Особенности разработки микропроцессорной системы и устройства для чтения электронных книг

Содержание Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов Введение

1. Теоретические основы разработки

1.1 Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера

1.2 Устройства для чтения электронных книг

2. Разработка устройства для чтения электронных книг

2.1 Постановка задачи

2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации

2.3 Аппаратные средства микроконтроллеров серии AT90S8515

2.4 Разработка функциональной схемы устройства

2.5 Разработка программного обеспечения микроконтроллера

2.6 Выбор элементной базы

2.7 Разработка схемы электрической принципиальной

3. Технико-экономическое обоснование объекта разработки

3.1 Расчет расходов на ПО, 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

3.5 Анализ устройств-аналогов

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 Эргонометрические характеристики рабочего места

4.3 Электропожаробезопасность

4.4 Режим труда

4.5 Расчет освещенности

4.6 Расчет вентиляции

4.7 Расчет уровня шума Выводы Перечень ссылок

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов АЛУ — арифметико — логическое устройство;

АЦП — аналого-цифровой преобразователь;

ВДТ — видеодисплейный терминал;

ЖКИдисплей — жидкокристаллический дисплей;

КПК — карманный персональный компьютер;

МПС — микропроцессорная система;

ОЗУ — оперативно-запоминающее устройство;

ОМК — однокристальные микроконтроллеры;

ПЗУ — программно-запоминающее устройство;

ПО — программное обеспечение;

РС — регистр сдвига.

Введение

Микропроцессоры и производные от них — микроконтроллеры — являются широко распространенным и при этом незаметным элементом инфраструктуры современного общества, основанного на электронике и коммуникациях. Исследования, проведенные в 2008 году, показали, что в каждом доме незаметно для нас «живет» около 100 микроконтроллеров и микропроцессоров. Они присутствуют буквально всюду: в звуковых открытках, стиральных машинах, микроволновых печах, телевизорах, телефонах, персональных компьютерах и разных других устройствах. Даже в самом обыкновенном автомобиле скрывается более двадцати таких элементов, где они, в частности, контролируют состояние беспроводных датчиков давления в шинах и отображают критичные данные.

Каждый год продается около четырех миллиардов подобных изделий, предназначенных для реализации «мозгов» разнообразных «умных» устройств, начиная от интеллектуальных таймеров для яйцеварок и заканчивая системами управления самолетом. Эволюция микропроцессоров, первые из которых были выпущены компанией Intel в далеком 1971 году, привела к коренному изменению структуры общества, спровоцировав в начале XXI века вторую промышленную революцию. Несмотря на то что микропроцессоры, являясь основным компонентом вездесущих ПК, известны лучше, объем продаж различных микропроцессоров, таких как Intel Pentium, составляет всего около 2% от общего объема продаж подобных устройств. Подавляющее же большинство продаж приходится на дешевые микроконтроллеры, встраиваемые в специализированные электронные устройства, такие как смарт-карты. Причем если основной задачей микропроцессоров является обеспечение собственно вычислительной мощности, то во втором случае акцент смещается в сторону объединения на одном кристалле центрального процессора, памяти и устройств ввода/вывода. Такая интегрированная вычислительная система называется микроконтроллером.

Появление микроконтроллеров повлекло за собой создание миниатюрных электронных устройств, выполняющих различные функции, а появление электронных книг повлекло за собой тенденции конструирования специальных устройств, книгочеев, которые можно было бы брать с собой вместо обычной книги. Развитие микроконтроллерных технологий приводит к созданию КПК умеющих читать книги, мобильных телефонов с встроенными программами и так далее. Но все это дорогое удовольствие.

Тема дипломной работы — «Разработка устройства для чтения книг», которая и является предметом исследования.

Цель работы — разработать электронное устройство, на базе микроконтроллера, для чтения электронных книг, которое бы отличалось от существующих своей простотой, новизной и относительно малой ценой.

Актуальность данной темы велика, так как популярность данных устройств неуклонно растет, в связи с появлением нового поколения устройств для чтения книг, которые не только выводят содержание книги на жидкокристаллический экран, но и могут воспроизводить содержание электронной книги при помощи связанной речи. А это огромное подспорье для людей с плохим зрением и для людей, которые страдают нехваткой времени для чтения книг.

Основные этапы исследования:

— ознакомление с теорией разработки электронных устройств на микроконтроллерах;

— разработка устройства для чтения книг;

— анализ технико-экономических показателей разработанного устройства и сравнение с показателями аналогичных существующих устройств.

1. Теоретические основы разработки

1.1 Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера 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 рисунке 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.

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» .

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.

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.

1.2 Устройства для чтения электронных книг Википедия определяет понятие электронной книги (е-книги, ebook и пр.) как двуединство, состоящее из электронного документа (вида цифрового контента) и электронного читающего устройства (его также называют электронной книгой и е-книгой).

Книга в машиночитаемом формате (электронная книга) в СССР появилась еще в 70-е гг. прошлого века. Тогда она была ответом технической интеллигенции на тотальный дефицит издаваемой (и технической, и художественной) литературы, а также являлась одной из форм самиздата.

Из-за дефицита машинного времени читать такие книги на компьютерах (даже имеющих дисплеи) было сложно. Главной задачей электронных текстов в тот период было обеспечение безболезненной малозатратной (по сравнению с перепечаткой или дублированием различными множительными устройствами) передачи книг максимальному количеству пользователей.

Из-за дефицита машинного времени и отсутствия в то время персональных компьютеров на работе и дома, чтобы иметь возможность прочесть электронные книги, их приходилось сначала распечатывать. В условиях повсеместного дефицита книг такие распечатки пользовались популярностью, несмотря на то, что большинство компьютеров и принтеров в ту пору имели проблемы с кириллизацией.

С появлением и укоренением персональных компьютеров (ПК), исчезновением (минимизацией) дефицита машинного времени, улучшением качества дисплеев, утверждением полноценной кириллизации и возможностей шрифтового форматирования улучшилось (приблизилось к качеству печатной продукции) качество машиночитаемых текстов, увеличилось их количество. Чтение на ПК художественной и особенно специальной литературы стало понемногу заметным и общепринятым явлением.

Машиночитаемые документы становятся всё более типичным способом передачи документации от разработчика (производителя) оборудования к потребителю (пользователю). Эта тенденция усилилась, когда появилась возможность скачивать документацию из Интернета. Тем не менее время, когда чтение машиночитаемых документов начало вытеснять чтение бумажной документации, тогда еще не наступило.

Создание и распространение машиночитаемой документации превратилось в один из наиболее эффективных (и повсеместно распространенных) способов технической поддержки. Чтение машиночитаемой документации уже конкурировало с чтением печатной документации, но не заменяло его.

Однако пока ПК были стационарными, преимущество печатной книги перед её машиночитаемым аналогом состояло в возможности мобильного чтения — в транспорте, на даче, «на диване» и т. п. С другой стороны, преимущество электронной книги перед печатной книгой — возможность быстрого, безболезненного и практически бесплатного копирования в условиях дефицита печатной литературы — вскоре привело к широкому спросу на электронные книги, хотя технически «подкованные» пользователи ПК хорошо осознавали ограниченность их в плане мобильного чтения.

Дорогостоящие профессиональные сканеры использовались прежде всего для подготовки электронной документации. Появление недорогих офисных и бытовых сканеров и программ распознавания текста в сочетании со ставшими и в Украине (в конце прошлого тысячелетия) достаточно широко доступными возможностями Интернета, привели к повсеместному распространению электронных книг и обеспечили их значительный ассортимент. Были созданы общедоступные Интернет-библиотеки. Если на Западе эта работа активно финансировалась и финансируется (общеевропейский проект «Гуттенберг», проект Gallica Национальной библиотеки Франции, Google Book Search; многоязычная электронная-библиотека в США, некоммерческий проект Archive.org и др.), то в Украине работа в основном велась (и по сей день ведется) на энтузиазме.

Первые ноутбуки появились в Украине, в основном, у начальников, а не у мобильного, разъездного персонала, как на Западе. Нужны они были для престижа и мало применялись для чтения книг (далеко не все имевшие на столе ноутбук начальники могли с его помощью прочитать и тем более поправить и распечатать даже офисные документы, переданные подчиненными по электронной почте или на дискете). К тому моменту, когда ноутбуки в Украине оказались доступны тем, для кого их разрабатывали, у них, с точки зрения пригодности для мобильного чтения, возникли серьезные конкуренты.

Появление и широкое распространение удобных (как по цене, так и по уровню необходимой для уверенного пользования первичной подготовки), гораздо более легких и значительно более малогабаритных субноутбуков, планшетных ПК, карманных ПК, коммуникаторов и смартфонов, а также «продвинутых» мобильных телефонов (с поддержкой Java), практически идеально подходивших для мобильного чтения электронных книг, свело на нет преимущество печатных книг по мобильности чтения.

Важным фактором, способствовавшим продвижению электронных книг в Украине, явились сложности распространения печатной продукции. В связи с падением покупательной способности населения многих регионов сеть распространения печатной продукции «съёжилась» до минимума и стала пропускать только книги с гарантированной, по мнению продавцов, реализацией.

Первые специализированные устройства для чтения е-книг не выдержали конкуренции с КПК.

Феномен е-чтения (чтения на электронных устройствах е-книг — книг в машиночитаемых форматах) получил достаточно широкое распространение и на Западе. Там уже в прошлом тысячелетии наряду с программами-«читалками» е-книг для универсальных вычислительных устройств появляются не только прототипы, но и реально имеющиеся в продаже специализированные устройства для чтения е-книг.

По удобству чтения специализированные машины превосходили универсальные. Благодаря большому монохромному экрану увеличивалось, по сравнению с КПК, время автономной работы и делался больше размер видимой страницы. Продуманный эргономичный интерфейс, близкий к привычным метафорам бумажного чтения, обеспечивал большую комфортность чтения, чем маленькие цветные («бликующие» на солнце) экранчики КПК, коммуникаторы, смартофоны и продвинутые телефоны (с поддержкой Java).

Сдерживается сегодня данное направление тем, что экраны у телефонов пока не слишком велики (что неудобно для чтения), и тем, что телефоны при чтении «съедают» слишком много энергии.

Вот такой была первая аппаратная е-книга, сравнимая по удобству чтения с бумажной книгой (Rocket eBook). Большой монохромный жидкокристаллический экран, обеспечивающий как максимальное время работы, так и максимальную комфортность при чтении. Это устройство заметно опередило свое время. Из-за довольно высокой стоимости и отсутствия контентной составляющей большого количества устройств продать не удалось. Тем не менее, устройство до сих пор пользуется устойчивым спросом. Примененные при его создании интерфейсные приемы, имитирующие работу с бумажной книгой (в т.ч. «листание страниц»), стали промышленным стандартом.

2. Разработка устройства для чтения электронных книг

2.1 Постановка задачи Разработать устройство для чтения книг на микроконтроллере, которое бы удовлетворяло следующим требованиям:

— простота схемы (минимальное количество компонентов);

— вывод информации на жидкокристаллический индикатор;

— долговечность;

— новизна конструкции;

— низкое энергопотребление.

Разработка этого устройства была вызвана желанием читать книги в электронном виде не только дома, с помощью настольного компьютера, но и в прочих местах — там же, где можно прочитать и обычную бумажную книгу.

2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации Структурная схема устройства для чтения электронных книг приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Структурная схема устройства для чтения электронных книг На рисунке 2.1 изображены функциональные узлы:

УВИ — устройство ввода информации;

БУ — блок управления;

КР — кварцевый резонатор;

МК — микроконтроллер;

РСрегистр сдвига;

ПУ — преобразователь уровней;

РСЧ — регулятор скорости чтения;

ЖКИжидкокристаллические индикаторы буквенно-цифровые.

Функциональная спецификация:

Входы а. 3 кнопки управления (БУ) — закладка страницы, «перелистывание» страниц, вперед и назад ;

b. устройство ввода информации, записанной по COM-порту во flash-память;

с. регулятор скорости чтения (РС);

d. кварцевый резонатор — стабильность частоты генератора (КР).

Выходы а. регистр — для защёлкивания младших 8 бит адреса (РС);

b. преобразование уровней (ПУ).

Функции:

а. запись на COM-порт во flash-память записанную книгу;

предусмотрена возможность «пролистывания» книги — на случай, если закладка не была положена, а питание устройства было отключено;

выбор функций и чтение происходит по нажатию трёх клавиш: выбор, вверх и вниз (БУ);

" сердцем" устройства является микроконтроллер (МК), управляющий шинами адреса-данных, принимающий команды от компьютера и выводящий на индикатор;

для защёлкивания младших 8 бит адреса служит регистр (РС);

преобразование уровней (ПУ);

вывод текста книги на алфавитно-цифровой индикатор с русифицированным знакогенератором (ЖКИ);

регулировка скорости чтения (РС).

2.3 Аппаратные средства микроконтроллеров серии AT90S8515

Для разработки устройства для чтения электронных книг выберем микроконтроллер серии AT90S8515.

AT90S8515 8-ми разрядный AVR® микроконтроллер с 8 Кбайт Flash памятью с поддержкой внутрисистемного программирования Отличительные особенности:

AVR® — высокая производительность и RISC архитектура с низким энергопотреблением

118 мощных инструкций — большинство из них выполняются за один такт

8 Кбайт Flashпамяти с поддержкой внутрисистемного программирования:

— SPI последовательный интерфейс для загрузки программного обеспечения Ресурс: 1000 циклов записи/ стирания

512 байт EEPROM

Ресурс: 100 000 циклов записи/ стирания

512 байт внутренней SRAM

32×8 рабочих регистров общего назначения

32 программируемые шины I/O

Программируемый последовательный UART

SPI последовательный интерфейс Напряжение VCC: от 2.7 В до 6.0 В Полностью статический режим работы От 0 до 8 МГц (от 4.0 В до 6.0 В) От 0 до 4 МГц (от 2.7 В до 4.0 В) Производительность, вплоть до 8 MIPS при 8 МГц Один 16-ти разрядный таймер/ счетчик с отдельным предварительным делителем частоты с режимами сравнения, захвата Сдвоенный ШИМ Внешние и внутренние источники прерывания Программируемый следящий таймер с встроенным тактовым генератором Встроенный аналоговый компаратор Режимы пониженного энергопотребления:

Покоя (Idle)

Отключения (Power Down)

Программируемая блокировка для безопасности программного обеспечения Блоксхема AT90S8515 (Рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 — Блоксхема AT90S8515

Расположение выводов микроконтроллера AT90S8515 (Рисунок 2.3).

Рисунок 2.2 — Расположение выводов микроконтроллера AT90S8515

Описание:

AT90S8515 является 8-ми разрядным CMOS микроконтроллером с низким уровнем энергопотребления, основанным на усовершенствованной AVR RISC архитектуре. Благодаря выполнению высокопроизводительных инструкций за один период тактового сигнала, AT90S8515 достигает производительности, приближающейся к уровню 1 MIPS на МГц, обеспечивая разработчику возможность оптимизировать уровень энергопотребления в соответствии с необходимой вычислительной производительностью.

Ядро AVR содержит мощный набор инструкций и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены к арифметико — логическому устройству (АЛУ), что обеспечивает доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной инструкции за один такт. В результате, данная архитектура имеет более высокую эффективность кода, при повышении пропускной способности, вплоть до 10 раз, по сравнению со стандартными микроконтроллерами CISC.

AT90S8515 имеет: 8 Кбайт Flash — памяти с поддержкой внутрисистемного программирования, 512 байт EEPROM, 512 байт SRAM, 32 линий I/O общего назначения, 32 рабочих регистра общего назначения, универсальные таймеры/ счетчики с режимами сравнения, внутренние и внешние прерывания, программируемый UART последовательного типа, программируемый следящий таймер с встроенным тактовым генератором и программируемый последовательный порт SPI, а также, два программно выбираемых режима экономии энергопотребления. Режим ожидания «Idle Mode» останавливает CPU, но позволяет функционировать SRAM, таймеру/ счетчикам, SPI порту и системе прерываний. Режим экономии энергопотребления «Power Down» сохраняет значения регистров, но останавливает тактовый генератор, отключая все остальные функции микроконтроллера, вплоть до следующего внешнего прерывания, или до аппаратной инициализации.

Устройство производится с применением технологи энергонезависимой памяти с высокой плотностью размещения, разработанной в корпорации Atmel. Встроенная Flash — память с поддержкой внутрисистемного программирования обеспечивает возможность перепрограммирования программного кода в составе системы, посредством SPI последовательного интерфейса, или с помощью стандартного программатора энергонезависимой памяти. Благодаря совмещению усовершенствованного 8-ми разрядного RISC CPU с Flashпамятью с поддержкой внутрисистемного программирования на одном кристалле получился высокопроизводительный микроконтроллер AT90S8515, обеспечивающий гибкое и экономическивысокоэффективное решение для многих приложений встраиваемых систем управления.

AVR AT90S8515 поддерживается полным набором программ и пакетов для разработки, включая: компиляторы С, макроассемблеры, отладчики/ симуляторы программ, внутрисхемные эмуляторы и наборы для макетирования.

2.4 Разработка функциональной схемы устройства Теперь, когда мы составили структурную схему разрабатываемого устройства, зная тип микроконтроллера, мы можем приступить к построению функциональной схемы устройства для чтения электронных книг (Рисунок 2.3).

С COM-порта во flash-память Рисунок 2.3 — Функциональная схема устройства для чтения электронных книг

2.5 Разработка программного обеспечения микроконтроллера Несвязанное с компьютером устройство может только считывать записанную в него книгу. Для стирания памяти либо записи в неё надо выбрать пункт меню: «Связь с ЭВМ», непосредственно затем послать либо число 0x5e, либо 0xe5. В первом случае устройсво перейдёт в командный режим, во втором — в отладочный, когда принимаемый от компьютера символ будет просто отображаться на экране.

Команды, подаваемые на устройство, таковы:

10 — стереть первую МС памяти,

20 — стереть вторую МС памяти,

30 — записать в память данные,

40 — считать из памяти начиная с текущего адреса,

50 — выставить текущий адрес.

Последние две команды являются также отладочными и не используются в обычном нормальном функционировании устройства. Первые две не требуют никаких дальнейших действий кроме ожидания сообщения на экране устройства, что память стёрта. Команда записи в память потребует сначала ввести заголовок данной книги (то есть автора и название, это нужно для дальнейшей идентификации текста при использовании устройства), завершив его посылкой символа 0×07, а затем передать массив текста. После окончания цикла записи символа в память устройство подтверждает приём, посылая этот же символ в компьютер, что позволяет контролировать скорость передачи данных, и не потерять данные при записи. Передача текста также финишируется посылкой кода 0×07. Этот код был выбран потому, что является управляющим и обозначает звонок, писк на динамике компьютера (bell), то есть принципиально не может встретиться в текстовых файлах.

Файлы программ находятся в приложениях А-З:

reader.asm — Приложение А;

rus.inc — Приложение Б;

reader.hex — Приложение В;

reader.cpp — Приложение Д;

reader.exe — Приложение Ж;

reader.ini — Приложение З.

Первый файл, reader. asm (Приложение А), содержит собственно код для AT90S8515, следующий файл содержит эквиваленты русских букв (AVR Studio традиционно некорректно работает с неанглийскими символами, причём проблема эта прекрасно известна программистам Atmel), reader. hex (Приложение В) — откомпилированный код, прошивка того, что получилось. Далее содержится пример программы для компьютера, написанной на языке Си под DOS, позволяющей записывать текстовые файлы — reader. cpp (Приложение Д), reader. exe (Приложение Ж) — это соответственно откомпилированный reader. cpp, а reader. ini (Приложение З) — файл настроек для программы. Настроек, собственно, две: это на какой порт подключено устройство (в примере поддерживаются только COM1 и COM2, впрочем, легко добавить в исходник программы и остальные порты) и кодировка записываемого текста (WIN или DOS). Само устройство отображает текст, который записан в него только в кодировке WIN, но поскольку очень много текстов в Интернете, доставшихся в наследство ещё от FIDO, имеют кодировку DOS, то программа позволяет перекодировать при записи, на лету, освобождая пользователя от этой предварительной процедуры. Также программа отфильтровывает «лишние» пробелы, получившиеся при форматировании текста, убирает переносы, оставляя нетонутыми дефисы и тире перед фразами речи. Для программы при запуске существуют два возожных параметра — либо «reader.exe e», означающий стирание памяти, либо «reader.exe w <�имя_файла>», позволяющее записать файл. При записи программа попросит ввести имя автора и название книги.

2.6 Выбор элементной базы Устройство предназначено для прочтения текстовой информации, записанной по COM-порту во flash-память AT49F040, на алфавитно-цифровом индикаторе с контроллером HD44780 фирмы Hitachi и русифицированным знакогенератором. Размер памяти 1 Мбайт, всего возможно записать 8 книг, с возможностью оставить закладку на каждую книгу. Размер дисплея 40×2 строчки, что, как показала практика, вполне достаточно для восприятия смысла написанного.

" Сердцем" устройства является микроконтроллер AT90S8515, управляющий шинами адреса-данных, принимающий команды от компьютера и выводящий на индикатор. Для защёлкивания младших 8 бит адреса служит регистр КР1533ИР33 (аналог 74ALS573). Для преобразования уровней RS-232C служит также хорошо известная микросхема ADM202 фирмы Analog Devices.

Особых приоритетов в выборе элементной базы нет, поэтому выбираем наиболее подходящие комплектующие, которые будут соответствовать критериам:

— минимизация размера;

— минимизация стоимости;

— надежность работы.

Единственно на что требуется обратить внимание — кнопки. Для эстетики можно поставить красивые и миниатюрные кнопки, но они не выдержат интенисивного нажимания (всё-таки двустрочный дисплей, нажимать прийдется где-то раз в секунду), поэтому прийдется поставить произведение отечественной «оборонки» — кнопки на основе концевиков — КМ1−1.

Спецификация элементов приведена в Приложении К.

2.7 Разработка схемы электрической принципиальной Разрабатываем в Accel EDA схему электрическую принципиальную устройства для чтения электронных книг (Рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 — Принципиальная схема устройства для чтения электронных книг в Accel EDA

Электрическая принципиальная схема устройства для чтения электронных книг приведена в Приложении Л.

3. Технико-экономическое обоснование объекта разработки В данном разделе проводится технико-экономический расчет стоимости устройства для чтения электронных книг.

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

3.1 Расчет расходов на ПО, которое разрабатывается Исходные данные для расчета стоимости разработки ПО, которое разрабатывается приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Исходные данные по предприятию

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 — 200.

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 = 200•1,3 (1 + 0,05) = 273.

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 ПО 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, которое разрабатывается. При оценке 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, выданного 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:

;

Ти = 273•1,3/80•1 = 5(чел/час) Расходы труда на разработку алгоритма решения задачи рассчитываются по формуле:

;

Та=273/25•1 = 11 (чел/час) 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.

Таблица 3.2 — Трудоемкость и зарплата разработчиков ПО

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

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 расходов одного часа, по формуле:

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.

(грн.)

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 Со 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 2328,69 грн. на единицу продукции.

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 испытание опытного образца, чел./час.

Данные расчета заносятся в таблицу 3.5.

Заработная плата на разработку КД изделия определяется по формуле:

где — почасовая тарифная ставка разработчика, грн.;

— трудоемкость разработки КД изделия.

Таблица 3.5 — Расчет заработной платы на разработку КД изделия

б) Расчет материальных расходов на разработку КД Материальные расходы Мв, которые необходимы для разработки (создании) КД, приведены 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).

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

Таблица 3.7 — Калькуляция технологических расходов на создание КД изделия

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 изделий и полуфабрикатов, которые используются при сборке одного изделия (Приложение М).

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 работников, участвующих в сборке, настройке и монтаже изделия

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. = 2328,69+ 535,17= 2863,86 (грн.).

При производстве 100 единиц продукции:

Собщ.100 = 251,06 грн.

При производстве 1000 изделий:

Собщ.1000 = 227,30 грн.

При расчете не учитывалось снижение цены на покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты, т.к. эта величина при оптовой закупке будет зависеть от величины партии.

3.5 Анализ устройств-аналогов Ниже приводятся цены на аналогичные устройства для чтения электронных книг (Таблица 3.11).

Таблица 3.11 — Анализ стоимости устройств для чтения электронных книг (данные market.yandex.ru)

Из полученных данных видим, что наше устройство намного проще, надежней и дешевле, может создать конкуренцию на рынке.

4. Охрана труда Совокупность факторов производственной среды, оказывающей влияние на здоровье и работоспособность человека в процессе труда называется условиями труда. Организация и улучшение условий труда на рабочем месте является одним из важных резервов производительности и эффективности труда.

Основными, при определении условий труда являются следующие вопросы:

— производственное освещение;

— воздействие шума и вибрации;

— электромагнитные излучения;

— производственный микроклимат;

— электропожаробезопасность;

— эргонометрические характеристики рабочего места.

4.1 Требования к производственным помещениям

4.1.1 Окраска и коэффициенты отражения Источники света, такие как светильники и окна, которые дают отражение от поверхности экрана, значительно ухудшают точность знаков и влекут за собой помехи физиологического характера, которые могут выразиться в значительном напряжении, особенно при продолжительной работе. Отражение, включая отражения от вторичных источников света, должно быть сведено к минимуму.

Для защиты от избыточной яркости окон могут быть применены шторы и экраны.

Окраска помещений и мебели должна способствовать созданию благоприятных условий для зрительного восприятия, хорошего настроения.

В зависимости от ориентации окон рекомендуется следующая окраска стен и пола:

окна ориентированы на юг: — стены зеленовато-голубого или светло-голубого цвета; пол — зеленый;

окна ориентированы на север: — стены светло-оранжевого или оранжево-желтого цвета; пол — красновато-оранжевый;

окна ориентированы на восток: — стены желто-зеленого цвета; пол зеленый или красновато-оранжевый;

окна ориентированы на запад: — стены желто-зеленого или голубовато-зеленого цвета; пол зеленый или красновато-оранжевый.

В помещениях, где находится компьютер, необходимо обеспечить следующие величины коэффициента отражения: для потолка: 60−70%, для стен: 40−50%, для пола: около 30%. Для других поверхностей и рабочей мебели: 30−40%.

4.1.2 Освещение Правильно спроектированное и выполненное производственное освещение улучшает условия зрительной работы, снижает утомляемость, способствует повышению производительности труда, благотворно влияет на производственную среду, оказывая положительное психологическое воздействие на работника, повышает безопасность труда и снижает травматизм.

Недостаточность освещения приводит к напряжению зрения, ослабляет внимание, приводит к наступлению преждевременной утомленности. Чрезмерно яркое освещение вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах.

Неправильное направление света на рабочем месте может создавать резкие тени, блики, дезориентировать работающего. Все эти причины могут привести к несчастному случаю или профзаболеваниям, поэтому столь важен правильный расчет освещенности.

Существует три вида освещения — естественное, искусственное и совмещенное (естественное и искусственное вместе).

Естественное освещение — освещение помещений дневным светом, проникающим через световые проемы в наружных ограждающих конструкциях помещений.

Естественное освещение характеризуется тем, что меняется в широких пределах в зависимости от времени дня, времени года, характера области и ряда других факторов.

Искусственное освещение применяется при работе в темное время суток и днем, когда не удается обеспечить нормированные значения коэффициента естественного освещения (пасмурная погода, короткий световой день).

Освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным, называется совмещенным освещением.

Искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное. Рабочее освещение, в свою очередь, может быть общим или комбинированным. Общее — освещение, при котором светильники размещаются в верхней зоне помещения равномерно или применительно к расположению оборудования. Комбинированное — освещение, при котором к общему добавляется местное освещение.

Согласно СНиП II-4−79 в помещений вычислительных центров необходимо применить систему комбинированного освещения.

При выполнении работ категории высокой зрительной точности (наименьший размер объекта различения 0,3…0,5мм) величина коэффициента естественного освещения (КЕО) должна быть не ниже 1,5%, а при зрительной работе средней точности (наименьший размер объекта различения 0,5…1,0 мм) КЕО должен быть не ниже 1,0%. В качестве источников искусственного освещения обычно используются люминесцентные лампы типа ЛБ или ДРЛ, которые попарно объединяются в светильники, которые должны располагаться над рабочими поверхностями равномерно.

Требования к освещенности в помещениях, где установлены компьютеры, следующие: при выполнении зрительных работ высокой точности общая освещенность должна составлять 300лк, а комбинированная — 750лк; аналогичные требования при выполнении работ средней точности — 200 и 300лк соответственно.

Кроме того все поле зрения должно быть освещено достаточно равномерно — это основное гигиеническое требование. Иными словами, степень освещения помещения и яркость экрана компьютера должны быть примерно одинаковыми, т.к. яркий свет в районе периферийного зрения значительно увеличивает напряженность глаз и, как следствие, приводит к их быстрой утомляемости.