Электронный таймер фиксированных интервалов

Электронный таймер фиксированных интервалов

Свердловской области

государственное автономное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Свердловской области

«Уральский радиотехнический колледж им. А.С. Попова»

Электронный таймер фиксированных интервалов

Пояснительная записка к курсовому проекту по МДК 02.01

1. Разработка схемы электрической структурной

К проектируемому устройству электронный таймер фиксированных интервалов, в соответствии с техническим заданием, предъявляются следующие требования:

время выдержки 5,10,15,20,25,30 минут;

дискрет 1 минута;

индицировать установку времени;

по окончании времени выдержки формировать звуковой сигнал.

Таймеры предназначены, для формирования временных интервалов. Обычно пользователь устанавливает необходимый ему временной интервал (время выдержки таймера), а за тем таймер уменьшает это время с дискретом одна минута. Об окончании времени выдержки таймер должен информировать пользователя.

Таймер должен формировать временные интервалы одна секунда, одна минута, для этой цели можно использовать таймеры микроконтроллера. Для хранения временных интервалов 5, 10, 15, 20, 25, 30 минут необходима память. Для этих целей можно использовать оперативную память микроконтроллера или постоянную память данных микроконтроллера. Выбранное пользователем время выдержки, необходимо уменьшить и проверять, не стало ли оно равно нулю. Микропроцессор микроконтроллера способен выполнять арифметические операции и операции сравнения, под управлением программы. Порты ввода, вывода микроконтроллера позволяют подключать к нему различные устройства.

Использование микроконтроллера позволяет минимизировать аппаратную часть электронного таймера фиксированных интервалов.

Работа любой микропроцессорной системы должна синхронизироваться, поэтому необходим блок синхронизации. Период сигнала, формируемый блоком синхронизации, определяет такт микроконтроллера. электрический микроконтроллер резонатор транзистор

В соответствии с техническим заданием для проектирования таймер должен формировать фиксированные интервалы 5, 10, 15, 20, 25, 30 минут. Пользователь должен иметь возможность выбора одного из временных интервалов, для этих целей используется блок выбора времени выдержки.

Пользователь может не находится рядом с электронным таймером, для того, чтобы уведомить пользователя об окончании времени выдержки таймера, необходим блок звуковой сигнализации, который по окончанию времени выдержки будет формировать звуковой сигнал.

Для информирования пользователя об установленном времени выдержки, а так же об оставшемся до окончания времени выдержки таймера, используется цифровое табло.

Функции микроконтроллера:

управление блоком звуковой сигнализации;

управление цифровым табло;

взаимодействие с блоком выбора времени выдержки;

формирование временных интервалов;

хранение фиксированных интервалов.

Схема электрическая структурная электронного таймера фиксированных интервалов изображена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1- Схема электрическая структурная электронного таймера фиксированных интервалов

. Выбор элементной базы

.1 Описание микроконтроллера ATmega16

Наиболее подходящим является микроконтроллер ATmega16. В таблице 2.1 приведены параметры данного микроконтроллера.

Таблица 2.1 - Электрические параметра ATmega16

.1.1 Память микроконтроллера

Реализована гарвардская архитектура, что означает, что адресные пространства памяти программ и памяти данных разделены.

Память программ - постоянная flash память объемом 8Кслов. Разрядность ячейки 16 бит. Диапазон адресов 00000 - 01FFF. Рассчитана минимум на 10000 циклов стирания/записи. Память программ логически разделена на 2 секции:

Секция прикладной программы(0000-1F7F);

Секция загрузки(1F80-1FFF).

Секция загрузки нужна для программы загрузчика. Из этой секции программа может осуществлять изменения в памяти программ, может модифицировать собственный код и удалять себя из памяти, также может изменять область прикладной программы, этот режим называется самопрограмированием.

Если этот режим не используется, то прикладная программа может располагаться в области загрузчика

Память данных - это оперативная память, которая разделена на 3 части:

Регистровая память(0000-005F);

Статическое ОЗУ(0060-045F);

Энергонезависимая память.

Регистровая память содержит 32 регистра общего назначения(R0-R31), служебные регистры ввода/вывода(RWW), служебные регистры, регистры управления периферийными устройствами и т.д.

Статическое ОЗУ(SRAM) используется для хранения переменных. Объем 1Кбайт. Ячейкам SRAM можно присваивать имена директивой .equ

Энергонезависимая память(EEPROM). Объем 512 байт. Эта память располагается в отдельном адресном пространстве. Доступ к ней осуществляется с помощью определенныхRWW. Предназначена для долговременного хранения различной информации, которая может изменяться в процессе функционирования готовой системы.

.1.2 Микропроцессор

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Служит для выполнения логических и арифметических операций. Арифметические операции: ‘+’, ’-’, ’·’. К логическим операциям относят: дизъюнкция, конъюнкция, инверсия и исключающее ИЛИ.

.1 Разработка схемы электрической принципиальной блока синхронизации

Электронный таймер фиксированных интервалов предназначен для отсчёта фиксированных интервалов времени (минуты, секунды) и формирования звуковых сигналов по окончанию времени выдержки. Для обеспечения точного формирования временных интервалов следует использовать кварцевый генератор. Выбирается частота синхронизации микроконтроллера 4 МГц. Выбирается кварцевый резонатор HC-49S, технические параметры которого приведены в таблице 3.1[1].

Таблица 3.1 - Технические параметры кварцевого резонатора

Кварцевый резонатор подключаем к выводам XTAL1 и XTAL2 микроконтроллера. Для увеличения стабильности работы генератора подключаются два конденсатора C3 и C4 между выводом резонатора и общим проводом источника питания. Емкость конденсаторов 22 пФ [2]. Выбираются конденсаторы C3,C4 К10-17A-М47-22пФ ±10% Режимы работы кварцевого генератора, изображены в таблице 3.2 [3].

Таблица 3.2 - Режимы работы кварцевого резонатора

В конфигурационные ячейки CKSEL 3…1, для выбора режима работы “кварцевый генератор” загружается код 111, т.к. частота 4МГц принадлежит диапазону 3-8 МГц.

Для того чтобы размах колебаний на выходе был меньше напряжения питания и, для уменьшения потребляемого тока микроконтроллера конфигурационная ячейка CKOPT устанавливается в состояние 1.

Схема электрическая принципиальная блока синхронизации ZQ1, C3, C4 РК 09.02.03.343 19 Э3.

.2 Разработка схемы электрической принципиальной цифрового табло

Цифровое табло визуально информирует пользователя об окончании времени выдержки, и об установленном времени выдержки.

Для отображения оставшегося времени выдержки, используется 2 знакоместа, так как максимальное формируемое число 30. Для этого используется полупроводниковый индикатор, так как устройство может использоваться в недоступных местах и необходим хороший угол обзора и яркость свечения, по этому не подходит жидкокристаллический индикатор.

Если нужна индикация с несколькими цифровыми разрядами, приходится использовать динамическое управление. Динамическое управление индикаторами, экономит линии портов микроконтроллера и позволяет снизить ток потребления. Индикация цифр осуществляется поочерёдно, за счёт управления соответствующими разрядами порта, используемыми для выбора знакоместа. Для нормального функционирования индикатора микроконтроллер должен обеспечить достаточную частоту переключения знакоместа, которая должна быть незаметна для глаз человека (не менее 40 Гц) [4].

Выбирается индикатор DC56-11EWA, который имеет стандартную яркость (с увеличенным углом излучения), его технические параметры приведены в таблице 3.3 [5].

Таблица 3.3 - Технические параметры индикатора DC56-11EWA

Ток, протекающий через сегмент индикатора 10мА, не превышает максимальный вытекающий ток микроконтроллера 40мА, поэтому, сегменты индикатора A-G подключаются к линиям микроконтроллера PB0-PB6 через резисторы R10-R16. Резисторы ограничивают ток сегмента и линии микроконтроллера. Рассчитывается максимальный ток, протекающий через общий катод индикатора HG1.

 (3.1)

где  - прямой ток сегмента индикатора;

n - количество сегментов;

- максимальный ток, протекающий при свечении 7 сегментов.

Максимальный ток 70 мА, протекающий через общий катод индикатора HG1 превышает максимальный втекающий ток линии микроконтроллера 40 мА. Необходимо использовать усилитель тока - транзисторный ключ. Выбирается транзистор, у которого ток коллектора не менее 70мА, напряжение коллектор-эмиттер не менее напряжения питания схемы +5В. Выбирается транзистор КТ315В, его технические параметры приведены в таблице 3.4 [6].

Таблица 3.4 - Технические параметры транзистор КТ315В

Коллекторы транзисторов VT1-VT2 соединяются с общими катодами КА1,КА2 индикатора HG1. Базы транзисторов соединяются, соответственно, с линиями PC0, PC1 микроконтроллера через резисторы R17, R18. Эмиттеры транзисторов соединяются с общим проводом источника питания.

Линии РВ0-РВ6 настраиваются на вывод установкой в единицу разрядов 0-6 регистра DDRB. Линии РС0, РС1 настраиваются на вывод установкой в единицу разрядов 0,1 регистра DDRC. Семисегментный код символа формируется микроконтроллером и выдаётся на линии РВ0-РВ6. Выбор знакоместа осуществляется позиционным унитарным кодом, который микроконтроллер формирует и выдаёт на выходы РС0,РС1. Длительность выбора одного знакоместа 4 мс формируется таймером микроконтроллера. Расчёт схемы цифрового табло в разделе 6.

Частота переключения рассчитывается по формуле

 (3.2)

где  - время выбора знакоместа;

n - количество сегментов;

Схема электрическая принципиальная цифрового таблоR10-R18, VT1-VT2, HG1 РК 09.02.01 343 19 Э3.

.3 Разработка схемы электрической принципиальной блока звуковой сигнализации

По окончанию времени выдержки таймера целесообразно использовать звуковой сигнал. Для звуковой сигнализации необходимо использовать пьезоизлучатель со встроенным генератором. Выбирается пьезоизлучатель HCM1206X, его технические параметры приведены в таблице 3.5 [6]. Пьезоизлучатель не рекомендуется подключать на прямую к линиям микроконтроллера, так как неосторожный удар или падение прибора с высоты могут привести к генерации на обкладках пьезоизлучателя короткого электрического импульса, способного вывести из строя защитные диоды микроконтроллера. Сопротивление резистора выбирается из диапазона 100Ом - 300Ом [7].

Последовательно с пьезоизлучателем подключается резистор R2. Выбирается сопротивление резистора R2 150Ом. Выбирается резисторR2 C2-23-0,125-150Ом ± 5%.Линии РА7 микроконтроллера настраиваются на вывод информации установкой в 1 семисегментного разряда регистра DDRA.

Таблица 3.5 - Технические параметры пьезоизлучателя HCM1206X

Для включения звука, на выход РА7 микроконтроллера формируется высокий уровень сигнала (логическая единица), начинает работать встроенный генератор пьезоизлучателя BF1. Время звучания определяется микроконтроллером. По окончанию времени звучания, на выходе РА7 формируется низкий уровень (логический ноль), звук выключается.

Схема электрическая принципиальная блока звуковой сигнализации R2, BF1 РК 09.02.03 343 19 Э3.

.4 Разработка схемы электрической принципиальной блока выбора времени выдержки

Для выбора одного из временных интервалов нужно использовать кнопки с фиксацией. Выбирается кнопка PB-22E60, технические параметры приведены в таблице 3.6 [8].Нажатие кнопки выбирает временной интервал электронного таймера, приведённый в таблице 3.7. Для защиты входов микроконтроллера от статического электричества, подключаются подтягивающие резисторы R3-R8. Сопротивление резисторов выбирается 100 Ом [9].

Выбираются резисторыR3-R8C2-23-0,125-100Ом ± 1%.

Таблица 3.6 - Технические параметры кнопки PB-22E60

Кнопки SB2-SB7подключаются к выводам микроконтроллера РА0-РА5.Линии РА0-РА5 настраиваются на ввод.

Таблица 3.7 - Временной интервал выбирается кнопками

Линии портов РА0-РА5 настроены на вывод микроконтроллера.

Схема электрическая принципиальная блока выбора времени выдержки SB2-SB7, R3-R8, РК 09.02.03 343 19 Э3.

. Разработка программы

В таблице 4.1 перечислены переменные, используемые в программе.

Таблица 4.1 - Переменные, используемые в программе

После подачи напряжения питания к микроконтроллеру, происходит первичная инициализация микроконтроллера. В регистры ввода-вывода SPH и SPL загружается значение верхнего адреса внутреннего ОЗУ, для того чтобы проинициализировать стек, который в свою очередь будет обеспечивать корректный переход на подпрограмму и возврат из неё.

Затем линии РА0 - РА5 порта А настраиваются на ввод, линия RA7 на вывод загрузкой кода $80 в регистр DDRА. Для обеспечения высокого уровня напряжения на входах PA0 - PA5 при не нажатом состоянии кнопок SB1-SB6 подключаются подтягивающие резисторы PORTA загрузкой кода $3F6.

Линии РС0 - РС1 и РВ0 - РВ6 настраиваются на вывод, установкой в 1 разрядов регистров DDRC и DDR. Обнуляются РОНыind и ine.

Настройка таймера Т0 начинается с загрузки в OCR0 количества тактов, после которого микроконтроллер вызовет прерывание. Затем загружаем 1 в биты TOIE0 и OCIE0 регистра TIMSK для разрешения прерываний от таймера Т0.

Для того, что бы реализовать динамическую индикацию, необходим таймер для определения времени свечения одного знакоместа.

Рассчитывается такт микроконтроллера

,                                         (4.1)

где - длительность такта микроконтроллера, мкс;

 - частота микроконтроллера, МГц.

.

Рассчитывается коэффициент деления для формирования длительности сигнала 4мс:

,                                                (4.2)

где  - коэффициент деления;

 - время задержки, мкс;

 - длительность такта микроконтроллера, мкс.

Рассчитывается коэффициент деления таймера Т0_.

                                        (4.3)

где  - коэффициент деления таймера, т;

 - коэффициент деления, т;

 - коэффициент деления предделителя.

Так как таймер Т0 будет работать в режиме сравнения, необходимо загрузить число 250 в регистр сравнения OCR0.

Разрешается прерывание таймера Т0 в режиме совпадения CTC, установкой бита OCIE0 в регистр TIMSK. Структура регистра TIMSK приведена в таблице 4.2

Таблица 4.2 - структура регистра TIMSK

После разрешения прерываний от таймера Т0, меняется режим работы на CTC(режим по совпадению), загрузкой в TCCR0 код 00001011. Структура регистра TCCR0 приведена на рисунке 4.1

Рисунок 4.1 - Структура регистра TCCR0

Биты CS02, CS01, CS00 (ClockSelect) - определяют источник тактовой частоты для таймера Т0 и задают коэффициент предделителя. Все возможные состояния описаны на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Состояния битов CS02 - CS00

Биты WGM10, WGM00 (WaveGeneratorMode) - определяют режим работы таймера-счетчика Т0. Их состояния приведены на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - Состояния битов WGM10, WGM00

Настройка таймера завершена и остается только установить флаг I в регистре SREG.

После инициализации микроконтроллера начинается опрос кнопок если на линии РA1 появится низкий потенциал, т.е. кнопка SB1 нажата, то в регистры MINE и MIND загрузится количество минут, которое нужно отсчитать(выбирается в зависимости от нажатой кнопки). Загружаем в регистры OCR1AH и OCR1AL количество тактов. Выбираем режим в TCCR1B номер режима и коэффициент деления. После чего таймер начинает работу. Выводим значение MINE и MIND на индикатор. Ждем прерывания от таймера и вычитаем единицу из MINE, выводим новое значение на индикатор. После того, как MINE и MIND станут равными 0, подается звуковой сигнал. И микроконтроллер возвращается к опросу кнопок.

Для формирования таймером Т1 1 секунды будет использоваться режим сброса по совпадению. Расчет значения загружаемого в регистр сравнения OCR1.

Рассчитывается длительность такта микроконтроллера:

,                                         (4.4)

где - длительность такта микроконтроллера, мкс;

 - частота микроконтроллера, МГц.

.

Рассчитывается количество тактов микроконтроллера для формирования длительности сигнала 1 секунда:

,                                            (4.5)

где N - количество тактов микроконтроллера;

 - время задержки, мкс;

 - длительность такта микроконтроллера, мкс;

.

Шестнадцатиразрядный таймер T₁ имеет максимальный коэффициент деления 65536, необходимо использовать предварительный делитель. Выбираем коэффициент деления 64. Рассчитывается частота сигнала на выходе предварительного делителя.

,                                              (4.6)

 - частота микроконтроллера, МГц;

 - коэффициент деления предделителя;

.

Рассчитывается период сигнала на выходе предделителя.

,                                                (4.7)

где  - длительность такта на выходе предделителя, мкс.

,

Рассчитывается коэффициент деления таймера Т_1.

,                                                 (4.8)

.

. Описание работы устройства

Подаем питание на микроконтроллер, инициализируем стек, настраиваем входы микроконтроллера. Вход PA0 - PA5 настраиваем на вход, PA7 настраиваем на выход, PB настраиваем на вход, PC0,PC1 настраиваем на выход. На вход RESET подключаем подтягивающий резистор. Настраиваем внешнее прерывание INT0 по спаду импульса и разрешаем его. Обнуляем регистры IND, INE, MINE, MIND, V и гасим индикация путем подачи нуля на порты PC. Далее настраиваем таймер Т0 для динамической индикации, который формирует 4мс.

Для того, что бы частота мерцания была не заметна для глаза человека. При поступлении внешнего прерывания INT0 программа переходит вобработчик, проверка младшего и старшего разрядов на 0 и в последующем счет в 2-10 коде. Также в этом обработчике запускается таймер Т1, который формирует временной интервал, необходимый для формирования 1 секунды. После этого, программа переходит в обработчик для Т1, в котором запрещаются все прерывания, переносится содержимое регистров счета MINE, MIND в регистры индикации IND, INE соответственно и переходит в обработчик индикации. В этом обработчике загружаются адреса начала массива кодов, после чего проверкой регистра V на ноль, выбирается знакоместо. В зависимости от того, какое знакоместо выбрано, открывается нужный транзистор VT1 или VT2, отображение десятков и единиц соответственно. И в конце обработчика после отображения нужной цифры, увеличивается значение регистра V на единицу и идет выход из обработчика.

На входы XTAL1 и XTAL2 подключается резонатор кварцевый и два конденсатора для обеспечения большей стабильности нашего устройства.

Вход VCC и Reset подключаются питанию. На вход Reset подключается резистор.

На вход PA0 - PA5 подключается кнопки, для выбора нужного временного интервала, через резистор.

На вход PA7 подключается пьезоизлучатель, для формирования звуковых сигналов, по истечению времени выдержки, через резистор.

Вход GND подключается на землю.

. Расчетная часть

.1 Расчет фильтров по питанию

При переключении микросхем устройства в цепи питания возникают низкочастотные и высокочастотные помехи. Чтобы исключить низкочастотные помехи при монтаже микросхем на печатную плату, необходимо предусмотреть вблизи разъема установку развязывающего конденсатора ёмкостью не менее 0,1 мкФ на одну интегральную микросхему.

Рассчитывается ёмкость конденсатора С1 по формуле

 (6.1)

где С - ёмкость конденсатора 0,1 мкФ;

n - количество ИМС на печатной плате.

Выбирается ёмкость конденсатора 47 мкФ. Выбирается конденсатор С1 К50-35-16B-47мкФ±10%.

Для исключения высокочастотных помех при монтаже микросхем на печатную плату устанавливаются развязывающие конденсаторы ёмкостью не менее 0,002 мкФ на одну интегральную микросхему.

Конденсаторы рекомендуется размещать по площади печатной платы из расчета один конденсатор на группу не более чем десять микросхем.

Рассчитывается ёмкость конденсатора С2 по формуле

 (6.2)

где С - ёмкость конденсатора 0,002 мкФ;

n - количество ИМС на печатной плате.

Выбирается ёмкость конденсатора 0,1 мкФ. Выбирается конденсатор С2 К10-17A-H90-0,1мкФ±10%.

.2 Расчет цифрового табло

Технические параметры индикатора DC56-11EWA приведены в таблице 6.1 [10].

Технические параметры транзистора KT315B приведены в таблице 6.2 [11].

Таблица 6.1 - Технические параметры индикатора DC56-11EWA

Таблица 6.2 - Технические параметры транзистор КТ315В

Сопротивление резисторовR10 - R16 рассчитывается по формуле

, (6.3)

где R - сопротивление резистора;

 - напряжение насыщения коллектор-эмиттер, B;

 - напряжение высокого уровня на выходе микроконтроллера, B;

 - прямое падение напряжения сегмента индикатора;

Iпр- прямой ток сегмента.

Выбирается сопротивление резисторов 180 Ом.

Рассчитывается мощность, рассеиваемая на резисторе R:

, (6.4)

.

Выбираются резисторы R10-R16 C2-23-0,125-180Ом ± 10%.

Рассчитывается ток базы по формуле

(6.5)

где К_нас - коэффициент насыщения;

- статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером;

 - ток коллектора;

 - ток базы.

Рассчитывается сопротивление резистора R в цепи базы по формуле

, (6.6)

где  - напряжение высокого уровня на выходе микроконтроллера;

 - напряжение насыщения база-эмиттер.

Выбирается сопротивление резистора 5,1кОм

Рассчитывается мощность, рассеиваемая на резисторе R:

, (6.7)

Выбираются резисторы R17, R18 C2-23-0,125-5,1кОм ± 10%.

Список используемых источников

1. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры семейства Mega. Руководство пользователя. - М.: ДМК Пресс, 2015

. http://www.ect.ru/catalog.phtml?item=6/47/213/1/133

. https://www.chipdip.ru/product/al307bm

. http://naladchikkip.ru/spravochnik/142en5

. http://gderadiodetali.ru/magaziny-radiodetaley/radiodetali-v-ekaterinburge

. https://www.youtube.com

. http://www.promelec.ru/radiodetali/

. http://radioelek.ru/product/radiodetali