Разработка солнечных часов (стр. 3 из 11)
Эволюция солнечных часов шла бок о бок с развитием математики и астрономии. Однако многие века искусством создания солнечных часов владели только мастера, знакомые с гномоникой. С 14-го по 18-е столетие многие ремесленники проявили изобретательность и мастерство в изготовлении карманных солнечных часов высокой точности, ставших жемчужинами часового искусства.
Появление механических часов не упразднило вплоть до 18 в. использование солнечных часов для хранения времени.
Рисунок 1.3 – Садовые солнечные часы
Изготовители солнечных часов шли в ногу с конструкторами механических часов, изобретая солнечные приборы для определения «среднего времени». Когда было введено «поясное время», солнечные часы приспособили и для этого. (Поясное время – это среднее солнечное время на определенном меридиане.) В конце 19-го и начале 20-го столетий было сделано много очень точных солнечных часов для определения поясного времени, названных гелиохронометрами.
Постройка часов. Чтобы от солнечных часов была польза, их нужно сооружать в подходящем месте. Должна быть известна широта места, а также положение относительно горизонта и меридиана той площадки или поверхности, на которой будут нанесены часовые линии.
2 РАЗРАБОТКА СОЛНЕЧНЫХ ЧАСОВ
2.1 Постановка задачи
Требуется разработать устройство, предназначенное для определения времени, напоминающее принцип солнечных часов.
Разработка устройства будет вестись с учётом следующих требований:
- простота схемы (минимальное количество компонентов);
- функциональная насыщенность, многообразие регулируемых параметров;
- устойчивость к изменениям напряжения и температуры, долговечность;
- низкое энергопотребление.
Это простой проект солнечных часов, в которых в роли стрелки выступает лазерный луч. Сам лазер устанавливается на сервоприводе с дистанционным управлением, который в свою очередь управляется микроконтроллером (Рис.2.1). Микроконтроллер ведет отсчет времени и соответствующим образом дает команды на поворот сервопривода.
Будучи очень простым по дизайну, это устройство делает именно то, что задано проектом и содержит минимально возможное количество деталей.
2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации
Структурная схема разрабатываемых солнечных часов приведена на рис. 2.2.
Рисунок 2.1 – Солнечные часы на микроконтроллере и лазерной указке
 |
 |
ЛЛ
Рисунок 2.2 – Структурная схема солнечных часов
На рисунке 2.2 приняты условные обозначения:
МК – микроконтроллер;
КР- кварцевый резонатор;
УПТ- усилитель постоянного тока;
ДВ – двигатель;
ЛУ – лазерная указка;
ЛЛ – лазерный луч;
ИП – источник питания;
КУ- кнопки управления.
Функциональная спецификация:
1.Входы
а. 3 кнопки управления и регулировки часами;
b. кварцевый резонатор;
с. источник стабильного электропитания часов.
2. Выходы
а. усилитель постоянного тока для управления двигателем;
b. питание лазерной указки импульсным напряжением.
3. Функции
а. Микроконтроллер ведет отсчет реального времени. Время конвертируется из минут в формат 1:00 часов и затем в ШИМ импульс, подходящий для управления сервоприводом;
b. Кнопки управления и регулировки служат для точного выставления времени;
с. Кварцевый резонатор совместно с генератором вырабатывает стабильную частоту для отсчета времени;
d. Импульсное напряжение питает лазерную указку.
2.3 Выбор микроконтроллера
Для проектирования солнечных часов постараемся выбрать относительно недорогой, простой и широкоиспользуемый микроконтроллер.
К наиболее подходящему и выполняещему требуемые функции контроллеру относится АTtiny 24.
Рассмотрим аппаратные средства микроконтроллеров серии АTtiny 24.
ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84 - 8-разрядные AVR-микроконтроллеры с внутрисистемно-программируемой флэш-памятью размером 2, 4, 8 кбайт.
Особенности:
Высокоэффективные маломощные 8-разрядные микроконтроллеры AVR
Прогрессивная RISC-архитектура
- Эффективный набор инструкций: 120 инструкций, большинство из которых выполняются за один машинный цикл
- 32 x 8-разр. регистров общего назначения
- Полностью статическая работа
Энергонезависимые памяти программ и данных
- 2/4/8 кбайт внутрисистемно-программируемой флэш-памяти программ (ATtiny24/44/84), характеризующейся износостойкостью 10 тысяч циклов чтения/записи
- 128/256/512 байт внутрисистемно-программируемого ЭСППЗУ (ATtiny24/44/84), характеризующегося износостойкостью 100000 циклов записи/стирания
- 128/256/512 байт встроенного статического ОЗУ (ATtiny24/44/84)
- Программируемая блокировка доступа к данным во флэш-памяти и ЭСППЗУ
Встроенные периферийные устройства
- Два 8 и 16-разрядных таймера-счетчика с двумя каналами ШИМ в к8/16-разрядный таймер-счетчик с предделителем и двумя каналами ШИМ в каждом
- 10-разрядный АЦП
8 несимметричных каналов
12 пар дифференциальных каналов АЦП с программируемым усилением (1x, 20x)
- Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором
- Встроенный аналоговый компаратор
- Универсальный последовательный интерфейс
Специальные микроконтроллерные функции
- Встроенная отладочная система debugWIRE
- Внутрисистемное программирование через порт SPI
- Внешние и внутренние источники прерываний
- Экономичные режимы работы: холостой ход (Idle), снижение шума АЦП, дежурный (Standby) и снижения потребляемой мощности (Power Down)
- Усовершенствованная схема сброса при подаче питания
- Программируемая схема детектора снижения напряжения питания
- Встроенный калиброванный генератор
- Встроенный датчик температуры
Ввод-вывод и корпуса
- 14-выводные корпуса PDIP и SOIC, 20-выводной корпус QFN/MLF
- 12 программируемых линий ввода-вывода
Рабочее напряжение:
- 1.8 - 5.5В для ATtiny24V/44V/84V
- 2.7 - 5.5В для ATtiny24/44/84
Градации по быстродействию:
- ATtiny24V/44V/84V: 0 - 4 МГц при напряжении питания 1.8 - 5.5В, 0 - 10 МГц при напряжении питания 2.7 - 5.5В
- ATtiny24/44/84: 0 - 10 МГц при напряжении питания 2.7 - 5.5В, 0 - 20 МГц при напряжении питания 4.5 - 5.5В
Промышленный температурный диапазон
Малый потребляемый ток
- Активный режим: 1 МГц, 1.8В: 380мкА
- Режим снижения потребляемой мощности: 100 нА при 1.8В
Общее описание:
ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84 - маломощные 8-разрядные КМОП микроконтроллеры, выполненные на основе усовершенствованной RISC-архитектуры AVR. За счет выполнения большинства инструкций за один период синхронизации микроконтроллеры ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84 достигают производительности 1 млн.операций в сек./МГц, что позволит разработчикам оптимизировать соотношение производительности и потребляемой мощности.
Ядро AVR объединяет обширный набор инструкций с 32 рабочими регистрами общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), что позволяет с помощью одной инструкции осуществить доступ к двум разным регистрам и выполнить такую инструкцию за один период синхронизации. В конечном счете, такая архитектура обладает улучшенной эффективностью использования программного кода, позволяя на порядок повысить производительность относительно традиционных CISC-микроконтроллеров.
ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84 содержат 2, 4, 8 кбайт внутрисистемно-программируемой флэш-памяти, 128, 256, 512 байт ЭСППЗУ, 128, 256, 512 байт статического ОЗУ, 12 линий ввода-вывода общего назначения, 32 рабочих регистра общего назначения, 8-разрядный таймер-счетчик с 2 каналами ШИМ, 16-разрядный таймер-счетчик с 2 каналами ШИМ, универсальный последовательный интерфейс, внутренние и внешние прерывания, 8-канальный 10-разрядный АЦП, программируемый усилительный каскад (х1, х20) для 12 пар дифференциальных каналов АЦП, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, встроенный калиброванный генератор и четыре режима снижения потребляемой мощности. В режиме холостого хода (Idle) останавливает работу ЦПУ, но продолжают работу статическое ОЗУ, таймер-счетчик, АЦП, аналоговый компаратор и система прерываний. В режиме снижения потребляемой мощности (Power-down) сберегается содержимое регистров, но отключаются все встроенные функции до возникновения прерывания или аппаратного сброса. В режиме снижения шума АЦП прекращают работу АЦП и все модули ввода-вывода, кроме АЦП, что минимизирует цифровой шум во время преобразования АЦП. В дежурном режиме остается в работе кварцевый генератор, а остальная часть микроконтроллера бездействует. Использование этого режима позволит добиться сочетания быстроты возобновления работы и малого потребляемого тока.
Микроконтроллеры выпускаются по технологии высокоплотной энергонезависимой памяти компании Atmel. Встроенная флэш-память поддерживает возможность внутрисистемного перепрограммирования через последовательный интерфейс SPI, с помощью обычного программатора энергонезависимой памяти или под управлением программного кода, исполняемого ядром AVR.