Разработка многофункциональных астрономических часов (стр. 2 из 12)
1.2 Астрономические часы
Астрономические часы не отличаются ни по своему назначению, ни по устройству от обыкновенных часов. От них только требуется чрезвычайно правильный ход, для достижения которого астрономические часы снабжаются приспособлениями, слишком дорогими для применения их к обыкновенным часам.
Одно из главных приспособлений состоит в компенсации влияний температуры. Обыкновенные часы, карманные или стенные, спешат при понижении температуры и отстают при повышении её. В часах с маятником устраивается так называемый компенсационный маятник, в часах с пружиной или хронометрах так называемые chappement.
Иногда под названием астрономических часов понимают также сложные инструменты, которые, указывая час дня, кроме того, дают течение планет и луны, приливы и отливы, подвижные праздники, различные явления неба, в особенности затмения солнца и луны, високосные года и т. п., посредством особых механических приспособлений. Построение таких часов требует большого механического искусства и немало астрономических познаний; наиболее замечательные часы такого рода изготовил Дасиподий в XV-м веке для Страсбургского собора. Мастер Швильге в Страсбурге переделал их заново, и в этом новом виде они до сих пор находятся в соборе. Другие, несколько более простые часы подобного рода находятся в Майнце.
Однако практическая польза подобных сложных инструментов весьма ограничена и не окупает затраченного на изготовление их громадного труда: для астронома удобнее справиться относительно небесных явлений в эфемеридах.
Астрономические часы Федченко (АЧФ) - Высокоточные электронно-механические вычисления часы, завершившие эволюцию маятниковых приборов времени. Погрешность составляет 0,0002-0,0003 секунды в сутки, что на порядок ниже, чем у часов английского ученого В.Шорта, сделанных в 20-х г. 19 в., которыми долгое время оснащались обсерватории мира. Точность достигнута за счет подвеса маятника на специальном трехпружинном подвесе (изобретение Ф.М.Федченко), который обеспечивает изохронные (не зависящие от амплитуды) колебания маятника. Часы Федченко вплоть до 1970-80 гг. выполняли функции хранителей времени - работали в обсерваториях, на космодромах, аэропортах, телецентрах страны.
Была попытка разработать высокоточные электронные астрономические часы, но в связи с высокой стоимостью и рядом непотребных функций они не нашли широкого применения.
РАЗДЕЛ 2. РАЗРАБОТКА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ЧАСОВ
2.1 Постановка задачи
Требуется разработать схему многофункциональны астрономических часов.
Разработка устройства велась с учётом следующих требований:
- простота схемы (минимальное количество компонентов);
- функциональная насыщенность, многообразие регулируемых параметров;
- устойчивость к изменениям напряжения и температуры, долговечность;
- отсутствие нагрева компонентов;
- низкое энергопотребление.
2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации
Рассмотрим структуру разрабатываемого устройства (Рис. 2.1).
Функциональная спецификация:
1. Входы:
а. 16 кнопок управления и регулировки часами;
b. Источник бесперебойного стабильного электропитания часов.
 | ||
 | ||
Рисунок 2.1 – Структурная схема многофункциональных астрономических часов
2. Выходы:
а. Двухрядный шестнадцатиразрядный ЖК индикатор;
b. Звуковой излучатель.
3. Функции:
а. 16 таймеров;
b. Таймеры могут показывать Земное, Марсианское, Юпитерское, сидерическое время, Лунных фаз, времени перемещения большого красного пятна Юпитера и т.д. Одновременное отображение 24 часового и Юлианского времен на десятичном дисплее.
с. Выполнение функций будильника;
d. Осуществление бесперебойного электропитания для осуществления стабильности хода часов (должен иметь встроенный источник питания).
2.3 Аппаратные средства микроконтроллеров серии PIC16F877A
Общее описание:
PIC16F877A 8-разрядные КМОП микроконтроллеры с Flash памятью.
Основные характеристики:
Высокопроизводительный RISC-процессор:
Всего 35 простых для изучения инструкции
Все инструкции исполняются за один такт (200 нс), кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта; минимальная длительность такта 200 нс
14 битовые команды
8 - битовые данные
Вход внешних прерываний
8-уровневый аппаратный стек
Прямой, косвенный и относительный режимы адресации для данных и инструкций
Периферия:
22 линий ввода/вывода с индивидуальным контролем направления
Сильноточные схемы портов ввода/вывода:
25 мА макс. вытек. ток
25 мА макс. втек. ток
Timer0: 8-разрядный таймер/счетчик
Timer1: 16-разрядный таймер/счетчик
Timer2: 8-разрядный таймер/счетчик
2 ШИМ модуля
Последовательные интерфейсы
3-проводный SPI
I2C Master и Slave режимы
USART (с поддержкой адреса)
5 каналов 10-битного АЦП
2 аналоговых компаратора
Интегрированный программируемый источник опорного напряжения
Особенности микроконтроллера:
Сброс при включении питания (POR)
Таймер включения питания (PWRT) и таймер запуска генератора (OST)
Сброс по снижению напряжения питания (BOR)
Сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы
Режим экономии энергии (SLEEP)
Выбор источника тактового сигнала
Программирование на плате через последовательный порт (ICSPT) (с использованием двух выводов)
Отладка на плате через последовательный порт (ICD) (с использованием двух выводов)
Возможность самопрограммирования
Программируемая защита кода
1000 циклов записи/стирания FLASH памяти программы
100 000 циклов записи/стирания памяти данных ЭСППЗУ
Период хранения данных ЭСППЗУ > 40 лет
Технология КМОП:
Экономичная, высокоскоростная технология КМОП
Полностью статическая архитектура
Широкий рабочий диапазон напряжений питания - от 2,0В до 5,5В
Промышленный и расширенный температурный диапазоны
Низкое потребление энергии
Совместимость:
Полная совместимость по выводам с семействами микроконтроллеров (только 28-выводными): PIC16CXXX; PIC16FXXX
Рисунок 2.2 – Структурная схема микроконтроллера PIC16F877A
Рисунок 2.3 – Расположение выводов микроконтроллера PIC16F877A
Рисунок 2.4 – Общий вид микроконтроллера PIC16F877A
Основные технические характеристики микроконтроллера PIC16F877A приведены в Приложении А.
2.4 Разработка функциональной схемы устройства
После выбора микроконтроллера мы можем приступить к разработке функциональной схемы (Рис. 2.5).
+ 12 В 
С  |
 |
 |
Рисунок 2.5 – Функциональная схема многофункциональных астрономических часов
2.5 Разработка алгоритма управления
Основной алгоритм работы микроконтроллера представлен на рис. 2.6.
Рисунок 2.6 - Алгоритм работы многофункциональных астрономических часов
2.6 Разработка программного обеспечения микроконтроллера
Программа для микроконтроллера написана на языке ассемблера. Сделать ее можно более гибкой, даже ценой увеличения размера кода. Эту программу можно улучшать и улучшать, но, она работает и не слишком беспорядочна. Можно обновлять программу время от времени – удаляя ошибки и добавляя новые возможности.