Светодиодные игрушки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

электронный светодиодный гирлянда игрушка

Введение

1. Исследовательский раздел

1.1 Актуальность и цель разработки

1.2 Обзор существующих технологий

1.2.1 Принцип работы сдвигового регистра

1.2.2 Принцип действия ШИМ

1.3 Обзор существующих аналогов

1.3.1 Елочная светодиодная гирлянда CL-03 40led RGB

1.3.2 Светящаяся звезда SNOWHOUSE

1.3.3 Светодиодная елка LED-TR-159/55

1.4 Выбор средств и технологий

1.4.1 TinyCAD

1.4.2 DesignSpark PCB

1.4.3 Logisim

1.4.4 IAR Embedded Workbench

1.5 Описание используемых технологий

1.5.1 Микроконтроллер Attiny2313

1.5.2 Микросхема К155ИД10

1.5.3 Стабилизатор электрического напряжения 7805

2. Специальный раздел

2.1 Разработка функциональной схемы устройства

2.2 Разработка электронно-принципиальной схемы устройства

2.3 Разработка монтажной схемы устройства

2.4 Описание использованных элементов

2.5 Описание принципа работы устройства

2.6 Расчет параметров разрабатываемого устройства

2.6.1 Расчет надежности светодиодного устройства

2.7 Технические характеристики устройства

3. Программная реализация

3.1 Алгоритм работы программы

3.2 Программная реализация

Заключение

Список нормативных источников

Приложение

Введение

На сегодняшний день наиболее популярны светодиодные игрушки. Таких игрушек на рынке огромное количество, которые имеют различные размеры. Так же такие ингушки создаются и для определенных праздников, например для Нового Года.

Целью данной курсовой работы является разработка устройства светодиодная игрушка - снежинка.

Объектом исследования является способ управления большим количеством светодиодов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

произвести анализ существующих аналогов;

изучить принцип работы регистров сдвига;

изучить принцип работы ШИМ;

разработка алгоритма работы программы.

Поставленные цель и задачи определили структуру работы, которая состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемых источников.

В первой главе рассмотрена актуальность выбранной темы, произведен анализ существующих аналогов, рассмотрены характеристики устройств. Рассмотрен принцип формирования сигнала с использованием регистра сдвига и управление контрастностью светодиодов при помощи ШИМ. Произведен выбор программного обеспечения для разработки схем устройства и написания программного кода (TinyCAD, DesignSpark PCB, Logisim, IAR Embedded Workbench).

Во втором разделе приведены схемы устройства, а именно функциональная схема, электронно-принципиальная схема и монтажная схема. Приведен список используемых элементов и дано обоснование их выбора. И так же был написан программный код на языке Basic.

Научно-методической базой исследования являются книжные издания таких авторов как Евстифеев А.В., Белов А.В., Хартов В.Я., Никулин С.А., Ревич Ю.В., а так же несколько интернет источников.

1. Исследовательский раздел

1.1 Актуальность и цель разработки

Новый год - это самый лучший, любимый и долгожданный праздник в году. Это время подарков и украшения елки и дома. Чаще всего елку украшают традиционными стеклянными шарами, квартиры - гирляндами. Так можно в магазинах продается множество разнообразных новогодних игрушек, от простеньких бумажных до электронных с различными звуковыми или световыми эффектами. Такие электронные игрушки стоят достаточно дорого на рынке. А если нужна игрушка определенной формы или размера. Остается последний вариант сделать ее самостоятельно. Для создание игрушки с управлением и с несколькими возможностями невозможно без использования микроконтроллеров.

1.2 Обзор существующих технологий

1.2.1 Принцип работы сдвигового регистра

Регистр сдвига может хранить 8 бит информации. Каждый бит - это 0 или 1, ложь или истина. При подачи одного бита на регистр, он сдвигает остальные биты находящиеся в нем на один, ставя его на последнею позицию. Отсюда и название - регистр сдвига. Регистр сдвига служит для преобразования последовательного кода в параллельный. Данный регистр обычно используется для формирование большого количества двоичной информации и ее передачи по ограниченному числу линий, что уменьшает число занятых ножек на микроконтроллере, и сокращает количество соединяющих линий на плате, а это приводит к уменьшению размера самой платы. Пример работы регистра представлен на рисунке 1. Регистр заполнен 8-ю битами информации. Требуется записать в него новые 8 бит (11011010).



Рисунок 1. Пример работы регистра

Рассмотрим второй шаг итерации: на входе в регистре появились два новых бита (11), а подселении биты в регистре сдвинулись в право и исчезли, так как вышли за приделы одного байта. На восьмом шаге последовательность полностью сменилась на новую.

Так же регистры можно собирать в цепочку (рисунок 2). В такой связке последний бит на новом шаге будет переходить на следующий регистр, а не пропадать.

Рисунок 2. Цепочка из регистров сдвига

1.2.2 Принцип действия ШИМ

ШИМ (PWM) -- широтно-импульсная модуляция -- это метод предназначен для контроля величины напряжения и тока. Действие ШИМ состоит в изменении ширины импульса постоянной амплитуды и постоянной частотой. ШИМ чаще всего используется для регулирования яркости светодиодов, экранов и так далее.

В ШИМ частота импульсного (прямоугольного) сигнала постоянная, а скважность (отношение периода следования импульса к его длительности) переменная. С помощью изменения скважности импульсов можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ.

При работе с устройствами чаще всего используют цифровой ШИМ. В воичной цифровой технике, выходы в которой могут принимать только одно из двух значений, приближение желаемого среднего уровня выхода при помощи ШИМ является совершенно естественным. Схема настолько же проста: пилообразный сигнал генерируется N-битным счётчиком. Цифровые устройства (ЦШИП) работают на фиксированной частоте, обычно намного превышающей реакцию управляемых установок (передискретизация). В периоды между фронтами тактовых импульсов выход ЦШИП остаётся стабильным, на нём действует либо низкий уровень, либо высокий, в зависимости от выхода цифрового компаратора, сравнивающего значение счётчика с уровнем приближаемого цифрового сигнала V(n). Выход за много тактов можно трактовать как череду импульсов с двумя возможными значениями 0 и 1, сменяющими друг друга каждый такт Т. Частота появления единичных импульсов получается пропорциональной уровню приближаемого сигнала ~V(n). Единицы, следующие одна за другой, формируют контур одного, более широкого импульса. Длительности полученных импульсов переменной ширины ~V(n) кратны периоду тактирования T, а частота равна 1/(T*2N). Низкая частота означает длительные, относительно T, периоды постоянства сигнала одного уровня, что даёт невысокую равномерность распределения импульсов.



1.3 Обзор существующих аналогов

1.3.1 Елочная светодиодная гирлянда CL-03 40led RGB

CL-03 40led - является классической гирляндой длинной 3,9 метров. Светодиодная гирлянда является незаменимой вещью для создания новогоднего настроения, украшения комнаты и елки. Елочная гирлянда CL-03 40led имеет различную интенсивность свечения (рисунок 3).

Рисунок 3. Светодиодная гирлянда CL-03 40led

Технические характеристики данной гирлянды:

может применятся для наружного и внутреннего освещения;

является влагозащищенной (IP54);

содержит 100 светодиодов;

безопасна для деревьев;

напряжение 24 В, 4.8-7.2 Вт;

нормальная работа в диапазоне -40 +50 градусов;

срок службы - 60000 часов.



1.3.2 Светящаяся звезда SNOWHOUSE

Светящаяся звезда предназначена для украшения верхушки елки (рисунок 4). Данная звезда состоит из 31светодиода различного свечения. Может работать по принципу "бегущего" огня от центра к вершинам лучей.

Рисунок 4. Светящаяся звезда

Технические характеристики:

диаметр - 22 см;

цвет ламп - разноцветные;

провод прозрачный - 3 м.

1.3.3 Светодиодная елка LED-TR-159/55

Светодиодная елка - это новинка на рынке новогодней продукции. Светящиеся елка прекрасно подойдет для украшения дома или квартиры в период новогодних праздников. Елка представляет собой объемную проволочную фигуру на металлическом каркасе, на котором расположены светодиоды, а сам каркас обмотан махровой нитью.



Рисунок 5. Светодиодная елка LED-TR-159/55

Характеристики светодиодной елки:

размер устройства: 55 х 35 х 7см;

потребляемая мощность: 2,2Вт;

рабочее напряжение: 220 В;

количество светодиодов: 20шт;

цвет светодиодов: белый;

шнур питания: 5 м.

1.4 Выбор средств и технологий

1.4.1 TinyCAD

TinyCAD (рисунок 6) позиционируется как рядовое приложение для черчения и редактирования двумерных иерархических электронных схем самой разной степени сложности. Помимо этого, программный пакет позволяет рисовать всевозможные геометрические фигуры: линии, дуги, многоугольники, эллипсы, а также добавлять текстовые надписи.



Рисунок 6. Программа TinyCAD

Редактор схем включает в себя больше сорока готовых библиотек компонентов. В них можно найти аналоговые и цифровые радиодетали, микроконтроллеры, дискретные, электромеханические и пассивные компоненты, полупроводники, источники питания, интегральные схемы и многое другое. Поддерживаются библиотеки mdb, TCLib и idx. Для поиска нужной радиодетали предусмотрен фильтр. Каждый компонент и элемент электронной схемы изображается схематически и имеет свои параметры и свойства, такие как размер, ориентацию, положение, текстовые атрибуты. Встроенный редактор позволяет организовывать новые библиотеки, модифицировать существующие и изменять характеристики элементов.

Программа помогает рисовать, интуитивно подбирая в ходе работы необходимые инструменты. Для соединения компонентов проводами достаточно щелкнуть кнопкой мыши по контактам (рисунок 7). После окончания TinyCAD автоматически проверяет разрабатываемую электронную схему и позволяет распечатать ее на принтере или сохранить как изображение в различных форматах. Также предусмотрена функция копирования и вставки проекта прямо из TinyCAD в документы OpenOffice или Microsoft Office. Приложение позволяет разработчикам экспортировать списки соединений проектов для дальнейшего проектирования печатных плат. Функция экспорта поддерживает расширения основных программ для разработки плат.

Рисунок 7. Пример работы в программе TinyCAD

TinyCAD является свободно распространяемым софтом с открытым исходным кодом. К сожалению, собственные библиотеки программного пакета TinyCAD не соответствуют отечественным стандартам в отношении обозначений.

Приложение создано для черчения электрических схем исключительно в среде Microsoft Windows. Благодаря постоянному обновлению программы, поддерживаются все последние версии данной операционной системы.

1.4.2 DesignSpark PCB

DesignSpark PCB (рисунок 8) может с успехом применяться как профессиональными разработчиками, так и радиолюбителями и студентами, он аналогичен другим современным программам создания электронных устройств и имеет в своей основе редактор схем и модуль разводки печатных плат. Проектная среда позволяет работать с платами площадью до одного квадратного метра, ограничений на количество листов и слоев нет. Присутствует функция автотрассировки, ее результат при необходимости можно откорректировать вручную.

Рисунок 8. Программа DesignSpark PCB

Данное программное обеспечение позволяет экспортировать свою таблицу схемных соединений в Spice-симуляторы промышленного стандарта, способные проверить работу схемы на ошибки, а также выполнить разводку перед изготовлением печатной платы. Поддерживаются программы анализа электронных схем LTSpice, TINA, LSSpice и TopSpice. Специальное меню преобразует файлы в *.cir, *.net и *.sch-форматы. Группировка позволяет объединить ряд разных элементов или даже схем в одну единицу. Это относится и к инструменту автоматической разводки плат, облегчая размещение деталей. Специализированные проектные калькуляторы способны рассчитать волновое сопротивление, параметры радиаторов, погонную емкость, индуктивность и групповое время задержки разных разновидностей микрополосковых линий, ширину и толщину дорожки печатной платы с учетом допустимого нагрева, максимального тока, сопротивления, падения напряжения, а также ряд некоторых других параметров.

Благодаря наличию библиотеки 3D-моделей, в программе есть опция построения трехмерного изображения проектируемого устройства со всеми радиодеталями и возможностью произвольного вращения и масштабирования (рисунок 9). Приложение генерирует файлы в популярные производственные форматы Gerber, DXF, Excellon, IDF, LPKF.

Рисунок 9. Программа DesignSpark PCB

Данный программный пакет является абсолютно бесплатным. При этом он не содержит никаких ограничений ни по количеству элементов схемы, ни по времени использования. На официальном сайте в свободном доступе находится библиотека компонентов ModelSource, содержащая свыше 85000 схем печатных плат и 35000 трехмерных моделей, представленных более чем в 20 форматах, совместимых с самыми известными пакетами разработки электронного оборудования. При первом запуске необходимо пройти процедуру бесплатной регистрации, для чего необходим выход в интернет. Если этого не сделать, то сохранение результатов работ будет недоступно.

Для работы среды проектирования достаточно мало мощного персонального компьютера под управлением операционной системы Windows до 7 версии включительно.

1.4.3 Logisim

Программное обеспечение для разработки и симулирования цифровых логических схем. Программа Logisim представлена на рисунке 10.

Рисунок 10. Программа Logisim

Программа Logisim имеет простой графический интерфейс и в первую очередь применяется в качестве образовательного инструмента. Приложение включает в себя: панель инструментов, строку меню, панель проводника (со списком схем и инструментов загруженных библиотек), таблицу атрибутов выделенного компонента или инструмента и рабочее окно с компонентами схемы.

Программа Logisim имеет обширную библиотеку. Среди основных элементов можно отметить: блок логических элементов, элементы проводки, элементы ввода/вывода, набор мультиплексоров, блок арифметических операций, элементы памяти. Приложение также позволяет рисовать вертикальные/горизонтальные проводники и осуществляет их автоматическое подключение к элементам схем.

Программа Logisim дает возможность не только рисовать цифровые схемы, но и симулировать их поведение. При этом просчет процессов происходит прямо в ходе редактирования схемы - изменяются значения на входах/выходах, элементы вывода отображают соответствующую информацию, обновляется состояние устройств памяти, а провода в зависимости от значений меняют свой цвет. Для схем с тактовыми генераторами моделирование можно осуществлять либо потактово, либо путем установки максимальной тактовой частоты.

Приложение Logisim является свободным программным обеспечением (лицензия GNU GPL). Софт включает в себя: справку по элементам библиотеки, полное руководство пользователя и краткое пособие для начинающих.Программа Logisim представлена на русском (включая полную документацию), английском, немецком, испанском, португальском и греческом языках.

Программа Logisim является кроссплатформенным программным обеспечением и работоспособна на операционных системах: Microsoft Windows, MacOS, Linux и Solaris.

1.4.4 IAR Embedded Workbench

Многофункциональная среда разработки приложений на языках C, C++ и ассемблере для целого ряда микроконтроллеров от различных производителей (рисунок 11).



Рисунок 11. Программа IAR Embedded Workbench

Основные преимущества пакета - дружественный пользовательский интерфейс и непревзойденная оптимизация генерируемого кода. Кроме этого реализована поддержка различных операционных систем реального времени и JTAG -адаптеров сторонних компаний.

Программная среда включает в себя C/C++ компилятор - один из самых эффективных в своем роде. В нем также присутствует полная поддержка ANSI C. Транслятор ассемблера, включающий в себя макроассемблер для программ реального времени и препроцессор для C/C++ компилятора. Компоновщик, поддерживающий более тридцати различных выходных форматов для совместного использования с внутрисхемными эмуляторами. Текстовый редактор, настроенный на синтаксис языка Си и имеющий удобный пользовательский интерфейс, автоматическое выделение ошибок программного кода, настраиваемую инструментальную панель, подсветку блоков, а также удобную навигацию по именам подпрограмм, макросов и переменных.

Интегрированная система помощи облегчает написание программ в данной среде. Предусмотрено взаимодействие с утилитой AVR Studio.

IAR Embedded Workbench является коммерческим продуктом, его стоимость составляет около 3000 долларов за одну пользовательскую лицензию. Однако, в качестве дополнения к полнофункциональной версии, существует бесплатный вариант среды программирования с единственным ограничением на размер выходного кода до 4 или 8 КБ в зависимости от модели контроллера. Этот вариант подойдет для первого знакомства с программой, а также написания небольших приложений. Можно найти и взломанную версию, но для ее нормальной работы придется отключать выход в интернет.

Рассматриваемая среда работает под управлением только операционной системы Microsoft Windows.

1.5 Описание используемых технологий

1.5.1 Микроконтроллер Attiny2313

Микроконтроллер Attiny2313 часто используется радиолюбителями для создания собственных схем (рисунок 12).

Рисунок 12. Микроконтроллер Attiny2313

Микроконтроллер Attiny2313 основан на архитектура RISC (reduced instruction set computer). Данная архитектура обладает большим набором инструкций которые может выполнять микроконтроллер. Так же архитектура RISC способствует более быстрому выполнение этих инструкция за один такт работы, то есть данный микроконтроллер (Attiny2313) будет работать в 12 раз быстрее, чем микроконтроллер без поддержки технологии RISC.

В результате этого для данного микроконтроллера требуется в 12 раз меньше тактовой частота генератора, а это означает снижение энергопотребления.

Память микроконтроллера:

2кБ Flash-памяти для хранения программы;

128Байт - память данных;

128Байт - SRAM память.

Свойства периферии:

аналоговый компаратор;

сторожевой таймер;

восьми разрядным таймер-счетчик;

шестнадцати разрядный таймер-счетчик;

последовательный универсальный интерфейс (USI);

два ШИМ канала.

1.5.2 Микросхема К155ИД10

Микросхема К155ИД10 - двоично-десятичный дешифратор 4х10 (рисунок 13).

Рисунок 13. Микросхема К155ИД10



Микросхема К155ИД10 используется для преобразования двоично-десятичного кода в десятичный код. Микросхема содержит высоковольтные (15В) выходы с открытым коллектором. На ножки дешифратора (P0-P3) передаются числа в диапазоне от 0 до 9 в двоичном представлении. В зависимости на какую ножку подавались числа открывается тот или иной транзистор. Номер по которому передаются данные соответствует десятичному эквиваленту входного кода. В случаи передачи кодов в диапазоне от 10 до 15 все выходы дешифратора будут находится в выключенном состоянии.

1.5.3 Стабилизатор электрического напряжения 7805

Стабилизатор 7805 выполнен в транзисторном корпусе и содержит три выхода (рисунок 14). В таких корпусах обычно находится отверстие для крепление его к радиатору охлаждения. 7805 - это стабилизатор положительного напряжения. Для нормальной работы данного стабилизатора требуется подавать напряжение около 10В.

Рисунок 14. Стабилизатор 7805

2. Специальный раздел

2.1 Разработка функциональной схемы устройства

Разрабатываемое устройство состоит из четырех функциональных узлов. Функциональная схема представлена на рисунке 15.

Рисунок 15. Функциональная схема

Прежде всего начало необходимо подключить устройство к источнику питания. Далее, при помощи блока управления (узел 1), необходимо включить устройство. После подачи питание на устройство, оно готово к работе. Управляющий бок (узел 2) ждет от блока управления устройством (узел 3), сигнал и номер режима работы. Получив необходимую информацию, управляемый блок активизирует узел 4 и задает переданный режим работы. Узел 4 работает в заданном режиме до тех пор, пока блок управление не переключит его.



2.2 Разработка электронно-принципиальной схемы устройства

Электронно-принципиальная схема устройства представлена на рисунке 16. Для разработки данной схемы использовалась программа TinyCAD.

Рисунок 16. Электронно-принципиальная схема

2.3 Разработка монтажной схемы устройства

После того как устройство придумано, описана ее электронно-принципиальная схема, следующий этап - разработка монтажной схемы (рисунки 17 и 18).



Рисунок 17. Монтажная схема устройства

Рисунок 18. Плата устройства

2.4 Описание использованных элементов

Расположения элементов на схеме представлено на рисунке 19, список всех используемых элементов приведены в таблице 1.



Рисунок 20. Схема расположения элементов на плате

Рисунок 21. Расположения элементов на готовом устройстве

Таблица 1. Список используемых элементов

Название	Обозначение	Наминал	Количество
attiny2313	IC2		1
Кварцевый генератор	Z1	10 MHz	1
Линейный стабилизатор, 7805	<IC>1		1
Конденсатор	C1,C2	22	2
Конденсатор	C3	100µ	1
Конденсатор	C5	47µ	1
Конденсатор	C4,C6	100n	2
Дешифратор, К155ИД10	IC1		1
Резистор	R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8	150	8
Резистор	R9, R10, R11, R12, R13	10k	5
Диод, 1n4007	VD1		1
Кнопка, 3пина	S1		1
Кнопка тактовая	S2,S3,S4,S5		4
Светодиод			64
Панелька, dip20			1
Панелька, dip16			1

Для реализации устройства был выбран микроконтроллер Attiny2313, так как данный микроконтроллер является наиболее доступным на рынке по сравнению с другими микроконтроллерами и содержит достаточный объем памяти для хранения исполняемого программного кода. Для стабильной генерации частоты используется кварцевый генератор на 10MHz. Конденсаторы С1 и С2 используются для обвязки кварцевого генератора Z1. Кнопки S1-S4 для переключения режимов работы устройства. Резисторы R10 и R13 - подтягивающие резисторы для кнопок. Резистор R9 - подтягивающий по питанию, для того чтобы микроконтроллер не перезагружался во время работы. Резисторы R1-R8 - фильтрующие для светодиодов. Для управления светодиодами был выбран дешифратор К155ИД10.

В цепи источника питания используется диод VD1-защита от переполюсовки. Для понижения напряжения на линии с 12В до требуемых 5В необходим линейный стабилизатор 7805. Цепочка С4-С5 является стандартной обвязкой для данного стабилизатора.

2.5 Описание принципа работы устройства

Для запуска устройства его необходимо подключить к источнику питания при помощи клемм. После подсоединения устройства к питанию его необходимо включить при помощи кнопки S5. Поданный напряжение стабилизируется до 5В при помощи 7805. После активизации микроконтроллера Attiny2313 - устройство готово к работе.

Устройство может работать в нескольких режимах, то есть содержит несколько светодиодных эффектов. Для управлением устройством присутствуют четыре кнопки. Две кнопки (S1, S2) для переключения режимов: вперед и назад. Две оставшиеся кнопки (S3, S4) предназначены для установки скорости работы выбранного режима (быстрее и медленнее). Выбрав тот или иной режим и установив скорость работы на порте C формируется сигнал, который передается непосредственно на светодиоды, и формирует итоговую картинку.

2.6 Расчет параметров разрабатываемого устройства

2.6.1 Расчет надежности светодиодного устройства

Основной показатель надежности - интенсивность отказов 1-го элемента. Для его расчета необходимо воспользоваться формулой 2.1:

(2.1)

- интенсивность отказов элемента одного типа;

- коэффициент, который учитывает механические факторы;

- климатические факторы;

- показатель атмосферного давления.

Расчет показателей надежности заключается в определении реальной суммарной интенсивности отказов схемы электрической принципиальной. Производим расчет показателей для схемы электрической принципиальной, данные заносим в таблицу 2.



Таблица 2. Данные интенсивности отказов элементов изделия

Наименование элементов	Количество	лoi*10-6	бi	лi*10-6	(лi*ni)*10-6
ИМС	2	0,5	1	0,5	1
Постоянные резисторы	3	0,02	0,5	0,01	0,03
Конденсаторы	2	0,7	0,64	0,448	0,946
Оксидные конденсаторы	2	0,5	0,64	0,32	0,64
Транзистор n-p-n	1	0,5	0,3	0,15	0,15
Диоды	1	0,2	0,83	0,17	0,17
Светодиоды	1	0,5	0,83	0,4	0,4

Для разрабатываемой электронно-принципиальной схемы рассчитаем интенсивность отказов по формуле 2.2:

(2.2)

где - интенсивность отказов элемента одного типа;

- количество элементов одного типа, для определения суммарной интенсивности отказов.

= (1+0,03+0,946+0,64+0,15+0,17+0,4) * 10^-6 = 3,34 * 10^-6 (1/ч)

Для расчета времени безотказной работы, нужно воспользоваться формулой 2.3:

(2.3)

После того как подставим значения, получим:

Т = 1/3,34 * 10^-6 = 0.299401 * 10⁶ = 299401 часов (34 года)

С определением времени безотказной работы, так же рассчитываем и интенсивность отказов после монтажа элементов на печатной плате. Рассчитанные данные заносим в таблицу 2.



Таблица 3. Данные интенсивности отказов элементов изделия

Наименование элементов	Количество элементов	Количество паяных соединений	лoi*10-6 (1/ч)	(лоi*ni)*10-6 (1/ч)
1	2	3	4	5
ИМС	2	16	0,01	0,16
Постоянные резисторы	3	6	0,01	0,06
Конденсаторы	2	4	0,01	0,04
Оксидные конденсаторы	2	4	0,01	0,04
Транзистор n-p-n	1	3	0,01	0,03
Диоды	1	2	0,01	0,02
Светодиоды	1	2	0,01	0,02
Катушка	1	2	0,01	0,02
Кнопка	1	2	0,01	0,02
Выключатель	1	2	0,01	0,02
Батарея	1	2	0,01	0,02
ПП	1	1	0.7	0,7

Рассчитаем суммарную интенсивность отказов после пайки элементов на схему:

Л_уст-ва = 0.3 + (0.16+0.06+0.04+0.04+0.03+(0.02*6)+0.7) * 10^-6 = 1.45 * 10^-6 (1/ч)

Далее рассчитаем безотказное время работы разрабатываемого устройства:

Т_уст-ва = 1/1.45 * 10⁶ = 0.689655 * 10⁶ = 689655 часов (78 лет)

Рассчитываем так же и вероятность безотказной работы разрабатываемого устройства в зависимости от времени наработки. Для этого воспользуемся формулой 2.4:

(2.4)

Подставим значения в формулу 2.4 и рассчитаем вероятность безотказной работы устройства для нескольких t:

P(t₁) = 0,998

P(t₂) = 0,997

P(t₃) = 0,994

P(t₄) = 0,988

P(t₅) = 0,976

P (t₆) = 0,368 T₆ = 689655 (ч)

Построим график безотказной работы (рисунок 22)

Рисунок 22. График безотказной работы

Для устройства с тремя светодиодами.

Таблица 4. Данные интенсивности отказов элементов изделия

Наименование элементов	Количество	лoi*10-6	бi	лi*10-6	(лi*ni)*10-6
ИМС	1	0,5	1	0,5	0,5
Постоянные резисторы	6	0,02	0,5	0,01	0,06
Конденсаторы	1	0,7	0,64	0,448	0,448
Оксидные конденсаторы	2	0,5	0,64	0,32	0,64
Транзистор n-p-n	2	0,5	0,3	0,15	0,3
Диоды	1	0,2	0,83	0,17	0,17
Светодиоды	60	0,5	0,83	0,4	1,2

Подставив значения из таблицы 3 определим суммарную интенсивность отказов:

= (0.5+0,06+0,448+0,64+0,3+0,17+1,2) * 10^-6 = 3,318 * 10^-6 (1/ч)

Исходя из полученных данных определим время безотказной работы устройства:

Т = 1/3,318 * 10^-6 = 0.301386 * 10⁶ = 301396 часов (34,5 года)

Рассчитав время безотказной работы, рассчитываем интенсивность отказов устройства, все данные заносим в таблицу 2.4.

Таблица 5. Данные интенсивности отказов элементов изделия

Наименование элементов	Количество элементов	Количество паяных соединений	лoi*10-6 (1/ч)	(лоi*ni)*10-6 (1/ч)
ИМС	1	8	0,01	0,08
Постоянные резисторы	6	12	0,01	0,12
Конденсаторы	1	2	0,01	0,02
Оксидные конденсаторы	2	4	0,01	0,04
Транзистор n-p-n	2	6	0,01	0,06
Диоды	1	2	0,01	0,02
Светодиоды	3	6	0,01	0,06
Стабилизатор	1	3	0,01	0,03
Катушка	1	2	0,01	0,02
Кнопка	1	2	0,01	0,02
Выключатель	1	2	0,01	0,02
Батарея	1	2	0,01	0,02
ПП	1	1	0.7	0,7

Считаем суммарную интенсивность отказов элементов готового устройства:

Л_уст-ва=0.3 + (0.08+0.12+0.04+(0.06*2)+0.03+(0.02*6)+0.7)*10^-6 =1.51*10^-6 (1/ч)

Безотказное время работы устройства

Т_уст-ва = 1/1.51 * 10⁶ = 0.662251 * 10⁶ = 662251 часов (75,6 лет)

Произведем повторный расчет вероятности безотказной работы готового устройства, которое зависит от времени наработки:

P(t₁) = 0,997

P(t₂) = 0,993

P(t₃) = 0,987

P(t₄) = 0,974

P(t₅) = 0,948

P(t₆) = 0,111 T₆ = 662251 (ч)

График безотказной работы готового устройства представлен на рисунке 2.8.

Рисунок 23. График безотказной работы

2.7 Технические характеристики устройства

Размер устройства: 140х132 мм.

Потребление: рекомендуемое -1.5 А.

Напряжение для работы: 7-24В.

Температурный диапазон: от -40 до 50.

Время работы: 662251 часов.

3. Программная реализация

3.1 Алгоритм работы программы

Алгоритм работы устройства представлен на рисунке 24.

Рисунок 24. Алгоритм работы программы

3.2 Программная реализация

После того как подается питание на микроконтроллер, он должен активировать все системы за которое отвечает, то есть первичная инициализация ножек микроконтроллера, задания на них низкого и высокого уровня. Все действия по инициализации выполняет код представленный в листинге 3.1.

Листинг 3.1 - Код инициализации интерфейсов

$crystal = 8000000

Config Portb = Output

Config Portd.2 = Output

Config Portd.3 = Output

Config Portd.4 = Output

Config Portd.5 = Input ' s1

Config Portd.6 = Input ' s2

Config Portd.0 = Input ' s3

Config Portd.1 = Input ' s4

'

Dim S As Byte 'Переменная скорости

Dim E As Byte 'Переменная эффекта

Dim Delta_t As Byte 'Дельта времени

Dim Spedtek As Byte 'Текущая скорость

Dim Data_out As Byte 'Выходные данные в порт

Dim Shag_effect As Byte 'шаг эффекта

Dim Shag_max As Byte 'максимальный шаг эффекта

Dim D As Word

Dim Flag_effect As Byte

Dim Flag_speed As Byte

Dim Fs As Byte

Dim Ef As Byte

Spedtek = Lookup(s , Speders)

Shag_effect = 0

Shag_max = 8

E = 1

D = 0

S = 7

В устройстве присутствует четыре кнопки управления. Две кнопки для переключения режима-эффекта, увеличение и уменьшения режима. Две оставшиеся для задание скорости работы данного режима (увеличение и уменьшения скорости работы). Код функции увеличения режима представлен в листинге 3.2.

Листинг 3.2 - Функция переключения режима (увеличение режима)

Plus_effect:

Incr E

If E > 12 Then E = 12

Shag_max = E * 8

Shag_effect = Shag_max - 8

Flag_effect = 0

Return

Для переключения режима в обратную сторону используется функция Minus_effect. Код функции Minus_effect представлен в листинге 3.3.

Листинг 3.3 - Функция переключения режима (уменьшение режима)

Minus_effect:

Decr E

If E < 1 Then E = 1

Shag_max = E * 8

Shag_effect = Shag_max - 8

Flag_effect = 0

Return

Также, как было сказано выше, имеется возможность изменять скорость работы активного режима. Если скорость работы не устраивает, то ее можно увеличить или уменьшить, чтобы достичь требуемого эффекта. Код функций увеличение и уменьшении скорости представлен в листинге 3.4.

Листинг 3.4 - Функции Plus_speed и Minus_speed

Plus_speed:

Incr S

If S > 11 Then S = 11

Spedtek = Lookup(s , Speders)

Delta_t = 0

Flag_speed = 0

Return

Minus_speed:

Decr S

If S < 1 Then S = 1

Spedtek = Lookup(s , Speders)

Delta_t = 0

Flag_speed = 0

Return

После того как был выбран тот или иной режим работы, микроконтроллер передает данные на порт B, а затем функция Outdata работая с этими данными зажигает те или иные светодиоды. Код данной функции представлен в листинге 3.5.

Листинг 3.5 - Функция Outdata

Outdata:

Data_out = Lookup(d , Effekt)

Portb = Data_out

D = D + 1

Waitms 1

Portb = &H00

Return

Все режимы работы которые может выполнять устройство хранится в массиве данных который, в зависимости от выбранного режима, передается в функцию Outdata и далее отображается. Пример нескольких режимов работы представлены в листинге 3.6.

Листинг 3.6 - Режимы работы

Effekt:

'мельница1

Data &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00

Data &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00

Data &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00

Data &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF

Data &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00

Data &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00

Data &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00

Data &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF

'мельница2

Data &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF

Data &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00

Data &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00

Data &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00

Data &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF

Data &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00

Data &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00

Data &HFF, &H00, &H00, &H00, &HFF, &H00, &H00, &H00

'круг1

Data &H01, &H01, &H01, &H01, &H01, &H01, &H01, &H01

Data &H02, &H02, &H02, &H02, &H02, &H02, &H02, &H02

Data &H04, &H04, &H04, &H04, &H04, &H04, &H04, &H04

Data &H08, &H08, &H08, &H08, &H08, &H08, &H08, &H08

Data &H10, &H10, &H10, &H10, &H10, &H10, &H10, &H10

Data &H20, &H20, &H20, &H20, &H20, &H20, &H20, &H20

Data &H40, &H40, &H40, &H40, &H40, &H40, &H40, &H40

Data &H80, &H80, &H80, &H80, &H80, &H80, &H80, &H80

'круг2

Data &H80, &H80, &H80, &H80, &H80, &H80, &H80, &H80

Data &H40, &H40, &H40, &H40, &H40, &H40, &H40, &H40

Data &H20, &H20, &H20, &H20, &H20, &H20, &H20, &H20

Data &H10, &H10, &H10, &H10, &H10, &H10, &H10, &H10

Data &H08, &H08, &H08, &H08, &H08, &H08, &H08, &H08

Data &H04, &H04, &H04, &H04, &H04, &H04, &H04, &H04

Data &H02, &H02, &H02, &H02, &H02, &H02, &H02, &H02

Data &H01, &H01, &H01, &H01, &H01, &H01, &H01, &H01

'спираль1

Data &H01, &H02, &H04, &H08, &H10, &H20, &H40, &H80

Data &H80, &H01, &H02, &H04, &H08, &H10, &H20, &H40

Data &H40, &H80, &H01, &H02, &H04, &H08, &H10, &H20

Data &H20, &H40, &H80, &H01, &H02, &H04, &H08, &H10

Data &H10, &H20, &H40, &H80, &H01, &H02, &H04, &H08

Data &H08, &H10, &H20, &H40, &H80, &H01, &H02, &H04

Data &H04, &H08, &H10, &H20, &H40, &H80, &H01, &H02

Data &H02, &H04, &H08, &H10, &H20, &H40, &H80, &H01

'спираль2

Data &H80, &H40, &H20, &H10, &H08, &H04, &H02, &H01

Data &H40, &H20, &H10, &H08, &H04, &H02, &H01, &H80

Data &H20, &H10, &H08, &H04, &H02, &H01, &H80, &H40

Data &H10, &H08, &H04, &H02, &H01, &H80, &H40, &H20

Data &H08, &H04, &H02, &H01, &H80, &H40, &H20, &H10

Data &H04, &H02, &H01, &H80, &H40, &H20, &H10, &H08

Data &H02, &H01, &H80, &H40, &H20, &H10, &H08, &H04

Data &H01, &H80, &H40, &H20, &H10, &H08, &H04, &H02

'точки1

Data &H01, &H80, &H01, &H80, &H01, &H80, &H01, &H80

Data &H02, &H40, &H02, &H40, &H02, &H40, &H02, &H40

Data &H04, &H20, &H04, &H20, &H04, &H20, &H04, &H20

Data &H08, &H10, &H08, &H10, &H08, &H10, &H08, &H10

Data &H10, &H08, &H10, &H08, &H10, &H08, &H10, &H08

Data &H20, &H04, &H20, &H04, &H20, &H04, &H20, &H04

Data &H40, &H02, &H40, &H02, &H40, &H02, &H40, &H02

Data &H80, &H01, &H80, &H01, &H80, &H01, &H80, &H01

Главная функция программы представлена в листинге 3.7.

Листинг 3.7 - Главная функция программы

Do

Portd = &H00

Gosub Outdata

Incr Delta_t 'Увеличиваем дельту времени

If Delta_t = Spedtek Then

'Если дельта времени равна текущей скорости, то

Incr Shag_effect 'увеличиваем текущий шаг эффекта

Delta_t = 0 'сбрасываем дельту времени в ноль

End If

If Shag_effect = Shag_max Then Shag_effect = Shag_max - 8

If Flag_speed = 1 Then

Incr Fs

If Fs = 24 Then Fs = 1

Spedtek = Lookup(fs , Speders)

End If

If Flag_effect = 1 Then

Incr Ef

If Ef = 8 Then

Ef = 1

Incr E

If E > 12 Then E = 1

Shag_max = E * 8

Shag_effect = Shag_max - 8

End If

End If

End If

D = Shag_effect * 8

Debounce Pind.5 , 0 , Plus_speed , Sub

Debounce Pind.1 , 0 , Minus_speed , Sub

Debounce Pind.6 , 0 , Plus_effect , Sub

Debounce Pind.0 , 0 , Minus_effect , Sub

If Pind.5 = 0 And Pind.1 = 0 Then Flag_speed = 1

If Pind.6 = 0 And Pind.0 = 0 Then Flag_effect = 1

Loop

Заключение

В данной курсовой работе разработана схема устройства "Светодиодная снежинка".

При проектировании устройства было произведено исследование предметной области, были рассмотрены аналоги разрабатываемого устройства. Рассмотрен принцип работы регистров сдвига и управления контрастности светодиодов при помощи ШИМ. Произведен выбор программного обеспечения.

Были описаны основные узлы устройства, и как они взаимодействуют между собой. Также было дано обоснования выбора элементной базы. Была разработана функциональная схема, электронно-принципиальная схема и монтажная схема устройства. И так же был написан программный код на языке Basic.

Список нормативных источников

1. Ревич Ю.В. Занимательная электроника. 3-е издание.- БХВ-Петербург., 2015. - 576 С.

2. Белов А.В. Микроконтроллеры AVR. От азов программирования до создания практических устройств. - Наука и техника, 2016. - 544 С.

3. Хартов В.Я. Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих 2-е издание. - БХВ-Петербург, 2012. - 482 С.

4. Никулин С.А. Энциклопедия начинающего радиолюбителя. - Наука и Техника. 2011. - 384 С.

5. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы ATMEL. - Додэка XXI. 2009 - 558 С.

6. Белов А.В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах. - Наука и техника, 2008. - 478 С.

7. Комплекс программ для проектирования печатных плат [Электронный ресурс] URL: http://cxem.net/software/soft_PCB.php (дата обращения: 24.10.2016).

8. Комплекс CAD-программ [Электронный ресурс] URL: http://cxem.net/software/soft_CAD.php (дата обращения: 24.10.2016).

9. Комплекс программ для программирования микроконтроллеров [Электронный ресурс] URL: http://cxem.net/software/soft_mcu.php (дата обращения: 24.10.2016).

10. Микроконтроллер Attiny2313. Описание. [Электронный ресурс] URL: http://www.joyta.ru/5791-mikrokontroller-attiny2313-opisanie (дата обращения: 24.10.2016).

11. Всё о сдвиговом регистре. [Электронный ресурс] URL: http://robotclass.ru/tutorials/arduino-shift-register (дата обращения: 24.10.2016).

12. Последовательные (сдвиговые) регистры. [Электронный ресурс] URL: http://digteh.ru/digital/PoslReg.php (дата обращения: 24.10.2016).

13. Широтно-импульсная модуляция. [Электронный ресурс] URL: http://www.texnic.ru/books/electronika/012.html (дата обращения: 24.10.2016).

14. ШИМ-контроллер: схема, принцип работы, управление. [Электронный ресурс] URL: http://www.syl.ru/article/181948/new_shim-kontroller-shema-printsip-rabotyi-upravlenie (дата обращения: 24.10.2016).

Приложение

Руководство пользователя

Устройство "Светодиодная снежинка" предназначено для развлекательных и эстетических целей. Внешний вид устройства представлен на рисунке А.1.

Рисунок А.1. Светодиодная снежинка

Для работы устройства необходимо подать питания от 7-24В, подключив к контактной колодки (рисунок А.2). После подачи питание устройство должно проинициализировать все свои полсистемы (20 сек), после чего его можно использовать.

Рисунок А.2. Контактная колодка



На панели устройства расположено четыре кнопки. Первыми двумя кнопки осуществляется выбор эффекта. В устройстве присутствует семь режимов работы, первая кнопка переключения режима вперед, вторая кнопка переключения режима назад.

Вторые две кнопки предназначены для управления скоростью работы выбранного режима. Одна кнопка для увеличения скорости работы, вторая - для замедления. Если одновременно нажать кнопки регулировки скорости, она начнёт меняться автоматически, от большей к меньшей и наоборот. А если одновременно нажать кнопки смены эффекта, они начнут меняться по кругу. Это будет происходить до тех пор, пока не будет нажата любая кнопка.

Размещено на Allbest.ru

...