Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Факультет электроники и телекоммуникаций
Кафедра «Радиоэлектроники и телекоммуникаций»
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
(бакалаврская работа)
На тему: “Разработка практических рекомендаций по применению отладочного
модуля Arduino”
Студент группы № РБ-71
Маяков Илья Михайлович
Руководитель ВКР:
Захарова Светлана Сергеевна
Консультант:
Москва, 2013
Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Факультет электроники и телекоммуникаций
Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой
______________ / С.У.Увайсов/
«___» ____________ 2013 г.
ЗАДАНИЕ
НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ (ВКР)
студенту 4 курса группы РБ-71 Маякову Илье Михайловичу
1 .Тема: «Разработка практических рекомендаций по применению отладочного
модуля Arduino»
(Утверждена приказом от _________________ № _____________)
2. Срок сдачи ВКР руководителю: 27.05.2013
Срок сдачи ВКР на выпускающую кафедру: 10.06.2013
3. Техническое задание:
а) Подобрать отладочный модуль с микроконтроллером фирмы Atmega
для разработки обучающего стенда по микроконтроллерам.
б) Разработать макет гибкого стенда для проверки различных схем.
в) Провести исследование выбранной схемы.
2
4. Содержание пояснительной записки.
1) Введение
2) Разработка технического задания
3) Теоретическая часть
4) Описание отладочного модуля
5) Описание структурной схемы
6) Описание принципиальной схемы лабораторного стенда
7) Выбор элементной базы
8) Разработка экспериментального стенда
9) Заключение
5. Решение задач на ЭВМ.
1) Пояснительная записка выполнена в MS Word
2) Слайды выполнены MS Power Point
3) _______________________________
7. Перечень графического материала.
1) Слайды
2) ________________________
3) ________________________
4) ________________________
5) ________________________
8. Консультанты по ВКР.
Консультант ________________________ /Крючков Николай Михайлович/
(подпись)
Консультант ________________________ /__________________/
(подпись)
(ФИО)
Консультант ________________________ /__________________/
(подпись)
(ФИО)
3
9. Дата выдачи задания «___» ______________ 2013 г.
Руководитель ВКР ________________________ /__________________/
(ФИО)
(подпись)
Задание принято к исполнению _____________________
/_________________/
(подпись)
(ФИО)
«___» ______________ 2013 г.
Примечание.
Задание оформляется в двух экземплярах и сдается на кафедру. После утверждения
один экземпляр задания выдается на руки студенту. Экземпляр задания вшивается в
пояснительную записку.
4
Оглавление
Введение ....................................................................................................................................................................... 6
Разработка технического задания ............................................................................................................................ 10
1.2
Требования к функциональному назначению. ................................................................................ 10
2. Теоретическая часть ........................................................................................................................................... 12
2.1 Микроконтроллеры AVRсемейства Mega. ............................................................................................... 12
2.2. Характеристики процессора....................................................................................................................... 13
2.3 Жидкокристаллические индикаторы ............................................................................................................. 14
2.4 Сравнительный анализ аккумуляторов ......................................................................................................... 18
2.4.1 Никель-кадмиевые (NiCd) ....................................................................................................................... 18
2.4.2 Литий-ионные (Li-ion) ............................................................................................................................ 20
2.4.3 Литий-полимерные (Li-Pol) ..................................................................................................................... 21
2.4.4 Свинцово-кислотные SLA/Pb аккумуляторы ......................................................................................... 22
2.5 Виды аккумуляторов по типу конструкции .................................................................................................. 23
2.6 Физические параметры аккумуляторов: ........................................................................................................ 24
3
Описание отладочного модуля ......................................................................................................................... 27
3.1 Общие сведения ............................................................................................................................................... 27
3.1.1 Технические характеристики .................................................................................................................. 27
4. Описание структурной схемы. ............................................................................................................................. 30
5. Описание принципиальной схемы лабораторного стенда. ............................................................................ 31
6. Выбор элементной базы .................................................................................................................................... 32
Заключение ................................................................................................................................................................ 35
Приложения ............................................................................................................................................................... 36
Список использованных источников ....................................................................................................................... 37
5
Введение
Все сложнейшие электронные приборы, без которых также сложно
себе представить современного человека содержат микроконтроллеры.
Микроконтроллер содержит в себе все устройства, необходимые для
реализации цифровой системы управления:
1. Процессор
2. Тактовый генератор
3. Память данных и программ
4. Порты ввода-вывода.
Эти элементы соединены внутренние магистралью. При помощи
портов ввода-вывода микроконтроллер взаимодействует с внешней средой.
Современные микроконтроллеры имеют систему прерываний, а так же
разного рода встроенную периферию, например таймеры, ЦАП, АЦП,
компараторы и др. Одними из популярнейших микроконтроллеров являются
микроконтроллеры AVRфирмы Atmel. Микроконтроллеры AVRобретаю все
большую известность и популярность в мире. Во многом это обусловлено
хорошим соотношением цена/быстродействие/энергопотребление.И тем не
менее на рынке присутствует нехватка недорогих и простых устройств на
микроконтроллерах AVR.
Основным направлением научно-технического прогресса является
именно развитие микроэлектроники, а также применение микропроцессоров
в промышленном производстве и управления самыми разнообразными
объектами и процессами.
Используя микроконтроллеры в изделиях приводит к решение сразу
двух проблем, первая – это повышение технико-экономических показателей,
а именно:
1.
Стоимости
2.
Качество
3.
Потребляемой мощности
6
4.
Габаритных размеров.
И вторая это – уменьшение времени разработки, ибо микропроцессоры
крайне универсальны и адаптивны.
При использовании микроконтроллеров в системах автоматического
управления
(САУ)
эффективности.
самоуправление
Микроконтроллеры
достигает
представляют
больших
собой
значений
эффективное
средство автоматизации разнообразных объектов и процессов.
AVRфирмы
Atmel
8-битные
RISC-микроконтроллеры
для
встраиваемых приложений являются, пожалуй, наиболее интересным
направлением, развиваемым фирмой. Они представляют собой мощный
инструмент,
прекрасную
высокопроизводительных
и
основу
для
экономичных
создания
встраиваемых
современных
контроллеров
многоцелевого назначения.
И
естественно
самое
эффективное
средство
автоматизации
разнообразных объектов и процессов являются – микроконтроллеры.
Микроконтроллеры AVRпоявились на прилавках магазинов где-то 10
лет назад. Хотелось бы заметить, что актуальность и популярность
микроконтроллеров и сейчас высока. Из года в год фирма Atmel обретает все
большую популярность и захватывая новые ниши на рынке.
Основную роль в этом играет соотношение показателей:
1. Цена
2. Быстродействие
3. Энергопотребление
Фирма Atmel можно и сейчас считать, едва ли не лучшим на рынке 8битных микроконтроллеров. Другие же производители программных и
аппаратных средств увеличивают выпуск своих изделий, дабы поддержать
разработки на их основе. Все это позволяет говорить о микроконтроллерах
AVRкак об индустриальном стандарте среди 8-битных микроконтроллеров.
7
В настоящее время в рамках единой базовой архитектуры микроконтроллеры
AVRподразделяются на несколько семейств:
- Tiny AVR;
- Mega AVR;
Сейчас для проектирования и отладки устройств на микроконтроллерах
применяют готовый модуль Arduino, разработанный на базе процессора Mega
AVR.
Arduino — это аппаратная платформа, которая содержит простой
интерфейс ввода-вывода и поддерживает среду разработки, реализующую
от¬крытый язык программирования Processing, основанный на Java
Arduino
может
служить
основой
для
разработки
автономных
интерактивных устройств или может работать под управлением ПО,
установленного на соединенном с ним компьютером. В последнем случае в
качестве ПО помимо языка Processing могут использоваться Flash, VVVV и
Max/MSP. Arduino можно собрать самостоятельно вручную,
можно
приобрести уже в готовом виде. Интегрированную среду разработки с
открытым кодом (IDE, Integrated Development Environment) можно загрузить
бесплатно с веб-сайта.
От иных подобных устройств, предлагающихся на рынке, Arduino
отличаются следующим свойствами:
•
Мультиплатформная среда; она может работать под управлением
операционных систем Windows, Macintosh и Linux.
•
Она базируется на языке Processing; эта простая и удобная в
применении среда разработки используется художниками и дизайне-рами.
•
Программирование устройства осуществляется посредством
USB-интерфейса, а не через последовательный порт. Это создает дополни
тельное
удобство,
поскольку
последовательный
порт
отсутствуют
большинстве современных компьютеров.
8
•
Те элементы ,из которых состоит Arduino, недорогое. USB-плата стоит
около 20 ЕВРО, а замена сгоревшего чипа обойдется где-то в 5 ЕВРО. Так
что можно позволить себе сколько угодно ошибаться.
•
Существует много литературы по применению данного модуля
9
Разработка технического задания
1.1 Цель работы
Внедрить в учебный процесс отладочный модуль Arduino тем самым,
улучшить теоритические и практические знания студентов кафедры РЭТ
МИЭМ НИУ ВШЭ в области микропроцессоров, их программирования,
регулировки и отладки.
1.2 Требования к функциональному назначению.
Изготовить макет устройства для измерения емкости аккумуляторов,
измеряя падание напряжения на сопротивлении, а также же для проведения
лабораторных работ в вузе по измерению емкости аккумуляторов. Применять
Arduino как лабораторный стенд и наглядное пособие для изучения
отладочного модуля Arduino и программных средств для микроконтроллеров
AVR, например AVRstudio, Code Vision и.т.д.
1.3 Актуальность.
На сегодняшний день проектируется довольно много бытовых
приборов и устройств на базе микроконтроллеров. Микроконтроллеры
семейства mega AVRнаиболее просты и не дороги в цене в отличии от других
аналогичных
микроконтроллеров.
Для
AVRиспользуется язык программирования
проектирования
mega
Processing, который довольно
доступен и прост в освоении. Это предоставляет возможность в короткие
сроки разработать устройство. В частности на аппаратной платформе Arduino
мною был разработан измеритель емкости аккумулятора, который довольно
точно измеряет номинальную емкость аккумулятора. Важным пунктом
является то что, разработка данного устройства, заняла минимум времени и
10
позволило,
получить
качественное
изделие,
которое
удовлетворяет
требованиям.
11
2. Теоретическая часть
2.1 Микроконтроллеры AVRсемейства Mega.
Большинство микроконтроллеров фирмы «Аtmel» изготовляются по
технологии КМОП, которая в сочетании архитектурой RISC дает возможно
получить
хорошие
результаты
в
соотношении
быстродействие
и
энергопотребления. Все микроконтроллеры AVRсемейства Mega являются 8разрядными микроконтроллерами, которые предназначены для встраемых
приложений.
Стоит
отметить
что
описываемое
семейство
микроконтроллеров является самым развитым
Особенности микроконтроллеров AVRсемейства Mega:
 FLASH память программ. Объемом от 8 до 128 Кбайт;

ОЗУ объемом от 1 до 4 Кбайт;
 EEPROM объемом от 512 байт до 4 Кбайт (число циклов
стирания/записи не менее 100000);
 Защита от чтения и модификации памяти программ и данных;
 программирование непосредственно в системе, через последовательные
интерфейсы SPI и JTAG'
 возможность внутрисхемной отладки в соответствии со стандартом
IEEE 1149.1 (JTAO);
 Способы синхронизации: встроенный RC- генератор с внутренней или
внешней времязадающей RС - цепочкой или с внешним резонатором ;
 Возможность подключения внешнего сигнала синхронизации;
 Режимы пониженного энергопотребления;
 наличие детектора снижения напряжения питания (brown-out detector,
BOD);
 возможность программного снижения частоты тактового генератора.
12
2.2. Характеристики процессора
Подавляющее
большинство
основных
характеристик
процессора
микроконтроллеров линейки Mega такие же, что и микроконтроллеров
других линеек Classic и Tiny:
 полностью статическая архитектура; минимальная тактовая частотаравна нулю;
 АЛУ подключено непосредственно к регистрам обшего назначения;
 большинство команд выполняются за один машинный цикл;
 многоуровневая система прерываний; поддержка очереди прерываний.
Процессор микроконтроллеров семейства Mega имеет ряд
свойств, присущих именно этому семейcтву:
 наибольшее число источников прерываний (до 27 источников, из них
до 8 внешних);
 наличие программного стека во всех моделях семейства;
 имеется аппаратный умножитель.
13
2.3 Жидкокристаллические индикаторы
ЖК-индикаторы - пассивные устройства. Они в принципе не
генерируют свет и требуют дополнительной подсветки, сами же выполняют
роль модулятора, работая в режиме пропускания или отражения света.
Жидкие кристаллы (ЖК) представляют собой органические жидкости,
имеющие удлиненные стержнеобразные молекулы. Различают ЖК трех
типов (рис. 1): смектические, нематические и холестерические.
В смектических ЖК сильно вытянутые молекулы располагаются
слоями одинаковой толщины, близкой к длине молекул. Ориентированы
молекулы параллельно друг другу. У нематических ЖК отсутствует слоистая
структура, а молекулы также ориентированы параллельно друг другу своими
длинными осями. Холестерические ЖК имеют структуру слоистую, но в
каждом
слое
молекулы
вытянуты
в
некотором
преимущественном
направлении.
Рис. 1 - Типы жидкокристаллических индикаторов:
а - смектические; б - нематические; в - холестерические
Ориентация отдельной молекулы ЖК подвергается непрерывным
тепловым флюктуациям, однако в точке жидкости есть средняя ориентация,
характеризуемая единичным вектором, называемым директором D. Когда
ЖК-вещество занимает очень крупный объем, то в молекуле появляются
местности с независимыми ориентациями директора. Для придания
14
одинаковой ориентации во всем рабочем пространстве ЖК заключают в
узкое (несколько десятков микрометров) место между подложками. В
результате
специфическая
соседними
молекулами,
ориентация
и
молекул
граничной
ЖК
определяется
поверхностью
и
подложки.
Ориентирующее действие достигается напылением на подложки тонких
пленок SiO2.
Сама конструкция самой элементарной ячейки ЖК - индикатора проста
и включает в себя стеклянный пластины в количестве 2 штук , на внутренней
стороне
они имеют прозрачное
сверхпроводящее покрытие. Между
пластинами залит ЖК. Толщина ЖК лежит в пределах от 6 до 25 мкм. Данная
конструкция по сути, можно его представить как плоский конденсатор.
Естественно при отсутствии высокого потенциала на ячейке ЖК вещество однородно и прозрачно. Приложив к ячейке пороговое напряжение,
в самой ячейке появляется волнистая доменная структура. На данный момент
распространены
ЖК - индикаторы на основе эффекта динамического
рассеивания. Есть и индикаторы нового поколения, использующие полевой
твист-эффект.
Сейчас наиболее распространены индикаторы, использующие полевой
твист-эффект (от англ. twist - закручивание). Как работает ячейка со
скрученным поляризатором П и анализатором А показана на рис.2.
Поляризатор - это оптический элемент, пропускающий через себя свет,
поляризованный в одном из направлений, и гасящий свет, поляризованный
в противоположном направлении, во много это зависит от поляризатора.
15
Рис. 2 - Работа ЖК-индикатора на твист-эффекте при напряжениях:
а - нулевом; б - превышающем пороговое
Свет падает сверху и поляризуется таким образом, что его сверхвектор поляризации совпадает с направлением директора D у подложки
которая расположена выше. Когда свет проходит через ЖК плоскость
поляризации
появляется
света
и свет проходит через анализатор. Когда на ячейке
положительный
высокий
потенциал
питании
ячейки
напряжением выше порогового, вектор поляризации ЖК приобретает сверх вертикальное направление и ЖК не переворачивают плоскость поляризации,
а анализатор не пропускает свет испускаемый источником.В табл. 1
приведены параметры некоторых ЖК-индикаторов, выпускаемых в нашей
стране.
16
Таблица 1
На данный момент времени проводятся работы по созданию
матричных ЖК-индикаторов. Большой прогресс,
достигнут в создании
полицветных ЖК - индикаторов в которых применяются светофильтры.
17
2.4 Сравнительный анализ аккумуляторов
Аккумулятор — первичный источник тока многоразового действия,
основная специфика которого, заключается в обратимости внутренних
химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое
использование для накопления энергии и автономного электропитания
устройств и оборудования.
Объеденные по определенной электрической схеме аккумуляторы
можно назвать «аккумуляторными батареями»
Электрохимические системы аккумуляторов:





Никель-кадмиевые (Ni-Cd)
Никель - металлгидридные (Ni-MH)
Литий - ионные (Li-Ion)
Литий - полимерный (Li-Pol)
Свинцово-кислотные SLA/Pb аккумуляторы
2.4.1 Никель-кадмиевые (NiCd)
В 1899 г. Вальдмаром Юнгнером были разработаны Никель-кадмиевые
аккумуляторы (Ni-Cd. Стоит заметить что, материалы для производства
таких аккумуляторов стоили дороже материалов для производства
аккумуляторов других типов, именно потому они не нашли большой
популярности в те времена. Наконец в 1932 г. была разработана технология
нанесения активного материала пластин путем осаждения на губчатый
(пористый) покрытый никелем электрод.
18
Достоинства:
 Превосходная работоспособность в широком диапазоне температур, в
том числе возможность заряда при отрицательных температурах
 Выдерживает большой ток при нагрузке
 Длительный срок службы - свыше тысячи циклов заряда / разряда при
правильной эксплуатации и обслуживании
 Слабая чувствительность к неправильной эксплуатации
 Легко восстановим после понижения емкости и после длительного
хранения
 Низкая цена
Недостатки:
 Необходимость периодической полной разрядки аккумулятора для
сохранения эксплуатационных свойств (устранения эффекта памяти)
 Высокий саморазряд (до 10 % в течение первых 24-х часов)
 Большие габариты по сравнению с аккумуляторами иных типов
 Аккумулятор содержит кадмий и требует специальной утилизации
Эффект памяти — это обратимая потеря емкости аккумулятора,
связанная с неблагоприятными условиями эксплуатации. Эффект памяти
появляется вследствие заряда не полностью разряженных аккумуляторов и
относится только аккумуляторам на основе никеля. Сильнее всего эффект
памяти проявляется именно в никель-кадмиевых аккумуляторах. Суть в том
что в аккумуляторах на основе никеля основное вещество находится в виде
мелких кристаллов, обеспечивая максимальную площадь соприкосновения с
электролитом. С каждым циклом заряда/разряда основное вещество
постепенно изменяет свою структуру, уменьшая при этом площадь активной
поверхности. Как следствие, снижается напряжение и уменьшается емкость.
19
2.4.2 Литий-ионные (Li-ion)
Литиево-ионный (Li-Ion) тип аккумуляторных батарей Производство
литиево-ионного типа аккумуляторов началось в начале 90-х годов. У Li-ion
аккумуляторов значительно лучшие параметры. Однако следует учитывать,
что Ni-Cd аккумуляторы имеют одно важное достоинство: способность
обеспечивать большие токи разряда. Свойство не является критически
важным при питании ноутбуков или сотовых телефонов, но есть достаточно
много устройств, потребляющих большие токи, например всевозможные
электроинструменты, электробритвы и т.п. До сих пор в устройствах с
большим током потребления используются никель-кадмиевые аккумуляторы.
Достоинства:
 Высокой плотностью электрической энергии, по крайней мере, вдвое
большей, чем у NiCd того же размера, а значит и вдвое меньшими
габаритами при той же самой емкости;
 Низким саморазрядом (примерно 2-5% в месяц плюс около 3 % на
питание встроенной электронной схемы защиты);
 Отсутствием, каких либо требований к обслуживанию, за исключением
необходимости длительного хранения в заряженном состоянии.
Недостатки:
 Для аккумуляторов некоторых производителей работа только при
положительных температурах
 Высокая цена
20
 Подверженность процессу старения, даже если аккумулятор не
используется. Ухудшение колличества емкости наблюдается примерно
после одного года. После двух лет, аккумулятор часто становится
неисправным. Поэтому не рекомендуется хранить Li-ion аккумуляторы
в течение длительного времени
2.4.3 Литий-полимерные (Li-Pol)
Первоначальное устройство батареи литий-полимера основана на
использовании твердотельного электролита на полимерной основе. Эта идея
предусматривает технологичность в производстве, и соответственно низкую
цену.
Достоинства:
 Большая плотность энергии, т. е. примерно в три раза выше, чем у
никелево-кадмиевого типа аккумулятора
 Очень малый саморазряд
 Малые габариты
Недостатки:
 Не может отдавать большие токи разряда
 Уменьшение емкости аккумулятора в среде с отрицательной
температурой
Применение твердого электролита позволяет довести размеры элементов
аккумулятора до 1 мм в толщине. Так как данная конструкция не содержит
жидкого электролита и реализуется набором различных пленок, то можно
21
получать очень гибкие формы. Аккумулятор такого типа имеет очень малую
толщину, что позволяет ему придавать необходимую форму.
2.4.4 Свинцово-кислотные SLA/Pb аккумуляторы
Свинцовые аккумуляторы (Pb). Реагентами в свинцовых аккумуляторах
служат диоксид свинца (PbO2) и свинец (Pb), электролитом - раствор серной
кислоты. Они также называются свинцово-кислотными аккумуляторами. Их
разделяют на четыре основные группы; стартерные, стационарные, тяговые и
портативны. Наиболее распространенные из свинцовых аккумуляторов стартерные
аккумуляторы,
предназначены
для
запуска
двигателей
внутреннего сгорания и энергообеспечения устройств. В последние годы в
основном применяются аккумуляторы, не требующие ухода.
Достоинства:
 Не требуют ухода
 Низкая стоимость
Недостатки:
 Плохая сохранность заряда
 Выделение водорода
22
2.5 Виды аккумуляторов по типу конструкции
Стационарные
аккумуляторы
применяются
в
энергетике,
на
телефонных станциях, в телекоммуникационных системах, в качестве
аварийного источника тока и т.д. Часто они работают в режиме
непрерывного под заряда. Относятся к недорогим аккумуляторам.
Тяговые
аккумуляторы
предназначены
для
электроснабжения
электрокаров, подъемников, шахтных электровозов, электромобилей и иных
машин. Действуют в режимах глубокого разряда, имеют большой ресурс и
низкую стоимость.
Портативные (герметизированные) свинцовые аккумуляторы
используются для питания приборов, инструмента, аварийного освещения. К
их достоинствам относятся более низкая стоимость по сравнению со
стоимостью иных портативных аккумуляторов, широкий интервал рабочих
температур.
23
2.6 Физические параметры аккумуляторов:
1). Напряжение аккумулятора
2). Электрическая емкость
3). Внутренние сопротивление
4). Ток саморазряда
1) Напряжение
Напряжение аккумулятора является крайне важным свойством, ибо оно
подбирается под устройство, для которого оно предназначено.
Бывает так что, нужное напряжение нельзя набрать только лишь одним
элементом и тогда аккумуляторы объединяют в аккумуляторные батареи
последовательным соединением этих аккумуляторов
Напряжение на аккумуляторе не постоянно, во время работы, так же не
постоянно во время хранения, заряд уменьшается,
номинал напряжения
падает. Максимальное напряжение аккумулятора можно увидеть сразу после
его заряда. Для объективной оценки состояния аккумулятора измерение его
напряжения
необходимо производить под нагрузкой, на которую он
рассчитан.
2) Электрическая емкость
Электрическая емкость - это количество энергии, которым аккумулятор
теоретически обладает в заряженном состоянии. Сам заряд можно измерить
только при разрядке аккумулятора постоянным током при одинаковой
нагрузке, с течением времени.
Сама емкость измеряется в ампер-часах (А*час) или миллиампер-часах
Измеряется емкость соответственно в ампер-часах (А*час) или миллиамперчасах (мА*час) и обозначается буквой "С".
24
Номинал емкости обычно указывают на этикетке аккумулятора, но
бываю и случаи когда номинал зашифрован в названии аккумулятора.
Реальное значение емкости нового аккумулятора на момент ввода его в
эксплуатацию колеблется от 80 до 110% от номинального значения и
зависит: от фирмы-изготовителя, условий и срока хранения.
Чисто в теории аккумулятор, номинальной емкостью 1000 мА*час может
отдавать ток 1000 мА в течение одного часа, 100 мА в течение 10 часов, или
10 мА в течение 100 часов, а на практике при высоком токе разряда
номинальная емкость не достигается в то время как, емкость и при малом
токе разряда даже превышает номинальную.
Все имеет срок и именно поэтому в процессе эксплуатации аккумулятора
емкость его падает. Зависит это от многих факторов, таких как условия
эксплуатации. Скорость падения ёмкости с течением времени объясняется
тем что, различаются типы электрохимической системы в них.
3) Внутренние сопротивлении.
Так же не малую роль играет внутренние сопротивление аккумулятора.
Сопротивление аккумулятора очень мало и его принято измерять в млОмах
(мОм). Сопротивление зависит от многих факторов таких как:
1). Емкости элемента
2). Числом элементов
3). Типом электрохимической системы
4). Временем эксплуатации
Измерить Сопротивление можно на специальных приборах-анализаторах
аккумуляторов. Со временем у аккумулятора начинает расти его значение
внутреннего сопротивления. К примеру, сопротивление, равное 500 мОм,
может означать, что у этого аккумулятора уже большой срок службы, либо
его не использовали по инструкции. При повышении сопротивления
аккумулятора уменьшается время работы мобильного прибора, которого он
питает.
Любой
аккумулятор
обладающий
большим
внутренним
25
сопротивлением, при резком увеличении потребляемого прибором тока по
закону Ома напряжение на нем падает. Если напряжение падает ниже
определенного значения, само устройство считает, что аккумулятор
полностью разряжен, и отключается. Аккумулятор с высоким внутренним
сопротивлением не выдает всю его номинальную емкость емкость.
4) Саморазряд аккумулятора
Сам процесс саморазряда происходит после заряда аккумулятора, и не
зависит от типа электрохимической системы, буквально любой аккумулятор
теряет емкость со временем. Для оценки саморазряда аккумулятора обычно
использую
величину
потерянную
аккумулятором
за
определённое
количество
времени в процентах от значения, полученного сразу после
заряда. Что бы оценить, на сколько уменьшилась емкость аккумулятора без
нагрузки, а просто с течением времени, необходимо замерить напряжение
после 24 часов после зарядки и после месяца саморазряда.
Так же на саморазряд влияет такой параметр как, температура
окружающей среды, когда возрастает температура, саморазряд происходит
много быстрее нежели когда температура оптимальна. Оптимальной
температурой для хранения аккумулятора ~20С, а если увеличится
оптимальное значение на даже на 10с градусов саморазряд возрастет в два
раза.
Срок службы аккумулятора характеризуется количеством циклов
заряда/разряда, которое он выдерживает в процессе эксплуатации без
значительного ухудшения своих основных параметров: емкости, саморазряда
и внутреннего сопротивления. Также срок службы определяется временем,
прошедшим со дня изготовления, особенно для Li-Ion аккумуляторов. Как
правило уже не исправным аккумулятором можно назвать тот аккумулятор,
которой потерял 60-80% своей емкости.
26
3 Описание отладочного модуля
3.1 Общие сведения
Arduino Leonardo — отладочный модуль, который основан на базе
контроллера ATmega32u4. Модуль имеет 20 цифровых входов и выходов 7
выводов могут использоваться, как выходы широтно-импульсной модуляции
для управления, например двигателем. Так же на Arduino предусмотрено 12
выводов и их можно использовать как аналоговые входы. На плате
располагаются: кварцевый генератор 16 МГц, разъем микро-USB, силовой
разъем, разъем ICSP и кнопка перезагрузки. Для начала работы работы
необходимо подключить модуль к персональному компьютеру посредством
кабеля микро - USB. Так же Arduino можно питать от внешнего источника
вторичного питания.
В отличие от всех предыдущих плат ATmega32u4 в Arduino Leonardo
отсутствует микросхема виртуального USB-порта, при подключении будет
виден виртуальный последовательный порт (СОМ).
3.1.1 Технические характеристики
Микроконтроллер
Напряжение питания
Входное напряжение (рекомендуемое)
Входное напряжение (предельное)
Цифровые Входы/Выходы
Аналоговые каналы
Постоянный ток через вход/выход
Постоянный ток для вывода 3.3 В
Флешпамять
Оперативная память
EEPROM
Тактовая частота микроконтроллера
ATmega32u4
5В
7-12 В
6-20 В
20
12
40 мА
50 мА
32 Кб (ATmega32u4)
2 Кб (ATmega32u4)
1 Кб (ATmega32u4)
16 МГц
27
Питание отладочного модуля
Питание отладочный модуль получает либо через стандартный разъем
питания, либо от ПК. К разъему питания 2.1мм можно подключать как и
преобразователь напряжения так и первичный источник питания.
Устройство может работать и от 5В но, рекомендуемое напряжение
питания от 7 до 12В.
Выводы питания:
 VIN. Стандартный вход питания 2.1мм, если подключен другой
источник питания, то этот вход считается приоритетней
 3V3. Напряжение на выводе 3.3 В генерируемое встроенным
регулятором на плате. Максимальный ток этого выхода 50 мА.
 GND. Низкого потенциала(заземления).
Память
На борту отладочного модуля Arduino Leonardo, который изготовлен на
базе ATmega32u4 располагает 32 кБ ПЗУ, из которых 4 кБ нужно для
хранения системной прошивкой, а также 2.5 кБ ОЗУ (SRAM) и 1 Кб
EEPROM
Входы и Выходы
Каждый из 20 цифровых выводов Arduino Leonardo может быть
настроен как вход или выход, с помощью определенных программ. Выводы
работают, при постоянном напряжении 5 В. На каждом из 2 выводов имеется
нагрузочный резистор 20-50 кОм и пропускает он до 40мА.
Особые функции некоторых выводов платы Arduino:
 Последовательная шина: 0 (RX) и 1 (TX). Выводы применяются для связи
(RX) и (TX) данных с TTL.
28
 Внешнее прерывание: 2 и 3. Эти выводы могут запрограммированы, так
что бы, Управлять перываниями. Подробная информация находится в
описании функции attachInterrupt().
 ШИМ: 3, 5, 6, 9, 10, 11 и 13. Любой из пречисленных выводов
обеспечивает широтно-импульсную модуляцию с разрешением 8 бит при
помощи команды logWrite().
 LED: 13. Светодиод который, подключен к цифровому выводу 13. Если на
выводе 13 имеется высокий уровень напряжения, то светодиод горит.
 Аналоговые входы: A0-A5, A6-A11. Все эти входы могут использоваться
как входами, так и выходами. Разрешение аналоговых входов — 10 бит,
т.е. 1024 различных значения. Стандартно значение на аналоговых входах
измеряется от земли (0) до 5 Вольт
Программирование
Отладочный модуль программируется посредством программного
обеспечения Arduino. В меню Tools > Board нужно кликнуть по «Arduino
Leonardo».
Микроконтроллер
ATmega32U4
на
Leonardo
поставляется
с
записанным загрузчиком. Загрузчик упрощает запись и прошивку данного
модуля. Так же компилирует программу и проверяет код на возможные
ошибки.
29
4. Описание структурной схемы.
Блок
индикации
Измеряемый
аккумулятор
Отладочный модуль
Arduino
Блок беспеременной
нагрузки
аккумулятора
Источник
питания
Рис. 4 Структурная схема измерителя емкости аккумулятора
Как видно из структурной схемы (рис. 4) основным блоком данной
системы является, отладочный модуль «Arduino Leonardo». Как упоминалось
ранее, на этом модуле присутствует микроконтроллер Atmega, который и
выполняет заданную ему программу.
Исходный код программы можно посмотреть в [2] приложении к
диплому. Модуль производит вычисления по заданному алгоритму. Блок
беспеременной нагрузки служить для разрядки аккумулятора и состоит и
обычного пассивного сопротивления. Само сопротивление имеет большое
значение мощности, которое оно может выдерживать.
За процессами,
которые происходят в данном устройстве можно следить при помощи блока
индикации, который тоже подключен к модулю ”Arduino”.
Блок индикации состоит из готового жидко-кристаллического дисплея,
блока индикации питается от отладочного модуля. На ЖК индикаторе можно
увидеть такие параметры как, ток разряда, текущее напряжение на
30
аккумуляторе и емкость аккумулятора.
5. Описание принципиальной схемы лабораторного стенда.
Принципиальная схема данного устройства проста. К аккумулятору в виде
нагрузки подключается такой пассивный элемент, как резистор (см рис.5).
R1
X1
X2
Рис.5 Принципиальная схема измерителя емкости аккумулятора
Резистор R1 непрерывно разряжает аккумулятор, который подключен
к разъему X1. Ведь что бы, померить емкость аккумулятора необходима постоянная и неизменная нагрузка аккумулятора. В свою очередь разьем Х2
подключается к аналоговому входу А1 платы “Arduino Leonardo” .
Аналоговым он называется потому что, данный вход подключен к АЦП
платы “Arduino” и может преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой.
Принцип работы также прост, как и схема: через аналоговый вход,
измеряется падение напряжения на нагрузочном резисторе. Согласно закону
Ома I=U/R. Каждую секунду, полученное значение делится на 3600 и
суммируется с током для получения емкости аккумулятора в Ампер/часах.
31
6. Выбор элементной базы
Были выбраны резисторы, общее сопротивление которых 60Ом.
Соответственно исходя напряжения в 3.7В исследуемого аккумулятора ток
разряда будет равен 0.06А. Выделяемая мощность же будет равна 0.22Вт.
Исходя из расчетов выше и таблице ниже выбираем С2-33-1 с внутренним
споротивлением 60 Ом
1. Резисторы.
Номинальная
мощность
рассеяния, Вт
Пределы
номинальных
сопротивлений
Предельное рабочее
напряжение, В
C2-33 - 0,125
0,125
1 Ом - 3,01 МОм
200
C2-33 - 0,25
0,25
1 Ом - 5,11 МОм
250
C2-33 - 0,5
0,5
0,1 Ом - 5,11 МОм
350
C2-33 - 1
1
1 Ом - 22,0 МОм
500
C2-33 - 2
2
1 Ом - 22,0 МОм
750
Вид резистора
2. ЖК дисплей WH1602A-YYK-CTK.
Рабочая температура, °C:
-20.00...70.00
T встроенного контроллера/драйвера:
S6B0066U
T дисплея:
Символьный
T подсветки:
LED
Производитель:
WINSTAR
Размер корпуса, мм:
84.0x44.0
32
Разрешение:
16x2
Технология ЖК:
STN
Угол зрения:
12
Печатный узел «Arduino Leonardo».
Характеристики
Микроконтроллер
Рабочее напряжение
ATmega32u4
5В
Входное напряжение (рекомендуемое)
Входное напряжение (предельное)
7-12 В
6-20 В
Цифровые Входы/Выходы
20 (7 из которых могут использоваться как
выходы ШИМ)
Аналоговые каналы
Постоянный ток через вход/выход
12
40 мА
Постоянный ток для вывода 3.3 В
Флеш-память
50 мА
32 Кб (ATmega32u4) из которых 4 Кб
ОЗУ
используются для загрузчика
2 Кб (ATmega32u4)
EEPROM
Тактовая частота
1 Кб (ATmega32u4)
16 Гц
33
7. Разработка экспериментального стенда
На базе модуля Arduino была разработана программа на языке
программирования Processing, которая выполняет расчеты и выводит на ЖК
дисплей информацию о состоянии аккумулятора. Показывает такие значения
как: ток разряда, напряжение на аккумуляторе, емкость.
В данной работе в качестве макетной платы была выбрана плата dfrobot
prototyping shield
Несомненное преимущество такой платы это многократность ее
использования, так как пайка деталей на нее не является необходимой. А
также такая плата стоит дешевле своих аналогов и является очень
компактной.
Именно эти три фактора и послужили основным сигналом к выбору
данной платы для создания макета, измерителя емкости аккумулятора.
34
Заключение
В
связи
с
высокими
ценами
на
профессиональное
и
полупрофессиональное оборудование. Необходимость в недорогом и
простом устройстве для обучения работе с программными средами для
микроконтроллеров AVRявляется довольно значимой.
В данной работе на примере прибора для измерения емкости
аккумулятора был разработан учебный гибкий стенд на отладочном модуле
Arduino Leonardo.
Мною было разработано:
1. Учебный гибкий стенд
2. Принципиальная схема «Измерителя емкости аккумулятора»
3. Структурная схема устройства
4. Программа на языке Processing
35
Приложения
Исходный код программы измерителя емкости аккумулятора
Принципиальная схема Arduino Leonardo
36
Список использованных источников
1)
2. Шилейко А.В. Микропроцессоры / А.В. Шилейко, Т.И.
Шилейко. – М.: Радио и связь, 1986. – 112 с.
2)
4. Голубцов М.С. Микроконтроллеры AVR: от простого к
сложному / М.С. Голубцов, А.В. Кириченкова. – М.: СОЛОН–
Пресс, 2006. – 304 с.
3)
6. Басманов А.С. Микропроцессоры и однокристалные
микроЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности /
А.С. Басманов, Ю.Ф. Широков под ред. В.Г. Домрачёва. – М.:
Энергоатомиздат, 1988. – 128 с.
4)
7. Варламов И.В. Микропроцессоры в бытовой технике / И.В.
Варламов, И.Л. Касаткин. – М.: Радио и связь, 1990. – 104 с.
5)
8. Никонов А.В. Однокристальные микроЭВМ и
микроконтроллеры: учеб. пособие / А.В. Никонов. – Омск: Издво ОмГТУ, 2009. – 56 с.
6)
10. Денисов К.М. Микропроцессорная техника. Конспект
лекций [Электронный ресурс] . – URL:
http://ets.ifmo.ru/denisov/lec/oglavlen.htm .
7)
11. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVRсемейств Tiny и
Mega фирмы ATMEL / А.В. Евстифеев. – М.: Издательский дом
«Додэка–XXI», 2004. – 560 с.
8)
14. International Journal of Electrical Engineering Education.
FindArticles.com. [Интернет ресурс]
http://findarticles.com/p/articles/
9)
Размещено на Allbest.ru
37
Приложение 1
Исходный код программы
#include <TimerOne.h>
#include <LiquidCrystal.h>
int LED = 13;
// LCD pin
4
6
// LCD signal
RS
E
LiquidCrystal lcd(12, 11,
// connect D0-D3 (pins 7,
float I=0, V=0;
float Cap=0;
void MeasureStep(void);
11
D4
5,
8,
12
D5
4,
9,
13 14
D6 D7
3, 2);
10) and R/W (pin 5) to GND!
void setup() {
pinMode(LED, OUTPUT);
Timer1.initialize(1000000); // set a timer of length 100000 microseconds
(or 0.1 sec - or 10Hz => the led will blink 5 times, 5 cycles of on-and-off,
per second)
Timer1.attachInterrupt( MeasureStep ); // attach the service routine here
Serial.begin(9600); while (!Serial) {};
lcd.begin(16, 2);
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("Capacity");
lcd.setCursor(0,1);lcd.print(" I=");
};
void loop () {
delay(1000)
;
};
void MeasureStep (void) {
float Vref = 5.0;
float Rm = 60;
V= ((float)analogRead(A1)*Vref)/1024 ;
I= V/ Rm;
Cap=Cap+I*1000./3600.; //Capacity in mAh
//Serial.print("I=");
//Serial.println(I,4);
//Serial.println(analogRead(A1));
lcd.setCursor(8, 0);lcd.print(" U=");
lcd.print(V,1);lcd.print("V");
lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(Cap,1);
//lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(" mAh ");
lcd.print("I=");
lcd.print(I,2);lcd.print("A");
};
38