. Кнопка КМ1-I має один мікроперемикач. Кріплення виконується на панель «під гайку». Електричні й комутаційні параметри кнопок наведені нижче:

­ опір ізоляції, МОм1000;

­ електрична міцність ізоляції, В1100;

­ опір електричних контактів, Ом0,05;

­ напруги, що комутирують (постійні), В0,5…30;

­ напруги, що комутирують (змінні), В0,5…250.

програмно у вигляді послідовності байтів і записуватися у внутрішні регістри ЖК-дисплея [8].

Логічні елементи І мікросхеми DD2 буферують сигнали #RD й #WR перед їхнім використанням у системі. Далі ці сигнали використовуються для формування сигналів керування мікросхемою зовнішньої пам'яті [8].

Запобіжник, який використовується в блоку живлення FU1 ПЦ-30, призначений для захисту напівпровідникових приладів від струмів короткого замикання. Обрано запобіжник плавкого типу, який має наступні характеристики [9]:

­ номінальний струм, А0,5;

­ режим спрацювання, при струмі, А1;

­ режим спрацювання, час, с1.

Трансформатор був обраний типу ТПП (трансформатор живлення пристроїв на напівпровідникових приборах) з частотою живильної мережі 50 Гц. При виборі такого типу трансформатора були проведені порівняльні характеристики і інших типів трансформаторів, таких як трансформатор живлення анодних ланцюгів (ТА), трансформатор живлення ланцюгів розжарення (ТР), трансформатор живлення побутової радіоапаратури (ТС) та інші [10].

Особливістю трансформаторів типу ТПП являється, як правило низька напруга на вторинних обмотках, тому вони використовуються для живлення пристроїв на напівпровідникових приладах. Номінал трансформатора ТПП48-127/220-50, він має такі технічні характеристики:

­ номінальна потужність, В*А14;

­ струм первинної обмотки, А0,08;

­ напруга вторинної обмотки, В12,6;

­ струм вторинної обмотки, А0,270.

Діодна збірка, яка застосована в блоку живлення була обрана не випадково. Вона займає мало місця на платі, що впливає на габаритні розміри друкованої плати. Якщо порівнювати діодний міст із випрямними діодами або з випрямними блоками, обраний діодий міст має незаперечну перевагу в плані вартості, не великих габаритних розмірів, надійності і перспективності. Цей блок з кремнієвих мезадифузійних діодів, з’єднаних по мостовій схемі, випускається в пластмасовому корпусі. Маса блока не більше 0,5г [11].

Діодний міст має наступні технічні характеристики:

­ імпульсна зворотна напруга, В400;

­ середній випрямляючий струм, мА 500;

­ частота без зниження режимів, кГц 20.

У блоці живлення застосовано ІМС КР142ЕН5А для стабілізації визначеної напруги. При виборі стабілізуючих елементів були розглянуті й стабілітрони, але вибір зупинився на мікросхемі, оскільки стабілізуючі мікросхеми більш надійні й перспективніші. Мікросхема являє собою потужний стабілізатор з фіксованою вихідною напругою +5В, має убудований захист від короткого замикання, захист від перевантажень по струму й від перегріву кристала [12].

Основні характеристики мікросхеми КР142ЕН5А:

­ вихідна напруга, В4,9 – 5,1;

­ струм навантаження, А2;

­ струм споживання, мА≤10;

­ нестабільність по напрузі, %≤0,05;

­ нестабільність по струму, %≤1;

­ дрейф вихідної напруги, %≤1,5.

Для нормальної роботи стабілізатора був використаний конденсатор великої ємності для зменшення пульсації. Для згладжування напруги після стабілізуючої ІМС були використані конденсатори К50-35-16В, К10-17.

Для побудови резервного блоку живлення були використані діод і гальванічний елемент. Вибраний діод КД209А має невеликі розміри і гарні параметри [11]:

­ постійна пряма напруга, В1;

­ постійний зворотній струм, мкА100;

­ постійна та імпульсна зворотна напруга, В400;

­ імпульсний прямий струм, А6;

­ частота без зниження режимів, кГц1.

В якості резервного елемента живлення була використана акумуляторна батарея фірми DURACELL типу PX28L. Ця батарея має невеликі розміри і наступні характеристики [13]:

­ напруга, В4,8;

­ номінальна ємність, Ач0,3;

­ діаметр, мм13;

­ висота, мм25,2;

­ вага, г 10;

­ системаlitium.

Відповідно до технічного завдання, схеми електричної структурної (КП5.05010201.85.11.00Е1) і обраної елементної базою будуємо схему електричну принципову, котра представлена на кресленні КП5.05010201.85.11.00Е3 і складаємо перелік елементів схеми.

2.2 Розробка програмного забезпечення пристрою

Розроблювальний пристрій є мікроконтролерною системою й тому схематично зобразити всі функції його неможливо, тому що мікроконтролер – це складний активний пристрій, що працює по заданому в програмному коді алгоритму [14]. Тому найважливішим етапом проектування даного типу пристрою виступає написання й налагодження програмного забезпечення, що складається з наступних етапів:

­ визначення всіх функції ПЗ;

­ розробка алгоритму програми;

­ написання й налагодження програмного коду.

Розробка прикладної програми зводиться до послідовного поділу завдання на функціональні блоки. При виконанні прикладної програми в мікроконтролері керування чітко передається від одного функціонального блоку до іншого. Поділ завдання на блоки виконується послідовно до рівня, коли розробка схеми алгоритму програми стає простою й зрозумілою справою. Послідовне розкладання завдань дозволяє привести ступінь деталізації до дуже простого й зрозумілого алгоритму, у наслідку цього, мікроконтролер надійно вирішить поставлене завдання.

При створенні програмного забезпечення використовувались команди, підпрограми, таблиці й інші програмні об'єкти з арсеналу засобів обробки даних. У вихідному тексті єдиним засобом для вираження думок програміста рідною мовою є коментарі. Коментувати потрібно на всіх рівнях: від окремих команд і директив до програми в цілому.

Програмна реалізація основних елементів алгоритму роботи контролера допускає його модифікацію відносно простими засобами (шляхом перепрограмування).

2.2.1 Схема алгоритму роботи програми

Схема алгоритму роботи програми наведена на кресленні КП5.091504.44.07.00Д.

При включенні живлення відбувається установка першого режиму роботи таймеру Т/С0, в який записується значення BC40h для задавання частоти переривань 250 Гц. З цією частотою відбувається сканування клавіатури, її достатньо для виявлення натискання клавіші. У вільний час (між циклами сканування клавіатури) мікроконтролер може виконувати інші операції, це дозволяє розширити функціональні можливості пристрою. Також на початку програми установлюється початковий (нульовий) стан регістрів R2, R3, R7. Потім мікроконтролер переходить у режим очікування переривання від таймера. При надходженні переривання від таймера цикл очікування припиняється й мікроконтролер опитує лінії клавіатури. Якщо була натиснута будь-яка клавіша, її двійковий код зберігається в регістрі R7, а потім виконується затримка 0,1 мс для визначення деренчання контактів. Після затримки 0,1 мс лінії клавіатури скануються знову і визначається код натиснутої клавіші. При співпадінні кодів клавіш, що були натиснуті до та після затримки відбувається перетворення цього коду в 2-ву, 10-ву або 16-ву систему числення відповідно до режиму введення. Після цього мікроконтролер візуалізує введене число на рідинно-кристалічному індикаторі. Після візуалізації мікроконтролер знову зациклюється й програма виконується нескінченно до відключення живлення. Якщо коди не співпадають – відбулось деренчання контактів. У цьому випадку візуалізації цифри не відбувається, а мікроконтролер переходить в режим очікування нового переривання від таймеру.

2.2.2 Програма на асемблері

Текст програми на асемблері наведений в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 – Програма на асемблері

Мітка	Мнемоніка	Коментар
	cseg	; сегмент коду програми
start:	mov R3, #00h	; встановлення початкового значення R3
	mov R4, #00h	; встановлення початкового значення R4
	mov R5, #00h	; встановлення початкового значення R5
	call Num2	; вибір відповідного значення в таблиці
	movx @DPTR,A	; видача ст. частини на індикацію
	mov A, #00h	; запис числа для виводу нуля в АСС
	cseg	; сегмент коду програми
start:	mov R3, #00h	; встановлення початкового значення R3
	mov R4, #00h	; встановлення початкового значення R4
	mov R5, #00h	; встановлення початкового значення R5
	movx @DPTR,A	; видача ст. частини на індикацію
; таблиця кодів клавіш
Num1:	inc A	; підпрограма переводить код клавіш в двійковий код чисел чи команд
	movc A,@A+PC
	ret
	db 000000b	; 0
	db 000001b	; 1
	db 000010b	; 2
	db 000011b	; 3
	db 000100b	; 4
	db 000101b	; 5
	db 000110b	; 6
	db 000111b	; 7
	db 001000b	; 8
	db 001001b	; 9
	db 001010b	; A
	db 001011b	; B
	db 001100b	; C
	db 001101b	; D
	db 001110b	; E
	db 001111b	; F
Code:	inc a	;підпрограма переводить двійковий код акумулятора в шістнадцятковий код ЖКІ
	movc a,@a+pc
	ret	; вихід з підпрограми
	db 11101110b	; 0
	db 01100000b	; 1
	db 00101111b	; 2
	db 01101101b	; 3
	db 11100001b	; 4
	db 11001101b	; 5
	db 11001111b	; 6
	db 01101000b	; 7
	db 11101111b	; 8
	db 11101101b	; 9
	db 00101111b	; A
	db 11101110b	; B
	db 11101101b	; C
	db 01101101b	; D
	db 11101101b	; E
	db 11100001b	; F

2.3 Принцип роботи пристрою

Більшість функцій пристрою реалізовано на програмному рівні. Робота пристрою організована наступним чином. При включенні SA1, напруга 220В надходить на трансформатор, після чого потрапляє на діодний міст VD1...VD4, де перетворюється в постійну напругу. Конденсатор С4 призначений для згладжування постійної напруги. Мікросхема DA1 стабілізує напругу для живлення МК (DD1). Конденсатори С5 і С6 згладжують пульсації.

Електрична принципова схема пристрою наведена на кресленні КП5.05010201.85.11.00Е3. Напруга 5В подається на мікроконтролер, після чого він запускається й виконує програму, починаючи з команди, записаної за адресою 2000h. Потім мікроконтролер зациклюється й очікує надходження переривання з таймеру Т/С0.

При надходженні переривання мікроконтролер, перш за все, сканує клавіатуру. Маска сканування видається на порт Р2 (сигнали BTN1, BTN2) і через дешифратор DD4 потрапляє на лінії клавіатури. Стан клавіш зчитується безпосередньо з порту Р1. Якщо була натиснута будь-яка клавіша, її двійковий код зберігається в регістрі R7, а потім виконується програмна затримка 0,1 мс для виключення ефекту деренчання контактів клавіш. Після затримки 0,1 мс лінії клавіатури скануються знову і визначається код натиснутої клавіші. При співпадінні кодів клавіш, що були натиснуті до та після затримки відбувається перетворення цього коду 16-ву систему числення. Після цього мікроконтролер візуалізує введене число на семисегментному індикаторі. Ці сигнали видаються через порт Р0 мікроконтролера. У процесі сканування клавіатури, виводу кодів через порти й візуалізації цифр таймер Т/С0 відключений, для того, щоб переривання від нього не вплинули на порядок виконання програми.

Після візуалізації цифри мікроконтролер активізує роботу таймеру і переходить в режим очікування переривання. Таким чином, програма зациклюється й виконується нескінченно до відключення живлення.

2.4 Розрахунок потужності, що споживається пристроєм

Одним з найважливіших показників електричних схем є потужність, що споживається.

Для розрахунку потужності, що споживається пристроєм, складемо таблицю 2.2, для чого скористаємось переліком елементів схеми KП5.05010201.85.11.00Е3.

Таблиця 2.2 – Вихідні данні для розрахунку потужності

Найменування елемента	Позиційне позначення	Потужність одного елемента Pi, мвт	Кількість елементів ni, шт	Pi · ni, мВт
AT89S8252 КР1533ЛИ1 КР537РУ17 К1533ИД4 МЛТ-0,125- 1 кОм МЛТ-0,125- 100 Ом МЛТ-0,125- 10кОм МЛТ-0,125- 4,8кОм	DD1 DD2 DD3 DD4 R1, R5, R6 R2 R3 R4	5,7		5,7

Потужність, що споживається пристроєм, розраховується за формулою:

,

де k – кількість типів елементів;

Рi – потужність, що споживається одним елементом i-того типу, Вт;

ni – кількість елементів i-того типу, шт.

Розрахуємо потужність, що споживається за допомогою калькулятора:

Р_У = 728,7 мВт

Р_У ≈ 0,73 Вт

I_У ≈ 0,15 А

ВИСНОВКИ

У результаті виконаного курсового проекту була розроблена клавіатури для вводу 8-и 16-вих чисел у МПС. При цьому були виконані всі вимоги технічного завдання. Були розроблені наступні розділи курсового проекту: огляд аналогічних схем, розробка алгоритму роботи пристрою, розробка електричної структурної схеми, вибір елементної бази, розробка програмного забезпечення й розрахунок потужності, що споживається пристроєм (0,73 Вт). Параметри пристрою задовольняють умовам технічного завдання на курсовий проект.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Сташин В. В. Проектування цифрових пристроїв на однокристальних мікроконтролерах. Москва Енергоатомиздат 1990. – 156с.

2. http://www. radiohobby.ru /klav_pc.htm

3. Е.Лепьохіна. Клавіатура для ПК с магнітокерованими мікросхемами. Радіоаматор, 10-1994, ст. 8.

4. Документація на МК фірми Intel MCS-51/151/251.http://www.inte!. com/design/mcs51/docs_mcs51.htm

5. Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцові генератори: Справ. посібник. М.: Радіо і зв'язок, 1984. – 232с.

6. Терещук Р. М. та інші. Напівпровідникові прийомо – підсилюючі пристрої: Довідн. радіолюбителя / Р. М. Терещук, К. М. Терещук, С. А. Сєдов. – 4-те видавн., стер. – Київ: Наук. думка, 1988. – 800с

7. Технічний опис універсальної керуючої мікроконтролерної системи (УКМС-2), 29стор.

8. Чиженко И. М. Довідник з перетворювальної техніки. К., «Техніка», 1978. – 447с

9. Сидоров И. Н. та інші. Малогабаритні трансформатори та дроселі: Довідник / И. Н. Сидоров, В. В. Мукосеев, А. А. Христінін. – М.: Радіо та зв'язок, 1985. – 416с.

10. Баюков А. В., Гитцевич А. Б., Зайцев А. А., Мокряков В. В., Пєтухов В. М., Хрулев А. К. Напівпровідникові прибори: Діоди, тиристори, оптоелектронні прибори. – 3-те видання, 1987. – 744Арк.

11. Нефедов А. В. Інтегральні мікросхеми та їх зарубіжні аналоги. Том – 1. 1999. – 511с.

12. http://www.Atel.ru/Power/Power%20supplu.htm/Power03.htm

13. Каспер Э. Програмування мовою Асемблера для мікроконтролерів сімейства i8051. – М.: Телеком, 2004. – 191 с.

Додаток А

Дата добавления: 2015-11-15