Розробка мікропроцесорного пристрою охоронної сигналізації квартир одного під'їзду багатоповерхової будівлі

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОМП'ЮТЕРНІ СИСТЕМИ ТА МЕРЕЖІ

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з Основ схемотехніки

на тему: Розробка мікропроцесорного пристрою охоронної сигналізації квартир одного під'їзду багатоповерхової будівлі

Студента (ки) 1 курсу 535 групи

напряму підготовки спеціальності

Мазур Д.С.

Керівник Грушко С.С.

м. Запоріжжя - 2016 рік

РЕФЕРАТ

ПЗ: 23с., 1 таблиця, 10 рисунків, 1 додаток.

Об'єкт розроблення - в курсовій роботі необхідно створити охоронну сигналізацію для 10 приміщень багатоповерхового будинку. Для створення пристрою буде застосовуватись мікроконтролер, який буде виконувати основні функції сигналізації.

Мета роботи - створити охоронну сигналізацію для багатоквартирної будівлі, використовуючи мікроконтролер. Мікроконтролер повинен бути запрограмований так, щоб при відкритті одної з дверей будинку спрацьовувала сигналізація, а про спрацюванні сигналізації загорявся відповідний світлодіодний індикатор.

Метод дослідження - розрахунково-аналітичний, з використанням пакетів: MS Word, MS Visio, Proteus та AVRstudio.

Дану курсову роботу можна буде використати для створення охоронної сигналізації для багатоквартирного будинку. З певними доробками у програмному коді та принципіальній схемі даний проект можна буде застосовувати як надійний та правильно функціонуючий базовий елемент охоронної системи багатоповерхових будівель.

СИГНАЛІЗАЦІЯ, БАГАТОПОВЕРХОВА БУДІВЛЯ, СВІТЛОДІОД, МІКРОПРОЦЕСОР, ПРИНЦИПІАЛЬНА СХЕМА, ПРОГРАМУВАННЯ МІКРОПРОЦЕСОРА, МОВА C, ASSEMBLER.

ЗМІСТ

• ВСТУП
• 1. АНЛІЗ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ
• 2. СТРУКТУРА ПРИЛАДУ, ЩО РОЗРОБЛЮЄТЬСЯ
• 2.1 Пристрій та структурна схема сигналізації
• 2.2 Опис пристрою
• 3. ВИБІР АПАРАТНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
• 3.1 Основні характеристики та аналіз мікроконтролерів
• 3.2 Вибір інших елементів пристрою
• 4. РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
• 4.1 Вибір середи програмування
• 4.2 Програмування мікроконтролеру
• 5. ФІНАЛЬНЕ НАЛАШТУВАННЯ ТА ТЕСТУВАННЯ
• ВИСНОВОК
• СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

• ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ

Слово (словосполучення)	Скорочення
Персональний комп'ютер	ПК
Light-emitting-diode	LED
Кілобайт	кБ
Аналого-цифровий перетворювач	АЦП

• 

ВСТУП

В сучасному світі для того, щоб залишити свої речі у безпеці зазвичай використовують різні види замків, які в певному сенсі зможуть зберегти те, що є дорогим для власника, від небажаних осіб. Але не завжди одного замка достатньо для того, щоб бути впевненим у безпеці чого-небудь. Саме тому зі стрімким розвитком аналогових та цифрових технологій почали створювати сигналізації.

Сигналізації використовуються у багатьох сферах життя людини. Сигналізації бувають пожежними, попереджувальними, медичними, автомобільними та охоронними. Саме про охоронні сигналізації буде йти мова у курсовій роботі.

Охоронні сигналізації в основному використовують для захисту різного роду приміщень, таких як: офіс, гараж, будинок чи квартира. Зазвичай такі сигналізації складаються з датчику, який встановлюється на дверях та вікнах, мікроконтролеру та, безпосередньо, різного виду сигналів. Зазвичай це звукова сирена. Також використовуються і світові діоди, які загоряються на панелі та викликають охоронні служби чи поліцію.



1. АНАЛІЗ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ

Завданням курсової роботи є розробка сигналізації для 10 квартир багатоквартирної будівлі. Сигналізація складається з мікроконтролеру, який буде виконувати всі необхідні операції для правильного функціонування, датчиків відкриття дверей, які будуть подавати сигнал тоді, коли двері при ввімкненій сигналізації відчиняться, та пристроїв виводу, а саме з 10 LED-діодів, кожен з яких буде відповідатиме певному номеру квартири. Також будуть використовуватись інші елементи, які будуть забезпечувати схемі всі необхідні для правильного функціонування дії.

Сигналізація по своїй будові буде досить простою, що значно скоротить бюджет та час її створення, під час роботи ця сигналізація буде дуже надійною та допоможе зберегти квартиру від небажаних гостей.

У стані «Чергування» та при ввімкнених датчиках сигналізація буде повністю функціонуючою. При спрацьовуванні датчику відкриття двері будь-якої квартири на панелі у охоронця загориться червоним певний LED-діод, який сигналізуватиме про те, що двері були відчинені. При повторному закритті відкритті дверей сигналізація продовжуватиме сповіщати охоронця про те, що двері були відчинені. В разі, якщо тривога була помилковою та охоронець переконався в тому, що квартира у безпеці, він натискає кнопку «Відбій», яка відключає LED-діод та ставить сигналізацію у стан «Чергування».

Джерело енергії для такої сигналізації може бути достатньо малим: приблизно 7-12 вольт, що дозволяє економити на енерговитратах будівлі. Також в разі відключення живлення у будівлі така сигналізація може працювати від незалежного джерела, такого як акумулятор, який при ввімкненому світлі заряджається від основної мережі. Це робить таку сигналізацію дуже актуальною, надійною та безпечною, оскільки вона не потребує великої напруги живлення.



2. СТРУКТУРА ПРИЛАДУ, ЩО РОЗРОБЛЮЄТЬСЯ

В цьому розділі буде йти мова про пристрій курсової роботи, його схему та опис.

2.1 Пристрій та структурна схема сигналізації

Сигналізація для курсової роботи буде складатися з таких пристроїв: мікроконтролер, датчики відкриття двері, які відстежують стан положення двері, LED-діодів, що будуть сповіщати про несанкціоноване відкриття двері, джерела живлення та ліній зв'язку, якими виступатимуть звичайні мідні дроти. Для зручного монтажу сигналізації також можна використати плату, на якій буде кріпитися основний елемент схеми - восьми бітний мікропроцесор. Структурна схема сигналізації зображена на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурна схема сигналізації

2.2 Опис пристрою

сигналізація мікроконтролер програмування пристрій

Опис пристрою сигналізації для курсової роботи найлегше здійснити за допомогою структурної схеми, зображеної на рисунку 2.1. Як зазначено на схемі, найголовнішим елементом схеми є мікроконтролер, але він не буде правильно діяти без інших елементів.

При спрацьовуванні одного з датчиків відкриття дверей подається цифровий сигнал, який відкриває чи закриває перемикач. Якщо перемикач відкривається, подається сигнал до мікроконтролера. Мікроконтролер запрограмований так, щоб при подачі на певний вхід сигналу, він подає сигнал на панель індикації. Панель індикації складається з LED-діодів, що загораються в залежності від датчику відкриття. Мікропроцесор подає сигнал таким чином, що при ввімкненні діоду сигнал буде горіти незалежно від подальшого тану датчику відкриття двері. Це дасть змогу охоронцю зреагувати на сигнал. Слід відзначити, що LED-діод в разі потреби буде горіти красним кольором. В разі потреби вимкнути сигналізації та поставити її на вхідне становище на панелі індикації буде виведена кнопка «Reset». При першому натисканні на кнопку вимикається сигналізація, а при другому - знову вмикається. Джерелом даного пристрою є звичайна акумуляторна батарея, яка подає напругу на мікропроцесор. На інші елементи напруга подається вже через нього, що гарантує певну безпеку та надійність сигналізації. Також при необхідності до цієї сигналізації можна додати звукове сповіщення. Слід відзначити, що датчиків відкриття та індикаторів буде 10, а мікропроцесор використовується лише один. Це значно здешевлює весь пристрій сигналізації, а невелика кількість квартир дозволяє встановити недорогий та досить надійний восьми бітний мікропроцесор, якому поставлені задачі будуть під силу. Також треба вказати, що для зручності в експлуатації, кожний діод відповідає певній квартирі і загоряється лише той діод, який відповідає за квартиру, де спрацював датчик відкриття двері.



3. ВИБІР АПАРАТНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

В цьому пункті біде йтись про вибір апаратних пристроїв, що застосовуватимуться в курсовій роботі.

3.1 Основні характеристики та аналіз мікроконтролерів

Зараз на ринку існує величезна кількість мікроконтролерів, які відрізняються один від одного за багатьма характеристиками. Є мікропроцесори бюджетного варіанту, які є 8- 16-бітовими. Ці процесори дуже прості у використанні та програмуванні. Також є дорого процесори, ті що використовуються в ПК, але вони є дуже складними та не всі процесори такого класу взагалі можна перекодовувати.

Мікроконтромлер (англ. microcontroller) це виконана у вигляді мікросхеми спеціалізована мікропроцесорна система, що включає мікропроцесор, блоки пам'яті для збереження коду програм і даних, порти вводу-виводу і блоки зі спеціальними функціями (лічильники, компаратори, АЦП та інші).

Використовується для керування електронними пристроями. По суті, це -- однокристальний комп'ютер, здатний виконувати прості завдання. Використання однієї мікросхеми значно знижує розміри, енергоспоживання і вартість пристроїв, побудованих на базі мікроконтролерів.

Мікроконтролери можна зустріти в багатьох сучасних приладах, таких як телефони, пральні машини, вони відповідають за роботу двигунів і систем гальмування сучасних автомобілів, з їх допомогою створюються системи контролю і системи збору інформації. Переважна більшість процесорів, що випускаються у світі -- мікроконтролери.

Дуже популярними на даний час є мікропроцесори фірми Atmel. Вони недорогі, прості у використанні та фірма надає всі необхідні програми для програмування цих процесорів. Найбільш підходящі мікроконтролери цієї фірми це ATmega 8 та ATtiny.

ATtiny є мікроконтролером сімейства AVR. Він може мати від 0,5 до 16 кБ пам'яті програм, може працювати з оперативною пам'яттю до 1024 байт та потребує напругу живлення від 1,8 до 5,5 вольт. Зовнішній вигляд цього мікроконтролера зображений на рисунку 3.1.

Рисунок 3.1 - Мікроконтролер ATtiny

Але мікроконтролер, на який пав вибір для створення сигналізації, має назву ATmega8. Цифра 8 вказує на розрядність контролера, тобто ця лінійка мікропроцесорів має також 16 та 32 розрядні версії. На відміну від ATtiny ATmega має розширений набір підключення периферійних пристроїв, може працювати з оперативною пам'яттю до 8 кБ та потребує також напругу: від 1,8 до 5,5 вольт. Зовнішній вигляд мікроконтролеру ATmega 8 зображений на рисунку 3.2.

Рисунок 3.2 - Мікроконтролер ATmega8 у корпусі DIP



3.2 Вибір інших елементів пристрою

Для правильного функціонування сигналізації використовуються датчики відкриття двері, які є невід'ємною частиною пристрою. На даний момент можна знайти багато різних датчиків, але суть їх усіх однакова. Кожен з цих датчиків побудований на герконах.

Геркон (скорочення від герметичний контакт) - електромеханічний пристрій, перемикач, рух електричних контактів якого керується магнітним полем.

Геркон являє собою герметичну скляну колбу в якій знаходяться дві (або більше) металічні контактні пластини. Всередині колби контакти гнучкі, бо обидва виконані у формі тонкої пластини, котра має довжину трішечки більшу за половину довжини колби. Ці пластини розташовані у паралельних площинах на малій відстані один від одного. Також виробляються геркони з перекидним контактом. У ньому центральний контакт виходить з одного боку колби та два других з іншого. Гнучким є тільки центральний контакт, який в присутності магнітного поля замикає один контакт або другий контакт при відсутності поля.

Геркон є складовою частиною герконового реле. У парі з магнітом геркон використовується як безконтактний перемикач або датчик положення.

Приклад застосування датчику відкриття двері зображений на рисунку 3.3.



Рисунок 3.3 - Приклад застосування датчику відкриття двері

Також для реалізації пристрою сигналізації потрібні світлодіоди. Вони будуть слугувати як індикатори та сповіщатимуть про те, які двері були відчинені.

Світлодіод (англ.Light-emitting-diode)-- напівпровідниковий пристрій, що випромінює некогерентне світло, при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати світло від інфрачервоної ділянки спектру до близької до ультрафіолету. Існують методи розширення смуги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру, рівномірно у всіх напрямках, звичайні світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі. Світлодіоди були удосконалені до лазерних діодів, -- які працюють на тому ж принципі, але можуть напрямлено випромінювати когерентне світло. Зовнішній вигляд діоду зображено на рисунку 3.4.



Рисунок 3.4 - Світлодіод

Для того, щоб не спалити мікроконтролер, на кожен з діодів слід послідовно під'єднати по резистору на 150 Ом.

Рисунок 3.5 - Резистор на 150 Ом

Також для схеми будуть застосовані перемикачі, які є дуже важливою частиною пристрою та джерело на 5,5 вольт, для того щоб було достатньо для мікроконтролера та 10 світлодіодів.



4. РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

В цьому пункті буде зазначено вибрану середу програмування та сам процес програмування мікроконтролера.

4.1 Вибір середи програмування

Як було зазначено раніше, для створення сигналізації для курсової роботи буде використано мікроконтролер ATmega8. Цей мікроконтролер є дуже гнучким при кодуванні а фірма-виробник безкоштовно надає багато різноманітних програм для програмування цього контролеру.

Відомо, що всі мікроконтролери та мікропроцесори програмуються на низькорівневій мові програмування - Assembler.

Асемблер переводить початкову програму, написану на автокоді, в переміщувану програму на мові машинній. Оскільки асемблер здійснює трансляцію на мову завантажувача, при завантаженні програми необхідне налаштування умовних адрес, тобто адрес, значення яких залежать від розташування даної програми в пам'яті ЦВМ і від її зв'язків з іншими незалежно трансльованими програмами.

У простому випадку асемблер переводить одне речення початкової програми в один об'єкт (команду, константу) модуля завантаження (т. з. трансляція «один в один»). При цьому взаємне розташування об'єктів в модулі завантаження і, зрештою, в пам'яті машини визначається порядком пропозицій в початковій програмі на автокоді і повністю залежить від програміста. Асемблер виконує і допоміжні функції, такі, як підготовка до друку документів необхідної форми, реєстрація зв'язків даної програми з іншими програмами і т. д. Для цієї мети в автокодах передбачаються команди асемблера, які не породжують об'єктів в робочій програмі і призначені тільки для вказівки допоміжних дій асемблера.

Трансляція зазвичай вимагає двох переглядів початкової програми: при першому перегляді здійснюється розподіл пам'яті і надання значень символічним іменам; при другому -- формується робоча програма у вигляді модуля завантаження. В процесі трансляції асемблер проводить повний синтаксичний контроль початкової програми (див. синтаксичний аналіз програм), забезпечуючи при цьому достатньо точну діагностику помилок за місцем і характером.

Розширення можливостей автокодів досягається за рахунок використання макрокоманд, що будуються за правилами, близькими до правил написання команд автокоду, але що описують складніші функції, для реалізації яких потрібна група звичайних команд. В цьому випадку перед трансляцією проводиться заміна макрокоманд макророзширеннями -- послідовностями команд на базовій мові відповідно до макроозначень. У останніх задається прототип макрокоманди із структурою списку параметрів і процедура генерування макророзширення. Транслятор, що виконує функції макрогенератора і асемблера, називається макроасемблером. При трансляції з мов високого рівня асемблер нерідко використовується для виконання завершальної фази трансляції.

Оскільки ця мова програмування є досить складною, фірма-розробник мікроконтролеру ATmega надає студію, в якій можна програмувати на мові С, а потім компілювати програму в зрозумілу для мікроконтролера мову. Ця студія має назву AVRstudio (Atmel Studio).

Atmel Studio (до 6 версії AVR Studio) -- інтегроване середовище розробки для програмування та відлагодження програм для мікроконтролерів AVR та AVR32 в операційних системах Windows. Після шостої версії середовище може працювати як і з AVR-контролерами, так і з системами з ARM-архітектурою.

Atmel Studio містить в собі такі інструмени, як вбудований C/C++-компілятор, симулятор мікропроцесорної системи для відлагодження програм, менеджер проектів, редактор коду, модуль внутрішньосхемного відлагодження, а також інтерфейс командного рядка. Крім стандартних елементів, середовище підтримує ряд інших інструментів, таких як компілятор GCC та плагін AVR RTOS (операційної системи реального часу). Крім C/C++, середовище дозволяє програмувати також на асемблері. Інтерфейс програми зображений на рисунку 4.1.

Рисунок 4.1 - Інтерфейс AVRstudio

4.2 Програмування мікроконтролеру

Перш ніж розпочати процес програмування, слід встановити, які за портів контролера будуть відповідати за вхідні стани, а які - за вихідні.

Мікроконтролер, який буде використано в курсовій роботі, має 3 порти по 8 пінів на кожен. Але деякі піни розраховані на для стандартних речей, тому вони не можуть програмуватись. В даному випадку буде застосовану стандартний пін «Reset», який повертає попередні стани контролера. Весь порт типу B та 2 піни з порту C будуть застосовуватись як вхідні, інші (порт D та інші піни з порту C) будуть застосовуватись як вихідні. Задання портів зображене на рисунку 4.2.



Рисунок 4.2 - Налаштування портів мікроконтролера

Після налаштування портів з'являється основне вікно з налаштованими портами, де і пишеться код програми. Код програми мікроконтролера сигналізації зображений на рисунку 4.3.

Рисунок 4.3 - Основний лістинг програми



5. ФІНАЛЬНЕ НАЛАШТУВАННЯ ТА ТЕСТУВАННЯ

Для того щоб перевірити створений проект існує не дуже багато оболонок. Основною програмою, яка симулює роботу мікроконтролера є Proteus.

Proteus являє собою систему схемотехнічного моделювання, що базується на основі моделей електронних компонентів, прийнятих в PSpice. Відмінною рисою пакету Proteus Design є можливість моделювання роботи програмованих пристроїв: мікроконтролерів, мікропроцесорних систем, DSP і ін. Proteus Design включає в себе більше 6000 електронних компонентів з усіма довідковими даними, а також демонстраційні ознайомчі проекти. Додатково в пакет PROTEUS VSM входить система проектування друкованих плат. Пакет Proteus складається з двох підпрограм: ISIS - програма синтезу та моделювання безпосередньо електронних схем і ARES - програма розробки друкованих плат. Разом з програмою встановлюється набір демонстраційних проектів для ознайомлення. Також програма включає в себе інструменти USBCONN і COMPIM, які дозволяють підключити віртуальний пристрій до USB- і COM-портів комп'ютера.

Результат курсової роботи, який було симульовано в Proteus зображено на рисунку 5.1.

Рисунок 5.1 - Сигналізація в програмі Proteus



ВИСНОВОК

На курсовій роботі було створено сигналізацію для 10 квартир багатоквартирного будинку. Сигналізацію було перевірено в програмі симулювання Proteus. Сигналізація працює відповідно до поставленої задачі та виконує всі необхідні функції.

Під час створення курсового проекту було здобуто навички по програмуванню мікроконтролеру типу ATmega8, на базі якого було створено сигналізацію.

Також під час програмування мікроконтролеру виникали деякі проблеми, які заважали функціонувати програмі згідно поставленої задачі. Ці проблеми було виявлено та вирішено. Пристрій є повністю функціонуючим та працюватиме на реальних схемах.



СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1) Васильев О.В. Микроконтроллеры: разработка встраиваемых приложений, изд. «БХВ-Петербург» 2008

2) Renesas, Gartner, Chart created by Renesas Electronics based on Gartner data. Microcontrollers to enable Smart World (Semiconductor Applications Worldwide Annual Market Share: Database) (25 March 2010). Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012.

3) Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем / под редакцией Шахнова В. А.. -- М.: «Радио и связь», 1988. -- Т. 2.

4) Одноплатные микроЭВМ / Под. ред. В. Г. Домрачева.. -- Микропроцессорные БИС и их применение. -- М.: Энергоатомиздат, 1988. -- С. 128. -- ISBN 5-283-01489-4.

5) Глава 2. Элементная база отечественных персональных ЭВМ // Справочник по персональным ЭВМ / Под. ред. чл.-корр. АН УССР Б. Н. Малиновского.. -- К.: Тэхника, 1990. -- С. 384. -- ISBN 5-335-00168-2.

6) Молчанов А. А., Корнейчук В. И., Тарасенко В. П. и др. Справочник по микропроцессорным устройствам. -- К.: Тэхника, 1987. -- С. 288.

7) Баранов, В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы.Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы / В.Н. Баранов. - М.: Додэка-XXI, 2006. - 288 c.

8) Бродин, В.Б. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс / В.Б. Бродин, М.И. Шагурин. - М.: ЭКОМ, 1999. - 400 c.

9) Водовозов, А.М. Микроконтроллеры для систем автоматики: учебное пособие / А.М. Водовозов. - Вологда: ВоГТУ, 2002. - 123 c.

10) Мазиди, М.А. Микроконтроллеры PIC и встроенные системы. Применение ассемблера и С для PIC18 / М.А. Мазиди, Р.Д. МакКинли, Д. Кусэй; Пер. с англ. В.В. Литвина. - СПб.: КОРОНА-принт, МК-Пресс, 2009. - 784 c.

11) Рюмик, С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. Книга 1 / С.М. Рюмик. - М.: Додэка-XXI, 2012. - 356 c.

12) Хартов, В.Я. Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих: Учебное пособие / В.Я. Хартов. - М.: МГТУ им. Баумана, 2012. - 280 c.

13) Шагурин, И.И. Микропроцессоры и микроконтроллеры фирмы Motorola: справочное пособие/И.И. Шагурин. - М: Радио и связь, 1998. - 560 c.



Размещено на Allbest.ru