Да, вот такие условыия. Диплом - Мальцев (1). Разработка аппаратнопрограммного комплекса "Умный будильник" с дополнительным функционалом на базе микроконтроллерного модуля Arduino
 Скачать 1.74 Mb.
|
 МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА – Российский технологический университет» РТУ МИРЭА Колледж приборостроения и информационных технологий ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы на тему:  «Разработка аппаратно-программного комплекса "Умный будильник" с дополнительным функционалом на базе микроконтроллерного модуля Arduino»Выполнил студент группы ЩККО-03-17 (КС-43) С.И. Мальцев подпись ФИО студента Руководитель А.Г. Болтенков подпись ФИО руководителя Нормоконтроль И.М. Власова подпись ФИО контролер Москва 2021 ЗАДАНИЕ на дипломный проект студенту 4 курса группы ЩККО-03-17 (КС-43) по специальности 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы Мальцеву Сергею Игоревичу ТЕМА ЗАДАНИЯ: «Разработка аппаратно-программного комплекса "Умный будильник" с дополнительным функционалом на базе микроконтроллерного модуля Arduino» Дипломный проект выполняется студентом колледжа в следующем объеме: Техническое задание I Пояснительная записка Введение Анализ технического задания 1 Исследование существующих решений 1.1 Исследование работы устройств подобного типа 1.2 Анализ характеристик входных и выходных сигналов 2 Разработка аппаратной части аппаратно-программного комплекса "Умный будильник" 2.1 Разработка архитектуры 2.2 Выбор элементной базы 2.3 Выбор микроконтроллерного модуля 2.4 Разработка интерфейса 3 Разработка программного обеспечения аппаратно-программного комплекса "Умный будильник" 3.1 Разработка алгоритма работы программы 3.2 Разработка программного обеспечения Заключение Список использованных источников II Графическая часть проекта Лист 1 Структурная схема Лист 2 Функциональная схема Лист 3Электрическая принципиальная схема Лист 4 Спецификация Приложения Дата выдачи 06.04.2021Срок окончания 04.06.2021 Председатель ПЦК Сетевого администрирования и инфокоммуникационных систем ____________ А.В. Беседин Руководитель дипломного проекта ____________ А.Г. Болтенков ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ на разработку аппаратно-программного комплекса "Умный будильник" с дополнительным функционалом на базе микроконтроллерного модуля Arduino. Разработать АПК ( далее устройство ) для удобного и адаптивного пробуждения. Компонентом управления устройства должен быть модуль поворотного механизма энкодера WAVGAT. Индикация должна осуществляться на цифровом семисегментном индикаторе дисплея. Питание электронного устройства, может быть реализовано, при помощи портативного и прямого источника питания.  Пояснительная записка  СОДЕРЖАНИЕКомпьютерные системы и комплексы 1 на тему: 1 «Разработка аппаратно-программного комплекса "Умный будильник" с дополнительным функционалом на базе микроконтроллерного модуля Arduino» 1  ВВЕДЕНИЕБудильник — часы, в заданный момент времени подающие звуковой, световой и/или в редких случаях другой сигнал. Русское название «будильник» указывает на основное назначение таких часов — побудку хозяина утром. Также будильник может применяться как «напоминатель» или таймер. Одним из таких устройств является будильник – устройство для срабатывания сигнала в установленное время, который используются во всех видах будильника и служит для пробуждления владельца. Их цель создать раздрожитель для пробуждения. Часы можно разделить на четыре вида: механические часы; электронные часы; квантовые часы; кварцевые часы. Электронные часы. Электронные часы — часы, в которых для отсчёта времени используются периодические колебания электронного генератора, преобразованные в дискретные сигналы, повторяющиеся через 1 с, 1 мин, 1 ч и т. д.; сигналы выводятся на цифровое табло, показывающее текущее время, а в некоторых моделях также число, месяц, год, день недели. Основа электронных часов — кварцевый генератор стабилизированных электрических колебаний, с микросхемой, предназначенной для вычисления времени и вывода сигналов на цифровой дисплей. Часы с питанием от сети переменного тока могут не иметь собственного генератора и использовать частоту сети. Электронные часы также используются в транспортных средствах. Такие часы имеют светящийся дисплей, который видно в любое время суток, и часто питаются от аккумуляторной батареи самого средства передвижения.  Механические часы.Механические часы — часы, использующие маятник, который периодом колебаний измеряет время в течение суток, месяца, года и который приводится в движение гиревым, пружинным или электрическим источником энергии с электромеханическим преобразователем. В качестве меры времени используются инерционные свойства колебательной системы в виде классического и пружинного маятника при регулировании длинного маятника или спиральной пружины в виде балансового регулятора (+/-). Атомные часы. Атомные часы (молекулярные, квантовые часы) — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул. Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) невозможны без атомных часов. Кварцевые часы. Кварцевые часы — часы, в которых в качестве колебательной системы применяется кристалл кварца. Хотя электронные часы также являются кварцевыми, выражение «кварцевые часы» обычно применяется только к электромеханическим часам (электронным часам со стрелками). Качественные бытовые кварцевые часы имеют точность ±15 секунд/месяц (в специально спроектированных особо точных хронометрах до 0,3 секунды/месяц). Таким образом, выставлять их надо дважды в год. Однако кристалл кварца подвержен старению, и со временем часы начинают, как правило, спешить. В дипломном проекте будет разработано АПК "Умный будильник" на базе микроконтроллерного модуля Arduino.  АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯОсновное состояние устройства — подсчет времени и сигнализация по таймеру для пробуждения владельца. Для того чтобы отключить устройство необходимо прекратить подавать питание и отсоеденить интегрированый источник дополнительного питания. Для начала работы устройства необходимо запустить микроконтроллер прервав режима ожидания путем подачи ложного сигнала. Для остановки работы устройства необходимо извлечь источник допольнительного питания или прекратить любое другое питание на плату. Основной модуль программы должен обеспечивать следующие режимы работы устройства: подсчет реального времени работы; установка времени срабатывания сигнала пробуждения; включение светодиодной ленты при срабатывании сигнала; произведение звука по сигналу пробуждения; отображение реального времени на семисегментный-дисплей.  1 ИССЛЕДОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙИсследование работы устройств подобного типа Электронные часы. На рисунке 1 приведена принципиальная схема варианта электронных часов на трех ИС серии К176ИЕ18 (D1), К176ИЕ13 (D2) и К176ИДЗ (D3), для задающего генератора использован кварцевый резонатор РК-72 (Z1) на частоту 32 768 Гц. Для отображения времени использован плоский катодолюминесцентный четырехразрядный индикатор ИВЛ1-7/5, предназначенный для работы в режиме динамической индикации. Микросхема К176ИЕ12 состоит из трех основных узлов: усилителя-формирователя сигналов задающего генератора, 15-разрядного делителя и делителя на 60. Аналогичную структуру с некоторой модификацией внутренних соединений имеет микросхема К176ИЕ18.  Рис.1 Принципиальная схема часов на микросхемах серии К176  Микросхемы ИЕ13 и ИЕ17 объединены по выходу, так что обслуживаются они одним кодопреобразователем и индикатором. Схему «монтажное ИЛИ» можно использовать при объединении ИС, поскольку у них имеются выходы на три состояния. Перевод выходов в третье состояние, т. е. состояние «отключено», осуществляется при подаче напряжения низкого уровня на управляющий вход V (вывод 2). Используя это свойство ИС, можно устанавливать время и календарные даты с помощью одних и тех же кнопок как показано на рисунке 2. Рис.2 Часть схемы часов, реализующая функцию календаря  Анализ характеристик входных и выходных сигналовСопряжение и работа электронных часов. Микросхемы К176ИЕ12 (рисунок 3, а), К176ИЕ18 (рисунок 3, б) позволяют реализовать задающий генератор, сформировать секундные и минутные сигналы, а также сигналы, необходимые для управления сигнальным устройством и семисегментным катодолюминесцентным индикатором в режиме динамической индикации [3]. Микросхема К176ИЕ12 состоит из трех основных узлов: усилителя-формирователя сигналов задающего генератора, 15-разрядного делителя и делителя на 60. Аналогичную структуру с некоторой модификацией внутренних соединений имеет микросхема К176ИЕ18. Задающий генератор ЗГ выполнен на микросхеме D1 подключением к выводам 12, 13 RC-цепи с кварцевым резонатором Z1 на частоту 32 768 Гц, как показано на рисунке 3. На выходе F (вывод 14) получаются усиленные по мощности колебания ЗГ. Импульсы ЗГ внутрисхемным соединением подведены ко входу 15-разрядного счетчика, на выходах которого реализуются коэффициенты деления 25, 214, 215.  Рис.3 Микросхемы серии К176  Выходы ИС имеют следующее назначение:с выхода 215 (вывод 4) получают секундные импульсы, т. е. импульсы с частотой следования 1 Гц; с выхода 214 (вывод 6) — импульсы с частотой 2 Гц, используемые для установки показаний часов, основное назначение этого выхода — выделение секундных импульсов при использовании кварцевого резонатора на частоту 16 384 Гц; с выхода 25 (вывод 11) — импульсы с частотой 1024 Гц для блока звуковой сигнализации; с выходов Y1 — Y4 (выводы 3, 2, 1, 15) — стробирующие импульсы с частотой повторения 128 Гц для управления сетками катодолюминесцентных индикаторов в режиме динамической индикации. Установка всех разрядов в нулевое состояние производится по входу R1 напряжением высокого уровня. Делитель на 60 имеет два входа: Т2 (вывод 7) для счетных импульсов и R2 (вывод 9) для сигналов установки делителя в нулевое состояние. На выходе «60» (вывод 10) получаются импульсы с частотой следования в 60 раз меньшей, чем частота входных сигналов. При внешнем соединении выхода 215 и входа Т2 на выходе «60» выделяются импульсы с периодом повторения 1 мин. Микросхема К176ИЕ18 аналогична К176ИЕ12, но имеет ряд отличий, а именно: у нее только один вход R (вывод 5) для установки делителей в нулевое состояние; отсутствует вход Т2, поскольку внутренним соединением секундные импульсы поданы на вход делителя на 60; есть управляющий вход V (вывод 9), с поступлением на который напряжения высокого уровня на выходе HS (вывод 7) появляется последовательность импульсов 2048 Гц, прерываемая с частотой 1 Гц, предназначенная для блока звуковой сигнализации; для управления яркостью свечения индикатора имеется двухуровневая регулировка скважности импульсов на выходах Y1 — Y4 [5].  Регулировка скважности осуществляется подачей на вход А (вывод 14) одного из двух напряжений: 0 или 9V. Во втором режиме (9V) скважность указанных импульсов увеличивается в 3,5 раза и во столько же раз уменьшается яркость свечения индикатора. Выходы Y1 — Y4 микросхемы К176ИЕ18 выполнены по схеме с открытым стоком и поэтому допускают подключение к ним сеток вакуумных катодолюминесцентных индикаторов без согласующих ключей. В случае применения микросхемы К176ИЕ12 также ключи необходимы, так как выходной ток указанных выводов у нее меньше.  По схеме с открытым стоком выполнен и выход HS (вывод 7), что позволяет подключать к нему непосредственно излучатель звуковых колебаний с внутренним сопротивлением более 50 Ом. Микросхема К176ИЕ13 (рисунок 2, в) содержит счетчики минут, часов, регистр памяти будильника, устройство программирования и включения звуковой сигнализации, кодопреобразователь для формирования сигналов цифр в двоичном коде для дешифрирования и последующего их использования для управления индикатором. Эта ИС обычно применяется вместе с микросхемами ИЕ12 или ИЕ18. Выводы ИС имеют следующее назначение: вход М (вывод 5) для ввода импульсов с периодом 1 мин с выхода ИС ИЕ12 или ИЕ18; вход Р (вывод 11) для подключения цепи установки показаний часов и будильника вход С1 (вывод 10) для введения импульсов синхронизации с частотой 1024 Гц с выхода ИЕ12 или ИЕ18; вход S (вывод 9) для импульсов установки с частотой 2 Гц; вход К (вывод 6) для гашения индикатора при К = 1 во время коррекции показаний часов; управляющий вход V (вывод 2), требующий в рабочем режиме постоянного уровня напряжения 9 В; выходы Q1 — Q4 служат для вывода го ИС сигналов двоичного кода, отображающих результат счета часов и минут, при установке показаний часов с помощью кнопочных переключателей на этих выходах формируются коды цифр, соответствующих устанавливаемым значениям минут и часов; на выходе С (вывод 12) формируется сигнал разрешения записи двоичного кода во входной регистр дешифратора К176ИД2 или ИД3; на выходе HS (вывод 7) формируется сигнал управления устройством звуковой сигнализации, при совместном применении с К176ИЕ18 этот выход соединяют со входом V ИС ИЕ18 (вывод 9), выход R (вывод 4) является установочным и соединяется в схеме часов с выводами установки нуля других ИС.Микросхемы дешифраторов К176ИД2 и ИД3 (рисунок 2, г) аналогичны: они выполняют функцию преобразования двоично-десятичного кода, поступающего на входы D1— D4 с выходов ИС ИЕ13 Q1 — Q4, в семиэлементный код для управления семисегментными индикаторами. Различие указанных ИС состоит в том, что у ИС ИД3 выходы выполнены по схеме с открытыми стоками, поэтому они допускают непосредственное подключение сеток индикаторов, тогда как для подключения к индикаторам выходов ИС ИД2 требуются транзисторные ключи. Для управления режимом работы у ИС Предусмотрены три входа: вход С (вывод 1) для сигнала разрешения записи входного кода в регистр дешифратора (при С= 1), вход S (вывод 6) для сигнала управления уровнем напряжения выходного кода: при S = 0 управляющим является напряжение высокого уровня, при S = 1 — низкого; вход К (вывод 7) для сигнала разрешения индикации (при К = 0) или гашения индикатора (при К=1). Для управления работой часов использованы кнопки без фиксации SB1 — SB4 и с фиксацией положения SB5, SB6, имеющие следующее назначение. Кнопки SB1 и SB2 служат для установки при нажатии на них минут и часов, кнопка SB3—для подключения индикатора к устройству программирования будильника. При нажатой кнопке индикатор показывает время включения сигнала будильника. При установке этого времени в разрядах часов и минут необходимо нажать кнопки SB2 и SB1 соответственно, удерживая при этом кнопку SB3 в нажатом состоянии. Кнопка SB4 позволяет корректировать показания часов: при кратковременном нажатии по шестому сигналу точного времени в разряде единиц и десятков минут будут установлены нули.  Кнопка SB5 позволяет уменьшить яркость свечения индикатора при переключении в положение «9V», при этом блокируются цепи установки времени и сигнализации; SB6 — отключать сигнальное устройство, при этом мигание точки на индикаторном табло прекращается.Блок питания содержит сетевой трансформатор, создающий напряжение 5V (со средней точкой) для питания накала катода индикатора и напряжение 30V для питания остальных цепей индикатора и микросхем. Напряжение 30V выпрямляется кольцевым устройством на четырех диодах (VD10—VD13), а затем с помощью стабилизатора на стабилитроне VD16 относительно корпуса создается напряжение 9V для питания ИС, а с помощью стабилизатора на стабилитронах VD14, VD15 и транзистора VT2 — напряжение 25V (относительно катода) для питания сеток и анодов индикаторов. Мощность, потребляемая часами, не более 5W. Предусмотрено подключение резервного питания для сохранения времени часов при выключении сети. Для этого может быть использована любая батарея напряжением 9V. В электронных часах с календарем следует применять микросхему К176ИЕ17, которая позволяет считывать и представлять в двоично-десятичном коде дни недели от 1 до 7, числа от 1 до 28, 30 или 31 в зависимости от месяца, и номер месяцев от 1 до 12. На рисунке приведен фрагмент схемы часов , показывающий способ включения ИС календаря в рассмотренную структуру часов. Входы и выходы ИС ИЕ17 и ИЕ13 по назначению аналогичны, поэтому укажем лишь на особенности управления ИС календаря. Подобно тому, как, для ИС ИЕ13, входными являются минутные импульсы, получаемые ею с выхода ИС ИЕ18, для ИС ИЕ17 это импульсы, снимаемые с выхода Q0 ИС ИЕ13 (вывод 3), которые имеют период повторения, равный суткам. Входные импульсы поступают на вход D0 и далее проходят ту же обработку, что и минутные импульсы в ИС ИЕ13, т.е. их считают и затем преобразуют получаемый результат в двоично-десятичный код на выходах Q1— Q4 [1].  2 РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ ЧАСТИ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА "УМНЫЙ БУДИЛЬНИК" |