Настраиваемая система автоматического управления освещенностью и температурой в террариуме

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

В первой лабораторной работе, по согласованию с преподавателем, было написано техническое задание к дипломному проекту.

НАСТРАИВАЕМАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕННОСТЬЮ И ТЕМПЕРАТУРОЙ В ТЕРРАРИУМЕ «ЗАРЯ»

) НАИМЕНОВАНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

.1) Настраиваемая система автоматического управления освещенностью и температурой в террариуме на базе программно-аппаратной платформы arduino (далее «Заря»).

.2) «Заря» используется в домашних террариумах для создания климатических условий, приближенных к местам обитания конкретных рептилий.

2) СОСТАВ КОМПЛЕКТА

2.1) «Заря», -1 шт

.2) Внешний блок питания, -1 шт

.3) Кабель USB, -1 шт

.4) Комплект документации, -1 компл.

.5) Штатная упаковка

) ТЕХНИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

.1) «Заря» должна обладать функцией ввода со встроенной клавиатуры базовых настроек и их вывод на встроенный монохромный дисплей.

.1.1) Базовые настройки должны включать в себя установку текущей даты (день, месяц), времени (час, мин), региона происхождения рептилии.

.1.2) Введенные настройки должны отображаться на дисплее после их применения через равные промежутки времени (5-10 сек)

.2) «Заря» должна обладать функцией регулировки интенсивности свечения УФ лампы и греющей лампы, в зависимости от настроек.

.2.1) Интенсивность свечения УФ лампы должна зависеть от текущих времени, даты и региона.

.2.2) Интенсивность греющей лампы должна зависеть от текущих времени, даты, региона и показаний датчика температуры.

.2.3) В качестве греющей лампы должна использоваться лампа накаливания от 40 до 60 Вт с цоколем E27.

.3) «Заря» должна иметь возможность обновлять программное обеспечение при подключении системы «Заря» к персональному компьютеру через интерфейс USB.

.4) «Заря» должна иметь в своем составе управляемый (диммируемый) ЭПРА 1х18 Вт для люминесцентных ламп T8.

.5) Внешний блок питания должен обеспечивать выходное напряжение 5-12 В постоянного тока.

) УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ХРАНЕНИЯ

.1) «Заря» должна сохранять работоспособность при воздействии следующих параметров окружающей среды:

·    Температура: от +10 до + 40 ºС

·        Относительная влажность воздуха до 99%

4.2) «Заря» должна сохранять работоспособность при наличии следующих механических воздействий:

·    Вибрация с ускорением 10g и частотой 20 Гц.

·        Ударные нагрузки до 15g

4.3) «Заря» должна сохранять работоспособность после воздействия следующих параметров окружающей среды:

·    Температура: от -10 до + 60 ºС

·        Относительная влажность воздуха до 100%

4.4) «Заря» должна сохранять работоспособность после механических воздействий в виде вибрации с ускорением 20g и частотой 20 Гц. продолжительностью 15 минут и ударных нагрузок с ускорением 30g в количестве 10 раз.

) КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ

.1) «Заря» должна быть исполнена в виде прямоугольного параллелепипеда высотой 5 см, шириной 60÷120 см, шириной 40÷60см, в зависимости от размеров террариума.

.2) «Заря» должна в своем составе отражатель с цоколем G13.

.3) «Заря» должна иметь в своем составе регулируемый по углу наклона и углу поворота кронштейн с цоколем E27.

) ТРЕБОВАНИЯ К УСЛОВИЯМ ТРАНСПОРТИРОВКИ

.1) Изделие должно транспортироваться в штатной упаковке

.2) Изделие предназначено для транспортировки автомобильным, железнодорожным, авиационным и водным транспортом, без нарушения условий хранения.

) ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

.1) Стоимость комплекта изделия, при производстве 1000 шт., не должна превышать 5000 руб.

.2) Срок гарантийного обслуживания - 2 года с момента покупки

. БЛОК-СХЕМА ЦИФРОВОГО УЗЛА

В ходе выполнения лабораторной работы №2 в среде разработки Quartus была разработана блок-схема цифрового узла (Рис. 1), реализующая генератор прямоугольных импульсов с изменяемой частотой (меандр, изменение осуществляется с помощью двух кнопок: «больше», «меньше»).

Рисунок 1 «Блок-схема цифрового узла»

В данной схеме используются следующие компоненты:

1.   INPUT - входной порт:

1.1.         sysclk - вход тактового генератора;

1.2.   up - сигнал кнопки, увеличивающей значение счетчика;

1.3.   down - сигнал кнопки, уменьшающей значение счетчика;

2.   OUTPUT - выходной порт:

2.1.         bus[3..0] - содержимое реверсивного счетчика нажатий кнопок, выведена для диагностики работы схемы;

2.2.   RS - состояние RS-триггера, определяющее направление счета в реверсивном счетчике.

2.3.   MEANDR - на этот выход подаются прямоугольные импульсы с выбранной частотой.

3.   OR2 - логическое ИЛИ.

4.      NOT -Инверсия сигнала.

5.      RSFF - RS-триггер, задающий направление счета.

6.      TFF - T-триггер, формирующий прямоугольные импульсы.

7.      Lpm_counter1 - счетчик, созданный путем выбора параметров макрофункции lpm_counter. Настроены следующие параметры: разрядность 4 бита, вход синхронного сброса, вход синхросигнала.

8.      Lpm_counter2 - реверсивный счетчик, созданный путем выбора параметров макрофункции lpm_counter. Настроены следующие параметры: разрядность 4 бита, вход направления счета, вход синхросигнала.

9.      Lpm_compare - комапратор, созданный путем выбора параметров макрофункции lpm_compare. Настроены следующие параметры: разрядность операндов A и B 4 бита, выход сигнала равенства операндов AeB.

Тестирование работы цифрового узла, описанного блок-схемой, выполнено следующим образом:

1.   Необходимо создать файл векторной диаграммы (vector waveform file). Затем в поле Name нужно вставить входные и выходные порты схемы. (Рис. 2)

Рисунок 2 «Добавление портов на диаграмму»

2.     Задать входным портам соответствующие значения (рис.3).

Рисунок 3 «Задание значений входных портов»

3.   Затем запустить симуляцию.

Рисунок 4 «Результат симуляции».

В результате анализа временных диаграмм видно, что при нажатии на кнопку «UP» значение счетчика увеличивается, а частота уменьшается. При нажатии на кнопку «DOWN» значение счетчика уменьшается, а частота увеличивается. Для оптимизации схемы к работе на плате был добавлен счетчик, понижающий частоту мерцания светодиода с 25 МГц до 3 Гц. Также была добавлена цепь подавления дребезга контактов (рис. 5).

Рисунок 5 «Схема с подавлением дребезга»

Рисунок 6 «Подавление дребезга на временной диаграмме».

3. ОПИСАНИЕ ЦИФРОВОГО УЗЛА НА ЯЗЫКЕ AHDL

регулировка лампа настройка свечение

Схема цифрового устройства, описанного в предыдущем разделе, создана заново с использованием языка описания AHDL. Далее приведен текст программы на языке AHDL.

Title "Meandr Generator(lab3)";

"lpm_counter0.inc";"lpm_counter1.inc";"lpm_compare0.inc";

laba3

(,up,down:INPUT;,meandr:OUTPUT;[3..0]:OUTPUT;[3..0]:OUTPUT;

):lpm_counter1;%сч-к импульсов такт генер-ра%:lpm_counter0;%сч-к нажатий кнопок%:lpm_compare0;%компаратор шин данных счетчиков %

rstri:SRFF;%RS триггер%

ttri:TFF;%T триггер%

BEGIN

%системный счетчик %.clock=sysclk;.sclr=(cmp.aeb # cmp.ageb);0[3..0]=syscnt.q[3..0];%значение системного счетчика на выход для проверки %

%RS триггер%.s=up;.r=down;.clk=sysclk;=rstri.q;% состояние триггера на выход для проверки %

%счетчик нажатий%

updowncnt.updown=rstri.q;%Направление счета %

updowncnt.clock=(up#down); %Счет нажатий%1[3..0]=updowncnt.q[3..0]; %значение счетчика нажатий на выход для проверки %

%Компаратор%

cmp.dataa=syscnt.q[3..0];

cmp.datab=updowncnt.q[3..0];

%Т триггер%

ttri.clk=sysclk;

ttri.t=cmp.aeb;

meandr=ttri.q;

END;

Для уменьшения трудоемкости разработки программ существует возможность включения в программу ранее созданного экземпляра макрофункции. Например, команда INCLUDE "lpm_counter0.inc", включает в программу счетчик lpm_counter0 из предыдущего раздела.

Тестирование работы цифрового узла, описанного на языке AHDL, аналогично тестированию цифрового узла, описанного блок-схемой.

4. ПРИВЯЗКА ПОРТОВ К СИГНАЛАМ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ МИКРОСХЕМЫ

Для привязки портов схемы к контактам чипа Altera MAX7000S используется утилита PinPlanner, встроенная в систему автоматизированного проектирования Quartus II. привяжем сигналы к портам микросхемы. В основном поле утилиты располагается графическое изображение чипа «MAX700S EPM7128SLC84-7» с указанием свободных и занятых контактов. К свободным контактам можно привязать порты своей схемы (рис. 7).

Рисунок 7. «Привязка портов к контактам чипа»

Сигналы TCK, TDI, TDO, TMS создаются автоматически при компиляции после выполнения привязки. Перед обновлением информации о используемых контактах (create/update) эти порты необходимо удалить из таблицы.

После привязки портов можно произвести прошивку микросхемы через утилиту Programmer, так же встроенную в САПР Quartus. Отмеченными должны быть пункты «Program/configure» и «Verify» (рис 8.).

Рисунок 8. «Привязка портов к контактам чипа»

Перед прошивкой платы необходимо соединить порты чипа с соответствующей периферией (DIP-переключатели, кнопки, светодиоды, 7-сегментные переключатели). После этого можно начать прошивку, нажав кнопку «Start» утилиты Programmer.

После выполнения вышеуказанных действий производится проверка соответствия работы платы и поставленной задачи. При несовпадении цели и результата производится отладка.

5. ОТЛАДОЧНЫЕ РАБОТЫ ПРИ ПРОГРАММИРОВАНИИ МИКРОСХЕМЫ

В ходе первого тестирования выяснилось, что светодиод мигает с базовой частотой (3 Гц) и плата схема не реагировала на нажатие кнопок.

В цепь кнопки «UP» и кнопки «DOWN» пришлось добавить по инвертору (NOT), т.к. кнопки при нажатии формируют сигнал «0», а в не нажатом состоянии - «1». Это значит, что обе кнопки все время формировали сигнал «1», который поступал на входы «R» и «S» RS-триггера, что приводило к некорректной работе.

Также выяснилось, что была неправильно подключена задержка в цепь подавления дребезга контактов. Для получения задержки ~50мс при работе от тактового генератора 25,175 МГц, нужен счетчик разрядностью 20-21 бит. Был выбран счетчик разрядностью 20 бит, что должно было обеспечить задержку 41 мс. Однако, к тактовому входу счетчика был подключен сигнал не от тактового генератора 25,175 МГц, а от счетчика, задающего базовую частоту светодиода 3 Гц. Это обеспечило задержку величиной 96,11 часов.

На случай непредвиденных обстоятельств, к прошивке была подготовлена отладочная версия схемы с выводом 4-разрядного содержимого обоих счетчиков на светодиоды (рис. 9).

Рисунок 9. «Отладочный вариант схемы»

ВЫВОД

Была спроектирована схема, реализующая генератор прямоугольных импульсов с изменяемой частотой (меандр, изменение осуществляется с помощью двух кнопок: «больше», «меньше»), была проведена подготовка к прошивке, прошивка и отладка. В ходе выполнения лабораторных работ и курсовой работы были получены навыки проектирования цифровых схем в САПР Quartus II. Проектирование производилось как в виде блок-схем, так и в текстовом виде (на языке описания аппаратуры AHDL).