پایان نامه ساخت درب هوشمند با AVR

پایان نامه جهت اخذ درجه کاردانی

در رشته برق – الکترونیک

چکیده :

امروزه تکنولوژی الکترونیک در تمام قسمت های زندگی بشر نقش دارد بطوری که اگر آن را از زندگی حذف کنیم دچار مشکلات فراوانی می شویم . مدار زیر قسمت کنترل و فرمان یک درب هوشمند است.این مدار از دو سنسور گیرنده و فرستنده مادون قرمز ،یک آی سی ومدارات تولید پالس تشکیل شده است.نحوه کار مدار به این شکل است که یک مدار آستابل که از یک آی سی تایمر 555 ساخته شده است پالس هایی را با فرکانس قابل تنظیم به مدار فرستنده مادون قرمز می فرستد . و فرستنده نیز امواج مادون قرمز را تا فاصله ای خاص می فرستد که به محض

بر خورد با مانع امواج مادون قرمز برگشت می کند وگیرنده آن را دریافت می کند.لازم به ذکر است که فرکانس این امواج ارسالی بوسیله فرستنده باید با فرکانس گیرنده همسان باشد تا از فیلتر داخلی گیرنده عبور کند.در غیر اینصورت بوسیله ی گیرنده قابل در یافت نیست .

گیرنده که فعال به صفر است ،با صفر کردن پایه ی آی سی ،آن را متوجه یک جسم می کند و

 آی سی نیز دستور یک شدن پایه ی متصل به رله را می دهد و رله نیز موتور را به کار انداخته ودرب باز می شود .بعد از مدتی حدود 10 ثانیه درب دوباره شروع به بسته شدن می کند.البته در تمامی این مدت مدا ر فرستنده و گیرنده در حال ارسال و دریافت امواج مادون قرمز هستند .و اگر در همین زمان  هم جسم دیگری دیده شود درب برای 10 ثانیه ی دیگر باز می ماند.

برای پوشش دادن کل عرض مسیر مورد نظر با امواج مادون قرمز اول لازم است که از گیرنده های ترانزیستوری استفاده شود و دوم هم اینکه باید از یک عدسی مقعر برای پراکنده کردن امواج استفاده کرد.

تاریخچه و مقدمه :

ریزپردازنده وسیله ای است که می توان با دادن فرمان آن را به عملیات مختلف واداشت . یعنی یک کنترل کننده قابل برنامه ریزی است . همه ریزپردازنده ها سه عمل اساسی یکسانی را انجام می دهند : انتقال اطلاعات ، حساب و منطق ، تصمیم گیری ، اینها سه کار یکسان هستند که به وسیله هر ریزپردازنده ، کامپیوتر کوچک یا کامپیوتر مرکزی انجام می شود .

اولین ریزپردازنده تک تراشه ای ، ریزپردازنده Intel 4004 بود که توانست دو عدد 4 بیتی دودویی را جمع کند و عملیات متعدد دیگری را انجام دهد .

4004 با معیارهای امروزی یک وسیله کاملا ابتدایی بود که می توانست 4096 مکان مختلف را آدرس دهد. برای حل این مسئله بود که ریزپردازنده 8 بیتی ( 8008 ) به وسیله شرکت Intel معرفی شد .

Intel 8008:

Intel 8008 توانست اعداد 8 بیتی را ( که بایت نامیده می شوند ) به کار گیرد ، که این خود پیشرفت بزرگی نسبت به 4004 بود . تقریبا در همان زمان گشایشی در ساختن مدارهای منطقی NMOS ( نیمه هادی اکسید فلز از نوع N )پیش آمد . منطق NMOS بسیار سریع تر از PMOS است . به علاوه از یک منبع تغذیه مثبت استفاده می کند که آن را برای اتصال به مدارهای منطقی TTL سازگارتر می کند . خصوصیات مذکور از این جهت دارای اهمیت است که بسیاری از مدارهای جنبی ریزپردازنده از نوع TTL هستند . NMOS سرعت ریزپردازنده را با ضریبی در حدود 25 بار افزایش می دهد که رقم چشمگیری است .

این تکنولوژی جدید درساختمان ریزپردازنده معروف امروزی یعنی Intel 8080 به کار برده شد .

 Intel 8080:

Intel 8080 در 1973 و معرفی آن دنیا را به دوره ریزپردازنده وارد کرد . 8080 نوع بسیار غنی شده ای از 8080 بود که می توانست 500000 عمل را در ثانیه انجام دهد و 64 کیلو بایت از حافظه را آدرس می دهد و 500000 دستورالعمل را در ثانیه اجرا کند . امتیاز اصلی Z80 نسبت به 8080 این است که می تواند از دستورالعمل هایی که برای 8080  می شوند نیز استفاده کند . نرم افزاری که برای 8080 استفاده می شود بدون پیچیدگی بر روی Z80 قابل اجرا است . یک مشخصه سخت افزاری مهم Z80 در مقایسه با 8080 آرایش کامل تر ثبات هاست . Z80 همچنین مکانیزمی را به کار می گیرد که حافظه RAM دینامیکی را به طور خورکار تازه می کند . این دو مشخصه اضافی موجب برتری Z80 نسبت به Intel 8080 شده است.

سایر ریزپردازنده های اولیه :

تا سال 1973 ، Intel  تولید کننده اصلی ریزپردازنده ها بود . بعد از آن تولید کنندگان دیگر متوجه شدند که این وسیله جدید دارای آینده است و شروع به تولید انواع اصلاح شده دیگری از ریزپردازنده Intel 8080 کردند .

ریزپردازنده های امروزی :

به نظر می رسد که آینده توجه ریزپردازنده در دست سه شرکت Intel  ، Motorola و Zilog است . این شرکت ها هر یک با دو سال یک بار انواع پیشرفته تری از ریزپردازنده ها را تولید می کنند . امروزه ریزپردازنده ها از نظر اندازه بین 4 تا 32 بیت دارند .

انواع میکروپروسسور ها :

1. Genela  ( که خود شامل cpu می باشد که بر اساس برنامه وظیفه آنها تغییر می کند) و µ.c که از تکنولوژی RISC سود می برد .

2.پروسسورهای صوتی : سری VP ساخت شرکت QUICK  و سری ISD

3.پروسسورهای مخابراتی ( شرکت MITEL فقط پروسسورهای مخابراتی می زند) .

4. پروسسورهای خاص ( برای کاربردهای خاص استفاده می شود )

در معماری CPU از تکنولوژی CISC و RISC استفاده شده که تکنولوژی CISC (  Complex INSTROCTION set Computer )دستورات پیچیده را در داخل خود اجرا می کند و تکنولوژی RISC( Reduce INSTROCTION set Computer )

SET کامپیوتری است که دستورات ساده ای دارد که از این نوع تکنولوژی در میکرو کنترلرها نیز استفاده شده و خواص آن تعداد کم دستورالعمل ها می باشد .

تعریف µ.c :

تراشه هایی هستند که واسطهای صفحه کلید ، دیسک و در بسیاری از دیگر دستگاهها استفاده می شود . این نوع تراشه ها به علت حجم بسیار کوچک که دارند به نام single µ.c chip معروفند .

تفاوت میان ریزپردازنده با ریز کنترل کننده ( µ.c ) :

ریز کنترل کننده ها علاوه بر cpu شامل حافظه ، خطوط I/O تایمر ، کانتر و در برخی از آنها حتی A/D نیز دارند . حال به مروری بر میکروهای AVR و انواع آنها می پردازیم .

مقدمه :

 -الکترونیک در زندگی امروز

امروزه پیشرفت در الکترونیک ای امکان را به ما داده است تا بتوانیم انواع وسایل الکترونیکی مانند  ماشین حساب های جیبی ، ساعت رقمی ، کامپیوتر برای کاربرد در صنعت در تحقیقات پزشکی و یا طریقه تولید کالا به طور اتوماتیک در کارخانجات و بسیاری از موارد دیگر را مستقیم یا غیر مستقیم مورد استفاده قرار دهیم .

اینها همه به خاطر آن است که فن آوری توانسته مدارهای الکترونیکی را که شامل اجزاء کوچک الکترونیکی هستند ، بر روی یک قطعه کوچک سیلیکن که شاید سطح آن به 5 میلی متر مربع بیشتر نیست ، جای دهد . فن آوری میکروالکترونیک که به مدارهای یکپارچه معروف به آی سی یا تراشه مربوط می گردد ، در بهبود زندگی بشر تاثیر به سزایی داشته و آن را بطور کلی دگرگون نموده است . تراشه ها همچنین برای مصارفی چون کنترل رباتها در کارخانجات ، یا کنترل چراغهای راهنمایی و یا وسایل خانگی مانند ماشین لباس شویی و غیره مورد استفاده قرار می گیرند . از طرفی تراشه ها را می توان مغز دستگاه هایی چون میکرو کامپیوترها و رباتها به حساب آورد .

- سیستم های الکترونیکی

پس از یک نظر اجمالی در داخل یک سیستم الکترونیکی مانند یک دستگاه رادیو ، تلویزیون و یا کامپیوتر ممکن است انسان از پیچیدگی آن و از یادگیری الکترونیک دلسرد شود ، اما در واقع آن طور که به نظر می رسند ، دشوار نیستند و این به دو دلیل است .

      ا ول اینکه اگرچه سیستم های الکترونیکی اجزاو قطعات زیادی را در خود جای می دهند ، اما باید              

      دانست که انواع کلی این اجزا اغلب محدود و انگشت شمار هستند .                

  از مهم ترین گروه های این اجزا می توان مقاومت ها ، خازن ها ، القا گرها ، دیودها ، ترانزیستورها ، کلیدها و مبدل ها را نام برد . این اجزا زمانی که به صورت یکپارچه در یک تراشه قرار می گیرند ، هر یک همان وظیفه خود را به عنوان یک قطعه مجزا انجام می دهند و فقط اندازه  فیزیکی آن کوچکتر شده است .

دوم اینکه انواع سیستم های الکترونیکی از تعداد محدودی مدارهای اصولی و یا بلوک هایی که وظیفه هر کدام به کاراندازی قسمتی از سیستم مثلا تقویت یا شمارش است ، تشکیل یافته اند که به منظور عملکرد کل سیستم ، آن را به یکدیگر متصل می نمایند .

- مدارهای خطی و مدارهای رقمی

بسیاری از سیستم های الکترونیکی طوری طراحی شده اند تا با دریافت یک ورودی الکتریکی و با پردازش آن ، یک خروجی الکتریکی تولید کرده تا بتوانند کار معینی را انجام دهند ( که این کار بدون سیستم مورد نظر ، به تنهایی از عهده ورودی الکتریکی مذکور ساخته نخواهد بود . )

مدارهای الکترونیکی که در سیستم ها کاربرد دارند به دو دسته مهم تقسیم می شوند : مدارهای خطی ( یا قیاسی ) و مدارهای رقمی یا دیجیتال .

مدارهای خطی ار نوع مدارهای تقویت کننده هستند که با سیگنال هایی سرو کار دارند که این سیگنال ها معرف کمیت هایی مانند تغییرات صوتی ، صدای انسان یا موسیقی و غیره هستند . در بسیاری از مدارهای خطی از ترانزیستور به عنوان تقویت کننده صوتی استفاده می کنند . مدارهای دیجیتال از نوع مدارهای کلیدزنی هستند ، که مقدار ورودی یا خروجی آنها در هر زمان فقط    می تواند دارای یکی از دو حالت صفر یا یک باشد و اگر قرار است این دو حالت به هم تبدیل شوند این تبدیل حالت بسیار سریع اتفاق می افتد ، در حالی که مدارهای خطی دارای حالت  مداوم بوده و این حالات به تدریج در واحد زمان قابل تغییر هستند .

 مدارهای رقمی دارای فقط دو حالت هستند و ورودی و خروجی آنها به اصطلاح (high) به معنی بالا ، یعنی نزدیک به میزان ولتاژ منبع مدار و یا (low) به معنی پایین ، یعنی نزدیک صفر ولت هستند .

 در این مدارها عمل کلیدزنی به وسیله ترانزیستور انجام می گیرد . دستگاه شمارش گر در واقع یک مدار رقمی است که در آن سیگنال تولید شده توسط سلول نوری ، یا در حالت صفر و یا در حالت یک قرار می گیرد و این امر بستگی به قطع شدن یا نشدن نور دارد . بنابراین مدارهای رقمی علائم الکتریکی را به صورت پالس یا ضربه با خود حمل می کنند . سیستمی که در آن یک لامپ توسط دیمر کنترل و کم و زیاد می شود ، یک سیستم حالت مداوم و سیستمی که همان لامپ را خاموش و روشن می کند یک سیستم دو حالته است ، چون که توسط آن لامپ مذکور یا کاملا روشن یا کاملا خاموش می شود .

تکنولوژی حافظه کم مصرف غیر فرار شرکت ATMEL برای برنامه ریزی AVR ها مورد استفاده قرار گرفته است در نتیجه حافظه های  FLASH و EEPROM در داخل مدار قابل برنامه ریزی (ISP) هستند. میکروکنترلرهای اولیه AVR دارای 1،2و8 کیلو بایت حافظه FLASH و به صورت کلمات 16 بیتی سازماندهی شده بودند.

AVR ها به عنوان میکروهای RISC با دستورات فراوان طراحی شده اند که باعث می شود حجم کد تولید شده کم وسرعت بالاتری بدست آید.

عملیات تک سیکل:

با انجام تک سیکل دستورات،کلاک اسیلاتور با کلاک داخلی سیستم یکی می شود. هیچ تقسیم کننده ای در داخل AVR قرار ندارد که ایجاد اختلاف فاز کلاک کند. اکثر میکرو ها کلاک اسیلاتور به سیستم را با نسبت 1:4 یا 1:12 تقسیم می کنند که خود باعث کاهش سرعت میشود. لذا AVR ها 4 تا 12 بار سریعتر و مصرف آنها نیز 4-12 بار نسبت به میکروکنترلرهای مصرفی کنونی کمتر است زیرا در تکنولوژی CMO استفاده شده در میکروهای  AVR، مصرف توان سطح منطقی متناسب با فرکانس است.

نمودار زیر افزایش MIPS (MILLION INSTRUCTION PER SECONDS) را به علت انجام عملیات تک سیکل AVR (نسبت 1:1) در مقایسه با نسبت های 1:4 و 1:12 در دیگر میکرو ها  نشان می دهد.

زبان های  BASIC و C بیشترین استفاده را در دنیای امروز به عنوان زبان های  HLL دارند تا امروزه معماری بیشتر میکرو ها  برای زبان اسمبلی طراحی شده و کمتر از زبان های HLL حمایت کرده اند.

هدف ATMEL طراحی معماری بود که هم برای زبان اسمبلی و هم زبان های HLL مفید باشد. به طور مثال در زبان های C و BASIC می توان یک متغیر محلی به جای متغیر سراسری در داخل زیر برنامه تعریف کرد ، در این صورت فقط در زمان اجرای زیر برنامه مکانی از حافظه RAM برای متغیر اشغال می شود در صورتی که اگر متغیری به عنوان سراسری تعریف گردد در تمام وقت مکانی از حافظه FLASH ROM  را اشغال کرده است.

برای دسترسی سریعتر به متغیرهای محلی و کاهش کد ، نیاز به افزایش رجیسترهای همه منظوره است .

AVR ها دارای 32-رجیستر هستند که مستقیما به LOGIC ALU (ARITHMETIC UNIT) متصل شده اند ،و تنها در یک کلاک سیکل به این واحد دسترسی پیدا می کنند. سه جفت از این رجیسترها می توانند به عنوان رجیسترهای 16 بیتی استفاده شوند.

برنامه صفحه بعد نشان میدهد که چگونه تعداد مناسب رجیسترهای همه منظوره (در AVRها) می توانند با معماری CISC  با یک ACCOMULATOR  مقایسه گردند.برای این منظور ما می خواهیم از معادله ی صفحه ی بعد A را به دست بیاوریم. می بینیم که با کدهای AVR  این در عرض 4 کلاک سیکل و با کدهای CISC  در عرض 96-48 کلاک سیکل انجام می گیرد.

نتیجه تمام این موارد بحث شده ، میکروکنترلرها AVR  با سرعت بالا و سازماندهی  RISC هستند. میکروکنترلرهای AVR  به سه نوع   AT90S یا AVR ،   TINY AVR  و MEGA AVR تقسیم بندی شده اند.

 دیمانسیون متغیر

 Data type  نوع داده است که می تواند طبق جدول زیر  STRING , WORD , LONG , INTERGER , BYPE , BIT  یا SINGOL  باشد. در صورت استفاده از متغیر SINGOL ، بیشترین طول  آن نیز باید نوشته شود. گزینه اختیاری OVERLAY متغیر تعریف شده را به صورت POINTER  در نظر می گیرد و فضایی را برای متغیر در نظر نمی گیرد.

AT LOCATION   به شما اجازه می دهد که متغیّر تان را در آدرسی که می خواهید در حافظه ذخیره کنید. زمانی که محل آدرس دهی اشغال باشد ، اولین جای خالی در حافظه استفاده می شود.

- خصوصیات Atmega16L و Atmega16

٭ ازمعماری AVR RISC استفاده می کند .

- کارایی بالا و توان مصرفی کم

- دارای 131 دستورالعمل با کارایی بالا که اکثرا تنها در یک کلاک سیکل اجرا می شوند .

- 8×32رجیستر کاربردی

- سرعتی تا 16 MIPS در فرکانس 16 MHZ

٭ حافظه ، برنامه و داده غیر فرار

-16K بایت حافظه FLASH داخلی قابل برنامه ریزی

پایداری حافظه FLASH : قابلیت 10000 بار نوشتن و پاک کردن ( WRITE / ERASE )

-1024 بایت حافظه داخلی SRAM

-512  بایت حافظه EEPROM داخلی قابل برنامه ریزی

پایداری حافظه EEPROM : قابلیت 100000 بار نوشتن و پاک کردن  ( WRITE / ERASE)

- قفل برنامه FLASH و حفاظت داده EEPROM

٭ قابلیت ارتباط JTAG ( IEEE Std . )

 - برنامه ریزی برنامه FLASH  ، EEPROM ، FUSE BITS ، LOCK BITS از طریق ارتباط JTAG

٭ خصوصیات جانبی

- دو تایمر- کانتر (TIMER / COUNTER ) 8 بیتی با PRESCALER مجزا و مد COMPARE

- یک تایمر- کانتر (TIMER / COUNTER ) 16 بیتی با PRESCALER مجزا و دارای مدهای COMPARE و CAPTURE

- 4 کانال PWM

- 8 کانال مبدل آنالوگ به دیجیتال 10 بیتی

8 کانال SINGLE-ENDED

دارای 7  کانال تفاضلی در بسته بندی TQFP

دارای دو کانال تفاضلی با کنترل گین 1x ، 10x و 200x

- یک مقایسه کننده آنالوگ داخلی .

- WATCHDOG قابل برنامه ریزی با اسیلاتور داخلی .

- قابلیت ارتباط با پروتکل سریال دو سیمه (TWO-WIRE  )

- قابلیت ارتباط سریال SPI ( SERIAL PERIPHERAL INTERFACE ) به صورت MASTER یا SLAVE

-USART  سریال قابل برنامه ریزی

٭ خصوصیات ویژه میکروکنترلر

- POWER-ON RESET CIRCUIT  و BROWN-OUT قابل برنامه ریزی .

- دارای اسیلاتور RC داخلی کالیبره شده

- دارای 6 حالت SLEEP ( POWER-DOWN ، IDLE ، POWER-SAVE ، STANDBY ، EXTENDED STANDBY و  ADC NOISE REDUCTION )

- منابع وقفه (INTERRUPT  ) داخلی و خارجی .

- عملکرد کاملا ثابت .

- توان مصرفی پایین و سرعت بالا توسط تکنولوژی CMOS

٭ توان مصرفی در 1MHZ ، 3V ، 250C برای ATMEGA16L

- حالت فعال 1.1 mA ( ACTIVE MODE )

- در حالت بی کاری 0.35 mA ( IDLE MODE )

- در حالت POWER-DOWN : > 1µA

٭ ولتاژهای عملیاتی (کاری )

-2.7 V تا5.5 V برای ( Atmega16 L )

-4.5 V تا 5.5 V برای ( Atmega16  )

٭ فرکانس های کاری

-0MHZ تا  8MHZ  برای( Atmega16 L )

-0MHZ  تا 16MHZ برای ( Atmega16  )

 خطوط I/O و انواع بسته بندی

-32 خط ورودی/ خروجی ( I/O) قابل برنامه ریزی .

-40 پایه PDIP ، 44  پایه TQFP و 44  پایه MLF

- ترکیب پایه ها:

- فیوز بیت های ATMEGA16