Схема електрична принципова - графічне зображення, за допомогою умовних графічних і буквено-цифрових позначень, зв'язків між елементами електричного пристрою. Принципові електричні схеми призначенні для повного відображення взаємозв'язків пристроїв з урахуванням принципів їх дії і послідовності роботи.

Принципова схема пристрою зображена на рис. 1.4

Рисунок 1.4 - Електрична принципова схема

Електрична схема складається з блоку живлення, клавіатури, мікроконтролера PIC16F882, генератора тактової частоти, семисегментного індикатора, звукового випромінювача та трьох світлодіодів.

Блок живлення в свою чергу складається з трансформатора T1, діодного моста VDS1, стабілізатора DA1, має один плавкий запобіжник FU, який при перевищенні струму розриває ланцюг. Також містить 3 гальванічних елементи типу АА за допомогою яких пристрій зможе працювати без живлення від мережі. Коли струм подається на пристрій від мережі 220В 50Гц, діод VD1 відкритий, VD2 закритий, тому живлення від акумулятора не відбувається. Але коли припиняється подача струму від мережі діод VD2 відкривається і пристрій живиться від гальванічного елемента типу АА. Трансформатор Т1 - статичний електромагнітний пристрій, що має дві або більше індуктивно зв'язані обмотки і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або кількох напруг змінного струму в одну або декілька інших напруг змінного струму без зміни частоти системи (напруги) змінного струму. У даній схемі він призначений для того, щоб перетворити змінну напругу 220В в змінну напругу.

Після трансформації напруга проходить через діодний міст VDS1 він перетворює змінний струм в постійний, Після діодного моста отримується пульсуючий струм, котрий необхідно згладити конденсаторами, далі поступає на стабілізатор DA1, який на виході дає чисту стабільну напругу (у цьому випадки +5В). Стабілізатор напруги DA1 - перетворювач електричної енергії, що дозволяє отримати на виході напругу, яка знаходиться в заданих межах при значно більших коливаннях вхідної напруги і опору навантаження. У даній схемі на виході стабілізатор +5В, призначений для живлення пристрою, так як для цифрових схем потрібно постійну стабільну напругу. Кварцовий резонатор - п'єзоелектричний резонатор, основною складовою частиною якого є кристалічний елемент з кварцу. Його технічні характеристики приведенні на табл. 1.1

Чим стабільніше працює МК, тим краще. Ця аксіома в першу чергу відноситься до тактовій частоті генератора, що задає. Забезпечити її високу стабільність можуть кварцові резонатори, що підключаються до виходів OSC1 (вхід) і OSC2 (вихід) підсистеми синхронізації МК.

Таблиця 1.1 - Технічні характеристики кварцового резонатора

Кварцовий резонатор ZQ1 включається за стандартною схемою між входами OSC1 і OSC2 МК, яка зображена на рис.1.5 Конденсатор С1 підлаштовує в невеликих межах частоту генерації. Рекомендовані ємності конденсаторів вказуються в технічних характеристиках, але вони можуть бути і іншими і не обов'язково однаковими. Загальний принцип - чим вище частота, тим менше ємність. Один з двох паралельно включених конденсаторів С1 і С2 може бути відсутнім.

Рисунок 1.5 - Схема підключення кварцового резонатора

Семисегментний індикатор OSK2039A-IG - індикатор, елементи відображення якого є сегментами, згрупованими в одне або кілька знакомісць. Його технічні характеристики приведенні на табл.1.12

Зовнішній вигляд рис.1.6.

Сегментом називається елемент відображення інформації знакосинтезувального індикатора, контур якого являє собою прямі лінії.

На відміну від матричного індикатора, в якому всі елементи зображення однакові за формою, в сегментному індикаторі кожен сегмент унікальний. Форма і положення сегментів на індикаторі розробляється спеціально для передачі певного набору символів або знаків.

Символи на таких індикаторах формуються сукупністю кількох сегментів. На даній схемі використовується семисегментний індикатор з загальним анодом, тобто, з'єднані між собою катоди всіх світлодіодних сегментів мають рівень логічного “1? або підключені до загального проводу.

Окремі сегменти висвічуються подачею на їх катодний висновок сигналу “низького" логічного рівня або логічної “0? через обмежувальний резистор для створення прямого зміщення окремих світлодіодів.

Таблиця 1.2 - Технічні характеристики OSK2039A-IG

Рисунок 1.6 - Зовнішній вигляд семисегментного індикатора OSK2039A-IG

Головним елементом в схемі даного пристрою є мікроконтролер. Він керує всіма процесами в пристрої та саме він і є основою годинника.

При виборі МК було зосереджено увагу на кількості виводів та на його електричних та технічних характеристиках (табл.1.3).

Таблиця 1.3 - Технічна характеристика МК PIC16F882

Налаштування годинника та будильників виконується за допомогою трьох тактових кнопок S1, S2, S3 типу SWT-10/5. Їх технічні характеристики приведені на рис.1.7.

Рисунок 1.7 - Зовнішній вигляд та технічні характеристики кнопки SWT-10/5

Звукова індикація виконується за допомогою електромагнітного звукового випромінювача с внутрішнім генератором типу LD-BZEG-1305. Його характеристики приведені на табл. 1.4.

Таблиця 1.4 - Технічні характеристики звукового випромінювача

Світлова індикація буде виконуватись за допомогою світло діода КА-3528 MGC. Зовнішній вигляд зображений на рис.1.8, технічні характеристики - таб.1.5.

Рисунок 1.8 - Зовнішній вигляд світло діода КА-3528 MGC.

Таблиця 1.5 - Технічні характеристики світлодіода

1.4 Електричний розрахунок

Розрахунок транзисторних схем

Для нормальної роботи світлодіода потрібний струм в межах 3…10 (мА). Проте при імпульсному режимі роботи яскравість свічення індикатора падає в N разів, де коефіцієнт N_розр рівний шпаруватості імпульсів струму, що подаються на цей індикатор і дорівнює кількості розрядів семисегментних світлодіодних індикаторів.

I_{сег дин} = I_{сегстат}Ч N_розр; (1.1)

де: I_{сег дин -} імпульсний струм сегмента;

I_{сег. стат} - статичний струм сегмента;

N_розр - кількість розрядів семисегментного світлодіодного індикатора.

Підставляємо значення з табл.1.2 та кількість знакомісць індикаторів у вираз:

I_{сег дин}=10мАЧ4=40мА

Для збереження яскравість свічення потрібно збільшити величину імпульсного струму, що протікає через сегмент, в N_розр разів.

I_кл = I_{сег дин} Ч N_сег; (1.2)

де: I_кл - імпульсний струм, що протікає через ключовий транзистор;

I_{сег дин} - імпульсний струм сегмента світлодіодного індикатора;

N_сег - кількість сегментів світлодіодного індикатора (8).

Підставляємо значення у вираз:

I_кл =40мАЧ8=320мА=0,32А

Згідно з отриманою величиною I_кл імпульсного струму, що протікає через ключовий транзистор, вибрано тип цього транзистора p-n-р MMBT8105, за параметрами максимального імпульсного струму І_{к. і. макс}і максимальної імпульсної напруги U_{ке. і. макс} за виразами:

І_{к. і. макс} ? (1,1…1,4) Ч I_кл; (1.3)

U_{ке. і. макс} ? (1,2…1,5) Ч U_жив.; (1.4)

де: І_{к. і. макс} - максимальний імпульсний струму колектора транзистора;

U_{ке. і. макс} - максимальна імпульсна напруга транзистора;

I_кл - імпульсний струм, що протікає через ключовий транзистор;

U_{жив. -} напруга живлення системи світлодіодної індикації.

Підставляємо значення I_кл та U_жив., величина якого дорівнює 5B, у нерівності (1.3 і 1.4):

І_{к. і. макс} ?1.3Ч0,32А;

І_{к. і. макс} ?0,416;

U_{ке. і. макс} ?1.3Ч5B;

U_{ке. і. макс} ?6.5В.

Виходячи з даних результатів обрано транзистор типу MMBT8105. Технічні характеристики якого наведені на таблиці 1.6

Таблиця 1.6 - Технічні характеристики транзистора MMBT8105

Знайдені значення І_{к. і. макс} і U_{ке. і. макс} не перевищують табличних значень V _{(BR) CBO} = 80B >U_{ке. і. макс} = 6,5В, і І_С=1А >І_{к. і. макс} = 416мА

Обчислимо величину опору резистора R12:

R12 = (U_{жив. -} U_{н. р. к. -} U_{н. св. -} U_{н. VT1.)} / I_{сег стат (}1.5)

де:

U_{жив. -} напруга живлення індикатора (зазвичай +5В); U_{н. р. к. -} напруга насичення на відкритому р-канальному транзисторі мікроконтролера; U_{н. св. -} напруга на відкритому світлодіоді сегменту індикатора; U_{н. VT1. -} напруга насичення на відкритому транзисторі VT1; I_{сег дин -} імпульсний струм сегмента. Так як в електричних характеристиках семисегментного індикатору не дано чому дорівнює напруга на відкритому світлодіоді сегменту індикатора, беремо загально прийняту напруга 0,2В.

Підставляємо значення у вираз (1.5)

R12 = (5В-0.15В-0.2В-0,5В) /0,04А=103Ом

Так як схеми включення опорів R12…R19 однакові, то:

R12 = R13 = R14 = R15 = R16 = R17 = R18 = R19 (1.6)

Вибираємо з таблиці стандартних значень величину опору R12 100Ом.

Далі обчислюємо потужність, розсіювану резистором R1:

Р_R12 = (I_{сег дин}) ² Ч R12 (1.7)

де: Р_R12 - потужність, розсіювана резистором R1;

I_{сег дин -} імпульсний струм сегмента;

R12 - величина опору R1.

Р_R12 = (0,04) ²Ч100=0,16Вт

Виходячи з розрахунків величини опору R12…R19 та розсіюваної потужності, вибрано резистори 1206 SMD 100 Ом ±5%.

Далі розраховуємо величини опорів резистори R1…R8, включених в базі ключових транзисторів.

R1 = U_жив. Чв / I_кл (1.8)

де: U_{жив. -} напруга живлення мікроконтролера;

в - статичний коефіцієнт підсилення транзистора (параметр h_21e);

I_кл - імпульсний струм ключового транзистора.

Підставляємо значення з табл.1.6 в вираз (1.8)

R1=5ВЧ200/0,32А=3125Ом

Вибираємо з таблиці стандартних значень величину опору R12 3кОм.

Виходячи з розрахунків величини опору R8 та вибрано резистор SMD 1206 3 кОм ±5%

Далі розраховуємо величину потужності резистора R8.

P_R1=I²ЧR1 (1.9)

де: R1_{. -} величина опору резистора R8;

I_{сег дин -} імпульсний струм сегмента

Підставляємо значення з табл.1.2 у вираз (1.9):

P_R1= (0,04) ²Ч3кОм=4.8Вт.

Виходячи з розрахунків величини опору та потужності R1 вибрано резистор SMD 1206 3кОм ±5%

Розрахунок блоку живлення

На основі вибору і обґрунтування схемотехніки функціональних вузлів схеми, який був приведений в підрозділі 1.3, визначаємо загальний струм живлення пристрою по основному номіналу напруги, так як всі пристрої живляться від цієї напруги, виходячи з виразу:

І_?=І_мк+І_бі+І_кн (1.10)

де: І_мк - струм споживання мікроконтролера;

І_бі - струм споживання блоком індикації;

І_кн - струм споживання блоку кнопок.

І_мк=250мА, отримуємо з технічних характеристик мікроконтролера (табл.1.6).

Для обчислення струм блоку індикації використовуємо формулу (1.11):

І_бі=І_інд+І_зв+І_сд, (1.11)

де: І_інд - струм семисегментних індикаторів;

І_зв - струм звукової індикації;

І_сд - струм світодіодів,що відповідають за світлову індикацію.

Щоб обчислити струм світодіодів,що відповідають за світлову індикацію використовуємо формулу:

І_сд=І_сд.1Чn, (1.12)

де: І_сд.1 - струм одного світло діода;

n - кількість світло діодів.

Підставляємо значення взяті з табл.1.5 у вираз (1.12)

І_сд=20мАЧ3=60мА=0.06А

І_інд=0.32А отримуємо з формули (1.2)

Підставляємо значення з табл.1.1-1.5 у вираз (1.11)

І_бі=0.32А+0.03А+0.06А=0.41А;

Для обчислення струм споживання кнопок використовуємо формулу (1.13):

І_кн=І_к.1Чn; (1.13)

де: І_кн.1 - струм однієї кнопки; n - кількість кнопок.

Підставляємо значення взяті з стандартів для тактових кнопок у вираз:

І_кн=0.05АЧ3=0.15А;

Підставляємо значення у вираз (1.10):

І_?=0.25А+0.41А+0.15А=810мА=0,81А;

Останній крок в розрахунку блоку живлення - вибір його стабілізатора напруги по результату обчислення загального струму живлення. Для цього розраховуємо вихідну потужність стабілізатора Р_стаб за формулою:

Р_стаб= k₃ЧI_?ЧU_жив; (1.14)

де: Р_стаб - вихідна потужність стабілізатора вихідної напруги;

k₃ - коефіціент запасу (1,2.1,4);

U_жив - вихідна напруга живлення стабілізатора.

Підставляємо значення в формулу:

Р_стаб= 1,2Ч0,81АЧ5В=4.86Вт.

Далі обчислюємо потужність розсіювання на стабілізаторі за формулою:

P_розс= (U_{вх. ст}-U_{вих. ст}) ЧІ_{? (}1.15)

де: P_стаб - вихідна потужність стабілізатора вихідної напруги;

U_{вх. ст} - вхідна постійна напруга з виходу випрямляча;

U_{вих. ст} - вихідна напруга живлення пристрою (+5В);

І_? - загальний струм споживання пристрою.

Вхідна постійна напруга з виходу випрямляча може знаходитись в межах U_{вх. min}=7,5B і U_{вх. mах}, тому вибрано середню вхідну напругу вказаних напруг: U_{вх. ст} - 8

P_розс= (8-5) Ч0,81=2.43Вт

На основі розрахунків Р_стаб і P_розс вибрано конкретний стабілізатор напр

Таблиця 1.7 - Технічні характеристики стабілізатора

Розрахунок схем індикації

Схеми індикації, а саме схема звукоіндикації та схема світлоіндикаціі містять в собі елементи номінал який також треба розрахувати.

Схема звукової індикації містить резистор R23 номінал якого розраховуємо за формулою:

R23=U_лог.1\І_{ж. з. (}1.16)

де: U_лог.1 - напруга рівня логічної одиниці;

І_{ж. з. -} струм живлення звукового випромінювача.

Підставляємо значення з табл.1.4 у вираз (1.16):

R23=5В\30мА=166Ом

Приймаємо значення опору 150 Ом.

Далі розраховуємо величину потужності резистора R23.

P_R23= I_{ж. з}²ЧR23 (1.17)

де: R23_{. -} величина опору резистора R23;

I_{зв -} струм живлення звукового випромінювача

Підставляємо значення у вираз (1.17):

P_R23= (0,03) ²Ч150Ом=0.144Вт.

Виходячи з розрахунків величини опору та потужності R23 вибрано резистор SMD 1206 150 Ом ±5%

Схема світлової індикації містить резистор R20 номінал якого розраховуємо за формулою:

R20=U_лог.1\І_{ж. с. д. (}1.18)

де: U_лог.1 - напруга рівня логічної одиниці;

І_{ж. з. -} струм живлення світлодіода.

Підставляємо значення з табл.1.3 у вираз (1.18):

R20=5В\20мА=250Ом

Далі розраховуємо величину потужності резистора R20.

P_R23= I_{ж. с. д}²ЧR20 (1.19)

де: R23_{. -} величина опору резистора R23;

I_{ж. з -} струм живлення звукового випромінювача

Підставляємо значення у вираз (1.19):

P_R23= (0,02) ²Ч250Ом=0.1Вт.

Виходячи з розрахунків величини опору та потужності R20 вибрано резистор SMD 1206 250 Ом ±5%

Так як світлодіоди HL3, HL4, HL5 та іх схеми підключення однакові то:

R20=R21=R24 (1.20)

Тож R21 та R24 вибрано резистор SMD 1206 250 Ом ±5%.

Розрахунок схем кнопок

До кожної з кнопок підключений резистор. Це R9, R10, R11. Номінал даних резисторів розраховуємо за формулою:

R9=U_{ж. кн}\I_{кн. (}1.21)

де: U_{ж. кн} - напруга живлення кнопки;

I_{кн. -} струм живлення кнопки, I_кн. ?5мА

Підставляємо дані з стандартів для тактових кнопок в вираз (1.21):

R9=5В\5мА=1кОм

Так як кнопки однакові, то:

R9= R10 = R11 (1.22)

Далі розраховуємо величину потужності резистора R9.

P_R9= I_{ж. с. д}²ЧR9 (1.23)

де: R9_{. -} величина опору резистора R23;

I_{ж. з -} струм живлення кнопки

Підставляємо значення у вираз (1.23):

P_R23= (0,05) ²Ч1000Ом=2.5Вт.

Виходячи з розрахунків величини опору та потужності R9…11 вибрано резистори SMD 1206 1кОм ±5%

1.5 Розробка алгоритми роботи прикладної програми пристрою

Рисунок 1.9 - Алгоритм роботи прикладної програми

Далі продовжується відлік часу. Якщо кнопка "Корекція" натиснута переходимо в режим установки годин, якщо ні відлік часу продовжується. Установка значення годин відбувається за допомогою кнопки "Інкремент": про її натисненні значення збільшується на одиницю. Далі при наступному натисненні кнопки "Корекція" відбувається установка значення хвилин таким же чином як і годин. При ще одному натисненні кнопки "Корекція" встановлення годинника завершується і починається відлік часу.

Перехід до режиму установки будильників відбувається натисненням кнопки "Будильник": кількість натиснень означає порядковий номер будильника. Щоб установити будильник натискається кнопка "Корекція" і за допомогою кнопки "Інкремент" аналогічно до установки годинника відбувається установка будильників. Під час установки будильників відлік часу продовжується без відображення на індикаторах. Після завершення установки будильника годинник повертається до режиму відліку часу. При спрацюванні будильника відбувається світлова та звукова індикація.

2. Конструкторська частина

2.1 Компоновка елементів на друкованій платі