Разработка программирующего устройства микроконтроллеров

Разработка микроконтроллерного
синтезатора световых эффектов
Автор:
Ионов Александр Алексеевич
Школа № 8 г. Пересвет Московской области, 11 класс
Научный руководитель :
Власов Андрей Игоревич
Доцент, к.т.н.
Кафедра Иу4 МГТУ им. Н.Э. Баумана
Цель работы

Разработка модификации микроконтроллерного синтезатора световых
эффектов, позволяющего формировать на светодиодном дисплее рисунки,
буквы или цифры в зависимости от поставленных задач.
Решаемые задачи






Анализ принципа работы устройства
Выбор элементной базы устройства
Разработка схемотехнической и конструктивной реализации устройства
Разработка программы синтеза изображений на светодиодном дисплее
устройства
Программирование микроконтроллера
Возможности применения устройства
Структура микроконтроллерного синтезатора
световых эффектов
Устройство состоит из следующих элементов: светодиодная матрица, состоящая из
отдельных светодиодов, микроконтроллера, выполняющий функцию управления
устройством, кварцевый генератор для микроконтроллера (частотозадающий
генератор), стабилизированный импульсный источник питания, выносная кнопка
управления, порт внутрисхемного программирования и резисторы,
ограничивающие ток.
Микроконтроллер
AT90S2313
Кварцевый генератор
Стабилизированный
импульсный источник
питания
Микроконтроллерный синтезатор световых
эффектов
Светодиодная
матрица
Светодиоды
Порт внутрисхемного
программирования
Резисторы
Кнопка управления
Физическая основа работы светодиодов
Светодиод, или светоизлучающий диод, - это прибор преобразующий
напрямую электрический ток в световую энергию и состоящий из
полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными
выводами и оптической системы.
Схемотехническое проектирование
(выбор элементной базы)

Обоснование выбора микроконтроллера фирмы ATMEL.
Синтезатор световых эффектов собран на базе микроконтроллера AT90S2313 фирмы
ATMEL. Микроконтроллеры серии AT89S/AT90S фирмы ATMEL являются
распространенными и доступными микроконтроллерами, оптимальными в
отношении «цена/качество». Микроконтроллер AT90S2313 имеет почти все
базовые, периферийные устройства, присутствующие в микроконтроллере серии
AVR и отличается от более мощных только меньшим числом линий ввода/вывода,
размером памяти программ, данных, числом таймеров.

Обоснование выбора источника питания.
Для устойчивой работы микроконтроллера и программатора требуется обеспечить
качественное питание. Блок питания необходимо использовать такой, чтобы он
обеспечивал устройство напряжением +5 В и номинальный ток блока питания
должен быть больше максимального потребляемого устройством тока. Выбранный
стабилизированный импульсный источник питания (выходное напряжение: 5 В,
выходной ток: 1 А) по току потребления незначительно избыточен, но по габаритам
и энергопотреблению подходит для использования в данном устройстве.
Схемотехническое проектирование
(принципиальная электрическая схема синтезатора
световых эффектов)
Синтезатор состоит из светодиодной матрицы размером 7X7 (HL1 - HL49), МК DD1 с
задающим генератором на ZQ1, C1, C2, регулируемого стабилизатора напряжения DA1,
который в данной модификации устройства закорочен и не используется, а к контактам
X1 (+) и Х2 (-) подключается стабилизированный импульсный источник питания и кнопки
управления SW1. Резисторы R1-R6 и R8 используются для ограничения тока,
подаваемого на светодиоды.
Схемотехническое проектирование
(принципиальная электрическая схема программатора)
Программатор состоит из преобразователя уровней логических сигналов COM порта
компьютера (12 В) в ТТЛ уровни (5 В) на элементах VD1, VD2, VT1, VT2, микросхемы
программатора с задающим генератором на ZQ1, C2, C3, регулируемого
стабилизатора напряжения DA1, который в данной модификации закорочен и не
используется и светодиода VD3, индицирующего нормальную работу устройства.
Конструкторско-технологическое проектирование
(разработка платежной платы и сборка синтезатора
световых эффектов)
Основными элементами синтезатор световых эффектов являются
светодиодная матрица, состоящая из отдельных светодиодов и
современный 8-битовый микроконтроллер AT90S2313, который
управляет светодиодами.
Конструкторско-технологическое проектирование
(разработка платежной платы и сборка программатора)



Конструктивно программатор выполнен на печатной плате из фольгированного
стеклотекстолита размером 45х67 мм. К точкам 1…6, обозначенным на печатной плате
как 6-PIN CON, припаян шлейф с шестиконтактной стандартной колодкой в соответствии
с принципиальной схемой.
К точкам X1…Х3 в соответствии с принципиальной схемой присоединен шлейф со
стандартным 9-штырьковым разъемом для COM-порта компьютера.
На плате программатора предусмотрена установка кварцевого резонатора с элементами
согласования (C6, C7, R12, ZQ2) и колодки DIP-20 для автономного программирования
микроконтроллеров.
Конструкторско-технологическое проектирование
(устройство в сборе)
Микроконтроллер
AT90S2313
Светодиодная Стабилизированный
матрица
импульсный
источник питания
Программатор
Стандартный
штырьковый разъем
для COM-порта
компьютера
Последовательный периферийный интерфейс





SPI (последовательный периферийный интерфейс) состоит из трех цепей:
SCK (Serial Clock) – тактовый сигнал, который формирует программатор
MISO (Master In – Slave Out) – чтение программатором сигнала от
программируемого МК
MOSI (Master Out – Slave In) – запись программатором информации в
программируемый МК.
RX (Receive) – сигнал, подаваемый на плату с COM – порта.
TX (Transmit) – сигнал, снимаемый с платы через COM – порт.
Взаимодействие COM – порта и платы программатора:




Отрицательное напряжение (необходимое для работы с COM - портом),
формируется за счет полярного конденсатора C1.
ТХ (линия передачи) питается отрицательным напряжением за счет C1, когда VT1 –
закрыт (логическая “1”).
Логический “0” появляется на TX за счет открытия VT1.
Сигнал RX – переводится в уровень ТТЛ за счет конденсатора VT2.
Разработка блок-схемы программы
Чтобы преобразовать исходный текст программы в файл прошивки
микроконтроллера, применяют компиляторы. Самым мощным из них
считается компилятор фирмы IAR Systems. IAR C Compilre поставляется в
составе интегрированной среды разработки IAR Embedded Workbench
(EWB). На рисунке представлена блок-схема разработанной программы
синтеза изображений на светодиодной матрице.
Методика работы с программатором




Скопировать программу для работы с внутрисхемным программатором
LOADER_D.EXE в папку проекта.
Оттранслировать текст программы, чтобы получить файл SINTEZ.HEX,
Создать текстовый файл с именем SINTEZ.TXT, в котором должна быть
строкаLOADER_D.EXE 2313 COM1 W F SINTEZ.HEX,
где 2313-тип кристалла;
COM1-работать с указанным СОМ портом;
W-тип операции (запись из файла);
F-тип памяти (Flash-РПЗУ команд);
SINTEZ.HEX–имя файла;
Программатор подключить к COM порту компьютера. Установить
программируемый микроконтроллер в колодку программатора для
автономного программирования.
Включить питание схемы. Запустить файл SINTEZ.TXT.
Использование светодиодных матриц, управляемых микроконтроллерами
Светодиоды могут являться составной частью
установки пожарной или охранно-пожарной
сигнализации и включаться по сигналу от
соответствующего датчика.
Оповещатели предназначены для установки во
внутренних помещениях с целью светового
оповещения о пожаре или других чрезвычайных
ситуациях, указания мест выхода при эвакуации, а
также для различных информационных целей.
Светодиоды эффективно
используются в праздничном
украшении.
Исследуется возможность использования
светодиодной матрицы в растеневодстве.
Оценка эффективности и затрат
разработанного устройства





Высокая концентрация функциональных возможностей внутри
микроконтроллера позволяет упростить схему реализации и, следовательно,
сократить время разработки устройства, делает устройства
модифицируемыми.
Стоимость созданного устройства невысока, потребление энергии мало.
Большие возможности выполнения разнообразных приложений превращают
микроконтроллеры в эффективное средство автоматизации разнообразных
устройств и процессов.
Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает
достижение высоких показателей эффективности (надежности, потребляемой
мощности, габаритных размеров) при низкой стоимости.
Используя несколько микроконтроллеров, связанных по сети (SPI протокол),
можно реализовать достаточно сложную систему отображения.
Заключение






В результате проведенной работы создан микроконтроллерный синтезатор световых
эффектов на основе микроконтроллера AT90S2313, позволяющий формировать на
светодиодном дисплее рисунки, буквы или цифры в зависимости от поставленных задач.
Для «прошивки» микроконтроллера разработан программатор микроконтроллеров фирмы
Atmel серии AT89/AT90 с возможностью программирования по последовательному каналу.
Устройство может применяться для внутрисхемного программирования и
перепрограммирования, что позволяет говорить о его актуальности и перспективности.
С помощью среды разработки IAR Embedded Workbench разработана программа синтеза
изображений на светодиодном дисплее синтезатора, которая заносится в память
микроконтроллера с помощью программатора и программы LOADER.EXE.
Функциональность программатора установлена в результате программирования и
«прошивки» микроконтроллера.
Предложенная схема – простейшее устройство, которое в дальнейшем путем быстрой
модернизации может найти практическое применение как устройство оповещения в
бытовых условиях, так и устройство сигнализации в охранных системах. Так же может быть
использовано как праздничное украшение дома.
Выносную кнопку можно заменить датчиком, и управление светодиодной матрицей в этом
случае будет осуществляться с использованием сигнала от какого-нибудь датчика
(например, от форточки, двери, кофеварки и т.д.). В случае необходимости большего
количества датчиков, можно использовать другой МК, или уменьшить размер светодиодной
матрицы и освободившиеся ножки задействовать для других датчиков. Данная
модернизация устройства не требует больших затрат и предоставляет большие
возможности использования данной схемы.
Демонстрация тестирования...
Спасибо за внимание.
Ваши Вопросы.