USB осциллограф на микроконтроллере ATTINY45

Введение

На сегодняшний день огромное развитие получили электронные устройства. Человек использует их в своей деятельности почти во всех сферах (ПЕРЕЧИРСЛИТЬ). Большая часть таких устройств выполняется на основе микроконтроллеров.

Цель курсовой работы «USB осциллограф на микроконтроллере ATTINY45"заключается:

— Спроектировать электрическую-принципиальную схему «USB осциллографа» с использованием микроконтроллера;

- Выполнить расчёт электрической цепи светодиода (VD1);

- Выполнить программирование микроконтроллера ATTINY45;

- Рассчитать надежность системы.

1. Общая часть

1.1 Общие сведения о микропроцессорных системах

Микропроцессорная система представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом из микропроцессора и/или микроконтроллера.

Микропроцессор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели).

Микроконтроллер — компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства.

1.2 Архитектура микроконтроллера Attiny 45−20

Attiny45−20PU — это экономичный восьми разрядный CMOS микроконтроллер, выполненный по усовершенствованной RISC-архитектуре. Возможность исполнения инструкций за один аппаратный цикл позволяет микроконтроллерам Attiny45−20PU достигать показателей производительности в один миллион операций в секунду с тактовой частотой в 1MHz. Подобная производительность позволяет разработчикам оптимизировать быстродействие и потребляемую мощность. Ядро AVR позволяет комбинировать широкий набор инструкций и 32 регистра общего назначения, подключенными непосредственно к АЛУ устройству. Использование арифметико-логического устройства позволяет получать доступ к нескольким регистрам одновременно и выполнять инструкцию за один машинный цикл. RISC-архитектура обладает прекрасной производительностью, которая превышает производительность традиционных CISC-микроконтроллеров более чем в десять раз.

Основные характеристики микроконтроллера Attiny 45−20

- Тактовая частота: 0 — 20 МГц (при 4,5 — 5,5 В)

- Объём Flash-памяти: 4 кб

— Объём SRAM-памяти: 256 байт

— Объём EEPROM-памяти: 256 байт

— Напряжение питания: 2,7 — 5,5 В

— Потребляемый ток в режиме работы: 0,4 мА (1 МГц, 2,7)

— Потребляемый ток в режиме сна: 0,1 мкА (1 МГц, 2,7 В)

— Количество таймеров/счётчиков: 2 восьмибитных

— Общее количество портов: 6

— Количество ШИМ (PWM) выходов: 4

— Количество каналов АЦП (аналоговые входы): 4

— Аппаратнаякоммуникация: 1 USI (Universal Serial Interface)

2. Специальная часть

2.1 Осциллограф

Осциллограф — измерительный прибор для наблюдения зависимости между двумя или несколькими быстро меняющимися величинами (электрическими или преобразованными в электрические). Наиболее распространены электронно-лучевые осциллографы, в которых электрические сигналы, пропорциональные изменению исследуемых величин, поступают на отклоняющие пластины осциллографической трубки; на экране трубки наблюдают или фотографируют графическое изображение зависимости.

Микроконтроллеры AVR фирмы ATMEL, появившись на рынке интегральных микросхем в 1996 г., сразу же привлекли к себе внимание разработчиков электронной аппаратуры. Удачное сочетание RISC-архитектуры ядра, обеспечивающей высокую производительность, с широким набором команд, Flash-памятью для программ быстро продвинуло микроконтроллеры AVR занимает главные позиции на рынке.

На смену микроконтроллерам первых семейств Tiny и Classic пришло новое поколение микроконтроллеров Mega. Сохранив программную совместимость, микроконтроллеры Mega обрели новые возможности: пониженные напряжения питания до 2.7 В и энергопотребление, повышенное быстродействие до 16Мгц, и объем Flash-памяти до 128Кбайт.

AVR — самая обширная производственная линии среди других флэш-микроконтроллеров корпорации Atmel. Atmel представила первый 8-разрядный флэш-микроконтроллер в 1993 году и с тех пор непрерывно совершенствует технологию. Прогресс данной технологии наблюдался в снижении удельного энергопотребления (мА/МГц), расширения диапазона питающих напряжений (до 1.8 В) для продления ресурса батарейных систем, увеличении быстродействия до 16 млн. операций в секунду, встраиванием эмуляции в реальном масштабе времени, реализации функции самопрограммирования, совершенствовании и расширении количества периферийных модулей, встраивании специализированных устройств (радиочастотный передатчик, USB-контроллер, драйвер ЖКИ, и т. д)

Я выбрал микроконтроллер на базе Attiny 45−20, так как он обладает высокой производительностью, увеличенным быстродействием до 16 млн. операций в секунду, низким энергопотреблением в режиме ожидания и уменьшенным шумом выключения, а так же он способен работать до 10.000 тысяч часов в режиме: записи/стирания.

В основе схемы стоит микроконтроллер ATTINY45−20P.Осциллограф имеет два аналоговых входа и питается от USB-интерфейса. Один вход задействован через потенциометр, что позволяет уменьшать уровень входного сигнала.

2.2 Принцип работы осциллографа

Микропроцессор используется как обрабатывающее и управляющее устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающее способностью выполнять под программным управлением обработку информации, включая ввод и вывод информации, арифметические и логические операции и принятие решений.

Микроконтроллер — это микро-ЭВМ с небольшими вычислительными ресурсами, обедненной периферией и упрощенной системой команд ориентированная не на производство вычислений, а на выполнение процедур логического управления различным оборудованием. Контроллеры часто применяют в качестве встраиваемых в различные станки, машины, технологические процессы.

Простейшая структурная схема осциллографа (рис. 1) состоит из трех элементов: усилителя вертикально отклоняющего напряжения Ux, генератора развертки G и ЭЛТ. Формирование осциллограммы осуществляется следующим образом: Исследуемое напряжение (его мгновенное значение во времени) Ux через усилитель подают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Под действием этого напряжения электронный луч отклоняется по оси ординат на Y = kSY · t), где: k — коэффициент усиления усилителя; SY — чувствительность трубки по оси ординат.

осциллограф микроконтроллер схема измерительный

2.3 Электрическая принципиальная схема

Рисунок 1 — Блок схема ATTINY 45−20p

3. Специальная часть

3.1 Принцип работы схемы

Осциллограф — измерительный прибор для наблюдения зависимости между двумя или несколькими быстро меняющимися величинами (электрическими или преобразованными в электрические). Наиболее распространены электронно-лучевые осциллографы, в которых электрические сигналы, пропорциональные изменению исследуемых величин, поступают на отклоняющие пластины осциллографической трубки; на экране трубки наблюдают или фотографируют графическое изображение зависимости.

Микроконтроллеры AVR фирмы ATMEL, появившись на рынке интегральных микросхем в 1996 г., сразу же привлекли к себе внимание разработчиков электронной аппаратуры. Удачное сочетание RISC-архитектуры ядра, обеспечивающей высокую производительность, с широким набором команд, Flash-памятью для программ быстро продвинуло микроконтроллеры AVR занимает главные позиции на рынке.

На смену микроконтроллерам первых семейств Tiny и Classic пришло новое поколение микроконтроллеров Mega. Сохранив программную совместимость, микроконтроллеры Mega обрели новые возможности: пониженные напряжения питания до 2.7 В и энергопотребление, повышенное быстродействие до 16Мгц, и объем Flash-памяти до 128Кбайт.

AVR — самая обширная производственная линии среди других флэш-микроконтроллеров корпорации Atmel. Atmel представила первый 8-разрядный флэш-микроконтроллер в 1993 году и с тех пор непрерывно совершенствует технологию. Прогресс данной технологии наблюдался в снижении удельного энергопотребления (мА/МГц), расширения диапазона питающих напряжений (до 1.8 В) для продления ресурса батарейных систем, увеличении быстродействия до 16 млн. операций в секунду, встраиванием эмуляции в реальном масштабе времени, реализации функции самопрограммирования, совершенствовании и расширении количества периферийных модулей, встраивании специализированных устройств (радиочастотный передатчик, USB-контроллер, драйвер ЖКИ, и т. д)

Я выбрал микроконтроллер на базе Attiny 45−20, так как он обладает высокой производительностью, увеличенным быстродействием до 16 млн. операций в секунду, низким энергопотреблением в режиме ожидания и уменьшенным шумом выключения, а так же он способен работать до 10.000 тысяч часов в режиме: записи/стирания.

В основе схемы стоит микроконтроллер ATTINY45−20P.Осциллограф имеет два аналоговых входа и питается от USB-интерфейса. Один вход задействован через потенциометр, что позволяет уменьшать уровень входного сигнала

.

3.2 Расчет цепи

Рассчитываем диод VD1;

Согласно закону Ома сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорционально сопротивлению проводника.

Где Uнапряжение, Iсила тока. Справочное значение: U =25,5 В

I = 0.4 мА (максимальное значение) Расчетное значение сопротивления получаем

Диоды под эту схему подходят любые.

4. Понятие о надежности системы

4.1 Основные понятия надежности

Надёжность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Интуитивно надёжность объектов связывают с недопустимостью отказов в работе. Это есть понимание надёжности в «узком» смысле — свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Иначе говоря, надёжность объекта заключается в отсутствии непредвиденных недопустимых изменений его качества в процессе эксплуатации и хранения. Надёжность тесно связана с различными сторонами процесса эксплуатации. Надёжность в «широком» смысле — комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, а также определённое сочетание этих свойств.

Основныеопределения:

— Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки

- Отказ — событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности.

- Сбой — самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.

Показатели надежности являются:

- Безопасность работы

(1)

— Средние время безотказной работы

(2)

- Средняя наработка на отказ

(3)

- Частота отказа

(4)

4.2 Расчет надежности «Простого USB осциллографа»

Рассчитываем коэффициент нагрузок КHR для резисторов по формуле, где КHRкоэффициент нагрузки резистора

КHR=PR / Pдоп (5)

PRрабочая мощность резистора, Вт;

Pдопдопустимая мощность резистора, Вт;

Мощность резистора определяется по формуле

PR=U2 / R (6)

где Uнапряжение на резисторе, В;

Rсопротивление резистора, Ом;

Рассчитываем резистор R1 по формуле: U=5(B); R1=1,5(кОм);

PR1=52/1500=25/1500=0,016 (Bm)

КHR1=0,016/0,125=0,128

принимаем КH=0,2

б=0,2

принимаем альфа из таблице

л0 =0,4

принимаем лямбду по таблице

лi=0,2*0,4=0,08

лс=0,08*3=0,24

Рассчитываем резисторы R2 и R3 по формуле: U=5(B); R2,3=1(кОм);

PR2,3=52/1000=25/1000=0,025 (Bm)

КHR2,3=0,025/0,125=0,2

принимаем КH=0,2

б=0,2

принимаем альфа из таблице

л0 =0,4

принимаем лямбду по таблице

лi=0,2*0,4=0,08

лс=0,08*3=0,24

Рассчитываем коэффициент нагрузок Кнс для конденсаторов по формуле, где Кнскоэффициент нагрузки конденсатора

Кнс=Uc /Uдоп (7)

Ucнапряжение на конденсаторе, В;

Uдопдопустимое рабочее напряжение конденсатора, В;

Рассчитываем конденсатор С1 по формуле: Uc=5(В); Uдоп=25(В);

Кнс1=5/25=0,2

принимаемКн=0,5

б=0,09

принимаем альфа по таблице

л 0=2

принимаем лямбду по таблице

лi=0,09*2=0,18

лс=0,18*2=0,54

Рассчитываем конденсатор С2,3 по формуле: Uc=5(В); Uдоп=50(В);

Кнс2,3=5/50=0,1

принимаемКн=0,3

б=0,06

принимаем альфа по таблице

л 0=2

принимаем лямбду по таблице

лi=0,06*2=0,12

лс=0,12*1=0,12

Рассчитываем коэффициент нагрузок Кнд для стабилитронов по формуле

Кнд=I/Imax (8)

где Iфактически выпрямленный ток, мА;

Imaxмаксимально допустимый выпрямленный ток, мА

Для стабилитрона VD1, VD2: Imax=252(мА); I=69(мА)

Кнд=69/252=0,27

принимаемКн=0,25

б=0,45

принимаем альфа по таблице

л 0=5

принимаем лямбду по таблице

лi=0,45*5=2,25

лс=2,25*4=9

Расчет микроконтроллера производим по формуле

лобщ=л0*Кн*Кор*К1*К2*n (9)

л 0=0,01

Кор=10

Кн=0,5

К1=К2=1

n=1

гдеКн — коэффициент нагрузки;

Кор — коэффициент интенсивности отказа;

К1 — коэффициент механических нагрузок;

К2 — коэффициент механического напряжения

N — Количество микроконтроллеров.

лобщ=0,01*0,5*10*1*1*1=0,05

Рассчитываем места спаек:

лc= л0*n (10)

Берем значение л0 по таблице:

л0=0,004

Считаем количество паек на схеме: n=34

лc=0,004*34=0,13

Заключение

В заключении описаны достоинства и недостатки микроконтроллеров Attiny.

Основным достоинством таких микроконтроллеров является простота в их использовании, программировании, установке и др. Также благодаря малому количеству компонентов в микроконтроллерах, используемых при построении приборов, их размеры уменьшаются, а надежность увеличивается.

Приложение А

(справочное) Архитектура микроконтроллера Attiny