Разработка аппаратной части макета для исследования процессов зрительного утомления

Размещено на http://www.allbest.ru

Правительство Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет

«Высшая школа экономики»

Московский институт электроники и математики

Национального исследовательского университета

"Высшая школа экономики"

Факультет электроники и телекоммуникаций

Кафедра «Радиоэлектроники и Телекоммуникаций»

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

на тему «Разработка аппаратной части макета для исследования процессов зрительного утомления»

Студент группы № Р-91:

Молодкин В.Р.

Руководитель ВКР:

Котельников Д.С.

Москва - 2013

Содержание

Введение

1. Содержание расчетно-пояснительной записки

1.1 Специальная часть

1.1.1 Описание методики оценки процесса зрительного утомления

1.1.2 Разработка блок-схемы

1.1.3 Электрическая принципиальная схема

1.1.4 Выбор элементов

1.1.5 Разработка печатной платы

1.1.6 Основы программного обеспечения

1.2 Конструкторско-технологическая часть

1.2.1 Проектирование печатной платы

1.2.2 Разработка конструкции макета

1.2.3 Технология изготовления печатной платы

2. Охрана труда

2.1 Меры безопасности при работе с дисплеями

3. Экологическая часть

3.1 Утилизация батареек

4. Решение задач на ЭВМ

4.1 P-CAD-программа трассировки печатной платы

4.2 Microsoft Word-программа оформления пояснительной записки

5. Экономическая часть

5.1 Смета закупки радиоэлементов и себестоимость печатного узла

Выводы

Список литературы

Приложения

Введение

В данной выпускной квалификационной работе представлена спроектированная печатная плата макета для тестирования процессов зрительного утомления. Печатная плата находится в механической (пластиковой) коробке, к ней припаяны пассивные и активные радиоэлементы, 2 дисплея для вывода информации и подключена клавиатура для ввода. Входное напряжение такого прибора 9В, а потребляемый ток не превышает 100мА. Габариты печатной платы макета не должны превышать 100х100мм.

В ВКР будет рассмотрена аппаратная часть макета для исследования зрительного утомления.

В процессе работы мы ознакомимся с проектируемым изделием, его назначением и принципом работы, выбором элементов, технологией изготовления печатной платы, а также программами, с помощью которых было спроектировано изделие.

Проектируемое устройство состоит из:

- LED Дисплей

- LСD Дисплей

- Клавиатура NumPad

- CPU (микроконтроллер)

Функция устройства состоит в том, чтобы определять коэффициент утомления глаз (ХРМ+КЧСМ), что в дальнейшем может помочь в области медицины и анатомии.

Для начала установим определения.

КЧСМ -- функция световой и различительной чувствительности глаза, характеризующая функциональную подвижность зрительного анализатора. Этот показатель используют для диагностики изменений в области сетчатки и зрительном нерве, выявления патологии в проводящих зрительных путях и зрительных центрах, а также при медико-социальной экспертизе инвалидов по зрению.

ХРМ - Измерение скорости рефлекторных реакций

Устройство работает таким образом, что диоды на КЧСМ светятся с равноускоренной частотой на LED дисплее. Более того, на нём изображены цифры, которые человек должен в точности нажимать на клавиатуре, таким образом, цифры меняются быстро, а мелькания диодов на дисплее становятся реже и человеку труднее улавливать зрением цифры, а, следовательно, это ведёт к ошибкам на вводе клавиатуры. Таким образом, Хронорефлексометрия, она же измеритель реакции и КЧСМ при сложении этих функций LCD дисплей высвечивает коэффициент утомления, формула и основные функции всех составляющих на печатной плате отвечает CPU (микроконтроллер).

Основная задача данной работы уложиться в техническое задание и заданные характеристики (электрические, физические, безопасности). Также создать прибор, протестировать и продемонстрировать его способности институтам потенциально заинтересованным в данном приборе.

Перечень сокращений:

ВКР - Выпускная квалификационная работа

ХРМ - Хронорефлексометрия

КЧСМ - Критическая частота слияния мельканий

LED - Light Emitting Diode - Излучающий светодиод - ЖК-дисплей

ЖК - Жидкокристалический

LCD - Liquid Crystal Display - Жидкокристалический дисплей

CPU - Central Proccesing Unit - Центральное обрабатывающее устройство

ПП - Печатная плата

ПУ - Печатный узел

ФСО - функциональное состояние организма

ЦНС - центральная нервная система

АЛУ - Аналого-логическое устройство

PWM - Pulse Width Modulation - Широтно-импульсная модуляция

АЦП - Аналого-цифровой преобразователь

ЭЛТ - Электронно-лучевая трубка

УФ лампа - ультрафиолетовая лампа

1. Содержание расчетно-пояснительной записки

1.1 Специальная часть

1.1.1 Описание методики оценки процесса зрительного утомления

Важное место для профилактики нарушения зрения и оптимизации работы зрительного анализатора принадлежит созданию условий световой среды в кабинетах и качеству изображения на экране ПК. Экранное изображение дисплея отличается от бумажного рядом особенностей: оно самосветящееся, имеет значительно меньший контраст, оно не непрерывное, а состоит из отдельных точек-пикселей. Оно мерцающее, не имеет таких границ как на бумаге. Именно эти особенности создают затруднение работы аккомодационного аппарата глаз. Зрительная работа на дисплее характеризуется частым переключением взгляда с экрана на клавиатуру; постоянным приспособлением глаза к условиям высокой яркости символа и низкой яркости экрана (при обратном контрасте). Яркими пятнами на экране за счет отражения светового потока от светящихся поверхностей светильников и окон; большими перепадами яркостей между рабочей поверхностью и поверхностями интерьера помещения. Нормы искусственного освещения для кабинетов информатики научно обоснованы и регламентируются действующими СанПиН.

Исследователи, проводимые в испытательном центре средств отображения информации «Элита» МИЭМ показали, что больше всего на зрительную работоспособность влияет яркость сигналов и контраст яркости между изображением и фоном, что обусловлено постоянной переадаптацией глаз к разным уровням освещенности.

Для количественной оценки степени комфортности работы и раннего выявления зрительного напряжения и утомления используются различные методики оценки функционального состояния организма пользователя.

В качестве объективного показателя состояния зрительной системы берется коэффициент зрительной нагрузки, он позволяет точно отслеживать любое изменение психофизиологического состояния организма.

Для количественной оценки зрительного напряжения и утомления используются различные методики оценки функционального состояния организма пользователя.

Основным вопросом в каждом научном исследовании является правильный выбор методики в отношении ее надежности, достаточной чувствительности, объективности и возможности применения в тех или иных конкретных условиях. Используемая методика должна быть гибкой и обеспечивать мониторинг состояния.

Проще всего изучить реакции зрительной системы в случае зрительно-напряженной работы - компьютерной работы. Это даст возможность детального изучения динамики изменения состояния зрительной системы и обеспечит чистоту эксперимента.

Зарубежные и отечественные научные публикации результатов физиологических, медицинских и эргономических исследований, посвященных проблеме «человек-компьютер», а также многолетний собственный опыт изучения влияния компьютерных занятий на состояние здоровья пользователей, убеждает в том, что особую важность представляет изучение зрительной работоспособности, а также функционального состояния центральной нервной системы, обеспечивающей работоспособность всего организма.

Некоторые принципы создания системы защиты здоровья были реализованы в результате разработки методики экспресс-диагностики состояния, разработанной в испытательном центре «Элита» МИЭМ. Разработанная экспресс-диагностика утомления базируется на психофизиологических характеристиках переработки информации и представляет собой методику выявления изменений функционального состояния организма (ФСО) центральной нервной системы (ЦНС) и зрительного анализатора. В системе возможен учет возрастных возможностей операторов, имеется возможность адаптации тестов к различным возрастным категориям по сложности задания.

Известно, что ведущую роль в приеме, переработке и усвоении информации играет функциональное состояние ЦНС, поэтому в первую очередь необходимо изучать изменения, происходящие именно в этой системе.

Разработанная экспресс-диагностика основана на оценке латентного периода зрительной реакции оператора, путем предъявления непродолжительного задания и учета при этом комплекса информативных сдвигов.

Разработанная экспресс-диагностика ФСО использует следующие принципы:

1. Экспресс-диагностика исходит из учета индивидуальных особенностей организма оператора, для чего разработана методика оценки сдвигов физиологических функций, позволяющая сопоставлять индивидуальные характеристики сдвигов.

2. Экспресс-диагностика обеспечивает количественный анализ ФСО, что требует строгого дозирования предъявляемого задания и конкретного алгоритма текущих данных.

3. Экспресс-диагностика опирается на заведомо информативные физиологические показатели, обеспечивая чувствительность метода.

4. Экспресс-диагностика использует ряд психологических особенностей в реализации тестирования.

Экспресс-диагностика базируется на психофизиологических характеристиках переработки информации и представляет собой методику выявления таких изменений ФСО ЦНС и зрительного анализатора, которые указывают на резкое изменение состояния организма. В основе теста лежит хронорефлексометрия. Продолжительность тестирования - 1-2 минуты.

Алгоритм теста содержит 4 звена:

Ш определение индивидуальных исходных показателей ФСО и их запоминание;

Ш определение текущих показателей ФСО;

Ш сравнение исходных показателей с текущими и диагностика ФСО;

Первая версия аппаратной реализации данной методики, реализованная в рамках исследовательской работы центра «Элита» показала высокую точность и чувствительность метода.

1.1.2 Разработка блок схемы прибора

Блок схема прибора состоит из 6 составляющих (рис.1):

· Источник питания

· Клавиатура

· Микроконтроллер

· ЖК-индикатор

· Светодиодный индикатор

· Интерфейс внутрисхемного программирования

Рисунок 1. Блок схемы прибора

Каждому блоку отводится своё назначение.

Источник питания - подключение стабильного напряжения +9В для функционирования остальных блоков схемы. Внутри схемы стоит стабилизатор напряжения, который понижает напряжение до +5В и стабилизирует его подачу на микроконтроллер, т.к. он считается «сердцем» прибора, то и все выходные из него блоки, естественно получают такое же напряжение.

Клавиатура - удаленный блок, который подключается к микроконтроллеру. Этот блок отвечает за ввод информации на память микроконтроллера, тем самым, обеспечивая материал для обработки данных, которые будут использованы на выходе. Количество кнопок на клавиатуре составляет от 12 до 16.

Микроконтроллер - основная часть блок схемы. Этот блок отвечает за ввод, обработку и вывода информации, а также за скорость обработки и вывода информации. Так как микроконтроллер достаточно мощный для таких простейших задач, то скорость обработки и вывода информации не займёт много времени. Также микроконтроллер отвечает за генерацию случайных чисел на LED дисплее. Однако, чтобы микроконтроллер работал по вышеописанному, его нужно запрограммировать.

ЖК-индикатор - индикатор, отвечающий за вывод информации. Этот индикатор подключен к микроконтроллеру, который будет выдавать данные по обработанным заданным данным. Задача ЖК-индикатора - достоверно отобразить информацию на выходе.

Светодиодный индикатор - индикатор, который отображает 7-сегметным светодиодными лампочками цифры, которые сгенерированы микроконтроллером. Основная задача данного индикатора - достоверно отображать цифры, так как данные цифры это вводимая информация пользователем при помощи клавиатуры.

Интерфейс внутрисхемного программирования - блок схемы, отвечающий за код программы, написанный программистом для правильно функционирования микроконтроллера. Основная задача - это достоверно принять вводимую информацию, правильно обработать, методом математико-физических формул и отослать обработанную информацию на ЖК-индикатор.

1.1.3 Электрическая принципиальная схема

Электрическая принципиальная схема была разработана в связи с рекомендациями подключения отдельных основных элементов и их обвязки, а также рекомендации подключения этих элементов к «сердцу» данного проекта, это микроконтроллер.

Рассмотрим подключение каждого основного элемента.

Подключение клавиатуры к микроконтроллеру.

Нередко в устройстве, собранном с применением микроконтроллеров, предусмотрен ввод данных с использованием кнопок, переключателей или других контактных групп. Реализовать такое схемное решение, очень просто учитывая то, что кроме собственно кнопки и подтягивающего резистора (и то, в некоторых случаях он не нужен) больше ничего не надо. Но простое подключение контактных групп к линиям ввода/вывода микроконтроллера может породить проблему нехватки этих самых линий, если таких контактных групп много. Решение проблемы довольно простое - использование клавиатурной матрицы. В данном проекте не используется клавиатурная матрица, т.к. у микроконтроллера достаточно контактов подключения, однако такой метод применим и к нашему устройству.

Всё же рассмотрим схему клавиатурной матрицы, которая представлена на рис. 2. Кнопки включены таким образом, что при нажатии кнопка замыкает строку на столбец. Из схемы видно, что часть линий контроллера используется в качестве сканирующих (столбцы), а часть в качестве считывающих (строки). Количество кнопок, подключенных таким образом, определяется как количество сканирующих линий, умноженное на количество считывающих. Отсюда следует, что использование матричной клавиатуры для случая, когда кнопок меньше или равно четырем, не имеет смысла, так как понадобятся те же четыре линии, а схема и прошивка усложнятся.

Рисунок 2. Схема матричной клавиатуры

Из внешних элементов понадобятся диоды (столько же, сколько сканирующих линий) и резисторы (столько же, сколько считывающих линий).

Работает это довольно просто. Линии сканирующего порта (столбцы) по умолчанию находятся в состоянии, когда на всех линиях, кроме одной, установлен высокий логический уровень. Линия, на которой установлен низкий логический уровень, является опрашиваемой в текущий момент, то есть определяет опрашиваемый столбец. Если какая либо кнопка этого столбца будет нажата, на соответствующей линии считывающего порта (строке) так же будет низкий логический уровень. Замкнутая кнопка подтянет строку к потенциалу столбца, то есть к земле. Зная номер опрашиваемого столбца и номера линий считывающего порта, на которых установлен логический ноль, можно однозначно определить, какие кнопки этого столбца нажаты.

Далее выбирается следующий опрашиваемый столбец путем установки логического нуля на соответствующей линии сканирующего порта и со считывающего порта снова снимаются данные. Цикл сканирования будет продолжаться до тех пор, пока не будут перевыбраны таким образом все сканирующие линии.

Для случая, когда одновременно нажато несколько кнопок одного будет установлено в логический ноль несколько битов считывающего порта одновременно. Однако если будут замкнуты контакты нескольких кнопок из разных столбцов одной строки - в разных столбцах могут оказаться разные напряжения, т.к. на всех столбцах, кроме одного - логическая единица. Одновременное нажатие двух кнопок в одной строке приведет к короткому замыканию и выжженным портам. Для этого используются диоды VD1-VD5. Именно они защищают порты от короткого замыкания.

Резисторы на схеме являются подтягивающими. Если используемый контроллер имеет в своем составе подтягивающие резисторы, от них можно отказаться. Микроконтроллеры серии AVR, именно такой, какой стоит в нашем устройстве, имеют в своем составе подтягивающие резисторы, а вот микроконтроллеры с архитектурой 8051 и 8052 таких резисторов не имеют. Модифицированная схема без подтягивающих резисторов представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Схема матричной клавиатуры без подтягивающих резисторов

На рисунках используются микроконтроллеры AVR Atmega 16, но по функционированию для клавиатуры эти микроконтроллеры ничем не отличаются от используемого в проекте. Используется AVR Atmega 2560.

Подключение LCD дисплея к микроконтроллеру.

Иногда необходимо посмотреть результат вычислений, вывести состояние портов или выполнить прочие задачи, связанные с отображением информации. В этом нам помогут жидкокристаллические дисплеи. Самым простым, недорогим и распространенным вариантом являются текстовые дисплеи. Рассмотрим подключение и работу с жидкокристаллическим текстовым индикатором 16х2 (отображает две строчки по 16 знакомест в каждой).

Для подключения ЖК-дисплея используется микроконтроллер AVR ATmega2560 с универсальным модулем. На модуле уже разведен разъем для ЖК. Схема подключения проста. В качестве дисплея используется WH1602B-YYH-CTK в исполнении для стандартного диапазона температур (это означает, что для питания ЖК не требуется двуполярное питание, достаточно только +5 В). Подключение осуществляется по 4-х битной схеме, таким образом, мы экономим 4 вывода порта микроконтроллера рис. 4.

Обозначение выводов на ЖК и на разъеме платы модуля в прилагаемой схеме.

Рисунок 4. Подключение LCD дисплея к портам микроконтроллера

Подключение LED дисплея к микроконтроллеру.

Далее рассмотрим обычные светодиодные (LED) семисегментные индикаторы (рис. 5), в которых управление сегментами осуществляется напрямую, каждым по отдельности. Существуют разновидности с общим анодом (когда вывод положительного питания общий, а зажигаются сегменты коммутацией их к "земле" через резистор), электрическая схема прибора сделана с общим анодом, и с общим катодом (общий -- отрицательный вывод). Многоразрядные индикаторы можно собирать из отдельных разрядов, таких, устанавливаемых на плате вплотную друг к другу. Также выпускают индикаторы с несколькими разрядами в сборе -- сдвоенные, строенные и счетверенные, в которых отдельные разряды управляются по питанию независимо. Индикаторы с большим числом разрядов в сборе обычно содержат встроенные контроллеры.

Рисунок 5. Семисегментные индикаторы

В применении LED-индикаторов есть свои схемотехнические тонкости: падение напряжения на светодиодах составляет от 1,8 до 2,5 В. Если подключать их напрямую к выводу порта, то к этому нужно еще прибавить падение напряжения на выходном сопротивлении порта (порядка 100 Ом); при этом необходимо учесть, что суммарный ток через порты ограничен (величиной порядка 140 мА, в зависимости от корпуса), так что много индикаторов непосредственно к микроконтроллеру не подключишь. Если подключать через транзисторные ключи, как это делается далее -- приходится учитывать падение напряжения на ключах (не менее 0,5-1 В). Поэтому применять в схемах с питанием 3В довольно проблематично даже индикаторы малого размера, а большие (с размером цифры 25 мм и более) обычно в каждом сегменте имеют по два включенных последовательно светодиода, и их сложно подключать и к питанию 5В. Светиться сегменты при простом подключении будут, но управлять ими в схемах с динамической индикацией через ключи, имеющие собственное падение напряжения, практически невозможно.

По этой причине схема подключения светодиодных индикаторов к МК обычно оказывается более громоздкой, чем ЖК-индикаторов, зато управление ими оказывается проще и наглядней, а выглядят они гораздо красивее и лучше видны, чем жидкокристаллические, учитывая, что имеется довольно большое разнообразие LED-индикаторов по цвету.

На рис. 6 показано подключение LED дисплея к микроконтроллеру без транзисторов.

Рисунок 6. Подключение LED дисплея без транзисторов к микроконтроллеру

Для того, чтобы появилась возможность легко управлять индикаторами LED дисплея, добавляются p-n-p транзисторы с общим анодом, и от базы отходит на резистор до подключения микроконтроллера и так, на каждую цифру.

Все основные блоки описаны выше, что даёт общее представление о подключении каждого блока. Просуммировав все эти блоки, получается электрическая принципиальная схема всего проекта, которая представлена на рис. 7.

Рисунок 7. Электрическая принципиальная схема проекта

По данной электрической принципиальной схеме разрабатывался проект. Составлялся выбор элементов, моделирование на программе, а также трассировка платы.

На схеме отсутствует блок-схема «Интерфейс внутреннего программирования», т.к. эта блок схема будет второстепенной. При трассировки платы разъём для подключения программатора будет учтён, а соединение программатора к нужным выводам будет происходить пайкой проводков для программирования микроконтроллера и в следствии будут отпаяны из-за ненадобности их в конструкции. Для такого разъёма была выбрана вилка IDC10, которая будет рассмотрена далее.

1.1.4 Выбор элементов

Стеклотекстолит FR-4.

Технические параметры:

Таблица 1

Наименование показателя		Значение при толщине медной фольги, мкм
		18	35,50
1. Прочность на отрыв контактной площадки, Н, не менее		60
2. Прочность на отслаивание фольги, Н/3мм, не менее а) после воздействия теплового удара в течение 20 с		3,3	4,2
б) после воздействия сухого тепла при температуре 125°С в течение 336ч		3,3	4,2
в) после воздействия гальванического раствора		2,7	3,3
3. Время устойчивости к воздействию теплового удара при температуре 288°С, не менее		10
Сопротивление фольги, мОм, для массы 1 м2 фольги, г (толщина, мкм) 152 (18) 305 (35) 435 (50)		7,0 3,5 2,45
Поверхностное электрическое сопротивление, Ом, не менее а) в исходном состоянии б) 96ч/40°С /93% в) 1ч/125°С/<20%		5,0 х 1010 1,0 х 1010 1,0 х 109
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом. м, не менее а) в исходном состоянии б) 96ч /40°С/ 93% в) 1ч /125°С/<20%		1,0 х 1010 5,0 х 109 1,0 х 109
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 МГц после кондиционирования в условиях 96ч/40°/93%, не более		0,035
Диэлектрическая проницаемость при частоте 1 МГц после кондиционирования в условиях 96ч / 40°С / 93%, не более		5,5
Поверхностная коррозия		В зазоре не должно быть видимых продуктов коррозии
Степень коррозии по краю: для положительного полюса (для отрицательного полюса)		А/В (1,4)
Электрическая прочность перпендикулярно слоям, (трансформаторное масло при 20°С) кВ/мм, не менее		18

Микроконтроллер Atmega2560-16AU.

ATmega2560 является маломощным CMOS 8-разрядным микроконтроллером на основе AVR с расширенной RISC архитектурой. При выполнении большинства операций за один такт, ATmega2560 достигает производительности приближенной к 1 MIPS на 1 МГц ,что позволяет разработчику системы оптимизировать энергопотребление в зависимости от скорости обработки. Atmel ® AVR ® Core сочетает в себе богатый набор программ с 32 общими рабочими регистрами назначения. Все 32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), что позволяет двум независимым регистрам быть доступными в одной операции выполняющейся за один такт. Полученная архитектура является более эффективной при достижении производительности до десяти раз быстрее, чем обычные CISC микроконтроллеры.

ATmega2560 предоставляет следующие характеристики: 256 Kбайт внутреннюю флэш-память с `Read-While-Write' возможностями, 4 Кбайт EEPROM, 8 Кбайт SRAM, 54/86 общего назначения линий ввода / вывода, 32 рабочих регистра общего назначения, счетчик реального времени (RTC), шесть гибких таймеров / счетчиков с режимами сравнения и PWM, 4 USART'ов, байт-ориентированный 2-проводной последовательный интерфейс, 16-канальный 10-разрядный АЦП с опциональным дифференциальным входным каскадом с программируемым коэффициентом усиления, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, SPI последовательный порт, IEEE STD ®. 1149.1 совместимый интерфейс JTAG тестируемый интерфейс, который также используется для доступа к системе Onchip отладки и программирования, а также программного обеспечения шестью режимами энергосбережения. В режиме ожидания останавливается CPU, позволяя SRAM, таймер / счетчику, SPI порту и системе прерываний продолжать функционировать. Ждущий режим сохраняет содержимое регистров, но замораживает генератор, отключая все остальные функции чипа до следующего прерывания или аппаратного сброса. В режиме энергосбережения, асинхронный таймер продолжает работать, позволяя пользователю поддерживать базу таймер, пока остальные устройства находятся в ждущем режиме. Шумоподавляющий режим останавливает процессор и все модули ввода / вывода, кроме асинхронного таймера и АЦП, чтобы свести к минимуму переходящий шум во время преобразования АЦП. В режиме ожидания кварцевый / керамический усилитель работает, в то время как остальная часть устройства `спит'. Это позволяет очень быстрый запуск в сочетании с низким энергопотреблением. В расширенном режиме ожидания, как основной генератор, так и асинхронный таймер продолжают работать.

Atmel предлагает `QTouch' библиотеки для встраивания емкостных сенсорных кнопок, ползунков и колес функциональности в микроконтроллерах AVR. Запатентованное зарядно-переносное обнаружение сигнала предлагает надежные зондирования и включает в себя полностью подавление дребезга отчетности сенсорных клавиш и включает в себя смежные `KeySuppression' (AKS ™) для однозначного выявления ключевых событий. Легкий в использовании набор инструментов `QTouch Suite' инструмент позволяет исследовать, разрабатывать и отлаживать свои сенсорные приложения.

Прибор изготовлен с высокой компактностью фирмы Atmel технологии энергонезависимой памяти. Onchip ISP Flash позволяет программе памяти быть перепрограммированной в систему через SPI интерфейс, с помощью обычного энергонезависимого программатора, либо On-chip Boot программа работает на AVR ядре. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки приложения во флэш-память. Программное обеспечение в разделе флэш-загрузка будет продолжать работать, в то время как раздел флэш-приложение будет обновляться, обеспечивая истинное `Read-While-Write' операции. Объединив 8-битный RISC-процессор с внутренней самопрограммированной флэш-памятью на монолитном чипе, Atmel ATmega2560 является мощным микроконтроллером, который обеспечивает гибкую и экономически эффективное решение для многих встраиваемых приложений управления.

AVR ATmega2560 поддерживается с полным набором программ и развития системы инструментов, включая: Cи компиляторы, макроассемблеры, программы отладчик/стимуляторы, эмуляторы и оценочные комплекты.

Технические параметры:

Cерия микроконтроллера - AVR MEGA

Ядро - 8bit

Кол-во входов \ выходов - 86

Минимальное питание - 4.5V

Максимальное питание - 5.5V

Кол-во выводов - 100

Объём программируемой памяти - 256KB

Объём EEPROM памяти - 4KB

Объём RAM памяти - 8KB

Скорость процессора - 16MHz

Периферийные устройства - АЦП, Компаратор, PWM, Счётчик, Таймер

Встроенные интерфейсы - JTAG, SPI, USART

Минимальная рабочая температура - 40°C

Максимальная рабочая температура - 85°C

Объём флэш-памяти - 256KB

Объём памяти - 256KB

Тип памяти - Flash

Кол-во АЦП каналов - 16

Кол-во каналов на внешнее прерывание - 32

Кол-во PWM каналов - 12

Кол-во каналов на Таймер - 6

Кол-во битов в Таймере - 16

Кол-во битов в АЦП - 10

Тип усиления - RC усилитель

Корпус - TQFP

Тип установки - SMD

Транзистор MMBT3609LT1

Технические параметры

Тип транзистора - PNP

Напряжение коллектор-эммитер - 40V

Переходная частота - 250MHz

Диссипация мощности - 225mW

Постоянный ток - 200mA

Минимальная рабочая температура - -55°C

Максимальная рабочая температура - 150°C

Корпус - SOT-23

Кол-во выводов - 3

Тип установки - SMD

Джампер MJ-O-4.5

Таблица 2. Технические параметры

Функциональное назначение	джамперы
Серия	MJ
Количество рядов	1
Количество контактов в ряду	2
Шаг контактов, мм	2.54
Материал изолятора	Полимер, усиленный стекловолокном
Сопротивление изолятора не менее, МОм	1000
Материал контактов	фосфористая бронза
Покрытие контактов	олово
Сопротивление контактов не более, Ом	0.02
Рабочий ток, А	3
Предельное напряжение не менее, В	650 в течении 1 мин
Рабочая температура, оС	-40...105
Производитель	в Тайване

L7805ABV TO-220.

Серия L7805AВ трех клемм положительных регуляторов доступны в TO-220, TO-220FP и D2PAK корпусах и несколько фиксированных выходных напряжений, что делает его полезным в широком диапазоне применений. Эти регуляторы могут обеспечить местную регулировку, устраняя проблемы распределения, связанные с регулированием одной точки. Каждый тип использует внутреннее ограничение по току, тепловому отключению и безопасной области защиты, что делает его, по существу, не поддающемуся разрушению. При соответствующей обеспеченной жаре, можно доставить выходной ток, хотя они предназначены, в первую очередь, как фиксированные стабилизаторы напряжения, эти устройства могут быть использованы с внешними компонентами, чтобы получить регулируемое напряжение и ток.

Технические параметры:

Корпус - TO220

Номинальный выходной ток, А - 1

Максимальное входное напряжение, В - 35

Выходное напряжение, В - 5

LCD Дисплей WH1602B-YYH-CTK

Технические параметры

Количество символов - 16

Количество строк - 2

Подсветка - есть

Цвет - желтый/зеленый

Температурный диапазон - расширенный

Встроенные фонты - рус./англ.

Напряжение питания, В - 5

LED дисплей CA56-21GWA

Зеленый цвет устройства источника сделан из фосфида галлия - зеленый светодиод.

7-сегментный четырехразрядный светодиодный индикатор с высотой символа 14.22мм (0.56 дюйма).

Технические параметры:

Высота символа - 14.22мм (0.56 дюйма).

Малый ток потребления

Легко устанавливается на печатную плату или гнездо.

Превосходные характеристики.

Серый фон, белый сегмент.

I.C. совместимый

RoHS совместимый.

Клавиатура

Технические параметры

Кол-во кнопок - до 16

Цвет - белый

Подстроечный резистор Bourns 3266

Технические параметры

Тип - подстроечный

Модель - 3266

Тип проводника - металлокерамика

Номинальное сопротивление - 10

Единица измерения - кОм

Точность, % - 10

Номинальная мощность, Вт - 0.25

Макс. рабочее напряжение, В - 600

Рабочая температура, С - -65…150

Количество оборотов - 12

Угол поворота движка - 4320

Способ монтажа - печатный

Длина движка - 1

Кварцевый резонатор HC-49U.

Кварцевые резонаторы предназначены для использования в аналогово-цифровых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний определённой частоты или полосы частот. Принцип работы: в широкой полосе частот сопротивление прибора имеет ёмкостной характер и только на некоторых (рабочих) частотах имеет широко выраженный резонанс (уменьшение сопротивления). Кварцевый резонатор имеет лучшие характеристики, чем другие приборы для стабилизации частоты (колебательные контуры, пьезокерамические резонаторы): такие как стабильность по частоте (уход частоты) и температуре (изменение частоты резонанса в зависимости от температуры окружающей среды). Избирательный, ярко выраженный резонансный характер сопротивления этих компонентов определяет основные области применения кварцевых резонаторов - высокостабильные генераторы тактовых сигналов и опорных частот, цепи частотной селекции, синтезаторы частоты и т.д.

Технические параметры:

Резонансная частота, МГц - 16.00

Точность настройки dF/Fх10-6 - 30

Температурный коэффициент, Ктх10-6 - 30

Нагрузочная емкость, пФ - 32

Рабочая температура, С - -20…70

Корпус - HC-49U

Длина корпуса L., мм - 13.5

Диаметр (ширина) корпуса, D(W), мм - 11.5

Прямая вилка IDC10.

Технические параметры:

Серия - IDC

Функциональное назначение - вилка

Способ монтажа - пайка на плату

Форма контактов - прямые

Количество контактов - 10

Шаг контактов - 2.54

Материал изолятора - полибутилен

Сопротивление изолятора не менее, Мом - 1000

Материал контактов - медь

Покрытие контактов - напыление золотом

Сопротивление контактов не более, Ом - 0.015

Предельный ток, А - 1

Предельное напряжение не менее, В - 500 в течение1 мин.

Рабочая температура, °С - -40…105

Электролитический конденсатор (ECAP)К50-35.

Алюминиевые электролитические конденсаторы, благодаря электрохимическому принципу работы, обладают следующими преимуществами:

· высокая удельная емкость, позволяющая изготавливать конденсаторы емкостью свыше 1Ф;

· высокий максимально допустимый ток пульсации;

· высокая надежность.

Предлагаемые алюминиевые электролитические конденсаторы производства Jamicon являются аналогами отечественных конденсаторов: K50-16, K50-35, K50-38, K50-40, K50-46.

Технические параметры:

Тип - К50-35

Рабочее напряжение, В - 50

Номинальная емкость, мкФ - 47

Рабочая температура, С - -25…105

Выводы/корпус - радиал. пров.

SMD0805 конденсатор GRM2195C2D220J.

Компания Murata специализируется на выпуске электронных компонентов из высококачественных керамических материалов (оксид титана, титанит бария и др.). За 60-летнюю историю компания заняла лидирующую позицию по выпуску керамических компонентов.

Серия GRM - безвыводные керамические неполярные конденсаторы общего применения. Имеют превосходные импульсные характеристики и малый уровень собственных шумов благодаря низкому импедансу на высоких частотах. Конденсаторы серии GRM выпускаются с различными типами диэлектриков - тип диэлектрика определяет ТКЕ данного конденсатора.

· Рабочее напряжение: 6.3, 10, 16, 25, 50, 100, 200 и 630В

· Диапазон возможных емкостей: 0,3 пФ - 100 мкФ

· Размерный ряд: от 0201 до 2220

Технические параметры:

Тип - GRM21

Рабочее напряжение, В - 200

Номинальная емкость - 22

Единица измерения - пФ

Допуск номинала, % - 5

Температурный коэффициент емкости - NP0

Рабочая температура, С - -55…125

Выводы/корпус - SMD 0805

Длина корпуса L, мм - 2

Ширина корпуса W, мм - 1.25

SMD0805 конденсатор Y5V.

Используются в электрических цепях постоянного, переменного токов и в импульсных режимах. Керамические чип конденсаторы предназначены для автоматизированного поверхностного монтажа на печатные платы с последующей пайкой оплавлением, горячим воздухом или в инфракрасных печах. Типоразмеры 0603 и 0805 идеальны для высокоплотного монтажа.

· Типы ТКЕ: NP0, X7R, Y5V

· Диапазон номинальных значений емкости: 0.68 пФ - 2.2 мкФ

· Точность: ±5%, ±10%, ±20%

· Рабочее напряжение: 10В, 16В, 25В, 50В, 100В

· Типоразмеры: 0603, 0805, 1206, 1812

Технические параметры

Тип - керамический ЧИП

Рабочее напряжение, В - 50

Номинальная емкость - 0.1

Единица измерения - мкФ

Допуск номинала, % - 80…-20

Температурный коэффициент емкости - Y5V

Рабочая температура, С - -25…85

Выводы/корпус - SMD 0805

Длина корпуса L, мм - 2

Ширина корпуса W, мм - 1.25

SMD0805 чип резистор.

Бескорпусные толстопленочные резисторы (чип-резисторы, smd-резисторы) предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Используются для поверхностного монтажа.

· Номинальная мощность: 0.063 Вт (тип 0603), 0.125 Вт (тип 0805), 0.25 Вт (тип 1206)

· Диапазон номинальных сопротивлений: 1 Ом - 10 MOм, ряд 24

· Точность: ± 5% (J), ± 1% (F)

· Рабочее напряжение: 200 B

· Диапазон рабочих температур: -55 ...+ 125 °C

Технические параметры:

Тип - ЧИП

Номинальное сопротивление - 10

Единица измерения - кОм

Точность, % - 5

Номинальная мощность, Вт - 0.125

Макс. рабочее напряжение, В - 150

Монтаж - SMD 0805

Длина корпуса L, мм - 2

Ширина (диаметр) корпуса W(D),мм - 1.25

А также резисторы с другим номиналом, такого же типа.

Технические параметры:

Тип - ЧИП

Номинальное сопротивление - 220

Единица измерения - Ом

Точность, % - 5

Номинальная мощность, Вт - 0.125

Макс. рабочее напряжение, В - 150

Монтаж - SMD 0805

Длина корпуса L, мм - 2

Ширина (диаметр) корпуса W(D),мм - 1.25

1.1.5 Разработка печатной платы

Аналоговая схемотехника и цифровая схемотехника отличаются друг от друга, поэтому следует аналоговую часть схемы отделять от цифровой части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила. Эффекты, возникающие из-за погрешности параметров печатных плат, становятся особенно заметными в высокочастотных аналоговых схемах, но погрешности общего вида, могут оказывать воздействие на характеристики устройств, работающих даже в звуковом диапазоне частот.

Категории печатных плат. При выборе конструкции печатной платы следует подходить основательно, т.к. это является важным фактором, определяющим механические параметры при использовании устройства в целом. Для изготовления ПП используются материалы разного уровня качества. Наиболее удобным и подходящим для инженера будет, если изготовитель ПП находится близко. Таким образом, легче осуществить контроль удельного сопротивления и диэлектрической постоянной - основных характеристик материала ПП. В некоторых случаях этого бывает недостаточно и часто необходимо знание других характеристик, таких как высокотемпературная стабильность, коэффициент гигроскопичности и воспламеняемость. Эти параметры знает только производитель компонентов, используемых при производстве ПП.

Индексами FR (flame resistant - сопротивляемость к возгоранию) и G обозначаются слоистые материалы. Материал с индексом FR-1 обладает наибольшей горючестью, а FR-5 - наименьшей. Материалы с индексами G10 и G11 обладают особыми параметрами. Материалы ПП приведены в таблице 01.

Таблица 3. Категории печатных плат

Категория	Компоненты, комментарии
FR-1	бумага, фенольная композиция: высокий коэффициент гигроскопичности, прессование и штамповка при комнатной температуре
FR-2	бумага, фенольная композиция: невысокий коэффициент гигроскопичности, применимый для односторонних печатных плат бытовой техники
FR-3	бумага, эпоксидная композиция: разработки с хорошими электрическими и механическими характеристиками
FR-4	стеклоткань, эпоксидная композиция: прекрасные электрические и механические свойства
FR-5	стеклоткань, эпоксидная композиция: отсутствие воспламенения, высокая прочность при повышенных температурах
G10	стеклоткань, эпоксидная композиция: наиболее высокая прочность стеклоткани, низкий коэффициент гигроскопичности, высокие изоляционные свойства
G11	стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая сопротивляемость растворителям, высокая прочность на изгиб при повышенных температурах

Не следует использовать ПП категории FR-1. Существует достаточно много примеров использования ПП FR-1, на которых имеются повреждения от теплового воздействия мощных компонентов. ПП этой категории больше похожи на картон, чем на прочную плату.

FR-4 чаще используется для изготовления промышленных оборудований, а FR-2 используется в бытовой техники. Они стандартизованы в промышленности, поэтому ПП FR-2 и FR-4 часто подходят для большинства приложений. Однако погрешности некоторых параметров этих категорий заставляют использовать другие прочие материалы. Например, для очень высокочастотных приложений в качестве материала ПП используют фторопласт и даже керамику.

Следует обращать внимание на рабочую температуру. У больших цифровых интегральных схем, переключения которых происходят на высокой частоте, их участки могут встречаться с высокой температурой. Повышение температуры может сказаться на изменении характеристик аналоговой схемы, если такие участки расположены непосредственно под аналоговыми компонентами.

Выбор материала ПП также зависит от такого параметра как гигроскопичность, этот параметр может повлиять сильным негативным эффектом на желаемые характеристики платы - высоковольтные изоляционные свойства (пробои и искрения), поверхностное сопротивление, утечки, и механическая прочность.

Необходимо определить толщину фольги печатной платы. Этот параметр выбирается исходя из максимальной величины протекающего тока. Желательно избегать применения очень тонкой фольги.

Количество слоев печатных плат.

В зависимости от качественных требований и общей сложности схемы разработчик должен определить количество слоев печатной платы.

Однослойные печатные платы.

Очень простые электронные схемы выполняются на односторонних платах. Такой способ создания печатных плат рекомендуется только для низкочастотных схем. Хорошие платы такого типа встречаются, но при их разработке требуется очень многое обдумывать заранее. Исходя из того, что наша ПП двухслойная, то описывать более подробно об однослойных ПП надобности не находится.

Двухслойные печатные платы.

Двухсторонние печатные платы, которые в большинстве случаев используют в качестве материала подложки FR-4, иногда встречается FR-2, наиболее подходят для бытовой техники. Применение FR-4 более предпочтительней, поскольку в печатных платах из этого материала любые отверстия получаются более лучшего качества. Схемы на двухсторонних печатных платах разводятся, гораздо легче и в большинстве случае не требует перемычек, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Желательно нижний слой (bottom) отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:

· полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона, это очень частое применение полигонов в многослойных печатных платах ММП;

· общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом; поэтому желательно залить полигон общего сигнала для упрощения разводки;

· увеличивается механическая прочность платы;

· уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает помехи, такие как шум и наводки;

· увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогающая подавлять излучаемый шум;

Двухсторонние печатные платы, несмотря на все свои преимущества, не являются лучшими, в частности для малосигнальных или высокоскоростных схем. В общем случае, толщина печатной платы, т.е. расстояние между слоями металлизации, равняется 1,5 мм, что слишком много для полной реализации некоторых преимуществ двухслойной печатной платы, приведенных выше. Распределенная емкость слишком мала из-за такого большого интервала.

Многослойные печатные платы.

Для ответственных схемотехнических разработок требуются МПП. Однако они не будут рассмотрены, так как в данном проекте используется двухслойна печатная плата.

Порядок следования слоев.

У неопытных инженеров-разработчиков часто возникает замешательство по поводу оптимального порядка следования слоев печатной платы. Например, 4-слойная ПП, содержащую два сигнальных слоя и два полигонных слоя - слой земли и слой питания. Важно помнить, что часто расположение слоев не имеет особого значения, поскольку все равно компоненты располагаются на внешних слоях (top - bottom), а шины, подводящие сигналы к их выводам, порой проходят через все слои. Поэтому любые экранные эффекты представляют собой лишь компромисс. В данном случае лучше позаботиться о создании большой распределенной емкости между полигонами питания и земли, расположив их во внутренних слоях, однако могут возникнуть проблемы при тестировании, т.к. подводить дополнительные проводники к внутренним слоям бывают, затруднительны и затормаживается процесс диагностики.

Для печатных плат с более чем четырьмя слоями, существует общее правило располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить на внешние слои. В нашей ПП плате всего лишь 2 слоя, где все эти рекомендации не составляют ценности и желательно расположить верхний слой на питание, а нижний на землю, чтобы процесс диагностики был комфортабельным для инженера.

1.1.6. Основы программного обеспечения

Рассмотрим примеры прошивки Arduino Mega - AtMega2560. Это не является основной частью ВКР, поэтому описанное ниже будет уплотнено в целях экономии места, а также мы рассмотрим лишь эскиз для работы, который можно запрограммировать для любого пользователя, в зависимости от функций аппарата.

В руководстве по началу работы ( ОС Windows , Mac OS X , Linux ), вы загружаете эскиз - sketch.

Эскиз.

Sketch (Эскиз) это имя, которое используется для Arduino программы. Это модуль, который загружается и работает на Arduino борту.

Комментарии

Первые несколько строк из Blink эскиза комментарий:

/* *Blink * *The basic Arduino example. Turns on an LED on for one second, *then off for one second, and so on. We use pin 13 because, *depending on your Arduino board, it has either a built-in LED *or a built-in resistor so that you need only an LED. * *http://www.arduino.cc/en/Tutorial/Blink */

Все между / * и * / игнорируется Arduino, когда работает эскиз (* в начале каждой строки можно сделать комментарий, который выглядит красиво, но не требуется). Это для людей, читающих код, чтобы объяснить, что делает программа, как она работает, и почему это написано в такой последовательности. Это хорошая практика, чтобы комментировать ваши эскизы, и сохранять комментарии, загружая обновления, когда вы измените код. Это помогает другим людям, чтобы учиться или измените свой код.

Также существует другой стиль для коротких, однострочных комментариев. Они начинаются с // и продолжаются до конца строки. Например, в строке:

int ledPin = 13; // LED connected to digital pin 13

Сообщение "светодиод, подключенный к цифровому выводу 13", является комментарием.

Переменные.

Переменная является местом для хранения части данных. Она имеет имя, тип и значение. Например, линия от Blink-эскиза выше объявляется переменная с именем ledPin, типа int, а начальное значение 13. Это используется для обозначения Arduino, как какой контакт LED подключен. Каждый раз, когда имя ledPin кода появится, то его значение будет извлечено. В этом случае, человек, пишущий программу, возможно, не будет заниматься созданием ledPin переменной, а вместо этого просто напишет 13 везде, где они необходимы, чтобы определить пин-код. Преимущество использования переменных является то, что это легче перемещать пин к другому пину: Вам только нужно отредактировать одну строку, которая присваивает начальное значение переменной.

Однако часто значение переменной будет меняться, в то время как схема работает. Например, вы могли бы хранить значение, считанное из входного в переменную.

Функции.

Функция (иначе известный как процедура или подпрограмма) является куском кода, который может быть использован из других эскизов. Например, вот определение setup() функции из Blink примера:

void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); // sets the digital pin as output }

Первая строка содержит информацию о функции, как и его название, "Установка". Текст перед и после имени указывает его тип возвращаемого значения и параметров. Код между {и} называется телом функции: что делает эта функция.

Вы можете называть функцию, которая уже была определена (либо в вашем эскизе или как часть языка Arduino). Например, линия pinMode (ledPin, OUTPUT); называет pinMode () функцию, передав ей два параметра: ledPin и OUTPUT. Эти параметры используются pinMode () функция решить, какой пин и установку режима.

pinMode (), digitalWrite () и delay ().

PinMode () функция настраивает пины как вход или выход. Чтобы его использовать, вы определяете ему номер, чтобы настроить и дать постоянный вход или выход. Когда пин настроен как вход, пин может определять состояние датчика как кнопки. В качестве выхода, он может управлять исполнительным механизмом как LED-дисплеем.

DigitalWrite () функция выводит значение на пин. Например, строка:

digitalWrite(ledPin, HIGH);

установить ledPin (pin 13) до HIGH, или 5 В. Написание LOW к контакту соединяет ее с землей, или 0 вольт.

Delay () является причиной Arduino, чтобы Arduino ждала указанное количество миллисекунд прежде чем перейти к следующей строке. Есть 1000 миллисекунд в секунде, так что строка:

delay(1000);

создает задержку в одну секунду.

setup () и loop ().

Есть две специальные функции, которые являются частью каждого эскиза Arduino: setup () и loop (). Setup () вызывается один раз, когда начинается эскиз. Это хорошее место, чтобы настроить задачи, такие как настройка режимов пинов или инициализации библиотек. Loop () функция вызывается снова и снова и является сердцем большинства эскизов. Вам нужно включить обе функции в ваш эскиз, даже если вы не нуждаетесь в них.

Все библиотеки используются с официального сайта Arduino. Таким образом, будут запрограммированы LCD и LED дисплеи, а точнее их функции в микроконтроллере.

Цифровые контакты.

Контакты на Arduino может быть настроены либо как входы или как выходы. В то время как заголовок этого документа относится к цифровым выводам, важно отметить, что подавляющее большинство Arduino (Atmega) аналоговых пинов, могут быть сконфигурированы, и используются, точно таким же образом, как цифровые пины.

Свойства пинов настроенные в качестве входных данных.

Arduino (Atmega) выводы настраиваются по умолчанию для входа, так что они не должны быть явно обозначены как входы с pinMode (). Выводы, настроенные как входы находятся в высоком импедансном состоянии. Это означает, что она потребляет очень мало тока для перехода текущего входного контакта из одного состояния в другое, и может сделать, контакты полезны для таких задач, как осуществление емкостного сенсорного датчика, чтение светодиода как фотодиода, или чтение аналогового датчика со схемой, таких как RCTime.

Это также означает, однако, что входные контакты ни с чем не связанные с ними, или с проводами, подсоединенными к ним, которые не подключены к другим цепям, сообщит случайные изменения в контактном состоянии, подбирая электрические помехи из окружающей среды, или емкостной связи соседнего контакта.

Подтягивающие резисторы.

Часто бывает полезно, чтобы направить входной контакт в известное состояние, если вход на пин не присутствует. Это может быть сделано путем добавления подтягивающего резистора (питание +5 В) или подтягивающий резистор (резистор на землю) на входе.

Есть также удобные резисторы номиналом 20кОм, которые встроены в чип Atmega, которые могут быть доступны с программным обеспечением. Эти встроенные резисторы доступны следующим образом.

pinMode(pin, INPUT); // set pin to input

digitalWrite(pin, HIGH); // turn on pullup resistors