Автоматизация — одно из направлений научно-технического прогресса, использующее саморегулирующие технические средства и математические методы с целью освобождения человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов, изделий или информации, либо существенного уменьшения степени этого участия или трудоёмкости выполняемых операций. Другими словами, это переход от человеческой рабочей силы, к более мощной — механической, а человеку остаётся лишь отслеживать правильность выполнения поставленной задачи.
Электронные часы, должны оповещать пользователя о настоящем времени и обеспечивать визуальное оповещение реального времени.
Цель дипломной работы заключается в создании электронных часов.
Предмет исследования — разработка электронных часов с использованием микроконтроллера.
Объектом исследования является счётчик времени с системой управления на базе микроконтроллера.
Основной задачей исследования является изучение основных принципов применения электронных часов.
Цель и задачи работы определили ее структуру. Работа включает введение, теоретическую, техническую, экономическую части и раздел охраны труда, заключение, список использованных источников и приложения.
На первом этапе исследования была изучена предметная область дипломной работы, описаны ключевые термины, был отобран и обработан материал.
На втором этапе проведена непосредственная разработка электронных часов: создание структурной и функциональной электрических схем, электрической принципиальной схемы устройства и создание чертежей печатной платы.
Теоретическая значимость работы заключается в расширении исследовательского диапазона при освещении данной темы.
В экономической части производиться расчёт затрат на проектирование, разработку и сборку макета электронных часов, а также расчёт затрат на оплату труда.
Раздел охраны труда содержит правила техники безопасности при работе электронными часами, изучаются правила противопожарной безопасности.
Для выполнения дипломной работы были использованы следующие методы:
- исследование предметной области, отбор и обработка теоретического материала;
- анализ и сравнительная характеристика различных видов электронных часов;
- проектирование и разработка электронных часов;
- обобщение и описание полученных результатов.
1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННЫХ ЧАСОВ
Работы: «Разработка схемы технологического производства бесшовных труб»
... поставленной цели решались следующие задачи: 1. Проведён анализ существующих способов изготовления бесшовных труб. 2. Проведён расчёт параметров валка прошивного стана. 1.Обзор методов производства ... весь процесс, освободиться от тяжелых ручных операций. В настоящее время при производстве бесшовных труб по некоторым технологическим схемам используют прошивку на прессах вместо прошивки на станах ...
1.1 Аналитический обзор по теме
В последнее время большой интерес вызывают электронные часы. Электронные часы стали обязательным элементом таких устройств как видеомагнитофоны, компьютеры, сотовые телефоны, мультиварки. Цифровые фотоаппараты и телевизоры имеют встроенные часы, но они обычно не предназначены для индикации показаний времени. Выполнение таких устройств с использованием микроконтроллеров позволяет расширить функционал системы, сделать её гибкой в работе и простой в эксплуатации.
Все развитие механики как науки в Средние века, было направлено на создание и развитие устройств измерения времени или, проще говоря, механических часов. Механические часы были нужны всем, церкви — для уточнения начала времени богослужения. Сначала с этой задачей успешно справлялись солнечные часы, но со временем их заменили башенные механические часы с боем. Можно предположить, что первые механические часы не имели циферблата, а имели один только колокольный бой, звуком оповещая наступление часа молитвы.
По преданиям, королевский наместник в Артуа, что во Франции, дал в 1355 году дал жителям городка Эрсюр-ля-Лис разрешение построить городскую колокольню, чтобы ее механические часы отбивали не церковные службы, а время коммерческих сделок и часы работы ткачей и суконщиков. Точное время хотели знать и на производствах, где результат работы зависел от времени продолжительности технологических процессов.
Для производства механических часов, какими были первые образцы, требовались гораздо более точные станки, чем весь прежний инструментарий. Современное точное машиностроение родилось из мастерства механиков часовщиков.
Солнечные часы были простым и надежным указателем времени, но страдали некоторыми серьезными недостатками: их работа зависела от погоды и была ограничена временем между восходом и заходом Солнца.
Единица времени для солнечных часов выводилась из вращения Земли и ее движения вокруг Солнца, для звездных — из видимого движения звезд. Новые хронометрические приборы (жидкостные, песочные, воздушные, огневые и др.) имели искусственный эталон единицы времени в виде его интервала, необходимого для вытекания, втекания или сгорания определенного количества вещества.
В примитивном виде водяные часы были известны уже египтянам, у которых сохранились, по всей вероятности, самые старые водяные часы в мире. Они были обнаружены в 1940 г. в храме Амона в восточных Фебах, а сейчас хранятся в музее Каира. На внутренней поверхности их алебастрового корпуса наколками обозначено 12 часовых шкал для измерения времени в соответствующих месяцах.
В античной Греции водяные часы применяли для регламентации времени, предоставляемого ораторам во время судебных процессов. Эти часы были, по существу, большими амфорами, внутренняя поверхность которых имела форму, образованную вращением параболы или эллипсоида, что опять показывает их позднее происхождение: ведь установить зависимость скорости истечения от высоты столба воды и формы сосуда смогли только в средние века. Амфора высотой около 1 м и шириной несколько более 40 см вмещала около 100 л воды. При диаметре отверстия истечения в 1.4 мм требовалось почти 10 часов на полное опорожнение сосуда. В воде находился поплавок с прикрепленным к нему длинным стержнем, выступавшим над краем сосуда. На стержне была выгравирована шкала. Время, прошедшее после начала истечения воды, указывалось на этой шкале. Поплавок опускался в амфоре равномерно, поскольку снижение скорости истечения компенсировалось уменьшающимся внутренним диаметром сосуда.
Изобретение часов
... Аменемхет, судя по надписи на его могиле, изобрел водяные часы. Время позволяло определить падение уровня воды в сосуде. Такие часы были особенно полезны жрецам, которым нужно было знать ... целый ряд инструментов, например, лунные, водяные, свечные часы, которые использовались вплоть до XVIII века, затем песочные часы и от XVI до XVIII века масляные часы. Однако из-за своей зависимости ...
То, что клепсидра не зависела от света Солнца, сделало из водяных часов прибор, пригодный для непрерывного измерения времени и днем, и ночью. К тому же стало возможным развивать некоторые механические элементы. Началось соревнование конструкторов в изобретении остроумных гидравлических и пневматических механизмов: для звуковой сигнализации о времени, для освещения часов ночью; такие элементы можно найти у целого ряда водяных часов арабского происхождения.
К произведениям высокого художественного творчества, бесспорно, относятся бронзовые водяные часы, изготовленные в период 799-807 гг., которые Гарун-аль-Рашид послал в подарок Карлу Великому. Эти часы с богатыми орнаментальными украшениями, имели циферблат, и каждый час провозглашали звуковым ударом металлического шара, который выскакивал из них на декоративную решетку, а в полдень в часах открывались ворота, и из них выезжали рыцари. Подобная техника автоматических движущихся фигур была развита в Европе много позднее — в период готики, со второй половины XII века. А кстати, рыцари как сословие, со всеми присущими им атрибутами, появились не раньше XI века.
Помимо солнечных и водяных, с начала XIII века появились и первые огневые, или свечные, часы. Это тонкие свечи длиной около метра с нанесенной по всей длине шкалой. Они сравнительно точно показывали время, а в ночные часы еще и освещали жилища церковных и светских сановников, в том числе таких правителей, какими были в середине XIII века Людовик Святой, а в XIV веке — Карл V. К боковым сторонам свечи иногда прикрепляли металлические штырьки, которые по мере выгорания и таяния воска падали, и их удар по металлической чашке подсвечника был своего рода звуковой сигнализацией времени.
Дата возникновения первых песочных часов тоже неизвестна. Считается, что в Западной Европе о песочных часах узнали лишь в конце средневековья; одним из самых старых упоминаний о них является сообщение от 1339 г., обнаруженное в Париже. Оно содержит указание по приготовлению мелкого песка из просеянного порошка черного мрамора, прокипяченного в воде и высушенного на солнце. Несмотря на то, что песочные часы появились в Европе столь поздно, они быстро распространились. Этому способствовали их простота, надежность, низкая цена и не в последнюю очередь возможность измерять с их помощью время в любой момент дня и ночи. Их недостатком был сравнительно короткий интервал времени, который можно было измерить, не переворачивая прибора. Обычные часы были рассчитаны на полчаса или час, реже — на 3 часа, и лишь в совершенно редких случаях строили огромные песочные часы на 12 часов хода. Не давало улучшения и соединение нескольких песочных часов в одно целое. Как и огневые, песочные часы никогда не достигали точности солнечных. Кроме того, при длительном пользовании ими их точность изменялась, поскольку зерна песка постепенно дробились на более мелкие, а отверстие в середине диафрагмы, наоборот, постепенно истиралось и увеличивалось, так что скорость прохождения песка через них становилась большей.
История развития нового геодезического прибора «Электронный тахеометр»
... схемы импульсного (вверху) и фазового (внизу) дальномеров Электронное измерение расстояния без отражателя может быть произведено любым из ... должен переплачивать за невостребованные функции и возможности инструмента, стоимость которых может быть достаточно высока. С ... корпуса посадочное место под ось трубы делают подвижным для юстировки неравенства колонок. Самым распространенным методом является ...
Первые часы с цифровой индикацией времени были созданы в 1971 году. Таким образом, закончилась длившаяся более 500 лет эпоха отображения времени при помощи стрелок. Первыми электронными часами были часы на светодиодах. Они были изготовлены в золотом корпусе и стоили очень дорого.
Электронные часы — часы, в которых для отсчёта времени используются периодические колебания электронного кварцевого генератора, при этом результаты выводятся на цифровое табло.
Достоинством светодиодов является высокая яркость свечения, но следствием этого является их большое энергопотребление. Большая потребляемая мощность не допускает постоянной индикации в часах с автономным питанием. Поэтому наручные часы на светодиодных индикаторах были достаточно быстро вытеснены часами с индикаторами на жидких кристаллах, главными преимуществами которых являются низкое напряжение питания и малая потребляемая мощность и, следовательно, возможность постоянной индикации и длительный срок работы от одного элемента питания. Первые электронные часы с LCD дисплеем были представлены японской компанией Seiko в 1973 году.
Светодиоды также широко используются в настольных часах — будильниках с питанием от сети переменного тока.
Стремительный прогресс в области разработки электронных часов, освоение в серийном производстве комплектующих изделий электронной техники новых поколений, применение новых технологических процессов сборки, а также создание современных марганцево-литиевых элементов питания, позволило сконструировать наручные электронные часы со светодиодной индикацией, срок работы которых без замены элемента питания не менее одного года.
Механизм этих часов представляет собой высокотехнологичный монолитный корпус, в который интегрированы электронные компоненты, светодиодная панель и легко заменяемый элемент питания. Использование такого механизма позволило значительно упростить процесс сборки часов и, следовательно, уменьшить их себестоимость.
Рассмотри основные понятия и определения, используемые при разработке данной дипломной работы.
Автоматизированная система (AC) — система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций.
Средством измерения (СИ) называется техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
Измерительный преобразователь — это средство измерения, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Измерительный прибор — средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.
Измерительная система — это совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, размещенных в разных точках контролируемого пространства с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству (контролирующие, управляющие системы с ЭВМ).
МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ УСТРОЙСТВО
... объекта. Объектами исследования являются: датчики для бесконтактного измерения температуры, микроконтроллеры. Задача работы: разработка устройства для бесконтактного измерения температуры на микроконтроллере Atmel. 1 Основные принципы и способы бесконтактного измерения температуры различных объектов 1.1 Классификация термометрических ...
Время — форма протекания физических и психических процессов, условие возможности изменения
Счётчик времени — прибор предназначен для измерения интервалов времени и счета количества измеренных сигналов.
Норма энергопотребления — это научно обоснованное количество энергоресурсов, необходимое и достаточное для обеспечения технологического процесса при заданных параметрах производства и окружающей среды.
Благодаря правильному выбору и подбору типа и вида электронных часов позволяет эффективно использовать энергоресурсы — дополнительная возможность уменьшить затраты на энергопотребление. Современные электронные часы должны поддерживать не только заданный режим, но и максимально эффективно использовать возможности исполнительных систем оповещения.
В настоящее время ведется активная модернизация электронных часов, связанная с повышением количества исполнительных систем. Чем больше исполнительных систем имеют электронные часы, тем важнее для нее выбор критерия, определяющего стратегию оповещения времени.
Например, одним из наиболее важных критериев управления является низкая энергопотребляемость. В данном случае целесообразно использовать электронные часы по той причине, что происходит довольно низкое потребление электроэнергии.
Опыт внедрения электронных часов показывает, что на этапе проектирования системы достаточно сложно выбрать единый критерий управления. Поэтому в системе управления должна существовать возможность оперативно задать критерий во время эксплуатации, причем методы его задания должны в наглядной форме отражать экономические требования, предъявляемые к системе.
1.2 Анализ поставленной задачи
В ходе выполнения дипломной работы необходимо разработать электронные часы.
Необходимо рассмотреть алгоритмы регулирования времени, выбрать базовое схемотехническое решения для выполнения поставленных задач, произвести выбор элементной базы, а также составить комплект документации к устройству: структурную и функциональную схемы устройства, электрическую принципиальную схему, а также чертежи печатной платы.
Разработка устройства должна проходить с использованием микроконтроллеров, применение которых позволит расширить функционал схемы, сделать ее более гибкой в настройке, а также упростить добавление новых функций в уже имеющуюся схему, т.е. рассмотреть возможность дальнейшей модернизации устройства.
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, показывающее текущее время, а в некоторых моделях также число, месяц, год, день недели.
Основа электронных часов — кварцевый генератор стабилизированных электрических колебаний, с микросхемой, предназначенной для вычисления времени и вывода сигналов на цифровой дисплей. Часы с питанием от сети переменного тока могут не иметь собственного генератора и использовать частоту сети.
Время на дисплее отображается в виде цифр (например: 13:20).
Питание — от сети переменного тока или химических элементов питания, в том числе миниатюрных (в наручных электронных часах).
Существуют электронные часы, конструктивно объединённые (на базе общей микросхемы) с микрокалькулятором, а также электронные часы-будильник, и другими техническими устройствами.
Некоторые модели наручных кварцевых часов (со стрелками) имеют цифровой дисплей электронных часов (так называемые гибридные часы).
Часы с радиоприемником имеют ручку регулятора громкости, ручку настройки и переключателя диапазонов AM\MW\FM, который одновременно является выключателем.
Поправка показаний электронных часов, когда часы отстают или спешат, в некоторых часах вносят поправку в показания часов, точность хода самих часов при этом остаётся прежней.
Поправка точности хода электронных часов, когда с поправкой показаний делается и поправка хода часов, то есть меняется или тактовая частота задающего генератора или меняется коэффициент деления счётчика-делителя. Такая коррекция существует лишь в некоторых электронных часах.
Электронные часы могут быть со своим собственным дисплеем (в основном ЖК — в моделях с автономным питанием от гальванических элементов, или вакуумно-люминесцентный индикатор — в моделях, питающихся от электросети) или могут выводить данные на экран устройства, в состав которого они входят. В компьютерах электронные часы входят в состав материнской платы и могут настраиваться через BIOS или ОС; для бесперебойной работы в то время, когда компьютер выключен, они используют элемент питания, установленный на материнской плате (батарейка, аккумулятор или ионистор).
Электронные часы также используются в транспортных средствах. Такие часы имеют светящийся дисплей, который видно в любое время суток, и часто питаются от аккумуляторной батареи самого средства передвижения.
1.3 Описание структурной схемы электронных часов
Структурная схема — это совокупность элементарных звеньев объекта и связей между ними, один из видов графической модели. Под элементарным звеном понимают часть объекта, системы управления и т. д., которая реализует элементарную функцию. Она предназначена для отражения общей структуры устройства, то есть его основных блоков, узлов, частей и главных связей между ними. Из структурной схемы должно быть понятно, зачем нужно данное устройство и что оно делает в основных режимах работы, как взаимодействуют его части.
Структурная схема электронных часов (см. Приложение «Электронные часы» Схема структурная 220301.51 Э1) состоит из следующих частей: источник питания, устройство управления нагревательным элементом, индикатор состояния, датчик температуры, индикатор реальной температуры, устройство сравнения, устройство задания температуры, индикатор заданной температуры, нагревательный элемент.
Устройство управления нагревательным элементом предназначено для включения и отключения нагревательного элемента, путём преобразования сигнала, поступающего с устройства сравнения.
Индикатор состояния, подключённый к устройству управления нагревательным элементом, отражает состояние нагревательного элемента (включен или отключен).
Датчик температуры является чувствительным элементом, измеряющим температуру пола. Результаты измерения передаются в устройство сравнения и на панель температуры, где отображается реальная температура для визуального слежения [7].
Устройство сравнения предназначено для сравнения реальной температуры пола с температурой, задаваемой пользователем. По результату сравнения подаётся сигнал на устройство управления нагревательным элементом, который либо включит, либо отключит нагревательный элемент.
Устройство задания температуры предназначено для установки пользователем желаемой температуры пола. Результат выбранной температуры отражается на панели температуры.
Нагревательный элемент предназначен для подогрева пола до необходимой температуры.
От источника питания подаётся напряжение на устройство управления нагревательным элементом, который связан с нагревательным элементом и будет включать или отключать его. О состоянии нагревательного элемента нам будет сообщать связанный с устройством управления нагревательного элемента индикатор состояния.
Датчик температуры связан с температурной панелью и устройством сравнения. На температурной панели будет отражаться реальная температура пола. На устройство сравнения будет отправляться температура пола, измеренная датчиком температуры.
Устройство задания температуры связано с температурной панелью и устройством сравнения. На температурной панели так же отразиться реальная температура тёплого пола. На устройство сравнения будут отправляться значения, установленные пользователем.
Устройство сравнения сравнивает полученные результатам от датчика температуры и устройства задания температуры и передаёт их на устройство управления нагревательным элементом, который включит или отключит нагрев пола.
1.4 Описание функциональной схемы электронных часов
Функциональная схема — документ, разъясняющий процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия или изделия в целом. Функциональная схема является экспликацией отдельных видов процессов, протекающие в целостных функциональных блоках и цепях устройства. Функциональная схема — вид графической модели изделия.
Функциональная схема электронных часов состоит из следующих элементарных звеньев (см. Приложение «Электронные часы» Схема функциональная 220301.51Э2): резистор (R), реле — узел управления нагревателем (K1), датчик температуры тёплого пола (DA1), дешифратор (DC — DD3, DD4), аналого-цифровой преобразователь (DD1, DD2), светодиод (HL1), LCD дисплей.
Аналоговый сигнал с резистора R поступает в аналого-цифровой преобразователь DD1 и формирует выходной дискретный двоичный код, подаваемый на дешифратор DD4. Дешифратор преобразует двоичный код в семисегментный код для LCD дисплея и на дисплее отражается заданная пользователем температура[4].
Резистор (R) — пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления, предназначенный для линейного преобразования токав напряжение инапряжениев ток, ограничения тока, поглощения электрической энергии. В данной схеме переменный резистор служит для определения уровня температуры нагревательного элемента, устанавливаемой пользователем.
Дешифратор (DD3, DD4) — комбинационная схема, преобразующая n-разрядный двоичный, троичный или k-ичный код в -ичныйодноединичный код, где — основание системы счисления. Логический сигнал активен на том выходе, порядковый номер которого соответствует двоичному, троичному или k-ичному коду. Дешифраторы являются устройствами, выполняющими двоичные, троичные или k-ичные логические функции (операции).
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, ADC) — устройство, преобразующее входнойаналоговый сигналв дискретный код (цифровой сигнал).
Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC).
Как правило, АЦП —электронноеустройство, преобразующее напряжениев двоичный цифровой код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор[5].
LCD дисплей модуль для Arduino. Модуль используется для преобразования сигналов от контроллеров и датчиков в графическую информацию. Управление LCD 1602 модулем для Arduino осуществляется или от Arduino контроллера, или от другого микропроцессорного управляющего устройства через соответствующие выводы. LCD дисплей с ЖК-дисплеем имеет интерфейс для ввода и вывода информации. Имеет поддержку латиницы и кириллицы (с установкой дополнительных библиотек).
Датчик температуры DA1, являющийся чувствительным элементом, измеряющим температуру пола, выдаёт аналоговый сигнал пропорционально температуре тёплого пола на аналого-цифровой преобразователь DD2. Полученный цифровой код подаётся на дешифратор, который так же преобразует двоичный код в семисегментный код для LCD дисплея и отображается на нём.
Затем, на узел сравнения поступают аналоговые сигналы с резистора R и датчика температуры DA1. В результате сравнения формируется сигнал, подаваемый на реле K1. Реле — электрическое или электронное устройство (ключ), предназначенное для замыкания и размыкания различных участков электрических цепейпри заданных изменениях электрических или неэлектрических входных воздействий. В данном случае включение или выключение нагревательного элемента тёплого пола.
О состоянии нагревательного элемента показывает светодиод HL1, подключённый в реле K1.
Светодиод или светоизлучающий диод — полупроводниковый приборс электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучениепри пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
1.5 Выбор элементной базы
Основной особенностью современного этапа развития микропроцессорных систем является завершение перехода от систем, выполненных на основе нескольких больших информационных систем, к однокристальному микроконтроллеру, которые объединяют в одном кристалле все основные элементы микропроцессорных систем: центральный процессор, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, порты ввода/вывода, таймеры[8].
Для выполнения дипломного проекта был выбран микроконтроллер фирмы Arduino Mega.
Arduino Mega построена на микроконтроллере ATmega2560 (техническое описание).
Плата имеет 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопка перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC, или аккумуляторной батареей. Arduino Mega 2560 совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Uno или Duemilanove.
Характеристики
|
Микроконтроллер |
ATmega2560 |
|
|
Рабочее напряжение |
5В |
|
|
|
