Зміст (стр. 1 )

Зміст

1 Вступ

2 Аналіз технічного завдання

3 Розробка структурної схеми

4.Розробка та опис принципової схеми пристрою

4.1 Опис пристрою обробки інформації

4.2 Опис пристрою відображення

4.3 Опис пристрою введення інформації

5 Конструювання і розрахунок друкованої плати

5.1 Розрахунок провідного малюнка плати

5.2 Розрахунок відстані між елементами провідного малюнка

6 Розрахунок надійності модернізованого пристрою

7 Розробка програмного забезпечення

8 Економічний розділ

8.1 Матеріальні витрати

8.2 Витрати на оплату праці з відрахуванням на соціальні заходи

8.3 Інші операційні витрати, собівартість продукції

8.4 Формування кінцевої ціни пристрою

8.5 Розрахунок економічної ефективності від впровадження виготовлення пристрою

9 Охорона праці

9.1 Правила охорони праці під час експлуатації електронно - обчислювальних машин

9.2 Вимоги до обладнання

9.3 Основні вимоги до розміщення устаткування та організації робочих місць

10 Наукова організація праці

10.1 Організація робочого місця електронщика

10.2 Організація робочого місця і режиму роботи оператора ЕОМ

11 Висновок

Список використаних джерел

Додаток А Лістинг програми

1 Вступ

Сучасну мікроелектроніку важко уявити без такої важливої ​​складової, як мікроконтролер. Мікроконтролер – функціонально закінчений пристрій обробки інформації, керований збереженою в пам’яті програмою. Один і той-же пристрій, який раніше збирався на традиційних елементах, будучи зібраний із застосуванням мікроконтролерів, стає простішим, не вимагає регулювання і має менший розмір. Із застосуванням мікроконтролерів з'являються практично безмежні можливості по додаванню нових споживчих функцій і можливостей до вже існуючих пристроїв. Для цього достатньо просто змінити програму.

Однокристальний (однокорпусні) мікроконтролери є приладами, конструктивно виконаними у вигляді виликої інтегральної схеми (ВІС) і включають в себе наступні складові частини: мікропроцесор, пам'ять програм і пам'ять даних, а також програмовані інтерфейсні схеми для зв'язку із зовнішнім середовищем.

Світова промисловість випускає величезну номенклатуру мікроконтролерів. По області застосування їх можна розділити на два класи: спеціалізовані, призначені для застосування в якій-небудь однієї конкретної області (контролер для телевізора, контролер для модему, контролер для комп'ютерної мишки) і універсальні, які не мають конкретної спеціалізації і можуть застосовуватися в самих різних областях мікроелектроніки, за допомогою яких можна створити як будь-яке з перерахованих вище пристроїв, так і принципово новий пристрій.

Мета дипломного проекту - розробка багатофункціональної автомобільної системи «Годинник-термометр-вольтметр» на базі мікроконтролера.

Мікроконтролери застосовують у різних сферах народного господарства (у керуванні технологічними процесами, інформаційних і вимірювальних комплексах, енергетиці, медицині й ін.) на базі мікроконтролерів, що випускаються, створені високопродуктивні пристрої числового програмного керування.

Можна вважати, що мікроконтролер – це комп’ютер, розташований в одній мікросхемі. Звідси і його основні якості: малі габарити, висока продуктивність, надійність і можливість бути адаптованим для виконання самих різних завдань. Його основне призначення – використання в системах автоматичного керування, вмонтованих в самих різних пристроях: кредитні картки, фотоапарати, мобільні телефони, музичні центри, телевізори, відеомагнітофони і відеокамери, системи охоронної сигналізації, системи запалювання бензинових двигунів, ядерні реактори та інше.

Вмонтовані системи керування стали настільки масовим явищем, що фактично сформувалась нова галузь економіки, що отримала назву Embedded Systems (вмонтовані системи).

Сучасний рівень розвитку мікроелектроніки дозволяє будувати такі системи швидко із мінімальними витратами коштів.

2 Аналіз технічного завдання

У даному дипломному проекті виконується розробка пристрою ”Автомобільні часи-термомерт-вольтметр”, на базі мікроконтролеру покоління AT89C2051 фірми ”Atmel”. Це багато функціональний пристрій, який можна вдосконалювати в подальшому житті. Вона має такі функції:

-індикація поточного часу – будильник – таймер

-індикація температури в чотирьох точках

-звукова сигналізація при підвищенні температури

-індикація напруги в бортовій мережі автомобіля

-звукова сигналізація при падінні напруги бортової мережі

-управління режимами роботи пристрою за допомогою інфрачервоного пульта.
Система має складатися із пристрою відображення, пристрою обробки і пристрою вводу інформації. Індикація може бути як на знакових LCD індикаторах з вмонтованим контролером, так і на графічних LCD індикаторах. Для даного проекту було обрано графічний ЖКИ13-8/7-02 індикатор, з метою відображення крім текстової ще й графічну інформацію. Інформація повинна виконуватись завдяки матричній клавіатурі на 24 клавіші. Для збереження інформації треба передбачити спеціальне рознімання для підключення электрично перепрограмувальної мікросхеми постійної пам'яті, яка повинна зберігати програми для мікрокомп'ютера.

3 Розробка структурної схеми

При розробці проекту необхідно враховувати цілий ланцюг факторів та організувати між собою роботу декількох пристроїв, якими б керував мікроконтролер, узгоджував їх роботу. Структурна схема системи приведена на рисунку 3.1.

Термодатчик №2

ЖКІ

Термодатчик №4

динамік

ІЧП —інфрачервоний приймач

ПДК —пульт дистанційного керування

РКІ —рідко кристалічний індикатор

Рисунок 3.1–структурна схема автомобільних –часів-термометра-вольтметра

Мікроконтролер (англ. Micro Controller Unit, MCU) - мікросхема, призначена для керування електронними пристроями. Типовий мікроконтролер поєднує в собі функції процесора і периферійних пристроїв, містить ОЗУ або ПЗУ. По суті, це однокристальний комп'ютер, здатний виконувати прості завдання.

Використання в сучасному мікроконтролері «потужного» обчислювального пристрою з широкими можливостями, побудованого на одній мікросхемі замість цілого набору, значно знижує розміри, енергоспоживання і вартість побудованих на його базі:

-плат керування різними пристроями та їх окремими блоками ;

в обчислювальній техніці: материнські плати, контролери дисководів жорстких і гнучких дисків, CD і DVD;

електроніці та різноманітних пристроях побутової техніки, в якій використовується електронні системи управління - пральних машинах, мікрохвильових печах, посудомийних машинах, телефонах і сучасних приладах;

у промисловості:

пристроїв промислової автоматики - від програмованого реле та вбудованих систем до ПЛК,

систем управління верстатами.

З появою однокристальних мікро-ЕОМ пов'язують початок ери масового застосування комп'ютерної автоматизації в галузі управління. Мабуть, ця обставина і визначило термін «контролер» (англ. controller - регулятор, керуючий пристрій). У зв'язку зі спадом вітчизняного виробництва і збільшенням імпорту техніки, в тому числі обчислювальної, термін «мікроконтроллер» (МК) витіснив з ужитку раніше використовувався термін «однокристальна мікро-ЕОМ». Перший патент на однокристальних мікро-ЕОМ був виданий в 1971 році інженерам М. Кочрену і Г. буну, працівникам американської Texas Instruments. Саме вони запропонували на одному кристалі розмістити не тільки процесор, але і пам'ять з пристроями введення-виведення. У 1976 році американська фірма Intel випускає мікроконтролер i8048. Трохи пізніше в цьому ж році Intel випускає наступний мікроконтролер: i8051. Вдалий набір периферійних пристроїв, можливість гнучкого вибору зовнішньої або внутрішньої програмної пам'яті і прийнятна ціна забезпечили цьому мікроконтролеру успіх на ринку. З погляду технології мікроконтролер i8051 був для свого часу дуже складним виробом - у кристалі було використано 128 тис. транзисторів, що в 4 рази перевищувало кількість транзисторів в 16-розрядному мікропроцесорі i8086. На сьогоднішній день існує більше 200 модифікацій мікроконтролерів, що сумісних з i8051, випускаються двома десятками компаній, і великої кількості мікроконтролерів інших типів. Популярністю у розробників користуються 8-бітові мікроконтролери PIC фірми Microchip Technology і AVR фірми Atmel, 16-бітові MSP430 фірми TI, а також ARM, архітектуру яких розробляє фірма ARM і продає ліцензії іншим фірмам для їх виробництва. У СРСР велися розробки оригінальних мікроконтролерів, також освоювався випуск клонів найбільш вдалих зарубіжних зразків. У 1979 році в СРСР НДІ ТТ розробили однокристальних 16-розрядну ЕОМ К1801ВЕ1, мікроархітектура якої називалася «Електроніка НЦ». Опис при проектуванні мікроконтролерів доводиться дотримувати баланс між розмірами і вартістю з одного боку і гнучкістю і продуктивністю з іншою. Для різних застосувань оптимальне співвідношення цих і інших параметрів може розрізнятися дуже сильно. Тому існує величезна кількість типів мікроконтролерів, що відрізняються архітектурою процесорного модуля, розміром і типом вбудованої пам'яті, набором периферійних пристроїв, типом корпусу і т. д. У той час як 8-розрядні процесори загального призначення повністю витиснені продуктивнішими моделями, 8-розрядні мікроконтролери продовжують широко використовуватися. Це пояснюється тим, що існує велика кількість застосувань, в яких не потрібна висока продуктивність, але важлива низька вартість. У той же час, є мікроконтролери, з більшими обчислювальними можливостями, наприклад цифрові сигнальні процесори. Обмеження за ціною і енергоспоживанням стримують також зростання тактової частоти контроллерів. Хоча виробники прагнуть забезпечити роботу своїх виробів на високих частотах, вони, в той же час, надають замовникам вибір, випускаючи модифікації, розраховані на різні частоти і напругу живлення. У багатьох моделях мікроконтролерів використовується статична пам'ять для ОЗП і внутрішніх регістрів. Це дає контролеру можливість працювати на менших частотах і навіть не втрачати дані при повній зупинці тактового генератора. Часто передбачені різні режими енергозбереження, в яких відключається частина периферійних пристроїв і обчислювальний модуль. Окрім ОЗП, мікроконтролер може мати вбудовану незалежну пам'ять для зберігання програми і даних. У багатьох контролерах взагалі немає шин для підключення зовнішньої пам'яті. Найбільш дешеві типи пам'яті допускають лише одноразовий запис. Такі пристрої підходять для масового виробництва в тих випадках, коли програма контролера не оновлюватиметься. Інші модифікації контролерів мають можливістю багатократного перезапису незалежної пам'яті. На відміну від процесорів загального призначення, в мікроконтролерах часто використовується гарвардська архітектура пам'яті, тобто роздільне зберігання даних і команд в ОЗУ і ПЗУ відповідно.

Неповний список периферії, яка може бути присутнім в мікроконтролерах, включає в себе:

- універсальні цифрові порти, які можна настроювати як на введення, так і на виведення

-різні інтерфейси введення-виводу, такі як UART, I ² C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet

-аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі

-компаратори

-широтно-імпульсні модулятори

-таймери

-програмування

-контролери дисплеїв і клавіатур

-радіочастотні приймачі та передавачі

-масиви вбудованої флеш-пам'яті

-вбудований тактовий генератор і сторожовий таймер

Програмування мікроконтролерів зазвичай здійснюється на асемблері або Сі, хоча існують компілятори для інших мов, наприклад, Форту. Використовуються також вбудовані інтерпретатори Бейсіка. Для відлагодження програм використовуються програмні симулятори (спеціальні програми для персональних комп'ютерів, що імітують роботу мікроконтролера), внутрішньосхемного емулятори (електронні пристрої, що імітують мікроконтролер, які можна підключити замість нього до вбудованого пристрою) і інтерфейс JTAG.

4.Розробка та опис принципової схеми системи

4.1 Опис пристрою обробки інформації.

4.1.1 Опис мікроконтролера

Основним елементом в даній мікропроцесорній системі доцільно використати мікроконтролер AT89C2051 тому, що прилади AT89C2051 є 8-розрядними CMOS мікроконтролерами з AVR удосконаленою MCS-51 архітектурою. Виконуючи більшість команд за один тактовий цикл, мікроконтролери AT89C2051 забезпечують продуктивність 1 MІPS на кожен 1МГц тактової частоти, що дозволяє розроблювачам оптимізувати споживання, яке залежить в основному від тактової частоти. Особливості даного мікроконтролера:

-Працює з приладами сімейства MCS-51

-Ємність перепрограммируемой Flash пам'яті: 2 Кбайт, 1000 циклів стирання / запис.

-Діапазон робочих напруг від 2,7 В до 6 В

-Повністю статичний прилад - діапазон робочих частот від 0 Гц до 24 МГц

-Дворівнева блокування пам'яті програм

-СОЗУ ємністю 128 байтів

-15 програмованих ліній введення / виводу

-216-розрядних таймера / лічильника подій

-Шість джерел сигналу переривання

-Виходи прямого управління СІД

-Вбудований аналоговий компаратор

-Пасивний (idle) і стоповий (power down) режими.

Мікроконтролер AT89C2051 розроблений за технологією КМОП.

Мікроконтролер оснащений Flash програмованим і прані ПЗУ, а також сумісний за системою команд і за висновками зі стандартними приладами сімейства MCS-51. Обсяг Flash ПЗУ - 2 Кбайта, ОЗУ - 128 байтів. Має 15 ліній введення / виводу, один 16-розрядний таймера / лічильника подій, повнодуплексний порт (UART) п'ять векторних дворівневих переривань, вбудований прецизійний аналоговий компаратор, вбудовані генератор і схему формування тактовою послідовності. Напруга програмування Flash пам'яті - 12 В і її вміст може бути захищене від несанкціонованих запису / зчитування. Є можливість очищення Flash пам'яті за одну операцію і можливість зчитування вбудованого коду ідентифікації. Струм споживання в активному режимі на частоті 12 Мгц не перевищує 15 мА при 6 У і 5,5 мА при напрузі живлення 3 В. У пасивному режимі (ЦПУ зупиненого, але система переривань, ОЗУ, таймер / лічильник подій і послідовний порт залишаються активними) споживання не перевищує 5 мА та 1мА. У стоповим режимі струм споживання не перевищує 100 мкА і 20 мкА при напрузі живлення 6 В і 3 В, відповідно. Мікроконтролер AT89C2051 орієнтований на використання в якості вбудованого керуючого контороллера.

AVR ядро базується на удосконаленій MCS-51 архітектурі, з реєстровим файлом швидкого доступу. Він містить 32 регістра загального призначення, безпосередньо зв'язаних з арифметико-логічним пристроєм (ALU), має могутню систему команд. За один тактовий цикл із реєстрового файлу витягаються два операнда, виконується команда і результат записується в регістр призначення. Така високоефективна архітектура забезпечує продуктивність майже в десять разів більшу, ніж стандартні CІSC мікроконтролери. Мікроконтролер має три програмно встановлюваних режими енергозбереження. У режимі Іdle зупиняється центральний процесор, але продовжують працювати SRAM, таймери/лічильники, порт SPІ і система переривань. У режимі Power Down зберігається вміст регістрів, але зупиняється тактовий генератор і до надходження сигналу або переривання апаратного скидання забороняється виконання усіх функцій мікроконтролера. У режимі Power Save усі пристрої знаходяться в режимі "сну", але генератор таймера продовжує працювати, забезпечуючи схоронність тимчасової бази.

Прилади виготовляються за технологією енергонезалежної пам'яті фірми Atmel. Вмонтована ІSP Flash пам'ять програм може бути перепрограмована безпосередньо в системі, з використанням послідовного SPІ інтерфейсу, чи за допомогою звичайних програматорів енергонезалежної пам'яті. Графічне позначення мікроконтролера зображено на рисунку 4.1.

Особливості архітектури:

- Використана AVR розширена MCS-51 архітектура

- Могутній набір з 121 команди, більшість яких виконується за один машинний цикл

- Ємність внутрісистемної програмувальної Flash пам'яті 128 Кбайт, 1000 циклів стирання/запису

- SPІ інтерфейс внутрісистемного програмування

- Ємність вмонтованої EEPROM 4 Кбайт, 100000 циклів стирання/запису

- Вмонтована RAM ємністю 4 Кбайт

- 32 8-розрядних регістра загального призначення, набір регістрів керування периферією

- 32 програмувальні лінії І/O, 8 ліній виходу, 8 ліній входу

- Програмувальні послідовні UART і SPІ інтерфейси

- Діапазон напруг живлення від 4,0 В до 6,0 В

- Діапазон тактових частот від 0 до 6 МГЦ

- Продуктивність до 6 MІPS при частоті 6 МГЦ

- Вмонтована система реального часу з окремим генератором

- Два 8-розрядних таймери/лічильника з окремим предделителєм і ШИМ

- 16-розрядний таймер/лічильник з окремим предделителем, режимами захоплення/ порівняння і подвійним ШИМ з розрядністю 8, 9 чи 10 розрядів

- Програмувальний сторожовий таймер з вмонтованим генератором

- Вмонтований аналоговий компаратор

- 8-канальний 10-розрядний аналого-цифровий перетворювач

- Режими енергозбереження Іdle, Power Save і Power Down

- Програмна установка тактової частоти

- Програмне блокування захисту програмних засобів

Рисунок 4.1 – мікроконтролер AT89C2051

Призначення портів мікроконтролера в мікропроцесорній системі;

Порт A (PA7..PAO) - 8-розрядний двунаправленний порт І/O. До виходів порту підключені буферні регістри адреси та формувач шини даних, тому що в системі є присутність зовнішньої пам’яті і порт А використовується в якості мультеплексуючої шини адреси/даних.

Порт С (РС7. .РС0) - 8-розрядний порт виходу. Порт С - використовуються також як виходи адреси при використанні зовнішньої пам’яті.

Порт В (РВ7. .РВ0) - 8-розрядний двунаправленний порт І/O з вмонтованими навантажувальними резисторами. В системі використовується для підключення матричної клавіатури (рядки).

Порт F (PF7..PF0) - 8-розрядний порт входу, який також використовується для підключення матричної клавіатури (стовпці).

Порт D (PD7. .PD0) - 8-розрядний двунаправленний порт І/O з убудованими навантажувальними резисторами. До виводі порту підключені буферні регістри адреси, які в системі використовуються для розширення адресної лінії.

Порт E (РЕ7..РЕ0) - 8-розрядний двунаправленний порт І/O з вмонтованими навантажувальними резисторами. Використовується для підключення контролеру LCD графічного дисплею.