Цифровой частотомер

В итоге при помощи готового .hex файла, программатора и специализированной программы для прошивки микроконтроллеров «PonyProg», вшиваем программу в микроконтроллер.

Программа «PonyProg» достаточно проста и универсальна. Автором является Claudio Lanconelli. Работает данная программа с параллельным интерфесом LPT или с последовательным COM портом, к которым и подключается программатор со вставленным микроконтроллером.

PonyProg поддерживает следующие интерфейсы для связи с программируемым микроконтроллером:

• I²C;
• Microwire;
• SPI;
• Atmel AVR;
• Microchip PIC micro.

2.3.2 Система  команд PIC16F84

Микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X имеют простую и эффективную систему команд, состоящую всего из 35 команд. Каждая команда МК подгруппы PIC16F84 представляет собой 14-битовое слово, разделенное на код операции, и поле для одного и более операндов, которые могут участвовать или не участвовать в этой команде.

Таблица 1.4 - Система команд МК подгруппы PIC16F8X.

Команда	Значение
ADDWF f, d	Сложение W с f
ANDWF f, d	Логическое И W и f
CLRF f	Сброс регистра f
CLRW	Сброс регистра W
COMF f, d	Инверсия регистра f
DECF f, d	Декремент регистра f
DECFSZ f, d	Декремент f, пропустить команду, если 0
INCF f, d	Инкремент регистра f
INCFSZ f, d	Инкремент f, пропустить команду, если 0
MOVF f, d	Пересылка регистра f
Команда	Значение
MOVWF f	Пересылка W в f
NOP	Холостая команда
IORWF f, d	Логическое ИЛИ W и f
Команда	Значение
RLF f, d	Сдвиг f влево через перенос
RRF f, d	Сдвиг f вправо через перенос
SUBWF f, d	Вычитание W из f
SWAPF f, d	Обмен местами тетрад в f
XORWF f, d	Исключающее ИЛИ W и f
BCF f, b	Сброс бита в регистре f
BSF f, b	Установка бита в регистре f
BTFSC f, b	Пропустить команду, если бит в f  равен нулю
BTFSS f, b	Пропустить команду, если бит в f  равен единице
ADDLW k	Сложение константы  и W
ANDLW k	Логическое И константы и W
CALL k	Вызов подпрограммы
CLRWDT	Сброс сторожевого таймера WDT
GOTO k	Переход по адресу
IORLW k	Логическое ИЛИ константы и W
MOVLW k	Пересылка константы  в W
RETFIE	Возврат из прерывания
RETURN	Возврат из подпрограммы
SLEEP	Переход в режим SLEEP
SUBLW k	Вычитание W из константы
XORLW k	Исключающее ИЛИ константы  и W

 

Программу прошивки микроконтроллера на ассемблере можно найти в приложениях. Продолжение таблицы 4.1 Система команд МК подгруппы PIC16F8X.

2.4 Выводы

В данном разделе приведена структурная схема частотомера с подробным описанием. Точно определены серии радиоэлементов и микросхем, которые будут использованы в устройстве. Описаны их основные характеристики, параметры и правила подключения.

Так же описаны способы  программирования, последовательность шагов и используемое программное обеспечение. Приведена таблица системы команд микроконтроллеров серии PIC16F8x.

 

 

3 РЕАЛИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОНОЙ  СИСТЕМЫ

3.1 Принципиальная схема частотомера

Основные технические  характеристики разработанного частотомера:

• Диапазон измерения частоты: 0,0 до 999,9MГц;
• Шаг: 0,1MГц;
• Напряжение питания: 8 - 20В;
• Потребляемый ток: 80 - 120мA;
• Входное напряжение:10мВ;
• Период измерения: 0,082с;
• Обновление дисплея: 49Гц.

Принципиальная схема  частотомера изображена далее на рисунке.

Рисунок - Принципиальная схема частотомера

 

Основным преимуществом  является то, что прибор имеет мало разрядов в индикаторе, то есть не нуждается в какой либо настройке, малые габариты и возможность питаться от батареи. Все устройство собрано на основных микросхемах: стабилизатор напряжения, микросхема делитель, дисплей и микроконтроллер. Включается частотомер при подаче напряжения от батареи КРОНА или от сети через блок питания и все время остается во включенном состоянии.

Питание подается на разъём X1, после которого проходит через конденсатор С3, который является фильтром по питанию. Так как входное напряжение достаточно большое для питания всей схемы, используется микросхема стабилизатора напряжения D2, предназначенной для преобразования  питания из 9 в 5В. Далее питание распространяется на всю схему устройства.

Разъём X2 это высокочастотные щупы или как их называют в народе «крокодилы» из-за их внешнего вида. На щупы подается внешняя частота, которую нужно измерить, точнее подается переменное напряжение, частоту которого требуется измерить. Другими словами высокочастотные щупы представляют собой входное устройство, которое описывалось в структурной схеме. С2, С4 - отсекают постоянную оставляющую сигнала для защиты от помех. Выпрямительные  диоды VD1, VD2 - служат для защиты от превышения допустимого напряжения.

Другими словами С2, С4 и VD1, VD2 являются своего рода формирующим устройством устройства, который из входного переменного напряжения формирует короткие прямоугольные импульсы.

Схема  D2 - это делитель частоты, который используется для расширения диапазона   измерений, так как данный микроконтроллер не позволяет измерять частоту более 40 МГц. Сигнал с выхода делителя через конденсатор C6, используемый для управления ключом транзистора VT1,через одновибратор поступает на вход таймера счетчика микроконтроллера.

C6, VT1 и R1 - это одновибратор, который под действием входного импульсного сигнала вырабатывает одиночный импульс напряжения заданной длительности T0, другими словами служит для выработки сигналов поступающих на счётчик.

Импульс проходит на вход микроконтроллера RA4/TOCKI, который является входом через триггер Шмидта внешней частоты для внутреннего таймера- счетчика.

Микроконтроллер D3 собственно и осуществляет счет импульсов внешнего сигнала, обработку полученных значений, соответственно вшитой программы, и вывод результатов на дисплей.

C8, C9, B1 - тактовый генератор, который задаёт частоту микроконтроллеру. В схеме  B1 - кварцевый резонатор на 4 MГц, который значительно точнее и стабильнее.

 VT2, VT3, VT4, VT5 - это ключи, с помощью которых, микроконтроллер управляет светодиодными индикаторами, происходит так называемая динамическая индикация, о которой было рассказано выше.

Сопротивления R3, R4, R5, R6, R14 - предназначены для защиты портов от повышенного тока при управлении ключами транзистора.

R₇, R₈, R₉, R₁₀, R₁₁, R₁₂, R₁₃ - служат для ограничения яркости свечения светодиодных индикаторов, а также служат для защиты портов. [9]

3.2 Применяемые технологии изготовления печатных плат

При изготовлении печатных плат в зависимости от их конструктивных особенностей и масштабов производства применяются различные варианты технологических процессов, в которых используются многочисленные химико-технологические операции и операции механической обработки. Ниже приведена Но сначала хочу привести табличка для сравнения различных технологий изготовления плат.

Таблица - Сравнение технологий изготовления печатных плат

Технология	Достоинства	Недостатки
Рисование дорожек лаком или маркером	Простота и доступность – требуется только лак (маркер)	Качество рисунка зависит от мастерства мастера и твердости его руки, невысокая скорость работы
Лазерно-утюжная технология	Стабильность результата, время  изготовления не зависит от сложности, не требуются дефицитные материалы и оборудование	Невысокое, по современным меркам, разрешение, определенные сложности при создании двусторонних плат
Механическое вырезание дорожек	Исключена химическая обработка, при использовании автоматических станков можно очень быстро получать платы высокого разрешения	Очень дорогое для домашнего использования оборудование, а подручными средствами можно делать только довольно несложные платы
Фотографическое нанесение маски	Высокое качество в домашних условиях, возможность тиражирования, скорость не зависит от размера и сложности платы	Сложный техпроцесс, требующий многочисленных химикатов и специального оборудования

 

Как видно из таблицы, лазерно-утюжная технология является оптимальным из перечисленных вариантов по соотношению "сложность/качество" для работы над печатной платой частотомера.

В соответствии с ГОСТом (ГОСТ 23751-86) конструирование печатных плат следует осуществлять с учетом следующих методов изготовления:

• химического, для односторонних печатных плат;
• металлизация сквозных отверстий для многослойных печатных плат; 
• электрохимического для двухсторонних печатных плат;
• комбинированного позитивного, для двухсторонних печатных плат и гибких печатных плат.

Частотомер имеет одностороннюю печатную плату следовательно, печатную плату можно изготовить химическим методом.

Химические  методы при относительно простом  техническом процессе обеспечивают высокую электропроводность, равномерную  толщину проводников и высокую  прочность сцепления проводников  с основанием. Время химического воздействия на плату в процессе изготовления составляет примерно 25 мин. Основным недостатком химических методов является низкая прочность в местах установки выводов радиоэлементов, так как отверстия не металлизируются [4].

В качестве резиста  использовался припой. В растворах на основе хлорной меди производится травление. Что такое травление?

Травление - это  химический процесс, при котором  участки медной фольги, незащищенные резистом, удаляют с поверхности  основания, а участки, покрытые  резистом, сохраняются и образуют рисунок.

Химический  метод или еще так называемый метод травления фольгированного  диэлектрика состоит в следующем.

На медную фольгу, приклеенную к диэлектрику, наносят рисунок схемы проводников. Последующим травлением удаляется  металл с незащищенных участков и на диэлектрике получается требуемая электрическая схема.

 Основными  этапами при изготовление печатной платы являются:

• нарезка заготовки текстолита;
• подготовка поверхности;
• нанесение слоя фоторезиста;
• экспонирование;
• проявление схемы печатной платы;
• травление;
• удаление фоторезиста и краски;
• сверление отверстий;
• Механическая обработка;
• Маркировка;
• Нанесение эпоксидной эмали.

 Поверхности  фольги подготовляется щетками для получения шероховатой поверхность 2,5. Также проводят химическую очистку в щелочных растворах и промывку в дистиллированной воде.

На поверхность  фольги носят слой фоторезиста и производят его сушку в течение 120 мин при t 65°С.

Следующий этапом является облучение фоточувствительного материала светом, от рентгеновского до инфракрасного диапазона.

С помощью  фотошаблона с негативным изображением схемы, напечатанным на лазерном принтере, в светокопировальной ванне, осуществляется экспонирование. Проявление схемы состоит в вымывании растворимых участков фоторезиста, находящихся под темными местами негатива. Время проявления 2-3 мин.

Травление - это  процесс удаления слоя металла для  получения нужного рисунка схемы. Этот процесс включает в себя предварительную  очистку, собственно травление, очистку после травления и удаление фоторезиста. Механическая обработка платы заключается в фрезеровании по контуру и получении отверстий. Для удаления грязи и пыли плату обдувают.

Химические  методы при относительно  простом  техническом процессе обеспечивают равномерную толщину проводников, высокую прочность сцепления проводников с основанием  и их высокую электропроводность. Время химического воздействия на плату в процессе изготовления составляет примерно   25 мин.

Недостатком химического метода является низкая прочность в местах установки выводов, так как отверстие не металлизируется.

Теперь очень коротко  о том, как изготавливалась печатная плата устройства. Для её производства использовалась так называемая «лазерно-утюжная технология», в настоящее  время получившая распространение среди радиолюбителей. Плата сделана из текстолита.

Текстолит - это аналог гетинакса, только вместо бумаги использована стеклоткань. В результате плата  легче поддается обработке, и  стала менее хрупкой. Далее производится травление платы  в растворе хлорного железа.

Первый раз раствор готовится следующим образом: всыпается хлорид железа, мелкими порциями, в горячую воду. Для  создания раствора, травления в нем платы и ее хранения не подходит металлическая посуда. Рекомендуется использовать либо стеклянную, либо пластмассовую посуду.

Необходимо постоянно  помешивать раствор при добавлении порошка хлорного железа. Для первого  раза 3-4 столовые ложки хлорного железа на литр воды должно хватить. Даем раствору отстояться и остыть (на дне посудины осядет ржавчина, которая присутствует в хлорном железе), после чего аккуратно сцеживаем раствор, желательно профильтровать раствор через вату или марлю.  Раствор, собственно, для травления готов.