Разработка музыкального звонка с двумя режимами работы: автономным и от сети

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к дипломному проекту: 88 страниц, 15 рисунков, 21 таблица, 24 источника, 5 приложений, 3 листа чертежей формата А1.

Объект исследований: разработка музыкального звонка с двумя режимами работы: автономный и от сети.

Предмет исследования: электромузыкальный звонок.

В первом разделе рассмотрены общие принципы разработки устройств на микроконтроллерах.

Во втором разделе рассматриваются вопросы практической разработки электромузыкального звонка. Разрабатываются структурная, функциональная и принципиальная схемы. Составляется алгоритм и программа для микроконтроллера.

В третьем разделе выполнен экономический расчет объекта анализа, производится сравнительная характеристика с устройствами-аналогами.

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

Данное устройство может быть рекомендовано к внедрению в производство.

АЛГОРИТМ, БЛОК ПИТАНИЯ, КНОПКА, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА, ПРОГРАММА, СВЕТОДИОД

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ 3

ВВЕДЕНИЕ

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ

2 РАЗРАБОТКА МУЗЫКАЛЬНОГО ЗВОНКА С ДВУМЯ РЕЖИМАРАБОТЫ: АВТОНОМНЫЙ И ОТ СЕТИ

2.1 Постановка задачи

2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации

2.3 Аппаратные средства микроконтроллеров серии ATtiny2313

2.4 Разработка функциональной схемы устройства

2.5 Разработка алгоритма работы устройства

2.6 Разработка программного обеспечения микроконтроллера

2.6.1 Описание программы

2.6.2 Процедура вычисления адреса

2.6.3 Текст программы

2.6.4 Особенности программы

2.6.5 Подпрограмма формирования задержки

2.6.6 Программа на языке СИ

2.6.7 Описание программы (листинг 2

2.7 Выбор, описание и расчеты элементной базы

2.8 Разработка схемы принципиальной

3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕКТА РАЗРАБОТКИ

3.1 Расчет расходов на ПО для микроконтроллера

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 Эргономические требования к рабочему месту

4.3 Режим труда

4.4 Расчет освещенности

4.5. Расчет вентиляции

4.6 Расчет уровня шума

ВЫВОДЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ,

ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

КМОП - комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник

МК - микроконтроллер

МПС - микропроцессорная система

ЦПУ - центральное процессорное устройство

ШИМ - широтно импульсная модуляция

ВВЕДЕНИЕ

Разработка систем управления и контроля с использованием однокристальных микроконтроллеров в настоящее время переживает настоящий бум. Системы на базе микроконтроллеров используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека, и каждый день появляются все новые и новые области применения этих устройств. В последнее время в связи с бурным развитием электроники и схемотехники расширились возможности и самих микроконтроллеров, позволяющие выполнять многие задачи, ранее недоступные для реализации, такие, например, как обработка аналоговых сигналов. Одним из наиболее ранних микроконтроллеров, появившихся на рынке, является микроконтроллер ATtiny, разработанный фирмой Intel более двадцати лет назад. Несмотря на столь приличный возраст, классический ATtiny и его клоны в настоящее время остаются одними из наиболее популярных при разработке систем управления и контроля. Хорошо продуманная архитектура и интуитивно понятная система команд оказывают решающее влияние на выбор многих разработчиков аппаратно-программных систем.

Однокристальные (однокорпусные) микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя следующие составные части: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой.

Мировая промышленность выпускает огромную номенклатуру микроконтроллеров. По области применения их можно разделить на два класса: специализированные, предназначенные для применения в какой-либо одной конкретной области (контроллер для телевизора, контроллер для модема) и универсальные, которые не имеют конкретной специализации и могут применяться в самых различных областях микроэлектроники, с помощью которых можно создать как любое из перечисленных выше устройств, так и принципиально новое устройство.

Тема данной работы - «Разработка музыкального звонка с двумя режимами работы: автономным и от сети», которая является предметом исследования.

Объектом исследования является устройство (бытовой электромузыкальный звонок), предназначенное для воспроизведения ранее запрограммированных мелодий, при нажатии и удержании кнопки. Устройство должно содержать минимум компонентов, быть простым в изготовлении и эксплуатации, иметь возможность работать в режимах: автономном и от сети.

Данная тема является актуальной, т.к. электромузыкальные звонки пользуются повышенным спросом у населения.

РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ

Микропроцессорная система (МПС) на основе микроконтроллера (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. 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.

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.

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.

Рисунок 1.1- Основные этапы разработки контроллера

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.

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.

РАЗДЕЛ 2 РАЗРАБОТКА МУЗЫКАЛЬНОГО ЗВОНКА С ДВУМЯ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ: АВТОНОМНЫЙ И ОТ СЕТИ

2.1 Постановка задачи

Требуется разработать устройство, предназначенное для воспроизведения простых одноголосых мелодий, записанных в память программ на этапе программирования. Устройство должно иметь семь различных мелодий, которые включаются по желанию. Каждой из кнопок должна соответствовать своя мелодия. Мелодия воспроизводится при нажатии и удержании кнопки. При отпускании кнопки воспроизведение мелодий прекращается.

Питание данного устройства должно осуществляться в двух режимах: автономно и от сети.

Данное устройство рекомендуется использовать как электромузыкальный звонок.

2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной

спецификации

Структурная схема разрабатываемого электромузыкального звонка приведена на рис. 2.1.



S8

Звуковой излучатель

220 В

Рисунок 2.1- Структурная схема электромузыкального звонка

Функциональная спецификация представляет собой:

1. Входы

а. 7 кнопок выбора мелодий (S1-S7);

b. Кнопка запуска электромузыкального звонка (S8);

с. Источник бесперебойного электропитания звонка (ИП).

2. Выходы

а. Электронный ключ (Э/кл);

b. Звуковой динамик (Звуковой излучатель).

3. Функции

а. Запись мелодии в память, при нажатии кнопки S8;

b. Воспроизведение мелодии из памяти;

c. Осуществление бесперебойного электропитания в двух режимах: автономном и от сети.

2.3 Аппаратные средства микроконтроллеров серии ATtiny2313

В разработке электромузыкального звонка предлагается использовать, широко распространенный, относительно недорогой и надежный в эксплуатации 8 битный AVR микроконтроллер серии ATtiny2313 с 2 КБ программируемой в системе Flash памяти.

ATtiny2313 - низкопотребляющий 8 битный КМОП микроконтроллер с AVR RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATtiny2313 достигает производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц, что позволяет разработчику оптимизировать отношение потребления к производительности.

AVR ядро объединяет богатую систему команд и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. В результате эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура.

ATtiny2313 имеет следующие характеристики: 2 КБ программируемой в системе Flash память программы, 128 байтную EEPROM память данных, 128 байтное SRAM (статическое ОЗУ), 18 линий ввода - вывода общего применения, 32 рабочих регистра общего назначения, однопроводный интерфейс для встроенного отладчика, два гибких таймера/счетчика со схемами сравнения, внутренние и внешние источники прерывания, последовательный программируемый USART, универсальный последовательный интерфейс с детектором стартового условия, программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором и три программно инициализируемых режима пониженного потребления. В режиме Idle останавливается ядро, но ОЗУ, таймеры/счетчики и система прерываний продолжают функционировать. В режиме Power-down регистры сохраняют свое значение, но генератор останавливается, блокируя все функции прибора до следующего прерывания или аппаратного сброса. В Standby режиме задающий генератор работает, в то время как остальная часть прибора бездействует. Это позволяет очень быстро запустить микропроцессор, сохраняя при этом в режиме бездействия мощность.

Прибор изготовлен по высокоплотной энергонезависимой технологии изготовления памяти компании Atmel. Встроенная ISP Flash позволяет перепрограммировать память программы в системе через последовательный SPI интерфейс или обычным программатором энергонезависимой памяти. Объединив в одном кристалле 8- битное RISC ядро с самопрограммирующейся в системе Flash памятью, ATtiny2313 стал мощным микроконтроллером, который дает большую гибкость разработчика микропроцессорных систем.

ATtiny2313 поддерживается различными программными средствами и интегрированными средствами разработки, такими как компиляторы C, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы и ознакомительные наборы.

Характеристики микроконтроллера ATtiny2313

AVR RISC архитектура

AVR - высококачественная и низкопотребляющая RISC архитектура

120 команд, большинство которых выполняется за один тактовый цикл

32 8 битных рабочих регистра общего применения

Полностью статическая архитектура

ОЗУ и энергонезависимая память программ и данных

2 КБ самопрограммируемой в системе Flash памяти программы, способной выдержать 10 000 циклов записи/стирания

128 Байт программируемой в системе EEPROM памяти данных, способной выдержать 100 000 циклов записи/стирания

128 Байт встроенной SRAM памяти (статическое ОЗУ)

Программируемая защита от считывания Flash памяти программы и EEPROM памяти данных

Характеристики периферии:

Один 8- разрядный таймер/счетчик с отдельным предделителем

Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предделителем, схемой сравнения, схемой захвата и двумя каналами ШИМ

Встроенный аналоговый компаратор

Программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором

USI - универсальный последовательный интерфейс

Полнодуплексный UART

Специальные характеристики микроконтроллера :

Встроенный отладчик debugWIRE

Внутрисистемное программирование через SPI порт

Внешние и внутренние источники прерывания

Режимы пониженного потребления Idle, Power-down и Standby

Усовершенствованная схема формирования сброса при включении

Программируемая схема обнаружения кратковременных пропаданий питания

Встроенный откалиброванный генератор

Порты ввода - вывода и корпусное исполнение

18 программируемых линий ввода - вывода

20 выводной PDIP, 20 выводной SOIC и 32 контактный MLF корпуса

Диапазон напряжения питания:

от 1.8 до 5.5 В

Рабочая частота:

0 - 16 МГц

Потребление

Активный режим:

300 мкА при частоте 1 МГц и напряжении питания 1.8 В

20 мкА при частоте 32 кГц и напряжении питания 1.8 В

Режим пониженного потребления

0.5 мкА при напряжении питания 1.8 В

Блок- схема ATtiny2313 представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Блок-схема микроконтроллера ATtiny2313

Расположение выводов МК ATtiny2313 приведено на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Расположение выводов микроконтроллера ATtiny2313

2.4 Разработка функциональной схемы устройства

В проектируемом устройстве можно выделить следующие функциональные блоки: микроконтроллер ATtiny 2313, кнопка запуска электромузыкального звонка, кнопки выбора мелодии, кварцевый резонатор, электронный ключ, звуковой излучатель, источник питания. Функциональная схема электромузыкального звонка приведена на рисунке 2.4.

При нажатии на кнопку S8 (дверная кнопка) и любой выбранной кнопке S1-S7 (кнопки выбора мелодии) производится запуск работы устройства, собранного на МК ATtiny 2313. Кварцевый резонатор служит для стабилизации частоты кварцевого генератора. Электронный ключ служит для развязки выхода микроконтроллера с низкоомным входом громкоговорителя. Источник питания служит для электропитания всего устройства. Источник питания работает в двух режимах: от сети (схема бестрансформаторного питания) и автономно (от элементов постоянного тока).

20

Рисунок 2.4 - Функциональная схема электромузыкального звонка

2.5 Разработка алгоритма работы устройства

Для начала нам нужно придумать, как мы будем хранить мелодии в памяти. Для того, чтобы в памяти можно было что-либо хранить, нужно сначала это что-то каким-либо способом закодировать. Любая мелодия состоит из нот. Каждая нота имеет свой тон (частоту) и длительность звучания. Для того, чтобы закодировать тон ноты, можно просто все ноты пронумеровать по порядку. Удобнее нумеровать, начиная с самого низкого тона.

Известно, что весь музыкальный ряд делится на октавы. В современном музыкальном ряду каждая октава делится на 12 нот. Семь основных нот и пять дополнительных.

Деление на основные и дополнительные ноты сложилось исторически. В настоящее время используется музыкальный строй, в котором все 12 нот одной октавы равнозначны. Частоты любых двух соседних нот отличаются друг от друга в одинаковое количество раз. При этом частоты одноименных нот в двух соседних октавах отличаются ровно в два раза.

Для нас же важно то, что коды всем этим нотам мы должны присваивать в порядке возрастания частоты. Начнем мы с ноты «До» первой октавы. Для электромузыкального звонка более низкие ноты не нужны. В таблице 2.1 показаны коды для всей первой октавы. Следующая, вторая октава продолжает первую и по кодировке, и по набору частот. Так нота «До» второй октавы будет иметь код 13, а частоту f₁₂= f_o • 2. А нота «Ре» второй октавы будет иметь код 14 и частоту f₁₃=f₁ • 2. И так далее.

Музыкальная длительность тоже легко кодируется. В музыке применяют не произвольную длительность, а длительность, выраженную долями от целой (см. таблицу 2.2). В зависимости от темпа реальная длительность целой ноты меняется. Для сохранения мелодии необходимо соблюдать лишь соотношения между длительностями. Поэтому нам необходимо закодировать лишь семь вариантов длительности. Присвоим им коды от 0 до 6. Например так, как это показано в графе «Код» таблицы 2.2. Назначение графы «Коэффициент деления» мы пока опустим.

Таблица 2.1- Кодировка нот первой октавы

Код	Нота	Частота	Код	Нота	Частота
1	До	fo	7	Фа#	f6=f5/K
2	До#	f1=fo/K	8	Соль	f7=f6/K
3	Ре	f2=f1/K	9	Соль*	f8=f7/K
4	Ре#	f3=f2/K	10	Ля	f9=f8/K
5	Ми	f4=f3/K	11	Ля#	f10=f9/K
6	Фа	f5=f4/K	12	Си	f11=f10/K

Для справки:

Таблица 2.2 - Кодирование музыкальных длительностей

Код	Длительность	Коэффициент деления
0	1 (целая)	64
1	1/2(половинная)	128
2	1/4 (четверть)	256
3	1/8 (восьмая)	512
4	1/16 (шестнадцатая)	1024
5	1/32 (тридцать вторая)	2048
6	1/64 (шестьдесят четвертая)	4096

Кроме нот, любая мелодия обязательно содержит музыкальные паузы.

Определение. Паузы -- это промежутки времени, когда ни один звук не звучит. Длительность музыкальных пауз принимает точно такие же значения, как и длительность нот.

В связи с этим удобно представить паузу как еще одну ноту. Ноту без звука. Такой ноте логично присвоить нулевой код.

Кодируем мелодии.

Для экономии памяти удобнее каждую ноту кодировать одним байтом. Договоримся, что три старших бита мы будем использовать для кодирования длительности ноты, а оставшиеся пять битов -- для кодирования ее тона. Пятью битами можно закодировать до 32 разных нот, что вполне хватит для электромузыкального звонка.

Итак, если использовать приведенный выше способ кодирования, то код ноты ля первой октавы длительностью 1/4 в двоичном виде будет равен:

Теперь мы можем приступать к кодированию мелодий. Для того, чтобы закодировать мелодию, нам нужна ее нотная запись. Используя нотную запись, мы должны присвоить каждой ноте и каждой музыкальной паузе свой код.

Цепочка таких кодов и будет представлять собой закодированную мелодию. По условиям задачи наш электромузыкальный звонок должен уметь воспроизводить семь разных мелодий. Коды всех семи мелодий мы разместим в программной памяти микроконтроллера.

Как определить конец каждой мелодии? Для того, чтобы компьютер знал, где заканчивается каждая мелодия, используем код 255 в качестве признака конца.

Теперь нам нужно придумать, как микроконтроллер будет находить начало каждой мелодии. Все мелодии имеют разную длину, а в памяти они будут записаны одна за другой. Поэтому адрес начала каждой мелодии зависит от длины всех предыдущих. Удобнее всего просто по факту определить адрес начала каждой мелодии и поместить все семь адресов в специальную таблицу.

Кроме этой таблицы нам еще понадобится таблица коэффициентов деления для всех 32 нот и таблица, хранящая константы задержки для всех используемых нами музыкальных длительностей.

Алгоритм работы электромузыкального звонка (Рисунок 2.5):

1. Просканировать и определить номер нажатой кнопки.

2. Извлечь из таблицы начал мелодий значение элемента, номер которого соответствует только что определенному номеру нажатой кнопки. Это значение будет равно адресу в программной памяти, где начинается нужная нам мелодия.

3. Начать цикл воспроизведения мелодии. Для этого поочередно извлекать коды нот из памяти, начиная с адреса, который мы определили в пункте 2 алгоритма.

4. Каждый код ноты разложить на код тона и код длительности.

5. Если код тона равен нулю, отключить звук и перейти к формированию задержки (к п. 9 настоящего алгоритма).

6. Если код тона не равен нулю, извлечь из таблицы коэффициентов деления значение элемента с номером, равным коду тона.

7. Записать коэффициент деления, который мы нашли в пункте 6 настоящего алгоритма, в регистр совпадения таймера Т1.

8. Включить звук (подключить вывод ОС1А к выходу таймера Т1).

9. Извлечь из таблицы длительностей задержки значение элемента с номером, равным коду длительности.

10. Сформировать паузу с использованием константы задержки, которую мы нашли в пункте 9 настоящего алгоритма.

11. По окончании паузы выключить звук (отключить ОС1А от выхода таймера).

12. Повторять цикл (пункты 4--11 настоящего алгоритма) до тех пор, пока нажата соответствующая кнопка.

13. Если очередной код ноты окажется равным 255, перейти к началу текущей мелодии, то есть вернуться к п. 3 настоящего алгоритма



Рисунок 2.5 - Алгоритм прогаммы для электромузыкального звонка

2.6 Разработка программного обеспечения микроконтроллера

Возможный вариант программы на языке Ассемблер приведен в листинге 1 (См. Приложение А).

2.6.1 Описание программы

Описание программы удобнее начать с конца. Начиная со строки 136 программы располагается описание так называемых таблиц данных. На самом деле каждая из этих "таблиц" представляет собой цепочку кодов, записываемых в программную память микроконтроллера и предназначенных для кодирования того либо иного вида данных. Для описания этих данных используются как операторы db, так и операторы dw.

Первая таблица содержит коэффициенты задержки для формирования всех вариантов музыкальной длительности. Таблица начинается с адреса, соответствующего метке tabz. Вся таблица занимает одну строку программы (строка 136). Так как в нашей программе мы будем применять лишь семь вариантов длительности, таблица имеет 7 элементов. Каждый элемент записывается в память как двухбайтовое слово.

В строках 137--140 описывается таблица коэффициентов деления для всех нот. Начало таблицы соответствует метке tabkd. Каждый элемент этой таблицы также имеет размер в два байта. Первый элемент таблицы равен нулю. Это неиспользуемый элемент. Ноты номер ноль у нас не существует. Ноль мы использовали для кодирования паузы.

В паузе не формируется звуковой сигнал, поэтому и коэффициент деления там не имеет смысла. Поэтому значение нулевого элемента массива несущественно. Описание таблицы разбито на строки. Для удобства каждая строка описывает коэффициенты деления для одной октавы. Нулевая нота выделена в отдельную строку. Последняя октава неполная, так как наш электромузыкальный звонок будет использовать всего 32 ноты.

В строках 143--200 описана таблица мелодий. Вернее, это не одна таблица, а семь таблиц (своя таблица для каждой из мелодий). Каждая таблица помечена своей отдельной меткой (те 11, те 12 -- те 17). Значение каждой метки -- это адрес начала соответствующей мелодии. Каждое значение таблицы мелодий записывается в память в виде одного байта. Поэтому все строки, кроме последней, для каждой таблицы имеют четное число значений.

В строках 141,142 описана таблица начал всех мелодий. Начало этой таблицы отмечено меткой tabm. Таблица используется для того, чтобы программа могла найти адрес начала нужной мелодии по ее номеру. В качестве элементов массива выступают удвоенные значения меток mell, mel2 --mel7. Применение удвоенных значений обусловлено необходимостью перевода адресов из основной адресации в альтернативную. При трансляции программы вместо меток в память будут записаны конкретные адреса.

2.6.2 Процедура вычисления адреса

Большое количество таблиц в нашей программе заставляет позаботиться о процедуре вычисления адреса.

Однотипные вычисления удобно оформить в виде подпрограммы. Эта подпрограмма занимает строки 78--84. Вызов подпрограммы производится по имени addw. Подпрограмма получает номер элемента таблицы и адрес ее начала. Номер элемента передается в подпрограмму при помощи регистра YL, а адрес -- через регистровую пару Z.

Используя эти данные, подпрограмма вычисляет адрес нужного элемента. Для этого она сначала удваивает номер элемента (строка 79). Затем дополняет полученное значение до шестнадцатиразрядного путем записи в YH нулевого байта (строка 80). И, наконец, производит сложение двух шестнадцатиразрядных величин, находящихся к этому моменту в регистровых парах Y и Z (строки 81, 82). Результат вычислений при этом попадает, в регистровую пару Z.

2.6.3 Текст программы

Теперь рассмотрим текст программы с самого начала. В строках 3...10 расположен модуль описания переменных (рабочих регистров). В строках 13...31 располагается модуль переопределения векторов прерываний, в строках 32...41 -- модуль команд инициализации.

2.6.4 Особенности программы

Процедура, расположенная в строках 45--52 программы, сканирует клавиатуру и находит код первой из нажатых кнопок. Найденый код находится в регистре count. Затем управление переходит к строке 53. С этого места начинается процедура выбора мелодии (строки 53--58). Суть процедуры -- прочитать из таблицы tabm значение адреса начала этой мелодии. То есть прочитать элемент таблицы, номер которого равен коду нажатой кнопки.

Прежде чем прочитать элемент, необходимо найти его адрес. Для вычисления адреса используем подпрограмму addw. Перед тем, как вызвать подпрограмму, подготовим все данные. Номер нажатой кнопки помещаем в регистр YL (строка 53). Адрес начала таблицы записываем в регистровую пару Z (строки 54, 55). И лишь затем в строке 56 вызывается подпрограмма addw.

После выхода из подпрограммы в регистровой nape Z находится результат вычислений -- адрес нужного нам элемента таблицы tabm. Следующие две команды (строки 57 и 58) извлекают тот элемент (адрес начала мелодии) и помещают его в регистровую пару X. Там этот адрес будет храниться все время, пока воспроизводится именно эта мелодия.

Следующий этап -- воспроизведение мелодии. Воспроизведением мелодии занимается процедура, расположенная в строках 59--77. Для последовательного воспроизведения нот нам понадобится указатель текущей ноты. В качестве указателя текущей ноты используется регистровая пара Z. В самом начале процедуры воспроизведения мелодии в регистровую пару Z помещается адрес начала мелодии их регистровой пары X (строки 59, 60).

Затем начинается цикл воспроизведения (строки 61--77). В этом цикле программа извлекает код ноты по адресу, на который указывает наш указатель, выделяет из кода ноты код тона и код длительности, воспроизводит ноту, а затем увеличивает значение указателя на единицу. Затем весь цикл повторяется.

Этот процесс происходит до тех пор, пока код очередной ноты не окажется равным 255 (метка конца мелодии). Прочитав этот код, программа передает управление на строку 62, где в регистр Z снова записывается адрес начала мелодии. Воспроизведение мелодии начнется сначала. Этот процесс должен прерваться лишь в одном случае -- при отпускании управляющей кнопки S8.

Для проверки состояния кнопок в цикл воспроизведения мелодии включена специальная процедура (строки 61--63). Процедура упрощенно проверяет состояние сразу всех кнопок. Она считывает содержимое порта PD (строка 61) и сравнивает его с кодом 0 x 7F (строка 62). Прочитанное из порта значение может быть равно 0x7F только в одном случае -- если все кнопки отпущенны. Если хотя бы одна кнопка нажата, то при чтении порта мы получим другое значение.

Проверкой вышеописанного условия занимается оператор breq в строке 63. Если все кнопки оказались отпущены, этот оператор завершает цикл воспроизведения мелодии и передает управление на метку ml, то есть на самое начало основного цикла программы. Там происходит выключение звука, а затем новое сканирование клавиатуры.

Если хотя бы одна кнопка окажется нажатой, то цикл воспроизведения звука продолжается дальше, и управление переходит к строке 64, где происходит извлечение кода ноты. Так как адрес этой ноты находится в регистровой паре Z (указатель текущей ноты), то для извлечения ноты просто используется команда 1pm.

В строке 65 происходит проверка признака конца мелодии. Только что прочитанный код ноты сравнивается с кодом 0xFF. Оператор breq в строке 66 передает управление по метке т4, если мелодия действительно закончилась (условие выполняется). Если код ноты не равен 0xFF, перехода не происходит, и управление переходит к строке 67.

В строках 67--75 происходит обработка кода ноты. То есть из кода ноты выделяется код тона и код длительности. Сначала на код ноты накладывается маска, которая оставляет пять младших разрядов, а три старших сбрасывает (строка 67). Под действием маски в регистре temp остается код тона, который затем помещается в регистр fnotа (строка 68).

Теперь нам нужно найти код длительности ноты. Для этого нам заново придется извлечь код ноты из памяти программ. Так как до этого момента мы не изменяли положение указателя текущей ноты, то для извлечения нет никаких препятствий. В строке 69 мы повторно извлекаем код ноты из памяти программ. Но на этот раз значение указателя увеличивается. Теперь можно приступать к выделению кода длительности. Длительность кодируется тремя младшими битами кода ноты. Для выделения этих битов нам также нужно использовать маску. Но одной маской нам не обойтись. Нам нужно не просто выделить три старших разряда, а сделать их младшими, как это показано на Рисунке 2.6.

Процедура выделения кода длительности занимает строки 70--74.

Рисунок 2.6 - Разложение кода ноты

Сначала программа производит многократный циклический сдвиг кода ноты до тех пор, пока три старших разряда не станут тремя младшими. Для сдвига используется команда rо 1. Так как сдвиг происходит через ячейку признака переноса, то нам понадобится четыре команды сдвига. Эти команды занимают в программе строки 70--73.

Затем в строке 74 на полученное в результате сдвигов число накладывается маска, которая выделяет три младшие бита, а пять старших сбрасывает в ноль. Полученный таким образом код длительности записывается в регистр dnota (строка 75).

Когда код тона и код длительности определены, производится вызов подпрограммы воспроизведения ноты (строка 76). Оператор rjmp в строке 77 передает управление на начало цикла воспроизведения мелодии, и цикл повторяется для следующей ноты.

Подпрограмма воспроизведения ноты занимает строки 85--110. Она выполняет следующие действия:

- извлекает из таблицы tabkd коэффициент деления, соответствующий коду ноты;

- программирует таймер и включает звук;

- затем выдерживает паузу и звук выключает.

Если код тона равен нулю (нужно воспроизвести паузу без звука), извлечение коэффициента деления и включение звука не выполняется. Подпрограмма сразу переходит к формированию паузы.

Начинается подпрограмма воспроизведения ноты с сохранения всех используемых регистров (строки 85--88). Затем производится проверка кода ноты на равенство нулю (строка 89). Если код ноты равен нулю, то оператор breq в строке 90 передает управление по метке ntl, то есть к строке, где происходит вызов процедуры формирования задержки.

Если код ноты не равен нулю, то программа приступает к извлечению коэффициента деления. Для вычисления адреса элемента таблицы tabkd, где находится этот коэффициент, снова используется подпрограмма addw.

Код тона помещается в регистр YL (строка 91), а адрес начала таблицы -- в регистровую пару Z (строки 92, 93). Вызов подпрограммы addw производится в строке 94. В регистровой паре Z подпрограмма возвращает адрес элемента таблицы, где находится нужный нам коэффициент деления. В строках 95, 96 из таблицы извлекается этот коэффициент. А в строках 97,98 он помещается в регистр совпадения таймера. В строках 99,100 включается звук.

В строке 104 вызывается специальная подпрограмма, предназначенная для формирования задержки. Подпрограмма называется wait и формирует задержку с переменной длительностью. Длительность задержки зависит от значения регистра dnota. По окончании задержки звук выключается (строки 102,103).

На этом можно было бы закончить процесс воспроизведения ноты. Однако это еще не все. Для правильного звучания мелодии между двумя соседними нотами необходимо обеспечить хотя бы небольшую паузу. Если такой паузы не будет, ноты будут звучать слитно. Это исказит мелодию, особенно если подряд идет несколько нот с одинаковым тоном. Формирование паузы между нотами происходит в строках 104,105.

Вспомогательная пауза формируется при помощи уже знакомой нам подпрограммы задержки. В строке 104 коду паузы присваивается нулевое значение (выбирается самая минимальная пауза). Затем в строке 105 вызывается подпрограмма wait. После окончания паузы остается только восстановить содержимое всех сохраненных регистров из стека (строки 106--109) и выйти из подпрограммы (строка 110).

2.6.5 Подпрограмма формирования задержки

И последнее, что нам еще осталось рассмотреть, -- это подпрограмма формирования задержки. Текст подпрограммы занимает строки 111--135. Как и любая другая подпрограмма, подпрограмма wait в начале сохраняет (строки 111--114), а в конце -- восстанавливает (строки 131--134) все используемые регистры.

Рассмотрим, как работает эта подпрограмма. Сначала определяется длительность задержки. Для этого извлекается соответствующий элемент из таблицы tabz. Номер элемента соответствует коду задержки, находящемуся в регистре dnota. Извлечение значения из таблицы производится уже знакомым нам образом. Команды, реализующие вычисление адреса нужного элемента таблицы, находятся в строках 115--118. Затем в строках 119 и 120 производится чтение элемента таблицы. Прочитанный код задержки помещается в регистровую пару Y.

Теперь наша задача: сформировать задержку, пропорциональную содержимому регистровой пары Y. Так как микроконтроллер ATtiny2313 имеет только один шестнадцатиразрядный таймер, который уже занят формированием звука, будем формировать задержку программным путем. Но в данном случае цикл формирования задержки построен немного по-другому.

Вообще-то, способов построения подобных подпрограмм может быть бесконечное множество. Все зависит от изобретательности. Использованный в данном примере способ более удобен для формирования задержки переменной длительности, пропорциональной заданному коэффициенту. Главной особенностью нового способа является шестнадцатиразрядный параметр цикла.

Для хранения этого параметра используется регистровая пара Z. Перед началом цикла задержки в нее записывается ноль. Затем начинается цикл, на каждом проходе которого содержимое регистровой пары Z увеличивается на единицу. После каждого такого увеличения производится сравнение нового значения Z с содержимым регистровой пары Y.

Заканчивается цикл тогда, когда содержимое Z и содержимое Y окажутся равны. В результате число, записанное в регистровой паре Y, будет определять количество проходов цикла. Поэтому и время задержки, формируемое этим циклом, будет пропорционально константе задержки. Однако это время будет слишком мало для получения приемлемого темпа воспроизведения мелодий. Для того, чтобы увеличить время до нужной нам величины, внутрь главного цикла задержки помещен еще один цикл, имеющий фиксированное количество проходов.

Описанная выше процедура задержки занимает строки 121--135. В строках 121, 122 производится запись нулевого значения в регистровую пару Z. Большой цикл задержки занимает строки 123--130. Малый внутренний цикл занимает строки 124--125. Для хранения параметра малого цикла используется регистр loop. В строке 123 в него записывается начальное значение. Строки 124,125 выполняются до тех пор, пока содержимое loop не окажется равным нулю.

В строке 126 содержимое регистровой пары Z увеличивается на единицу. В строках 127--130 производится сравнение содержимого двух регистровых пар Y и Z. Сравнение производится побайтно. Сначала сравниваются младшие байты (строка 127). Если они не равны, оператор условного перехода в строке 128 передает управление на начало цикла.

Если младшие байты равны, сравниваются старшие байты (строка 129). Если старшие байты неодинаковы, оператор brne в строке 130 опять заставляет цикл начинаться с начала. И только когда оба оператора сравнения дадут положительный результат (не вызовут перехода), цикл заканчивается, и подпрограмма формирования задержки переходит к завершающей фазе (к строкам 131--135).

2.6.6 Программа на языке СИ

Возможный вариант программы на языке СИ приведен в листинге 2. В данном случае использована модификация языка поддерживаемая программной средой CodeVision. Описание программы рассчитано на программистов, знакомых с языком СИ.

Теперь рассмотрим подробнее программу с самого начала (Листинг 2, Приложение Б).

2.6.7 Описание программы (листинг 2)

Для формирования задержки мы будем использовать функцию из библиотеки delay.h. Поэтому в строках 1,2 программы, кроме файла описаний, мы присоединяем и эту библиотеку. Затем наминаются описания всех массивов. В строке 3 описывается массив, содержащий величины всех музыкальных длительностей.

Так как для формирования длительности мы будем использовать функцию delay_ms, величина длительностей задана в миллисекундах. Как видно из текста программы, в данном случае мы используем массив типа unsigned int. Переменные этого типа имеют длину два байта, все 16 битов которых используются для хранения информации.

Именно такой тип наиболее подходит для хранения наших коэффициентов. Управляющее слово fleash перед описанием массива гарантирует, что эти данные будут размещены в программной памяти микроконтроллера.

В строках 4, 5, 6 описывается массив коэффициентов деления для всех нот. В этом месте программы мы впервые используем перенос строки. Перенос строки применяется в том случае, когда текст команды не помещается в одной строке. Язык СИ разрешает свободно переносить текст на следующую строку. При этом не требуется никаких специальных директив и указателей.

Перенос допускается в том месте команды, где между двумя соседними элементами выражения можно поставить пробел. Тип массива, как и в предыдущем случае,-- usingnerd int. Содержимое массива tabkd полностью соответствует содержимому таблицы с тем же названием из ассемблерного варианта программы.

В строках 7--38 описываются семь массивов для хранения семи мелодий. Массивы имеют тип unsigned char. Переменные этого типа занимают в памяти один байт, и все восемь битов этого байта используются для хранения информации. Содержимое каждого из этих массивов полностью соответствует содержимому соответствующих таблиц в ассемблерной версии программы.

В строке 39 описывается массив, содержащий адрес начала каждой из семи мелодий. Это не просто массив, а массив ссылок, на что указывает символ звездочки в тексте его описания. Так же, как и ссылочная переменная, каждый элемент массива ссылок предназначен для хранения ссылки. Данный массив тоже хранится в памяти программ, на что указывает управляющее слово flesh в его описании. Элементы этого массива хранят указатели на начало каждого из массивов мелодий, что указано при его инициализации (в фигурных скобках).

Строки 40--72 занимает функция main. Начинается функция с описания переменных (строки 41--45). Две рабочих переменных count и temp, а также переменная для хранения кода тона (tnota) и переменная для хранения кода длительности (dnota) нам уже знакомы. Мы использовали их в предыдущей программе.

Интерес представляет описание переменной notа. Это ссылочная переменная, которая предназначена для хранения указателей на объекты в программной памяти, имеющие тип unsigned char. Она будет использоваться нами для обращения к элементам массивов, хранящим коды нот. Эти массивы, как уже говорилось, расположены в программной памяти. Поэтому в описании переменной имеется слово flash, а перед именем переменной в ее описании стоит символ звездочки. То есть это ссылка на массивы типа unsigned char, расположенные во flesh.

В строках 46--52 расположен блок инициализации. Эта часть программы полностью повторяет аналогичную часть программы из предыдущего примера (см. листинг 2).

Строки 53--72 занимает основной цикл программы. Цикл состоит всего из двух процедур. В начале цикла (строки 54--59) расположена процедура сканирования кнопок. Эта процедура один к одному скопирована из предыдущего примера (см. листинг 2 строки 14--21).

При обнаружении нажатой кнопки управление передается по метке m3 (в новой программе это строка 60). Как вы помните, номер нажатой кнопки при выходе из процедуры сканирования содержится в переменной count.

Строки 60--72 занимает процедура проигрывания мелодии.

Проигрывание начинается с того, что в переменную nota помещается указатель на массив, содержащий нужную нам мелодию (строка 60). А указатель -- это элемент массива tabm, с номером, равным коду нажатой кнопки. В строках 61--72 находится цикл, который последовательно считывает мелодию нота за нотой и проигрывает прочитанные ноты. Цикл организован при помощи оператора безусловного перехода (строка 72).

Для перемещения вдоль массива содержимое переменной nota каждый раз увеличивается на единицу (строка 71). В этом же цикле производится проверка состояния кнопки (нажата ли еще хоть одна кнопка) и проверка признака конца мелодии. Рассмотрим подробнее, как все это делается.

Проверка состояния кнопок происходит в строке 61. Если содержимое регистра PIND равно 0х7F, то воспроизведение мелодии прекращается. Управление передается по метке m2. Там происходит выключение звука, а затем переход по метке m1, то есть к началу основного цикла программы.

Если хоть одна кнопка еще нажата, перехода не происходит и воспроизведение мелодии продолжается. В строке 62 производится проверка на конец мелодии. Содержимое элемента массива, на который указывает ссылочная переменная nota (код ноты), проверяется на равенство числу 0xFF. Если код ноты равен 0xFF, то управление передается по метке m3, где указатель снова устанавливается на начало мелодии.

В строке 63 вычисляется значение кода тона. Для этого на код ноты, на который указывает переменная notа, накладывается маска. Наложение маски производится при помощи оператора «&». Полученный код тона записывается в переменную fnota.

В строке 64 производится вычисление кода длительности. Для этого применяется составное математическое выражение. Операция (*nota) >>5 сдвигает биты кода ноты на пять шагов вправо. При этом три старших разряда кода становятся тремя младшими. Мы применяем сдвиг вправо потому, что циклический сдвиг влево, использованный нами в Ассемблере, язык СИ не поддерживает. Язык СИ может выполнять только логический сдвиг, но не циклический. На полученное в результате сдвига число налагается маска 0x07. Полученный таким образом код длительности записывается в переменную dnota.

В строке 65 происходит проверка кода тона на равенство нулю.

Если код окажется равным нулю, то управление передается по метке m5, то есть к строке, где формируется пауза, обходя строки, где формируется звук.

Звук формируется в строках 66, 67. Сначала в регистр совпадения OCR1A помещается коэффициент деления из массива tabkd. Причем указатель массива равен коду тона. Затем в регистр управления TCCR1A записывается код, который подключает таймер к выводу ОСІА и, тем самым, включает звук.

В строке 68 происходит вызов функции задержки. В качестве параметра в эту функцию передается коэффициент, извлекаемый из массива tabz. Указатель массива при этом равен коду длительности. После выхода из функции задержки звук выключается.

Для этого в регистр TCCR1А записывается нулевое значение (строка 69). В строке 70 формируется пауза между нотами. В качестве параметра для функции delay_ms в этом случае используется нулевой элемент массива tabz, то есть вырабатывается пауза минимальной длительности.

В строке 71, как уже говорилось, происходит приращение содержимого указателя nota. Оператор безусловного перехода в строке 72 замыкает цикл воспроизведения мелодии.

2.7 Выбор, описание и расчеты элементной базы

В электромузыкальном звонке с двумя режимами работы постараемся использовать широко, надежные и дешевые элементы.

Устройство проигрывания мелодий содержит микроконтроллер ATtiny 2313, кварцевый резонатор на 4 МГц, широкоиспользуемый кнопочный переключатель П2К на семь кнопок, дверная звонковая кнопка, любой маломощный транзистор обратной проводимости, любой громкоговоритель 0,1-0,5 Вт с сопротивление катушки 8 Ом.

Источником питания служит бестрансформаторный источник питания (для уменьшения размеров), при работе от сети переменного напряжения 220В и четыре пальчиковых элемента питания, при работе устройства в автономном режиме (Приложение В).

В точки А и В подключается сеть переменного напряжения 220 В. Однополупериодный выпрямитель с ограничением по току питает схему мощного стабилитрона VD2 и стабилизатора напряжения D2. Цепь понижения напряжения сети до уровня 9В (R2,C3) рассчитана на ток потребления 40 мА. Ток стабилизации стабилитрона составляет 20 мА - столько же потребляет стабилизатор напряжения D2, питающий микроконтроллер и электронный ключ во время работы устройства.

В момент включения основной ток потребляет конденсатор С5, но этот ток ограничен реактивным сопротивлением С5, также выполняет функцию источника тока в момент отключения питания сети. При включении сети зажигается светодиод LED 1, питание которого осуществляется через гасящий резистор R5. Конденсатор C4 сглаживает высокочастотные импульсные помехи, проходящие из сети в схему питания. Резисторы R3 и R4 составляют делитель напряжения на стабилитроне VD2 (необходим для измерительного канала микроконтроллера). Измерительный канал не содержит схему выборки и хранения, а также интегратора и фильтра верхних частот, поскольку эти функции выполняют фильтрующие элементы питания С4, С5. Функцию интегратора выполняет ограничительный стабилитрон VD2. При переходе устройства в автономный режим, питание осуществляется от пальчиковых элементов постоянного тока G1-G2. Потребление от элементов питания составляет порядка 15 мА. Стабилизатор напряжения 78LO5Z стабилизирует напряжение до 5 В.

Бестрансформаторная схема питания была предложена в связи с ограничением места в корпусе устройства. Единственное условие, которое следует выполнять - клемму «В» следует подключить к «нулевому» проводу сети, а «фазу» к клемме «А». Резисторы R2, R6 выбираем мощностью 1 Вт, чтобы предохранить устройство от перегрева.

При выключении сетевого напряжения, светодиод VED1 гаснет, т.к. попадание напряжения питания элементов питания G1-G2 ограничивает диод VD3. При включении сети происходит подзаряд элементов питания. Поэтому рекомендуется использовать пальчиковые аккумуляторы.

Конденсатор С3 на напряжение не ниже 400 В. Светодиод можно использовать любой. Электролитические конденсаторы на напряжение: С5 - не ниже 30В, С6 - не ниже 10В. Стабилитрон любой на напряжение стабилизации 9 В.

Нам удалось за счет использования нового способа формирования задержки, использовать специализированную программу (Раздел 2.6.7) при этом не увеличивая число элементов схемы, чем смогли уменьшить ток потребления схемы.

2.8 Разработка схемы принципиальной

Принципиальная схема электромузыкального звонка выполнена в САПР Accel Eda (Рисунок 2.7).

Проект основывается на микроконтроллере ATtiny 2313. Устpойство состоит из 8 кнопок, частотозадающих элементов. Отсчет времени звучания ведется с помощью таймера TMR0. Во время работы постоянно сканируется состояние порта В, и если оно изменилось (какая-либо кнопка нажата или отпущена), то в соответствии с новой комбинации клавиш меняется и частота звучания. При нажатии кнопки S8, устройство переходит в режим воспроизведения и проигрывает записанную мелодию. В качестве динамика можно использовать 0.25ГД-19 8 Ом.