Разработка прибора пропорционального управления радиоуправляемыми моделями на микроконтроллере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Обзор аналогичных устройств

2. Выбор и обоснование структурной схемы

3. Конструктивный раздел

Выводы

Перечень ссылок

Введение

Контрольная работа посвящена разработке прибора пропорционального управления радиоуправляемыми моделями на микроконтроллере.

Целью контрольной работы является рассмотрение радиоуправляемых устройств выполненных различными способами, рассмотрение достоинств и недостатков этих устройств и с создание своего устройства опираясь на рассмотренные варианты.

Актуальность тема заключается в том, что радиоуправляемые модели начинают набирать популярность в различных областях деятельности человека, существует многое множество способов применения таких устройств, однако все они управляются устройствами принцип работы которых остается схожим, будь то использования устройств в качестве управления игрушечных моделей, или использования в военных целях. Основной задачей данной темы является усовершенствование способов радиоуправления моделями, а именно улучшение помехозащищенности, увеличение количества каналов связи при допустимой длительности сигнала и уменьшения энергопотребления радиомоделей.

Исходя из указанной цели, можно выделить частные задачи, поставленные в курсовой работе:

1. На основе анализа литературы выявить основные достоинства и недостатки рассмотренных схем.

2. Разработка структурной и принципиальной электрических схем основываясь на анализе предыдущих устройств.

3. Основываясь на выборе структурной схемы провести расчет основных характеристик.

4. Рассмотрение конструктивных особенностей устройства.

1. Обзор аналогичных устройств

В этом разделе рассмотрим аналогичные устройства, которые по функциональному назначению близки к пульту управления.

Рассмотрим принцип работы первого устройства по его принципиальной схеме, которая изображена на рисунке 1.1.

Рисунок. 1.1. - Принципиальная схема оптического передатчика команд на микроконтроллере ATtiny13.

Система предназначена для независимого управления четырьмя объектами. На пульте есть четыре кнопки, а на приемнике есть четыре выхода. Каждая кнопка пульта отвечает за свой выход приемника, каждое нажатие кнопки меняет состояние соответствующего выхода приемника. На выходах приемника установлены ключи на полевых транзисторах.

Состояния каждого выхода может быть только два - ключ открыт и ключ закрыт. Выходы можно нагрузить светодиодами оптореле или опто-симисторов, обмотками электромагнитных реле или постоянными резисторами, если нужно получение логического сигнала необходимого уровня.

Дальность действия системы в основном зависит от яркости излучающего ИК-светодиода, используемого в пульте, и чувствительности интегрального фотоприемника, используемого в приемнике. Практически она не меньше 15 метров. В данной системе используются на выходе пульта и входе приемника стандартные детали систем дистанционного управления, - ИК-светодиод и интегральный фотоприемник с резонансной частотой 38 kHz. Но система кодирования своя, поэтому данная система никак не мешает работе систем дистанционного управления любой другой аппаратуры, и не управляется стандартными пультами ДУ.

Обычно в пультах используется одна частота модуляции несущей (то есть частоты излучения ИК-светодиода) -- на неё настроен и пульт, и приёмник. Частоты модуляции обычно стандартны -- это 36 кГц, 38 кГц, 40 кГц . Редкими считаются частоты 56 кГц . Передача сигнала осуществляется излучением ИК-светодиода с соответствующей частотой модуляции. Для частот от 30 до 50 кГц обычно используются светодиоды с длиной волны 950 нм, а для 455 кГц -- специальные светодиоды с длиной волны 870 нм (на эту длину волны и высокую частоту модуляции ориентированы специализированные приёмники TSOP5700 и TSOP7000).

Несколько таких модулированных передач и гашений (пачек импульсов) формируют кодированную посылку (см. ниже). Приёмник ИК-сигнала состоит из нескольких каскадов усилителей и демодулятора (частотного детектора) и чувствителен к сигналу до ?90дБ(большинство радиолюбительских схем имеют чувствительность до ?60 дБ). Также практически все производимые серийно ИК-приёмники имеют ИК-светофильтр (тёмно-красная линза или пластина). Сам модуль ИК-приёмника имеют всего три вывода: Питание, Земля, Выход данных.

Достоинством данной схемы можно считать дешевизну, простоту программной и аппаратной части.

Из недостатков можно выделить малую дистанцию управления, тем более, что передатчик всегда должен быть направлен на приемник, также имеим малую помехозащещенность.

Рассмотрим принцип работы второго устройства по его принципиальной схеме, которая изображена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Схема электрическая принципиальная радиоуправления пульта команд на микроконтроллере ATmega8L.

Передающая часть состоит из (передатчика MAX1479 + шифратор команд ATMEGA8L) рис2. Посылка команды осуществляется нажатием кнопок SB1-SB15,дополнительная кнопка SB16 служит для выключения всех нагрузок, кнопка SB17 служит для включения всех нагрузок, Сигнал закодированный микроконтроллером поступает через инвертор(VT1) на вход передатчика MAX1479 который выдаёт высокочастотный амплитудно-импульсной сигнал в антенну. Передатчик построенный на специальной микросхеме MAX1479, маломощный передатчик способный работать на частоте от 300-450 МГц, с амплитудно-импульсной модуляцией, частота генерации задаются кварцем частотой 13,560 МГц, которая в микросхеме умножается в 32раза, F (передатчика) =13,560х32=433,92 МГц. Кодер построен на мк ATMEGA8L, в варианте L, мк питается от пониженного напряжения от 2.7-5.5В. Все кнопки включены по матричной системе, линии которых подключены на диоды VD1-5, через них поступает сигнал на вход внешнего прерывания PD2, который заставляет проснутся микрок онтроллер из пониженного режима энергопотребления (Power-down) . С вывода 32DD1 поступает сигнал разрешающий работу усилителю мощности передатчика. Цепочка со светодиодом HL1, сигнализирует о генерации сигнала кодером.

Достоинство данной схемы это большое количество каналов, а также использования импульсно кодового кодирования, что повышает помехозащищенность

Недостатком является то, что при таком большем количестве каналов наш сигнал передается сравнительно долго.

Рассмотрим принцип работы третьего устройства по его принципиальной схеме, которая изображена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Схема электрическая принципиальная пульта команд на микроконтроллере ATtiny2313.

Для передачи команд используется широко импульсное кодирование (PPM). Принцип такого подхода заключается в том, что при нажатии датчиков включается таймер, который определяет каналы, под каждую команду определен соответствующий интервал он будет суммироваться с интервалом канала, тогда на приемной части нам потребуется запустить таймер и определить какой датчик нажат, считав время принятого сигнала.

PPM используется и в обычных пультах дистанционного управления с инфракрасным передатчиком, а также в некоторых других системах связи, где отсутствуют требования серьезной помехоустойчивости.

PPM сигнал представляет собой последовательность импульсов имеющих постоянную длительность, но разнесенных друг от друга на разные промежутки времени. Именно величина этих промежутков и задает кодируемые значения. Группы импульсов объединяются в пакеты, называемые также фреймами.

Микроконтроллер DD1 ATtiny2313 формирует необходимую последовательность битов команды на выводе PB4 в соответствии с уровнем сигналов на входах порта PD. Питание на передатчик - модуль DA2 и микроконтроллер подается через транзисторный ключ VT1. Ключ открывается при нажатии любой кнопки S1…S6. Диоды VD7..VD12 предназначены для защиты входов DD1 от напряжения питающей батарейки (более 12В). При замыкании кнопки, на соответствующем входе DD1 формируется уровень напряжения близкий к логическому нулю. Уровень логической единицы при не нажатых кнопках обеспечивается внутренними «подтягивающими» резисторами микросхемы.

Диоды VD1..VD6 при замыкании любой кнопки формируют низкий уровень напряжения на базе транзисторного ключа VT1, тем самым его открывая. оптический микроконтроллер радиоуправление импульсный

Питание пульта управления осуществляется от батареи А23 напряжением 12В и одного элемента ААА. Дополнительный элемент ААА 1,5В используется только для «заполнения свободного места» в батарейном отсеке и без него можно обойтись.

Достоинством данной схемы можно считать простоту по сравнению с импульсно кодовым кодированием, а также большей скорости передачи посылки.

Из недостатков отметим слабую помехозащищенность.

2. Выбор и обоснование структурной схемы

Проведя анализ устройств в предыдущем разделе, мы разработали структурную схему для модуля кодирования команд.

В качестве кодирующего устройства мы используем микроконтроллер семейства AVR (ATmega8a). Датчиками команд у нас являются четыре тактовых кнопки. Поскольку кварцевый резонатор в 2500 раз точнее внутреннего генератора, будем использовать внешний кварцевый резонатор на 8000000Гц для него используем два нагрузочных конденсатора на 20пФ.

В нашем устройстве мы программно реализуем импульсно кодовое кодирование (PPC). Этот вид кодирования имеет лучшею помехозащищенность, но стоят они дороже чем пульты с широко импульсным кодированием (PPM) кроме этого для PPC не существует обще признанных стандартов, и каждый разработчик аппаратуры придумывает свой механизм кодирования данных. Данные со всех каналов объединяются в последовательность, к ним добавляется синхропакет, контрольная сумма, и все это подается на модулятор. В приемнике, после детектора, сигнал поступает на микроконтроллер, который по синхропакету определяет начало фрейма данных, декодирует их, проверяет контрольную сумму и в зависимости от результата решает, что делать дальше (выдать на рулевые машинки, проигнорировать, перейти в режим failsafe и т.д.).

Вторым нюансом PCM является то, что данные передаются несколько дольше, чем в PPM. Это легко подсчитать. Надо транслировать 8-10 каналов, по 8-10 бит на канал. Плюс контрольные суммы, служебная информация и синхропоследовательность. Итого, получается 100-160 бит. Ввиду того, что спектр излучения передатчика ограничен, длительность одного бита не может быть меньше 0.3 мс. Таким образом, на передачу полного фрейма данных

Частота нашего генератора составляет 8 Мгц. Определим период .

T = 1/T = 1/800000 = 125 * 10^-7c.

Из выходных данных проекта нам известно что длительность синхронизирующего сигнала должна быть равна 8*10^-6 c. Поскольку разрядность нашего синхронизирующего сигнала составляет 4 бит длительность 8 бит будет равна 1,6*10^-5 мкc и 1 бита будет равна 2*10^-6 мкc.

Чтобы определить задержку необходимую чтобы длительность одного бита была равна 2*10^-6 мкc определим число тактов которое заполняется за время 1 бита.

Nt = Tcc / T = 2*10^-6/ 1,25 * 10^-7 = 16

Проверим

T * 16 * 4 = 125 * 10^-7 * 16 * 4 = 8*10^-6c

Таким образом для того чтобы длительность нашей 8 битной посылки была равна 1,6*10^-5 мкc согласно нашей частоте мы устанавливаем задержку в цикле на заполнение до числа 16.

3. Конструктивный раздел

Задачей данного раздела курсовой работы является разработка конструкции печатной платы кодирующего устройства, котороя была спроектированная в программе Sprint Layout 6.0 и изображена на рис. 4.2. (Приложение В).

Sprint Layout это простая и эффективная программа для проектирования печатных плат Программа позволяет работать с двум слоями для каждой стороны платы. Дополнительные возможности -- слой паяльной маски, металлизация, SMD - маска. Встроенный трассировщик только помогает разводить проводники, и не является автоматическим. В библиотеке содержатся наиболее распространенные электронные компоненты, а при необходимости можно добавить необходимые компоненты из интернета. В программе реализована возможность экспортировать результаты работы в популярные форматы Excellon и Gerber, а также создать файл HPGL для обработки печатной платы на программно упровляемом фрезерном станке.

В процессе проектирования печатной платы необходимо решить следующие задачи: рационально скомпоновать конструктивно-технологические зоны на печатной плате ячейки; выбрать типоразмеры печатной платы; определить метод изготовления печатной платы;

Печатная плата (ПП) - это конструктив электронного устройства (ЭУ), представляющий собой жесткую или гибкую пластинку из диэлектрика (или металла, покрытого диэлектриком), содержащую на поверхности пленочные проводники, служащие в дальнейшем для электрического соединения выводов различных изделий электронной техники (ИЭТ) (например, ИС, диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.), устанавливаемых на пластинке.

В нашем случае в качестве материала ПП выбран стеклотекстолит толщиной 1,5 мм.

Трассировка соединений является, как правило, заключительным этапом конструкторского проектирования РЭА и состоит в определении линий, соединяющих эквипотенциальные контакты элементов, и компонентов, составляющих проектируемое устройство.

Задача трассировки -- одна из наиболее трудоемких в общей проблеме автоматизации проектирования РЭА. Это связано с несколькими факторами, в частности с многообразием способов конструктивно-технологической реализации соединений, для каждого из которых при алгоритмическом решении задачи применяются специфические критерии оптимизации и ограничения. С математической точки зрения трассировка -- наисложнейшая задача выбора из огромного числа вариантов оптимального решения.

Одновременная оптимизация всех соединений при трассировке за счет перебора всех вариантов в настоящее время невозможна. Поэтому разрабатываются в основном локально оптимальные методы трассировки, когда трасса оптимальна лишь на данном шаге при наличии ранее проведенных соединений.

Основная задача трассировки формулируется следующим образом: по заданной схеме соединений проложить необходимые проводники на плоскости (плате, кристалле и т. д.), чтобы реализовать заданные технические соединения с учетом заранее заданных ограничений. Основными являются ограничения на ширину проводников и минимальные расстояния между ними.

Общее описание микроконтроллера Atmega8

Рисунок 4.1. - Расположение выводов микроконтроллера Atmega8

8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением

Прогрессивная RISC архитектура 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл

32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения Полностью статическая работа

Приближающаяся к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц) производительность

Встроенный 2-цикловый перемножитель

Энергонезависимая память программ и данных

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

Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи

Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки

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

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

Три канала PWM

8-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусах TQFP)

6 каналов с 10-разрядной точностью

2 канала с 8-разрядной точностью

6-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусе PDIP)

4 канала с 10-разрядной точностью

2 канала с 8-разрядной точностью

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

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

Выводы I/O и корпуса

23 программируемые линии ввода/вывода

28-выводной корпус PDIP, 32-выводной корпус TQFP и 32-выводной корпус MLF

Рабочие напряжения

2,7 - 5,5 В (ATmega8L)

4,5 - 5,5 В (ATmega8)

Рабочая частота

0 - 8 МГц (ATmega8L)

0 - 16 МГц (Atmega8

Выводы

В ходе выполнения курсового проекта, были рассмотрены аналогичные решения, На основе проработанных и изученных источников литературы был сделан обзор аналогичных устройств и схемотехнических решений.

Проведя тщательный анализ аналогичных устройств была разработана структурная схема кодирующего устройства, а так же построена схема электрическая принципиальная. В основе схемы устройства микроконтроллер семейства AVR серии ATmega8.

В расчётной части был проведён расчёт временной задержки. В конструктивном разделе была рассмотрена печатная плата устройства.

Перечень ссылок

1. “500 схем для радиолюбителей. Дистанционное управление моделями.

2. Схема электрическая принципиальная радиоуправления пульта команд на микроконтроллере ATmega8L.

3. Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR - М:изд. Додэка, 2004. - 289с.

Размещено на Allbest.ru