РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ

4.1 Выбор микроконтроллера

В проектируемой системе разработке подлежит две подсистемы. Для повышения технико-экономических показателей (стоимости, надёжности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и придания изделию таких потребительских качеств как расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность бортовая подсистема строится на базе микроконтроллера.

В настоящее время существует множество фирм, выпускающих широкий ассортимент микроконтроллеров, такие как Motorola, Microchip, SGS–Thompson, National, ALCATEC. Они различаются электрическими характеристиками и насыщенностью периферийными устройствами. Хорошо зарекомендовала себя в плане быстродействия, экономичности, простоты схемы разрабатываемого устройства из-за обширного набора периферийного оборудования продукция фирмы Microchip.

В таблице 4.1 приведены параметры PIC-контроллеров фирмы Microchip. В управляющем микроконтроллере должны присутствовать асинхронный передатчик (для вывода информации в передающий радиомодуль), порт с интерфейсом I²C, как минимум два внешних входа прерываний (для детектора несущей и датчика ударов) и достаточное количество портов ввода/вывода. Особые требования предъявляются к потребляемой мощности и стабильности работы. Данными свойствами обладает PIC- контроллер PIC16C73A.

Данный микроконтроллер построен по RISC архитектуре. Набор его команд содержит всего 35 простых команд, которые выполняются за один машинный цикл, кроме команд пересылки. Этот микроконтроллер выгодно отличается низкой ценой и высокой производительностью. Важным достоинством является малое энергопотребление (2 мА на частоте 4 МГц и 5 В питании и менее 1 мкА в режиме SLEEP) и широкие диапазоны напряжения питания (2,5-6В) и тактовой частоты (до 20 МГц).

Структурная схема PIC16С73А изображена на рис. 4.1. В состав выбранного PIC-контроллера входят следующие элементы: 4К´14 память программ с защитой кода от считывания, 192´8 память данных, два 8-битных и один 16-битный таймера/счетчика с предделителями, сторожевой таймер, два 8-битных и один 6-битный многофункциональных порта ввода/вывода с большой

нагрузочной способностью (выходной ток до 25 мА), синхронно/асинхронный последовательный приемопередатчик, последовательный порт с интерфейсом I²C, 11 источников прерываний, 8-уровневый аппаратный стек, встроенный RC-генератор.

Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой КМОП технологии и выпускается в SDIP керамическом корпусе, имеющем 28 внешних выводов. Для работы PIC- контроллера требуется один источник электропитания +2,5…6 В. Выходные логические уровни соответствуют уровням ТТЛ-схем.

Цоколёвка корпуса и назначение выводов показаны на рис.4.2.

Рис 4.2. Цоколевка и назначение выводов PIC16С73А.

В кристалле PIC16С73А имеется встроенный детектор питания. При достижении на входе V_DD напряжения 1,5-2,1В запускается таймер включения питания PWRT, который функционирует на внутреннем RC-генераторе. По истечении выдержки около 72 мс считается, что напряжение достигло номинала и запускается другой таймер-выдержка на стабилизацию частоты кварцевого генератора. Таймер на стабилизацию генератора отсчитывает 1024 импульса от начавшего работу генератора. Считается, что кварцевый генератор за это время вышел на режим. При использовании RC генераторов - выдержка на стабилизацию не производится.

Опорную частоту синхронизации определяет кварцевый резонатор РГ–05 с типом корпуса М, добротностью 2000х10³, статической ёмкостью менее 9пФ, допустимым отклонением рабочей частоты ±10х10^–6. Кварцевый резонатор имеет гибкий тип выводов, предназначенный для соединений пайкой, миниатюрный плоский корпус, хорошо компонуется в современной аппаратуре. Он подключается к выводам OSC1 и OSC2 (рис.4.3). По рекомендации изготовителей микроконтроллера конденсаторы: КД–1 ёмкостью 15 пФ каждый.

Рис.4.3. Схема синхронизации PIC16С73А.

Далее разработаем принципиальные схемы (см. чертёж схемы электрической принципиальной) для конкретных блоков проектируемой системы.

4.2 Бортовая подсистема

Первым шагом при проектировании принципиальной схемы является распределение аппаратных ресурсов микроконтроллера. Необходимо определится с подключением периферийных устройств к микроконтроллеру. Бортовая подсистема в режиме охраны должна постоянно анализировать состояние датчиков. В проектируемой системе предусматривается три датчика (датчик открывания дверей, ультразвуковой датчик движения и датчик ударов), поэтому подключим их к портам, которые вызывают прерывание при изменении логического состояния на их входе, а именно к портам RB5, RB6, RB7 соответственно.

Датчики открывания дверей подключим непосредственно к порту RB5 через резистор R1 сопротивлением 10 кОм, который защитит порт от сгорания при случайном попадании на него напряжения 12В. Высокий потенциал наведем источником +5В через резистор R2 сопротивлением 3 кОм. При срабатывании датчиков открывания дверей на порт будет подаваться логический ноль.

Если дверные выключатели соединены с лампой плафона, их следует отделить от входа диодами VD1-VD6. Диоды необходимы для того, чтобы напряжение питания через лампу плафона не проходило на вход порта — это недопустимо. Для этих целей выберем импульсные диоды КД 522Б [38]. Импульсный прямой ток диода составляет 1,5А, средний прямой ток —100 мА, постоянное прямое напряжение — 1,1В.

Рассеиваемая мощность резистора R1 определяется исходя из падения напряжения на нем по формуле:

Р1 = U²/R = (12-5) ²/10000 = 0,0007 Вт (4.1)

В качестве резистора R1 выберем С2-33–0,125–10кОм–±10%.

Рассеиваемая мощность резистора R2 определяется исходя из протекающего по нему току по формуле:

P2 = U²/R = 5²/3000 = 0,008 Вт (4.2)

В качестве резистора R2 выберем С2-33–0,125–3кОм–±10%.

Ультразвуковой датчик движения и датчик ударов можно подключать к PIC-контроллеру непосредственно, так как они имеют соответствующие логические уровни.

Для работы микроконтроллера и других устройств требуется источник электропитания +5В. Питание бортовой системы будем производить непосредственно от бортовой сети автомобиля + 12 В через спрятанный в салоне автомобиля потайной тумблер–переключатель ПКН41–1–2 и предохранитель плавкий 10А. Напряжение бортовой сети автомобиля понизим с помощью интегрального стабилизатора КР142ЕН5.

Так как в разрабатываемой системе будет использоваться технология кодирования с динамическим кодом, то в состав бортовой подсистемы будет входить дешифратор динамического кода HCS500 фирмы Microchip. Структурная схема HCS500 показана на рис.4.4. Цоколевка корпуса и назначение выводов показаны на рис.4.5.

Рис.4.4. Структурная схема HCS500.

Данная микросхема осуществляет прием кодовой посылки непосредственно с цифрового приемного радиомодуля, декодирует ее, осуществляет проверку подлинности и выдает управляющую информацию на микроконтроллер по последовательному порту с интерфейсом I²C.

HCS500 имеет следующие электрические характеристики: напряжение питания - 3,0…5,5В, максимальный выходной ток – 25 мА.

Для работы дешифратора требуется микросхема внешней энергонезависимой памяти 24LC02, объемом 2К и с последовательным интерфейсом I²C.

Схема подключения памяти к HCS500 показана на рис.4.6.

Рис.4.6. Схема подключение внешней памяти к дешифратору динамического кода.

К микроконтроллеру дешифратор подключается через порты SCK и SDA имеющие встроенный интерфейс I²C. Вход RFIN дешифратора напрямую подключается к выходу RX приемного радиомодуля.

В настоящее время для разработке аппаратуры передачи цифровой информации предлагается несколько разновидностей радиомодулей. Они различаются по функциональному назначению (приемники, передатчики, приемопередатчики), по типу модуляции (АМ, ЧМ), по скорости передачи цифровых данных (от 1000 до 20000 бит/с), по радиусу действия (от 30 до 800 м). Для передачи цифровой информации на внешние подсистемы применим радиомодуль CDP–TX–01 с ЧМ модуляцией и радиусом действия 800 м. Так как для связи между кодовым брелком и бортовой подсистемой будет применятся радиоканал с АМ модуляцией и не требуется большого радиуса действия и скорости передачи, то в качестве приемного радиомодуля применим радиомодуль BC-BNK. Основные характеристики данных радиомодулей были приведены в обзоре аналогичных технических решений (табл. 1.1).

Для фильтрации напряжения питания и развязки напряжение +5 В предварительно пропустим через LC– цепочку. В качестве индуктивности L1 применим дроссель ДМП– 01–150мкГн, а конденсатор С3 — К73–16 ёмкостью 47нФ. Аналогичную фильтрующую цепь применим и при подаче питания на приёмник. Радиомодули работают на одну свои антенны WA1 и WA2.

Передатчик должен использоваться только в ограниченные моменты времени, поэтому следует коммутировать питание. Во время пауз между передачами передатчик рекомендуется выключать. Так как потребляемый ток передающего радиомодуля равен 18 мА, то питание на него можно подавать непосредственно с порта RC7 PIC-контроллера.

Так как приёмник бортовой подсистемы должен использоваться для постоянного анализа эфира и приёма посылок с носимого пульта управления, то фильтрующую цепь приёмника присоединим непосредственно к + 5В. Детектирование несущей в эфире осуществим с использованием порта RB0. Приём цифровой информации будет осуществляться непосредственно дешифратором динамического кода HCS500, который имеет соответствующий для этого вход.

Для коммутации тока через звуковое оповещательное устройство (сирену), реле блокировки/разблокировки дверей и системы зажигания, габаритные огни будем применять полевые кремниевые транзисторы КП922А [35].

Применение полевых транзисторов в качестве ключей вызвано их явными преимуществами перед биполярными. Во-первых, управляются полевые транзисторы напряжением и для включения ключа требуется маленький ток, что позволяет управлять ими непосредственно портами PIC-контроллера. Во-вторых, сопротивление исток-сток открытого полевого транзистора составляет доли ома и даже при больших протекающих токах падение напряжения на них незначительно, в отличии от биполярных транзисторов, в которых напряжение на p-n переходах падает до 1 В.

Выбранные транзисторы предназначены для применения в ключевых преобразователях напряжения, переключателях и импульсных устройств. Предельный постоянный ток стока составляет 10А, что достаточно для работы с выше перечисленными устройствами. Так как выходной ток портов PIC-контроллера составляет 25 мА, то прямое подключение к портам обеспечит необходимые режимы работы полевых транзисторов VT1-VT5. Малое сопротивление сток–исток в открытом состоянии (0,2 Ом) даже при больших токах нагрузки обеспечит малое падение напряжения на самом транзисторе. Защиту от пробоя транзисторов VT2-VT5 произведем с использованием импульсных диодов VD7 – VD10. В качестве последних (VD7 – VD10) можно применить диоды типа КД412Г [38] со средним прямым током 10 А.

В качестве звукового сигнализатора применим пьезокерамический излучатель СП–1. Обладая весьма малыми габаритами и сравнительно большой громкостью (уровень звукового давления достигает 100дБ) дает лучшие результаты по сравнению с динамическими головками.

Для индикации режимов работы бортовой подсистемы будет использоваться светоизлучающий диод АЛ102Г красного света свечения с силой света не менее 200 мккд [37]. Для ограничения тока через светодиод, последовательно с ним включим резистор R3. При постоянном прямом напряжении на светодиоде 2,8 В, прямом токе 10 мА сопротивление резистора:

R3 = (5–2,8)/0,01= 220 Ом. (4.4)

Рассеиваемая мощность резистора определяется исходя из тока, протекаемого через него формуле:

P3= RI² = 220х0,01² = 0,022 Вт. (4.5)

В качестве резистора R3 выберем С2-33–0,125–220Ом–±10%.

Перечень элементов бортовой подсистемы сведён в приложении 1. Схема электрическая принципиальная бортовой подсистемы приведена в приложении 3.

Похожие работы

Проектирование системы охранной сигнализации

Скачать

122653

9

15

... ставкам. 7.2. Локальная смета Таблица 5. Наименование стройки – музей Г.Р. Державина по адресу: наб. р.Фонтанки, 118. ЛОКАЛЬНАЯ СМЕТА на приобретение, монтаж и пусконаладочные работы системы охранной сигнализации Сметная стоимость - 1365,059 тыс.руб Нормативная трудоемкость - 6652,87 чел-ч Сметная заработная плата - 415,896 тыс.руб Составлена в ценах 2005 г. № ...

Разработка системы теплоснабжения

Скачать

98975

2

0

... информации о количестве полученной потребителем или выработанной производителем тепловой энергии, температуре, давлении, объеме (массе) теплоносителя и о времени работы в открытых и закрытых водяных системах теплоснабжения при давлениях до 1,6 МПА (16 кгсм2) и температурах до +150 °С. Область применения - теплоэнергетика, системы коммерческого учета расхода горячей воды и тепловой энергии, ...

Программная и аппаратная часть автоматизированной сигнализации по GSM каналу

Скачать

56862

6

17

... настройки процесса работы МП. - микроконтроллер – ядро всего устройства, содержащее необходимую информацию в виде программного кода, записанного во встроенное ПЗУ, в котором прописан алгоритм работы системы. - считыватель ключей – устройство, с помощью которого система сигнализации ставится/снимается в режим охрана. 8)  Конструкторские требования (габариты, установочные, присоединительные ...

Разработка автоматизированной системы управления электроснабжением КС "Ухтинская"

Скачать

167649

57

1

... сигналами времени. Ядро предлагает интерфейс для программирования приложения с целью получения функций в виде отдельных программ. 1.2 Разработка автоматизированной системы управления электроснабжением КС «Ухтинская» 1.2.1 Цель создания АСУ-ЭС Целью разработки является создание интегрированной АСУ ТП, объединяющей в единое целое АСУ электрической и теплотехнической частей электростанции, ...