Разработка микроконтроллерного синтезатора световых эффектов

1. 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

2. 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

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Схемотехническое проектирование (принципиальнаяэлектрическая 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.

7. Схемотехническое проектирование (принципиальнаяэлектрическая 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.

8. 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.

9. 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.

10. Конструкторско-технологическое проектирование (устройство в сборе) Стандартный штырьковый разъем для COM-порта компьютера Микроконтроллер AT90S2313 Светодиодная матрица Стабилизированный импульсный источник питания Программатор

11. 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. Последовательный периферийный интерфейс

12. 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. Взаимодействие COM – порта и платы программатора:

13. 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.

15. 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.

16. 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. Исследуется возможность использования светодиодной матрицы в растеневодстве. Светодиоды эффективно используются в праздничном украшении.

17. 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.

18. 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.

19. Демонстрация тестирования...

20. Спасибо за внимание.Ваши Вопросы.