Музыкальный звонок на микроконтроллере

Многократно программируемые ПЗУ – EPROM и EEPROM (Electrically Erasable Programmable Memory) подразделяются на ПЗУ со стиранием ультрафиолетовым (УФ) облучением (выпускаются в корпусах с окном), и МК с электрически перепрограммируемой памятью, соответственно.

 В  настоящее время протоколы программирования современной EEPROM памяти позволяют выполнять программирование МК непосредственно в составе системы, где он работает. Такой способ программирования получил название – ISP (In System Programming). И теперь можно периодически обновлять программное обеспечение МК без удаления из платы. Это дает огромный выигрыш на начальных этапах разработки систем на базе МК или в процессе их изучения, когда масса времени уходит на многократный поиск причин неработоспособности системы и выполнение последующих циклов стирания-программирования памяти программ.

Функционально Flash-память мало отличается от EEPROM. Основное различие состоит в способности стирания записанной информации. В памяти EEPROM стирание производится отдельно для каждой ячейки, а во Flash-памяти стирание осуществляется целыми блоками.

ОЗУ (RAM) – оперативное запоминающее устройство, используется для хранения данных. Эту память называют еще памятью данных. Число циклов чтения и записи в ОЗУ неограниченно, но при отключение питания вся информация теряется.

1.4 Семейство микроконтроллеров PIC

В производстве компании Microchip, находится большое число самых разнообразных устройств, имеющих общую торговую марку Микроконтроллеры PIC (PIC microcontrollers). Все они разделены на несколько семейств, описанных ниже.

PIC12. Самые простые микроконтроллеры, выпускающиеся в корпусе с 8-ю выводами. Разрядность их составляет 8 бит, объем памяти программ не превышает 1 кБ. Наиболее интересными изделиями этой группы являются микросхемы, со встроенными радиопередатчиками серии rfPIC. Такие элементы очень активно используются в автомобильных сигнализациях и системах дистанционного управления.

PIC16. Распространенные 8-ми битные микроконтроллеры. Выпускаются в корпусах с количеством выводов от 14 до 40. Основу всей серии составляет одно микропроцессорное ядро, дополняемой необходимыми периферийными устройствами. Именно микроконтроллеры серии PIC16 стали первым шагом для многих разработчиков электронной техники.

PIC18. 8-ми битные микроконтроллеры в линейке продукции Microchip. Изначально ориентированы на программирование с использованием языка высокого уровня C.

PIC24. Высокопроизводительные устройства, выполненные по 16-разрядной архитектуре. Предназначаются для  применений, где 8-ми разрядные модели уже не справляются.

PIC32. 32-разрядная архитектура MIPS. Являются мощными устройствами, выпускаемыми фирмой Microchip. Хотя большого распространения пока не получили, эти микроконтроллеры являются одним из самых перспективных направлений развития продукции Microchip.

 

 

 

1.5 Характеристика микроконтроллера PIC16F628A

Характеристика RISC ядра:

1)тактовая частота от DC до 20МГц;

2)поддержка прерываний;

3)8-уровневый аппаратный стек;

4)прямая, косвенная и относительная адресация;

5)35 однословных команд;

6)все команды выполняются за один машинный цикл, кроме команд ветвления и условия с истинным результатом .

Особенности микроконтроллеров:

-внешний и внутренний режимы тактового генератора;

-нестабильность +/- 1%;

- энергосберегающий внутренний генератор 37кГц;

- режим внешнего генератора для подключения кварцевого или керамического резонатора;

-режим энергосбережения SLEEP;

-программируемые подтягивающие резисторы на входах PORTB;

-сторожевой таймер WDT с отдельным генератором;

-режим низковольтного программирования;

-программирование на плате через последовательный порт (ICSP) (с использованием двух выводов);

-защита кода программы;

-сброс по снижению напряжения питания BOR;

-сброс по включению питания POR;

-таймер включения питания PWRT и таймер запуска генератора OST;

-широкий диапазон напряжения питания от 2.0В до 5.5В;

-промышленный и расширенный температурный диапазон;

-высокая выносливость ячеек FLASH/EEPROM;

- 100 000 циклов стирания /записи FLASH памяти программ;

- 1 000 000 циклов стирания /записи EEPROM памяти данных;

-период хранения данных FLASH/EEPROM памяти > 100 лет.

Характеристики пониженного энергопотребления

Режим энергосбережения:

- 100нА 2.0В.

Режимы работы:

- 12мкА 32кГц, 2.0В;

- 120мкА 1МГц, 2.0В.

Генератор таймера TMR1:

- 1.2мкА, 32кГц, 2.0В.

Сторожевой таймер:

- 1мкА @ 2.0В.

Двухскоростной внутренний генератор:

- Время выхода из SLEEP режима 3мкс @ 3.0В.

Периферия:

-16 каналов ввода/вывода с индивидуальными битами направления;

-Сильноточные схемы портов сток/исток, допускающих непосредственное подключение светодиодов;

-модуль аналоговых компараторов;

- два аналоговых компаратора;

- внутренний программируемый источник опорного напряжения;

- внутренний или внешний источник опорного напряжения;

-выходы компараторов могут быть подключены на выводы микроконтроллера;

TMR0: 8-разрядный таймер/счетчик  с программируемым предделителем;

TMR1: 16-разрядный таймер/счетчик  с внешним генератором;

TMR2: 8-разрядный таймер/счетчик  с программируемым предделителем  и постделителем;

CCP модуль(Модуль захвата, сравнения и широтно-импульсной модуляции):

- разрешение захвата 16 бит;

- разрешение сравнения 16 бит;

- 10-разрядный ШИМ;

-адресуемый USART модуль.

Рисунок 1.5 – Расположение выводов микроконтроллера PIC16F628

В предлагаемом звонке для хранения мелодий или речевых сообщений применена карта памяти SD или ММС, отформатированная под файловую систему FAT16. Воспроизводятся звуковые файлы формата WAV. Кроме звонка, устройство можно использовать как проигрыватель таких файлов. 
2 Практическая часть

2.2 Создание устройства

Устройство собрано на широко распространённом микроконтроллере PIC16F628A и имеет два режима работы, которые устанавливают выключателем SA1. Верхнему по схеме положению его контактов соответствует режим "Проигрыватель", а нижнему — режим "Звонок". Микроконтроллер проверяет состояние контактов выключателя только один раз, сразу после включения питания. Поэтому для смены режима необходимо отключить питание, установить выключатель в требуемое положение и затем снова подать питание.

В режиме "Звонок" после включения микроконтроллер DD1 производит настройку внутренних регистров, после чего переходит в спящий режим. При нажатии на кнопку SB1 ("Звонок/Воспроизведение") микроконтроллер начинает работать, о чём свидетельствует включение светодиода HL1, подаёт питающее напряжение на карту памяти, инициализирует её и ищет звуковой файл. Поиск осуществляется по расширению WAV. Найдя, микроконтроллер воспроизводит файл, отключает питание карты памяти, после чего снова отключается, а светодиод HL1 гаснет. При следующем нажатии на кнопку SB1 всё повторится, но будет воспроизведён следующий звуковой файл. На карту памяти можно записать до 512 мелодий или сообщений — это максимальное число записей в корневом каталоге для файловой системы FAT16. После воспроизведения всех мелодий начнётся их повторное воспроизведение. Кнопки SB2, SB3 и SB4 в этом режиме не задействованы. В режиме "Проигрыватель" после подачи питания микроконтроллер также выполняет настройку внутренних регистров, включает питание карты памяти, проводит процедуру её инициализации, в случае успешного выполнения вспыхивает светодиод HL1.

Рисунок 2.1 – Музыкальный звонок на микроконтроллере PIC16F628A

 

 Затем выполняется  поиск WAV-файла, и когда он будет  найден, микроконтроллер перейдёт  к опросу состояния контактов всех кнопок. При нажатии на кнопку SB1 начнётся непрерывное последовательное воспроизведение всех звуковых файлов, имеющихся на карте памяти. Нажатием на кнопку SB2 ("Стоп") можно остановить проигрывание на текущей мелодии, а кнопками SB3 ("Следующий") и SB4 ("Предыдущий") осуществляют переключение файлов, что возможно как при проигрывании, так и после остановки воспроизведения. При неудачной процедуре инициализации карты памяти микроконтроллер предпримет ещё одну попытку, и если она также окажется неудачной, прозвучат два коротких сигнала низкого тона, после чего микроконтроллер перестанет реагировать на команды.

В режиме "Звонок" при ошибке инициализации также прозвучат два коротких сигнала низкого тона, после чего микроконтроллер отключит питание карты и перейдёт в спящий режим. Если карта памяти перестанет отвечать на команды, в режиме "Проигрыватель" микроконтроллер сначала отключит, затем включит питание карты и заново ее проинициализирует.

В режиме "Проигрыватель" после подачи питания микроконтроллер также выполняет настройку внутренних регистров, включает питание карты памяти, проводит процедуру её инициализации, в случае успешного выполнения вспыхивает светодиод HL1.В режиме "Звонок" после "зависания" карты микроконтроллер просто отключит питание карты и перейдет в спящий режим. При отсутствии WAV-файлов на карте памяти прозвучат три коротких сигнала низкого тона, после чего в режиме "Проигрыватель" устройство перейдёт к опросу состояния контактов кнопок, при нажатии на которые будет звучать тот же предупреждающий сигнал.

В режиме "Звонок" после сигнала об отсутствии WAV-файлов микроконтроллер отключит питание карты памяти и перейдёт в спящий режим. Если параметры WAV-файла не соответствуют требуемым значениям, например, неверная частота дискретизации, разрядность и т. д., прозвучит сигнал низкого тона продолжительностью одна секунда и в обоих режимах произойдёт переход к следующему файлу. Для согласования логических уровней сигналов микроконтроллера и карты памяти установлены делители напряжения на резисторах R7, R8, R10, R13—R15. Звуковой сигнал формируется с помощью встроенного в микроконтроллер модуля ШИМ, частота работы которого в данном устройстве равна 78,12 кГц. Сформированный сигнал сглаживается фильтром R12C10 и с регулятора громкости R17 поступает на УЗЧ, собранный на микросхеме DA2 TDA2003.

Питается устройство от внешнего блока питания напряжением 9... 12 В. Питание микроконтроллера стабилизировано интегральным стабилизатором DA1 с выходным напряжением 5 В. На транзисторе VT1 собран стабилизатор напряжения 3,3 В для питания карты памяти. Управление им осуществляет микроконтроллер по линиям порта RA3. При низком логическом уровне на этой линии транзистор VT1 закрыт, напряжение на его эмиттере равно нулю. При высоком уровне транзистор открыт и питающее напряжение поступает на карту  памяти.   Напряжение  на  базе транзистора стабилизировано стабилитроном VD1.

Устройство воспроизводит звуковые файлы формата WAV (PCM, 16 кГц, 8 разрядов, моно), файлы с другими параметрами проигрываться не будут. Поэтому, если необходимо, выбранные звуковые файлы перед записью на карту памяти преобразуют с помощью программы-конвертера (имена файлов могут быть любыми). Файловая система FAT16 не пригодна для носителей информации, имеющих объём больше 2 Гбайт, поэтому это максимальный объём для карты памяти, которую можно использовать в устройстве. Были протестированы четыре карты microSD разных фирм и объёмов, это Kingston (1 Гбайт), Kingmax (512 Мбайт), Silicon Power (2 Гбайт), Transcend (1GB). ММС карты также должны работать.

В устройстве применены постоянные резисторы МЛТ, переменный — СПЗ-4аМ, СПО, СП4-1, оксидные конденсаторы — импортные, остальные — керамические К10-17. Выключатель — ПД9-2, кнопки — TS-A3PS-130, но подойдут и другие аналогичные. Стабилитрон КС139А можно заменить импортным с напряжением стабилизации 3,9 В, например 1N4730. Взамен транзистора КТ503В можно применить любой из серии КТ3102, а светодиода АЛ307БМ — также любой в пластмассовом корпусе диаметром 5 мм.

Микроконтроллер установлен в панель. УЗЧ TDA2003 можно заменить микросхемой TDA2002, TDA2008, К174УН14, её необходимо установить на теплоотвод площадью не менее 60 см2. Динамическая головка —любая широкополосная мощностью 2...4 Вт с сопротивлением катушки 4...8 Ом. Разъём для карты памяти самодельный, поскольку готовый найти не удалось Он изготовлен из односторонне фольгированного стеклотекстолита и медной фольги. Из стеклотекстолита изготовлена печатная плата размерами 35x40 мм, на которой сделано семь контактных площадок. К площадкам припаяны пружинящие контакты от разъёма microSD неисправного сотового телефона. По контуру карты памяти вырезана П-образная направляющая, которая закреплена на плате. Сверху на направляющую припаяна медная фольга, которая прижимает карту к пружинным контактам. Внешняя кнопка звонка дублирует SB1.

Рисунок 2.2 – Схема печатной платы

При длинном соединительном проводе для устранения влияния помех рекомендуется установить конденсатор С ёмкостью 0,1... 10 мкФ, а сам провод желательно применить экранированный (экран соединяют с общим проводом). Элементы R19 и С13 устанавливают в случае самовозбуждения УЗЧ на высокой частоте. Источник питания — нестабилизированный сетевой блок питания с выходным напряжением 9... 12 В и током до 0,5 А. Проанализировав данные преимущества приходим к выводу, что данное устройство целесообразно выпускать, уменьшив стоимость за счет массового производства и систематической доработки схемы (внедрения смены дополнительных мелодий и т.д.).

Рисунок 2.3 – Расположение элементов на плате