پروژه مدارات دیجیتالی ( میکروکنترلی )

توصیف کامل پروژه

ضرورت ها و نیاز ها :

 در بسیاری از مدارات دیجیتالی ( میکروکنترلی ) که با برق و باطری کار می کنند با دو مشکل مواجه می باشیم :

مشکل اول مربوط به عملکرد است. یعنی عملکرد نمایش LCD با ولتاژ 5 ولت است در حالی که این مدارات در هنگام استفاده از خازن پشتیبان و باطری دارای ولتاژ 6/3 تا 5 ولت هستند.

مشکل دوم گرانی باطری و دشوار بودن تعویض آن است . در بعضی از این مدارات مثل کنتور دیجیتال تعویض باطری بسیار دشوار است در نتیجه باید تا حد امکان مصرف را در حالت استفاده از خازن و باطری کم کرد در حالی که دستگاه باید به کار خود ادامه دهد.

1-2- مراحل انجام پروژه :

 در این پروژه جهت بررسی و حل این دو مشکل یک مدار میکرو کنترلی مثل ساعت دیجیتالی طراحی شده است و به حل مشکلات فوق پرداخته شده است این ساعت باید از نمایشگر 5 ولت استفاده کند و بتواند حداکثر به مدت 5000 ساعت در صورت استفاده از باطری 6/3 ولتی و 2/1 آمپر ساعتی در حالت قطع برق به کار خود ادامه دهد.

       در طراحی این مدار برای حل مشکل اول سعی شده است که برای تامین ولتاژ 5 ولت LCD از تبدیل ولتاژ DC به کمک یک مبدل DC/DC  استفاده کنیم تا زمانی که ولتاژ ما 6/3 ولت است با یک آ ی سی Admbbo ولتاژ 2/7 تولید کنیم ( در ادامه خواهیم دید این آ ی سی یک دوبل کننده ولتاژ است) و بعد باکمک زنریک           ولتاژ 5 ولت تحویل LCD  می دهیم و برای حل مشکل دوم سعی شده است که تا زمانی که LCD از تغذیه اصلی استفاده نمیکند از خازن پشتیبان تغذیه شود و بعد از مدت زمانی که تعریف می کنیم ( در نرم افزار سیستم بررسی می شود) میکرو از طریق یک Mosfet از باطری استفاده میکند که توسط مبدل DC/DC و زنر به ولتاژ 5 ولت تبدیل شده است.

فصل 2 - تئوری ای مرتبط با پروژه

2-1- مقدمه :

     تئوری هایی که در مورد پروژه وجود دارد به چندین بخش تقسیم می شوند یکی از این بخشها دستورات میکروکنترلر AVR  است که بطور نسبتاً مشروح بیان شده اند البته در این قسمت توجه شود که از مبانی مربوط به تایمرها ، وقفه ها ، کار با پورتها و ... بیشتر استفاده شده است و برخی مسائل نیز جهت آشنایی کامل تر خواننده با این میکروکنترلر آورده شده است. در مورد تئوری های مربوط به نرم افزار سیستم نیز مطالبی به طور کلی در این فصل آورده شده است اما توضیحات دقیق تر مربوط به نرم افزار ( صرف نظر از مطالب کلی ) در جای خود در فصل های آینده بررسی شده است . خلاصه مطلب آنکه نکات تئوری مطرح شده در این فصل کلیات تئوری سیستم هستند و نکات ریز در فصل های مربوط به خود بحث شده اند.

فصل 3- بررسی سخت افزار سیستم

3-1-مقدمه :

      در این قسمت ابتدا یک بلوک دیاگرام کلی از سیستم ارائه می دهیم که در آن سخت افزار سیستم به طور کلی و به صورت بلوکی رسم شده است بعد از رسم این بلوک و توضیحات مربوط به آن نقشه کامل مدار و توضیحات مربوط به نقشه به طور کامل بیان شده است. در آن قسمت برخی جزئیات که در بلوک دیاگرام قابل مشاهده نمی باشد به طور کامل مورد بررسی قرار می گیرد . در این قسمت توضیحات مربوط شامل نیازهای مدار و دلایل به کار بردن هر قطعه می باشد . البته در لابلای توضیحات سخت افزار نکات دیگری که در هنگام بستن مدار مطرح شده بررسی می شود مثلا استفاده از زنر برای ساختن رگولاتور به جای آی سی رگولاتور و یا مثلا استفاده از یک مقاومت به خصوصی در مسیر مدار رگولاتور و مواردی از این قبیل که تا اندازه ای که باعث طولانی شدن مطلب نشود بحث و بررسی می شود.

3-2- بلوک دیاگرام سیستم :

LCD

Switch

(MOST)

AVR

Microcontroller

Relay

Power

Supply

Switch

(MOS)

ADM660 IC

3-3-توضیحات مربوط به دیاگرام :

3-3-1- تغذیه :

       قسمت تغذیه به منظور فراهم کردن ولتاژ5 ولت DC می باشد که جهت راه اندازی IC میکروکنترلر و کلیه مدارات سازگار با TTL به کار کمی رود . ورودی قسمت تغذیه می تواند یک سیگنال AC یا DC باشد که الزاما به اندازه چند ولت از +5 بیشتر است. این ورودی توسط یک سوییچ ON-OFFقطع و وصل می شود. در حالتیکه سوییچ روشن است ، خازن مربوطه به علت ظرفیت بالایش باعث می شود که ولتاژی تقریبا صاف بدست آید که دارای اندکی رایپل است.برای ایجاد یک ولتاژ 5 ولت کاملا DC از یک IC تنظیم کننده ولتاژ 780S  استفاده می کنیم که ورودی دارای اعواجاج را به یک ولتاژ کاملا مستقیم پنج ولت تبدیل می کند در خروجی تنظیم کننده ولتاژ یک خازن 10  میکروفاراد قرار داده ایم که این خازن به اندازه 5 ولت شارژ خواهد شد که نوسانات خروجی ناشی از تغییرات بار را کاهش می دهد.

3-3-2- رله :

    رله به کار رفته در مدار فقط برای این است که چک کنیم تغذیه است یا خیر هرگاه  رله وصل باشد یعنی تغذیه وصل است و هرگاه قطع باشد یعنی تغذیه قطع است . اینجا ذکر یک نکته در مورد رله لازم استو آن اینکه رله چون جریان را از آداپتور می گیرد باعث نمی شود که بخاطر زیاد شدن مصرف جریان کاهش پیدا کند.

3-3-3- میکروکنترلر AVR :

           در مورد این بلوک مطالب فراوانی را می توان مورد بررسی قرار داد . در اینجا به ذکر برخی خصوصیات آن می پردازیم . لازم به ذکر است مطالب دقیق تر در قسمت تئوری های مربوط با پروژه در فصل 2 بررسی شده است .

الف - استفاده از معماری AVR Risc  

< >کارایی بالا و توان مصرفی کم دارای 131 دستور العمل که اکثرا در یک کلاک سیکل اجرا می شوند. 8* 32 رجیستر کاربردی سرعتی تا mps 16 در فرکانس mhz 16 ب- حافظه، برنامه و داده غیر فرار< >KB 16 حافظه FLASH قابل برنامه ریزی داخلی1204 بایت حافظه داخلی SRAM  512 بایت حافظه EEPROM قفل برنامه FLASH  و حفاظت داده EEPROMج - خصوصیات جانبی< >دو تایمر - کانتر 8 بیتی با PRESCALER مجزا و مد COM PARE .یک مقایسه گر آنالوگ داخلی یک تایمر - کانتر 16 بیتی با PRESCALER مجزا WATCH DOG قابل برنامه ریز با اسیلاتور داخلی وقفه در اثر تغییر وضعیت پایه د- خصوصیات ویژه میکروکنترلر< >ON RESET - POWER   - OUT  - BROWN CIRCUTT  برنامه ریزی .منابع وقفه (INTERRUPT ) داخلی و خارجی .دارای 6 حالت SLEEP .OWER – ON RESET CIRCUTT برای ATTING 12  عملکرد کاملا ثابت توانت مصرفی پایین و سرعت بالا توسط تکنولوژی CMOS. ﻫ - توان مصرفی  در 25,3V.1MHZ برای ATMEGAIGL  < >حالت فعال 10/MAدر حالت بی کاری 0.35 MA در حالت  1 UA : POWER – DOWN   

و - ولتاژ عملیاتی یا کاری

< > 2.7 V تا  5.5V  برای  ATMEGA 16 L 4.5 V تا  5.5 V  برای  ATMEGA 16  خ - فرکانس های کاری < >0 MHZ  تا 8 MHZ برای Atmega 16L  0 MHZ  تا 16 MHZ  برای Atmega ج - انواع بسته بندی < >32 خط ورودی / خروجی قابل برنامه ریزی 40   پایه PDIP ,  44 پایه TQFP و 44  پایه MLF 3-3-4 LCD :

LCD   مورد استفاده در این پروژه  16 × 2  بوده و به کارگیری در سیستم شامل استفاده از دستورات مختلفی می شود که دستورات و توابع مربوط به LCD نامیده می شود . همچنین پایه های LCD  برای اتصال به پایه های میکرو به صورت زیر پیکره بندی می شوند :

CONFIG LCD PIN = PIN , D84 = PN . DBS = PN .

DB6 = PN , DB7 = PN , E = PN , RS = PN

PN پایه ای دلخواه از میکرو است که پایه های LCD باید در یک خط نوشته شود و یا در ادامه آن با علامت Cunder Line – در خط بعد نوشته شود .

3-3-5- MOS Switch

   در این پروژه 2 عدد MOS به عنوان کلید استفاده شده است یکی برای سوئیچ کردن خروجی  ADM 660  روی میکرو و دیگری برای LCD . توضیحات بیشتر در مورد عملکرد کلید ها در صفحات بعدی بررسی می شود .

3-3-6- ADM 660

   این آ ی سی یک مبدل DC/DC می باشد که ولتاژ ورودی خود را 2 برابر می کند . ما در انجام این پروژه از آی سی برای تبدیل ولتاژ 6/3 ولت باطری به 2/7 ولت استفاده کردیم .

البته در مرحله بعد توسط یک رگلاتور زنری ما به ولتاژ 5 ولت دست پیدا کردیم . دلیل استفاده از این آ ی سی  در قسمت های بعدی مورد بررسی قرار می گیرد .

در مدار پیوست طریقه اتصالات پایه های آ ی سی مورد نظر را می بینید دقت کنید که ظریفت خازن های به کار رفته  10  میکروفاراد می باشد.

3-4 نقشه کامل مدار و توضیحات مربوط به آن :

3-4-1 مقدمه :

   در بلوک دیاگرام مدار رسم شده در پیوست ، توضیحات هر بلوک نوشته شده و در این قسمت توضیحات دقیق تری در مورد مدار مربوطه نوشته می شود.

   در این بخش ما قصد داریم در مورد نحوه و چگونگی ارتباط اجزا مختلف مدار با یکدیگر بررسی داشته باشیم . همچنین چنانچه نکاتی وجود داشته باشد که در هنگام انجام پروژه با آن برخورد داشته ایم ( نکات خاص ) آنها هم مورد بررسی قرار می گیرند .

        در این قسمت ابتدا نقشه کلی مدار در پیوست ملاحظه می گردد و سپس در صفحات بعد توضیحات کامل مربوط به عناصر بررسی خواهند شد.

3-4-2- توضیحات مربوط به نقشه کامل مدار :

همانطور که در نقشه پیوست می بینید اولین قسمت مدار یک منبع تغذیه است که شامل یک عدد پل دیود، یک آ ی سی رگولاتور و یک عدد خازن صافی می باشد. قسمت تغذیه به منظور فراهم کردن ولتاژ 5 ولت DC  می باشد که جهت راه اندازی IC  میکروکنترلر و کلیه مدارات سازگار با TTL به  کار می رود . ورودی قسمت تغذیه می تواند یک سیگنال AC یا DC باشد . این ورودی توسط یک سوئیچ  ON – OFF  قطع و وصل می شود . در حالتی که سوئیچ  روشن است ورودی وارد یک پل دیود می شود و بعد به کمک یک خازن صاف می شود . این خازن به علت ظرفیت بالای خود باعث می شود ولتاژی تقریباً DC  به دست آید که دارای ریپل است برای ایجاد یک ولتاژ +5 کاملاً DC از یک آ ی سی تنظیم کننده ولتاژ 780S استفاده شده است که ورودی دارای اعوجاج را به یک ولتاژ کاملاً مستقیم 5 ولت تبدیل می کند .

در خروجی تنظیم کننده ولتاژ یک خازن 10 میلی فاراد قرار داده شده است . که به اندازه 5 ولت شارژ خواهد شد که نوسانات خروجی ناشی از تغییرات بار را کاهش می دهد.

بعد از این قسمت یک مقاوت 470 اهم و یک عدد LED در مدار تعبیه شده است که LED   برای نشان دادن این است که مدار تغذیه وصل است و کار می کند و مقاومت 470  اهم  برای محافظت LED است تا نسوزد.

    بعد از مقاومت و LED  و قبل از رله دیود داریم که این دیود هرز گرد رله است و المان بعدی رله است . رله به کار رفته در مدار برای این است که چک کنیم تغذیه وصل است یا خیر و این یعنی هرگاه رله وصل شود تغذیه برقرار است .

   همانطور که در نقشه پیوست هم می بینید خروجی های رله به میکروکنترلر و یکی از سوئیچ ها وصل می شود. تغذیه میکرو از 5 ولت منبع تغذیه است .

       MOS  های به کار رفته در مدار به عنوان Switch  مورد استفاده قرار می گیرند .  MOS  وصل شده به ADMBBO  وظیفه دارد تا 5 ولت خروجی این آ ی سی را به میکرو اعمل کند . همانطور که در قسمت نرم افزار هم توضیح خواهیم داد بعد از اینکه تغذیه اصلی قطع شود خازن پشتیبان شروع به تغذیه میکروکنترلر می کند ( در مدتی که تغذیه اصلی وصل است خازن شارژ می شود ) بعد از مدت زمان مشخصی که ما این مدت زمان را در نرم افزار سیستم معلوم می کنیم با فشار دادن پوش با تن وصل شده به پایه 16 میکروکنترلر یک اینتراپت صادر می شود و میکرو از طریق کلید MOS  مربوط به ADM 660  وصل می شود و از آن تغذیه می کند . در مورد خازن پشتیبان ذکر این نکته لازم است که این خازن بعد از خاموش شدن تغذیه اصلی باید بتواند تا 24 ساعت میکرو را تغذیه کند یعنی مدت زمان شارژ خازن باید تا 24 ساعت طول بکشد . MOS ها چون دارای امپدانس ورودی بالایی هسنتد از میکرو جریانی نمی کشند.