Разработка солнечных часов

Дипломная работа

Тема: Разработка солнечных часов

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к дипломному проекту: 75 страницы, 15 рисунков, 29 таблиц, 20 источников, 5 приложений, 3 листа чертежей формата А1.

Объект исследований: разработка солнечных часов.

Предмет исследования: солнечные часы.

В первом разделе рассмотрены общие принципы разработки устройств на микроконтроллерах и внедрения их в производство, принцип действия солнечных часов.

Во втором разделе выполнена разработка структурной, функциональной и принципиальной схем устройства солнечных часов с использованием микроконтроллера, разработаны алгоритм и ПО микроконтроллера, осуществлен выбор элементной базы.

В третьем разделе выполнено технико-экономическое обоснование объекта разработки, сделан вывод о целесообразности производства данного устройства.

В четвертом разделе проведены расчеты вентиляции, природного и искусственного освещения, уровня шума и полученные значения сопоставлены с нормативными.

АЛГОРИТМ, КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР, ЛАЗЕР, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА, СОЛНЕЧНЫЕ ЧАСЫ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ ВВЕДЕНИЕ

1 Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера

1.1 Основные этапы разработки

1.2 Разработка и отладка аппаратных средств

1.3 Разработка и отладка программного обеспечения

1.4 Методы и средства совместной отладки аппаратных и программных средств

1.5 Солнечные часы

2 РАЗРАБОТКА СОЛНЕЧНЫХ ЧАСОВ

2.1 Постановка задачи

2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации

2.3 Выбор микроконтроллера

2.4 Разработка функциональной схемы устройства

2.5 Разработка алгоритма управления

2.6 Разработка программного обеспечения микроконтроллера

2.7 Выбор и описание элементной базы

2.8 Разработка схемы электрической принципиальной

3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕКТА РАЗРАБОТКИ

3.1 Расчет расходов на ПО для микроконтроллера, которое разрабатывается

3.2 Расчет расходов на создание ПО

3.3 Расчет стоимости разработки конструкторской документации и сборки устройства

3.4 Расчет расходов на стадии производства изделия

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

АЦП — аналого-цифровой преобразователь;

ВДТ — видеодисплейный терминал;

ЖКИдисплей — жидкокристаллический дисплей;

КЗ — короткое замыкание;

МПС — микропроцессорная система;

ОЗУ — оперативно-запоминающее устройство;

ОМК — однокристальные микроконтроллеры;

ПЗУ — программно-запоминающее устройство;

ПО — программное обеспечение.

В настоящее время в системах управления и обработки данных все чаще применяются микроконтроллеры, решающие широкий спектр задач. Однокристальные микроконтроллеры (ОМК) являются наиболее массовым видом устройств современной микропроцессорной техники, годовой объем выпуска которых составляет более 2,5 млрд. штук. Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных схем, ОМК позволяют с минимальными затратами реализовать высокоэффективные системы и устройства управления различными объектами (процессами). В отличие от обычных микропроцессоров, для работы которых необходимы внешние интерфейсные схемы, в корпусе ОМК наряду с основными функциональными узлами размещены такие вспомогательные узлы, как тактовый генератор, таймер, контроллер прерываний, цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи, порты ввода-вывода.

Благодаря этим качествам ОМК находят широкое применение в системах промышленной автоматики, контрольно-измерительных приборах и системах, аппаратуре связи, автомобильной электронике, медицинском оборудовании, бытовой технике и многих других областях.

Применение однокристальных микроконтроллеров позволяет перенести основные затраты, связанные с разработкой встраиваемых систем управления, из аппаратной в программную область. Это неминуемо влечет за собой увеличение сложности программного обеспечения (ПО) микроконтроллеров.

Особенностью разработки ПО для ОМК является использование языка низкого уровня — языка ассемблера. Это связано с тем, что при реализации встраиваемых систем критичными являются время реакции на внешние воздействия, время выполнения заданных процедур обработки данных, размер программного кода и области данных.

Часы — прибор для определения текущего времени суток и измерения продолжительности временных интервалов, в единицах, меньших чем одни сутки.

По размерам и портативности часы классифицируются: карманные часы, наручные часы, каретные часы, настольные часы, настенные часы, напольные часы, башенные часы.

По механизму измерения: солнечные часы, огненные часы, песочные часы, водяные часы, механические часы, камертонные часы, кварцевые часы, электронные часы, астрономические часы, атомные часы.

Солнечные часы — эти часы основаны на том, что солнце отбрасывает тень от предметов, и его путь по небу одинаков в одинаковые дни разных лет. Используя расчерченный круг и поправки на широту местности можно оценить, который сейчас час.

Тема дипломной работы — «Разработка солнечных часов».

Основная цель дипломного проекта — на основании задания на проектирование разработать устройство солнечных часов, которое должно от существующих отличаться:

— простотой схемы (минимальное количество компонентов);

— функциональной насыщенностью, многообразием регулируемых параметров;

— долговечностью;

— стабильных «ходом»;

— низким энергопотреблением.

1 Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера

1.1 Основные этапы разработки

МПС на основе 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, а, возможно, и сопровождением при производстве. Сложившаяся к настоящему времени 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, не свободного в общем случае от внутренних противоречий.

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, поскольку специфика проектируемого устройства может перенести акцент требований на другие параметры МК.

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.

Однако для реализации на практике возможности выбора оптимального МК необходима достаточно глубокая проработка алгоритма управления, оценка объема исполняемой программы и числа линий сопряжения с объектом на этапе выбора МК. Допущенные на данном этапе просчеты могут впоследствии привести к необходимости смены модели МК и повторной разводки печатной платы макета контроллера. В таких условиях целесообразно выполнять предварительное моделирование основных элементов прикладной программы с использованием программно-логической модели выбранного МК.

На этапе разработки структуры контроллера окончательно определяется состав имеющихся и подлежащих разработке аппаратных модулей, протоколы обмена между модулями, типы разъемов. Выполняется предварительная проработка конструкции контроллера. В части программного обеспечения определяются состав и связи программных модулей, язык программирования. На этом же этапе осуществляется выбор средств проектирования и отладки.

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» .

1.3 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.

Для проверки и отладки программного обеспечения используются так называемые программные симуляторы, предоставляющие пользователю возможность выполнять разработанную программу на программно-логической модели МК. Программные симуляторы распространяются, как правило, бесплатно и сконфигурированы сразу на несколько МК одного семейства. Выбор конкретного типа МК среди моделей семейства обеспечивает соответствующая опция меню конфигурации симулятора. При этом моделируется работа ЦП, всех портов ввода/вывода, прерываний и другой периферии. Карта памяти моделируемого МК загружается в симулятор автоматически, отладка ведется в символьных обозначениях регистров.

Загрузив программу в симулятор, пользователь имеет возможность запускать ее в пошаговом или непрерывном режимах, задавать условные или безусловные точки останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров симулируемого МК.

1.4 Методы и средства совместной отладки аппаратных и программных средств

Этап совместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени является самым трудоемким и требует использования инструментальных средств отладки. К числу основных инструментальных средств отладки относятся:

— внутрисхемные эмуляторы;

— платы развития (оценочные платы);

— мониторы отладки;

— эмуляторы ПЗУ.

Внутрисхемный эмулятор — программно-аппаратное средство, способное заменить эмулируемый МК в реальной схеме.

Внутрисхемный эмулятор — это наиболее мощное и универсальное отладочное средство, которое делает процесс функционирования отлаживаемого контроллера прозрачным, т. е. легко контролируемым, произвольно управляемым и модифицируемым.

Платы развития, или, как принято их называть в зарубежной литературе, оценочные платы (Evaluation Boards), являются своего рода конструкторами для макетирования электронных устройств. Обычно это печатная плата с установленным на ней МК и всей необходимой ему стандартной периферией. На этой плате также устанавливают схемы связи с внешним компьютером. Как правило, там же имеется свободное поле для монтажа прикладных схем пользователя. Иногда предусмотрена уже готовая разводка для установки дополнительных устройств, рекомендуемых фирмой. Например, ПЗУ, ОЗУ, ЖКИдисплей, клавиатура, АЦП и др.

Эмулятор ПЗУ — программно-аппаратное средство, позволяющее замещать ПЗУ на отлаживаемой плате, и подставляющее вместо него ОЗУ, в которое может быть загружена программа с компьютера через один из стандартных каналов связи. Это устройство позволяет пользователю избежать многократных циклов перепрограммирования ПЗУ. Эмулируемая память доступна для просмотра и модификации, но контроль над внутренними управляющими регистрами МК был до недавнего времени невозможен.

В последнее время появились модели интеллектуальных эмуляторов ПЗУ, которые позволяют «заглядывать» внутрь МК на плате пользователя.

Этап совместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени завершается, когда аппаратура и программное обеспечение совместно обеспечивают выполнение всех шагов алгоритма работы системы. В конце этапа отлаженная программа заносится с помощью программатора в энергонезависимую память МК, и проверяется работа контроллера без эмулятора.

1.5 Солнечные часы

Солнечные часы — старинный прибор для измерения времени по Солнцу. Вероятно, это древнейший научный инструмент, дошедший до нас без изменений и представляющий первое применение человеком его знаний о движении небесных тел.

Хотя известны самые разнообразные солнечные часы, все их можно разделить на несколько основных типов. Наиболее распространены часы горизонтального типа; их можно увидеть во многих парках и садах. Часы с вертикальным циферблатом обычно встречаются на стенах, ориентированных по сторонам света. Повернутый циферблат делают у вертикальных часов, размещенных на стенах, которые не ориентированы по сторонам света. А отклоненный и склоненный циферблаты наклонены соответственно от наблюдателя и к нему. Обычно они встречаются на многосторонних часах, объединяющих в себе три или более циферблатов и часто имеющих форму куба; их размещают на крышах и гребнях стен, ориентированных по сторонам света. Повернуто-отклоненный и повернуто-склоненный циферблаты размещают на неориентированных по сторонам света зданиях. У экваториальных и полярных часов плоскости циферблатов параллельны соответственно плоскости экватора и полярной оси. Армиллярные часы имеют экваториальный циферблат; их часто используют для декоративных целей. Они содержат от двух до десяти колец, представляющих большие круги земной и небесной сфер. Часовые деления нанесены внутри экваториального круга, а отбрасывающим тень гномоном служит стержень, представляющий полярную ось.

Рисунок 1.2 — Простейшие солнечные часы

Египетские солнечные часы.

Древнейшие из известных ныне солнечных часов были изготовлены около 1500 до н.э. Они сделаны из камня в форме бруска длиной около 30 см с вертикальным Т-образным навершием на одном конце. Время отсчитывалось по засечкам, нанесенным на бруске через неравные интервалы. Часы выставлялись горизонтально по отвесу. Т-образный конец утром поворачивали к востоку, а после обеда — к западу. Тень от верхней кромки «Т» указывала время. Эти и другие древние солнечные приборы показывали «неравные часы», образующиеся в результате деления времени от восхода до заката Солнца на фиксированное число частей. Поскольку длительность светового дня в течение года меняется, менялась и длина часа: летом он был длиннее, а зимой — короче.

Типичны садовые часы (Рис. 1.3). Они показывают истинное солнечное время, которое отличается от поясного времени по-разному в различные сезоны года. «Гномон» — общее название для отбрасывающего тень индикатора, а «указатель» — это тот край гномона, по которому ведется отсчет. Для точного измерения времени угол между указателем и горизонтальным циферблатом должен быть равен географической широте места.

Сделать такие часы было несложно. Многие из них имели часовые линии для определенных дней года, разделенных примерно месяцем, а также для дат равноденствий и солнцестояний. Часовые отметки на каждый день получали, соединяя точки, на которые ложилась в данный час тень, отброшенная гномоном в дни равноденствий и солнцестояний.

Примерно в начале христианской эры был открыт принцип наклонного гномона, позволившего ввести «равные часы», обеспечившие более точное хранение времени. Было обнаружено, что если стержень гномона направить на полюс мира, то он как бы станет осью той параллельной экватору окружности, по которой обращается Солнце. Разделив ее на 24 равные части, получили часы одинаковой длительности. После этого изготовление точных и равномерно идущих солнечных часов стало простым геометрическим и тригонометрическим занятием.

Эволюция солнечных часов шла бок о бок с развитием математики и астрономии. Однако многие века искусством создания солнечных часов владели только мастера, знакомые с гномоникой. С 14-го по 18-е столетие многие ремесленники проявили изобретательность и мастерство в изготовлении карманных солнечных часов высокой точности, ставших жемчужинами часового искусства.

Появление механических часов не упразднило вплоть до 18 в. использование солнечных часов для хранения времени.

Рисунок 1.3 — Садовые солнечные часы

Изготовители солнечных часов шли в ногу с конструкторами механических часов, изобретая солнечные приборы для определения «среднего времени». Когда было введено «поясное время», солнечные часы приспособили и для этого. (Поясное время — это среднее солнечное время на определенном меридиане.) В конце 19-го и начале 20-го столетий было сделано много очень точных солнечных часов для определения поясного времени, названных гелиохронометрами.

Постройка часов. Чтобы от солнечных часов была польза, их нужно сооружать в подходящем месте. Должна быть известна широта места, а также положение относительно горизонта и меридиана той площадки или поверхности, на которой будут нанесены часовые линии.

2 РАЗРАБОТКА СОЛНЕЧНЫХ ЧАСОВ

2.1 Постановка задачи

Требуется разработать устройство, предназначенное для определения времени, напоминающее принцип солнечных часов.

Разработка устройства будет вестись с учётом следующих требований:

— простота схемы (минимальное количество компонентов);

— функциональная насыщенность, многообразие регулируемых параметров;

— устойчивость к изменениям напряжения и температуры, долговечность;

— низкое энергопотребление.

Это простой проект солнечных часов, в которых в роли стрелки выступает лазерный луч. Сам лазер устанавливается на сервоприводе с дистанционным управлением, который в свою очередь управляется микроконтроллером (Рис. 2.1). Микроконтроллер ведет отсчет времени и соответствующим образом дает команды на поворот сервопривода.

Будучи очень простым по дизайну, это устройство делает именно то, что задано проектом и содержит минимально возможное количество деталей.

2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации

Структурная схема разрабатываемых солнечных часов приведена на рис. 2.2.

Рисунок 2.1 — Солнечные часы на микроконтроллере и лазерной указке

ЛЛ

Рисунок 2.2 — Структурная схема солнечных часов

На рисунке 2.2 приняты условные обозначения:

МК — микроконтроллер;

КРкварцевый резонатор;

УПТусилитель постоянного тока;

ДВ — двигатель;

ЛУ — лазерная указка;

ЛЛ — лазерный луч;

ИП — источник питания;

КУкнопки управления.

Функциональная спецификация:

1. Входы а. 3 кнопки управления и регулировки часами;

b. кварцевый резонатор;

с. источник стабильного электропитания часов.

2. Выходы а. усилитель постоянного тока для управления двигателем;

b. питание лазерной указки импульсным напряжением.

3. Функции а. Микроконтроллер ведет отсчет реального времени. Время конвертируется из минут в формат 1:00 часов и затем в ШИМ импульс, подходящий для управления сервоприводом;

b. Кнопки управления и регулировки служат для точного выставления времени;

с. Кварцевый резонатор совместно с генератором вырабатывает стабильную частоту для отсчета времени;

d. Импульсное напряжение питает лазерную указку.

2.3 Выбор микроконтроллера

Для проектирования солнечных часов постараемся выбрать относительно недорогой, простой и широкоиспользуемый микроконтроллер.

К наиболее подходящему и выполняещему требуемые функции контроллеру относится АTtiny 24.

Рассмотрим аппаратные средства микроконтроллеров серии АTtiny 24.

ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84 — 8-разрядные AVR-микроконтроллеры с внутрисистемно-программируемой флэш-памятью размером 2, 4, 8 кбайт.

Особенности:

Высокоэффективные маломощные 8-разрядные микроконтроллеры AVR

Прогрессивная RISC-архитектура

— Эффективный набор инструкций: 120 инструкций, большинство из которых выполняются за один машинный цикл

— 32×8-разр. регистров общего назначения

— Полностью статическая работа Энергонезависимые памяти программ и данных

— 2/4/8 кбайт внутрисистемно-программируемой флэш-памяти программ (ATtiny24/44/84), характеризующейся износостойкостью 10 тысяч циклов чтения/записи

— 128/256/512 байт внутрисистемно-программируемого ЭСППЗУ (ATtiny24/44/84), характеризующегося износостойкостью 100 000 циклов записи/стирания

— 128/256/512 байт встроенного статического ОЗУ (ATtiny24/44/84)

— Программируемая блокировка доступа к данным во флэш-памяти и ЭСППЗУ Встроенные периферийные устройства

— Два 8 и 16-разрядных таймера-счетчика с двумя каналами ШИМ в к8/16-разрядный таймер-счетчик с предделителем и двумя каналами ШИМ в каждом

— 10-разрядный АЦП

8 несимметричных каналов

12 пар дифференциальных каналов АЦП с программируемым усилением (1x, 20x)

— Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором

— Встроенный аналоговый компаратор

— Универсальный последовательный интерфейс Специальные микроконтроллерные функции

— Встроенная отладочная система debugWIRE

— Внутрисистемное программирование через порт SPI

— Внешние и внутренние источники прерываний

— Экономичные режимы работы: холостой ход (Idle), снижение шума АЦП, дежурный (Standby) и снижения потребляемой мощности (Power Down)

— Усовершенствованная схема сброса при подаче питания

— Программируемая схема детектора снижения напряжения питания

— Встроенный калиброванный генератор

— Встроенный датчик температуры Ввод-вывод и корпуса

— 14-выводные корпуса PDIP и SOIC, 20-выводной корпус QFN/MLF

— 12 программируемых линий ввода-вывода Рабочее напряжение:

— 1.8 — 5.5 В для ATtiny24V/44V/84V

— 2.7 — 5.5 В для ATtiny24/44/84

Градации по быстродействию:

— ATtiny24V/44V/84V: 0 — 4 МГц при напряжении питания 1.8 — 5.5 В, 0 — 10 МГц при напряжении питания 2.7 — 5.5В

— ATtiny24/44/84: 0 — 10 МГц при напряжении питания 2.7 — 5.5 В, 0 — 20 МГц при напряжении питания 4.5 — 5.5 В Промышленный температурный диапазон Малый потребляемый ток

— Активный режим: 1 МГц, 1.8В: 380мкА

— Режим снижения потребляемой мощности: 100 нА при 1.8 В Общее описание:

ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84 — маломощные 8-разрядные КМОП микроконтроллеры, выполненные на основе усовершенствованной RISC-архитектуры AVR. За счет выполнения большинства инструкций за один период синхронизации микроконтроллеры ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84 достигают производительности 1 млн. операций в сек./МГц, что позволит разработчикам оптимизировать соотношение производительности и потребляемой мощности.

Ядро AVR объединяет обширный набор инструкций с 32 рабочими регистрами общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), что позволяет с помощью одной инструкции осуществить доступ к двум разным регистрам и выполнить такую инструкцию за один период синхронизации. В конечном счете, такая архитектура обладает улучшенной эффективностью использования программного кода, позволяя на порядок повысить производительность относительно традиционных CISC-микроконтроллеров.

ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84 содержат 2, 4, 8 кбайт внутрисистемно-программируемой флэш-памяти, 128, 256, 512 байт ЭСППЗУ, 128, 256, 512 байт статического ОЗУ, 12 линий ввода-вывода общего назначения, 32 рабочих регистра общего назначения, 8-разрядный таймер-счетчик с 2 каналами ШИМ, 16-разрядный таймер-счетчик с 2 каналами ШИМ, универсальный последовательный интерфейс, внутренние и внешние прерывания, 8-канальный 10-разрядный АЦП, программируемый усилительный каскад (х1, х20) для 12 пар дифференциальных каналов АЦП, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, встроенный калиброванный генератор и четыре режима снижения потребляемой мощности. В режиме холостого хода (Idle) останавливает работу ЦПУ, но продолжают работу статическое ОЗУ, таймер-счетчик, АЦП, аналоговый компаратор и система прерываний. В режиме снижения потребляемой мощности (Power-down) сберегается содержимое регистров, но отключаются все встроенные функции до возникновения прерывания или аппаратного сброса. В режиме снижения шума АЦП прекращают работу АЦП и все модули ввода-вывода, кроме АЦП, что минимизирует цифровой шум во время преобразования АЦП. В дежурном режиме остается в работе кварцевый генератор, а остальная часть микроконтроллера бездействует. Использование этого режима позволит добиться сочетания быстроты возобновления работы и малого потребляемого тока.

Микроконтроллеры выпускаются по технологии высокоплотной энергонезависимой памяти компании Atmel. Встроенная флэш-память поддерживает возможность внутрисистемного перепрограммирования через последовательный интерфейс SPI, с помощью обычного программатора энергонезависимой памяти или под управлением программного кода, исполняемого ядром AVR.

Микроконтроллеры ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84 поддерживаются полным диапазоном средств для проектирования, в т. ч. Си-компиляторы, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы и оценочные наборы.

Структурная схема микроконтроллера АTtiny 24 (Рис. 2.4).

Рисунок 2.4 — Структурная схема микроконтроллера АTtiny 24

Расположение выводов микроконтроллера АTtiny 24 (Рис. 2.5).

Рисунок 2.5 — Расположение выводов микроконтроллера АTtiny 24

2.4 Разработка функциональной схемы устройства

Зная серию выбранного микроконтроллера и функции, которые он должен выполнять, составим функциональную схему (Рис. 2.6).

Рисунок 2.6 — Функциональная схема солнечных часов

Условные обозначения на функциональной схеме (Рисунок 2.6):

ДВ — двигатель;

ЛУ — лазерная указка;

УПТусилитель постоянного тока;

ИПисточник питания +5В;

КР — кварцевый резонатор;

S1-S3 — кнопки управления и регулировки.

2.5 Разработка алгоритма управления

Блок-схема алгоритма, управления двигателем солнечных часов представлена на рисунке 2.7.

Согласно блок схеме, в начале программы выполняется установка состояния портов, а также указывается вектор прерывания, который имеет две ветви:

* вектор RESET переходит при сбросе программы в начальное состояние;

* вектор INTO активизируется при нажатии кнопки «START/STOP» .

Активным уровнем INTO считается нулевое состояние на выводе РВ6 микроконтроллера. Активный уровень задается программой и во время сброса не активизируется. В случае активизации INTO вызывается подпрограмма обработки вектора прерывания, которая запрещает прерывание и проверяет длительность нажатия кнопки. При выходе из подпрограммы обработки вектора прерывания разрешается общее прерывание.

2.6 Разработка программного обеспечения микроконтроллера

Микроконтроллер ведет отсчет реального времени. Время конвертируется из минут в формат 1:00 часов и затем в ШИМ импульс, подходящий для управления сервоприводом. Исходный код снабжен полными комментариями и легок для понимания в плане принципа работы.

Программное обеспечение написано на С, компиляция и отладка в AVR Studio. Отладку кода производить нужно с помощью AVR Dragon, которая использует встроенные в ATTiny24 возможности по отладке.

Код снабжен комментариями и должен быть вполне понятным, а также простым для изменений желанию. Но в любом случае, ниже приводятся несколько комментариев.

Рисунок 2.4 — Блок-схема алгоритма управления двигателем солнечных часов

#define F_CPU 245 7600UL // частота кристалла

#define PWM_TOP F_CPU/60 // = 40 960 — МАКС значение для таймера 0 (идет в OCR0A)

Эти прекомпиляторные инструкции определяют частоту кристалла и значение, вносящееся в регистр OCR1A, которое будет максимальным значением для таймера1 перед сбрасыванием на ноль. Нам надо, чтобы частота ШИМ была 60 Гц. Эти импульсы также используются в качестве временной оси для часов реального времени.

Следующие строки настраивают Таймер1 на быструю ШИМ, без предделителя частоты (то есть частота кристалла напрямую идет на Таймер1), а ШИМ Compare Output на выводе ОС1 В.

TCCR1A = _BV (WGM11) | _BV (WGM10) | _BV (COM1B1);

TCCR1B = _BV (WGM13) | _BV (WGM12) | _BV (CS10);

OCR1A = PWM_TOP; // ШИМ част = 60 Гц Сейчас Таймер1 отсчитывает время от 0 до значения PWM_TOP, 60 раз каждую секунду (2 457 600/40960)

Вышеуказанные инструкции также делают выход OC1B высоким, когда счетчик меньше значения ОCR1A и 0 в обратном случае. Это и есть ШИМ — изменение значения OCR1B от 0 до PWM_TOP изменяет коэффициент заполнения от 0% до 100% на частоте ШИМ, которая не меняется: 60 колебаний каждую секунду, колебания просто уже или шире.

Следующая инструкция помещает сервопривод на положение OCR1B — промежуточное положение между максимальным и минимальным положениями сервопривода.

OCR1B = (SERVO_MAX + SERVO_MIN) / 2;

Это значение не составляет 50% коэффициента заполнения ШИМ, так как сервопривод перемещается от минимального положения до максимального с импульсом менее 50%, поэтому я определил значения defined SERVO_MAX и SERVO_MIN, основываясь на длительности импульсов, которые перемещают сервопривод в максимальное или минимальное положение:

#define SERVO_MAX PWM_TOP*1.65/(1000/60) // макс. поворот — на 2,35 млс импульса

#define SERVO_MIN PWM_TOP*0.75/(1000/60) // мин. поворот — на 0,70 млс импульса Теперь нужно, чтобы переполнение таймера использовалось в качестве временной оси для часов реального времени:

TIMSK1 = _BV (TOIE1); // включить переполнение таймера (для часов реального времени)

sei (); // включить глобальные прерывания Сейчас каждую 1/60-ую секунды выполняется следующая операция:

ISR (TIM1_OVF_vect) { … }

Эта операция выполняет целый ряд действий:

Отсчитывает реальное время, 60 умноженное на 1/60 секунды означает прошествие одной полной секунды, поэтому вместе с отсчетом минут и часов можно добавить и секундомер.

Заставляет лазер мигать каждую 1/10-ую секунду каждую секунду, если только не стоит соответствующая перемычка, в противном случае лазер включен постоянно.

Данная операция также определяет положение, в которое должен передвинуться сервопривод. Для выполнения этой задачи время конвертируется в общее количество минут, прошедших со времени 1:00, а полученный результат вписывается в диапазон

SERVO_MIN до SERVO_MAX

servo_pos = servo_min + ((hour-1)*60+min)*((servo_max-servo_min)/(11*60+59));

Замыкая JUMP₀ мы заставляем сервопривод отображать только секунды (от 9 до 59), тем самым вышеуказанное вычисление производится только по текущим секундам, минуты и часы не принимаются во внимание.

servo_pos = servo_min + sec*((servo_max-servo_min)/59);

Следующие команды помещают сервопривод в зеркальное положение, чтобы лазер двигался по часовой стрелке:

OCR1B = servo_min+servo_max-servo_pos; // по часовой стрелке

// OCR1B = servo_pos; // против часовой стрелки («закомментарено»).

Листинг программы приведен в Приложении А.

Готовый hex-файл для загрузки в микроконтроллер в Приложении Б.

2.7 Выбор и описание элементной базы

Схема содержит минимум компонентов: 2 керамических конденсатора, два резистора, транзистор, микроконтроллер и кварцевый резонатор, сервопривод. Сервопривод возьмем Hitec HS-300BB — довольно хороший. Подойдет и любой другой сервопривод, только возможно диапазон перемещения будет немного иным. Его можно настроить с помощью значений SERVO_MIN и SERVO_MAX, однако будет необходима повторная компиляция.

Спецификация компонентов приведена в Приложении В.

В устройстве нужно использовать хорошо стабилизированный источник напряжения на 5 вольт.

Лазерная указка обычная промышленная, следует только переделать выводы питания.

2.8 Разработка схемы электрической принципиальной

Разрабатываем в Accel EDA схему электрическую принципиальную солнечных часов (Рис. 2.5).

Рисунок 2.5 — Принципиальная схема солнечных часов в Accel EDA

3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕКТА РАЗРАБОТКИ

В данном разделе проводится технико-экономический расчет стоимости солнечных часов.

Стоимость устройства будет состоять из стоимости разработки ПО для микроконтроллера, стоимости разработки конструкторской документации и стоимости сборки и испытания устройства.

3.1 Расчет расходов на ПО для микроконтроллера, которое разрабатывается

Исходные данные для расчета стоимости разработки ПО, которое разрабатывается приведенны в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Данные на 1.01.2010 г.

Первичными исходными данными для определения себестоимости ПО является количество исходных команд (операторов) конечного программного продукта. Условное количество операторов Q в программе задания может быть оценено по формуле:

где у — расчетное количество операторов в программе, что разрабатывается (единиц);

с — коэффициент сложности программы;

р — коэффициент коррекции программы в ходе ее разработки.

Рассчитанное количество операторов в разработанной программе — 500.

Коэффициент с — относительная сложность задания относительно отношения к типичной задаче, сложность которой принята более 1, лежит в границах от 1,25 до 2,0 и выбирается равным 1,30.

Коэффициент коррекции программы р — увеличение объема работ за счет внесения изменений в программу лежит в границах от 0,05 до 0,1 и выбирается равным 0,05.

Подставим выбранные значения в формулу (3.1) и определим величину Q: Q = 300•1,3 (1 + 0,05) = 410.

3.2 Расчет расходов на создание ПО

Расчет расходов на ПО проводится методом калькуляции расходов, в основу которого положена трудоемкость и заработная плата разработчиков. Трудоемкость разработки ПЗ рассчитывается по формуле:

где-То — расходы труда на описание задания;

Ти — расходы труда на изучение описания задания;

Та — расходы труда на разработку алгоритма решения задания;

Тп — расходы труда на составление программы по готовой блок-схеме;

Тотл — расходы труда на отладку программы на ЭВМ;

Тд — расходы труда на подготовку документации.

Составные расходы труда, в свою очередь, можно определить по числу операторов Q для ПО, что разрабатывается. При оценке составных расходов труда используются:

— коэффициенты квалификации разработчика алгоритмов и программ — k;

— увеличение расходов труда в результате недостаточного описания задания — Z.

Коэффициент квалификации разработчика характеризует меру подготовленности исполнителя к порученной ему работе (он задается в зависимости от стажа работы), k = 1,0.

Коэффициент увеличения расходов труда в результате недостаточного описания задания характеризует качество постановки задания, выданной для разработки программы, в связи с тем, что задание требовало уточнения и некоторой доработки. Этот коэффициент принимается равным 1,3.

Все исходные данные приведенные в таблице 3.1.

а) Трудоемкость разработки П0 составляет:

Расходы труда на подготовку описания задания То принимаются равными 5 чел/час, исходя из опыта работы.

Расходы труда на изучение описания задания Те с учетом уточнения описания и квалификации программиста могут быть определены по формуле:

;

Расходы труда на разработку алгоритма решения задачи рассчитываются по формуле:

;

Расходы труда на составление программы по готовой блок-схеме Тп рассчитываются по формуле:

= (чел/час) Расходы труда на отладку программы на ПЕОМ Тотл рассчитываются по формуле:

— при автономной отладке одного задания:

; = (чел/час)

— при комплексной отладке задания:

= (чел/час) Расходы труда на подготовку документации по заданию Тд определяются по формуле:

где Тдр — расходы труда на подготовку материалов в рукописи:

= (чел/час) Тдо — расходы труда на редактирование, печать и оформление документация:

= (чел/час)

Подставляя приобретенных значений в формулу (3.8), получим:

(чел/час) =

Определим трудоемкость разработки ПО, подставив полученные значения составляющих в формулу (3.2):

Расчет трудоемкости и зарплаты приведен в таблице 3.2.

б) Расчет материальных расходов на разработку ПЗ Материальные расходы Мз, которые необходимы для создания ПО приведенные в таблице 3.3.

Таблица 3.2 — Трудоемкость и зарплата разработчиков ПО

Таблица 3.3 — Расчет материальных расходов на разработку ПО

в) Расходы на использование ЭВМ при разработке ПО Расходы на использование ЭВМ при разработке ПО рассчитываются, исходя из расходов одного часа, по формуле:

= (грн.)

где Вг — стоимость работы одного часа ЭВМ, грн.;

Тотл — расходы труда на наладку программы на ЭВМ, чел./час.;

Тдрасходы труда на подготовку документации, чел./час.;

Тп — расходы труда на составление программы по готовой блок-схеме, чел./час.

г) Расчет технологической себестоимости создания программы Расчет технологической себестоимости создания программы проводится методом калькуляции расходов (таблица 3.4).

Таблица 3.4 — Калькуляция технологических расходов на создание ПО

В таблице 3.4 величина материальных расходов Мз рассчитана в таблице 3.3, основная зарплата С берется из таблицы 3.2, дополнительная зарплата составляет 15% от основной зарплаты, отчисление на социальные потребности — 37,2% от основной и дополнительной зарплат (вместе), накладные расходы — 25% от основной зарплаты. Себестоимость разработанной программы СПО рассчитывается как сумма пунктов 1 — 6.

Стоимость ПО для микроконтроллера составляет 3396,18 грн. на единицу продукции. Если организовать массовый выпуск продукции эта стоимость разделится на количество выпущенных изделий.

3.3 Расчет стоимости разработки конструкторской документации и

сборки устройства

а) Трудоемкость разработки КД изделия (Т) рассчитывается по формуле:

где Татз — расходы труда на анализ технического задания (ТЗ), чел./час;

Трес — расходы труда на разработку электрических схем, чел./час;

Трк — расходы труда на разработку конструкции, чел./час;

Трт — расходы труда на разработку технологии, чел./час;

Токд — расходы труда на оформление КД, чел./час;

Твидз — расходы труда на изготовление и эиспытание опытного образца.

Данные расчета заносятся в таблицу 3.5.

Таблица 3.5 — Расчет заработной платы на разработку КД изделия

Заработная плата на разработку КД изделия С определяется по формуле:

где — почасовая тарифная ставка разработчика, грн.;

— трудоемкость разработки КД изделия.

б) Расчет материальных расходов на разработку КД Материальные расходы Мв, которые необходимы для разработки (создании) КД, приведенны в таблице 3.6.

Таблица 3.6 - Расчет материальных расходов на разработку КД

в) Расходы на использование ЭВМ при разработке КД Расходы, на использование ЭВМ при разработке КД, рассчитываются исходя из расходов работы одного часа ЭВМ по формуле, грн.:

где Вг — стоимость работы одного часа ЭВМ, грн.

Трес — расходы труда на разработку электрических схем, чел./час;

Трк — расходы труда на разработку конструкции, чел./час;

Трт — расходы труда на разработку технологии, чел./час;

Токд — расходы труда на оформление КД, чел./час;

При этом, стоимость работы одного часа ЭВМ (других технических средств — ТС) Вг определяется по формуле, грн.:

где Те/е — расходы на электроэнергию, грн.;

Ваморт — величина 1-ого часа амортизации ЭВМ (ТС), грн.;

Зперс — почасовая зарплата обслуживающего персонала, грн.;

Трем — расходы на ремонт, покупку деталей, грн.;

Стоимость одного часа амортизации Ваморт определяется по формуле, грн.:

при 40 часовой рабочей неделе:

где Втз — стоимость технических средств, грн.

На — норма годовой амортизации (%).

Кт — количество недель на год (52 недели/год).

Гт — количество рабочих часов в неделю (40 час/неделя) Почасовая оплата обслуживающего персонала Зперс рассчитывается по формуле, грн.:

где Окл — месячный оклад обслуживающего персонала, грн.

Крг — количество рабочих часов в месяц (160 часов/месяц);

Нрем — расходы на оплату труда ремонта ЭВМ (6% Окл).

Расходы на ремонт, покупку деталей для ЭВМ Трем определяются по формуле, грн.:

где Втз — стоимость технических средств, грн.

Нрем — процент расходов на ремонт, покупку деталей (%);

Кт — количество недель на год (52 недели/год).

Гт — количество рабочих часов в неделю (36 168 час./неделя) Расходы на использование электроэнергии ЭВМ и техническими средствами Те/е определяются по формуле, грн.:

где Ве/е — стоимость одного кВт/час электроэнергии, грн.;

Wпот — мощность компьютера, принтера и сканера (за 1 час), (кВт/час.).

Таким образом, стоимость одного часа работы ЭВМ при разработке КД будет составлять (см. формулу 3.16), грн.:

.

Расходы на использование ЭВМ при разработке, грн. (см. формулу 3.15):

г) Расчет технологической себестоимости создания КД Расчет технологической себестоимости создания КД изделия проводится методом калькуляции расходов (таблица 3.7).

Таблица 3.7 - Калькуляция технологических расходов на создание КД изделия

В таблице 3.7 величина материальных расходов Мв рассчитана в таблице 3.6, основная зарплата С берется из таблицы 3.5, дополнительная зарплата 15% от основной зарплаты, отчисление на социальные мероприятия -37,2% - от основной и дополнительной зарплаты (вместе). Общезаводские (накладные) расходы 25% от основной зарплаты. Себестоимость разработанной конструкторской документации Скд рассчитывается как сумма пунктов 1−6.

3.4 Расчет расходов на стадии производства изделия

Себестоимость изделия которое разрабатывается рассчитывается на основе норм материальных и трудовых расходов. Среди исходных данных, которые используются для расчета себестоимости изделия, выделяют нормы расходов сырья и основных материалов на одно изделие.

Таблица 3.8 -Расчет расходов на сырье и основные материалы на одно изделие

В ходе расчета себестоимости изделия, как исходные данные, используют спецификации материалов, покупных комплектующих изделии и полуфабрикатов, которые используются при сборке одного изделия (Приложение Ж).

Расчет зарплаты основных производственных рабочих проводим на основе норм трудоемкости по видам работ и по часовым ставкам рабочих (таблица 3.9).

Таблица 3.9 — Расчет основной зарплаты

Калькуляция себестоимости и определения цены выполняется в таблице 3.10.

Таблица 3.10 - Калькуляция себестоимости и определения цены изделия

Общая стоимость изделия будет составлять:

Собщ. = С прог. + С баз. Бл. (3.21)

где С прог. — себестоимость составления программы для микроконтроллера;

С баз. Бл — себестоимость подготовки КД и сборки устройства.

При единичном изготовлении Собщ. = 3396,18+ 450,19= 3846,37 (грн.).

Вывод: чем больше производится устройств, тем меньше их стоимость.

Данное устройство может быть предложено для повторения радиолюбителями, потому что оно не найдет массового применения, ввиду того, что промышленностью массово выпускаются электронные часы, которые намного дешевле разрабатываемых солнечных часов, выполняют множество полезных функций (таймеры, будильники), имеют более точный ход. Солнечные часы можно выпускать лишь как сувенирные изделия. Конструкция часов содержит новизну, аналогичных часов промышленность не выпускает, поэтому провести сравнительный анализ невозможно, с аналогичными конструкциями.

4 ОХРАНА ТРУДА

Научно-технический прогресс внес серьезные изменения в условия производственной деятельности работников умственного труда. Их труд стал более интенсивным, напряженным, требующим значительных затрат умственной, эмоциональной и физической энергии. Это потребовало комплексного решения проблем эргономики, гигиены и организации труда, регламентации режимов труда и отдыха.