РАЗРАБОТКА ЧАСОВ С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ. Разработка часов с микропроцессорным управлением

• Название: Разработка часов с микропроцессорным управлением
• Дата: 06.02.2022
• Размер: 1.11 Mb.
• Имя файла: РАЗРАБОТКА ЧАСОВ С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.docx
• Тип: Диплом; #353003
• страница: 3 из 4

1.3 Выбор программного обеспечения для проектирования

Проектировка устройства, построенного на базе микроконтроллера, проходит через несколько этапов разработки. Для создания необходимой документации используется специализированное программное обеспечение:

1. 
   Для реализации схемотехнического моделирования и разработки функциональной схемы была выбрана программная среда Proteus Professional, так как имеет широкую зарекомендованную популярность в инженерном деле за счет своих функций и возможностей.
   
2. 
   Средой разработки программного кода был выбран Atmel Studio от одноименной компании производителя микроконтроллеров. Приоритетным достоинством данной программы являются её бесплатность, количество библиотек и поддержка со стороны компании-разработчика.
   
3. 
   Для проектировки печатной платы выбор пал на Altium Designer из-за количества и качества числа функций редактирования, а также удобности проектировки из-за возможности переключения между этапами разработки печатной платы.
   

ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЧАСОВ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

В данной главе описывается процесс проектирования электронных часов на базе микроконтроллера, включая разработку структурной и принципиальной схемы, написание программного кода и создание печатной платы.

2.1. Разработка структурной схемы часов

Для разработки нам необходимо учесть необходимые блоки для реализации работы:

1. 
   Блок часов реального времени для установки данных;
   
2. 
   Микроконтроллер для связи с RTC через шину I2C;
   
3. 
   Дисплей для вывода информации;
   
4. 
   Кнопки для установки данных.
   

Рисунок 2.1 – Структурная схема часов на базе микроконтроллера

2.2. Разработка принципиальной схемы электронных часов

Средой разработки принципиальной схемы была выбрана программа Proteus Professional. Данная программа позволяет собрать схему электронного устройства и симулировать его работу, выявляя ошибки, допущенные на стадии проектирования.

Для сборки нам потребуются: микроконтроллер Atmega8, часы реального времени DS1307, жидкокристаллический дисплей LM016L, две тактовые кнопки, два подтягивающих резистора и кристалл кварца. Собранная схема представлена ниже:



Рисунок 2.2 – Принципиальная схема электронных часов

2.3. Разработка программного кода

Исходя из спроектированной принципиальной схемы, необходимо приступить к разработке программного кода в Atmel Studio.

В первую очередь необходимо задать тактовую частоту процессора и подключить стандартные библиотеки:

#define F_CPU 8000000UL

#include

#include

Дальше производим функцию инициализации шины TWI/I2C:

void I2CInit(void)

{

TWBR = 2; // Настройка частоты шины

TWSR = (1 << TWPS1)|(1 << TWPS0); // Предделитель на 64

TWCR |= (1 << TWEN); // Включение модуля TWI

}

Подключаем функции “старт” и “стоп” шины I2C:

// Функция СТАРТ

void I2CStart(void)

{

TWCR = (1 << TWINT)|(1 << TWEN)|(1 << TWSTA); // Передача условия СТАРТ

while(!(TWCR & (1 << TWINT))); // Ожидание установки флага TWINT

}
// Функция СТОП

void I2CStop(void)

{

TWCR = (1 << TWINT)|(1 << TWEN)|(1 << TWSTO); // Передача условия СТОП

while(TWCR & (1 << TWSTO)); // Ожидание завершения передачи условия СТОП

}

Дальше реализуем функции записи и чтения данных по шине I2C:

// Функция записи данных по шине

uint8_t I2CWriteByte(uint8_t data)

{

TWDR = data; // Загрузка данных в TWDR

TWCR = (1 << TWEN)|(1 << TWINT); // Сброс флага TWINT для начала передачи данных

while(!(TWCR & (1 << TWINT))); // Ожидание установки флага TWINT

// Проверка статуса

// Если адрес DS1307+R и принято "подтверждение"(0x18)

// или адрес DS1307+W и принято "подтверждение"(0x40)

// или передается байт данных и принято "подтверждение"(0x28)

if((TWSR & 0xF8) == 0x18 || (TWSR & 0xF8) == 0x40 || (TWSR & 0xF8) == 0x28) return 1; // OK

else return 0; // ОШИБКА

}
// Функция чтения данных по шине

uint8_t I2CReadByte(uint8_t *data,uint8_t ack)

{

// Возвращаем "подтверждение" после приема

if(ack) TWCR |= (1 << TWEA);

// Возвращаем "неподтверждение" после приема

// Ведомое устройство не получает больше данных

// обычно используется для распознования последнего байта

else TWCR &= (1 << TWEA);

// Разрешение приема данных после сброса TWINT

TWCR |= (1 << TWINT);

while(!(TWCR & (1 << TWINT))); // Ожидание установки флага TWINT

// Проверка статуса

// Если принят байт данных и возвращается "подтверждение"(0x50)

// или принят байт данных и возвращается "ненеподтверждение"(0x58)

if((TWSR & 0xF8) == 0x50 || (TWSR & 0xF8) == 0x58)

{

*data = TWDR; // Читаем данные из TWDR

return 1; // OK

}

else return 0; // ОШИБКА

}

Производим функцию записи и чтения данных с часов реального времени DS1307:

// Функция чтения данных из DS1307

uint8_t DS1307Read(uint8_t address,uint8_t *data)

{

uint8_t res;

I2CStart(); // СТАРТ

res = I2CWriteByte(0b11010000); // адрес DS1307+W

if(!res) return 0; // ОШИБКА

// Передача адреса необходимого регистра

res = I2CWriteByte(address);

if(!res) return 0; // ОШИБКА

I2CStart(); // Повторный СТАРТ

res = I2CWriteByte(0b11010001); // адрес DS1307+R

if(!res) return 0; // ОШИБКА

// Чтение данных с "неподтверждением"

res = I2CReadByte(data,0);

if(!res) return 0; // ОШИБКА

I2CStop(); // СТОП

return 1; // OK

}
// Функция записи данных в DS1307

uint8_t DS1307Write(uint8_t address,uint8_t data)

{

uint8_t res;

I2CStart(); // СТАРТ

res = I2CWriteByte(0b11010000); // адрес DS1307+W

if(!res) return 0; // ОШИБКА

// Передача адреса необходимого регистра

res = I2CWriteByte(address);

if(!res) return 0; // ОШИБКА

res = I2CWriteByte(data); // Запись данных

if(!res) return 0; // ОШИБКА

I2CStop(); // СТОП

return 1; // OK

}

Дальше подключаем функции LCD-дисплея для работы с передачей команд и данных:

// Функции работы с LCD

#define RS PD0

#define EN PD2

// Функция передачи команды

void lcd_com(unsigned char p)

{

PORTD &= (1 << RS); // RS = 0 (запись команд)

PORTD |= (1 << EN); // EN = 1 (начало записи команды в LCD)

PORTD &= 0x0F; PORTD |= (p & 0xF0); // старший нибл

_delay_us(100);

PORTD &= (1 << EN); // EN = 0 (конец записи команды в LCD)

_delay_us(100);

PORTD |= (1 << EN); // EN = 1 (начало записи команды в LCD)

PORTD &= 0x0F; PORTD |= (p << 4); // младший нибл

_delay_us(100);

PORTD &= (1 << EN); // EN = 0 (конец записи команды в LCD)

_delay_us(100);

}

// Функция передачи данных

void lcd_data(unsigned char p)

{

PORTD |= (1 << RS)|(1 << EN); // RS = 1 (запись данных), EN - 1 (начало записи команды в LCD)

PORTD &= 0x0F; PORTD |= (p & 0xF0); // старший ниббл

_delay_us(100);

PORTD &= (1 << EN); // EN = 0 (конец записи команды в LCD)

_delay_us(100);

PORTD |= (1 << EN); // EN = 1 (начало записи команды в LCD)

PORTD &= 0x0F; PORTD |= (p << 4); // младший ниббл

_delay_us(100);

PORTD &= (1 << EN); // EN = 0 (конец записи команды в LCD)

_delay_us(100);

}

Подключаем функцию вывода строки на экран:

// Функция вывода строки на LCD

void lcd_string(unsigned char command, char *string)

{

lcd_com(0x0C);

lcd_com(command);

while(*string != '\0')

{ lcd_data(*string);

string++;

}

}

Подключаем функцию вывода переменной:

// Функция вывода переменной

void lcd_num_to_str(unsigned int value, unsigned char nDigit)

{

switch(nDigit)

{

case 4: lcd_data((value/1000)+'0');

case 3: lcd_data(((value/100)%10)+'0');

case 2: lcd_data(((value/10)%10)+'0');

case 1: lcd_data((value%10)+'0');

}

}

Реализуем функцию инициализации LCD-дисплея:

// Функция инициализации LCD

void lcd_init(void)

{

PORTD = 0x00;

DDRD = 0xFF;

_delay_ms(50); // Ожидание готовности ЖК-модуля

// Конфигурирование четырехразрядного режима

PORTD |= (1 << PD5);

PORTD &= (1 << PD4);

// Активизация четырехразрядного режима

PORTD |= (1 << EN);

PORTD &= (1 << EN);

_delay_ms(5);

lcd_com(0x28); // шина 4 бит, LCD - 2 строки

lcd_com(0x08); // полное выключение дисплея

lcd_com(0x01); // очистка дисплея

_delay_us(100);

lcd_com(0x06); // сдвиг курсора вправо

lcd_com(0x0C); // включение дисплея, курсор не видим

}

Переходим к главной функции и реализуем работу часов:

int main(void)

{

_delay_ms(100);

DDRC = 0x00;

PORTC = 0xFF;

lcd_init(); // Инициализация LCD

I2CInit(); // Инициализация шины I2C

lcd_string(0x81, "«RTC DS1307"); // Часы на DS1307

lcd_string(0xC4, " : : ");

// Запускаем ход часов

uint8_t temp;

DS1307Read(0x00,&temp);

temp &= (1 << 7); // обнуляем 7 бит

DS1307Write(0x00,temp);

while(1)

{

unsigned char hour, minute, second, temp;

// Читаем данные и преобразуем из BCD в двоичную систему

DS1307Read(0x00,&temp); // Чтение регистра секунд

second = (((temp & 0xF0) >> 4)*10)+(temp & 0x0F);

DS1307Read(0x01,&temp); // Чтение регистра минут

minute = (((temp & 0xF0) >> 4)*10)+(temp & 0x0F);

DS1307Read(0x02,&temp); // Чтение регистра часов

hour = (((temp & 0xF0) >> 4)*10)+(temp & 0x0F);

lcd_com(0xC4);

lcd_num_to_str(hour, 2); // Выводим на экран часы

lcd_com(0xC7);

lcd_num_to_str(minute, 2); // Выводим на экран минуты

lcd_com(0xCA);

lcd_num_to_str(second, 2); // Выводим на экран секунды

if((PINC & (1 << PC0)) == 0) // Если нажата кнопка

{

while((PINC & (1 << PC0)) == 0){} // Ждем отпускания кнопки

hour++; // Увеличиваем часы на 1

if(hour > 23) hour = 0;

// Преобразуем из двоичной системы в BCD и записываем в DS1307

uint8_t temp;

temp = ((hour/10) << 4)|(hour%10);

DS1307Write(0x02, temp);

_delay_ms(100);

}

if((PINC & (1 << PC1)) == 0) // Если нажата кнопка

{

while((PINC & (1 << PC1)) == 0){} // Ждем отпускания кнопки

minute++; // Увеличиваем минуты на 1

if(minute > 59) minute = 0;

// Преобразуем из двоичной системы в BCD и записываем в DS1307

uint8_t temp;

temp = ((minute/10) << 4)|(minute%10);

DS1307Write(0x01, temp);

_delay_ms(100);

}

}

}

2.3. Моделирование электронных часов в среде разработки Proteus

Для моделирования схемы необходимо в программе Proteus использовать настройку компонента микроконтроллера, чтобы “залить” в него программный код. Также необходимо задать тактовую частоту в 8Ггц.

На рисунке ниже представлена эмуляция часов, но с некоторыми ошибками, такими как некорректное указание даты и ошибка в выводе данных на первую строку.

Рисунок 2.3 – Эмуляция часов в программе Proteus

2.4. Разработка печатной платы

Для реализации проектирования печатной платы воспользуемся программой Altium Designer. Восстановим библиотеки недостающих элементов, которые находятся в открытом доступе.

Дальше приступим к повторению принципиальной схемы, созданной в программе Proteus Professional.



Рисунок 2.4 – Принципиальная схема в Altium Designer

Дальше создадим PCB-файл, но прежде необходимо установить правила трассировки. После установки ширины дорожек, расстояний между элементами, расстояниями от края макетной платы, а также размера переходных отверстий и зазоров можно приступать к установке элементов на плату.

Результаты трассировки указаны на рисунке 2.5:



Рисунок 2.5 – Результат трассировки платы в программе Altium Designer

ГЛАВА 3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДЕРЕНИЯ ПРОЕКТА

Для расчета экономической целесообразности разработки дипломного проекта и определения экономической эффективности капиталовложений в проект представлено технико-экономическое обоснование разработки, анализ существующих аналогичных разработок и экономический эффект от использования проектируемого устройства.

1. 
   Расчёт трудоёмкости:
   

Трудоемкость характеризуется перечнем основных этапов и видов работ, которые должны быть выполнены в проекте. Расчет трудоемкости представлен в таблице 3.1.

Таблица 3.1. - Расчет трудоемкости

Виды работ	Трудоёмкость, днях.
Разработка технического задания	1
Сбор информации и ознакомление с предметной областью	5
Выбор объектного построения программы	1
Разработка общей методики создания продукта	3
Разработка основного алгоритма	2
Проектирование устройства	3
Выполнение монтажных работ	1
Сборка устройства	1
Создание программы	2
Подключение, тестирование и окончательная конфигурация устройства	1
Подготовка технической документации	2

По данным таблицы 3 трудоемкость проекта составляет 23 дня.

2. 
   Расчёт затрат на материалы
   

Расчет стоимости основных материалов, затраченных на создание проекта, представлен в таблице 3.2.

Обозначение	Тип	Номинал	Кол-во	Цена ед., руб.	Сумма, руб.
U1	Микросхема	Atmega8	1	180	180
U2	Микросхема	DS1307	1	100	100
DS	Дисплей	LM016	1	300	300
Y1	Резонатор	HC-49S, 32,768 Мгц	1	25	25
S1	Кнопка	KLS7-TS6601	2	7	14
R1	Резистор	MO-200, 4.7кОм	2	4	8
R2	Резистор подстроечный	3296W-1-103LF, 10кОм	1	80	80
Итого					707

На основании данных представленной в таблице 3.2, общая сумма затрат на материалы составляет 707 рублей.

3) Расчёт затрат на электроэнергию и амортизацию электромонтажного оборудования.

Расчет затрат на электроэнергию и амортизацию оборудования проводим с учетом цены электроэнергии, цены и срока службы оборудования и трудоёмкости.

Затраты по электроэнергии определяем по формуле:

З_эл.эн = Р_{эл.эн. осв} * Т_эл.эн. руб.

где Т_эл.эн. - тариф за 1кВт/час, электроэнергии, руб.;

Р_{эл.эн. осв} - общий расход электроэнергии за период работы, кВт час.

Тариф на электроэнергию с 1 января 2020 г. равен 5,47 руб. за кВт/час.

Для пайки МСУЭ, требуется лишь паяльник мощностью до 100 Вт. На монтажные работы одного экземпляра, требуется около 2-х часов.

Р_{эл.эн. осв.} = 2*100/1000 = 0,2 (кВт час)

З_эл.эн. = 0,2*5,47=1,1 руб.

Расчет затрат по амортизации оборудования, применяемого для электромонтажных работ, выполняем, исходя из первоначальной стоимости оборудования каждого вида и годовых норм амортизации.

Сумму амортизационных отчислений за месяц определяем по формуле:

А_м = П_с * На_мес/100, руб.

где П_с - первоначальная стоимость оборудования, руб.

На_мес - месячная норма амортизации определяется по формуле:

На_мес = На_год/12, %

Стоимость паяльника около 2-х тысяч рублей. Согласно редакции пункта 1 статьи 257 НК РФ, согласно которой основными средствами признаются средства труда первоначальной стоимостью свыше 100 тысяч рублей. Паяльник не относится с основным средствам, следовательно списывается в текущие расходы.

4) Расчёт расходов на заработную плату.

На основании данных о средней заработной платы по отрасли рассчитываем основную заработную плату инженера, технолога, проектировщика. Уровень средней зарплаты в данной сфере на 01.05.2020 составляет 54382 рубля.

Исходя из выше указанной информации, рассчитаем заработную плату сотрудника, исходя из затраченных на работу дней.

Количество рабочих дней по графику: апрель 2020 – 22 дня, май 2020 – 13 дней.

Количество отработанных дней: апрель 2020 – 3 дня, май 2020 – 15 дней.

Заработная плата инженера-технолога-проектировщика за 18 рабочих дней составляет:

54382 / 22 * 3 + 54382 / 17 * 13 = 49001,97 (рублей).

На основании полученных расчетов затрат, определяем себестоимость электронных часов на базе микроконтроллера. Статьи затрат приведены в таблице 1.10.

Таблица 1.10 – Смета всех затрат

Наименование статей затрат	Сумма, руб.
Затрат на материалы	707
Затраты на электроэнергию и амортизацию электромонтажного оборудования	1,1
Расходов на заработанную плату	49001,97

Общая сумма затрат на разработку и сборку электронных часов составляет 49710,07 рублей.

5)Экономический эффект:

Экономический эффект представляет собой результат использования труда человека, который может быть направлен на создание определенных материальных благ. В этом случае важно не только обеспечить результат, но и определить, с помощью чего его достигли.

Экономическая эффективность определяется по формуле разности средней стоимости объекта на рынке и затрат на материалы:

1500-707= 793 (рубля)