Серия КР1157ЕН5А - трехвыводные стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением в диапазоне от 5В до 27 В, могут найти применение в широком спектре радиоэлектронных устройств. Диапазон напряжений, перекрываемых данной серией стабилизаторов, позволяет использовать их в качестве источников питания, логических систем, измерительной техники, устройств высококачественного воспроизведения и других радиоэлектронных устройств. Несмотря на то, что основное назначение этих приборов - источники фиксированного напряжения, они могут быть использованы и как источники с регулированием напряжения и тока путем добавления в схемы их применения внешних компонентов. Внешние компоненты могут быть использованы для ускорения переходных процессов. Входной конденсатор необходим только в том случае, если регулятор находится на расстоянии более 5 см от фильтрующего конденсатора источника питания. Внешний вид и типовая схема включения приведены на рисунках 3.7.1 и 3.7.2 соответственно. Технические характеристики представлены в таблице 3.7.1.[1]

Основные особенности:

- Встроенная  защита от перегрева;

- Встроенный ограничитель тока КЗ;

- Коррекция зоны безопасной работы выходного транзистора;

- Диапазон температур хранения -55 ... +150С;

- Рабочий диапазон температур кристалла -45 ... +100С.

Рисунок 3.7.1 – Внешний вид и расположение выводов стабилизатора КР1157ЕН5А

 

Назначение выводов  стабилизатора КР1157ЕН5А:

- 1 – вход;  
- 2 – общий; 
- 3 – выход.

Рисунок 3.7.2 – Типовая схема включения  стабилизатора

Таблица 3.7.1 - Электрические характеристики стабилизатора КР1157ЕН5А:

4 Разработка функциональной схемы

 

      4.1 Сопряжение микроконтроллера и клавиатуры

 

      В данном устройстве используется динамический опрос клавиатуры, так как выбранная  двенадцатикнопочная клавиатура имеет  всего семь выводов и подключить каждую кнопку к отдельному выводу порта микроконтроллера не представляется возможным, хотя микроконтроллер и имеет достаточное количество свободных портов. Кроме того, такой способ включения упрощает схему и уменьшает число портов, занятых клавиатурой (рисунок 4.1.1).

      

Рисунок 4.1.1 - Схема сопряжения МК и клавиатуры

 

      Для работы с клавиатурой используются 7 выводов порта P0. Все четыре ряда кнопок опрашиваются по очереди. Для опроса первого ряда на выводах P0.1-P0.3 программно устанавливаются единицы, а на выводе P0.0 – ноль. Теперь если нажать любую кнопку первого ряда, вывод P0.0 замкнётся с выводом P0.4, P0.5 или P0.6, и на нём установится ноль. Если ни одна кнопка не нажата, на выводах P0.4, P0.5 и P0.6 будет единица за счёт подтягивающих резисторов R6-R8, которые создают на выводах высокий потенциал. Резисторы возьмём равными 4,7КОм. Аналогично опрашиваются оставшиеся три ряда кнопок на клавиатуре. При нажатии на кнопку имеет место явление дребезга контактов, однако эту проблему можно решить программно. Для этого при нажатии кнопки вводится задержка, по длительности равная переходному процессу в цепи, что позволяет избежать ложных срабатываний кнопок. Величина задержки подбирается экспериментально для каждого типа оборудования. Для примера будем используется задержка длительностью 5 мс. У такого способа есть недостаток – он замедляет работу программы, однако в данном случае это не имеет значения, так как для выполнения поставленной задачи не требуется большое быстродействие. За те 5 мс, которые программа ждёт, пользователь просто не успеет нажать на другую кнопку.

 
 

      4.2 Сопряжение микроконтроллера и исполнительного элемента электромеханического замка

 

      Для коммутации цепи питания привода электромеханического замка используются NPN-транзистор Q1 и оптопара OC1 (рисунок 4.2.1). Таким образом обеспечивается замыкание цепи с большими токами и напряжениями и гальваническая развязка цепей микроконтроллера и привода замка. Здесь используется широко распространённый транзистор отечественного производства КТ815А, характеристики которого (таблица 4.2.1) удовлетворяют требуемым (напряжение 12В и ток 0,5А) с некоторым запасом.

 

Таблица 4.2.1 – Параметры транзисторов серии  КТ815

 

      Оптопара подключается к порту P2.0 микроконтроллера через резистор R2, ограничивающий ток. Входное напряжение оптопары 1,2В при токе 25 мА, значит, падение напряжения на резисторе должно быть (5-1,2)В=3,8В. Тогда номинал сопротивления будет 3,8В/0,025А=152Ом. Ближайшее значение ряда номинальных сопротивлений 150Ом. Выходной каскад оптопары открывается низким уровнем на выводе микросхемы и закрывается высоким. Когда он открыт, напряжение подаётся на базу транзистора Q1 и он открывается, замыкая цепь привода замка. Рассчитаем сопротивление резистора R3. Для этого воспользуемся законом Ома [7]. Через цепь коллектор-эмиттер протекает ток 0,5А. Коэффициент передачи транзистора по току равен 10, значит ток база-эмиттер будет равен 0,5А/10=0,05А. На базу подаётся 5В, а на базовом переходе транзистора падает 1,2В, поэтому сопротивление резистора будет равно (5-1,2)В/0,05А=76Ом. Возьмём резистор на 80Ом. Для того чтобы транзистор самопроизвольно не открываться обратным током коллектора, ставится шунтирующий резистор R10. Пусть через него протекает ток, в три раза меньший, чем ток базы транзистора. Падение напряжения на базовом переходе 1,2В. Тогда сопротивление R10 будет равно 1,2В/(0,05А/3)=72Ом. Используем резистор 70Ом. Так как привод замка основан на индуктивности, то по закону электромагнитной индукции при коммутации в ней возникают обратные токи. Диод D2 шунтирует индуктивность в обратном направлении и препятствует появлению обратных токов в цепи. По своим характеристикам нам подходит диод КД208А. Его максимальное обратное напряжение 100В, прямой ток 1А.

 

Рисунок 4.2.1 - Схема сопряжения микроконтроллера и исполнительного элемента электромеханического замка

 

      4.3 Сопряжение микроконтроллера и устройства сигнализации открытия двери

 

      Зелёный светодиод D3 подключается к порту P2.2 микроконтроллера через ограничивающий резистор R4 (рисунок 4.3.1). Диод включается высоким уровнем сигнала на выводе. Максимальное прямое напряжение на диоде 2,8В при токе 10мА. Как раз такой ток способен обеспечить один вывод порта этого микроконтроллера. Сопротивление резистора будет равно (5-2,8)В/0,01=220Ом

Рисунок 4.3.1 - Схема сопряжения МК и светодиода

      4.4 Сопряжение микроконтроллера и устройства звуковой сигнализации

 

      Пьезоэлектрический  излучатель звука LS1 подключается к выводу P2.1 микроконтроллера и включается при появлении сигнала высокого уровня на выводе микросхемы. Напряжение питания динамика 1,5-24В.

      

Рисунок 4.4.1 - Схема сопряжения микроконтроллера и динамика

      4.5 Сопряжение микроконтроллера и датчика открытия двери

 

      Датчик  подключается к выводу порта P0.7 через резистор R9, который подтягивает напряжение на выводе до единицы, когда контакты датчика разомкнуты (рисунок 4.5.1). При замыкании контактов напряжение +5В замыкается на землю, и на выводе порта появляется ноль. Длина провода от резистора к датчику много больше длины провода к микроконтроллеру, поэтому подтягивающий резистор R9 возьмём номиналом 1КОм, а для борьбы с помехами используем конденсатор С6 на 100пФ.

 

Рисунок 4.5.1 - Схема сопряжения микроконтроллера и датчика открытия двери

      4.6 Подключение микроконтроллера к цепям, обеспечивающим его работу

 

      Подключение микроконтроллера к цепям питания, сброса, внешнему кварцевому резонатору и выводу блокировки работы с внутренней памятью (рисунок 4.6.1) является стандартным, рекомендованным производителем [4].

 

Рисунок 4.6.1 - Схема подключения микроконтроллера

 

      5 Описание среды разработки программного обеспечения

 

      При разработке и отладке программного обеспечения для данного проекта  использовался пакет ProView. ProView фирмы Franklin Software Inc. – интегрированная среда разработки программного обеспечения для однокристальных микроконтроллеров семейства Intel 8051 и его клонов. Она включает в себя все компоненты, необходимые для создания, редактирования, компиляции, трансляции, компоновки, загрузки и отладки программ [6]:

- стандартный интерфейс Windows;

- полнофункциональный редактор исходных текстов с выделением синтаксических -  элементов цветом;

- организатор проекта;

- транслятор с языка C;

- ассемблер;

- отладчик;

- встроенную справочную систему.

      Среда разработки подобна Visual C++ Microsoft и Borland C++ для Windows. Пользователи, знакомые с любым из этих изделий, будут комфортно чувствовать себя в ProView. Первый этап разработки программы – запись её исходного текста на каком-либо языке программирования. Затем производится компиляция или трансляция его в коды  системы команд микроконтроллера, используя транслятор или ассемблер. Трансляторы и ассемблеры – прикладные программы, которые обрабатывают текстовый файл, содержащий исходный текст программы, и создают объектные файлы, содержащие объектный код. После компоновки объектных модулей наступает этап отладки программы, устранения ошибок, оптимизации и тестирования программы. ProView объединяет все этапы разработки прикладной программы в единый рекурсивный процесс, когда в любой момент времени возможен быстрый возврат к любому предыдущему этапу. Далее описаны основные компоненты ProView.

      Оптимизирующий  кросс-компилятор C51

      Язык C - универсальный язык программирования, который обеспечивает эффективность  кода, элементы структурного программирования и имеет богатый набор операторов. Универсальность, отсутствие ограничений реализации делают язык C удобным и эффективным средством программирования для широкого разнообразия задач. Множество прикладных программ может быть написано легче и эффективнее на языке C, чем на других более специализированных языках.

C51 - полная  реализация стандарта ANSI (Американского  национального института стандартов), насколько это возможно для архитектуры Intel 8051. C51 генерирует код для всего семейства микроконтроллеров Intel 8051. Транслятор сочетает гибкость программирования на языке C с эффективностью кода и быстродействием ассемблера.