Блок коммутационных реле осуществляет сообщение портов МК и подключенных к нему электроприборов с целью обеспечить при необходимости подачу на прибор питания 220 В, 50 Гц.

При совпадении текущего времени с одним из расписаний, с одного из выводов микроконтроллера поступает сигнал на реле, соответствующее прибору, для которого сработало расписание. При поступлении сигнала, реле замыкает (для единичного сигнала включения прибора) или размыкает (для нулевого сигнала выключения прибора) цепь питания электроприбора в соответствии с типом сработавшего расписания.

1.2.3 Блок питания

Данный блок представлен электротехническим устройством, осуществляющим преобразование входного переменного напряжения 220 В в постоянное напряжение 5 В, необходимое для питания входящих в состав системы микросхем.

Также в этом блоке содержится устройство бесперебойного питания, позволяющее подключить резервную аккумуляторную батарею, в случае отключения основного питания, для поддержания работы таймера. Но, очевидно, включенные приборы заработают только при подаче основного напряжения.

2. Синтез принципиальной схемы устройства

2.1 Архитектура микроконтроллера

Основным узлом данного устройства является микроконтроллер AT90S8535 фирмы Atmel. Графическое обозначение микроконтроллера приведено на рис 2. AT90S8535 является маломощным, высокопроизводительным 8-ми разрядным микроконтроллером, изготовленным по технологии КМОП на основе AVRRISC архитектуры. МК спроектирован по новейшей технологии Atmel с высокой плотностью интеграции, а также удобной системой команд и набором выводов. В состав однокристального МК AT90S8535 входит:

- внутреннее ЗУ SRAM объемом 512 байт;

- 32 программируемых линий ввода/вывода;

- два 8-разрядных и один 16-разрядный таймер-счетчик;

- канал последовательного ввода/вывода;

- часы реального времени;

- 8Кб программируемая Flash память (до 1000 циклов перезаписи);

А также множество других полезных схем.

Наряду с высоким быстродействием, микроконтроллер имеет встроенную энергонезависимую память EEPROM.

Структурная схема микроконтроллера приведена на рис. 3

Все 4 порта являются двунаправленными. Один из 8–разрядных счётчиков позволяет организовать часы реального времени. EEPROM – энергонезависимая память, в которой будут хранится расписания. UART – последовательный интерфейс, что позволяет передавать сигналы на МК через COM-порт (RS-232).

Таким образом, выбранный микроконтроллер обеспечивает весь набор ресурсов, необходимых для работы системы. А дополнительные возможности (Flash память), предоставляемые микроконтроллерами семейства Atmel, будут использоваться для хранения кода исполнительной программы (программной части микроконтроллерной системы).

Для нормального функционирования системы задействованы 2 порта ввода/вывода микроконтроллера, плюс специальная функция порта D (обмен данных с UART). РA и РB задействованы для реализации выдачи сигналов управления электроприборами на соответствующие реле.

2.2 Выбор элементной базы

Для согласования уровней напряжений между COM-портом и микроконтроллером использовалась микросхема MAXIMMAX233, предназначенная специально для такого согласования и имеющая встроенные средства для такого преобразования уровней. Работая от стандартного напряжения 5 В, она преобразует его в +14/-14 В, необходимые интерфейсу RS-232.

MAX233 – универсальный приемопередатчик, предназначенный для сопряжения микропроцессорных элементов, для работы которых требуется напряжение 5 В и устройств с протоколом, имеющим опорное напряжение +14/-14 В. Для питания этой микросхемы необходимы те же 5 В, от которых питается микроконтроллер AT90S8535, что во многом обусловило наш выбор именно этого прибора. Его мощность составляет 890 мВт.

Типовая схема его включения показана на рисунке 4. Микросхема имеет несколько каналов согласования, но нам необходим только один. Этим обусловлены дополнительные перемычки выводов схемы.

Выводы R1Out и R1In соответственно выход и вход информационного сигнала, для которого осуществляется согласование уровней.

Для других участков схемы при выборе элементов использовались такие критерии как достаточное быстродействие, низкая потребляемая мощность.

В реле управления электроприборами использованы транзисторы КТ315, обладающие подходящей нагрузочной способностью по сравнению с другими сериями. К световым диодам особых требований не предъявлялось, поэтому были применены диоды АЛ307 (для индикации состояния каждого прибора (включен/выключен)).

В качестве источника резервного питания использованы 3 гальванические батареи напряжением по 1,5 В.

Также в блоке питания присутствует стабилизатор напряжения L7805 для сглаживания импульсов напряжения после диодного мостика, выбор которого обуславливается высокой точностью и качеством стабилизации (сглаживания), а также низкой потребляемой мощностью и отсутствием необходимости в каких-либо дополнительных электро-радио элементах, кроме сглаживающих конденсаторов. Схема его включения показана на рисунке 5. Последние две цифры обозначения показывают выходное напряжение прибора (5 В).

В реле были использованы тиристоры КУ208Г. Это кремниевые тиристоры структуры p-n-p-n, предназначенные для работы в качестве переключающих элементов средней мощности для коммутации цепей силовой электроники на переменном токе. Приборы обладают достаточным быстродействием (время включения не более 10 мс), низким сопротивлением в открытом состоянии по сравнению с другими подобными элементами.

2.3 Тактирование системы

Существует несколько способов задания тактовой частоты микроконтроллера AT90S8535, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Можно например использовать кварцевый резонатор или подавать тактовые импульсы от внешнего генератора. В данном курсовом проекте использован кварцевый резонатор. Этот способ позволяет очень точно задать тактовую частоту микроконтроллера (разброс частот обычно составляет не более 0.01%). Номиналы емкостей конденсаторов в данной схеме определяются производителем микроконтроллера для конкретной резонансной частоты кварца. Для проектируемого устройства был использован кварц – 4 МГц, и емкости конденсаторов – 0,1 мкФ, что является приемлемым для используемого типа микроконтроллера.

Другие способы синхронизации – использование RC-генератора. Это самый дешевый способ задания частоты, но наименее точный. И еще один способ – подача тактовых импульсов от внешнего генератора. При помощи внешнего тактового генератора можно задать любую частоту синхронизации.

В целом работа проектируемого устройства зависит не столько от тактовой частоты работы микропроцессора, сколько от частоты работы счетчика, организованного в качестве часов реального времени, с помощью подключения кварцевого резонатора частотой 32.768 КГц. Это частота рекомендована производителем микроконтроллера для организации на данном счётчике часов реального времени.

2.4 Подключение цепей питания

AT90S8535 имеет три источника сброса:

- сброс по включению питания. Процессор сбрасывается при подаче питания на выводы VCC и GND;

- внешний сброс. Процессор сбрасывается при подаче низкого уровня на вывод RESETна время более двух периодов тактовой частоты;

- сброс от сторожевого таймера.

Специальная схема, встроенная в микроконтроллер, - цепь сброса по включению питания, обеспечивает запрет включения процессора до тех пор, пока напряжение питания не достигнет безопасного уровня. Внешний сброс обрабатывается по низкому уровню на выводе. После снятия сигнала 0 с вывода RESET микроконтроллер запускается через некоторое время, как и в случае подачи питания.

2.5 Устранение помех в цепях питания

Для уменьшения наводок и скачков напряжений, связанных как с переходными процессами в шинах питания и земли, так и с работой диодного мостика применены 4 сглаживающих конденсатора различной ёмкости, а также стабилизатор напряжения, сглаживающий импульсы, для обеспечения более стабильного питания микроконтроллерной системы. Конденсаторы подключаются между шинами питания и земли и устанавливаются в непосредственной близости от обслуживаемых корпусов.

Для предотвращения сгорания электроприборов или компонентов блока питания вследствие чрезмерного увеличения тока в высоковольтной магистрали применены два плавких предохранителя: один в цепи питания приборов (на 5А), и второй в цепи блока питания (на 1А).

3. Расчет потребляемой мощности

Суммарная максимальная мощность, потребляемая устройством Р_S_max, может быть вычислена по следующей формуле:

Построение и программирование микропроцессорного таймера (стр. 2 из 4)