Демонстрационное устройство на микроконтроллере PIC16F877

Назначение и возможности демонстрационного устройства

     Демонстрационное устройство может быть использовано как автономно, с заранее запрограммированным микроконтроллером, так и совместно с внутрисхемным программатором-отладчиком. Оно содержит типовые схемы для обучения работе с такими модулями микроконтроллера как АЦП, ШИМ, последовательный интерфейс (USART). Установлены также линейка из восьми светодиодов, два семисегментных индикатора, кнопка, обеспечивающая функцию сброса микроконтроллера, и кнопка, подключенная к выводу RB0, что существенно расширяет возможности демонстрационного устройства.

Разработка структурной схемы демонстрационного устройства

     Реализовать функции, которыми должно обладать демонстрационное устройство, так же можно с помощью соединения типового набора схем. Структурная схема демонстрационного устройства приведена на Рисунке 1

     Она состоит из следующих блоков:

Рисунок 1. Структурная схема демонстрационного устройства.

Разработка принципиальной схемы демонстрационного устройства

     После составления принципиальной схемы программатора-отладчика, составим принципиальную схему демонстрационного устройства. Эту схему также будем разрабатывать по уже имеющейся (рисунок 1) структурной схеме. Спроектируем схемы каждого блока в отдельности.

     – Стабилизатор напряжения питания +5В

     В настоящее время ассортимент микросхем, предназначенных для построения стабилизаторов напряжения очень велик. В их состав входят и драйверы для управления мощными переключающими транзисторами, и законченные стабилизаторы, оформленные в транзисторных двух-трехвыводных корпусах.

     Условно все линейные интегральные стабилизаторы напряжения можно разделить на несколько групп. К первой можно отнести стабилизаторы на фиксированное выходное напряжение. Внутри этой группы изделия классифицируются по полярности формируемого на выходе напряжения (положительное или отрицательное относительно общего провода), по величине выходного напряжения и по максимальному току, отдаваемому в нагрузку. Перечисленные параметры являются ключевыми, остальные же либо взаимосвязаны с ними (рассеиваемая мощность, тип корпуса), либо в настоящее время играют второстепенную роль (коэффициент стабилизации, наличие индикатора разряда батарей и так далее).

     Вторую группу представляют регулируемые стабилизаторы, выходное напряжение которых может изменяться в некоторых определенных пределах. Они также различаются по полярности и по выходному току. В самостоятельную группу можно выделить многоканальные стабилизаторы, формирующие на выходах несколько напряжений, причем иногда даже разной полярности. И, наконец четвертая группа — относительно маломощные малогабаритные стабилизаторы, нередко характеризующиеся весьма малой минимально необходимой разностью напряжений между своими входом и выходом (вплоть до 0,1 В, так называемые «low-drop»).

Рисунок 2. Схема включения стабилизатора положительного выходного напряжения.

     Рассмотрим первую группу стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением. Типовые схемы включения стабилизаторов положительного и отрицательного напряжения приведены на (рисунке 2 и рисунке 3). Для всех микросхем емкость конденсаторов С1 и С2 желательно выбирать не менее 10–15 мкФ для алюминиевых конденсаторов и 3,3 мкФ — для керамических и оксидно-танталовых. Роль входного может исполнять и конденсатор сглаживающего фильтра, если длина дорожки, соединяющей его со входом стабилизатора, не превышает 70 мм.

     Если емкость конденсатора на выходе стабилизатора достаточно велика, а ток нагрузки мал, то между входом и выходом стабилизатора необходимо включать диод, как показано на (рисунке 2 и рисунке 3). Он защищает стабилизатор от переполюсовки, которая может возникнуть при обрыве или случайной отпайке проводника, соединяющего вход стабилизатора с выходом предшествующего ему диодного выпрямителя. Особенно целесообразно использование такой диодной защиты при построении систем распределенного электропитания, в которых основной источник формирует повышенное по сравнению с необходимым стабилизированное напряжение (например, 15 В), которое далее поступает на отдельные узлы устройства, каждое из которых снабжено своим стабилизатором (9–12 В). При аварийном отключении или выходе из строя основного источника на входах стабилизаторов отдельных узлов напряжение быстро падает до 0, в то время как на их выходах оно может оставаться большим. Наличие диода уравнивает (с точностью до 0,7 В) напряжений на входе и выходе, что предотвращает выход из строя стабилизатора.

Рисунок 3. Схема включения стабилизатора отрицательного выходного напряжения.

     Необходимо также отметить, что почти все стабилизаторы требуют, чтобы напряжение на их входе было не менее чем на 2,5В больше выходного. Соответственно, для стабилизаторов отрицательной полярности оно должно быть ниже на эту же величину.

     Если необходимы нестандартное напряжение стабилизации или плавная регулировка выходного напряжения, удобно использовать трехвыводные регулируемые микросхемы, поддерживающие напряжение 1,25В между выходом и управляющим выводом. Их типовая схема включения для стабилизаторов положительного напряжения – на рисунке 4.

     Резисторы R1 и R2 образуют внешний регулируемый делитель, входящий в цепь установки выходного напряжения Uвых которое определяется по формуле:

     где Iпотр – собственный ток потребления микросхемы, составляющий 50...100 мкА. Число 1,25 в этой формуле – это упомянутое выше напряжение между выходом и управляющим выводом, которое поддерживает микросхема в режиме стабилизации.

     Следует иметь ввиду, что, в отличие от стабилизаторов на фиксированное выходное напряжение, регулируемые микросхемы без нагрузки не работают. Минимальное значение выходного тока таких микросхем составляет 2,5... 5 мА для маломощных микросхем и 5...10 мА - для мощных. В большинстве применений для обеспечения необходимой нагрузки достаточно тока делителя R1, R2.

Рисунок 4. Схема включения регулируемого стабилизатора положительного выходного напряжения.

     Принципиально по схеме можно включать и микросхемы с фиксированным выходным напряжением, но их собственный ток потребления значительно больше (2...4 мА) и он менее стабилен при изменении выходного тока и входного напряжения.

     Для снижения уровня пульсаций, особенно при высоких выходных напряжениях, рекомендуется включать сглаживающий конденсатор С2 емкостью 10 мкФ и более. К конденсаторам С1 и CЗ требования такие же, как и к соответствующим конденсаторам для микросхем с фиксированным выходным напряжением.

     Диод VD1, как уже отмечалось, защищает микросхему при отсутствии входного напряжения и подключении ее выхода к источнику питания, например, при зарядке аккумуляторных батарей или от случайного замыкания входной цепи при заряженном конденсаторе СЗ. Диод VD2 служит для разрядки конденсатора С2 при замыкании выходной или входной цепи и при отсутствии С2 не нужен. В качестве диода VD1 можно использовать КД510А, а в качестве диода VD2 можно использовать КД521А.

     Приведенные сведения служат для предварительного выбора микросхем, перед проектированием стабилизатора напряжения следует ознакомиться с полными справочными данными, хотя бы для того, чтобы точно знать максимально допустимое входное напряжение, достаточна ли стабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения, выходного тока или температуры. Можно отметить, что все параметры микросхем находятся на уровне, достаточном для подавляющего числа случаев применения на практике.

     Программатор-отладчик и демонстрационное устройство питается напряжением +5В. Для удобства пользования и для экономии деталей, стабилизатор напряжения +5В был собран только на демонстрационном устройстве, а питание программатора-отладчика осуществляется через разъём соединяющий оба эти устройства. Таким образом, получается, что модуль программатора-отладчика питается от отлаживаемой схемы, в данном случае от демонстрационного устройства.

     Стабилизатор представляет собой линейный интегральный стабилизатор напряжения. Для получения на его выходе напряжения +5В, применим микросхему КР142ЕН5А. Стабилизатор напряжения представлен на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема стабилизатора напряжения +5В.

     Для всех микросхем емкость конденсаторов С1 и С6 необходимо выбирать не менее 10–15 мкФ для алюминиевых конденсаторов и 3,3 мкФ — для керамических и оксидно-танталовых. В схеме, конденсаторы С1 и С6 были взяты по 47мкФ, с максимальным напряжением 16В. Также в схеме присутствуют конденсаторы С2 и С5. Их задачей является защита цепи питания стенда от высокочастотных помех, влияние которых может негативно отразится на работе стенда. Эти конденсаторы взяты номиналом в 0,1мкФ. Назначение диода VD2, включённого через ограничительный резистор R8, показать, что к стенду подведено питание. Резистор R8 рассчитан таким образом, что бы ток, протекающий через светодиод, примерно был равен 10мА. Номинал резистора R8 равен 470Ом.

     – Блок имитации аналогового напряжения

     Для того чтобы ознакомится с работой модуля АЦП, микроконтроллера PIC16F877, в схеме демонстрационного устройства был спроектирован модуль для имитации изменяющегося аналогового напряжения. Изменение напряжения производится с помощью потенциометра R1. Вращая его ручку, мы можем изменять напряжение на его центральном выводе в пределах от 0В до +5В. Схема включения потенциометра приведена на рисунке 6. К одному из его крайних выводов подведён нулевой потенциал, а к другому напряжение +5В. Средний вывод соединён с входом микроконтроллера, который может программироваться как вход АЦП. Таким входом и является вход RA0/AN0. Назначение резистора R6, обусловлено защитить выходной транзистор вывода микроконтроллера RA0/AN0, в том случае если он будет запрограммирован на выход. Максимальный ток выходного транзистора микроконтроллера равен 25мА. Резистор R6 взят номиналом в 470Ом, следовательно, максимальный ток транзистора вывода RA0/AN0, в случае настройки его на выход, составит примерно 11мА. Номинал резистора R1 равен 1кОм.

Рисунок 6. Схема включения потенциометра.

     – Схема включения лампы накаливания

     Для ознакомления с встроенным в контроллер одноканальным ШИМ-ом, в схему демонстрационного устройства была вставлена лампа накаливания. С помощью одноканального ШИМ-а можно изменять действующее напряжение на лампе накаливания, меняя тем самым яркость её свечения. Это является одновременно наглядным и простым применением ШИМ.

     Вследствие того, что ток лампы накаливания составляет около 220мА, а выходной ток вывода микроконтроллера составляет 25мА, её необходимо подключить через транзистор. Схема включения лампы накаливания показана на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема включения лампы накаливания.

     В качестве транзистора возьмём КТ972А. Это составной транзистор. Для управления лампой накаливания достаточно было взять и менее мощный транзистор, но так как мне необходимо реализовать этот стенд на практике, выбор именно этого транзистора был обусловлен его наличием, а так же его характеристиками, которые приведены в таблице 1.

     Резистор R7 ограничивающий ток базы транзистора VT1, возьмём равным 1кОм.

     – Блок индикации

     Для просмотра числовых значений, для удобства ввода числовой информации в демонстрационном устройстве предусмотрено два семисегментных индикатора. Они заметно облегчают работу с устройством, так как на них может выводится любая числовая информация, например значение напряжения на аналоговом входе микроконтроллера.

     Дешифраторы двоичного кода в код семисегментных индикаторов

     Для экономии выводов микроконтроллера, а так же для удобства написания программы по выводу числовых значений на семисегментные индикаторы, в устройстве применяются дешифраторы двоичного кода в код семисегментных индикаторов.

     В качестве преобразователей двоичного кода в семиэлементный промышленность выпускает дешифраторы К514ИД1, К514ИД2, КР514ИД1, КР514ИД2. Для совместной работы с индикаторами, имеющими общий анод – АЛС333Б, возьмём микросхему КР514ИД2. Её условное обозначение на схеме представлено на рисунке 8.

Рисунок 8. Условное обозначение дешифратора.

     В соответствии с рисунком 8, часть выводов подсоединяется к контроллеру, по которым на дешифратор поступает число в двоичном код, а другая часть выводов идёт на семисегментный индикатор. Так же есть вывод управления дешифратором. При подаче на этот вход логической “1”, дешифратор включён, то есть данные переводятся из двоичного кода в код семисегментных индикаторов. Если подать логический “0”, то дешифратор выключен.

     Максимальный выходной ток этого дешифратора составляет 25 мА. Его отличительной особенностью является то, что резисторы, ограничивающие ток, в нём отсутствуют. Вследствие этого ограничительные резисторы необходимо поставить самостоятельно.

     Семисегментные индикаторы

     Семисегментный индикатор АЛС333Б состоит из восьми светодиодов, расположенных в таким образом, что включая определённые их комбинации, можно получать читаемую информацию. Все необходимые технические характеристики семисегментного индикатора АЛС333Б представлены ниже, в таблице 2.

     С помощью рисунка 9, можно выяснить какой диод семисегментного индикатора отвечает за ту или иную часть цифры. Для программирования демонстрационного устройства это не существенно, так как перевод двоичного кода в код семисегментных индикаторов производится на аппаратном уровне с помощью микросхемы КР514ИД2, на вход которой с контроллера подаётся число в двоичном корде.

Рисунок 9. Расположение светодиодов семисегментного индикатора.

     Схема блока индикации

     Детально рассмотрев характеристики и схемы включения микросхемы и индикатора, составим схем у блока индикации в целом. Максимальный прямой ток Iпр, max светодиода семисегментного индикатора составляет 20мА, а так как дешифратор не имеет встроенных ограничительных резисторов, то необходимо их рассчитать и поставить отдельно. При сопротивлении в 270Ом ток будет составлять 18,5мА. Таким образом, все выводы идущие от дешифратора к семисегментному индикатору, соединяются через резистор сопротивлением 270Ом.

     Принципиальная схема блока индикации представлена на рисунке 10.

Рисунок 10. Принципиальная схема блока индикации.

     – Линейка из восьми светодиодов

     Для обучения работе с каждым каналом порта, в демонстрационном устройстве предусмотрена линейка из восьми светодиодов. Все светодиоды соединены с одним портом микроконтроллера. Таким образом, можно выводить двоичные значения чисел. В таблице 3 представлены технические характеристики светодиода АЛ307А.

     На рисунке 11 представлена схема подключения светодиодов к порту микроконтроллера. Ограничительные резисторы выбираем номиналом в 470Ом. Это обеспечит ограничение тока протекающего через светодиод до 11мА.

Рисунок 11. Схема подключения светодиодов к порту микроконтроллера.

     – Блок преобразования уровней сигналов

     Для обучения работе с последовательным портом микроконтроллера – USART, в демонстрационной устройство был встроен блок преобразования уровней. Таким образом, появилась возможность обмениваться данными между микроконтроллером и компьютером, или же другим устройством, которое имеет такой же интерфейс.

     В качестве преобразователя логических уровней передаваемых сигналов, будем использовать аналогичную схему, которую применяли в программаторе отладчике. Схема блока преобразования уровней сигналов представлена на рисунке 12.

Рисунок 12. Стандартная схема включения микросхемы MAX232.

     – Составление всей схемы демонстрационного устройства

     Спроектировав все блоки в отдельности, получаем полную схему демонстрационного устройства. Скачать схему в форматах PCad2000 и Visio2000(формат листа А2) можно здесь.

     Ниже на рисунке 13 представлена полная схема демонстрационного устройства.

Рисунок 13. Схема демонстрационного устройства.

Разработка печатной платы демонстрационного устройства

     Спроектировав полную принципиальную схему демонстрационного устройства, проектируем печатную плату. Скачать чертежи платы в форматах PCad2000 и Visio2000(формат листа А2) можно здесь.

     Ниже на рисунках 14 и 15 представлены вид с низу и с верху платы демонстрационного устройства.

Рисунок 14. Печатная плата демонстрационного устройства. Вид с низу.

Рисунок 15. Печатная плата демонстрационного устройства. Вид с верху.

     Сборочный чертёж платы демонстрационного устройства представлен на рисунке 16.

Рисунок 16. Сборочный чертёж платы демонстрационного устройства.

     Переходы между сторонами платы спроектированы таким образом, что бы их легко было реализовать в домашних устловиях. При травлении платы необходимо тщательно проследить, что бы обе стороны были симметричны относительно друг друга. Затем с точках перехода сверлится отверстие и припаивается маленькая проволочка, например одна из жилок многожильного провода. получается очень аккуратно и быстро. Для лучшего понимания сути дела, ниже представлены фотографии собранного демонстрационного устройства.

Рисунок 17. Фотография №1 демонстрационного устройства.

Рисунок 18. Фотография №2 демонстрационного устройства.

Рисунок 19. Фотография №3 демонстрационного устройства.

Рисунок 20. Фотография №4 демонстрационного устройства.

Рисунок 21. Фотография №5 демонстрационного устройства.

Рисунок 22. Фотография №6 демонстрационного устройства.

Рисунок 23. Фотография №7 демонстрационного устройства.

Рисунок 24. Фотография №8 демонстрационного устройства.

Описание работы программы демонстрационного устройства

     Программа демонстрационного устройства, является простой демонстрацией основных функций устройства. Написана она на языке Си. Скачать программу и её блок-схему можно в разделе документация к схемам стенда.

     Программа выполняет три алгоритма, показывающих работоспособность устройства.

     Первым алгоритмом, является бегущий огонь. Восемь светодиодов последовательно включаются, создавая тем самым эффект бегущего огня. Цикл повторяется шесть раз, затем программа переходит к следующему алгоритму.

     Второй алгоритм наглядно показывает работу ШИМ модуля микроконтроллера. Лампа накаливания постепенно накаляется, а затем так же постепенно гаснет. Такой цикл повторяется три раза. Затем программа переходит к последнему алгоритму.

     Третий алгоритм реализует индикацию цифр на семисегментных индикаторах. Счёт идёт от 0 до 99, с частотой около 5Гц. Такая частота подобрана для быстрого прохождения всего цикла счёта, а также для возможности различить появляющиеся цифры. Второй круг счёта осуществляется с включёнными десятичными точками семисегментных индикаторов. Далее весь цикл повторяется.