Układ elektroniczny

Układ elektroniczny można przedstawić w postaci układu sterującego oraz połączonych ze sobą bloków spełniających określone funkcje oraz. W urządzeniu zastosowano typowe oraz nowe niekonwencjonalne rozwiązania. Całość tworzą następujące podukłady:

- zasilacz z elektronicznie włączanym stabilizatorem napięcia U=+5V,
- generator taktujący z dwoma przełączanymi częstotliwościami,
- monitor linii sygnałowej przełączany między portami P0-P3,
- programator układów AT89S8252 i AT89Cxx51,
- zespół przełączników,
- wyświetlacz LCD 4x16,
- układ automatycznego/programowego włączania podświetlenia LCD,
- dwa wyświetlacze 7-segmentowe sterowane multipleksowo,
- wyjścia portów P0-P3 i dodatkowego zasilania,
- magistrala I²C,
- transoptor dla sygnałów wejściowych U>5V,
- zestaw styków sterujących oddzielonych galwanicznie od układu,
- regulator prędkości obrotowej wentylatora,
- czujnik IRED,
- zegar czasu rzeczywistego i pamięć zewnętrzna EEPROM,
- wzmacniacz z sygnalizatorem dźwiękowym.

W zasilaczu urządzenia zastosowano układ stabilizatora napięcia LM2941. Układ pracuje poprawnie przy spadku napięcia U_3-1=0,9V. W symulatorze sprzętowym zastosowano osiem przełączników monostabilnych.
Do włączania/wyłączania napięcia zasilającego użyto takiego samego przełącznika. Spowodowało to niewielką rozbudowę układu elektronicznego o przerzutnik typu T, wykonany przy użyciu układu CMOS 4013. Schemat układu przedstawiono na rysunku 1.

Drugi przerzutnik zastosowano w układzie zapobiegającym zjawisku odbijania styków. Generator taktujący, którego schemat przedstawiono na rysunku 2, zaprojektowano w oparciu o linearyzowane bramki NOT (74LS04).

Cztery bramki są wzmacniaczami cyfrowymi i separatorami sygnału taktującego. W układzie istnieje możliwość wybrania jednej z częstotliwości taktujących: f₁=12MHz, f₂=11,0592MHz. Użycie częstotliwości f₁ umożliwia proste zastosowanie liczników i timerów w celu odmierzania czasu. Zastosowanie częstotliwości f₂ ułatwia programowanie i prawidłowe wykonywanie komendy SOUND. Monitor linii sygnałowej zaprojektowano w taki sposób, aby dwukolorowa dioda LED świeciła kolorem czerwonym w stanie wysokim U_H, a w stanie niskim U_L kolorem zielonym. Schemat monitora linii przedstawiono na rysunku 3.

W celu zwiększenia użyteczności urządzenia zastosowano dwa programatory. Pierwszy służy do programowania mikrokontrolera AT89S8252 przez port SPI. Drugi jest programatorem układów AT89Cxx51. W mikrokontrolerach AT89C2051 i AT89C4051 do programowania układu stosowane jest dodatnie napięcie o wartości U=12V. W celu uzyskania odpowiedniego napięcia, zastosowano układu MAX662A firmy Maxim, który jest zasilaczem napięcia programującego pamięci Flash i przetwornicą napięcia charge-pump, DC-DC, 5V/12V. Schemat fragmentu programatora z przetwornicą pokazano na rysunku 4.

Wyświetlacz LCD, to typowy układ podświetlanego wyświetlacza z dwoma wierszami i szesnastoma kolumnami. W układzie, którego schemat przedstawiono na rysunku 5, zastosowano regulacje kontrastu oraz automatyczny, ręczny i programowy wyłącznik podświetlenia wyświetlacza.  

Dwa wyświetlacze siedmiosegmentowe nie wymagają stosowania metody multipleksowania. Jednak zastosowano ją w celu wyjaśnienia zasady działania układu i sposobu programowania mikrokontrolera. Mikrokontroler znajdujący się w urządzeniu, steruje dwoma wyświetlaczami LED licznika oraz wyświetlaczami LED służącymi do sygnalizacji wybranego portu.
Na rysunku 6 przedstawiono schemat układu mikrokontrolera i wyświetlaczy. W programie sterującym zawarto procedury umożliwiające przekształcenie przełącznika monostabilnego w przełącznik bistabilny. Umożliwiło to odpowiednie sterowanie układem przerwań sprzętowych, ręcznym podświetlaniem wyświetlacza LCD, wybraniem portu do monitorowania za pomocą dwukolorowych diod LED.

Zastosowanie transoptora umożliwia sterowanie mikrokontrolera z zewnętrznych układów, zasilanych wyższym napięciem od napięcia zasilającego zestaw. W układzie , którego schemat pokazano na rysunku 7, zastosowano poczwórny transoptor PC847.

W celu umożliwienia sterowani zewnętrznych urządzeń z oddzieleniem galwanicznym, zastosowano przekaźnik. Schemat układu przedstawiono na rysunku 8. Styki przekaźnika można połączyć do napięcia sieci U=230V i obciążyć je prądem o natężeniu I_max=0,2A. Rozszerza to znacząco zakres zastosowań układu. Możliwym jest sterowanie odbiornikami o charakterze rezystancyjnym lub indukcyjnymi i mocy nie przekraczającej P≤400VA.

W przypadku zastosowania zasilania o napięciu z  zakresu U=(15-24)V w układzie stabilizatora zostanie wydzielona moc przekraczająca wartość dopuszczalną. Niezbędne jest odprowadzenie wydzielanego ciepła na zewnątrz obudowy. W tym celu zastosowano wentylator z układem automatycznej regulacji prędkości obrotowej, którego schemat pokazano na rysunku 9.

W zestawie dydaktycznym zastosowano zegar czasu rzeczywistego. Jest to układ PCF8773. Programowanie układu i odczyt danych w postaci czasu i daty odbywa się za pomocą szyny I²C. W celu podtrzymania działania zegara podczas odłączania napięcia zasilającego, zastosowano ogniwo litowe CD3032. Schemat układu przedstawiono na rysunku 10. Dodatkowo do szyny I²C dołączono pamięć EEPROM typu AT24C04 umożliwiającą zapisanie 512 bajtów danych.

Mikrokontroler AT89S8252 posiada 1kB pamięci EEPROM przeznaczonej na zapisywanie danych. Jednak układy z serii AT89Cxx51 nie posiadają tej pamięci, stąd konieczność stosowania pamięci zewnętrznej. Sygnalizator dźwiękowy umożliwia tworzenie prostych sekwencji dźwiękowych. Schemat wzmacniacza z przetwornikiem piezoelektrycznym, pokazano na rysunku 11.

Konstrukcja

Przedstawione schematy podukładów zebrano na trzech schematach przeznaczonych do wykonania list elementów i ich połączeń. Listy połączeń umożliwiły zaprojektowanie trzech osobnych obwodów drukowanych PCB. Konstrukcja składająca się z trzech płytek drukowanych została umieszczona w obudowie Z-33A  o wymiarach 210x145. Urządzenie zawiera trzy płytki drukowane – dolną, górną oraz płytkę z podstawkami.
Po zaprojektowaniu obwodów drukowanych wygenerowano za pomocą programu Protel 99 SE (wersja 30-dniowa) wizualizację 3D płytek. Pokazują one trójwymiarowy widok zamontowanych elementów i układ rozmieszczenia ścieżek obwodu drukowanego.

Wizualizacja 3D umożliwiła wykonanie wstępnej weryfikacji konstrukcji. W końcowej konstrukcji zmieniono położenie wyświetlacza LCD oraz rozmieszczenie przycisków sterujących. Zostały one odsunięte od pozostałych, tworząc oddzielną grupę. Płytki z częściami elektronicznymi, odpowiadające  wizualizacji przedstawionej na rysunku 12 pokazano na rysunku 13.

Na rysunkach nie przedstawiono zewnętrznego zasilacza prądu stałego. Odpowiednia konstrukcja stabilizatora znajdującego się wewnątrz zestawu, umożliwia dołączenie zasilacza napięcia stałego lub przemiennego o wartości napięcia U=(7,5-24)V i wydajności prądowej I_min=0,8 A.

Rysunek 14 przedstawia wizualizację oraz płytkę programatora z podstawkami pod mikrokontrolery. Zastosowanie podstawek typu ZIF umożliwia programowanie i testowanie wielu mikrokontrolerów. Dwie podstawki ZIF20 zastosowano w celu oddzielenia układu programatora od układu symulatora. Na rysunkach 15 i 16 przedstawiono widoki boczne zestawu dydaktycznego, a rysunek 17 pokazuje front urządzenia.