Музыкальный звонок на микроконтроллере

 

СОДЕРЖАНИЕ

	Лист
Введение	4
1 Общая часть	6
1.1 Основы архитектуры микроконтроллеров	6
1.2 Система команд	8
1.3Типы памяти МК	9
1.4 Семейство микроконтроллеров PIC	10
1.5 Музыкальный звонок на микроконтроллере ATtinyl5	11
1.6 Музыкальный звонок на микроконтроллере AT90s2313	13
2 Практическая часть	15
2.1 Характеристика микроконтроллера PIC16F628A	15
2.2 Создание устройства	18
Заключение	25
Список литературы	26

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Системы на базе микроконтроллеров используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека, и каждый день появляются новые области применения этих устройств. В последнее время в связи с развитием электроники и схемотехники расширились возможности и самих микроконтроллеров, позволяющие выполнять многие задачи, ранее недоступные для реализации, такие, например, как обработка аналоговых сигналов. Одним из наиболее ранних микроконтроллеров, появившихся на рынке, является микроконтроллер PIC16F628A, разработанный фирмой Microchip Technology Inc. Хорошо продуманная архитектура и интуитивно понятная система команд оказывают решающее влияние на выбор многих разработчиков аппаратно-программных систем.

Однокристальные (однокорпусные) микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя следующие составные части: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой.

Мировая промышленность выпускает огромную номенклатуру микроконтроллеров. По области применения их можно разделить на два класса: специализированные, предназначенные для применения в какой-либо одной конкретной области (контроллер для телевизора, контроллер для модема) и универсальные, которые не имеют конкретной специализации и могут применяться в самых различных областях микроэлектроники, с помощью которых можно создать как любое из перечисленных выше устройств, так и принципиально новое устройство.

Объектом исследования является устройство (бытовой электромузыкальный звонок), предназначенное для воспроизведения ранее запрограммированных мелодий, при нажатии и удержании кнопки. Устройство должно содержать минимум компонентов, быть простым в изготовлении и эксплуатации. Данная тема является актуальной, т.к. электромузыкальные звонки пользуются повышенным спросом у населения.

 

1 Общая часть

1.1 Музыкальный звонок на микроконтроллере ATtinyl5

Для музыкального звонка выбран простейший микроконтроллер ATtinyl5 от компании Atmel. Малое количество выводов, небольшой корпус, многофункциональность — все эти характеристики очень привлекательны для микроконтроллерного моделирования. Основная идея заключалась в дублировании китайского звонка с добавлением схемы генерирования музыки, а так же в реализации ее полностью автономной, независимой работы. Кроме того, организован контроль питающей сети. Как только питание сети исчезает, схема начинает потреблять ток от электролитического конденсатора, а при падении напряжения ниже нормы контроллер прерывает программу и переходит в "спящий" режим.

Схема может работать как отдельное устройство или быть подключенной в точках А и В к схеме домашнего звонка. Питание осуществляется от сети переменного напряжения 220 В. Однополупериодный выпрямитель с ограничением по току питает схему мощного стабилитрона и стабилизатора напряжения. Цепь понижения напряжения сети до уровня 9 В (Rl, СЗ) рассчитана на ток потребления 40 мА. Ток стабилизации стабилитрона составляет 20 мА — столько же потребляет стабилизатор напряжения 5 В, питающий микроконтроллер в течение работы устройства.

В момент включения основной ток потребляет конденсатор С2, но этот ток ограничен реактивным сопротивлением С2 и сопротивлением

R1. Конденсатор C2 так же выполняет  функцию источника тока в момент  отключения питания схемы, при  этом D2 запирается, и потребителями остаются R5, R4, LED1, R3, Dl, R2, IC2. При снижении напряжения на С2 до уровня менее 9 В стабилитрон D1 уменьшает потребление тока до минимума и отключается. Конденсатор С 4 сглаживает высокочастотные импульсные помехи, проходящие из сети в схему питания. Конденсаторы R5 и R4 составляют делитель напряжения на стабилитроне D1 (необходим для измерительного канала микроконтроллера). Измерительный канал не содержит схему выборки и хранения, а так же интегратора и фильтра верхних частот, поскольку эти функции выполняют фильтрующие элементы питания С2, С4. Функцию интегратора выполняет ограничительный стабилитрон D1. Микроконтроллер включается, как только подается напряжение питания. При этом светится светодиод LED1. При падении напряжения на стабилитроне D1 до уровня менее 9 В микроконтроллер переходит в "спящий" режим.

 
Рисунок 1.1 -  Схема музыкального звонка

Как только на микроконтроллер поступает напряжение питания, он формирует низкочастотные сигналы музыкальных мелодий на пъезоизлучателе (можно выбрать любой пьезоизлучатель ). Для лучшего воспроизведения мелодии можно использовать динамик, но при этом для него необходимо обеспечить усилитель по току (на микросхеме или на транзисторе) и увеличить емкость С2.

1.2 Музыкальный звонок на микроконтроллере AT90s2313

Эта схема простого музыкального звонка собирается на микроконтроллере. Используется всего одна микросхема, благодаря чему кроме традиционных преимуществ вроде увеличения надежности, уменьшения потребления энергии, появляется принципиальная возможность разместить всю схему в очень небольшом объеме, например оформив в виде музыкальной поздравительной открытки. Благодаря использованию микроконтроллера схема предельно упрощается, необходимо только подключить питание (от 2,7 до 6 вольт), кварцевый резонатор и если необходимо усилитель низкой частоты, собранный на транзисторе КТ815. Если предполагается что ток через нагрузку не будет превышать 20 мА, (например при использовании пьезоизлучателя), можно обойтись без усилителя.

Рисунок 1.2 – Схема музыкального звонка на микроконтроллере AT90s2313

Следует заметить, что 20 мА, это максимальный ток логического нуля, то есть второй вывод звукового излучателя следует подключать к плюсу питания. Кнопка звонка должна иметь нормально замкнутые контакты, при нажатии на нее схема обесточивается, а при отпускании на нее подается питание и происходит автоматический сброс микроконтроллера. Сразу же после сброса начинает работать программа проигрывающая заданную мелодию. После завершения мелодии микроконтроллер переходит в режим пониженного энергопотребления "Power Down" и находится в нем до следующего нажатия на кнопку. Частоту кварца можно выбрать практически любую в диапазоне от 32768 кГц до 10 МГц. Схема была проверена на частоте 10 МГц, если Вы хотите использовать кварц на меньшую частоту (при этом уменьшится и потребляемый ток схемы), необходимо пропорционально уменьшить коэффициенты таблицы SoundTab и длительности звучания всех нот.

Эта программа написана на ассемблере для AT90S2313 (замена - ATtiny2313), таблица нот рассчитана для работы процессора на максимальной частоте 10 МГц, вместо мелодии используется проигрывание гаммы от более низких нот к более высоким и обратно.

1.3 Основы архитектуры микроконтроллеров

Если представить все типы современных микроконтроллеров (МК), то можно удивиться огромному количеству разнообразных приборов этого класса, доступных потребителю. Однако все эти приоры можно разделить на следующие основные типы:

• встраиваемые (embedded) 8-разрядные МК;
• 16- и 32-разрядные МК;
• цифровые сигнальные процессоры.

Промышленностью выпускаются очень широкая номенклатура встраиваемых МК. В них все необходимые ресурсы (память, устройства ввода-вывода и т.д.) располагаются на одном кристалле с процессорным ядром. Если подать питание и тактовые импульсы на соответствующие входы МК и с ним можно будет работать. Обычно МК содержат значительное число вспомогательных устройств, благодаря чему обеспечивается их включение в реальную систему с использованием минимального количества дополнительных компонентов. В состав этих МК входят:

• схема начального запуска процессора (Reset);
• генератор тактовых импульсов;
• центральный процессор;
• память программ (E(E)PROM) и программный интерфейс;
• средства ввода/вывода данных;
• таймеры, фиксирующие число командных циклов.

Общая структура МК показана на рисунке 1.1. Эта структура дает представление о том, как МК связывается с внешним миром.

Более сложные встраиваемые МК могут дополнительно реализовывать следующие возможности:

• встроенный монитор/отладчик программ;
• внутренние средства программирования памяти программ (ROM);
• обработка прерываний от различных источников;
• аналоговый ввод/вывод;
• последовательный ввод/вывод (синхронный и асинхронный);
• параллельный ввод/вывод (включая интерфейс с компьютером);
• подключение внешней памяти (микропроцессорный режим).

Все эти возможности значительно увеличивают гибкость применения МК и делают более простым процесс разработки систем на их основе.

Рисунок 1.3 - Структура микроконтроллера

Некоторые МК (16- и 32-разрядные) используют только внешнюю память, которая включает в себя как память программ (ROM), так и некоторый объем памяти данных (RAM), требуемый для данного применения. Они применяются в системах, где требуется большой объем памяти и относительное не большое количество устройств (портов) ввода/вывода. Типичным примером применения такого МК с внешней памятью является котроллер жесткого диска (HDD) с буферной кэш-памятью, который обеспечивает промежуточное хранение и распределение больших объемов данных (порядка нескольких мегабайт). Внешняя память дает возможность такому микроконтроллеру работать с более высокой скоростью, чем встраиваемый МК.

Цифровые сигнальные процессоры (DSP) – относительно новая категория процессоров. Назначение DSP состоит в том, чтобы получать текущие данные от аналоговой системы, обрабатывать данные и формировать соответствующий отклик в реальном масштабе времени. Они обычно входят в состав систем, используясь в качестве устройств управления внешним оборудованием, и не предназначены для автономного применения.

1.3.1 Система команд

В зависимости от числа используемых кодов операций системы команд МК можно разделить на две группы: CISC и RISC. Термин CISC означает сложную систему команд и является аббревиатурой английского определения Complex Instruction Set Computer. Аналогично термин RISC означает сокращенную систему команд и происходит от английского Reduce Instruction Set Computer. Систему команд МК 8051 можно отнести к типу CISC. Однако, не смотря на широкую распространенность этих понятий, необходимо признать, что сами названия не отражают главного различия между системами команд CISC и RISC. Основная идея RISC архитектуры – это тщательный подбор таких комбинаций кодов операций, которые можно было бы выполнить за один такт тактового генератора. Основной выигрыш от такого подхода – резкое упрощение аппаратной реализации ЦП и возможность значительно повысить его производительность.

Очевидно, что в общем случае одной команде CISC соответствует несколько команд RISC. Однако обычно выигрыш от повышения быстродействия в рамках RISC перекрывает потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более высокой эффективности RISC систем в целом по сравнению с CISC.

Однако в настоящее время грань между CISC и RISC архитектурой стремительно стирается. Например, МК семейства AVR фирмы Atmel имеют систему команд из 120 инструкций, что соответствует типу CISC. Однако большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC архитектуры. Сегодня принято считать, что признаком RISC архитектуры является выполнение команд за один такт тактового генератора. Число команд само по себе значения уже не имеет.

1.3.2 Типы памяти МК

Можно выделить три основных вида памяти, используемой в МК:

а) память программ;

б) память данных;

в) регистры МК.

Память программ представляет собой постоянную память, предназначенную для хранения программного кода и констант. Эта память не изменяет содержимого в процессе выполнения программы. Память данных предназначена для хранения переменных в ходе выполнения программы. Регистры МК – этот вид памяти включает внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами.

Для хранения программ обычно служит один из видов постоянной памяти: ROM (масочные ПЗУ), PROM (однократно программируемые ПЗУ), EPROM (электрически программируемые ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием) или EEPROM (ПЗУ с электрической записью и стиранием, к этому виду также относятся современные микросхемы Flash-памяти). Все эти виды памяти являются энергонезависимыми – это означает, что содержимое памяти сохраняется после выключения питания МК.