ИК приёмник на основе микроконтроллера Atmel

 

3 Схемотехническое проектирование

 

3.1 Разработка структурной схемы устройства

 

Первее всего в разработке структурной схемы необходимо определить устройство управления. Как было описано выше, для устройства управления будет использован микроконтроллер фирмы Atmel модели ATTiny.

Далее для приема инфракрасных сигналов необходимо использовать такое  устройство, которое могло бы отслеживать  не только цифровой сигнал, поступающий  в инфракрасном спектре, но и определять его частоту дискретизации и уровень яркости. Для этих целей может использоваться фотодиод. Сам инфракрасный сигнал подлежит усилению и преобразованию в цифровую форму данных.

Для вывода информации о  получаемых данных и о режимах  работы необходимо использовать жидкокристалический  дисплей со встроенным символьным контроллером. Диспелей должен выводить достаточно информации для легкого восприятия пользователем. А для ввода информации в устройство и его настройки, необходимо разместить на корпусе устройства несколько кнопок. Предварительно - это могут быть четыре кнопки: "влево", "вправо", "ввод", "выход".

Теперь можно оговорить  связь проектируемого устройства с компьютером. Связь с компьютером добавит устройству значительно больше функциональности. С помощю этой связи можно будет передавать на ЭВМ полученные данные от пульта управления. ЭВМ сможет сопоставить полученный код и среагировать соответственно. Также программа на ЭВМ может интерпретировать данные согласно установленному стандоарту.

В структуру связи  устройства с ЭВМ входят четыре звена - это "преобразоваетль уровней", интерфейс RS232, драйвер устройства (для системы Windows) и сама программа обработки поступающих от устройства сигналов.

Преобразователь уровней  может быть выполнен при помощи широко распространенной микросхемы (MAX232), которая преобразует стандартные TTL уровни напряжения в RS232. Также такие микросхемы имеют каналы, которые могут работать и в обратном направлении.

Все поступающие на СОМ  порт ЭВМ сигналы обрабатываются стандартным драйвером операционной системы windows xp. А обработку этих сигналов будет специальная программа при помощи вызова функций win API.

На рисунке 3.1 изображена схема структурная приемника инфракрасных сигналов.

Рисунок 3.1 –– Схема устройства функциональная

 

 

3.2 Разработка схемы электрической принципиальной устройства

 

 

3.2.1 Выбор модели микроконтроллера

 

Микроконтроллер должен обеспечивать слаженную работу всех функциональных узлов системы, но в  тоже время иметь малые размеры  и низкую цену для повышения конкурентноспособности устройства.

Таким образом для  управления всеми узлами устройства необходимо:

- 3 вывода для осуществления  связи устройства с ЭВМ, два  из которых настроены на прием  и передачу данных, а третий -- на срабатывание прерывания при  поступлении данных от ЭВМ;

- 3 вывода для приема  цифровых данных от последовательного  АЦП;

- 4 вывода для приема  данных от нажатия кнопок;

- 7 выводов для организации вывода данных на жидкокриталический модуль индикации.

Таким образом всего  как минимум необходимо 17 выводов от портов ввода-вывода. Для подбора модели микроконтроллера использовались три модели микроконтроллера фирмы Atmel. Эти модели могли бы обеспечить корректную работу устройства: ATtiny25, AT2313 и ATMega8. В таблицу 3.1 сведены все основные характеристики приведенных моделей.

Из приведенной таблицы  видно, что больше всего удовлетворяет  поставленным требованиям микроконтроллер  модели AT2313. Он обладает достаточной производительностью и достаточным количеством портов ввода-вывода, также его цена не снижает конкурентноспособность устройства.

Таблица 3.1 -- Список основных характеристик для выбора мо-дели микроконтроллера

Моедль МК	Количество выводов  портов	Тактовая частота, МГц	Цена модели, бел. руб.
ATtiny25	6	1	3000
AT2313	16	8	5000
ATMega8	21	8	10000

 

 

3.2.2 Назначение функциональных выводов микроконтроллера

 

Выше по тексту был  приведен список выводов, которые необходимо подключить к микроконтроллеру. На рисунке 3.2 приведена схема выводов микроконтроллера AT2313.

 

Рисунок 3.2 –– Эскиз выводов микроконтроллера AT2313

 

В приведенном эскизе AT2313 можно видеть два порта ввода/вывода - это порт PB и порт PD. Порт PB содержит 8 выводов, а порт PD содержит 7 выводов. Кроме этого приведенные выводы могут использоваться не только, как порты ввода/выда, но и как флаги возникновения прерываний, как индикаторы прерываний по таймеру, как вывод для внешнего тактирования таймера.

Для подключения микроконтроллера к ЭВМ необходимо три вывода, это: вывод №2 - PD0, вывод №3 - PD1 и вывод №6 - INT0. Выводы № 2 и 3 отсылают и принимают данные соответственно оперируют данными COM порта ЭВМ. Вывод микроконтроллера № 6 необходим для вызова прерывания при приеме стартового бита. Этот вывод по сути соединен выводом № 3 и работает синхронно с ним.

Для приема данных от последовательного аналого-цифрового преобразователя необходимо три вывода портов, это вывод № 7 - PD3, №8 - PD4, №19 - PB7.

Для вывода данных на жидкокристалический  модуль индикации необходимо 7 выводов, это выводы № 12, 13, 14, 15 - PB0, PB1, PB2, PB3 для отправки данных на ЖК модуль, выводы № 16, 17, 18 для синхронизации отправляемых данных.

Для ввода данных в  устройсто используется мини клавиатура с четырьмя кнопками. Для того, чтобы  адресовать одновременно четыре кнопки по всем правилам схемотехники необходимо 4 проводника.

Таким образом в итоге  описанного пункта всего необходимо 17 выводов портов ввода/вывода, но контроллер AT 2313 имеет всего 15 выводов портов. Решение этой проблемы более детально будет описано в следующих пунктах данного подраздела.

 

3.2.3 Схемотехническое проектирование узла микропроцессора

 

Так как главным узлом  разрабатываемого устройства является микропроцессор, то проектирование следует  начать именно с него. На рисунке 2.3 изображена схема включения микропроцессора  и подключение к нему основных информационных линий.

Рисунок 3.3 –– Схема включения микропроцессора и основные линии связи

 

Для успешной синхронной работы всех функций устройства необходимо использовать внешний времязадающий элемент для микропроцессора. К выводам 4 и 5 микропроцессора подключаются два конденсатора емкостью 22 пФ каждый, для мягкого запуска колебательного процесса. Кварцевый элемент задает частоту колебания. В данном проекте используется частота кварцевого генератора равная 8,867 МГц.

Также должна быть возможность повторной записи в микропроцессор программы работы устройства. Эта функция может быть полезной при улутшении эргономики устройства или при сбоях в нем. Для этого специлальные выводы микроконтроллера AT2313 выведены в специальный разъем. В класс таких выводов входят выводы: 1 - инверсный сигнал reset, 17 - сигнал "master output slave input", 18 - сигнал "master input slave output", 19 - сигнал синхроимпульса, 10 - уровень нулевого напряжения. На рисунке 2.4 изображена схема подключения разъема програмирования к общей шине микропроцессора.

 

Рисунок 3.4 –– Схема подключения разъема програмирования к шине микропроцессора

 

3.2.4 Проектирование программатора для устройства

 

Принципиальная схема программатора, использующая параллельный порт для передачи данных, показана на рисунке 3.5. Приведенная схема также снабжена шинным формирователем для защиты параллельного порта от кроткого замыкания.  В качестве шинного формирователя используется микросхема 74HC244 (ее оналог - К1564АП5), также для этих целей может использоваться любой другой неинвертирующий шинный формирователь с тремя состояниями (в этом случае может потребоваться соответствующее изменение схемы).

Светодиод VD1 индицирует режим записи микроконтроллера, светодиод VD2 - режим чтения, светодиод VD3 - наличие питания схемы.

Напряжение, необходимое  для питания схема берёт с  разъёма ISP, т.е. от программируемого устройства. Эта схема является переработанной схемой программатора STK200/300 (добавлены  светодиоды для удобства работы), поэтому  она совместима со всеми программами программаторов на ЭВМ, работающих со схемой STK200/300. Для работы с этим программатором используется программа "CVAVR" [14].

 

Рисунок 3.5 –– Схема программатора для микроконтроллеров AVR, а также для проектируемого устройтсва

 

 

3.2.5 Проектирование узла приемника инфракрасных сигналов и узла оцифровки аналогово сигнала

 

Как уже было описано  выше, для приема световых сигналов в инфракрасном спектре будет  использоваться фотодиод. Фотодиод может работать в фотодиодном и гальваническом режиме.

В фотодиодном режиме p-n переход смещается обратным напряжением  величина которого зависит от конкретного  фотодиода от единиц до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее  он будет работать, и тем больше токи через него будут проходить.

Недостаток фотодиодного режима в том, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени.

В фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается ни какое  напряжение, он сам становится источником ЭДС с большим внутренним сопротивлением.

Недостаток фотогальванического  режима заключается в ослаблении полезного сигнала с ростом уровня паразитной засветки но уровень шумов не растет, остается постоянным.

 

 

3.2.6 Проектирование модуля связи устройства с ЭВМ

 

На рисунке 3.5 приведена схема связи проектируемого устройства с ЭВМ. Как уже было описано выше, для связи устройства с ЭВМ используется COM порт ЭВМ. Однако для успешной передачи данных необходимо преобразовывать уровни напряжения COM порта и уровни напряжений ТТЛ логики.

Специально для этих целей разработана микросхема MAX232, которая преобразует, поступающее на нее напряжение Uвх= +5 В в напряжение двух полюсов: плюс 10 В и минус 10 В. Такие велечины напряжений формируются за счет выносных конденсаторов C1, C2, C3 и C4. По линии TXD поступает напряжение от микроконтреллера, затем оно приобразуется в уровни RS-232 и выводится на 14-й вывод микросхемы. Таким же образом поступающее напряжение уровня RS-232 приобразуется в ТТЛ уровни и поступает в цепь RXD.

 

 

Рисунке 3.5 –– Схема связи проектируемого устройства с ЭВМ

 

 

 

 

 

3.2.7 Проектирование клавиатуры для управления устройством

 

Для проектирования клавиатуры устройства необходимо использовать дешифратор, так как это позволит сэкономить два вывода портов на микроконтроллере.

На рисунке 3.6 приведена схема кнопочной клавиатуры для устройства. Приведенная схема имеет цепи для защиты от дребезга контактов, в эти цепи входят элементы R6 и C7; R7 и C8; R8 и C9; R9 и C10. Рассчитанные характеристики этих элементов длжны быть такими, чтобы устранить ошибочное срабатывание дешифратора DD5.

Расчет характеристик дребезгоподавляющих компонентов можно начать с предельно допустимого количества нажатий клавиши в секунду. Исходя из антропологических возможностей человека эту величину можно принять равной      10 раз в секунду. А это означает, что минимальное время удержания кнопки равно   T_наж.= 0.1 с. Таким образом переходные процессы в RC цепочке не должны проходить дольше, чем Т_пер.= 0.3*Т_наж.= 0.03 с.

В момент когда кнопка нажимается или отпускается срабатывает  переходной процесс в RC цепочке, благодаря этому процессу дребезг контакта не будет вызывать ложных срабатываний. Как было описано, необходимо сформировать переходные процессы от 0 до 2,5 В и от 5 до 0,5 В.

Для начала расчета выберем емкость конденсатора С= 22 нФ. Переходной процесс в представленной схеме пройдет за время:

Т=4τ=4*R*C. (3.1)

Из формулы 2.1 получаем номинал резистора:

R=T/(4*C)= 0.03/(4*22*10^-9)= 330 кОм.

Расчитанным номиналом  будут обладать резисторы R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8 и R9. А конденсаторы С7, С8, С9 и С10 будут обладать емкостьюю равной 22 нФ.

 

Рисунок 3.6 -- Схема кнопочной клавиатуры для устройства

 

3.2.8 Проектирование цепей питания и источника питания устройства

 

Для проектирования цепи питания и выбора источника питания необходимо знать основные параметры микросхем по потребляемому току и необходимому напряжению на входох питания. В таблице 3.2 приведены микросхемы, входящие в состав устройства, их токи потребления и необходимое напряжение питания.

 

Таблица 3.2 –– Основные параметры потребления микросхем, входящих в состав устройства

Модель микросхемы	Потребляемый ток	Напряжение питания
AT2313	200 мА	5
MAX232N	10 мА	5
MT-20S4(A)	1.4 мА	5
TSOP1736	5 мА	5
К555ИВ	5 мА	5