Разработка схемы устройства

Специальная часть

2.1.1 Разработка структурной схемы устройства "RGB-ночник, управляемый прикосновениями"

Рассмотрев и проанализировав аналогичные схемы устройства «RGB-ночник, управляемый прикосновениями» и выявив достоинства их схем, построим структурную схему разрабатываемого устройства. Структурная схема в данном дипломном проекте определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязь, а также используется для общего ознакомления с устройством. Исходя из правил построения электрических схем (ГОСТ 2702 - 75) функциональные части изображаются в виде прямоугольников, в которых указаны наименования каждой функциональной части (рисунок 4).

 

CPU - микроконтроллер;

US - ультразвуковой датчик расстояния;

RG- сдвиговой регистр;

RGB - matrix – 8х8 RGB- матрица;

БП – блок питания.

Рисунок 4- Устройство «RGB-ночник, управляемый прикосновениями». Схема электрическая структурная

Структурная схема разрабатываемого в данном дипломном проекте устройства «RGB-ночник, управляемый прикосновениями» на программно-аппаратной платформе Arduino, состоит из следующих элементов:

1 US – ультразвуковой датчик расстояния – использует акустическое излучение для определения расстояния до объекта;

2 CPU – микроконтроллер Arduino – принимает сигналы от датчиков, обрабатывает их и передает сигнал на сдвиговый регистр;

3 RG – сдвиговый регистр – чип преобразовывает входящий последовательный сигнал на 1 входе (Ds) в выходной параллельный на 8 выходах (Qx);

4 RGB - matrix – 8x8 RGB-матрица – служит для включение света.

 

2.1.2 Выбор и обоснование элементной базы устройства «RGB-ночник, управляемый прикосновениями»

 

Для выбора датчиков расстояния рассмотрим ультразвуковой дальномер HC-SR04 и датчик дистанций SRF04.

Ультразвуковой дальномер HC-SR04 — это помещенные на одну плату приемник и передатчик ультразвукового сигнала. Датчик обладает низким энергопотреблением, что также является немаловажным преимуществом. Питается датчик HC-SR04 от 5 В, что удобно при подключении его к Arduino.

 

Рисунок 4- Ультразвуковой дальномер HC-SR04

 

Характеристики HC-SR04:

- напряжение питания: +5В – постоянный ток;

- сила тока покоя: < 2 мА;

- рабочая сила тока: 15-20 мА;

- эффективный рабочий угол: < 15°;

- расстояние измерений: от 2 см до 500 см;

- разрешающая способность: 0.3 см;

- угол измерений: 30 градусов;

- ширина импульса триггера: 10 микросекунд;

- размеры: 45 мм x 20 мм x 15 мм.

SRF04 – датчик дистанций, способный обнаруживать объекты и вычислять дистанцию, в промежутке от 3 до 300 см. Датчик использует ультразвук и содержит всю электронику, способную выполнять измерение. SRF04 очень маленького размера, он выделяется низким потреблением мощности, высокой точностью и ценой.

 

Рисунок 5- SRF04 - датчик дистанций

- напряжение питания: +5В – постоянный ток;

- сила тока покоя: < 2 мА;

- рабочая сила тока: 30-50 мА;

- эффективный рабочий угол: < 15°;

- расстояние измерений: от 3 см до 300 см (1 – 13 дюймов);

- разрешающая способность: 0.3 см;

- угол измерений: 30 градусов;

- ширина импульса триггера: 10 микросекунд;

- размеры: 43 мм x 20 мм x 17 мм.

Так как в разрабатываемом устройстве в зависимости от расстояния будет регулироваться яркость света. В качестве датчика расстояния был выбран ультразвуковой дальномер HC-SR04, с расстоянием до 5 метров и питанием 5В, рабочий ток датчика составляет 15 – 20мА, что достаточно для работы разрабатываемого устройства.

Для выбора микроконтроллера рассмотрим микроконтроллер Arduino Uno имикроконтроллер ArduinoNano.

Arduino Uno контроллер построен на ATmega328. Платформа имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC или батареи.

Рисунок 6- Микросхема Arduino Uno

 

Микросхема Arduino Uno:

- микроконтроллер ATmega328;

- рабочее напряжение 5 В;

- входное напряжение (рекомендуемое) 7-12 В;

- входное напряжение (предельное) 6-20 В;

- цифровые Входы/Выходы 14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ);

- аналоговые входы 6;

- постоянный ток через вход/выход 40 мА;

- постоянный ток для вывода 3.3 В 50 мА;

- флеш-память 32 Кб (ATmega328), из которых 0.5 Кб используются для загрузчика;

- тактовая частота 16 МГц.

Платформа Arduino Nano, построенная на микроконтроллере ATmega328, имеет небольшие размеры и может использоваться в лабораторных работах.

 

 

Рисунок 7- Микросхема ArduinoNano

 

Микросхема ArduinoNano:

- рабочее напряжение - 5 В;

- входное напряжение 7-12 В;

- предельно допустимый потенциал напряжения питания по входу VIN: +6...+20 В;

- светодиоды: питание, Rx(приём), Tx(передача);

- тактовая частота 16 MIPS;

- размеры 1.85 см x 4.2 см;

- аналоговые входы- 8;

- объем памяти- 512 байт, для программ;

- тип флеш 32 Кбайт, где 2 Кбайт занимает загрузчик, длительное сохранение данных происходит в EEPROM 1 Кбайт;

- максимальный ток через вывод- 40 мА;

- ОЗУ 2 Кбайт;

- цифровые входы –выходы- 14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ);

- вес 6 гр.

В качестве микроконтроллера была выбрана плата ArduinoNANO. В отличии от Arduino Uno, Nano имеет малые габариты для удобной установки микроконтроллера на макетную плату

Для выбора сдвигового регистра рассмотрим регистр 74HC595 и регистр 74HC165.

Сдвиговый регистр 74HC595 – это восьмиразрядный сдвиговый регистр с последовательным вводом, последовательным или параллельным выводом информации, с триггером-защелкой и тремя состояниями на выходе.В нем используя всего 3 выхода контроллера можно управлять 8 выходами сдвигового регистра. А если микросхемы соединить последовательно друг за другом, то количество контролируемых выходов можно наращивать до любого разумного предела.

 

 

Рисунок 8- Сдвиговый регистр 74HC595

 

- QA…QH – выходы регистра, могут быть в состоянии 0, 1 или высокоимпедансном

- GND – земля

- QH′ – выход для последовательного соединения регистров.

- SТCP – сброс значений регистра

- SCK – вход тактовых импульсов

- SCLR – вход «защёлкивающий» данные

- RCK – вход переводящий выходы из высокоимпедансного в рабочее состояние

- Sl – вход данных

- VCC – питание 2-6 Вольт

Сдвиговый регистр 74HC165 преобразующий параллельный входной сигнал в последовательный выходной. Она позволяет увеличивать количество цифровых входов микроконтроллера.

- Vcc — питание

- GND — земля

- PL— защёлка

- CP— тактовый вход

- D0-D7— входы, состояние которых считывается в регистр

- Q7— последовательный вывод

- Q7— инверсный вывод, на нём идут биты с Q7, но инвертированные

- DS— последовательный ввод; к нему можно подсоединить вывод QH второго регистра, получив каскадное подключение

- CE— ClockInhibit, или инвертированный ClockEnable; когда на нём 1, тактирование выключено

 

Рисунок 9- Сдвиговый регистр 74HC165

 

В качестве сдвигового регистра был выбран 74HC595. В отличии от 74HC165, 74HC595микросхема позволяет увеличить количество выходов микроконтроллера, а микросхема 74HC165 позволяет увеличить количество цифровых входов микроконтроллера.

Для выбора подсветки разрабатываемого устройства рассмотрим RGB МАТРИЦА 8Х8 и RGB-светодиоды.

RGB МАТРИЦА 8Х8 Матричный дисплей поможет микроконтроллеру выводить текстовую или псевдографическую информацию. Главное преимущество этой матрицы перед аналогами – полноцветные RGB светодиоды, которые могут отобразить любой из 16777216 цветов.

Рисунок 11- RGB МАТРИЦА 8Х8

 

- вес 29г.

- габариты 60*60*2

- разрешение 8*8

- общий выход Анод

- количество контактов 32

- материал черный пластик

Кроме готовой матрицы можно использовать для подсветки отдельные светодиоды.

Существуют RGB-светодиоды (Red, Green, Blue — красный, зелёный, синий. Фактически это просто три светодиода в одном корпусе. Меняя ток через каналы можно получить любой цвет.

 

 

 

Рисунок 12- RGB-светодиод

Характеристики

- цвет свечения Красный\Зеленый\Синий

- тип линзы Белая матовая

- длина волны,нм 628\520\470

- интенсивность, мКД 340\370\260

- угол обзора, град. 50

- падение напряжения

на светодиоде 2\3,2

- постоянный прямой

ток, мА 35\20

В качестве подсветки была выбрана RGB МАТРИЦА 8Х8. В отличии светодиодов, RGB МАТРИЦА 8Х8 позволит упростить и ускорить сборку разрабатываемого устройства.

 

2.1.3 Разработка и описание принципиальной схемы устройства "RGB-ночник, управляемый прикосновениями "

 

Рисунок 5 – Принципиальная схема устройства «RGB-ночника, управлемого прикосновениями»

Разрабатываемое в данном дипломном проекте устройство " RGB-ночник, управляемый прикосновениями" работает следующим образом.

При подключении устройства в электрическую сеть, на вывод N(AC) преобразователя U1 (AC-DC) подается 220 В, преобразователь подает на вывод VIN микроконтроллера DD3 (ArduinoNANO) 12 В, тем самым обеспечивая питание всей схемы. После чего устройство переходит в режим "Ожидание".

При прикосновении рукой, датчики подают микроконтроллеру сигналы о том, что произошло прикосновение.

Датчик R определяет, что прикосновение произошло с первой стороны, и передает сигнал микроконтроллеру о том, что необходимо включить красный свет. Датчик G подает микроконтроллеру сигнал о том, что прикосновение произошло со второй стороны и необходимо включить зеленый. Соответственно датчик B сигнализирует о прикосновении с третьей стороны и необходимо включить синий.

Микроконтроллер ArduinoNano, получив и обработав информацию от датчиков, подает сигнал определения цвета свечения на выход D11, после чего этот сигнал переходит на вход сдвигового регистраSl (микросхема 74hc595). В зависимости от команды микроконтроллера регистр распределяет сигналы на вsходы QA-QH, сигнал проходит через резисторы R1-R8 (220Ом) и включает светодиоды матрицы, при подаче сигнала на выход QH’ регистр передает сигнал на следующий регистр.