Устройство переключения новогодних гирлянд на микроконтроллере Attiny 2313

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ  3

 

1. Общие сведения о микроконтроллерах                                                       4

 

1.1. Микроконтроллеры семейства AVR    5

 

2. Микроконтроллер Attiny  2313  фирмы Atmel  7

 

2.1. Структура, основные характеристики и возможности                            7

2.2. Особенности  микросхемы  Attiny 2313                                                    12

 

3.  Принципиальная схема устройства переключения новогодних

 гирлянд на микроконтроллере  Attiny  2313   14

 

 

Список использованных источников 16

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Данная  курсовая работа представляет собой устройство для управления елочной гирляндой, реализованное на микроконтроллере. Конструкция этой светодиодной гирлянды весьма проста в изготовлении и в сравнении с аналогичными переключателями гирлянд состоит из минимального набора элементов. Это устройство на микроконтроллере реализует такие эффекты, как бегущие огни, бегущая тень и нарастание огня.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Общие сведения о микроконтроллерах

 

Микроконтроллеры являются сердцем  многих современных устройств и приборов, в том числе и бытовых. Самой главной особенностью микроконтроллеров является то, что с их помощью легче и зачастую гораздо дешевле реализовать различные схемы.

Микроконтроллер может управлять  различными устройствами и принимать от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число периферийных схем уже имеется непосредственно на кристалле микроконтроллера. Это позволяет уменьшить размеры конструкции и снизить потребление энергии от источника питания.

Типичные схемы, присутствующие в микроконтроллерах:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ);
• тактовый генератор;
• память данных;
• память программ;
• порты ввода-вывода.

Все эти элементы соединены между  собой внутренними шинами данных и адреса. С внешним миром микроконтроллер  общается при помощи портов ввода-вывода. Любой микроконтроллер всегда имеет  один или несколько портов. Кроме  того, современные микроконтроллеры всегда имеют встроенную систему  прерываний, а также встроенные программируемые  таймеры, компараторы, цифроаналоговые  преобразователи и многое другое.

 

1.1.Микроконтроллеры  семейства AVR

 

AVR — это новое семейство 8-разрядных RISC-микроконтроллеров фирмы Atmel. Эти микроконтроллеры позволяют решать множество задач встроенных систем. Они отличаются от других распространенных в настоящее время микроконтроллеров большей скоростью работы, большей универсальностью. Быстродействие данных микроконтроллеров позволяет в ряде случаев применять их в устройствах, для реализации которых ранее можно было применять только 16-разрядные микроконтроллеры, что позволяет ощутимо удешевить готовую систему. Кроме того, микроконтроллеры AVR очень легко программируются.

Микроконтроллеры AVR обладают следующими основными характеристиками:

• очень быстрая гарвардская RISC-архитектура загрузки и выполнения большинства инструкций в течение ОДНОГО цикла тактового генератора. При этом достигается скорость работы примерно 1 MIPS на МГц. Частота тактового генератора многих типов микроконтроллеров AVR может достигать 10... 16 МГц (10... 16 MIPS) ,(MIPS — Millions Instructions per Second — миллионов операций в секунду). Отсутствует внутреннее деление частоты, как, например, в микроконтроллерах PIC. Таким образом, если использован кварцевый резонатор с частотой 16 МГц, микроконтроллер будет работать с быстродействием почти 16 MIPS;

• программы содержатся в электрически перепрограммируемой постоянной памяти программ FLASH ROM. Эта память может быть перепрограммирована до 1000 раз. Это облегчает настройку и отладку систем.
• микроконтроллеры AVR имеют 32 регистра, все из которых напрямую работают с АЛУ. Это значительно уменьшает размер программ;

 

• очень небольшое потребление энергии и наличие нескольких режимов работы с пониженным потреблением энергии делает эти микро - контроллеры идеальными для применения в конструкциях, питающихся от батареек;
• отсутствует необходимость переключать страницы памяти (в отличие, например, от микроконтроллеров PIC);
• все микроконтроллеры AVR имеют электрически перепрограммируемую постоянную память данных EEPROM;

В настоящее  время в рамках единой базовой  архитектуры микроконтроллеры AVR подразделяются на несколько семейств:

• Tiny AVR;

• Mega AVR;

• Mega AVR для специальных применений;

• ASIC/FPGA AVR.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Микроконтроллер Attiny2313 фирмы Atmel

Характерными особенностями микроконтроллеров семейства Tiny являются:

• небольшие корпуса с малым количеством выводов;

• малые объемы FLASH-памяти программ (1...8 Кбайт) и ОЗУ;

• довольно ограниченная периферия.

Таким образом эти микроконтроллеры предназначены для так называемых бюджетных решений, принимаемых в условиях жестких финансовых ограничений. Область применения этих микроконтроллеров — интеллектуальные датчики различного назначения (контрольные, пожарные, охранные), игрушки, различная бытовая техника и другие подобные устройства.

Микроконтроллеры  семейства Tiny поддерживают несколько режимов пониженного энергопотребления, имеют блок прерываний, сторожевой таймер и допускают программирование непосредственно в готовом устройстве.

 

 

2.1. Структура, основные характеристики и возможности

 

Микросхема Attiny 2313 представляет собой восьмиразрядный микроконтроллер с внутренней программируемой Flash-памятью размером 2 Кбайт.

Общие сведения:

• использует AVRRISC архитектуру;
• AVR–это высокое быстродействие и специальная RISC-архитектура с низким потреблением;
• 120 мощных инструкций, большинство из которых выполняется за один машинный цикл;
• 32 восьмиразрядных регистра общего назначения;
• полностью статическая организация (минимальная частота может быть равна 0);
• до 20 миллионов операций в секунду (MIPS/Sec) при тактовой частоте 20 МГц.
• Сохранение программ и данных при выключенном питании:
• 2 Кбайт встроенной программируемой Flash-памяти, до 10000 циклов записи/стирания;
• 128 байт встроенной программируемой энергонезависимой памяти данных (EEPROM);
• до 10000 циклов записи/стирания;
• 128 байт внутреннего ОЗУ (SRAM);
• программируемые биты защиты от чтения и записи программной памяти и EEPROM.
• Периферийные устройства:
• один 8-разрядный таймер/счётчик с программируемым определителем и режимом совпадения;
• один 16-разрядный таймер/счетчик с программируемым определителем, режимом совпадения и режимом захвата;
• четыре канала ШИМ (PWM);
• встроенный аналоговый компаратор;
• программируемый сторожевой таймер и встроенный тактовый генератор;
• универсальный последовательный интерфейс USI (Universal Serial Interface);
• полнодуплексный USART.

Особенности микроконтроллера:

• специальный вход debug WIRE для управления встроенной системой отладки;
• внутрисистемный программируемый последовательный интерфейс SPI;
• поддержка как внешних, так и внутренних источников прерываний;
• три режима низкого потребления (Idle, Power-downи Standby);
• встроенная система аппаратного сброса при включении питания;
• внутренний перестраиваемый тактовый генератор;
• цепи ввода-вывода и корпус;
• 18 программируемых линий ввода-вывода;
• три вида корпусов;
• PDIP– 20 контактов;
• SOIC – 20 контактов;
• QFN/MLF – 20 контактных площадок.
• Напряжения питания: 2,7 – 5,5 В
• Диапазон частот тактового генератора Attiny2313:
• 0-10МГц при напряжении 2,7-5,5 В;
• 0–20 МГц при напряжении  4,5-5,5 В.
• Ток потребления в активном режиме:
• 1 МГц, 1,8 В: 230 мкА;
• 32 кГц, 1,8 В: 20 мкА (с внутренним генератором).
• Ток потребления в режиме низкого потребления:
• не более 0,1 мкА при напряжении 1,8 В.

Рис. 1 – Архитектура ядра микроконтроллера AVR

 

Ядро AVR имеет большой набор инструкции для работы с 32 регистрами общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны  арифметико-логическим устройством (ALU), которое позволяет выполнять  команду для двух разных регистров  за один такт системного генератора. Такая  архитектура позволила достигнуть производительности в десять раз  большей, чем у традиционных микроконтроллеров, построенных по CISC-технологии.

Назначение  выводов микросхемы Attiny2313 приведено на рис.2. Блок-схема микроконтроллера Attiny2313 приведена на рис. 3.

 

Рис. 2 - Назначения выводов микросхемы Attiny2313

Рис. 3 - Блок-схема микроконтроллера Attiny2313

 

 

2.2. Особенности микросхемы Attiny2313

 

Микросхема Attiny2313 имеет следующие особенности:

• 2 Кбайт системной программируемой Flash-памяти программ;
• 128 байт EEPROM;
• 128 байт SRAM (ОЗУ);
• 18 линий ввода-вывода (I/O);
• 32 рабочих регистра;
• однопроводной интерфейс для внутрисхемной отладки;
• два многофункциональных таймера/счетчика с функцией совпадения;
• поддержка внешних и внутренних прерываний;
• последовательный программируемый USART-порт;
• универсальный последовательный интерфейс с детектором начала передачи;
• программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором;
• три программно изменяемых режима энергосбережения.

В режиме Idle происходит приостановка центрального процессора, остальные системы продолжают работать. Выход из этого режима возможен как по внешнему прерыванию, так и по внутреннему.

В режиме PowerDown сохраняется содержимое регистров, но приостанавливается работа внутреннего генератора и отключаются все остальные функции микросхемы. Выход из режима возможен по внешнему прерыванию или после системного сброса. Такое решение позволяет совмещать быстрый старт с низким энергопотреблением.

Микросхема  изготовлена с использованием уникальной высокочастотной технологии фирмы  Atmel. Внутренняя Flash-память программ может быть перепрограммирована при помощи ISP-интерфейса без извлечения микроконтроллера из платы. Объединение 8-разрядного RISC-процессора внутрисистемной перепрограммируемой Flash-памятью на одном кристалле делают микросхему Attiny2313 мощным средством, которое обеспечивает очень гибкие и недорогие решения многих прикладных задач управления.

 

 

 

 

 

3. Принципиальная схема устройства  переключения новогодних гирлянд на микроконтроллере Attiny 2313

 

Данное  устройство управляет 13 светодиодами, подключенными к портам микроконтроллера. В качестве микроконтроллера используется МК фирмы ATMEL: Attiny2313. Благодаря использованию внутреннего генератора, выводы 4 и 5 задействованы как дополнительные порты микроконтроллера PA0,PA1. Схема обеспечивает выполнение 12 программ эффектов, 11 из которых - индивидуальные комбинации, а 12-тая программа – последовательный однократный повтор предыдущих эффектов. Переключение на другую программу осуществляется нажатием на кнопку SB1. Программы эффектов включают в себя и бегущий одинарный огонь, и нарастание огня, и бегущую тень и многое другое.

Рис.4 –  Принципиальная схема устройства переключения новогодних гирлянд на микроконтроллере Attiny 2313

Устройство  имеет возможность регулировки  скорости смены комбинаций при выполнении программы, которая осуществляется нажатием на кнопки: SB2 – увеличение скорости и SB3 – уменьшение скорости при условии, что переключатель SA1 находиться в положении “Скорость  программы”. Также имеется возможность  регулировать частоту горения светодиода (от стабилизированного свечения до легкого  мерцания), которая осуществляется нажатием на кнопки: SB2 – уменьшение (до мерцания) и SB3- увеличение при условии, что переключатель SA1 находиться в  положении “Частота  мерцания”. У переключателя SA2 замкнутое положение  соответствует режиму регулировки  скорости выполнения программ, а разомкнутое - режиму  регулировки частоты  горения светодиодов.