Устройство дистанционного управления
Министерство Образования Республики Беларусь
Белорусский Государственный Университет
Информатики
и Радиоэлектроники
Факультет
компьютерных систем и сетей
Кафедра
Электронных Вычислительных Машин
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту
по предмету "Схемотехника"
на тему:
«
Устройство дистанционного
управления»
Проверил: Выполнил: Байрак С. А. ст. гр. 850503 Кампос М.В.
Минск 2011
Задание
по курсовому проектированию
Разработать
устройство дистанционного управления,
удовлетворяющее следующим
- радиоволновая передача и приём
- применить механизм амплитудной манипуляции (ASK)
- построение схем приёмника и передатчика при помощи микроконтроллеров AVR
- двухканальное управление приемником
Содержание
- Введение…………………………………………………………
……3 - Обзор литературы……………………………………………………
.7 - Блок схемы алгоритма………………………………………………..9
- Описание алгоритма работы микроконтроллера передатчика..
- Описание алгоритма работы микроконтроллера приёмника..11
- Описание и назначение узлов структурной схемы……………… 12
- Описание входов и узлов функциональной схемы………………..13
5.1. Функциональная схема передатчика…………………………….
5.2. Функциональная схема приёмника…………………………….
6. Описание принципиальной схемы устройства…………………….15
6.1. Принципиальная схема передатчика……………………………..
6.2. Принципиальная схема приёмника……………………………….
7. Расчёт потребляемой мощности……………………………………..16
8.
Перечень используемых
9.
Заключение……………………………………………………
10.
Список литературы…………………………………
Приложение A. Структурная схема……………………………………20
Приложение Б1. Функциональная схема передатчика………………..21
Приложение Б2. Функциональная схема приёмника………………….22
Приложение В1. Принципиальная схема передатчика……………….23
Приложение В2. Принципиальная схема приёмника…………………24
Приложение
В3. Принципиальная схема источника
питания приемника………………………………………………………
Приложение Г1. Код программы передатчика………………………..26
Приложение
Г2. Код программы приёмника………………………….27
1
Введение
В современном мире компьютерная техника сопровождает человека буквально во всем, значительно облегчая ему многие ежедневные задачи. Без компьютерной техники, зачастую, уже невозможно решить многие вопросы как делового характера, так и бытового. Компьютерная техника делает нашу жизнь более комфортной и увлекательной.
К счастью, или, к сожалению, но на сегодняшний день компьютеры и всевозможные подобные им девайсы являются едва ли не самыми важными приборами, без которых невозможно представить жизнь подавляющего большинства людей. Именно эти многофункциональные приспособления управляют работой заводов, регулируют деятельность компаний, в конце концов, именно компьютеры помогают каждому из нас в решении многих повседневных задач, справиться с которыми без помощи техники очень сложно или даже совсем невозможно.
Кроме того, эти незаменимые приборы постепенно, незаметно, но, в то же время, неуклонно внедряются во сферы жизни, избавляя человека от необходимости прилагать ненужные и зачастую абсолютно лишние усилия, а также, что не менее важно, экономя время, которое можно потратить намного приятнее, полезнее и эффективнее. Под влиянием этого процесса многие предметы, например, душевые кабины, не говоря уже о телевизорах, музыкальных проигрывателях и прочих подобных приборах, приобретают компьютерные системы управления и различные функции, начиная от бодрящего или, наоборот, расслабляющего и успокаивающего гидромассажа и заканчивая ингаляциями и даже эффектом бани.
Учитывая все это, становится совершенно ясно, что хотя бы основные знания об устройстве компьютера, его комплектующих и их особенностях, достоинствах и недостатках, а также умение ориентироваться в практически бесконечном мире различного программного обеспечения являются на сегодняшний день практически незаменимыми и необходимыми каждому взрослому человеку, желающему добиться успеха в непростых и неоднозначных условиях современного мира.
Когда-то
радиоустройство было большой машиной
с деревянной панелью, бубнящей новости
и музыку, ярко светящейся и угрюмо
стоящей в углу жилой комнаты.
Яркий представитель
Также
как микропроцессоры, которые стали
встроенными практически во все
устройства на протяжении нескольких
последних десятилетий, чипы для
беспроводных коммуникаций станут неотъемлемой
частью больших и малых предметов
нашего быта. Возможностей для использования
этой функции более чем
Беспроводная революция должна сделать цифровую информацию о чем угодно доступной в любое время в любом месте практически бесплатно. Информация, не привязанная к проводам и информационным кабелям, сможет быть быстро доставлена в то место, где в ней нуждаются в настоящий момент. Информация, не привязанная к проводам и информационным кабелям, сможет быть быстро доставлена в то место, где в ней нуждаются в настоящий момент. Беспроводные коммуникации несут в себе множество преимуществ, о которых мы даже не задумываемся. Многочисленные устройства и объекты, могут наблюдаться и контролироваться на огромном расстоянии. Огромные массивы данных, сбор которых был либо вообще невозможен, либо неимоверно дорог, станут основой для предоставления множества совершенно новых услуг.
Беспроводные технологии могут существенно поднять производительность людей, также как это уже сделали информационные технологии. Беспроводные технологии станут неотъемлемой частью устройств, которыми мы пользуемся в повседневной жизни, примерно в следующие 50 лет. Они будут присутствовать практически повсеместно, также как электрические моторы навсегда «поселились» внутри лифтов и миксеров в первой половине 20 века, и как микропроцессоры, которые «колонизировали» автомобили и кофеварки во второй половине теперь уже прошлого века. Иногда, результаты «дружбы» устройств с радио будут пугающими на первый взгляд, но по большей части, такая дружба, несомненно, проявит синергию и будет удивительно полезной для всех нас.
Естественно,
современная радиопередающая
Микроконтроллер
– это компьютер в миниатюре,
размещенный в корпусе одной
микросхемы. В его состав входят
все необходимые для компьютера
блоки: арифметико-логическое устройство,
генератор тактовой частоты, оперативная
память, постоянная память (для хранения
программы), порты ввода-вывода, энергонезависимая
память данных и различные дополнительные
устройства (АЦП, таймеры (как правило,
несколько), компаратор, блок обработки
внешних прерываний, блоки, в которых
аппаратно реализованы функции
стандартных интерфейсов –
Время выполнения одной команды современного микроконтроллера составляет в среднем 100нС, что позволяет за 1 секунду выполнить 10 000 000 простейших операций. Код программы, записываемый в память хранения программы, может записываться в микросхему многократно (примерно 100 000 раз), что позволяет модифицировать устройство функционально непосредственно на рабочей плате.
Большим
достоинством является возможность
производителю закрывать код
программы изделия от несанкционированного
доступа (“пиратства”).
Реализация в одной микросхеме микроконтроллера
огромного количество разнообразных функций
позволяет многократно уменьшить габариты
и стоимость производимого электронного
устройства в целом, снизить энергопотребление
до весьма малых значений, Среднее потребление
тока микроконтроллера составляет 1- 5
миллиампер, а в состоянии “сна” - сотни
микроампер при напряжении питания 3 –
5 В. В качестве примера наиболее подходящим
будет мобильный телефон. В его состав
входит микроконтроллер, который и обеспечивает
реализацию всех функций. Спектр применения
микроконтроллеров самый разнообразный
– от детских игрушек до автомобилей,
1/3 стоимости которых составляет электроника,
состоящая в основном из сложных микроконтроллерных
устройств жизнеобеспечения и эффективной
работы.
2
Обзор литературы
Информация – это совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах, предназначенных для передачи, приёма, обработки , преобразования, хранения или непосредственного использования.[1] Информация, подлежащая передаче и выраженная в определенной форме, называется сообщением. В системах связи в качестве носителя сообщений используются электрические сигналы. Электрические сигналы представляют сообщение во времени. В зависимости от среды распространения электрических сигналов различают проводные и радиосистемы. В данной курсовой работе нас будут интересовать непосредственно последние. По назначению все системы радиосвязи делятся на вещательные, отличающиеся высокой степенью художественности воспроизведения сообщений, и профессиональные. В свою очередь, профессиональные радиосистемы разделяют на следующие виды:
- симплексные; радиосвязь осуществляется на одной несущей частоте (это обычно радиосети);
- дуплексные; радиосвязь двухстороння несется на двух частотах.
По числу используемых каналов различают одноканальные и многоканальные системы связи. При этом в многоканальных системах большой объём тракта связи делят по времени передачи, спектру частот и динамическому диапазону (уровню сигнала). По этому признаку многоканальные системы строят:
- с временным разделением каналов ВРК;
- с частотным разделением каналов ЧРК;
- с разделением каналов по уровню (форме сигналов).
Рисунок
1. Радиопередача информации
Радиопередающее устройство – это устройство, функции которого заключаются в преобразовании энергии постоянного тока источников питания в электромагнитные колебания и управление этими колебаниями. [2] Приёмник – устройство обратно функциональное передатчику.
Процесс радиопередачи схематически изображен на рисунке 1.
Как правило, электрические сигналы, непосредственно отражающие сообщения низкочастотны. Однако, электрические сигналы с низкими частотами не могут эффективно излучаться в свободное пространство, на низких частотах большие промышленные помехи . Передавать сигналы низких частот непосредственно можно только по проводным и кабельным линиям связи. Для передачи информации без проводов используются специальные электрические колебания, называемые несущими. Несущие колебания не содержат информации, но хорошо излучаются и распространяются в свободном пространстве. Поэтому с их помощью информация, заложенная в первичном сигнале, переносится в свободном пространстве.
Непосредственно, имеет место термин модуляция – процесс изменения одного или нескольких параметров несущего радиочастотного колебания в соответствии с изменением параметров передаваемого (модулирующего) колебания [3]. Существует 3 основных вида модуляции:
- аналоговая
- цифровая
- импульсная.
В настоящей курсовой работе используется один из подвидов
цифровой модуляции – амплитудная манипуляция. Амплитудная манипуляция(ASK) – это такое изменение сигнала, при котором скачкообразно меняется амплитуда несущего колебания [4].
В качестве узлов “источник сообщения” и “приёмник сообщений” можно использовать микроконтроллеры, которые будут обрабатывать информацию получаемую/отправляемую информацию.[5,6] Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel имеет на борту универсальный последовательный интерфейс – UART.[7] По структуре это обычный асинхронный последовательный протокол, то есть передающая сторона по очереди выдает в линию 0 и 1, а принимающая отслеживает их и запоминает. Синхронизация идет по времени — приемник и передатчик заранее договариваются о том на какой частоте будет идти обмен. Вначале передатчик бросает линию в низкий уровень - это старт бит. Приемник фиксирует это, далее идёт передача. Последний бит это стоп бит, говорящий о том, что передача этого байта завершена. Схема процесса
Рисунок 2. Схема передачи по протоколу UART.
3
Блок схемы алгоритма
Блок
схема алгоритма функционирования микроконтроллера
AT90S2323 , входящего в блок передатчика имеет
вид:
Рисунок 3. Блок схема алгоритма МК передатчика
Блок
схема алгоритма
Рисунок 4. Блок схема функционирования
МК приёмника
3.1
Описание алгоритма
работы микроконтроллера
передатчика
В
начале программы происходит конфигурация
выводов порта B: выводы PB1 и PB2 входные,
PB0 – выходной. Далее идёт переход в спящий
режим (режим Power down) микроконтроллера,
в котором его энергопотребление сведено
к минимуму. После регистрации низкого
уровня на входе PB1 или PB2, микроконтроллер
выходит из спящего режима на следующую
за командой sleep процедуру обработки нажатия
клавиши, которая определяет на какой
из входов PB1 или PB2 поступил сигнал, в соответствии
с чем формируется соответствующий байт
команды для приемника. Далее в программе
организуется надежная передача данных
основывается на передачи 4 раза по 4 байта
в последовательной форме на скорости
2400 бит/с. 1 и 2 байты – так называемые байты
идентификации, 3 байт – команда, 4 байт
– контрольная сумма передаваемых первых
трех байтов. После передачи микроконтроллер
переходит обратно в спящий режим, ожидая
следующего низкого сигнала на каком-либо
из выводов PB1 или PB2.
3.2
Описание алгоритма
работы микроконтроллера
приёмника
В
начале программы происходит конфигурация
выводов портов микроконтроллера: PD0(RXD)
– приём, PB0 и PB1 – передача данных. Далее
идёт опрос состояния UART In\Out регистра
на предмет приема данных. Если данные
приняты, то они сравниваются с байтами
идентификации и если совпадение есть
– получаются остальные байты, с проверкой
контрольной суммы. Если все успешно, то
соответствующая команда подается на
выводы порта B микроконтроллера, выполняющие
соответствующую функцию переключения
в устройстве. После чего в программе осуществляется
зацикливание и снова ожидается опрос
состояния регистра UART.
4
Описание и назначение
узлов структурной схемы
Всё
проектируемое устройство разбито
на два больших блока – передающую
часть и принимающую.
Передающая часть.
Клавиатура пользователя предназначена для прямого взаимодействия с пользователем и предоставления ему необходимых возможностей для дистанционного управления обьектом.
Командо-формирующее устройство – блок, непосредственно формирующий в цифровом виде последовательность байт, называемых командой для отправки на сторону приемника.
Радиомодулирующий посылающий модуль предназначен для преобразования цифрового кода, модуляции полученного сигнала и отправки последнего при помощи антенны на определенной несущей частоте.
Принимающая часть.
Радиодемодулирующий принимающий модуль – структурный узел, предназначенный для приёма сигнала на определенной частоте, его демодуляции и преобразовании для дальнейшей передаче на обработку.
Командно-обрабатывающее устройство предназначено для формирования заданных сигналов управления для устройства управления на основании сигнала, полученного от радиодемодулирующего модуля.
Устройство
управления –узел, непосредственно управляющий
заданным обьектом.
5
Описание входов
и узлов функциональной
схемы
Функциональная
схема делится на две совместно
функционирующие подсхемы – передатчика
и приёмника.
5.1
Функциональная схема
передатчика
Входы:
S1 – вход первой командной клавиши пользователя
S1 – вход второй командной клавиши пользователя
Выходы:
ANT
– сигнал к отправке на принимающую стороны
Основные узлы:
Узел 1:
Данная комбинационная схема предназначена для реализации “исключающего или” для входов S1 и S2. Если оба входа будут в нулевом состоянии , то схема на выходе будет иметь высокие напряжения на обоих выводах, что не приведет к формированию команды (нажаты 2 клавиши одновременно).
Узел 2:
Обрабатывающее устройство реализованное на микроконтроллере AVR AT90S232. Выводы порта PB1 и PB2 задействованы в качестве входных, PB0 – выходной. Микроконтроллер формирует 4 байтную командной последовательность для отправки приёмнику.
Узел 3:
Радиомодуль
TLP434A, в задачи которого входит преобразование,
модуляция и отправка 4 байт , поступивших
на вход D-IN.
5.2
Функциональная схема
приёмника
Входы:
ANT – сигнал команды, посланный от передатчика
Выходы:
OUT1 – первый выход управления внешним объектом (канал 1)
OUT2
– второй выход управления внешним объектом
(канал 2)
Основные узлы:
Узел 1:
Радиомодуль RLP434A, в задачи которого входит демодуляция соответствующее преобразование сигнала со входа ANT, и выдача его на выход DOD.
Узел 2:
Микроконтроллер AT90S2313, который обрабатывает поступающие на его вход PD0 цифровой код от радиомодуля, и в соответствии с командой формирует выходные значения PB0 и PB1.
Узел 3:
Представляет
собой схему управления внешним
устройством, в соответствии с поступающим
на вход сигналом PD0 и PD1(для двух каналов).
6
Описание принципиальной
схемы устройства
Как
и функциональная схема, принципиальная
делится на 2 подсхемы – схема
приемника и схема передатчика
соответственно.
6.1
Принципиальная схема
передатчика
При нажатии на кнопку S2 на выводе PB1 (внешнее прерывание INT0) микроконтроллера появляется логический «0» (0 В), микроконтроллер выходит из спящего режима и проверяет условие нажатия кнопки S1. Если условие ложно (нажата кнопка S2), то микроконтроллер принимает нажатие кнопки S2, иначе – микроконтроллер принимает, что нажата кнопка S1. При нажатии кнопки S1 – логический «0» появляется на выводе PB1 и PB2 (за счет диода 1N4148). В этом случае микроконтроллер принимает, что нажата кнопка S1.
Тактирование микроконтроллера AT90S2323 осуществляется при помощи внешнего кварцевого генератора с частотой 4Мгц. В соответствии с этим , скорость передачи данных, задаваемая в программе микроконтроллера – 2400 бит/с.
Дополнительно, при нажатии любой из клавиш, светодиод (LED) открывается, что приводит к свечению (внешней сигнализации) о передаче данных модулем TLP434A.
Питание
схемы осуществляется от батарейки
3 В, как микро- контроллера , так и модуля
TLP434A.
6.2
Принципиальная схема
приёмника
Сигнал, снимаемый с антенны поступает на вход модуля RLP434A, производящий преобразование сигнала, в анализируемое представление для микроконтроллера AT90S2313. Микроконтроллер анализирует содержимое переданных байт и принимает решение о том, какой из выходов PB0 или PB1 сделать активным или наоборот отключить. Микроконтроллер тактируется от внешнего генератора 4Мгц, подключенного ко входам XTAL1 и XTAL2. Сигнал с выходов микроконтроллера подается на реле в первый или второй канал, которое переключается в соответствии с высоким или низким выходом вывода PD0(PD1). Переключающий ключ реализован на транзисторе BC 547,открывающийся при высоком напряжении на базе от вывода микроконтроллера. Светодиод LED (красный) служит индикатором включения /отключения в каждом из каналов. Микроконтроллер и радио модуль питаются от источника 5 В, реле от 12 В. В схему включен дополнительный блок питания, основанный на L200 регуляторе напряжения, регулирующий напряжение для питания каждого из устройст.
7
Расчет потребляемой
мощности
Расчёт
производился на основе программы –симулятора
Proteus и данных об устройствах, подчерпнутых
из datasheet-ов и может несколько отличатся
от действительности.
7.1
Потребляемая мощность
передатчика
Потребляемая
мощность в этом режиме ожидания состоит
в основном из потребляемой мощности микроконтроллера
AT90S2323:
Потребляемая
мощность в режиме передачи данных:
Основное
время функционирования передатчика
происходит в режиме ожидания, поэтому
средняя мощность стремится к 1мкВ.
7.2
Потребляемая мощность
приёмника
Потребляемая
мощность с отключенными каналами:
Потребляемая
мощность с 2мя включенными каналами:
20 + 55 + 82 + 12 + 10.5* 40 )= 1.25 (Вт)
Последняя
приведенная мощность – это максимально
возможная мощность при полном “включении”
приемника без учета блока источника питания
приемника.