Разработка устройства автоматического регулирования света на микроконтроллере

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к дипломному проекту: 123 страницы, 11 рисунков, 18 таблиц, 25 источников, 6 приложений, 3 листа чертежей формата А1.

Объект исследований: Разработка устройства автоматического регулирования света.

В первом разделе рассматриваются теоретические основы разработки устройства, основные этапы разработки, разработка и отладка аппаратных и программных средств.

Во втором разделе производится практическая разработка проектируемого устройства: разрабатываются структурная и функциональные схемы, алгоритм управления и программное обеспечение микроконтроллера; производится расчет и выбор элементной базы; построение электрической схемы.

Третий раздел содержит экономические расчеты стоимости проектируемого устройства, используя аппаратные средства Microsoft Ofice Excel 97-2003, производится сравнительная характеристика с аналогичными устройствами по экономическим и техническим параметрам.

В четвертом разделе рассматриваются вопросы по охране труда для работающих на компьютере (ВЦ), производится расчет исскуственной и естественной освещенности рабочего места, вентиляции и кондиционирования воздуха, уровня шума для помещения, где находятся персонал, обслуживающий компьютеры.

АЛГОРИТМ, ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, ПРОГРАММА, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, СХЕМА/

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ,СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ

1.1 Основные этапы разработки

1.2 Разработка и отладка аппаратных средств

1.3 Разработка и отладка программного обеспечения

1.4 Методы и средства совместной отладки аппаратных и программных средств

1.5 выбор микроконтроллера

РАЗДЕЛ 2 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СВЕТА

2.1 Постановка задачи

2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации

2.3 Разработка функциональной схемы

2.4 Разработка алгоритма управления

2.5 Разработка программного обеспечения микроконтроллера

2.6 Выбор, описание и расчеты элементной базы

2.7 Разработка схемы электрической принципиальной

3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕКТА

РАЗРАБОТКИ

3.1 Расчет расходов ПО для микроконтроллера, которое разрабатывается

3.2 Расчет стоимости разработки конструкторской документации и сборки устройства

3.3 Расчет расходов на стадии производства изделия

3.4 Анализ аналогичных устройств

РАЗДЕЛ 4 ОХРАНА ТРУДА

4.1 Требования к производственным помещениям

4.1.1 Окраска и коэффициенты отражения

4.1.2 Освещение

4.1.3 Параметры микроклимата

4.1.4 Шум и вибрация

4.1.5 Электромагнитное и ионизирующее излучения

4.2 Эргономические требования к рабочему месту

4.3 Режим труда

4.4 Расчет освещенности

4.5 Расчет вентиляции

4.6 Расчет уровня шума

ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ВДТ - видеодисплейный терминал;

ЖКИ- дисплей - жидкокристаллический дисплей;

ИОН - источник опорного напряжения;

ИПХ - имитация присутствия хозяев;

КЗ - короткое замыкание;

МПС - микропроцессорная система;

ОЗУ - оперативно-запоминающее устройство;

ОМК - однокристальные микроконтроллеры;

ПЗУ - программно-запоминающее устройство;

ПО - программное обеспечение.

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

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

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, контроллер для компьютерной мышки ) 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 дипломной работы - «Разработка устройства автоматического регулирования света на микроконтроллере».

Основная цель дипломного проекта - на основании задания на проектирование разработать устройство автоматического регулирования света на микроконтроллере с учётом следующих требований:

- простота схемы (минимальное количество компонентов);

- функциональная насыщенность, многообразие регулируемых параметров;

- устойчивость к броскам сетевого напряжения, долговечность;

- отсутствие либо минимальный нагрев компонентов (пожаробезопасность);

- низкое энергопотребление.

Актуальностью данной работы является проектирование устройства автоматического регулирования света, которое отличается своей новизной и учитывает почти все недостатки ранее разработанных аналогичных устройств.

РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ

1 Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера

1.1 Основные этапы разработки

МПС на основе МК используются чаще всего в качестве встроенных систем для решения задач управления некоторым объектом. Важной особенностью данного применения является работа в реальном времени, т.е. обеспечение реакции на внешние события в течение определенного временного интервала. Такие устройства получили название контроллеров.

Перед разработчиком МПС стоит задача реализации полного цикла проектирования, начиная от разработки алгоритма функционирования и заканчивая комплексными испытаниями в составе изделия, а, возможно, и сопровождением при производстве. Сложившаяся к настоящему времени методология проектирования контроллеров может быть представлена так, как показано на рис. 1.1.

В техническом задании формулируются требования к контроллеру с точки зрения реализации определенной функции управления. Техническое задание включает в себя набор требований, который определяет, что пользователь хочет от контроллера и что разрабатываемый прибор должен делать. Техническое задание может иметь вид текстового описания, не свободного в общем случае от внутренних противоречий.

На основании требований пользователя составляется функциональная спецификация, которая определяет функции, выполняемые контроллером для пользователя после завершения проектирования, уточняя тем самым, насколько устройство соответствует предъявляемым требованиям. Она включает в себя описания форматов данных, как на входе, так и на выходе, а также внешние условия, управляющие действиями контроллера.



Рисунок 1.1- Основные этапы разработки контроллера

Этап разработки алгоритма управления является наиболее ответственным, поскольку ошибки данного этапа обычно обнаруживаются только при испытаниях законченного изделия и приводят к необходимости дорогостоящей переработки всего устройства. Разработка алгоритма обычно сводится к выбору одного из нескольких возможных вариантов алгоритмов, отличающихся соотношением объема программного обеспечения и аппаратных средств.

При этом необходимо исходить из того, что максимальное использование аппаратных средств упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие контроллера в целом, но сопровождается, как правило, увеличением стоимости и потребляемой мощности. При выборе типа МК учитываются следующие основные характеристики:

- разрядность;

- быстродействие;

- набор команд и способов адресации;

- требования к источнику питания и потребляемая мощность в различных режимах;

- объем ПЗУ программ и ОЗУ данных;

- возможности расширения памяти программ и данных;

- наличие и возможности периферийных устройств, включая средства поддержки работы в реальном времени (таймеры, процессоры событий и т.п.);

- возможность перепрограммирования в составе устройства;

- наличие и надежность средств защиты внутренней информации;

- возможность поставки в различных вариантах конструктивного исполнения;

- стоимость в различных вариантах исполнения;

- наличие полной документации;

- наличие и доступность эффективных средств программирования и отладки МК;

- количество и доступность каналов поставки, возможность замены изделиями других фирм.

Список этот не является исчерпывающим, поскольку специфика проектируемого устройства может перенести акцент требований на другие параметры МК.

Номенклатура выпускаемых в настоящее время МК исчисляется тысячами типов изделий различных фирм. Современная стратегия модульного проектирования обеспечивает потребителя разнообразием моделей МК с одним и тем же процессорным ядром. Такое структурное разнообразие открывает перед разработчиком возможность выбора оптимального МК, не имеющего функциональной избыточности, что минимизирует стоимость комплектующих элементов.

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

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

1.2 Разработка и отладка аппаратных средств

После разработки структуры аппаратных и программных средств дальнейшая работа над контроллером может быть распараллелена. Разработка аппаратных средств включает в себя разработку общей принципиальной схемы, разводку топологии плат, монтаж макета и его автономную отладку. На этапе ввода принципиальной схемы и разработки топологии используются, как правило, распространенные системы проектирования типа "ACCEL EDA" или "OrCad".

1.3 Разработка и отладка программного обеспечения

Содержание этапов разработки программного обеспечения, его трансляции и отладки на моделях существенно зависит от используемых системных средств. В настоящее время ресурсы 8-разрядных МК достаточны для поддержки программирования на языках высокого уровня. Это позволяет использовать все преимущества структурного программирования, разрабатывать программное обеспечение с использованием раздельно транслируемых модулей. Одновременно продолжают широко использоваться языки низкого уровня типа ассемблера, особенно при необходимости обеспечения контролируемых интервалов времени. Задачи предварительной обработки данных часто требуют использования вычислений с плавающей точкой, трансцендентных функций.

В настоящее время самым мощным средством разработки программного обеспечения для МК являются интегрированные среды разработки, имеющие в своем составе менеджер проектов, текстовый редактор и симулятор, а также допускающие подключение компиляторов языков высокого уровня типа Паскаль или Си. При этом необходимо иметь в виду, что архитектура многих 8-разрядных МК вследствие малого количества ресурсов, страничного распределения памяти, неудобной индексной адресации и некоторых других архитектурных ограничений не обеспечивает компилятору возможности генерировать эффективный код.

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

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

1.4 Методы и средства совместной отладки аппаратных и программных средств

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

- внутрисхемные эмуляторы;

- платы развития (оценочные платы);

- мониторы отладки;

- эмуляторы ПЗУ.

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

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

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

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

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

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

1.5 Выбор микроконтроллера

Для проектирования устройства автоматического регулирования света постараемся выбрать относительно недорогой, простой и широкоиспользуемый микроконтроллер.

Все эти особенности можно отнести к микроконтроллерам корпорации ATMEL (ATMega 16L).

Корпорация ATMEL, основанная в 1984, является в настоящее время признанным мировым лидером в областях разработки, производства и маркетинга современных электронных компонентов.

Рисунок 1.2 - Общий вид микроконтроллера ATMega 16L

ATMega16 обладает очень большим количеством самых разнообразных функций. Вот некоторые его характеристики:

* Максимальная тактовая частота - 16 МГц (8 МГц для ATMega16L)

* Большинство команд выполняются за один такт

* 32 8-битных рабочих регистра

* 4 полноценных 8-битных порта ввода/вывода

* два 8-битных таймера/счетчика и один 16-битный

* 10-разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)

* внутренний тактовый генератор на 1 МГц

* аналоговый компаратор

* интерфейсы SPI, I2C, TWI, RS-232, JTAG

* внутрисхемное программирование и самопрограммирование

* модуль широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

* 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением

* Прогрессивная RISC архитектура



Рисунок 1.3 - Расположение выводов микроконтроллера ATMega 16L

130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл

32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения

Полностью статическая работа

Производительность приближается к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц)

Встроенный 2-цикловый перемножитель

* Энергонезависимая память программ и данных

16 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash)

Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи

Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки

Внутрисистемное программирование встроенной программой загрузки

Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write)

512 байт EEPROM

Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи

1 Кбайт встроенной SRAM

Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя

* Интерфейс JTAG (совместимый с IEEE 1149.1)

Возможность сканирования периферии, соответствующая стандарту JTAG

Расширенная поддержка встроенной отладки

Программирование через JTAG интерфейс: Flash, EEPROM памяти, перемычек и битов блокировки

* Встроенная периферия

Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения

Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения

Счетчик реального времени с отдельным генератором

Четыре канала PWM

8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь

8 несимметричных каналов

7 дифференциальных каналов (только в корпусе TQFP)

2 дифференциальных канала с программируемым усилением в 1, 10 или 200 крат (только в корпусе TQFP)

Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс

Программируемый последовательный USART

Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый)

Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором

Встроенный аналоговый компаратор

* Специальные микроконтроллерные функции

Сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания

Встроенный калиброванный RC-генератор

Внутренние и внешние источники прерываний

Шесть режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby, Extended Standby и снижения шумов ADC

* Выводы I/O и корпуса

32 программируемые линии ввода/вывода

40-выводной корпус PDIP и 44-выводной корпус TQFP

* Рабочие напряжения

2,7 - 5,5 В (ATmega16L)

4,5 - 5,5 В (ATmega16)

* Рабочая частота

0 - 8 МГц (ATmega16L)

0 - 16 МГц (ATmega16)



Рисунок 1.4 - Функциональная схема микроконтроллера ATMega 16L

РАЗДЕЛ 2 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СВЕТА

Несмотря на бурное развитие сверхъярких светодиодов, в широкой продаже пока не появились светодиодные лампы, способные заменить бытовые лампы накаливания. Получившие довольно широкое распространение энергосберегающие люминесцентные лампы, при всех своих достоинствах, обладают, во-первых, высокой стоимостью, во-вторых, требуют сложную схему управления яркостью. Отечественные и зарубежные регуляторы ламп накаливания имеют ряд недостатков:

- управление только одним каналом;

- отсутствие стабилизации яркости;

- наличие помех радиоприёму, звон нитей ламп, жужжание встроенного фильтра.

Эти же недостатки присущи схемам, опубликованным в радиолюбительской литературе, периодической печати и в Интернете.

2.1 Постановка задачи

Требуется создать регулятор яркости ламп накаливания (за рубежом называемый «диммер» - dimmer), свободный от указанных недостатков, и предназначенный для установки в двухканальный светильник промышленного производства (Рис. 1).

Разработка устройства велась с учётом следующих требований:

- простота схемы (минимальное количество компонентов);

- функциональная насыщенность, многообразие регулируемых параметров;

- устойчивость к броскам сетевого напряжения, долговечность;

- отсутствие либо минимальный нагрев компонентов (пожаробезопасность);

- низкое энергопотребление.

Рисунок 2.1 - Светильник с встроенным устройством автоматического регулирования света

2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации

Структурная схема устройства автоматического регулирования света представлена на рисунке 2.2.

Устройство состоит из основных элементов:



~ 220 В

Управление каналом

SB1 «1» HL1

Управление каналом

SB2 «2» HL2

Рисунок 2.2 - Структурная схема устройства автоматического регулирования света

МК - микроконтроллер (устройство, выполняющее функции управления устройствами управления);

БП - блок питания (осуществляет питание микроконтроллера и устройств управления требуемыми напряжениями);

УУ1, УУ2 - устройство управления 1-ого и 2-ого канала соответственно (осуществляют силовое управление лампами освещения по заданной программе);

SB1, SB2 - кнопки управления 1-ым и 2-ым каналами (осуществляют управление каналами освещения, по заданной программе);

HL1, HL2 - лампы освещения (освещают помещение в различных режимах и требуемой яркости).

Функциональная спецификация:

1. Входы

а. SB1, SB2 - кнопки управления 1-ым и 2-ым каналами, соответственно;

b. источник электропитания устройства (БП).

2. Выходы

а. УУ1, УУ2 - устройство управления 1-ого и 2-ого канала, соответственно .

3. Функции

а. Кнопками управления SB1 и SB2 осуществляется управление программой микроконтроллера;

b. По выбранной программе, осуществляется управление устройствами управления УУ1 и УУ2, которые осуществляют регулировку подачи регулируемого напряжения на лампы накаливания HL1 и HL2.

2.3 Разработка функциональной схемы

Основу устройства, функциональная схема которого изображена на Рис. 2.3, составляет микроконтроллер ATmega16L семейства AVR корпорации ATMEL. Управление осуществляется двумя не фиксируемыми в нажатом положении кнопками, по одной на каждый канал.

~220В F1

Rб

«+»

Рисунок 2.3 - Функциональная схема устройства автоматического регулирования света

Регулировка мощности основана на реверсивном принципе управления фазой. Нагрузка включается в каждом полупериоде сети в момент перехода сетевого напряжения через нуль и выключается через определённый интервал времени в зависимости от требуемого уровня яркости. Коммутация нагрузки осуществляется мощными MOSFET транзисторами (Транзистор1 и Транзистор2 на Рис.2.3). Такое решение имеет целый ряд преимуществ перед классической схемой прямого фазового регулирования на основе триака:

- "мягкое" управление транзистором позволяет снизить уровень помех и звон нити лампы - не нужен громоздкий сетевой фильтр, снижающий эффективность и зачастую являющийся источником неприятного жужжания;

- благодаря нарастанию напряжения с нуля и малому звону нити, лампы служат намного дольше;

- для управления MOSFET транзистором требуется гораздо меньший ток;

- более низкое падение напряжения на переходе транзистора сокращает тепловыделение;

- отсутствие понятия "ток удержания" позволяет плавно регулировать малую яркость.

Диодный мост выполняет три функции:

- создаёт пульсирующее однополярное напряжение для питания нагрузки;

- выпрямляет сетевое напряжение для питания схемы;

- обеспечивает сетевое напряжение удвоенной частоты (100 Гц), используемое МК для определения момента перехода фазы сети через нуль.

Детектирование перехода сетевого напряжения через нуль осуществляется тем же делителем напряжения и тем же каналом встроенного в МК АЦП, которые предназначены для измерения напряжения на лампе. Это позволяет отказаться от встроенного в МК компаратора и уменьшить тем самым потребляемый ток. Фильтрация сетевых помех реализуется программно.

Блок питания выполнен по бестрансформаторной схеме с гасящим резистором (балластом). Строить блок питания по трансформаторной схеме тоже не получится, т.к. не существует сетевых трансформаторов, которые подходили бы по габаритам (максимально допустимая высота 13 мм).

В качестве регулирующего элемента применён прецизионный микромощный источник опорного напряжения +5 В параллельного типа (далее по тексту ИОН). По сравнению с обычным стабилитроном, выбранный ИОН имеет два важных преимущества. Во-первых, одновременно со стабилизацией питания МК получается стабильное опорное напряжение АЦП [3]. Во-вторых, на порядок уменьшается потребляемый регулирующим элементом ток (примерно с 1 мА до 0,1 мА).

Устройство имеет защиту от короткого замыкания, превышения мощности нагрузки и повышения сетевого напряжения.

2.4 Разработка алгоритма управления

Программа составлена и отлажена в бесплатной среде разработки VM Lab версии 3.14 (в окне 'About Visual Micro Lab' эта версия указана как 3.12).

Код программы написан на языке ассемблера, содержит более 1500 строк, занимает в памяти программ МК более 3 КБ. Задействованы все 32 регистра, 51 байт оперативной памяти (SRAM, ОЗУ), 45 байт энергонезависимой памяти EEPROM.

На первый взгляд, возможности МК ATmega16, имеющего 16 КБ программной памяти, 1 КБ SRAM, 512 байт EEPROM, и богатый набор периферийных устройств, кажутся избыточными. На самом деле, выбор МК "с запасом" сделан умышленно, чтобы иметь возможность совершенствовать устройство и наращивать его функциональные возможности.

При необходимости код может быть перенесён на другие МК семейства ATmega.

Алгоритм управления показан на Рис.2.4. Каждый блок начинается с названия файла, в котором размещён программный код данного блока. Подпрограммы обозначены блоком меньшего горизонтального размера. Среди них есть функции, т.е. подпрограммы, возвращающие значения. Для упрощения они тоже называются подпрограммами. Отличие подпрограмм, расположенных в файле ProceduresINT.asm, от подпрограмм в файле ProceduresEXT.asm заключается в том, что первые предназначаются только для данного проекта, а вторые являются универсальными и могут найти применение в других проектах. Блок Startup.asm тоже использует некоторые подпрограммы, но для упрощения восприятия рисунка эти связи на блок-схеме не показаны.

2.5 Разработка программного обеспечения микроконтроллера

Далее кратко рассмотрены ключевые моменты программной части проекта. Дополнительная информация содержится в комментариях, которыми снабжена практически каждая строка программы. Листинг программы и объектный файл приведен в Приложении А. Алгоритм работы второго канала полностью аналогичен алгоритму работы первого, поэтому комментарии приводятся только для первого канала. По этой же причине в названиях регистров, процедур и т.п. номер канала либо не указывается совсем, либо обозначается буквой "X" или "x". Команды, начинающиеся с символа комментария (";") в начале строки, предназначены для облегчения разработки, отладки и тестирования.



Они ускоряют ход выполнения программы на этапе отладки. Закомментированные команды, перед которыми есть несколько знаков пробела, не используются в данном проекте, но оставлены в качестве шаблона для применения того же кода в других проектах. Для поддержания совместимости символы табуляции заменены знаками пробела.

Программа оптимизирована по быстродействию, поскольку, чем меньше времени потребуется для выполнения кода, тем большей максимальной яркости можно достигнуть (эта взаимосвязь подробно рассмотрена далее). Особое значение имеет время выполнения процедуры ADCSampling. От этого зависит качество стабилизации, т.е. насколько быстро устройство может реагировать на колебания сетевого напряжения. В текущей реализации процедура ADCSampling выполняется за 21 мкс (без учёта времени преобразования АЦП, на которое требуется 27 мкс).

Адресное пространство энергонезависимой памяти разделено на три области. В первой хранятся настраиваемые пользователем параметры устройства, во второй - системные переменные, в третьей - результаты диагностики. Первая область отделена от второй несколькими пустыми ячейками, значения которых равны $FF. Третья область находится в конце адресного пространства. Так сделано для удобства восприятия данных в окне симулятора VMLab, а также для упрощения ориентации в файле EEPROM dimmer.eep, когда требуется определить параметры настройки устройства. Первые 16 ячеек EEPROM не используются. Помимо удобства восприятия, это предохраняет содержимое первой ячейки от случайного изменения, когда регистр адреса EEPROM равен нулю. Нулевое значение присваивается этому регистру во время инициализации (блок Reset.asm). По той же самой причине не используется и последняя ячейка EEPROM, чтобы исключить изменение её содержимого, когда регистр адреса равен максимальному значению $01FF.

Принимая во внимание ограниченное количество циклов перезаписи EEPROM (100 000 согласно паспортных данных), в памяти сохраняются только самые необходимые данные, а именно уровень установленной пользователем яркости и текущее состояние устройства.

Прерывания не задействованы. Программный код, расположенный в блоке Main.asm, выполняется в бесконечном цикле. Тем самым удаётся повысить быстродействие за счёт отказа от команды RETI и команд работы со стеком. Тем не менее, в целях диагностики неисправностей, срабатывание любого прерывания фиксируется и запоминается в EEPROM (подпрограмма WrongINT.asm). Также в целях диагностики запоминается причина, вызвавшая сброс МК (блок ResetCause.asm). Ячейки диагностики, как уже отмечалось, находятся в конце области EEPROM. Если значение хотя бы одной из них отлично от нуля, это говорит о наличии неисправности.

Сторожевой таймер настроен на максимальный период срабатывания (2 секунды). Чем больше интервал, тем легче заметить срабатывание таймера. Особенно это помогает на этапе отладки.

Супервизор питания запрограммирован на минимальный порог 2,7 В. За счёт этого обеспечивается надёжный запуск МК с учётом большой ёмкости конденсатора, установленного в фильтре питания. Супервизор гарантирует стабильный запуск независимо от того, на какое время пропадёт напряжение в сети.

Энергосберегающие режимы не используются. Это связано с тем, что в течение примерно 9,5мс каждого полупериода ведётся непрерывное измерение сетевого напряжения, а в оставшиеся 0,5мс выполняется основная программа. Переводить МК в спящий режим на столь короткое время не имеет смысла. К тому же, возврат МК из любого спящего режима требует дополнительных затрат времени, что сказывается на быстродействии.

Выключение АЦП на время выполнения основной программы тоже не имеет смысла. Установлено, что потребляемый МК ток снижается при этом всего на 10мкА.

Во время инициализации МК интерфейс JTAG и компаратор в целях снижения энергопотребления отключаются.

Выходы МК переключаются одновременно. Это необходимо для того, чтобы оба канала имели равные временные задержки и работали одинаково. С этой целью в программу введён специальный буферный регистр rOutChannels. Изменение состояния выходов осуществляется только командой OUT pMainOut, rOutChannels. После старта МК буферный регистр содержит копию состояния порта pMainOut, большинство выводов которого, по аналогии с другими неиспользуемыми выводами, настроены как входы с внутренними подтягивающими резисторами. Поэтому никакие биты регистра rOutChannels (кроме двух старших) не должны модифицироваться программой. Также не должно изменятся состояние порта напрямую, т.к. любое изменение будет перезаписано содержимым буферного регистра.

АЦП, имеющий разрешение 10 бит, используется в режиме 8-битного преобразования, поскольку высокая точность измерений не требуется. Это позволяет ему работать на максимальной частоте (500 кГц), что обеспечивает высокое быстродействие. Согласно [12, раздел 2.8], допускается работа АЦП на частотах до 1 МГц. Уменьшенное до 8 бит разрешение служит также дополнительной защитой от помех. Для сокращения количества команд управления, АЦП работает в режиме автозапуска, сигналом которому является окончание предыдущего цикла преобразования. Первое преобразование запускается при инициализации МК.

Таймеры не используются. Они создают помехи работе АЦП. Для исключения этого явления существует специальный энергосберегающий режим АЦП ''ADC Noise Reduction''. Но поскольку режимы энергосбережения по причинам, указанным ранее, не используются, временные задержки пришлось реализовать на основе регистров или ячеек ОЗУ.

По окончании инициализации всем регистрам и ячейкам ОЗУ присваивается нулевое значение (блок SRAMInit.asm). В результате, не нужно помнить о том, чтобы все переменные были проинициализированы, т.е. не содержали бы случайных значений. Как следствие, значительно облегчается их поиск.

После инициализации регистров и ОЗУ продолжение программы приостанавливается на несколько секунд (осуществляется программная задержка). За это время напряжение питания МК и образцовое напряжение АЦП успевают достигнуть номинального уровня.

Для повышения быстродействия задействованные ячейки EEPROM копируются перед началом работы либо в регистры, либо в ОЗУ (блок Startup.asm). В большинстве случаев для этой цели используется специальный макрос EEPROMtoSRAM, находящийся в файле Macros.asm (на блок-схеме алгоритма не показан).

При таком подходе появляется возможность проверки считанных из EEPROM данных. Если введённый пользователем параметр настройки является недопустимым, он преобразуется к ближайшему допустимому значению (меньшему или большему). Это действие, условно называемое нормализация, выполняется не для всех ячеек, а только для тех, допустимые значения которых однозначны, а также для тех, недопустимые значения которых могут привести к явным ошибкам в работе устройства.

Допустимые значения ячеек EEPROM, а также значения по умолчанию указаны при описании ячеек в комментариях (блок Dimmer.asm). Значения некоторых ячеек умышленно ограничены диапазоном, удобным для восприятия и запоминания. Например, продолжительность включенного состояния функции ИПХ, задаваемая ячейкой eOwnersAtHomeOnPeriod, ограничена значением 240 минут, хотя функция могла бы исправно работать и при eOwnersAtHomeOnPeriod = 255. Однако значение 240 минут (4 часа) более привычно для запоминания и использования, нежели 255 минут (4,25 часа).

Одной из задач инициализации является однократное измерение сетевого напряжения. Поскольку заранее невозможно предсказать, в какой момент времени светильник будет подключен к сети, результатом этого измерения является случайное число, используемое далее в подпрограмме генератора псевдослучайных чисел как точка отсчёта seed (блок Procedures.EXT.asm).

Перед тем как передать управление основному блоку программа определяет, в каком состоянии находилось устройство перед отключением питания. В зависимости от результата устанавливаются те или иные флаги, сообщающие основной программе о том, какие действия необходимо предпринять. Например, если в момент пропадания сетевого напряжения был включен первый канал, то после восстановления электроснабжения он включится автоматически (если это было предварительно разрешено пользователем в настройках устройства).

Как уже отмечалось, код основного блока Main.asm выполняется в бесконечном цикле. Так как детектирование перехода сетевого напряжения через нуль осуществляется в каждом полупериоде, цикл Main.asm повторяется каждые 10 мс.

Первая команда основного блока - сброс сторожевого таймера. Следует отметить, что это единственное место во всей основной программе, где осуществляется сброс сторожевого таймера.

Первоначально для детектирования момента перехода сетевого напряжения через нуль использовался следующий алгоритм: АЦП циклически производил считывание входного напряжения и сравнивал результат преобразования с заданной константой. Как только происходило совпадение, подавалась команда на включение каналов, и цикл завершался. Из-за отсутствия кварцевой стабилизации тактовой частоты МК, для точного обнаружения момента перехода фазы сети через нуль требовался подбор константы под конкретный экземпляр МК. Был альтернативный вариант: вместо подбора константы осуществлять калибровку внутреннего RC генератора. И то и другое отрицательно сказывалось на повторяемости устройства. Но основная причина, побудившая изменить алгоритм, заключалась в невысокой помехоустойчивости. Действительно, если помеха (всплеск сетевого напряжения) возникала близко к моменту перехода фазы сети через нуль, МК продолжал измерять входное напряжение, ожидая его совпадения с константой. Поскольку после прекращения помехи входное напряжение оказывалось больше заданного константой, МК был вынужден оставаться в цикле измерений до следующего перехода фазы. Так как во время измерения напряжения каналы находятся в выключенном состоянии, визуально такой «простой» выглядел как моргание ламп(ы), т.к. в течение как минимум 10 мс напряжение на нагрузке отсутствовало.

Изменённый алгоритм основан на сравнении не с константой, а с предыдущим результатом измерения. Команда на включение каналов подаётся только тогда, когда текущий результат измерения становится больше предыдущего. В рассмотренном только что примере МК будет детектировать помеху как напряжение, превышающее предыдущее. Это приведёт к моментальному выходу из цикла, что визуально будет практически не заметно. В обычном режиме (без воздействия помех) МК осуществит выход из цикла, как только сетевое напряжение сменит направление с убывающего на возрастающее, т.е. сразу после перехода сетевого напряжения через нуль.

Таким образом, отпадает необходимость в кварцевом резонаторе, калибровке внутреннего генератора и в калибровке АЦП. Также не требуется дополнительная константа и настройка устройства под конкретный экземпляр МК.

Погрешность нового алгоритма нетрудно подсчитать. Для определения момента, когда сетевое напряжение начало возрастать, достаточно двух измерений. Время одного преобразования АЦП составляет 27 мкс (см. раздел Выбор_константы_cADCSamplesCount). Время на обработку полученного результата (первые 5 команд процедуры PhaseDetect) составит в худшем случае 8 мкс. Значит, максимальная погрешность равна 27 + 27 + 8 = 62 мкс. Согласно формуле U = A * sin(2 * p * f * t), при такой задержке мгновенное напряжение в сети будет находиться на уровне U = 310 * sin(2 * 3,14 * 100 * 62*10-6) = 12 В (относительно номинального сетевого напряжения).

Включение с интервалом 10 мс лампы мощностью 60 Вт с сопротивлением нити 882 Ом при напряжении 12 В создаст ток всего 12 / 882 = 14 мА. Такой малый ток не способен заметно повлиять на сокращение срока службы лампы, создать помехи, и т.п.

Ввиду разветвлённости алгоритма основной программы его наглядное изображение в графическом виде не приводится, т.к. будет затруднительно для восприятия. Отдельные процедуры основной программы описаны далее. Облегчить понимание логики работы призваны комментарии к программному коду.

Функция ИПХ (Имитация Присутствия Хозяев) использует в качестве счётчика времени во включенном и выключенном состоянии отдельную процедуру. Имеющуюся процедуру TurnOffTimeoutCh1 использовать нельзя. Тому есть три причины. Во-первых, она строго индивидуальна для каждого канала. Во-вторых, её модификация потребовала бы слишком больших усилий (понадобилось бы большое количество условных переходов). В-третьих, если продолжительность включенного или выключенного состояния составляет нечётное число, скажем, 3 минуты, то пришлось бы делить его поровну между двумя процедурами и иметь дело с дробными числами. Вариант, когда процедура выполняется только в одном из каналов, тоже не подходит, т.к. принято, что программный код обоих каналов одинаков (для удобства модификации и подсчёта времени выполнения программы).

В функции ИПХ практически везде опрашивается бит лишь одного (первого) канала. Это допустимо благодаря идентичности каналов, а также благодаря тому, что в данном режиме каналы управляются синхронно.

В момент включения функции ИПХ устанавливаются биты ebPowerState. Это сделано на случай пропадания сетевого напряжения в момент включения. Таким образом, при восстановлении напряжения работа функции будет продолжена.

В функции автоотключения процентное значение, на которое уменьшается яркость, умышленно ограничено интервалом от 10 до 90%. Такой диапазон хорошо подходит для визуального восприятия. Кроме того, уменьшение яркости менее чем на 10% незаметно.

Для определения значения регистра rSoftOffBrightChХ, хранящего величину уменьшенной яркости с учётом заданного пользователем процента, в целях ускорения программы используется табличный метод (таблица PercentageTable). Для каждого заданного пользователем значения процента Y, в таблице находится округлённое число Х, заранее вычисленное по формуле: X = ((100 - Y) / 100) * 256. Таблица состоит из (90 - 10) + 1 = 81 ячейки. Когда истекает время непрерывной работы канала, происходит обращение к таблице, затем текущее значение яркости умножается на полученное из таблицы число. Поскольку это число предварительно было умножено на 256, результат делится на 256 путём простого отбрасывания старшего байта, после чего результат округляется. Например, предположим, что текущая яркость, т.е. число в регистре rBrightnessChХ, равно 200, а заданный пользователем процент снижения яркости равен 25%. По истечении времени непрерывной работы канала программа обратится к таблице, в которой смещению 25 соответствует число 192. Программа произведёт умножение (200 * 192 = 38400), разделит результат на 256 (38400 / 256 = 150), округлит его (в данном примере в этом нет необходимости) и запишет итог в регистр rSoftOffBrightChХ. Нетрудно подсчитать, что исходная яркость 200, уменьшенная на 25%, действительно равна 150.

Несмотря на кажущееся сходство битов bIsChannelOn и ebPowerState, объединять их воедино нельзя. Вместе они предотвращают включение канала, если во время его выключения по истечении времени непрерывной работы был сбой в электросети.

Дребезг контактов кнопок SB1 и SB2 устраняется благодаря тому, что основная программа опрашивает их состояние каждый полупериод, т.е. каждые 10 мс. Устранению дребезга также способствует наличие внутреннего триггера Шмитта и линии задержки на входах МК.

Обработка состояния кнопок построена таким образом, что так называемое вторичное действие не поддерживается. Пример: в выключенном состоянии удерживание кнопки приводит к включению канала во втором режиме. Если продолжать удерживать кнопку, то после того как канал включился, его яркость не начнёт изменяться, как это обычно происходит при удерживании кнопки и включенном канале. Яркость можно будет изменить только после отпускания кнопки и повторного её удерживания. Такой подход более эргономичен, к тому же он позволяет исключить ошибки, связанные с детектированием нажатия и удерживания кнопок в зависимости от функции, режима, и текущего состояния устройства.

Реализация обработчика кнопок основана на анализе значения регистра rButtonХHoldTime, в котором хранится длительность удерживания кнопки в нажатом положении, а также на сравнении его значения с константой cButtonOnHoldSense, определяющей временной порог, начиная с которого нажатие на кнопку распознаётся как удерживание. Этот порог равен 1 секунде. В текущей версии он определён в коде программы, т.е. не может быть изменён конечным пользователем.

Регистр rButtonХHoldTime может иметь четыре значения:

1) rButtonХHoldTime = 0 (кнопка не нажата);

2) 0 < rButtonХHoldTime < cButtonOnHoldSense (кнопка нажата);

3) rButtonХHoldTime = cButtonOnHoldSense (кнопка удерживается);

4) rButtonХHoldTime = 255 (кнопка остаётся в нажатом положении после удерживания).

Последнее значение сигнализирует о том, что надо дождаться отпускания кнопки. Пока этот момент не наступит, никакие действия, связанные с обработкой состояния кнопки, не выполняются.

Подпрограммы чтения и записи EEPROM работают только с первыми 256 байтами. Это упрощает адресацию, т.к. старший регистр адреса всегда равен нулю и не используется.

Если в момент обращения к EEPROM идёт обработка предыдущего запроса, то подпрограмма чтения дожидается его окончания. Подпрограмма записи в аналогичной ситуации немедленно прекращается. Это вполне допустимо, поскольку задержка записи даже в несколько десятков миллисекунд не нарушает работу основной программы, и не заметна для пользователя.

Как уже отмечалось, согласно описанию МК, гарантированное число циклов перезаписи EEPROM составляет не более 100 000. По этой причине запись в ячейку осуществляется лишь в том случае, если записываемый байт данных отличается от того, что в ней уже записан.

В основе подпрограммы генерации псевдослучайного числа RandomNumber8bit лежит алгоритм [6, раздел 9.33 "Последовательности, генерируемые регистрами сдвига с обратными связями"]. Используется программно реализованный 8-ми разрядный регистр сдвига с отводами от 7-го, 5-го, 4-го и 3-го разряда, над которыми производится логическая операция исключающее или (XOR, в МК соответствует команде EOR).

Входными данными подпрограммы является seed - число, определяющее начало псевдослучайной последовательности. Это число должно быть

отлично от нуля. В противном случае оно заменяется числом 113. Почему именно 113? Потому что это первое число от начала списка, удачно располагающееся с точки зрения возвращаемого результата, умноженного на два. Первоначально seed генерируется путём измерения сетевого напряжения в момент подключения устройства к сети, что гарантирует действительно случайный характер seed.

Для повышения скорости выполнения подпрограммы и сокращения количества кода содержимое регистра SREG не сохраняется, хотя подпрограмма изменяет состояние некоторых его флагов.

2.6 Выбор, описание и расчеты элементной базы

Устройство предназначено для управления стандартными лампами накаливания. Подключение другой нагрузки, например энергосберегающей лампы или электродвигателя, может вывести устройство и (или) нагрузку из строя.

Полный перечень использованных компонентов (спецификация) прилагается (Приложение В). Также прилагаются описания активных компонентов, задействованных в схеме (Приложение Г).

а) Диодный мост

Применение диодного моста VD2, рассчитанного на ток 6 А, для работы с небольшим током нагрузки (максимум 0,55 А) объясняется тем, что лампы иногда перегорают во время работы. Возникающий при этом импульс тока амплитудой более 10...20 А способен повредить одноамперные мосты, такие как КЦ402 или КЦ405.

Ещё одна причина большого запаса по току - это гораздо меньшая степень нагрева моста. Впрочем, полностью устранять нагрев не имеет смысла, т.к. корпус устройства всё равно немного нагревается от ламп, особенно когда они включены на максимальную яркость.

По причине, указанной в разделе Защита от превышения сетевого напряжения, диодный мост должен быть рассчитан на обратное напряжение не менее 600 В.

б) Блок питания

Источник опорного напряжения

Особенностью схемы является использование для питания МК не обычного стабилитрона, а интегрального источника опорного напряжения DA1 параллельного типа. Как уже отмечалось, это позволяет отказаться от отдельного ИОН и снизить потребляемый ток. Помимо этого, если напряжение на выходе параллельного ИОН повысится по каким-либо причинам, возникшим со стороны шины питания схемы, это не приведёт к нарушению стабилизации, а лишь увеличит ток через ИОН. Это общая особенность параллельных стабилизаторов напряжения [3].

Нерегулируемый двухвыводной ИОН выбран специально - нет необходимости подбирать и устанавливать два дополнительных высокоточных резистора. Для стабильной работы данного ИОН не требуется конденсатор с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), что тоже является плюсом.

Выбираем ИОН серии LM4040 с классом точности 1%.

в) Балластный резистор

Для гашения избытка сетевого напряжения, поступающего на вход ИОН, используется балластное сопротивление, образованное резисторами R1 и R2. Принцип действия ИОН параллельного типа совпадает с обычным стабилитроном, поэтому для расчёта гасящего резистора можно применить классическую формулу:

R = (Uвх - Uст) / (Iн + Iст), (2.1)

где Uвх - входное (ограничиваемое) напряжение, снимаемое с выхода диодного моста;

Uст - напряжение стабилизации стабилитрона;

Iн - ток нагрузки;

Iст - ток стабилитрона.

Изменим формулу с учётом падения напряжения на двух диодах диодного моста:

R = (Uвх - 2*Uд - Uст) / (Iн + Iст). (2.2)

Падение напряжения на предохранителе не учитываем, т.к. оно составляет всего 0,2 В при максимальной нагрузке. Добавив коэффициент, учитывающий разброс сопротивления резистора, получаем конечную формулу:

R = [(Uвх - 2*Uд - Uст) / (Iн + Iст)] * Кr (2.3)

Сопротивление резистора должно быть, с одной стороны, достаточно низким, чтобы обеспечить минимальный ток стабилитрона при максимальном токе нагрузки и минимальном напряжении сети, но, с другой стороны, достаточно высоким, чтобы при максимальном напряжении сети и минимальном токе нагрузки не превысить максимально допустимый ток стабилитрона.

Начнём с выяснения максимального сопротивления резистора, обеспечивающего минимальный ток стабилитрона при наихудших условиях.

Минимальное среднее значение выпрямленного напряжения Uвх при 10%-ном допуске на напряжение сети [4] составит 198 В. Но здесь следует также учесть снижение напряжения под воздействием мощной нагрузки. В расчёте максимальной яркости лампы указано снижение на 4 В. Значит

Uвх = 198 - 4 = 194 (В).

Наибольшее падение напряжения на диодном мосту Uд будет при максимальной нагрузке. Согласно графику из описания моста, при токе нагрузки 0,55 А, когда обе лампы включены на максимальную яркость, прямое напряжение для одного диода составляет около 0,73 В.

Отклонение стабилизированного напряжения равно 1% (по описанию LM4040, класс точности D). Значит