Разработка многофункциональных астрономических часов (стр. 1 из 12)
СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ
ВВЕДЕНИЕ
РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ
1.1 Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера
1.1.1 Основные этапы разработки
1.1.2 Разработка и отладка аппаратных средств
1.1.3 Разработка и отладка программного обеспечения
1.2 Астрономические часы
РАЗДЕЛ 2 РАЗРАБОТКА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ЧАСОВ
2.1 Постановка задачи
2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации
2.3 Аппаратные средства микроконтроллеров серии PIC16F877A
2.4 Разработка функциональной схемы устройства
2.5 Разработка алгоритма управления
2.6 Разработка программного обеспечения микроконтроллера
2.7 Выбор, описание и расчет элементной базы
2.8 Разработка схемы электрической принципиальной
РАЗДЕЛ 3 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
РАЗДЕЛ 4 ОХРАНА ТРУДА
4.1 Требования к производственным помещениям
4.1.1 Окраска и коэффициенты отражения
4.1.2 Освещение
4.1.3 Параметры микроклимата
4.1.4 Шум и вибрация
4.1.5 Электромагнитное и ионизирующее излучения
4.2 Эргономические требования к рабочему месту
4.3 Режим труда
4.4 Расчет освещенности
4.5 Расчет вентиляции
4.6 Расчет уровня шума
ВЫВОДЫ
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ
АЛУ – арифметическо-логическое устройство
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
КМОП – комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник
МПС – микропроцессорная система
ЦПУ – центральное процессорное устройство
ШИМ – широтно импульсная модуляция
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, при разработке большинства измерительных систем возникает задача преобразования аналоговых сигналов от различных датчиков в цифровую форму и их последующей обработки. В некоторых случаях вся обработка данных возлагается на компьютер. Однако, если потребность рынка в измерительной системе велика, то удобнее использовать системы со встроенным микроконтроллером. Контроллер берет на себя многие задачи, связанные как с оцифровкой, так и с последующей обработкой данных. При этом за счет серийного производства стоимость системы значительно снижается. В результате получается законченное устройство, решающее задачу эффективно и с минимальными затратами.
Однокристальные (однокорпусные) микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя следующие составные части: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой.
Мировая промышленность выпускает огромную номенклатуру микроконтроллеров. По области применения их можно разделить на два класса: специализированные, предназначенные для применения в какой-либо одной конкретной области (контроллер для телевизора, контроллер для модема) и универсальные, которые не имеют конкретной специализации и могут применяться в самых различных областях микроэлектроники, с помощью которых можно создать как любое из перечисленных выше устройств, так и принципиально новое устройство.
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 электронных часах для повышения точности во-первых применяют стабильный источник питания, во-вторых – используют термостат для кварцевого резонатора.
Тема дипломной работы – «Разработка многофункциональных астрономических часов», которая и является предметом исследования.
Актуальность данной темы велика, т.к. всю жизнь человечество пыталось «идти в ногу со временем».
Цель работы – разработать особо точные электронные часы на базе микроконтроллера с разнообразными функциями.
За основу для разработки астрономических часов мы взяли микроконтроллер серии PIC16F877A.
РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ
1.1 Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера
1.1.1 Основные этапы разработки
Микропроцессорная система (МПС) на основе микроконтроллера (МК) используются чаще всего в качестве встроенных систем для решения задач управления некоторым объектом. Важной особенностью данного применения является работа в реальном времени, т.е. обеспечение реакции на внешние события в течение определенного временного интервала. Такие устройства получили название контроллеров.
Перед разработчиком МПС стоит задача реализации полного цикла проектирования, начиная от разработки алгоритма функционирования и заканчивая комплексными испытаниями в составе изделия. Методология проектирования контроллеров может быть представлена так, как показано на рис. 1.1.
В техническом задании формулируются требования к контроллеру с точки зрения реализации определенной функции управления. Техническое задание включает в себя набор требований, который определяет, что пользователь хочет от контроллера и что разрабатываемый прибор должен делать. Техническое задание может иметь вид текстового описания.
На основании требований пользователя составляется функциональная спецификация, которая определяет функции, выполняемые контроллером для пользователя после завершения проектирования, уточняя тем самым, насколько устройство соответствует предъявляемым требованиям. Она включает в себя описания форматов данных, как на входе, так и на выходе, а также внешние условия, управляющие действиями контроллера.
Рисунок 1.1- Основные этапы разработки контроллера
Этап разработки алгоритма управления является наиболее ответственным, поскольку ошибки данного этапа обычно обнаруживаются только при испытаниях законченного изделия и приводят к необходимости дорогостоящей переработки всего устройства. Разработка алгоритма обычно сводится к выбору одного из нескольких возможных вариантов алгоритмов, отличающихся соотношением объема программного обеспечения и аппаратных средств.
При этом необходимо исходить из того, что максимальное использование аппаратных средств упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие контроллера в целом, но сопровождается, как правило, увеличением стоимости и потребляемой мощности. При выборе типа МК учитываются следующие основные характеристики:
- разрядность;
- быстродействие;
- набор команд и способов адресации;
- требования к источнику питания и потребляемая мощность в различных режимах;
- объем ПЗУ программ и ОЗУ данных;
- возможности расширения памяти программ и данных;
- наличие и возможности периферийных устройств, включая средства поддержки работы в реальном времени (таймеры, процессоры событий и т.п.);
- возможность перепрограммирования в составе устройства;
- наличие и надежность средств защиты внутренней информации;
- возможность поставки в различных вариантах конструктивного исполнения;
- стоимость в различных вариантах исполнения;
- наличие полной документации;
- наличие и доступность эффективных средств программирования и отладки МК;
- количество и доступность каналов поставки, возможность замены изделиями других фирм.
Список этот не является исчерпывающим.
Номенклатура выпускаемых в настоящее время МК исчисляется тысячами типов изделий различных фирм. Современная стратегия модульного проектирования обеспечивает потребителя разнообразием моделей МК с одним и тем же процессорным ядром. Такое структурное разнообразие открывает перед разработчиком возможность выбора оптимального МК, не имеющего функциональной избыточности, что минимизирует стоимость комплектующих элементов.
1.1.2 Разработка и отладка аппаратных средств
После разработки структуры аппаратных и программных средств дальнейшая работа над контроллером может быть распараллелена. Разработка аппаратных средств включает в себя разработку общей принципиальной схемы, разводку топологии плат, монтаж макета и его автономную отладку. На этапе ввода принципиальной схемы и разработки топологии используются, как правило, распространенные системы проектирования типа "ACCEL EDA" или "OrCad".
1.1.3 Разработка и отладка программного обеспечения
Содержание этапов разработки программного обеспечения, его трансляции и отладки на моделях существенно зависит от используемых системных средств. В настоящее время ресурсы 8-разрядных МК достаточны для поддержки программирования на языках высокого уровня. Это позволяет использовать все преимущества структурного программирования, разрабатывать программное обеспечение с использованием раздельно транслируемых модулей. Одновременно продолжают широко использоваться языки низкого уровня типа ассемблера, особенно при необходимости обеспечения контролируемых интервалов времени. Задачи предварительной обработки данных часто требуют использования вычислений с плавающей точкой, трансцендентных функций.
В настоящее время самым мощным средством разработки программного обеспечения для МК являются интегрированные среды разработки, имеющие в своем составе менеджер проектов, текстовый редактор и симулятор, а также допускающие подключение компиляторов языков высокого уровня типа Паскаль или Си. При этом необходимо иметь в виду, что архитектура многих 8-разрядных МК вследствие малого количества ресурсов, страничного распределения памяти, неудобной индексной адресации и некоторых других архитектурных ограничений не обеспечивает компилятору возможности генерировать эффективный код.