USB осциллограф на микроконтроллере ATTINY45-20

Микроконтроллеры семейства AVR за сравнительно короткое время завоевали заслуженную популярность во всём мире. Они представляют собой мощный инструмент для создания современных высокопроизводительных и экономичных многоцелевых контроллеров.

На настоящий момент соотношение «цена — производительность, энергопотребление» для AVR является одним из лучших на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров.

Области применения AVR многогранны. Для семейства «ATTINY» — это интеллектуальны автомобильные датчики различного назначения, игрушки, игровые приставки, материнские платы персональных компьютеров, контроллеры защиты доступа в мобильных телефонах, зарядные устройства, детекторы дыма и пламени, бытовая техника, разнообразные инфракрасные пульты дистанционного управления.

Цель курсовой работы «USB осциллографа на микроконтроллере ATTINY45−20"заключается в следующем:

— спроектировать электрическую-принципиальную схему USB осциллографа с использование микроконтроллера;

— выполнить расчёт электрической цепи светодиода (VD1);

— выполнить программирование микроконтроллера ATTINY45;

— рассчитать надежность системы.

1 Общая часть.

1.1 Общие сведения о микропроцессорной системе.

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

Микропроцессор — процессор, отвечающий 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 Микроконтроллер ATTINY 45−20.

В данной курсовой работе осциллограф выполнен на микроконтроллере фирмы ATMEL, появившись на рынке интегральных микросхем в 1996 г., сразу же привлекший 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 16 Мгц, и объем Flash-памяти до 128 Кбайт. AVR — самая обширная производственная линия 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).

1.3 Архитектура микроконтроллера ATTINY 45−20.

ATTINY 45−20 - это экономичный восьми разрядный CMOS микроконтроллер, выполненный по усовершенствованной RISC-архитектуре. Возможность исполнения инструкций за один аппаратный цикл позволяет микроконтроллерам Attiny45−20 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 2,7 — 5,5 В);

— Объём Flash-памяти: 4 кб;

— Объём SRAM-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 каналов АЦП (аналоговые входы): 2;

— Аппаратная коммуникация: 1 USB разъем.

2 Специальная часть.

2.1 Общие сведения о осциллографе.

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.

В USB осциллографе выбран 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.

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.

светодиод осциллограф микропроцессорный надежность.

Рисунок 1 - Структурная схема осциллографа.

Простейшая структурная схема осциллографа 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· Ux (t), где: k - коэффициент усиления усилителя; SY - чувствительность трубки по оси ординат.

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

Рисунок 2 - Схема микроконтроллера ATTINY 45−20.

2.3 Программирование микроконтроллера.

Для микроконтроллеров AVR существуют различные языки программирования, но, пожалуй, наиболее подходящими являются ассемблер и Си, поскольку в этих языках в наилучшей степени реализованы все необходимые возможности по управ-лению аппаратными средствами микроконтроллеров.

Ассемблер — это низкоуровневый язык программирования, использующий непосредственный набор инструкций микро-контроллера. Создание программы на этом языке требует хо-рошего знания системы команд программируемого чипа и до-статочного времени на разработку программы. Ассемблер проигрывает Си в скорости и удобстве разработки программ, но имеет заметные преимущества в размере конечного испол-няемого кода, а соответственно, и скорости его выполнения.

Си позволяет создавать программы с гораздо большим комфортом, предоставляя разработчику все преимущества языка высокого уровня.

Архитектура и система команд AVR создавалась при непосредственном участии разработчиков компилятора языка Си и в ней учтены особенности этого языка. Компиляция ис-ходных текстов, написанных на Си, осуществляется быстро и дает компактный, эффективный код.

Основные преимущества Си перед ассемблером: высокая скорость разработки программ; универсальность, не требую-щая досконального изучения архитектуры микроконтроллера; лучшая документируемость и читаемость алгоритма; наличие библиотек функций; поддержка вычислений с плавающей точ-кой.

Для того чтобы запрограммировать («прошить») микро-контроллер, необходим программатор. Программатор пред-ставляет собой программно-аппаратный комплекс, состоящий непосредственно из устройства, связывающего микро-контроллер с компьютером, и программы, которая этим устройством управляет. Программатор заносит подготовленную для микроконтроллера программу в его память.

Следует обратить внимание, что программатор не имеет промежуточного буфера и не имеет гальванической развязки по отношению к параллельному порту, поэтому во избежание вывода из строя параллельного порта подключать и отключать кабель следует при выключенном питании на плате, где установлен контроллер.

3 Специальная часть.

3.1 Расчет электрической цепи диода.

Рассчитываем диод VD1;

Рисунок 3 — Схема расчета диода VD1.

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

(1).

где U — напряжение, В, U =5,5 В (справочное значение);

I — сила тока, I = 0.4 мА (справочное значение).

Расчетное значение сопротивления получаем.

(2).

Выбираем резистор C2−23 с параметрами, удовлетворяющим расчетным 6.8 кОм.

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 — 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.

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.

4.2 Расчет надежности.

4.2.1 Основные формулы.

- безопасность работы.

(1).

- средние время безотказной работы.

(2).

- средняя наработка на отказ.

(3).

- частота отказа.

(4).

4.2.2 Расчет резисторов. Согласно расчета, коэффициент надежности резисторов КHR вычисляется по формуле.

КHR = PR / Pдоп (5).

где КHR — коэффициент нагрузки резистора;

PR — рабочая мощность резистора, Вт;

Pдоп — допустимая 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, принимая U=5 B; R1=1,5 кОм, тогда.

PR1 =52/1500=25/1500=0,016 Bm.

КHR1=0,016/0,125=0,128.

Принимаем Кн=0,2. принимаем из таблицы ?=0,2, ?0 =0,4 в результате получаем.

?i=0,2*0,4=0,08.

?с=0,08*3=0,24.

Рассчитываем резисторы R2 и R3 по формуле, принимая U=5 B; R2,3=1 кОм, тогда.

PR2,3=52/1000=25/1000=0,025 Bm.

КHR2,3=0,025/0,125=0,2.

Принимаем КH=0,2. Принимаем из таблицы ?=0,2, ?0 =0,4, в результате получаем.

?i=0,2*0,4=0,08.

?с=0,08*3=0,24.

Рассчитываем коэффициент нагрузок КHC для конденсаторов по формуле.

КHC=Uc /Uдоп (7).

где Кнс — коэффициент нагрузки конденсатора;

Uc — напряжение на конденсаторе, В;

Uдоп — допустимое рабочее напряжение конденсатора, В.

Рассчитываем конденсатор С1 по формуле, принимая Uc=5 В; Uдоп=25 В, тогда.

КHC1=5/25=0,2.

Принимаем Кн =0,5. Принимаем из таблицы ?=0,09, ?0=2, в результате получаем.

?i=0,09*2=0,18.

?с=0,18*2=0,54.

Рассчитываем конденсатор С2,3 по формуле, принимая Uc=5 В; Uдоп=50 В, тогда.

КHC2,3=5/50=0,1.

Принимаем Кн =0,3. Принимаем из таблицы ?=0,06, ?0=2, в результате получаем.

?i=0,06*2=0,12;

?с=0,12*1=0,12.

4.2.3 Рассчитываем коэффициент нагрузок Кнд для стабилитронов по формуле.

КHД =I/Imax (8).

где I — фактически выпрямленный ток, мА;

Imax — максимально допустимый выпрямленный ток, мА.

Рассчитываем для стабилитрона VD1, VD2, принимая Imax=252мА; I=69 мА, тогда.

Кнд=69/252=0,27.

Принимаем Кн=0,25. Принимаем из таблицы ?=0,45, ?0=5, в результате получаем.

?i=0,45*5=2,25.

?с=2,25*4=9.

4.2.4 Расчет микроконтроллера производим по формуле.

?общ=?0* Кн*Кор*К1*К2*n (9).

где Кн - коэффициент нагрузки, 0,5;

Кор - коэффициент интенсивности отказа, 10;

К1 - коэффициент механических нагрузок, 1;

К2 - коэффициент механического напряжения, 1;

N - Количество микроконтроллеров, 1 шт.

Рассчитываем микроконтроллер по формуле.

?общ=0,01*0,5*10*1*1*1=0,05.

4.2.5 Рассчитываем места спаек по формуле.

?c= ?0*n (10).

Берем из таблицы ?0=0,004. Считаем количество паек на схеме n=34 шт.

?c=0,004*34=0,13.

4.2.6 Расчет средней наработки на отказ производим по формуле.

(11).

Рассчитываем среднее время наработки на отказ.

Принимаем значение T055000 (ч).

Рассчитываем вероятность безотказной работы схемы по формуле.

(12).

где — время работы схемы, ч.

Заключение

Во всём мире стали развиваться электронные устройства. Человек использует их в своей деятельности почти во всех сферах. Большая часть таких устройств выполняется на основе микроконтроллеров.

В настоящее время микропроцессоры развиваются в следующих направлениях:

— уменьшение габаритов;

- снижение удельного энергопотребления;

- расширениях диапазона питающих напряжений для продления батарейных систем;

— увеличении быстродействия до 16 млн. операций в секунду;

— реализация функций самопрограммирования;

- совершенствование и расширение количества периферийных модулей;

— совершенствование ПО;

- снижение стоимости.

Микроконтроллеры используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

— в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD, калькуляторах;

— электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления - в стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах.

В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость.

Список литературы.

1 А. В. Евстифеев Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Меда фирмы ATMEL А. В - М.: 2008;

2 В. Н. Баранов Применение микроконтроллеров AVR схемы, алгоритмы, В. Н. Баранов - М.: 2004;

3 А. В. Кузин, М. А. Жаворонков Электротехника и электроника - М.: 2005;

4 К. В. Чернышов Методы определения показателей надежности технических систем - М.: 2003.

Приложение А.

Схема USB осциллографа на ATTINY45−20.

Приложение Б.

Блоксхема ATTINY45−20.

Размещено на .ur.