Проектирование схемы часов на семисегментном четырёхразрядном индикаторе в программе Proteus 7 Professional

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Часы -- прибор для определения текущего времени суток и измерения продолжительности временных интервалов в единицах, меньших чем одни сутки.

Немного об истории возникновения часов:

Часы активно развивались в 17 веке, хотя были были изобретены еще в 15 ом. Первые часы были исключительно механические и основывались на пружинном механизме. В процессе развития технологий появлялись все новые механизмы способные участвовать в измерении времени. Так, например, помимо пружины в качестве колебательной системы использовались вибрация кварца или же различные электромагнитные системы. Первые же цифровые электронные часы появились в 1970 году.

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

Тема данной курсовой называется «Часы на семисегментном четырёхразрядном индикаторе» на PIC - микроконтроллере, в наше время имеют огромное применение.

1. Аналитический раздел

1.1 Программа Proteus 7 Professional

Описание программы.

Proteus Professional -- пакет программ для автоматизированного проектирования электронных схем. Пакет представляет собой систему схемотехнического моделирования, базирующуюся на основе моделей электронных компонентов принятых в PSpice. Отличительной чертой пакета Proteus Professional является возможность моделирования работы программируемых устройств: микроконтроллеров, микропроцессоров, DSP и прочее. Дополнительно в пакет Proteus Professional входит система проектирования печатных плат. Proteus Professional может симулировать работу следующих микроконтроллеров: 8051, ARM7, AVR, Motorola, PIC, Basic Stamp. Библиотека компонентов содержит справочные данные.

Возможности программы.

Поддерживает МК: PIC, 8051, AVR, HC11, MSP430, ARM7/LPC2000 и другие распространенные процессоры. Более 6000 аналоговых и цифровых моделей устройств. Работает с большинством компиляторов и ассемблерами.

PROTEUS VSM позволяет очень достоверно моделировать и отлаживать достаточно сложные устройства в которых может содержаться несколько МК одновременно и даже разных семейств в одном устройстве!

Моделирование электронной схемы не абсолютно точно повторяет работу реального устройства. Но для отлаживания алгоритма работы МК, этого более чем достаточно. PROTEUS содержит огромную библиотеку электронных компонентов. Отсутствующие модели можно сделать. Если компонент, не программируемый нужно на сайте производителя скачать его SPICE модель и добавить в подходящий корпус.

Proteus 7 состоит из двух основных модулей:

ISIS - графический редактор принципиальных схем, который служит для ввода разработанных проектов с последующей имитацией и передачей для разработки печатных плат в ARES. К тому же после отладки устройства можно сразу развести печатную плату в ARES, которая поддерживает авто размещение и трассировку по уже существующей схеме.

ARES - графический редактор печатных плат со встроенным менеджером библиотек и автотрассировщиком ELECTRA, автоматической расстановкой компонентов на печатной плате.

Вот, например схема светофора:

Рисунок 1.1 - Примеры схем на программе

1.2 Программа MikroC PRO for PIC

Рисунок 1.2 - Программа MikroC

Описание программы.

MikroC PRO PIC - мощный инструмент разработки программ для PIC микроконтроллеров. Он сконструирован, чтобы обеспечить программисту наименее трудоемкие решения по созданию приложений для встраиваемых систем, без компромисса между производительностью и удобством отладки.

PIC и Си хорошо подходят друг другу: PIC - наиболее популярный 8-битовый микроконтроллер в мире, используемый во многих приложениях, и Си, высоко ценимый за свою эффективность, предоставляют реальную возможность для разработки встроенных систем. MikroC обеспечивает успешное сочетание развитой среды программирования (IDE), соответствующего ANSI компилятора, широкого набора библиотек для аппаратных средств, всесторонней документации и большого количества готовых к употреблению примеров.

Возможности программы.

MikroC позволяет быстро разработать и внедрить сложные приложения:

- Текст программы вводится с помощью встроенного редактора исходного кода (с помощью в коде и параметрах, контекстной подсветкой, автокоррекцией, кодовыми шаблонами и т.п.).

- Использование прилагаемых библиотек mikroC существенно повышает скорость разработки: сбор, хранение, индикация, преобразования и обмен данными. Поддерживаются практически все члены семейств P12, P16 и P18.

- Проводник по коду (Code Explorer) позволяет оперативно контролировать структуру программы, переменные и функции проекта.

- После обработки создаются откомментированный и читабельный файл на ассемблере и стандартный HEX файл, пригодный для использования всеми программаторами.

- Встроенный отладчик позволяет проверять ход и логику исполнения программы.

- После компиляции предоставляется полная статистика использования памяти, ассемблерный листинг, дерево вызовов функций и т.п.

- Обеспечено достаточное количество примеров, которые можно расширять и использовать как составные части разрабатываемых проектов. Если нужно, можно копировать их в проекты целиком, для того они и включены в состав компилятора.

2. Исследовательский раздел

В этом разделе будет содержано подробное описание многих радиоэлементов, которые могут присутствовать в схеме по теме данной курсовой.

2.1 Резистор

Резистор - пассивный элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрического сопротивления. Это один из самых распространенных радиоэлементов. Даже в простом транзисторном приемнике число резисторов достигает нескольких десятков, а в современном телевизоре их не менее двух-трех сотен. Резисторы используют в качестве нагрузочных и токоограничительных элементов, делителей напряжения, добавочных сопротивлений и шунтов в измерительных цепях и т.д.

Рисунок 2.1 - Внешний вид резисторов

Основным свойством резистора является его электрическое сопротивление, которым определяется скорость такого преобразования, как произведение сопротивления на квадрат тока. Вообще говоря, сопротивление зависит от тока, но чаще всего этот термин употребляется в применении к цепям, в которых сопротивление не зависит от тока. Электрическое сопротивление измеряется в омах. Резисторы обычно изготавливают из материалов с удельным сопротивлением от 5*10-8 до 8*10-5 Ом*м.

Основные характеристики и параметры резисторов

- Номинальное сопротивление - основной параметр.

- Предельная рассеиваемая мощность.

- Температурный коэффициент сопротивления.

- Допустимое отклонение сопротивления от номинального значения (технологический разброс в процессе изготовления).

- Предельное рабочее напряжение.

- Избыточный шум.

Некоторые характеристики существенны при проектировании устройств, работающих на высоких и сверхвысоких частотах, это:

- Паразитная емкость.

- Паразитная индуктивность.

Обозначение на схемах.

По стандартам России условные графические обозначения резисторов на схемах должны соответствовать ГОСТ 2.728-74. В соответствии с ним, постоянные резисторы обозначаются следующим образом:

Таблица 2.1 - Обозначение резисторов на схемах

Обозначение по ГОСТ 2.728-74	Описание
	Постоянный резистор без указания номинальной мощности рассеивания
	Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 0,05Вт
	Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 0,125 Вт
	Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 0,25 Вт
	Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 0,5 Вт
	Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 1 Вт
	Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 2 Вт
	Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 5 Вт
	Постоянный резистор номинальной мощностью рассеивания 10 Вт

2.2 Микроконтроллер

С 80-х годов XX века в микропроцессорной технике выделился самостоятельный класс интегральных схем - однокристальные микроконтроллеры, которые предназначены для встраивания в приборы различного назначения. От класса однокристальных микропроцессоров их отличает наличие внутренней памяти, развитые средства взаимодействия с внешними устройствами.

Микроконтроллер - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять относительно простые задачи.

Можно считать что микроконтроллер (МК) -- это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.



Рисунок 2.2 - Микроконтроллеры внешне

Известные семейства.

- MCS 51 (Intel)

- MSP430 (TI)

- ARM (ARM Limited)

- ST Microelectronics STM32 ARM-based MCUs

- AtmelCortex, ARM7 и ARM9-based MCUs

- Texas Instruments Stellaris MCUs

- NXPARM-based LPC MCUs

- ToshibaARM-based MCUs

- Analog Devices ARM7-based MCUs

- Cirrus LogicARM7-based MCUs

- Freescale Semiconductor ARM9-based MCUs

- AVR (Atmel)

- ATmega

- ATtiny

- XMega

- PIC (Microchip)

- STM8 (STMicroelectronics)

Способы адресации данных.

В микроконтроллере используются следующие способы адресации данных:

* неявный;

* регистровый;

* непосредственный;

* прямой;

* косвенный.

- Неявный способ получил такое название из-за того, что адрес операнда в команде явно не указывается, а подразумевается самим кодом операции (КОП).

- Регистровый способ адресации используется для операндов, хранящихся в одном из регистровых банков: регистры общего назначения R0 - R7.

- Непосредственный способ адресации служит для использования в качестве операнда непосредственных данных. При этом операнд находится в программной памяти непосредственно за КОП команды.

- Прямой способ адресации предполагает указание операндов посредством адреса, содержащегося в команде.

- Косвенный способ адресации предполагает указание операндов посредством адреса, содержащегося в регистре либо в регистровой паре. В команде указывается регистр, который в свою очередь указывает адрес операнда. Этот способ адресации позволяет уменьшить формат команд и повысить гибкость программирования.

Архитектура микроконтроллеров AVR и PIC.

В общем, все микроконтроллеры построены по одной схеме. Система управления, состоящая из счетчика команд и схемы декодирования, выполняет считывание и декодирование команд из памяти программ, а операционное устройство отвечает за выполнение арифметических и логических операций; интерфейс ввода/вывода позволяет обмениваться данными с периферийными устройствами; и, наконец, необходимо иметь запоминающее устройство для хранения программ и данных.



Рисунок 2.3 - Архитектура микроконтроллера

Память данных предназначена для записи/чтения данных, используемых программами. Является энергозависимой, то есть, при отключении питания микроконтроллера все хранимые в ней данные, будут потеряны.

Применение.

Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств.

Применение МК можно разделить на два этапа:

Первый -- программирование, когда пользователь разрабатывает программу и прошивает ее непосредственно в кристалл.

Второй -- согласование спроектированных исполнительных устройств с запрограммируемым МК. Значительно облегчают отладку программы на первом этапе -- симулятор, который наглядно моделирует работу микропроцессора. На втором этапе для отладки используется внутрисхемный эмулятор, который является сложным и дорогим устройством, зачастую недоступным рядовому пользователю.

Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

· в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD, калькуляторах;

· электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления -- стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах, различных роботах, системах "умный дом", и др..

В промышленности:

· устройства промышленной автоматики -- от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,

· систем управления станками

В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие большими вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры, применяющиеся для обработки большого потока данных в реальном времени (например, аудио-, видеопотоков).

Микроконтроллер PIC16F628A.

А теперь хотелось бы немного добавить о характеристике микроконтроллера PIC16F628A, так как этот микроконтроллер присутствует в нашей схеме практического раздела.



Рисунок 2.4 - МК PIC16F628A

Характеристика RISC ядра:

* Тактовая частота от DC до 20МГц

* Поддержка прерываний

* 8-уровневый аппаратный стек

* Прямая, косвенная и относительная адресация

* 35 однословных команд

* все команды выполняются за один машинный цикл, кроме команд ветвления и условия с истинным результатом

Особенности микроконтроллеров:

* Внешний и внутренний режимы тактового генератора

* Прецизионный внутренний генератор 4МГц,

нестабильность +/- 1%

* Энергосберегающий внутренний генератор 37кГц

* Режим внешнего генератора для подключения кварцевого или керамического резонатора

* Режим энергосбережения SLEEP

* Программируемые подтягивающие резисторы на входах PORTB

* Сторожевой таймер WDT с отдельным генератором

* Режим низковольтного программирования

* Программирование на плате через последовательный порт (ICSP) (с использованием двух выводов)

* Защита кода программы

* Сброс по снижению напряжения питания BOR

* Сброс по включению питания POR

* Таймер включения питания PWRT и таймер запуска генератора OST

*Широкий диапазон напряжения питания от 2.0В до 5.5В

* Промышленный и расширенный температурный диапазон

* Высокая выносливость ячеек FLASH/EEPROM

* 100 000 циклов стирания /записи FLASH памяти программ

* 1 000 000 циклов стирания /записи EEPROM памяти данных

* Период хранения данных FLASH/EEPROM памяти > 100 лет

Периферия:

* 16 каналов ввода/вывода с индивидуальными битами направления

Сильноточные схемы портов сток/исток, допускающих непосредственное подключение светодиодов

* Модуль аналоговых компараторов:

- Два аналоговых компаратора

- Внутренний программируемый источник опорного напряжения

- Внутренний или внешний источник опорного напряжения

- Выходы компараторов могут быть подключены на выводы МК

* CCP модуль:

- разрешение захвата 16 бит

- разрешение сравнения 16 бит

- 10-разрядный ШИМ

* Адресуемый USART модуль



Рисунок 2.5 - Расположение выводов МК PIC16F628A

Таблица 2.3 - Характеристика

PICmicro	Память программ (слов)	Память данных	Портов I/O	CCP (ШИМ)	USART	Компар.	Таймеры 8/16 бит
		ОЗУ (байт)	EEPROM (байт)
PIC16F627A	1024	224	128	16	1	+	2	2/1
PIC16F628A	2048	224	128	16	1	+	2	2/1
PIC16F648A	4096	256	256	16	1	+	2	2/1

2.3 Семисегментный четырёхразрядный индикатор

Cемисегментный индикатор - это светодиоды, расположенные друг относительно друга в определенном порядке в одном корпусе.



Рисунок 2.6 - Семисегментный четырёхразрядный индикатор

Если рассмотреть схему одиночного семисегментного индикатора, то она выглядит вот так:

Рисунок 2.7 - Схема одиночного семисегментного индикатора

Семисегментники могут быть одиночные и многоразрядные, то есть две, три, четыре семисегментника в одном корпусе. Для того, чтобы проверить современный семисегментник, нам достаточно мультиметра с функцией прозвонки диодов. Ищем общий вывод - это может быть или ОА или ОК - методом тыка и потом уже смотрим работоспособность всех сегментов индикатора.

Светодиодные сегменты индикатора требуют подключения токоограничивающих резисторов при питании от 5 В на логическом выводе. Значение резистора обычно берется между 330 и 470 Ом. Также рекомендуется использование транзисторов для обеспечения дополнительного тока, поскольку каждый вывод микроконтроллера может выдавать максимум 40 мА. Если включить все сегменты разряда (цифра 8), то потребляемый ток превысит этот предел. На рисунке ниже показана схема подключения четырехразрядного семисегментного индикатора с применением транзисторов токоограничивающих резисторов.

Рисунок 2.8 - Схема подключения четырехразрядного семисегментного индикатора с применением транзисторов токоограничивающих резисторов

В схемах семисегментники цепляются с резисторами на каждом выводе. Это тоже связано с тем, что светодиоды при подаче напряжения на них быстро и сильно пожирают ток и выгорают.

Рисунок 2.9 - Схема подключения резисторов к индикатору

В наше время семисегментники уже заменяются жк-индикаторами, которые могут высвечивать абсолютно различную информацию.

Рисунок 2.10 - ЖК-индикатор

Но для того, чтобы их использовать, нужны определенные навыки в схемотехнике таких устройств. Пока что проще и дешевле светодиодных семисегментных индикаторов ничего нет.

2.4 Электронная кнопка

В основе «электронной кнопки» как это ни странно, лежит обычный «микрик», без переключения (тройника), без фиксации, который можно комфортно разместить на передней панели устройства, снабдив элегантной клавишей. Можно встретить подобные кнопочные переключатели, совмещенные конструктивно с индикаторным светодиодом и разных видов исполнения. Для «печатного» монтажа и более солидные, антивандальные кнопки. У последних кнопок, кроме всего прочего, неплохой дизайн. В общем, выбрать есть из чего.



Рисунок 2.11 - Кнопки внешне

2.5 Вывод

В аналитическом и исследовательском разделе описан большой материал. Теме курсовой работы называется «Часы на семисегментном четырёхразрядном индикаторе». Чтобы разработать данное устройство, для начала нужно ознакомиться с такой программой как Proteus 7 Professional, так как он представляет собой пакет программ для автоматизированного проектирования электронных схем, как было сказано в аналитическом разделе. Далее. После того как схема была собрана, нужно запрограммировать сам микроконтроллер, в нашей схеме это микроконтроллер PIC16F628A, ну там уже своя аналогия.

В результате описания исследовательского раздела, было выяснено, что такое: резистор, микроконтроллер, семисегментный четырёхразрядный индикатор и электронная кнопка, в общем, вся элементная база нашей схемы и что каждый элемент представляет собой, и какую роль он играет.

3. Практический раздел

3.1 Часы на семисегментном четырёхразрядном индикаторе

Схема и её состав.

Рисунок 3.1 - Схема часов на семисегментном четырёхразрядном индикаторе

Таблица 3.1 - Состав схемы часов на семисегментном четырёхразрядном индикаторе

Элементы	Наименование	Кол-во	Примечание
Микроконтроллер	PIC16F628A	1	Низкое энергопотребление (подробно в исслед. разделе)
Семисегментный четырёхразрядный индикатор	7SEG-MPX4-CA	1	Цифровое табло
Кнопка	Без фиксации	4	Отвечает за старт и сброс часов

3.2 Программная реализация

int b[]={

0b11000000, // 0

0b11111001, // 1

0b10100100, // 2

0b10110000, // 3

0b10011001, // 4

0b10010010, // 5

0b10000010, // 6

0b11111000, // 7

0b10000000, // 8

0b10010000, // 9};

int a[] = {

0b00000001,//единицы

0b00000010,//десятки

0b00000100,//сотни

0b00001000 //тысячи

};

void main()

{

int temp=0, i, sec1,sec10,sec100,sec1000; //переменные целого типа

TRISA = 0b00010000;;//отключение портов, кроме одного, где будет расположенная кнопка

TRISB = 0;//отключение портов

while (1) //открывает цикл

{

if (temp==1){ //условие

// сек 1000

Delay_ms(1);

PORTA = a[0];

PORTB = b[sec1000];

// сек 100

Delay_ms(1);

PORTA = a[1];

PORTB = b[sec100];

// сек 10

Delay_ms(1);

PORTA = a[2];

PORTB = b[sec10];

// сек 1

Delay_ms(1);

PORTA = a[3];

PORTB = b[sec1];

i++; //с повторением цикла, значение i увеличивается на 1

if (i>10)

{ sec1++; i=0; }

if ( sec1 > 9){

sec1 = 0;

sec10++;}

if (sec10>5)

{ sec10 = 0;

sec100++;}

if (sec100>9)

{sec1000++;

sec100 = 0;}

if ((sec1000==2)&&(sec100==4))

{sec100=0; sec1000 = 0;

}}

if (RA4_bit)

{ temp=!temp;

sec1000=0;

sec100=0;

sec10=0;

sec1=0;

PORTB=0xff;

while(RA4_bit) {}

}}

3.3 Принцип работы

микроконтроллер четырехразрядный семисегментный транзистор

Принцип работы часов не так уж и сложен, поэтому будет дано краткое описание об этом.

Источником питания может служить аккумуляторная батарея напряжением 12В или выпрямитель с таким же выходным напряжением постоянного тока.

Сам принцип работы будет рассмотрен в основном по программной реализации.

В самой программе нужно разобраться, как работать с самими числами, т.е. как указать нужное и поставить их по возрастанию, что и было, сделано. Далее указано, что есть единицы, десятки, сотни и тысячи. Им просвоены переменные: sec1, sec10, sec100, sec1000 (по возрастанию). В схеме есть ещё кнопка, которая отвечает за старт/сброс часов и для неё создана отдельная переменная temp. При нажатии кнопки часы запускаются, при повторном часы отключаются и значения сбрасываются.

Далее в ходе программы задаётся условие, если единицы минут (sec1) больше 9, то оно обнуляется и последующее число (sec10) увеличивается на 1, которое в свою очередь отвечает за десятки минут. Потом идут часы. Стоит условие: если sec10 больше 59, то оно обнуляется, а следующее число (sec100-единицы часов) увеличится на единицу. И если sec 100 больше 9, то оно также будет обнуляться sec1000 (десятки часов) увеличивается на 1. Имеется ещё и двойное условие: если sec100 равен 4, а sec1000 - 2, т.е. 24 часа, то все значения переменных обнуляется, и цикл будет запущен заново.

Заключение

В процессе составления курсовой работы были рассмотрены такие радиоэлементы как:

- микроконтроллеры (их виды, назначения, структура, архитектура и довольно большой материал конкретно о микроконтроллере PIC16F628A).

- семисегментный четырёхразрядный индикатор (набор светодиодов, расположенных друг относительно друга в определенном порядке в одном корпусе).

- кнопка (отвечает за старт/сброс).

В итоге был закреплён материал по основам радиоэлектроники, который необходим для того, чтобы создать хотя бы самые простейшие электронные часы, основанные на подсчёте периодов колебаний от задающего генератора с помощью электронной схемы и выводе информации на цифровой дисплей. По другому это прибор для определения текущего времени суток и измерения продолжительности временных интервалов в единицах, меньших, чем одни сутки.

В современные электронные часы встроен, как правило, специализированный микроконтроллер, и у часов появилось много сервисных функций (будильники, мелодии, календари и т. д.), но микроконтроллер так же продолжает считать периоды колебаний все того же кристалла кварца.

Литература

1. Мак-Комб Гордон, Бойсен Э «Радиоэлектроника для чайников» 2013 г.

2. Васильев А.Е. «Микроконтроллеры: разработка встраиваемых приложений» 2008 г.

3. Дитмар Бенда «Поиск неисправностей в электрических схемах» 2010 г.

4. Пауль Хоровиц «Искусство схемотехники» 2009 г.

5. Белов А.В. «Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах» 2008 г.

6. Майкл Предко « Справочник по PIC - микроконтроллерам» 2007 г.

7. А.Е. Васильев «Микроконтроллеры. Разработка встраиваемых приложений» 2008 г.

8. Аркадий Медведев «Сборка и монтаж электронных устройств» 2007 г.

9. А.В. Микушин, А.М. Сажнев, В.И. Сединин «Цифровые устройства и микропроцессы» 2010 г.

10. Нефедов В.И., Сигов А.С. «Основы радиоэлектроники и связи» 2009 г.

Размещено на Allbest.ru