Разработка электронных часов с использованием микроконтроллера

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Техническая часть. Разработка электронных часов

1.1 Аналитический обзор по теме

1.2 Анализ поставленной задачи

1.3 Описание структурной схемы электронных часов

1.4 Описание функциональной схемы электронных часов

1.5 Выбор элементной базы

1.6 Описание принципиальной схемы автоматического терморегулятора тёплого пола

1.7 Инструкция пользователю

1.8 Листинг программы

2. Экономическая часть

2.1 Расчёт затрат на проектирование и внедрение продукта

2.2 Расчёт капитальных вложений на проектирование

2.3 Затраты на материалы

2.4 Расчёт эксплуатационных затрат

2.5 Расчёт на проектирование и внедрение продукта

3. Охрана труда. Техника безопасности при разработке электронных устройств

3.1 Потенциально опасные и вредные производственные факторы

3.2 Описание рабочего места программиста

3.3 Меры предосторожности при работе с паяльником

3.4 Микроклимат

3.5 Освещенность

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация -- одно из направлений научно-технического прогресса, использующее саморегулирующие технические средства и математические методы с целью освобождения человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов, изделий или информации, либо существенного уменьшения степени этого участия или трудоёмкости выполняемых операций. Другими словами, это переход от человеческой рабочей силы, к более мощной - механической, а человеку остаётся лишь отслеживать правильность выполнения поставленной задачи.

Электронные часы, должны оповещать пользователя о настоящем времени и обеспечивать визуальное оповещение реального времени.

Цель дипломной работы заключается в создании электронных часов.

Предмет исследования - разработка электронных часов с использованием микроконтроллера.

Объектом исследования является счётчик времени с системой управления на базе микроконтроллера.

Основной задачей исследования является изучение основных принципов применения электронных часов.

Цель и задачи работы определили ее структуру. Работа включает введение, теоретическую, техническую, экономическую части и раздел охраны труда, заключение, список использованных источников и приложения.

На первом этапе исследования была изучена предметная область дипломной работы, описаны ключевые термины, был отобран и обработан материал.

На втором этапе проведена непосредственная разработка электронных часов: создание структурной и функциональной электрических схем, электрической принципиальной схемы устройства и создание чертежей печатной платы.

Теоретическая значимость работы заключается в расширении исследовательского диапазона при освещении данной темы.

В экономической части производиться расчёт затрат на проектирование, разработку и сборку макета электронных часов, а также расчёт затрат на оплату труда.

Раздел охраны труда содержит правила техники безопасности при работе электронными часами, изучаются правила противопожарной безопасности.

Для выполнения дипломной работы были использованы следующие методы:

исследование предметной области, отбор и обработка теоретического материала;

анализ и сравнительная характеристика различных видов электронных часов;

проектирование и разработка электронных часов;

обобщение и описание полученных результатов.

1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННЫХ ЧАСОВ

1.1 Аналитический обзор по теме

В последнее время большой интерес вызывают электронные часы. Электронные часы стали обязательным элементом таких устройств как видеомагнитофоны, компьютеры, сотовые телефоны, мультиварки. Цифровые фотоаппараты и телевизоры имеют встроенные часы, но они обычно не предназначены для индикации показаний времени. Выполнение таких устройств с использованием микроконтроллеров позволяет расширить функционал системы, сделать её гибкой в работе и простой в эксплуатации.

Все развитие механики как науки в Средние века, было направлено на создание и развитие устройств измерения времени или, проще говоря, механических часов. Механические часы были нужны всем, церкви - для уточнения начала времени богослужения. Сначала с этой задачей успешно справлялись солнечные часы, но со временем их заменили башенные механические часы с боем. Можно предположить, что первые механические часы не имели циферблата, а имели один только колокольный бой, звуком оповещая наступление часа молитвы.

По преданиям, королевский наместник в Артуа, что во Франции, дал в 1355 году дал жителям городка Эрсюр-ля-Лис разрешение построить городскую колокольню, чтобы ее механические часы отбивали не церковные службы, а время коммерческих сделок и часы работы ткачей и суконщиков. Точное время хотели знать и на производствах, где результат работы зависел от времени продолжительности технологических процессов.

Для производства механических часов, какими были первые образцы, требовались гораздо более точные станки, чем весь прежний инструментарий. Современное точное машиностроение родилось из мастерства механиков часовщиков.

Солнечные часы были простым и надежным указателем времени, но страдали некоторыми серьезными недостатками: их работа зависела от погоды и была ограничена временем между восходом и заходом Солнца.

Единица времени для солнечных часов выводилась из вращения Земли и ее движения вокруг Солнца, для звездных - из видимого движения звезд. Новые хронометрические приборы (жидкостные, песочные, воздушные, огневые и др.) имели искусственный эталон единицы времени в виде его интервала, необходимого для вытекания, втекания или сгорания определенного количества вещества.

В примитивном виде водяные часы были известны уже египтянам, у которых сохранились, по всей вероятности, самые старые водяные часы в мире. Они были обнаружены в 1940 г. в храме Амона в восточных Фебах, а сейчас хранятся в музее Каира. На внутренней поверхности их алебастрового корпуса наколками обозначено 12 часовых шкал для измерения времени в соответствующих месяцах.

В античной Греции водяные часы применяли для регламентации времени, предоставляемого ораторам во время судебных процессов. Эти часы были, по существу, большими амфорами, внутренняя поверхность которых имела форму, образованную вращением параболы или эллипсоида, что опять показывает их позднее происхождение: ведь установить зависимость скорости истечения от высоты столба воды и формы сосуда смогли только в средние века. Амфора высотой около 1 м и шириной несколько более 40 см вмещала около 100 л воды. При диаметре отверстия истечения в 1.4 мм требовалось почти 10 часов на полное опорожнение сосуда. В воде находился поплавок с прикрепленным к нему длинным стержнем, выступавшим над краем сосуда. На стержне была выгравирована шкала. Время, прошедшее после начала истечения воды, указывалось на этой шкале. Поплавок опускался в амфоре равномерно, поскольку снижение скорости истечения компенсировалось уменьшающимся внутренним диаметром сосуда.

То, что клепсидра не зависела от света Солнца, сделало из водяных часов прибор, пригодный для непрерывного измерения времени и днем, и ночью. К тому же стало возможным развивать некоторые механические элементы. Началось соревнование конструкторов в изобретении остроумных гидравлических и пневматических механизмов: для звуковой сигнализации о времени, для освещения часов ночью; такие элементы можно найти у целого ряда водяных часов арабского происхождения.

К произведениям высокого художественного творчества, бесспорно, относятся бронзовые водяные часы, изготовленные в период 799-807 гг., которые Гарун-аль-Рашид послал в подарок Карлу Великому. Эти часы с богатыми орнаментальными украшениями, имели циферблат, и каждый час провозглашали звуковым ударом металлического шара, который выскакивал из них на декоративную решетку, а в полдень в часах открывались ворота, и из них выезжали рыцари. Подобная техника автоматических движущихся фигур была развита в Европе много позднее - в период готики, со второй половины XII века. А кстати, рыцари как сословие, со всеми присущими им атрибутами, появились не раньше XI века.

Помимо солнечных и водяных, с начала XIII века появились и первые огневые, или свечные, часы. Это тонкие свечи длиной около метра с нанесенной по всей длине шкалой. Они сравнительно точно показывали время, а в ночные часы еще и освещали жилища церковных и светских сановников, в том числе таких правителей, какими были в середине XIII века Людовик Святой, а в XIV веке - Карл V. К боковым сторонам свечи иногда прикрепляли металлические штырьки, которые по мере выгорания и таяния воска падали, и их удар по металлической чашке подсвечника был своего рода звуковой сигнализацией времени.

Дата возникновения первых песочных часов тоже неизвестна. Считается, что в Западной Европе о песочных часах узнали лишь в конце средневековья; одним из самых старых упоминаний о них является сообщение от 1339 г., обнаруженное в Париже. Оно содержит указание по приготовлению мелкого песка из просеянного порошка черного мрамора, прокипяченного в воде и высушенного на солнце. Несмотря на то, что песочные часы появились в Европе столь поздно, они быстро распространились. Этому способствовали их простота, надежность, низкая цена и не в последнюю очередь возможность измерять с их помощью время в любой момент дня и ночи. Их недостатком был сравнительно короткий интервал времени, который можно было измерить, не переворачивая прибора. Обычные часы были рассчитаны на полчаса или час, реже - на 3 часа, и лишь в совершенно редких случаях строили огромные песочные часы на 12 часов хода. Не давало улучшения и соединение нескольких песочных часов в одно целое. Как и огневые, песочные часы никогда не достигали точности солнечных. Кроме того, при длительном пользовании ими их точность изменялась, поскольку зерна песка постепенно дробились на более мелкие, а отверстие в середине диафрагмы, наоборот, постепенно истиралось и увеличивалось, так что скорость прохождения песка через них становилась большей.

Первые часы с цифровой индикацией времени были созданы в 1971 году. Таким образом, закончилась длившаяся более 500 лет эпоха отображения времени при помощи стрелок. Первыми электронными часами были часы на светодиодах. Они были изготовлены в золотом корпусе и стоили очень дорого.

Электронные часы -- часы, в которых для отсчёта времени используются периодические колебания электронного кварцевого генератора, при этом результаты выводятся на цифровое табло.

Достоинством светодиодов является высокая яркость свечения, но следствием этого является их большое энергопотребление. Большая потребляемая мощность не допускает постоянной индикации в часах с автономным питанием. Поэтому наручные часы на светодиодных индикаторах были достаточно быстро вытеснены часами с индикаторами на жидких кристаллах, главными преимуществами которых являются низкое напряжение питания и малая потребляемая мощность и, следовательно, возможность постоянной индикации и длительный срок работы от одного элемента питания. Первые электронные часы с LCD дисплеем были представлены японской компанией Seiko в 1973 году.

Светодиоды также широко используются в настольных часах - будильниках с питанием от сети переменного тока.

Стремительный прогресс в области разработки электронных часов, освоение в серийном производстве комплектующих изделий электронной техники новых поколений, применение новых технологических процессов сборки, а также создание современных марганцево-литиевых элементов питания, позволило сконструировать наручные электронные часы со светодиодной индикацией, срок работы которых без замены элемента питания не менее одного года.

Механизм этих часов представляет собой высокотехнологичный монолитный корпус, в который интегрированы электронные компоненты, светодиодная панель и легко заменяемый элемент питания. Использование такого механизма позволило значительно упростить процесс сборки часов и, следовательно, уменьшить их себестоимость.

Рассмотри основные понятия и определения, используемые при разработке данной дипломной работы.

Автоматизированная система (AC) - система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций.

Средством измерения (СИ) называется техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Измерительный преобразователь -- это средство измерения, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный прибор -- средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Измерительная система -- это совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, размещенных в разных точках контролируемого пространства с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству (контролирующие, управляющие системы с ЭВМ).

Время -- форма протекания физических и психических процессов, условие возможности изменения

Счётчик времени - прибор предназначен для измерения интервалов времени и счета количества измеренных сигналов.

Норма энергопотребления -- это научно обоснованное количество энергоресурсов, необходимое и достаточное для обеспечения технологического процесса при заданных параметрах производства и окружающей среды.

Благодаря правильному выбору и подбору типа и вида электронных часов позволяет эффективно использовать энергоресурсы - дополнительная возможность уменьшить затраты на энергопотребление. Современные электронные часы должны поддерживать не только заданный режим, но и максимально эффективно использовать возможности исполнительных систем оповещения.

В настоящее время ведется активная модернизация электронных часов, связанная с повышением количества исполнительных систем. Чем больше исполнительных систем имеют электронные часы, тем важнее для нее выбор критерия, определяющего стратегию оповещения времени.

Например, одним из наиболее важных критериев управления является низкая энергопотребляемость. В данном случае целесообразно использовать электронные часы по той причине, что происходит довольно низкое потребление электроэнергии.

Опыт внедрения электронных часов показывает, что на этапе проектирования системы достаточно сложно выбрать единый критерий управления. Поэтому в системе управления должна существовать возможность оперативно задать критерий во время эксплуатации, причем методы его задания должны в наглядной форме отражать экономические требования, предъявляемые к системе.

1.2 Анализ поставленной задачи

В ходе выполнения дипломной работы необходимо разработать электронные часы.

Необходимо рассмотреть алгоритмы регулирования времени, выбрать базовое схемотехническое решения для выполнения поставленных задач, произвести выбор элементной базы, а также составить комплект документации к устройству: структурную и функциональную схемы устройства, электрическую принципиальную схему, а также чертежи печатной платы.

Разработка устройства должна проходить с использованием микроконтроллеров, применение которых позволит расширить функционал схемы, сделать ее более гибкой в настройке, а также упростить добавление новых функций в уже имеющуюся схему, т.е. рассмотреть возможность дальнейшей модернизации устройства.

Электронные часы -- часы, в которых для отсчёта времени используются периодические колебания электронного генератора, преобразованные в дискретные сигналы, повторяющиеся через 1 с, 1 мин, 1 ч и т. д.; сигналы выводятся на цифровое табло, показывающее текущее время, а в некоторых моделях также число, месяц, год, день недели.

Основа электронных часов -- кварцевый генератор стабилизированных электрических колебаний, с микросхемой, предназначенной для вычисления времени и вывода сигналов на цифровой дисплей. Часы с питанием от сети переменного тока могут не иметь собственного генератора и использовать частоту сети.

Время на дисплее отображается в виде цифр (например: 13:20).

Питание -- от сети переменного тока или химических элементов питания, в том числе миниатюрных (в наручных электронных часах).

Существуют электронные часы, конструктивно объединённые (на базе общей микросхемы) с микрокалькулятором, а также электронные часы-будильник, и другими техническими устройствами.

Некоторые модели наручных кварцевых часов (со стрелками) имеют цифровой дисплей электронных часов (так называемые гибридные часы).

Часы с радиоприемником имеют ручку регулятора громкости, ручку настройки и переключателя диапазонов AM\MW\FM, который одновременно является выключателем.

Поправка показаний электронных часов, когда часы отстают или спешат, в некоторых часах вносят поправку в показания часов, точность хода самих часов при этом остаётся прежней.

Поправка точности хода электронных часов, когда с поправкой показаний делается и поправка хода часов, то есть меняется или тактовая частота задающего генератора или меняется коэффициент деления счётчика-делителя. Такая коррекция существует лишь в некоторых электронных часах.

Электронные часы могут быть со своим собственным дисплеем (в основном ЖК -- в моделях с автономным питанием от гальванических элементов, или вакуумно-люминесцентный индикатор -- в моделях, питающихся от электросети) или могут выводить данные на экран устройства, в состав которого они входят. В компьютерах электронные часы входят в состав материнской платы и могут настраиваться через BIOS или ОС; для бесперебойной работы в то время, когда компьютер выключен, они используют элемент питания, установленный на материнской плате (батарейка, аккумулятор или ионистор).

Электронные часы также используются в транспортных средствах. Такие часы имеют светящийся дисплей, который видно в любое время суток, и часто питаются от аккумуляторной батареи самого средства передвижения.

1.3 Описание структурной схемы электронных часов

Структурная схема -- это совокупность элементарных звеньев объекта и связей между ними, один из видов графической модели. Под элементарным звеном понимают часть объекта, системы управления и т. д., которая реализует элементарную функцию. Она предназначена для отражения общей структуры устройства, то есть его основных блоков, узлов, частей и главных связей между ними. Из структурной схемы должно быть понятно, зачем нужно данное устройство и что оно делает в основных режимах работы, как взаимодействуют его части.

Структурная схема электронных часов (см. Приложение «Электронные часы» Схема структурная 220301.51 Э1) состоит из следующих частей: источник питания, устройство управления нагревательным элементом, индикатор состояния, датчик температуры, индикатор реальной температуры, устройство сравнения, устройство задания температуры, индикатор заданной температуры, нагревательный элемент.

Источник питания предназначен для подачи питающего напряжения 220В на устройство управления нагревательным элементом. Блок питания преобразует напряжение в + 12В.

Устройство управления нагревательным элементом предназначено для включения и отключения нагревательного элемента, путём преобразования сигнала, поступающего с устройства сравнения.

Индикатор состояния, подключённый к устройству управления нагревательным элементом, отражает состояние нагревательного элемента (включен или отключен).

Датчик температуры является чувствительным элементом, измеряющим температуру пола. Результаты измерения передаются в устройство сравнения и на панель температуры, где отображается реальная температура для визуального слежения [7].

Устройство сравнения предназначено для сравнения реальной температуры пола с температурой, задаваемой пользователем. По результату сравнения подаётся сигнал на устройство управления нагревательным элементом, который либо включит, либо отключит нагревательный элемент.

Устройство задания температуры предназначено для установки пользователем желаемой температуры пола. Результат выбранной температуры отражается на панели температуры.

Нагревательный элемент предназначен для подогрева пола до необходимой температуры.

От источника питания подаётся напряжение на устройство управления нагревательным элементом, который связан с нагревательным элементом и будет включать или отключать его. О состоянии нагревательного элемента нам будет сообщать связанный с устройством управления нагревательного элемента индикатор состояния.

Датчик температуры связан с температурной панелью и устройством сравнения. На температурной панели будет отражаться реальная температура пола. На устройство сравнения будет отправляться температура пола, измеренная датчиком температуры.

Устройство задания температуры связано с температурной панелью и устройством сравнения. На температурной панели так же отразиться реальная температура тёплого пола. На устройство сравнения будут отправляться значения, установленные пользователем.

Устройство сравнения сравнивает полученные результатам от датчика температуры и устройства задания температуры и передаёт их на устройство управления нагревательным элементом, который включит или отключит нагрев пола.

1.4 Описание функциональной схемы электронных часов

Функциональная схема -- документ, разъясняющий процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия или изделия в целом. Функциональная схема является экспликацией отдельных видов процессов, протекающие в целостных функциональных блоках и цепях устройства. Функциональная схема - вид графической модели изделия.

Функциональная схема электронных часов состоит из следующих элементарных звеньев (см. Приложение «Электронные часы» Схема функциональная 220301.51Э2): резистор (R), реле - узел управления нагревателем (K1), датчик температуры тёплого пола (DA1), дешифратор (DC - DD3, DD4), аналого-цифровой преобразователь (DD1, DD2), светодиод (HL1), LCD дисплей.

Аналоговый сигнал с резистора R поступает в аналого-цифровой преобразователь DD1 и формирует выходной дискретный двоичный код, подаваемый на дешифратор DD4. Дешифратор преобразует двоичный код в семисегментный код для LCD дисплея и на дисплее отражается заданная пользователем температура[4].

Резистор (R) -- пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления, предназначенный для линейного преобразования токав напряжение инапряжениев ток, ограничения тока, поглощения электрической энергии. В данной схеме переменный резистор служит для определения уровня температуры нагревательного элемента, устанавливаемой пользователем.

Дешифратор (DD3, DD4) -- комбинационная схема, преобразующая n-разрядный двоичный, троичный или k-ичный код в -ичныйодноединичный код, где -- основание системы счисления. Логический сигнал активен на том выходе, порядковый номер которого соответствует двоичному, троичному или k-ичному коду. Дешифраторы являются устройствами, выполняющими двоичные, троичные или k-ичные логические функции (операции).

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, ADC) -- устройство, преобразующее входнойаналоговый сигналв дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC). Как правило, АЦП --электронноеустройство, преобразующее напряжениев двоичный цифровой код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор[5].

LCD дисплей модуль для Arduino. Модуль используется для преобразования сигналов от контроллеров и датчиков в графическую информацию. Управление LCD 1602 модулем для Arduino осуществляется или от Arduino контроллера, или от другого микропроцессорного управляющего устройства через соответствующие выводы. LCD дисплей с ЖК-дисплеем имеет интерфейс для ввода и вывода информации. Имеет поддержку латиницы и кириллицы (с установкой дополнительных библиотек).

Датчик температуры DA1, являющийся чувствительным элементом, измеряющим температуру пола, выдаёт аналоговый сигнал пропорционально температуре тёплого пола на аналого-цифровой преобразователь DD2. Полученный цифровой код подаётся на дешифратор, который так же преобразует двоичный код в семисегментный код для LCD дисплея и отображается на нём.

Затем, на узел сравнения поступают аналоговые сигналы с резистора R и датчика температуры DA1. В результате сравнения формируется сигнал, подаваемый на реле K1. Реле -- электрическое или электронное устройство (ключ), предназначенное для замыкания и размыкания различных участков электрических цепейпри заданных изменениях электрических или неэлектрических входных воздействий. В данном случае включение или выключение нагревательного элемента тёплого пола.

О состоянии нагревательного элемента показывает светодиод HL1, подключённый в реле K1.

Светодиод или светоизлучающий диод -- полупроводниковый приборс электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучениепри пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

1.5 Выбор элементной базы

Основной особенностью современного этапа развития микропроцессорных систем является завершение перехода от систем, выполненных на основе нескольких больших информационных систем, к однокристальному микроконтроллеру, которые объединяют в одном кристалле все основные элементы микропроцессорных систем: центральный процессор, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, порты ввода/вывода, таймеры[8].

Для выполнения дипломного проекта был выбран микроконтроллер фирмы Arduino Mega.

Arduino Mega построена на микроконтроллере ATmega2560 (техническое описание). Плата имеет 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопка перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC, или аккумуляторной батареей. Arduino Mega 2560 совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Uno или Duemilanove.

Характеристики

Микроконтроллер	ATmega2560
Рабочее напряжение	5В
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12В
Входное напряжение (предельное)	6-20В
Цифровые Входы/Выходы	54 (14 из которых могут работать также как выходы ШИМ)
Аналоговые входы	16
Постоянный ток через вход/выход	40 mA
Постоянный ток для вывода 3.3 В	50 mA
Флэш-память	256 KB (из которых 8 КB используются для загрузчика)
ОЗУ	8 KB
Энергонезависимая память	4 KB
Тактовая частота	16 MHz

Arduino Mega может получать питание как через подключение по USB, так и от внешнего источника питания. Источник питания выбирается автоматически.

Внешнее питание (не USB) может подаваться через преобразователь напряжения AC/DC (блок питания) или аккумуляторной батареей. Преобразователь напряжения подключается посредством разъема 2.1 мм с положительным полюсом на центральном контакте. Провода от батареи подключаются к выводам Gnd и Vin разъема питания (POWER).

Платформа может работать при внешнем питании от 6В до 20В. При напряжении питания ниже 7В, вывод 5В может выдавать менее 5В, при этом платформа может работать нестабильно. При использовании напряжения выше 12В регулятор напряжения может перегреться и повредить плату. Рекомендуемый диапазон от 7В до 12В.

Плата Mega2560, в отличие от предыдущих версий плат, не использует FTDI USB микроконтроллер. Для обмена данными по USB используется микроконтроллер Atmega8U2, запрограммированный как конвертер USB-to-serial.

VIN. Вход используется для подачи питания от внешнего источника (в отсутствие 5В от разъема USB или другого регулируемого источника питания). Подача напряжения питания происходит через данный вывод. Если питание подается на разъем 2.1mm, то на этот вход можно запитаться.

5В. Регулируемый источник напряжения, используемый для питания микроконтроллера и компонентов на плате. Питание может подаваться от вывода VIN через регулятор напряжения, или от разъема USB, или другого регулируемого источника напряжения 5В.

3V3. Напряжение на выводе 3.3В генерируемое микросхемой FTDI на платформе. Максимальное потребление тока 50 мА.

GND. Выводы заземления.

Микроконтроллер ATmega2560 имеет: 256 кБ флэш-памяти для хранения кода программы (4 кБ используется для хранения загрузчика), 8 кБ ОЗУ и 4 Кб EEPROM (которая читается и записывается с помощью библиотеки EEPROM).

Каждый из 54 цифровых выводов Mega, используя функции pinMode(), digitalWrite(), и digitalRead(), может настраиваться как вход или выход. Выводы работают при напряжении 5В. Каждый вывод имеет нагрузочный резистор (стандартно отключен) 20-50 кОм и может пропускать до 40 мА. Некоторые выводы имеют особые функции:

Последовательная шина: 0 (RX) и 1 (TX); Последовательная шина 1: 19 (RX) и 18 (TX); Последовательная шина 2: 17 (RX) и 16 (TX); Последовательная шина 3: 15 (RX) и 14 (TX). Выводы используются для получения (RX) и передачи (TX) данных TTL. Выводы 0 и 1 подключены к соответствующим выводам микросхемы последовательной шины ATmega8U2.

Внешнее прерывание: 2 (прерывание 0), 3 (прерывание 1), 18 (прерывание 5), 19 (прерывание 4), 20 (прерывание 3), и 21 (прерывание 2). Данные выводы могут быть сконфигурированы на вызов прерывания либо на младшем значении, либо на переднем или заднем фронте, или при изменении значения. Подробная информация находится в описании функции attachInterrupt().

PWM: 2 до 13 и 44-46. Любой из выводов обеспечивает ШИМ с разрешением 8 бит при помощи функции analogWrite().

SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Посредством данных выводов осуществляется связь SPI, например, используя библиотеку SPI. Также выводы SPI могут быть выведены на блоке ICSP, который совместим с платформами Uno, Duemilanove и Diecimila.

LED: 13. Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу 13. Если значение на выводе имеет высокий потенциал, то светодиод горит.

I2C: 20 (SDA) и 21 (SCL). Посредством выводов осуществляется связь I2C (TWI). Для создания используется библиотека Wire (информация на сайте Wiring). Расположение выводов на платформе Mega не соответствует расположению Duemilanove или Diecimila.

На платформе Mega2560 имеется 16 аналоговых входов, каждый разрешением 10 бит (т.е. может принимать 1024 различных значения). Стандартно выводы имеют диапазон измерения до 5В относительно земли, тем не менее имеется возможность изменить верхний предел посредством вывода AREF и функции analogReference().

Дополнительная пара выводов платформы:

AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов. Используется с функцией analogReference().

Reset. Низкий уровень сигнала на выводе перезагружает микроконтроллер. Обычно применяется для подключения кнопки перезагрузки на плате расширения, закрывающей доступ к кнопке на самой плате Arduino.

На платформе Arduino Mega2560 установлено несколько устройств для осуществления связи с компьютером, другими устройствами Arduino или микроконтроллерами. ATmega2560 поддерживает 4 порта последовательной передачи данных UART для TTL. Установленная на плате микросхема ATmega8U2 направляет один из интерфейсов через USB, предоставляя виртуальный COM порт программам на компьютере (машинам под упровлением Windows для корректной работы с виртуальным COM портом необоходим.inf файл, системы на базе OSX и Линукс, автоматически распознаю COM порт). Утилита мониторинга последовательной шины (Serial Monitor) среды разработки Arduino позволяет посылать и получать текстовые данные при подключении к платформе. Светодиоды RX и TX на платформе будут мигать при передаче данных через микросхему ATmega8U2 и USB подключение (но не при использовании последовательной передачи через выводы 0 и 1).

Библиотекой SoftwareSerial возможно создать последовательную передачу данных через любой из цифровых выводов Mega2560.

ATmega2560 поддерживает интерфейсы I2C (TWI) и SPI. В Arduino включена библиотека Wire для удобства использования шины I2C. Более подробная информация находится на сайте Wiring. Для связи по SPI, используется библиотека SPI.

Платформа программируется посредством среды разработки Arduino. Подробная информация находится в справочнике и инструкциях.

Микроконтроллер ATmega2560 поставляется с записанным загрузчиком, облегчающим запись новых программ без использования внешних программаторов. Связь осуществляется оригинальным протоколом STK500.

Имеется возможность не использовать загрузчик и запрограммировать микроконтроллер через выводы блока ICSP (внутрисхемное программирование). Подробная информация находится в данной инструкции.

Код прошивки для контроллера ATmega8U2 доступен для свободного скачивания. Контроллер ATmega8U2 имеет собственный DFU загрузчик, который может быть активирован замыканием джампера на обратной стороне платы (рядом с картой Италии) и перезагрузкой контроллера. Для записи новой прошивки возможно использовать Atmel's FLIP (под Windows) или DFU программатор (на Mac OSX или Linux). Также можно переписать прошивку внешним программатором, используя ISP вход.

Mega разработана таким образом, чтобы перед записью нового кода перезагрузка осуществлялась самой программой, а не нажатием кнопки на платформе. Одна из линий ATmega8U2, управляющих потоком данных (DTR), подключена к выводу перезагрузки микроконтроллера ATmega2560 через конденсатор 100 нФ. Активация данной линии, т.е. подача сигнала низкого уровня, перезагружает микроконтроллер. Программа Arduino, используя данную функцию, загружает код одним нажатием кнопки Upload в самой среде программирования. Подача сигнала низкого уровня по линии DTR скоординирована с началом записи кода, что сокращает таймаут загрузчика.

Функция имеет еще одно применение. Перезагрузка Mega2560 происходит каждый раз при подключении к программе Arduino на компьютере с ОС Mac X или Linux (через USB). Следующие полсекунды после перезагрузки работает загрузчик. Во время программирования происходит задержка нескольких первых байтов кода во избежание получения платформой некорректных данных (всех, кроме кода новой программы). Если производится разовая отладка скетча, записанного в платформу, или ввод каких-либо других данных при первом запуске, необходимо убедиться, что программа на компьютере ожидает в течение секунды перед передачей данных.

На Mega2560 имеется возможность отключить линию автоматической перезагрузки разрывом соответствующей линии. Контакты микросхем с обоих концов линии затем могут быть соединены с целью восстановления. Линия маркирована «RESET-EN». Отключить автоматическую перезагрузку также возможно подключив резистор 110Ом между источником 5В и данной линией.

В Arduino Mega2560 встроена перезагружаемая плавкая вставка, защищающая порт USB компьютера от токов короткого замыкания и сверхтоков. Хотя практически все компьютеры имеют подобную защиту, тем не менее, данный предохранитель обеспечивает дополнительный барьер. Предохранитель автоматически прерывает обмен данных при прохождении тока более 500 мА через USB порт.

Длинна и ширина печатной платы Mega2560 составляют 10,2 и 5.3 см соответственно. Разъем USB и силовой разъем выходят за границы данных размеров. Три отверстия в плате позволяют закрепить ее на поверхности. Расстояние между цифровыми выводами 7 и 8 равняется 0,4 см, хотя между другими выводами оно составляет 0,25 см.

Arduino Mega2560 совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Uno, Duemilanove или Diecimila. Расположение выводов 0 - 13 (и примыкающих AREF и GND), аналоговых входов 0 - 5, силового разъема, блока ICSP, порта последовательной передачи UART (выводы 0 и 1) и внешнего прерывания 0 и 1 (выводы 2 и 3) на Mega соответствует расположению на вышеприведенных платформах. Связь SPI может осуществляться через блок ICSP, как на платформах Duemilanove / Diecimila, так и на Mega2560. Однако расположение выводов (20 и 21) связи I2C на платформе Mega не соответствуют расположению тех же выводов (аналоговые входы 4 и 5) на Duemilanove / Diecimila.

1.6 Описание принципиальной схемы автоматического терморегулятора тёплого пола

Принципиальная схема устройства (см. Приложение «Электронные часы» Схема принципиальная 220301.51Э3) раскрывает основные особенности схемотехнического построения разрабатываемого устройства. Принципиальная электрическая схема автоматизации- это проектный документ, определяющий полный состав электрической части и связей между ее элементами, а также дающий детальное представление о принципах работы системы.

Принципиальные схемы служат основанием для разработки других чертежей, а также используются при наладке и эксплуатации систем автоматизации. Они разрабатываются в соответствии с техническим заданием и на основании решений, принятых в функциональной схеме автоматизации. На чертежах принципиальных электрических схем должны изображаться элементные схемы управления.

Устройство выполнено на микроконтроллере Arduino Mega. Применение микроконтроллера позволяет создать терморегулятор для контроля и управления автоматической системы «Тёплый пол». Микроконтроллер позволяет сократить набор применяемых элементов и упростить задачу сборки и монтажа устройства, обеспечивая надёжный запуск контроллера и достигая необходимых результатов. Микроконтроллер повышает вероятность отсутствия сбоев и ошибок в работе[6].

Управление электронными часами производит микроконтроллер, согласно загруженной в него микропрограмме. Применение микроконтроллера позволило существенно сократить количество элементов, используемых при создании электрической принципиальной схемы, так же большая часть функций выполняется программно при помощи микроконтроллера. Также использование микроконтроллера позволяет легко модернизировать устройство, добавить в него новых функций, «обучить» новому алгоритму работы. Все это становится возможным при изменении управляющей микропрограммы, находящейся в памяти микроконтроллера.

В схеме устройства присутствует переменный резистор R4, при помощи которого пользователь может изменять температуры нагрева пола в большую или меньшую сторону.

Резисторы R1-R3 - ограничивают ток, протекающий по данному участку цепи, таким образом, предотвращая перегрузку портов микроконтроллера, которые не способны выдавать большой выходной ток.

Напряжение питания микроконтроллера составляет 12 В. Микроконтроллер может работать с напряжением до 20 В, но для стабильной работы и во избежание перебоев и сгорания элементов был выбран оптимальный вариант питания 12 В.

Диод VD2 - выполняет функцию защиты системы от подачи обратного напряжения.

Датчик температуры DS18B20, на схеме указанный DA1 -является чувствительным элементом, измеряющим температуру пола.

Светодиод VD1 - служит для визуального слежения о состоянии работы устройства (включено или отключено).

Реле К1 - служит для замыкания или размыкания отдельных участков цепей, в данной схеме для включения или отключения нагревательного элемента.

LCD дисплей - служит для визуального слежения заданной и реальной температуры и контроля температуры пользователем.

Транзистор VT1 - в данной схеме служит ключом для пропускания 12В на реле К1, а управление базой производиться через Arduino.

1.7 Инструкция пользователю

Электронные часы, должны оповещать пользователя о настоящем времени и обеспечивать визуальное оповещение реального времени.

В связи с этим для обеспечения корректной работы макета необходимо выполнить ряд предписаний:

1. Работа часов должна производиться в помещениях, отвечающих следующим требованиям:

- с низким уровнем запылённости;

- с низким уровнем влажности воздуха.

2. Электрическое питание модели датчика осуществляется постоянным напряжением величиной от 5 до 12В.

3. Устройство работает в режиме с постоянным питанием от электросети.

4. Настройка часов производиться автоматически с помощью задаваемой программы.

5. При работе с моделью необходимо аккуратное и бережное отношение и недопущение его механических повреждений.

электронный часы микроконтроллер

1.8 Листинг программы

#include<LiquidCrystal.h>

#include <OneWire.h>

OneWireds(10); // Подключаем датчик к 8 цифровому пину

LiquidCrystallcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); //Подключаем LCD

void setup(void)

{

pinMode(A0,INPUT);

pinMode(7, OUTPUT);

Serial.begin(9600);// Связь с ПК

lcd.begin(16, 2); //16 знаков, 2 строки

lcd.print("Temperature:"); //Печатаем верхнюю строку LCD

}

void loop(void)

{

bytei;

bytetype_s;

byte data[12];

byteaddr[8];

floatcelsius, fahrenheit;

inttemp_r;

// Ищем адрес датчика

if (!ds.search(addr))

{

Serial.println("No more addresses.");

Serial.println();

ds.reset_search();

delay(250);

return;

}

// Проверяем не было ли помех при передаче

if (OneWire::crc8(addr, 7)!= addr[7])

{

Serial.println("CRC is not valid!");

return;

}

Serial.println();

// Определяем серию датчика

switch (addr[0])

{

case 0x10:

Serial.println(" Chip = DS18S20");

type_s = 1;

break;

case 0x28:

Serial.println(" Chip = DS18B20");

type_s = 0;

break;

case 0x22:

Serial.println(" Chip = DS1822");

type_s = 0;

break;

default:

Serial.println("Device is not a DS18x20 family device.");

return;

}

ds.reset();

ds.select(addr); // Выбираем адрес

ds.write(0x44, 1); // Производим замер, в режиме паразитного питания

delay(1000);

ds.reset();

ds.select(addr);

ds.write(0xBE); // Считываем оперативную память датчика

for(i = 0; i < 9; i++)

{

data[i] = ds.read(); // Заполняем массив считанными данными

} // Данные о температуре содержатся в первых двух байтах, переведем их в одно значение и преобразуем в шестнадцатиразрядное число

int16_t raw = (data[1] << 8) | data[0]; // Переводим температуру в шкалы по Цельсию и Фаренгейту

if (type_s)

{

raw = raw << 3;

}

if (data[7] == 0x10)

{

raw = (raw & 0xFFF0) + 12 - data[6];

} else {

bytecfg = (data[4] & 0x60);

if (cfg == 0x00)

raw = raw << 3;

else if (cfg == 0x20)

raw = raw << 2;

else if (cfg == 0x40) \

raw = raw << 1;

}

celsius = (float)raw / 16.0;

temp_r = analogRead(A0) / 51+20;

if (celsius>temp_r)

{

digitalWrite(7, HIGH);

}

else

{

digitalWrite(7, LOW);

}

Serial.print("Temp = "); //ПишемвПКинформацию

Serial.print(celsius);

Serial.print(" C, ");

Serial.print(fahrenheit);

Serial.println(" Т");

lcd.setCursor(0, 1); //Пишем в LCD на 2 строке

lcd.print("C:");

lcd.setCursor(2, 1);

lcd.print(celsius); //Цельсии

lcd.setCursor(8, 1);

lcd.print("Т:");

lcd.setCursor(10, 1);

lcd.print(temp_r); // Задаваемаятемпература

}

2. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчёт затрат на проектирование и внедрение продукта

Исчисление себестоимости единицы продукции по элементам называется калькуляцией. В основе калькуляции себестоимости лежит учет эксплуатационных расходов предприятия по элементам и статьям затрат. Планирование, учет и калькуляция себестоимости продукции на предприятиях радиотехнической промышленности осуществляется в соответствии с отраслевыми нормативами, которые устанавливают признаки классификации и состав затрат, включаемых в себестоимость радиотехнической продукции, производиться[3]:

- по природе затрат;

- по видам продукции, работ и услуг;

- по видам расходов

- по месту возникновения затрат;

- по способу отнесения затрат на единицу продукции.

Все затраты, включаемые в себестоимость, делятся на следующие группы:

- затраты промыслового труда (сырья, материал и т.д.)

- затраты живого труда (заработная плата)

Группировка затрат по видам продукции, работ и услуг важно для определения фактической себестоимости изделия. По видам расходов различают статьи калькуляции.

К статьям калькуляции относятся затраты на:

- сырье и материалы;

- покупные комплектующие и полуфабрикаты;

- основную з/п производственных рабочих;

- содержание и эксплуатацию оборудования.

При единичном производстве меняется метод нормативной калькуляции, как системы техноэкономических норм и нормативов материальной, трудовых и денежных ресурсов. Основными показателями являются нормирование расхода комплектующих, основных материалов на единицу продукции.

В структуре капитальных вложений, связанных с автоматизацией управления, выделяют капитальные вложения на разработку проекта автоматизации (затраты на проектирование) и капитальные вложения на реализацию проекта (затраты на внедрение), по формуле

К= Кп + Кр, (1)

где

Кп- капитальные вложения на проектирование;

Кр- капитальные вложения на реализацию проекта.

2.2 Расчёт капитальных вложений на проектирование

Капитальные вложения на проектирование аппаратных средств определяются путем составления смет расходов и включают следующие элементы: стоимость материалов, заработную плату основную и дополнительную с отчислениями в соцстрахование инженерно-технического персонала, непосредственно занятого разработкой проекта; оплату услуг сторонним организациям, если проектирование производится с привлечением сторонних организаций; накладные расходы отдела проектирования. Таким образом, капитальные вложения на проектирование определяются по формуле:

Кп = Км + Кпр + Кс + Кн, (2)

где

Кп - капитальные вложения на проектирование,

Км - стоимость материалов,

Кпр- заработная плата инженерно-технического персонала,

Кс - оплатауслуг сторонним организациям,

Кн - накладные расходы отдела проектирования.

2.3 Затраты на материалы

Определим смету затрат и рассчитаем стоимость материалов Км, пошедших на разработку аппаратных средств. В них входят: носители информации (бумага, Flash - накопитель) и быстроизнашивающиеся предметы труда (ручка, картридж для принтера, клей, резинка). Смета затрат на материалы представлена в таблице 1.

Таблица 1.Смета затрат на материалы

Материал	Цена за единицу, руб.	Количество, шт.	Сумма, Руб.
Flash-накопитель	85	1	85
Бумага	0.3	85	25.5
Услуги печати	0.5	85	42.5
Ручка	3	1	3
		Итого	156

к = 1,1 - коэффициент, учитывающий транспортные расходы, которые составляют 10 % стоимости материалов; Стоимость материалов с учетом транспортных расходов составляет Рм.т. = 1.1 • 156 = 171.6

2.4 Расчёт эксплуатационных затрат

Затраты на реализацию. Определим капитальные затраты на реализацию электронного датчика микроклимата. Затраты на покупку комплектующих изделий сведем в таблице 2

Таблица 2. Затраты на покупку комплектующих изделий

Материал	Цена за единицу, руб.	Количество, шт.	Сумма, руб.
Семисегментный индикатор с общим анодом	50	4	200
Резистор 230 кОм	0.3	4	1.2
Резистор 4.7 кОм	0.3	12	3.6
Светоизлучающий диод	2	1	2
Транзистор ВС547	2	4	8
МикроконтроллерArduino Mega	135	1	135
Плата Breadboard	85	2	170
Блок питания на 12В	100	1	100
		Итого	619.8

Стоимость комплектующих с учетом транспортных расходов составляет: Рк.т. = 1.1 • 619.8 = 681.78 руб.

Затраты на оплату труда

Проектируемое устройство изготавливается в единичном экземпляре в лабораторных условиях. Вся работа выполняется рабочим-монтажником 2-го разряда, сдельная часовая тарифная ставка, которого равна 29 руб/ч.

Для расчета зарплаты по монтажу и сборке учитывается сдельно-премиальная система оплаты труда, т.к. на эти операции установлены производственные расценки для расчета зарплаты по наладке и регулировке используем повременную оплату труда регулировщика, часовая ставка которого составляет 31 руб/ч.

Рабочее время изготовителя подразделяется на выполнение заданных операций.

Подготовительно-заключительное время - это время, необходимое для ознакомления с работой, подготовки и завершению поставленной производственной задачей.

Время на отдых и личные надобности - перерывы в течение смены для отдыха, время, затраченное на личные и естественные надобности.

К нормируемым затратам рабочего времени относятся подготовительно-заключительное, оперативное время обслуживания рабочего места.

Сдельная зарплата, за работу, выполненную монтажником 2-го разряда определяется по формуле:

(3)

где -суммарноевремя на выполнение операций с учетом времени на личные нужды и отдых, и время на подготовку и заключение операций;

Ci - часовая тарифная ставка операции.

Таблица 3.Затраты на оплату труда

Вид работы	Разряд	Время выполнения, ч	Часовая тарифная ставка, руб/ч	З/п, руб.
Монтаж	2	2	29	58
Сборка	2	2	31	62
Регулировка	2	1	31	31
Итого:	151

Оплата сторонним организациям и накладные расходы

Затраты на оплату работ сторонним организациям не производились поэтому коэффициент Кс равен нулю.

Накладные расходы (Кн) на разработку берутся в размере 45 % от основной заработной платы разработчиков аппаратных средств для покрытия административно-хозяйственныхи других, не предусмотренных расходов

Кн =руб. (4)

Общая величина капитальных вложений

Полная себестоимость изделия, изготовленного в единичном экземпляре в лабораторных условиях, представляет собой сумму всех производственных затрат, зарплаты и всех видов отчислений.

Расходы на производство по статьям затрат сведены в таблице 4.

Таблица 4. Капитальные вложения

Статьи	Сумма, руб.
Материалы и покупные полуфабрикаты	171.6
Комплектующие изделия	681.78
Основная заработная плата	151
Накладные расходы	67.95
Итого	1072.33

Таким образом затраты на изготовления устройства составили примерно 1072.33руб.

2.5 Расчёт на проектирование и внедрение продукта

Экономическая эффективность -- результативность экономической системы, выражающаяся в отношении полезных конечных результатов ее функционирования к затраченным ресурсам. Складывается как интегральный показатель эффективности на разных уровнях экономической системы и является итоговой характеристикой функционирования национальной экономики.

Годовой экономический эффект рассчитывают по формуле (5):

Эс=Этр-Ен*Кн-Сфэ, (5)

где Эс - годовой экономический эффект;

Этр - годовая экономия от применения внедрения задачи;

Ен - нормативный коэффициент экономической эффективности (Ен=0,15);

Кн - единовременные затраты связанные с внедрением задачи равны стоимости затраты на реализацию + зарплата рабочему-монтажнику.

Коэффициент доходности от внедрения программного средства вычисляется по формуле (6):

Ерс = Эс/Кн, (6)

внедрение программного обеспечения экономически эффективно, так как Ерс>Ен.

Исходя из всех вычислений ясно, что внедрение и использование данного программного средства является целесообразным с экономической точки зрения.

3. ОХРАНА ТРУДА.ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЭЛЕКТРОНЕНЫХ УСТРОЙСТВ

3.1 Потенциально опасные и вредные производственные факторы

Важным моментом в комплексе мероприятий направленных на совершенствование условий труда являются мероприятия по охране труда. Этим вопросам с каждым годом уделяется все большее внимание, т.к. забота о здоровье человека стала не только делом государственной важности, но и элементом конкуренции работодателей в вопросе привлечения кадров. Для успешного воплощения в жизнь всех мероприятий по охране труда необходимы знания в области физиологии труда, которые позволяют правильно организовать процесс трудовой деятельности человека.

В данном разделе дипломной работы освещаются основные вопросы техники безопасности и экологии труда. В качестве примера оптимального рабочего места программиста приводится анализ характеристик помещения и расчет искусственного освещения.