Разработка структурной схемы устройства

Содержание
Задание к курсовой работе
Введение
1.Техническое задание
2. Разработка структурной схемы устройства
3. Разработка принципиальной схемы устройства
4. Настройка часов и будильника
Заключение
Список используемых источников

Задание к курсовой работе
1. Спроектировать микропроцессорное устройство “цифровые часы с будильником”, реализующее следующие функции: вывод данных на светодиодный дисплей, будильником с функцией повтора, функцией восстановления работы после отключения питания.
2. Собрать принципиальную демонстрационную схему в Proteus
3. Разработать программу для микроконтроллера

Введение
Цифровые устройства прочно заняли свою нишу в сфере автоматизации различных процессов человеческой деятельности. Дело том, что большинство задач автоматизации сводится к выполнению так называемых алгоритмов с ветвлением, когда при некоем условии следует выполнить определенное действие , а в противном случае - иное действие. Автоматические устройства, содержащие в своем составе только цифровые схемы, безупречно справляются с этой задачей. .Наиболее эффективными для автоматизации различных процессов на производстве и в быту оказались микропроцессорные системы. Микропроцессорные системы обладают свойством универсальности. Иными словами, схема устройства управления на микропроцессорной системе, будь-то контроллер стиральной машины, микроволновой печи, духового шкафа или часы, не претерпит существенных изменений. Поменяется только программа микропроцессорной системы и, разумеется, то, что будет к ней подключаться для управления (периферийные устройства).
В настоящее время микропроцессорные системы получили бурное развитие и выпускаются, в том числе (и преимущественно) и на одном кристалле. Это еще больше упрощает схему устройства управления, так как по сути оно содержит только одну микросхему и типовые элементы обвязки (схему тактирования, кнопки и т.д.) Микропроцесорная система на одном кристалле получила название однокристальной микроЭВМ или микроконтроллера и наиболее проста в программировании. Более того, применение микроконтроллеров не отменяет их дополнение «внешними» цифровыми схемами для получения максимальной эффективности работы.
Успешной областью применения микроконтроллеров является создание различных часовых устройств (часы, часы-будильники, таймеры, программные автоматы выполнения действий по расписанию, например, автоматы подачи звонков, автоматические кормушки и т.д.). Обусловлено это (помимо очевидного факта – микроконтроллер – это всего одна микросхема) тем, что большинство микроконтроллеров содержат в своем составе элементы, позволяющие реализовать часы без дополнительного «апгрейда» - внутренние делители (таймеры счетчика), порты ввода-вывода с большим количеством линий (что идеально подходит для подключения индикаторного устройства на основе семисегментного индикатора, имеющего не менее 11-ти линий). Помимо этого, данный микроконтроллер содержит двухпроводной интерфейс, позволяющий подключить . «датчик времени», необходимый для часов.
Данная курсовая работа посвящена проектированию часов-будильника на основе микроконтроллера Atmega8. Одно из основных требований к проектируемому устройству – простота, поэтому для проектирования часов-будильника будем использовать все перечисленное выше – индикатор будет подключаться непосредственно к микроконтроллеру, для отсчета интерфалов времени будет использоваться синхронизация микроконтроллера и таймер-счетчик.
Применение микрокотроллера Atmega8 дает известные преимущества перед другими микроконтроллерами, например, семейства PIC. Обусловлено это как наличием мощной поддержки данного микроконтроллера (созданы несложные и хорошо документированные среды программирования для микроконтроллеров семейства MEGA, например CodeVision AVR,Arduino), так и минимальными техническими требованиями, необходимыми для начала работы с данным МК (для его программирования достаточно несложного программатора, содержащего около 7-ми пассивных элементов, по умолчанию микроконтроллер работает без внешней синхронизации, от внутреннего тактового генератора, контроллер допускает значительное количество циклов перезаписи – смены программного обеспечения).
Моделирование собранного устройства будем выполнять в с реде моделирования Proteus 8.0

1. Техническое задание
Согласно заданию на проектирование нам необходимо разработать электронные часы на основе микроконтроллера. В качестве управляющего микроконтроллера следует применить микроконтроллер Atmega8 компании Atmel. Управление часами следует сделать клавишным с минимальным количеством клавиш. Для этого вызываемые функции должны соответствовать не только нажатию конкретной клавиши ,но и длительности нажатия , либо нажатию сочетаний клавиш, последовательности нажатия и т.д. Например, нажатие двух клавиш одновременно может позволить последовательно «войти» в режим установки часов и минут текущего времени, а также часов и минут времени срабатывания будильника.
Отображение времени должно вестись на простом, ярком для прочтения индикаторе в форме, максимально удобной для восприятия. Для этой цели неплохо подходит применение светодиодного семисегментного индикатора. В отличии от жидкокристаллического (имеющего рекордно низкие показатели энергопотребления) индикатора светодиодный обладает лучшей читаемостью в затененном помещении, на удалении, при низких температурах. В отличии от газоразрядных, а также люминесцентных (широко применяемых в часах из эргономических и эстетических соображений) индикаторов светодиодный индикатор не требует специальных напряжений питания и может обходиться без «драйверов» (формирователей управляющих напряжений), управляясь непосредственно от микроконтроллера. Более того, организовать управление светодиодным индикатором непосредственно от контроллера проще ,чем жидкокристаллическим, так как он не требует специального импульсного напряжения «засветки».
В качестве датчика времени необходимо применить отдельную микросхему часов реального времени с автономным питанием от батареи, так как это позволит сохранить «ход часов» при пропадании напряжения питания. Кроме того, это позволит обеспечить довольно высокую точность хода часов, так как выпускаемые промышленностью микросхемы ЧРВ обладают достаточно высоким параметром «точность хода часов»;
На основании изложенного сформулируем базовые технические требования к разрабатываемому устройству:Формат отображаемого времени: чч/мм;
Тип устройства отображения информации («циферблата»): семисегментный светодиодный индикатор;
Количество одновременно (для пользователя) отображаемых разрядов: 4;
Способ управления: клавишное;
Тип клавишного управления: совмещенное (действия определяются не только нажатой клавишей, но и сочетанием клавиш, длительностью нажатия на клавишу);
Число управляющих клавиш: 2;
Датчик времени: внешний, использующий автономный источник электропитания (батарею);
Дополнительные функции: будильник с многократным срабатыванием;
Диапазон питающих напряжений, В: 7..12;
Точность хода, сек/сут не хуже: 0,02;
Потребляемый ток не более, мА: 200.
Микроконтроллер Atmega8 довольно часто используется в радиолюбительских схемах, сделан он с использованием технологии CMOS на AVR RISC архитектуре. За один такт выполняется одна инструкция, на микроконтроллере ATmega8 достигается производительность в 1MIPS на МГц, и тем самым достигается наиболее оптимальная производительность и потребляемая энергия.
Технические характеристики Atmega8 и Atmega8L таковы:
8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением
Прогрессивная RISC архитектура ;Число высокопроизводительных команд, 130, большинство команд выполняется за один тактовый цикл
Число 8-разрядных рабочих регистра общего назначения 32;
Тип работы: статический;
Диапазон рабочих частот для AtMega8,МГц: 0..16;
Диапазон рабочих частот для AtMega8L,МГц: 0..8;
Диапазон питающих напряжений для AtMega8,В: 4,5..5,5;
Диапазон питающих напряжений для AtMega8L,В: 2,7..5,5;
Число программируемых линий ввода вывода:23;
Варианты синхронизации (Clock): внутренняя от внутреннего генератора, внутренняя от внешних тактирующих цепочек, внешняя;
Максимальная производительность (на частоте 16 МГц).MIPS:16;
    Встроенный 2-цикловый перемножитель ;Объем энергонезависимой памяти программ и данных, Кбайт:8;
Число циклов стирания/записи, не менее:100000;
    Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки;
      Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write) ;Емкость EEPROM, Байт: 512;
Емкость SRAM, Байт: 1024;
    Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя;
Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения;
Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения;
Счетчик реального времени с отдельным генератором
Число каналов PWM (ШИМ):3;
Разрядность встроенного АЦП (Для Atmega8):10;
Число каналов АЦП:6;
 Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс TWI (IIC);
Программируемый последовательный USART;
Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый);
Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором;
На рисунке 1.1 показано расположение выводов микроконтроллера ATmega8, а на рисунке 1.2 схема микроконтроллера.

Рисунок 1.1 – Расположение выводов микроконтроллера ATmega8
Рисунок 1.2 – Структурная схема микроконтроллера ATmega8

2. Разработка структурной схемы устройства
Структурная схема проектируемого часового устройства определяется техническими требованиями. Центральным элементом схемы будет являться управляющий микроконтроллер, включенный по типовой схеме включения. В качестве датчика времени будет использована микросхема часов реального времени(ЧРВ), имеющая свой независимый источник питания (гальванический элемент с напряжением 3 В - «часовую батарейку»). Для управления часами (настройка текущего времени и времени срабатывания будильника) будет применена клавиатура. Текущее время будет отображаться на четырехразрядном семисегментном светодиодном индикаторе (Семисегментныый СИД – 4 разряда). Для подачи звукового сигнала будет использован зуммер (пьезодинамик).
Схема, составленная с учетом изложенных соображений, приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Структурная схема проектируемых часов-будильника
Функции блоков:
Как видно из рисунка 2.1, все устройство строится вокруг управляющего микроконтроллера AtMega8. Семисегментный дисплей подключен к нему через шину шириной 11 линий. Четыре из них используются для перебора разрядов (в режиме динамической индикации), 8 – для отображения знаков. Для отображения цифры достаточно 7 линий, но 8-ая используется для индикации десятичной точки, которой можно обозначить активность включенного будильника, например.
Часы реального времени (ЧРВ) подключены по шине шириной 2 линии. Это двунаправленная шина IIC. Клавиатура состоит из 2-х кнопок, на каждую кнопку используется одна линия – итого 2 линии. Для подключения зуммера используется одна линия.
Таким образом, всего используется 8+4+2+4+2=16 линий микроконтроллера AtMega8, что меньше, чем максимально возможное число этих линий (24 линии).

3. Разработка принципиальной схемы устройства
В соответствии с разработанной в пункте 2 структурной схеме составляем принципиальную схему устройства. При этом руководствуемся следующими соображениями.
Во-первых, поскольку в часах будет использоваться собственный источник времени, то усложнять схему микроконтроллера внешней цепочкой синхронизации нецелесообразно. Однако, так как требуется поддержка питания 7-12 В, а МК следует питать напряжением, лежащем в диапазоне 4,5..6,5 В, то применим интегральный стабилизатор напряжения ,выдающий напряжения 5 В. От него же запитаем и ЧРВ. Также предусмотрим меры по защите от неправильного подключения (перепутанной полярности источника питания).
Микросхему часов реального времени включим в соответствии с типовой схемой включения. Для подключения микросхемы к контроллеру по IIC используем подтягивающие резисторы.
Во-вторых, все сегменты семисегментного индикатора, а также зуммер включим через токоограничивающие резисторы. Это снизит ток, протекающий через эти элементы и существенно продлит срок службы часов.
В третьих, клавиатуру (кнопки) подключим без использования подтягивающих резисторов, однако при этом необходимо программно задействовать внутренние подтягивающие резисторы микроконтроллера.
Схема, составленная с учетом изложенных соображений, представлена на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема цифровых часов с будильником
Опишем принципиальную схему устройства и работу разработанного устройства по его принципиальной схеме. Как видно из рисунка 3.1., в роли управляющего микроконтроллера выступает микроконтроллер DD1 (ATmega8),микросхема DD2 (PCF8583) является часами реального времени (ЧРВ) и служит источником (датчиком) времени в данных часах.
Она подключена к линиям PC4-PC5 DD1 (выводы 27,28 микроконтроллера) по типовой схеме подключения IIC через подтягивающие резисторы R15,R16.
Микросхема имеет внешнюю частотозадающую цепочку на кварце Q1 с резонансной частотой 32768 Гц. Именно этот кварц обеспечивает необходимую точность хода часов. Конденсатор C1 емкостью 22 пФ обеспечивает надежный запуск генерации тактового генератора микросхемы ЧРВ.
При отключенном напряжении питания часов микросхема ЧРВ продолжает свою работу, питаясь от батареи Bat. Конденсатор С2 обеспечивает фильтрацию помех в цепи автономного (от батареи) питания микросхемы ЧРВ. Диод VD3 обеспечивает защиту от неправильного подключения батареи, а диоды VD1,VD2 – защиту от неправильного подключения источника питания.
Микросхема DA1 (интегральный стабилизатор 7805) формирует требуемое для работы DD1 и DD2 напряжение питания 5 В, а конденсаторы С3-С7 обеспечивают фильтрацию помех по питанию.
Индикация времени осуществляется на четырехразрядном семисегментном светодиодном (СИД) индикаторе HG1. Для ограничения тока в цепях разрядов и сегментов включены резисторы R1-R4 номиналом 10 КОм и R5-R12 номиналом 100 Ом. Зуммер PZ подключен через токоограничивающий резистор R17 номиналом 100 Ом к линии микроконтроллера PC1, настроенной как выход. Кнопки SA1,SA2 подключены непосредственно к линиям PC2,PC3,настроенным как входы. Как уже было сказано, внешние подтягивающие резисторы для кнопок отсутствуют, так как задействованы внутренние (встроенные в микроконтроллер).
Работа схемы происходит следующим образом. При корректной подаче напряжения на микросхему DD2 и запрограммированный МК DD1 диоды VD1-VD3 открываются, ЧРВ начинает отсчитывать время, а микроконтроллер выполнять программу. Если полярность перепутана, то соответствующий диод не откроется (часы работать не будут и потребуется поменять полярность). Далее микроконтроллер обратится к ЧРВ ,считает время и отобразит его на HG1, путем зажигания соответствующих сегментов индикатора. Если программа решит, что считанное время соответствует времени срабатывания будильника, то будет выдан звуковой сигнал на зуммер. При нажатии кнопок на соответствующих линиях МК установится 0, и МК расценит это как необходимость программной реакции на нажатие.
Далее, после разработки и описания работы аппаратной части устройства перейдем к разработке и описанию программной части (управляющей программы, «прошивки»), непосредственно определяющей алгоритм функционирования часов.
4. Описание работы программной части устройства и его моделирование в Proteus 8 Professional
Управляющая программа работает следующим образом. После сборки часов и программирования микросхемы необходимо выполнить первоначальную установку ЧРВ. Пользователь видит на дисплее «приглашение» к первичному вводу – 4 цифры 0. Это означает, что микросхема ЧРВ «чистая», связь с ней есть и надо ввести время. Кнопкой SB1 вводим часы, а кнопкой SB2 – минуты. Длительное нажатие на кнопку приводит к тому, что соответствующее значение инкрементируется. Далее, нажав на две кнопки, переходим в режим установки будильника. Об этом будут свидетельствовать 4 точки, загорающиеся одновременно. Также вводим значение. Переход в режим часов осуществляем повторным нажатием двух кнопок.В этом случае видим текущее время и мигающую десятичную точку между часами и минутами. Повторный вход в режим установки осуществляется одновременным нажатием SB1,SB2. В этом случае точка будет, но она не будет мигать. Корректируем время часов и время будильника.
При срабатывании будильника пользователь может нажать на одну кнопку (любую). В этом случае будильник перестанет звенеть ,но через пять минут сработает вновь. Чтобы отключить повтор, пользователь должен нажать обе кнопки (эти действия требуют уже некоторого напряжения, так что дают гарантию, что пользователь проснется). Отключить зуммер при необходимости можно аппаратно, введя в схему тумблер, отключающий зуммер от линии контроллера.
Работа часов протестирована в Proteus 8 Professional (рисунок 4.1)

Рисунок 4.1 – Пример работы цифровых часов в Proteus 8 Professional – первое включение, приглашение для начальной установки

Заключение
В результате выполненной была проведена разработка устройства «Часы с будильником на основе микроконтроллера» на уровне схемы электрической принципиальной. Кроме того, была разработана программная часть устройства, а также было выполнено его моделирование.
Основными узлами разработанного устройства являются микроконтроллер Atmega8, который выполняет обработку полученных данных и управляет семисегментным индикатором, на который выводятся необходимые данные.
Работоспособность программы и устройства проверена с помощью системы SCADA-системы Proteus 8 Professional, ориентированной на эмуляцию работы различных микропроцессорных систем.
Разработанные часы можно использовать по прямому назначению. как в бытовых условиях, так и в различных учреждениях, а после некоторой доработки можно использовать их как первичные часы на производстве (в этом случае в каждом производственном помещении размещается табло «вторичные часы», а разработанное часовое устройство используется как датчик времени для всех этих табло), доработав таким образом, чтобы к часовому устройству можно было подключить несколько табло (например, с использованием интерфейса 1-wire).
Список используемых источников
Microchip [Электронный ресурс] //. URL: https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega8 (дата обращения: 27.05.2021).
Микроконтроллер Atmega8 [Электронный ресурс] //. URL https://radio-magic.ru/microcontrollers/381-mikrokontroller-atmega8 (дата обращения: 27.05.2021).
PCF8583 [Электронный ресурс] //. URL https://static.chipdip.ru/lib/249/DOC000249315.pdf (дата обращения: 27.05.2021).
ATmega8, ATmega8L 8-разрядные микроконтроллеры с 8 Кбайтами внутрисистемно программируемой Flash памяти [Электронный ресурс]//. URL http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Atmel/micros/avr/atmega8.htm (дата обращения 27.05.2021 г.).