Модуль управления электромагнитной защелкой с резервным источником питания

 

Микроконтроллеры семейств PIC (Peripheral Interface Controller) компании Microchip объединяют все передовые технологии микроконтроллеров: электрически программируемые пользователем ППЗУ, минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру, функциональную законченность и минимальные размеры. Широкая номенклатура изделий обеспечивает использование микроконтроллеров в устройствах, предназначенных для разнообразных сфер применения.

Первые микроконтроллеры компании Microchip PIC16C5x появились в  конце 1980-х годов и благодаря своей высокой производительности и низкой стоимости составили серьезную конкуренцию производившимся в то время 8-разрядным МК с CISC-архитектурой.

Высокая скорость выполнения команд в PIC-контроллерах достигается  за счет использования двухшинной гарвардской архитектуры вместо традиционной одношинной фон-неймановской. Гарвардская архитектура основывается на наборе регистров с разделенными шинами и адресными пространствами для команд и данных. Все ресурсы микроконтроллера, такие как порты ввода/вывода, ячейки памяти и таймер, представляют собой физически реализованные аппаратные регистры.

Микроконтроллеры PIC содержат RISC-процессор с симметричной системой команд, позволяющей выполнять операции с любым регистром, используя произвольный метод адресации. Пользователь может сохранять результат операции в самом регистре-аккумуляторе или во втором регистре, используемом для операции.

В настоящее время  компания Microchip выпускает пять основных семейств 8-разрядных RISC-микроконтроллеров, совместимых снизу вверх по программному коду:

PIC12CXXX - семейство микроконтроллеров,  выпускаемых в миниатюрном 8-выводном исполнении. Эти микроконтроллеры выпускаются как с 12-разрядной (33 команды), так и с 14-разрядной (35 команд) системой команд. Содержат встроенный тактовый генератор, таймер/счетчик, сторожевой таймер, схему управления прерываниями. В составе семейства есть микроконтроллеры со встроенным 8-разрядным четырехканальным АЦП. Способны работать при напряжении питания до 2,5 В;

PIC16C5X - базовое семейство  микроконтроллеров с 12-разрядными командами (33 команды), выпускаемое в 18-, 20- и 28-выводных корпусах. Представляют собой простые недорогие микроконтроллеры с минимальной периферией. Способность работать при малом напряжении питания (до 2 В) делает их удобными для применения в переносных конструкциях. В состав семейства входят микроконтроллеры подгруппы PIC16HV5XX, способные работать непосредственно от батареи в диапазоне питающих напряжений до 15В;

PIC16CXXX - семейство микроконтроллеров  среднего уровня с 14-разрядными командами (35 команд). Наиболее многочисленное семейство, объединяющее микроконтроллеры с разнообразными периферийными устройствами, в число которых входят аналоговые компараторы, аналогово-цифровые преобразователи, контроллеры последовательных интерфейсов SPI, USART и I2C, таймеры-счетчики, модули захвата/сравнения, широтно-импульсные модуляторы, сторожевые таймеры, супервизорные схемы и так далее;

PIC17CXXX - семейство высокопроизводительных  микроконтроллеров с расширенной  системой команд 16 разрядного формата (58 команд), работающие на частоте до 33 МГц, с объемом памяти программ до 16 Кслов. Кроме обширной периферии, 16-уровневого аппаратного стека и векторной системы прерываний, почти все микроконтроллеры этого семейства имеют встроенный аппаратный умножитель 8x8, выполняющий операцию умножения за один машинный цикл. Являются одними из самых быстродействующих в классе 8-разрядных микроконтроллеров;

PIC18CXXX - семейство высокопроизводительных  микроконтроллеров с расширенной  системой команд 16-разрядного формата (75 команд) и встроенным 10-разрядным АЦП, работающие на частоте до 40 МГц. Содержат 31-уровневый аппаратный стек, встроенную память команд до 32 Кслов и способны адресовать до 4 Кбайт памяти данных и до 2 Мбайт внешней памяти программ. Расширенное RISC-ядро микроконтроллеров данного семейства оптимизировано под использование нового Си-компилятора.

Большинство PIC-контроллеров выпускаются с однократно программируемой памятью программ (ОТР), с возможностью внутрисхемного программирования или масочным ПЗУ. Для целей отладки предлагаются более дорогие версии с ультрафиолетовым стиранием и Flash-памятью. Полный список выпускаемых модификаций PIC-контроллеров включает порядка пятисот наименований. Поэтому продукция компании перекрывает почти весь диапазон применений 8-разрядных микроконтроллеров.

Из программных средств  отладки наиболее известны и доступны различные версии ассемблеров, а также интегрированная программная среда MPLAB. Выпускаются как специализированные программаторы, такие как PICPROG, программирующие почти весь спектр PIC-микроконтроллеров, так и универсальные: UNIPRO и СТЕРХ, поддерживающие наиболее известные версии PIC-контроллеров.

Наиболее распространенными  семействами PIC-контроллеров являются Р1С16СХХХ и Р1С17СХХХ.

Основным назначением микроконтроллеров семейств PIC16 и PIC17, как следует из аббревиатуры PIC (Peripheral Interface Controller), является выполнение интерфейсных функций. Этим объясняются особенности их архитектуры:

-RISC-система команд, характеризующаяся малым набором одноадресных инструкций (33, 35 или 58), каждая из которых имеет длину в одно слово (12, 14 или 16 бит) и большинство выполняется за один машинный цикл. В системе команд отсутствуют сложные арифметические команды (умножение, деление), предельно сокращен набор условных переходов;

-высокая скорость выполнения команд: при тактовой частоте 20 МГц время машинного цикла составляет 200 не (быстродействие равно 5 млн. операций/сек);

-наличие мощных драйверов (до 25 мА) на линиях портов ввода/вывода, что позволяет подключать непосредственно к ним довольно мощную нагрузку, например, светодиоды;

-низкая потребляемая мощность;

-ориентация на ценовую нишу предельно низкой стоимости, определяющая использование дешевых корпусов с малым количеством выводов (8, 14,18, 28), отказ от внешних шин адреса и данных (кроме PIC17C4X), использование упрошенного механизма прерываний и аппаратного (программно недоступного) стека.

Микроконтроллеры семейства PIC16CXXX, выполненные по технологии HCMOS представляют собой 8-разрядные микроконтроллеры на основе RISC-процессора, выполненные по гарвардской архитектуре. Имеют встроенное ПЗУ команд объемом от 0,5 до 4 Кслов (разрядность слова команд равна 12 - 14 бит). Память данных PIC-контроллеров организована в виде регистрового файла объемом 32 - 128 байт, в котором от 7 до 16 регистров отведено для управления системой и обмена данными с внешними устройствами.

Одним из основных достоинств этих устройств является очень широкий  диапазон напряжений питания (2 - 6 В). Ток потребления на частоте 32 768 Гц менее 15 мкА, на частоте 4 МГц 1 - 2 мА, на частоте 20 МГц 5 - 7 мА, в режиме микропотребления (режим SLEEP) 1-2 мкА.

Выпускаются модификации  для работы в трех температурных  диапазонах: от 0 до +70°С, от -40 до +85°С, от -40 до +125°С.

Каждый из контроллеров содержит универсальные (от 1 до 3) и сторожевой таймеры, а также надежную встроенную систему сброса при включении питания. Частота внутреннего тактового генератора задается либо кварцевым резонатором, либо RC-цепочкой в диапазоне 0-25 МГц. PIC-контроллеры имеют от 12 до 33 линий цифрового ввода-вывода, причем каждая из них может быть независимо настроена на ввод или вывод.

В устройство PIC16C64 входит широтно-импульсный модулятор, с помощью которого можно реализовать ЦАП с разрешением до 16 разрядов. Здесь есть и последовательный двунаправленный синхронно-асинхронный порт, обеспечивающий возможность организации шины PC. Приборы PIC16C71 и PIC16C74 содержат встроенный многоканальный 8-разрядный АЦП с устройством выборки-хранения.

Помимо памяти программ в PIC предусмотрено несколько индивидуально прожигаемых перемычек, с помощью которых можно на этапе программирования кристалла выбрать тип тактового генератора, отключить сторожевой таймер или систему сброса, включить защиту памяти программ ОТ копирования, а также записать серийный номер кристалла (16 бит).

С программной точки  зрения PIC-контроллер представляет собой 8-разрядный RISC-процессор с гарвардской  архитектурой. Число команд небольшое - от 33 до 35. Все команды имеют одинаковую длину и, кроме команд ветвления, выполняются за четыре периода тактовой частоты (в отличие, например, от 12 периодов для 187С51). Поддерживаются непосредственный, косвенный и относительный методы адресации, можно эффективно управлять отдельными битами в пределах всего регистрового файла. Стек реализован аппаратно. Его максимальная глубина составляет два или восемь уровней в зависимости от типа контроллера. Почти во всех микросхемах PIC есть система прерываний, источниками которых могут быть таймер и внешние сигналы. Система команд практически симметрична и, как следствие, легка в освоении.

Применение PIC-контроллеров целесообразно в несложных приборах с ограниченным током потребления (автономные устройства, приборы с  питанием от телефонной линии и т.п.). Благодаря малому количеству компонентов, используемых при построении таких приборов, их размеры уменьшаются, а надежность увеличивается.

Схема электрическая  принципиальная модуля управления электромагнитной защелкой приведена в приложении БНТУ313017.001.Э3.

На вывод VDD микроконтроллера подается положительное напряжение питания для внутренней логики и портов ввода/вывода. Вывод RA1 не используется. Вывод RA0 не используется.

Выводы OSC1, OSC2 подключены к цепи синхронизации генератора на основе кварцевого резонатора ZQ1.

Вывод RA2 подключен к контактору.

Вывод RA4 подключен к кнопке открытия двери.

Вывод RB1 подключен к электромагнитной защелке.

Вывод RB2 подключен к датчику двери.

Выводы RВ3 – RB7 не используются.

Вывод RA3 подключен к светодиодному индикатору.

Рассчитаем токоограничивающее сопротивление R1 в цепи светодиода.

,

где – падение напряжения на резисторе;

I – постоянный прямой ток светодиода.

,

где – напряжение питания;

 – постоянное прямое напряжение  светодиода.

Тогда:

Данные для расчетов берем из таблицы 2.

 

 

Таблица 2 – Основные параметры светоизлучающего диода АЛ307АМ 

Тип светоизлучающего диода	Постоянное прямое напряжение, В	Постоянный прямой ток, мА
АЛ307АМ	2	20

R3 = 150 Ом.

Из ряда Е24 выбираем резистор С2-6-0,125-150 Ом±5%.

 

MCLR - вход сброса микроконтроллера, вход напряжения программирования. Когда вывод настроен как –MCLR, то по низкому уровню сигнала производится сброс микроконтроллера. При нормальной работе напряжение на выводе не должно превышать VDD.

Вывод VSS заземлен.

 

5 РАЗРАБОТКА  КОНСТРУКЦИИ МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЗАЩЕЛКОЙ

 

Контроллер предназначен для использования в СКУД (электромагниные/электромеханические замки) в качестве автономного контроллера для ограничения доступа в подъезды жилых домов, в помещения административных учреждений, промышленных предприятий.

Контроллер позволяет  подключить следующее оборудование:

• контактный считыватель ключей;

• бесконтактный считыватель, эмулирующий протокол ключа DS1990А;

• замок, открываемый  как подачей, так и снятием  напряжения (установка перемычки  на печатной плате контроллера - инверсия выхода);

• кнопка открывания замка (нормально разомкнутая);

• внешний зуммер, внешний  светодиод;

• датчик открытой двери.

При работе совместно  с компьютерным адаптером появляется возможность ведения базы ключей в ПК и оперативного изменения (загрузки/выгрузки) списка ключей в контроллере (с помощью ключа или только с помощью адаптера и ПК).

Контроллер предназначен для эксплуатации в помещениях с  искусственно регулируемыми климатическими условиями, например, в закрытых отапливаемых или охлаждаемых помещениях (отсутствие атмосферных осадков, песка, пыли, конденсации влаги).

У входной двери устанавливается  вызывная панель, считыватель электронных ключей, кнопка "запрос выхода", замок, герконовый (магнито-контактный) датчик, подключенные к контроллеру, доводчик, кнопка разблокировки замка, блок питания.

Внутри помещения устанавливается  монитор, при необходимости дополнительные трубка или монитор.

Расстояние от вызывной панели до монитора - 10 м.

Провода от вызывной панели прокладываются в пластиковых коробах, в гофрированной трубе за подвесным  потолком, также возможен монтаж проводов внутри стеновых панелей.

 

Печатная плата контроллера  показана на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 – Печатная плата модуля управления электромагнитной защелкой

 

6 Технико-экономическое  обоснование

 

Экономическая целесообразность применения данного устройства обуславливается следующими факторами:

• простота  эксплуатации.
• устройство может работать от автономного источника питания (24В).

При расчете экономической  части проектируемого устройства были использованы данные по НПО «Интеграл» (отпускные цены на материалы часовые тарифные ставки, процент накладных расходов, а также некоторые налоги при расчете отпускной цены проектируемого устройства).

6.1 Расчет отпускной цены проектируемого устройства

6.1.1 Расчет затрат на сырье и материалы.

См = SНi * Цi,     (6.1)

где См — стоимость  сырья и материалов, руб.;