Разработка солнечных часов (стр. 4 из 11)

Микроконтроллеры ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84 поддерживаются полным диапазоном средств для проектирования, в т.ч. Си-компиляторы, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы и оценочные наборы.

Структурная схема микроконтроллера АTtiny 24 (Рис.2.4).

Рисунок 2.4 – Структурная схема микроконтроллера АTtiny 24

Расположение выводов микроконтроллера АTtiny 24 (Рис.2.5).

Рисунок 2.5 - Расположение выводов микроконтроллера АTtiny 24

2.4 Разработка функциональной схемы устройства

Зная серию выбранного микроконтроллера и функции, которые он должен выполнять, составим функциональную схему (Рис.2.6).

Рисунок 2.6 – Функциональная схема солнечных часов

Условные обозначения на функциональной схеме (Рисунок 2.6):

ДВ – двигатель;

ЛУ – лазерная указка;

УПТ- усилитель постоянного тока;

ИП- источник питания +5В;

КР – кварцевый резонатор;

S1-S3 – кнопки управления и регулировки.

2.5 Разработка алгоритма управления

Блок-схема алгоритма, управления двигателем солнечных часов представлена на рисунке 2.7.

Согласно блок схеме, в начале программы выполняется установка состояния портов, а также указывается вектор прерывания, который имеет две ветви:

• вектор RESET переходит при сбросе программы в начальное состояние;

• вектор INTO активизируется при нажатии кнопки "START/STOP".

Активным уровнем INTO считается нулевое состояние на выводе РВ6 микроконтроллера. Активный уровень задается программой и во время сброса не активизируется. В случае активизации INTO вызывается подпрограмма обработки вектора прерывания, которая запрещает прерывание и проверяет длительность нажатия кнопки. При выходе из подпрограммы обработки вектора прерывания разрешается общее прерывание.

2.6 Разработка программного обеспечения микроконтроллера

Микроконтроллер ведет отсчет реального времени. Время конвертируется из минут в формат 1:00 часов и затем в ШИМ импульс, подходящий для управления сервоприводом. Исходный код снабжен полными комментариями и легок для понимания в плане принципа работы.

Программное обеспечение написано на С, компиляция и отладка в AVR Studio. Отладку кода производить нужно с помощью AVR Dragon, которая использует встроенные в ATTiny24 возможности по отладке.

Код снабжен комментариями и должен быть вполне понятным, а также простым для изменений желанию. Но в любом случае, ниже приводятся несколько комментариев.

Рисунок 2.4 - Блок-схема алгоритма управления двигателем солнечных часов

#define F_CPU 2457600UL // частота кристалла

#define PWM_TOP F_CPU/60 // = 40960 – МАКС значение для таймера 0 (идет в OCR0A)

Эти прекомпиляторные инструкции определяют частоту кристалла и значение, вносящееся в регистр OCR1A, которое будет максимальным значением для таймера1 перед сбрасыванием на ноль. Нам надо, чтобы частота ШИМ была 60 Гц. Эти импульсы также используются в качестве временной оси для часов реального времени.

Следующие строки настраивают Таймер1 на быструю ШИМ, без предделителя частоты (то есть частота кристалла напрямую идет на Таймер1), а ШИМ Compare Output на выводе ОС1В.

TCCR1A = _BV(WGM11) | _BV(WGM10) | _BV(COM1B1);

TCCR1B = _BV(WGM13) | _BV(WGM12) | _BV(CS10);

OCR1A = PWM_TOP; // ШИМ част = 60 Гц

Сейчас Таймер1 отсчитывает время от 0 до значения PWM_TOP, 60 раз каждую секунду (2457600/40960)

Вышеуказанные инструкции также делают выход OC1B высоким, когда счетчик меньше значения ОCR1A и 0 в обратном случае. Это и есть ШИМ – изменение значения OCR1B от 0 до PWM_TOP изменяет коэффициент заполнения от 0% до 100% на частоте ШИМ, которая не меняется: 60 колебаний каждую секунду, колебания просто уже или шире.

Следующая инструкция помещает сервопривод на положение OCR1B – промежуточное положение между максимальным и минимальным положениями сервопривода.

OCR1B = (SERVO_MAX + SERVO_MIN) / 2;

Это значение не составляет 50% коэффициента заполнения ШИМ, так как сервопривод перемещается от минимального положения до максимального с импульсом менее 50%, поэтому я определил значения defined SERVO_MAX и SERVO_MIN, основываясь на длительности импульсов, которые перемещают сервопривод в максимальное или минимальное положение:

#define SERVO_MAX PWM_TOP*1.65/(1000/60) // макс. поворот – на 2,35 млс импульса

#define SERVO_MIN PWM_TOP*0.75/(1000/60) // мин. поворот – на 0,70 млс импульса

Теперь нужно, чтобы переполнение таймера использовалось в качестве временной оси для часов реального времени:

TIMSK1 = _BV(TOIE1); // включить переполнение таймера (для часов реального времени)

sei(); // включить глобальные прерывания

Сейчас каждую 1/60-ую секунды выполняется следующая операция:

ISR(TIM1_OVF_vect) { … }

Эта операция выполняет целый ряд действий:

Отсчитывает реальное время, 60 умноженное на 1/60 секунды означает прошествие одной полной секунды, поэтому вместе с отсчетом минут и часов можно добавить и секундомер.

Заставляет лазер мигать каждую 1/10-ую секунду каждую секунду, если только не стоит соответствующая перемычка, в противном случае лазер включен постоянно.

Данная операция также определяет положение, в которое должен передвинуться сервопривод. Для выполнения этой задачи время конвертируется в общее количество минут, прошедших со времени 1:00, а полученный результат вписывается в диапазон

SERVO_MIN до SERVO_MAX

servo_pos = servo_min + ((hour-1)*60+min)*((servo_max-servo_min)/(11*60+59));

Замыкая JUMP_0 мы заставляем сервопривод отображать только секунды (от 9 до 59), тем самым вышеуказанное вычисление производится только по текущим секундам, минуты и часы не принимаются во внимание.

servo_pos = servo_min + sec*((servo_max-servo_min)/59);

Следующие команды помещают сервопривод в зеркальное положение, чтобы лазер двигался по часовой стрелке:

OCR1B = servo_min+servo_max-servo_pos; // по часовой стрелке

// OCR1B = servo_pos; // против часовой стрелки («закомментарено»).

Листинг программы приведен в Приложении А.

Готовый hex-файл для загрузки в микроконтроллер в Приложении Б.

2.7 Выбор и описание элементной базы

Схема содержит минимум компонентов: 2 керамических конденсатора,

два резистора, транзистор, микроконтроллер и кварцевый резонатор, сервопривод . Сервопривод возьмем Hitec HS-300BB – довольно хороший. Подойдет и любой другой сервопривод, только возможно диапазон перемещения будет немного иным. Его можно настроить с помощью значений SERVO_MIN и SERVO_MAX, однако будет необходима повторная компиляция.

Спецификация компонентов приведена в Приложении В.

В устройстве нужно использовать хорошо стабилизированный источник напряжения на 5 вольт.

Лазерная указка обычная промышленная, следует только переделать выводы питания.

2.8 Разработка схемы электрической принципиальной

Разрабатываем в Accel EDA схему электрическую принципиальную солнечных часов (Рис. 2.5).

Рисунок 2.5 - Принципиальная схема солнечных часов в Accel EDA

3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕКТА РАЗРАБОТКИ

В данном разделе проводится технико-экономический расчет стоимости солнечных часов.

Стоимость устройства будет состоять из стоимости разработки ПО для микроконтроллера, стоимости разработки конструкторской документации и стоимости сборки и испытания устройства.

3.1 Расчет расходов на ПО для микроконтроллера, которое разрабатывается

Исходные данные для расчета стоимости разработки ПО, которое разрабатывается приведенны в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Данные на 1.01.2010 г.

№п/п	Статьи затрат	Усл. обозн.	Ед. изм.	Значения
Проектирование и разработка ПЗ
1	Часовая тарифная ставка программиста	Зпр	грн.	8,00
2	Коэффициент сложности программы	с	коэф.	1,40
3	Коэффициент коррекции программы	Р	коэф.	0,05
4	Коэффициент увеличения расходов труда	Z	коэф.	1,3
5	Коэффициент квалификации программиста	k	коэф.	1,0
6	Амортизационные отчисления	Амт	%	10,0
7	Мощность компьютера, принтера	WМ	Квт/ч	0,40
8	Стоимость ПЕОМ IBM Sempron LE1150(AM2)/1GB/TFT	Втз	грн.	3200,00
9	Тариф на электроэнергию	Це/е	грн.	0,56
10	Норма дополнительной зарплаты	Нд	%	10,0
11	Отчисление на социальные расходы	Нсоц	%	37,2
12	Транспортно-заготовительные расходы	Нтр	%	4,0
Эксплуатация П0
13	Численность обслуживающего персонала	Чо	чел	1
14	Часовая тарифная ставка обслуживающего персонала	Зпер	грн.	6,00
15	Время обслуживания систем	То	час/г	150
16	Стоимость ПЕОМ	Втз	грн.	3200,00
17	Норма амортизационных отчислений на ПЕОМ	На	%	10,0
18	Норма амортизационных отчислений на ПЗ	НаП	%	10,0
19	Накладные расходы	Рнак	%	25,0
20	Отчисление на содержание и ремонт ПЕОМ	Нр	%	10,0
21	Стоимость работы одного часа ПЕОМ	Вг	грн.	6,5

Первичными исходными данными для определения себестоимости ПО является количество исходных команд (операторов) конечного программного продукта. Условное количество операторов Q в программе задания может быть оценено по формуле: