Велокомпьютер на базе микроконтроллера

 

1. АНАЛИЗ ЗАДАЧИ

 

1.1 Список функций, выполняемых системой

 

Наша система должна удовлетворять основным требованиям предъявляемым потребителем.  Системы такого рода содержат следующие основные функции:

1. спидометр;
2. одометр.

Для того, чтобы заинтересовать потребителя в нашем курсовом проекте мы добавим еще две дополнительные функции:

1. таймер;
2. калориметр.

Остановимся на каждой из них, для более подробного понимания работы функции.

Функция «спидометр». Для получения требуемых данных для этой функции, необходимо использовать датчик на колесе, который будет считывать количество оборотов колеса за определенное время. Для того, чтобы не было необходимости использовать АЦП микроконтроллера, желательно, чтобы на выходе датчика был четкий прямоугольный импульс, или же близкий по форме сигнал. Расчет скорости будет производиться по формуле (1):

                                           (1)

 

Функция «одометр». Для получения необходимой информации для данной функции будем использовать все тот же датчик на колесе. Расчет пройденного пути будет происходить по формуле (2):

 

                                 (2)

 

 Поскольку расстояние, пройденное за один оборот колеса мы уже знаем (длина окружности колеса), то каждый раз при обороте колеса будем добавлять к исходному значению расстояния еще одну длину окружности колеса.

Функция «таймер». Для получения данных по этой функции будем использовать внутрисхемные модули микроконтроллера, а именное таймер. При помощи таймера будут отсчитываться секунды, минуты, часы.

Функция «калориметр». Для реализации данной функции будем использовать значения функции спидометра. Поскольку расчет значений калорий будет являться лишь приблизительным, потому что расчет формулы потери калорий является функцией многих переменных, то и значение данной функции будет приблизительным. За основу возьмем данные среднестатистического человека: рост – 180 см, вес – 70 кг. По данным исследований, человек при скорости 16 км/ч расходует 6.6 ккал/мин. Таким образом, чтобы получить среднее значение траты калорий на 1 км/ч, поделим значение 6.6 ккал/мин на 16. Получим значение 0.4125 ккал/мин на 1 км/ч. Умножив данное значение на скорость (формула 1), получим приблизительное значение расхода калорий на каждый км/ч.

Данное количество функций нашей системы позволит удовлетворить любого потребителя.

 

1.2 Описание интерфейса между системой и пользователем

 

Для подсчета скорости движения велосипеда необходимо использовать датчик. В качестве датчика будет использоваться герконовый датчик. Принцип работы его основан на магнитной (электромагнитной) индукции. Геркон (сокращение от «герметичный контакт») — электромеханическое устройство, представляющее собой пару ферромагнитных контактов, запаянных в герметичную стеклянную колбу. При поднесении к геркону постоянного магнита или включении электромагнита, контакты замыкаются. Герконы используются как бесконтактные выключатели, датчики близости и т. д. Существуют также герконы, размыкающие цепь при возникновении магнитного поля, и герконы с переключающей группой контактов. В качестве нашего датчика будет использоваться геркон замыкающий цепь при возникновении магнитного поля. В качестве источника магнитного поля будет использован магнит, который будет прикреплен к спице велосипедного колеса, сам же датчик будет находится на вилке велосипеда.

Для вывода информации, получаемой с датчика, после обработки микропроцессора, необходимо использовать дисплей. Так как информация на экран будет выводиться в виде монохромного текста, то можно использоваться жидкокристаллический дисплей на основе контроллера  HD44780. Данный тип ЖК-дисплей очень популярен, поскольку очень прост в использовании, а также дешев в изготовлении. Эти дисплеи получили широкое применение в различных видах техники.

В качестве источника питания будем использовать 2 батарейки типа ААА.

Важным вопросом при разработке функциональной спецификации является взаимодействие между пользователем и системой. Взаимодействие между пользователем и системой велокомпьютера осуществляется с помощью экрана и кнопок. Интерфейс взаимодействия между системой и пользователем представлена на рисунке 1.1.

 

Рисунок 1.1 – Интерфейс взаимодействия между системой и пользователем

 

Кнопки в нашем случае желательно выбирать нефиксирующего типа, а также как можно меньшего размера, поскольку одним из параметров нашего велокомпьютера является маленький размер системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ

 

2.1 Разбиение системы на  модули

 

В данном разделе, для удобства понимания работы системы, необходимо разделить аппаратную и программную части. То есть, какие функции выполняет аппаратная часть, а какие функции программная. Так как основой нашей системы является микроконтроллер, то большую часть работы будет выполнять именно он (программная часть). Для понимания работы составим функционально модульную структуру нашей системы, которая изображена на рисунке 2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 – Функционально-модульная структура системы

 

Исполнительный модуль состоит из одной повторяющейся функции, которая представляет собой управление системой.

Модуль настройки включает такие функции как:

1. настройка основных параметров микроконтроллера;
2. настройка параметров расчета (выбор размера колеса).

Модуль меню состоит из следующих функций:

1. выбор отображаемой информации;
2. выбор информации, которую необходимо выводить;
3. в зависимости от отображаемой информации, производить подсчет

соответствующей формулы.

 

Модуль таймера включает выполнение следующих функций:

1. запуск таймера (первый раз значение таймера не записывается);
2. запись значения таймера;
3. расчет скорости по формуле;
4. запись значения скорости в ячейку памяти.

Модуль ввода состоит из функций, таких как:

1. прием значений с датчика;
2. получение информации с кнопок.

 

Модуль вывода выполняет функцию отображения данных на дисплее, в зависимости от того, какая информация выбрана пользователем для отображения.

Полная функционально-модульная структура системы представлена на рисунке 2.2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 – Полная функционально модульная структура системы

 

2.2 Построение структурной  схемы аппаратной части системы

 

Для наглядного представления работы системы велокомпьютера, построим структурную схему аппаратной части системы. На рисунке 2.3 приведена структурная схема аппаратной части системы велокомпьютера.

Опишем элементы структурной схемы.

Источник питания – преобразователь напряжения, для питания микропроцессора, блока ЖК-дисплея и датчика.

 

 

 

Рисунок 2.3 – Структурная схема аппаратной части системы

 

 

МП – микропроцессор системы.

Кнопки управления – кнопки, необходимые ввода информации в МП, по которой МП соответствующим образом выдает данные на дисплей.

Датчик – датчик скорости, вырабатывающий постоянное напряжение, значение которого зависит от того, замкнут (5 В) или разомкнут (0 В)  его контакт.

Блок ЖК-дисплея – ЖК-дисплей, предназначенный для вывода необходимых данных, хранимых в памяти МК системы, в виде удобном для восприятия человеком.

Детальная схема электрическая структурная представлена в ПРИЛОЖЕНИИ В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ СИСТЕМЫ

 

3.1 Выбор типа микроконтроллера

 

Как видно из рассмотренного выше, разрабатываемые в курсовом проекте микропроцессорные системы по своей сути являются управляющими системами – основной функцией, реализуемой в них, является управление разнообразными объектами и процессами. Управляющая микропроцессорная система содержит микроЭВМ, устройства связи с объектом (с датчиками и исполнительными устройствами управляемого объекта) и периферийные устройства. Такие системы наиболее эффективно могут быть построены с помощью специализированных однокристальных микроЭВМ, ориентированных на выполнение функций управления, – однокристальных микроконтроллеров (в дальнейшем просто микроконтроллеры). Микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя все составные части обычной микроЭВМ: микропроцессор, память, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование микроконтроллера в управляющих системах обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при очень низкой стоимости – во многих применениях система может состоять только из одной БИС микроконтроллера. Микроконтроллер характеризуется небольшой емкостью памяти, физическим и/или логическим разделением памяти программ (ПЗУ, флэш-память) и памяти данных (ОЗУ), упрощенной и ориентированной на задачи управления системой команд, простыми способами адресации команд и данных, а также специфической организацией ввода/вывода. Все это предопределяет область их использования в качестве специализированных вычислителей, включенных в контур управления объектом или процессом. Структурная организация, набор команд и аппаратно-программные средства ввода/вывода микроконтроллеров лучше всего приспособлены для решения задач управления и регулирования в приборах, устройствах и системах автоматики, а не для решения задач обработки данных. Микроконтроллеры не являются машинами классического фон-неймановского типа, так как память физически и/или логически разделена на память программ и память данных, что исключает возможность модификации и/или замены прикладных программ микроконтроллеров во время работы.

Типовая структура системы управления, построенной на базе микроконтроллера, состоит из объекта управления, микроконтроллера и аппаратуры их взаимной связи.

Функционирование системы на базе микроконтроллера полностью определяется прикладной программой, размещаемой в памяти программ микроконтроллера. Поэтому специализация системы типовой структуры на решение задачи управления конкретным объектом осуществляется путем разработки соответствующих прикладных программ и аппаратуры связи микроконтроллера с датчиками и исполнительными устройствами объекта.

Применение микроконтроллеров в устройствах управления объектами привело к кардинальным изменениям в разработке аппаратных средств микропроцессорных систем. Поскольку микроконтроллер представляет собой функционально законченную однокристальную микроЭВМ, то построение микропроцессорного блока полностью определяется выбранным типом микроконтроллера. Конкретный микроконтроллер допускает очень немного вариантов его системного включения, которые приводятся в фирменной технической документации. В свою очередь конкретный вариант включения выбранного микроконтроллера полностью определяется решаемой прикладной задачей (точнее методом ее решения). Таким образом, основным вопросом при проектировании микропроцессорного блока является выбор типа используемого микроконтроллера.

При выборе микроконтроллера необходимо определить:

- тип операций, используемых при решении прикладной задачи;

− емкость ОЗУ;

− емкость ПЗУ (флэш-памяти);

− необходимость использования функциональных преобразователей;

− число портов ввода/вывода и их назначение;

− число и тип запросов прерывания;

− необходимость использования таймера.

В каждом конкретном случае разработчик должен определить, какая часть названных средств и в каком объеме реализована в том или ином типе микроконтроллера, т.е. в какой степени микроконтроллер может удовлетворить поставленной задаче.

При выборе микроконтроллера важно правильно определить число и назначение портов ввода/вывода. Параметры и число портов ввода/вывода задаются особенностями внешних устройств, подключаемых к микроконтроллеру. Для подключения внешних устройств могут использоваться как последовательные, так и параллельные порты ввода/вывода.

В качестве центрального узла могут быть применены различные микроконтроллеры. 

В последнее время широкое распространение получили микропроцессоры фирмы Intel, на базе которых строиться большинство современных ЭВМ. Так же большой популярностью пользуются микропроцессоры фирм Advanced Micro Devices и ARM Limited. Упомянутые компании производят высокопроизводительные микропроцессоры, которые применяются для построения сложных ЭВМ. В нашем курсовом проекте разрабатывается относительно простая система и применение высокопроизводительных микропроцессоров необязательно.