USB осциллограф на микроконтроллере ATTINY45

Введение

На сегодняшний день огромное развитие получили электронные устройства. Человек использует их в своей деятельности почти во всех сферах(ПЕРЕЧИРСЛИТЬ). Большая часть таких устройств выполняется на основе микроконтроллеров.

Цель курсовой работы «USB осциллограф на микроконтроллере  ATTINY45»заключается:

-        Спроектировать электрическую-принципиальную схему «USB осциллографа» с использованием микроконтроллера;

-        Выполнить расчёт электрической цепи светодиода(VD1);

-        Выполнить программирование микроконтроллера ATTINY45;

-        Рассчитать надежность системы.

1. Общая часть

1.1                Общие сведения о микропроцессорных системах

Микропроцессорная система представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом из микропроцессора и/или микроконтроллера.

Микропроцессор - процессор <#"729368.files/image001.gif">

Простейшая структурная схема осциллографа (рис. 1) состоит из трех элементов: усилителя вертикально отклоняющего напряжения Ux, генератора развертки G  и ЭЛТ. Формирование осциллограммы осуществляется следующим образом: Исследуемое напряжение (его мгновенное значение во времени) Ux через усилитель подают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Под действием этого напряжения электронный луч отклоняется по оси ординат на Y = kSY ·t), где: k - коэффициент усиления усилителя; SY - чувствительность трубки по оси ординат.

осциллограф микроконтроллер схема измерительный

2.3 Электрическая принципиальная схема

Рисунок 1 - Блок схема ATTINY 45-20p

3.  Специальная часть

3.1 Принцип работы схемы

Осциллограф - измерительный прибор для наблюдения зависимости между двумя или несколькими быстро меняющимися величинами (электрическими или преобразованными в электрические). Наиболее распространены электронно-лучевые осциллографы, в которых электрические сигналы, пропорциональные изменению исследуемых величин, поступают на отклоняющие пластины осциллографической трубки; на экране трубки наблюдают или фотографируют графическое изображение зависимости.

Микроконтроллеры AVR фирмы ATMEL, появившись на рынке интегральных микросхем в 1996 г., сразу же привлекли к себе внимание разработчиков электронной аппаратуры. Удачное сочетание RISC-архитектуры ядра, обеспечивающей высокую производительность, с широким набором команд, Flash-памятью для программ быстро продвинуло микроконтроллеры AVR занимает главные позиции на рынке.

На смену микроконтроллерам первых семейств Tiny и Classic пришло новое поколение микроконтроллеров Mega. Сохранив программную совместимость, микроконтроллеры Mega обрели новые возможности: пониженные напряжения питания до 2.7в и энергопотребление, повышенное быстродействие до 16Мгц, и объем Flash-памяти до 128Кбайт.- самая обширная производственная линии среди других флэш-микроконтроллеров корпорации Atmel. Atmel представила первый 8-разрядный флэш-микроконтроллер в 1993 году и с тех пор непрерывно совершенствует технологию. Прогресс данной технологии наблюдался в снижении удельного энергопотребления (мА/МГц), расширения диапазона питающих напряжений (до 1.8 В) для продления ресурса батарейных систем, увеличении быстродействия до 16 млн. операций в секунду, встраиванием эмуляции в реальном масштабе времени, реализации функции самопрограммирования, совершенствовании и расширении количества периферийных модулей, встраивании специализированных устройств (радиочастотный передатчик, USB-контроллер, драйвер ЖКИ, и т.д)

Я выбрал микроконтроллер на базе Attiny 45-20, так как он обладает высокой производительностью, увеличенным быстродействием до 16 млн. операций в секунду, низким энергопотреблением в режиме ожидания и уменьшенным шумом выключения, а так же он способен работать до 10.000 тысяч часов в режиме: записи/стирания.

В основе схемы стоит микроконтроллер ATTINY45-20P.Осциллограф имеет два аналоговых входа и питается от USB-интерфейса. Один вход задействован через потенциометр, что позволяет уменьшать уровень входного сигнала

.

3.2 Расчет цепи

Рассчитываем диод VD1;

Согласно закону Ома сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорционально сопротивлению проводника.

Где U- напряжение, I -сила тока. Справочное значение: U =25,5 В

I = 0.4 мА (максимальное значение) Расчетное значение сопротивления получаем

Диоды под эту схему подходят любые.

4.       Понятие о надежности системы

4.1 Основные понятия надежности

Надёжность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Интуитивно надёжность объектов связывают с недопустимостью отказов в работе. Это есть понимание надёжности в «узком» смысле - свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Иначе говоря, надёжность объекта заключается в отсутствии непредвиденных недопустимых изменений его качества в процессе эксплуатации и хранения. Надёжность тесно связана с различными сторонами процесса эксплуатации. Надёжность в «широком» смысле - комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, а также определённое сочетание этих свойств.

Основныеопределения:

-        Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки

-        Отказ - событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности.

-        Сбой - самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.

Показатели надежности являются:

-        Безопасность работы

(1)

-        Средние время безотказной работы

(2)

-        Средняя наработка на отказ

(3)

-        Частота отказа

(4)

4.2 Расчет надежности «Простого USB осциллографа»

Рассчитываем коэффициент нагрузок КHR для резисторов по формуле, где КHR- коэффициент нагрузки резистора

КHR=PR / Pдоп(5)рабочая мощность резистора, Вт;доп- допустимая мощность резистора, Вт;

Мощность резистора определяется по формуле=U2 / R (6)

где U- напряжение на резисторе, В;сопротивление резистора, Ом;

Рассчитываем резистор R1 по формуле: U=5(B); R1=1,5(кОм);  =52/1500=25/1500=0,016 (Bm)

КHR1=0,016/0,125=0,128

принимаем КH=0,2

α=0,2

принимаем альфа из таблице

λ0 =0,4

принимаем лямбду по таблице

λi=0,2*0,4=0,08

λс=0,08*3=0,24

Рассчитываем резисторы  R2 и R3 по формуле: U=5(B); R2,3=1(кОм);,3=52/1000=25/1000=0,025 (Bm)

КHR2,3=0,025/0,125=0,2

принимаем КH=0,2

α=0,2

принимаем альфа из таблице

λ0 =0,4

принимаем лямбду по таблице

λi=0,2*0,4=0,08

λс=0,08*3=0,24

Рассчитываем коэффициент нагрузок Кнс для конденсаторов по формуле, где Кнс-  коэффициент нагрузки конденсатора

Кнс=Uc /Uдоп(7)

Uc- напряжение на конденсаторе, В;доп- допустимое рабочее напряжение конденсатора, В;

Рассчитываем конденсатор С1 по формуле: Uc=5(В); Uдоп=25(В);

принимаемКн=0,5

α=0,09

принимаем альфа по таблице

λ 0=2

принимаем лямбду по таблице

λi=0,09*2=0,18

λс=0,18*2=0,54

Рассчитываем конденсатор С2,3 по формуле: Uc=5(В); Uдоп=50(В);

Кнс2,3=5/50=0,1

принимаемКн=0,3

α=0,06

принимаем альфа по таблице

λ 0=2

принимаем лямбду по таблице

λi=0,06*2=0,12

λс=0,12*1=0,12

Рассчитываем коэффициент нагрузок Кнд для стабилитронов по формуле

Кнд=I/Imax(8)

где I- фактически выпрямленный ток, мА;максимально допустимый выпрямленный ток, мА

Для стабилитрона VD1, VD2: Imax=252(мА); I=69(мА)

Кнд=69/252=0,27

принимаемКн=0,25

α=0,45

принимаем альфа по таблице

λ 0=5

принимаем лямбду по таблице

λi=0,45*5=2,25

λс=2,25*4=9

Расчет микроконтроллера производим по формуле

λобщ=λ0*Кн*Кор*К1*К2*n(9)

λ 0=0,01

Кор=10

Кн=0,5

К1=К2=1=1

гдеКн - коэффициент нагрузки;

Кор - коэффициент интенсивности отказа;

К1 - коэффициент механических нагрузок;

К2 - коэффициент механического напряжения- Количество микроконтроллеров.

λобщ=0,01*0,5*10*1*1*1=0,05

Рассчитываем места спаек:

λc= λ0*n(10)

Берем значение  λ0 по таблице:

λ0=0,004

Считаем количество паек на схеме: n=34

λc=0,004*34=0,13

Заключение

В заключении описаны достоинства и недостатки микроконтроллеров Attiny.

Основным достоинством таких микроконтроллеров является простота в их использовании, программировании, установке и др. Также благодаря малому количеству компонентов в микроконтроллерах, используемых при построении приборов, их размеры уменьшаются, а надежность увеличивается.

Приложение А

(справочное)

Архитектура микроконтроллера Attiny