Файл: 1 Общая часть 5 1 Анализ существующих аналогичных устройств 6.docx

Содержание

Введение

Развитие микроэлектроники и ее широкое применение в автомобильном производстве, а конкретнее в системах управления самыми разнообразными способами и процессами. В настоящее время это актуальное из основных направлений научно-технического прогресса.

В наше время большинство автовладельцев время от времени сталкиваются с проблемами, такими как: ДТП, конфликтами с другими участниками дорожного движения, а также с нехваткой дополнительных функций для комфортного вождения. На сегодняшние дни автопроизводители придумали множество помощников при вождении, системы автоматической парковки, системы автоматической отключения цилиндров, помощники при торможении, поворотники и аварийный сигнал и многие другие помощники. Но так и не изобрели устройство, которое дает знать водителю идущим позади вас, конкретные, дальнейшее ваши действия на участках дорожного движения.

Целью моего курсового проекта является создание такого помощника для водителей, едущих за вашим транспортным средством и дающий информацию о твоих намерениях в движении. С использованием программированных микроконтроллеров на базе Arduino.

Задачи:

• 
  Изучить существующие аналогичные устройства
  
• 
  Сделать обзор существующих типов платформ Arduino
  
• 
  Сделать обзор элементов автоматизации
  
• 
  Разработать структурную схему
  
• 
  Обосновать выбор элементной базы
  
• 
  Разработать электрическую принципиальную схему
  
• 
  Написать программу для устройства
  

1 Общая часть

В настоящее время, в связи с технологическим прорывом в изготовлении светодиодов, наличием высокопроизводительных электронных комплектующих, активно развивается производство ярких, экономичных и динамичных светодиодных информационных табло.

---

Электронное табло - устройство отображения визуальной информации, изображение, на поверхности которого формируется электронным способом. Наибольший интерес представляют устройства, которые позволяют оперативно изменять изображение (рис. 1.1).


Рисунок 1.1 – Пример электронного табло
Его используют в общественных местах, на вокзалах, в аэропортах, магазинах, крупных торговых объектах для простого и быстрого информирования клиентов. Как и светодиодные экраны, электронные табло привлекают к себе внимание без особого труда, они функционируют за счет светодиодов, работа которых ориентирована на определенные программы. Чаще всего электронное табло используется для отображения различного рода показателей – времени, температуры, даты, атмосферного давления. В ресторанах, барах и кафе на нем отображают приветствия, меню, режим работы. На вокзалах их используют для указания номера поездов и время их отправления. Также из достоинств электронные табло, стоят они относительно недорого и могут иметь различные параметры.

Электронное табло имеет в своем арсенале несколько разных видов:

• 
  многоцветное использование
  
• 
  одноцветное использование
  
• 
  применяется на табло в помещениях, транспорте, на улице
  
• 
  функционирует, как в ограниченном режиме, так и в обширном (память, спецэффекты, анимация и т.д.).
  

Существуют множество различных типов электронного табло для различного рода деятельности обладающими своими характеристиками и особенностями.
1.1 Анализ существующих аналогичных устройств
Рекламная Бегущая строка

Бегущая строка (рис. 1.2) - в своем роде предоставляет медийную рекламу, она же определяется рекламными баннерами (графическими или текстовыми). Реклама с цифровым дисплеем бывает разных форм, но по своей сути она основана на том же принципе. Светодиодная бегущая строка имеет в основе формирования изображения матрицу из светодиодов одного или нескольких цветов. Каждый светодиод в таком табло управляется контроллером по отдельности. Современные бегущие строки обладают впечатляющим функционалом для показа рекламы и объявлений. Наборы красивых шрифтов, большое количество спецэффектов показа рекламы. Даже монохромные, не говоря уже про цветные табло, позволяют выводить не только тексты, но и анимацию, а цветные — фото и даже видео. Продуманное программное обеспечение позволяет программировать вывод рекламных роликов по дням недели и времени суток.

---

В наружном применении, бегущая строка предоставляет собой электронное устройство, предназначенное для отображения большого объема текстовой и графической информации, которая все время бежит горизонтально, двигаясь, справа налево.


Рисунок 1.2 – Бегущая строка
Табло валют

Табло валют необходимо для информирования о текущих обменных курсах валюты в банках и пунктах обмена валюты. Электронное табло валют выполняется в виде законченного изделия, либо в виде отдельных элементов, встраиваемых в рекламный щит с логотипом банка, вывеску или консоль. 

Законченное табло валют (рис.1.3) выполняется в виде щита с расположенными в нем отдельными полями стоимости покупки и продажи валюты. Отдельные поля стоимости валюты отображается символьным табло, а наименование валюты, логотип и адрес пункта обмена валюты или банка - пленкой с подсветкой или без. Контроллер управления табло валют расположен внутри корпуса.



Рисунок 1.3 – Табло валют
Спортивное табло (рис. 1.4).

Предназначено для отображения информации об игре: счета, периода, времени игры или перерыва, названий команд.

Светодиодные экраны на стадионе не только информируют зрителей о ходе игры, счете, времени, но и создают особенную, яркую обстановку. Трансляция спортивного события на LED-экране позволяет болельщикам не пропустить ни один важный момент на поле, арене или треке.

Преимущества спортивных табло:

• 
  оперативный вывод информации;
  
• 
  привлечение большого количества зрителей на объект;
  
• 
  низкое потребление электроэнергии;
  
• 
  простота в обслуживании;
  
• 
  высокая надежность;
  
• 
  большой выбор конфигураций, возможность изготовления под заказ;
  
• 
  акцентирование внимания зрителей на важных моментах игры и различных визуальных эффектах.
  

Рисунок 1.4 – Спортивное табло
Табло для АЗС

Табло для АЗС (рис. 1.5) - это стела, имеющая встроенные блоки светодиодных табло, для обозначения цены на топливо в формате «рубли и копейки». В принципе - это стандартное, минималистичное исполнение. 

---

Важным моментом является то, что ценовое табло для АЗС обычно располагается на открытом воздухе, поэтому, оно обязательно должно быть изготовлено из таких материалов, которые смогут успешно противостоять влаге и пыли, вредному воздействию окружающей среды (включая, выцветание от солнца), химическому загрязнению от выхлопных газов автомобилей. Оптимальным вариантом для табло читаются цены для заправочных станций с высотой символа 270 и 350 мм – обеспечивающие видимость с большого расстояния. В модулях для стел АЗС применены супер яркие светодиоды красного, белого, желтого, зеленого или синего цвета свечения, предназначенные для работы при солнечном освещении. В табло реализована система регулировки яркости светодиодов: автоматический ночной и дневной режим работы в зависимости от времени суток и по расписанию, регулируется с ПДУ. В стеле все модули объединяются в единую систему и управляются одним ПДУ. Цвет светодиодов на стоимость табло не влияет.


Рисунок 1.5 – Табло для АЗС

---

1.2 Обзор существующих типов платформ Arduino

Arduino – это инструмент для проектирования электронных устройств (электронный конструктор) более плотно взаимодействующих с окружающей физической средой, чем стандартные персональные компьютеры, которые фактически не выходят за рамки виртуальности. Это платформа, предназначенная для «physical computing» с открытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современной средой для написания программного обеспечения.

Arduino применяется для создания электронных устройств с возможностью приема сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков, которые могут быть подключены к нему, и управления различными исполнительными устройствами (рис. 1.6).



Рисунок 1.6 – первичное представление об Arduino
Простота и доступность

Платформа Arduino приобрела бешеную популярность благодаря простоте и дружелюбности. Даже полный ноль в программировании и схемотехнике может освоить основы работы с Arduino за пару часов. Этому способствуют тысячи публикаций, учебников, заметок в интернете и отличная серия видео уроков по Arduino (рис. 1.7).



Рисунок 1.7 – Пример кода на Arduino
Программы для Arduino пишутся на обычном C++, дополненным простыми и понятными функциями для управления вводом-выводом на контактах. Если вы уже знаете C++, Arduino станет дверью в новый мир, где программы не ограничены рамками компьютера, а взаимодействуют с окружающим миром и влияют на него. Если же вы новичок в программировании — не проблема, вы с лёгкостью научитесь, это просто. Кросс-платформенность – программное обеспечение Arduino работает под ОС Windows, Macintosh OSX и Linux. Большинство микроконтроллеров ограничивается ОС Windows. Также стоит отметить низкую стоимость – платы Arduino относительно дешевы по сравнению с другими платформами. Самая недорогая версия модуля Arduino может быть собрана в ручную, а некоторые даже готовые модули стоят меньше 50 долларов.

Аппаратные средства с возможностью расширения и открытыми принципиальными схемами – микроконтроллеры ATMEGA8 и ATMEGA168 являются основой Arduino.  Схемы модулей выпускаются с лицензией Creative Commons, а значит, опытные инженеры имеют возможность создания собственных версий модулей, расширяя и дополняя их. Даже обычные пользователи могут разработать опытные образцы с целью экономии средств и понимания работы.

"Голова" Arduino

"Голова" Arduino - это микроконтроллер серии Atmega. Микроконтроллер представляет собой микропроцессор с памятью и различными периферийными устройствами, выполненной на одной микросхеме. По факту это однокристальный микрокомпьютер, который способен выполнять различные задачи. Разные модели из семейства Arduino оснащены разными микроконтроллерами, более и менее мощными и функциональными (рис. 1.8).



Рисунок 1.8 – Микроконтроллер серии Atmega
Команда Arduino выпустила множество плат, с различным функционалом, количеством входов/выходов, тактовой частотой, оперативной памятью, дополнительными функциями и тому подобным. Ниже перечислены актуальные, на данный момент платформы Arduino, такие, как:

Arduino Uno (рис. 1.9) является стандартной платой Arduino и возможно наиболее распространенной. Она основана на чипе ATmega328, имеющем на борту 32 КБ флэш-памяти, 2 Кб SRAM и 1 Кбайт EEPROM памяти. На периферии имеет 14 дискретных (цифровых) каналов ввода / вывода и 6 аналоговых каналов ввода / вывода, это очень разносторонне-полезные девайсы, позволяющие перекрывать большинство любительских задач в области микроконтроллерной техники. Данная плата контроллера является одной из самых дешевых и наиболее часто используемых.


Рисунок 1.9 – Arduino Uno
Arduino UNO имеет следующие характеристики:

• 
  микроконтроллер ATmega328;
  
• 
  напряжение питания 5В;
  
• 
  входное напряжение (рекомендуемое) 7-12В;
  
• 
  входное напряжение (предельное) 6-20В;
  
• 
  цифровой ввод-вывод 14 линии (из них 6 поддерживают ШИМ);
  
• 
  аналоговый ввод 6 линий;
  
• 
  постоянный ток на линиях ввода-вывода 40мА;
  
• 
  постоянный ток на линии 3.3В 50мА;
  
• 
  Flash-память 32кб, 0.5 кб из них использованы для загрузчика;
  
• 
  SRAM-память 2кб;
  
• 
  EEPROM-память 1кб;
  
• 
  тактовая частота 16МГц.
  

Arduino Leonardo (рис. 1.10) - контроллер на базе ATmega32u4. Платформа имеет 20 цифровых вход/выходов (7 из которых могут использоваться как выходы ШИМ и 12 как аналоговые входы), кварцевый генератор 16 МГц, разъем микро-USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC или батареи.

В отличие от всех предыдущих плат ATmega32u4 имеет встроенную поддержку для USB соединения, это позволяет задать как Leonardoбудет виден при подключение к компьютеру, это может быть клавиатура, мышь, виртуальный серийный / COM порт.


Рисунок 1.10 – Arduino Leonardo
Arduino Leonardo имеет следующие характеристики

• 
  Микроконтроллер ATmega32u4
  
• 
  Рабочее напряжение 5В
  
• 
  Входное напряжение (рекомендуемое) 7-12 В
  
• 
  Входное напряжение (предельное) 6-20 В
  
• 
  Цифровые Входы/Выходы 20 (7 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
  
• 
  Аналоговые каналы 12
  
• 
  Постоянный ток через вход/выход 40 мА
  
• 
  Постоянный ток для вывода 3.3 В 50 мА
  
• 
  Флеш-память32 Кб (ATmega32u4) из которых 4 Кб используются для загрузчика
  
• 
  ОЗУ 2 Кб (ATmega32u4)
  
• 
  EEPROM 1 Кб (ATmega32u4)
  
• 
  Тактовая частота 16 МГц
  

Arduino Nano

Arduino Nano (рис. 1.11) – это отладочная плата небольшого размера, которая входит в тройку лидеров по популярности среди радиолюбителей-программистов. Несмотря на свой скромный размер, она практически ничем не уступает нашумевшей - Arduino Uno по функционалу и может использоваться в проектах, где габариты играют существенную роль. Платформа Nano, построенная на микроконтроллере ATmega328 (Arduino Nano 3.0) или ATmega168 (Arduino Nano 2.x), Она имеет схожую с Arduino Duemilanove функциональность, однако отличается сборкой. Отличие заключается в отсутствии силового разъема постоянного тока и работе через кабель Mini-B USB. Nano разработана и продается компанией Gravitech.


Рисунок 1.11 – Arduino Nano
Nano имеет такие характеристики

• 
  Микроконтроллер Atmel ATmega168 или ATmega328
  
• 
  Рабочее напряжение (логическая уровень) 5 В
  
• 
  Входное напряжение (рекомендуемое) 7-12 В
  
• 
  Входное напряжение (предельное) 6-20 В
  
• 
  Цифровые Входы/Выходы 14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
  
• 
  Аналоговые входы 8
  
• 
  Постоянный ток через вход/выход 40 мА
  
• 
  Флеш-память 16 Кб (ATmega168) или 32 Кб (ATmega328) при этом 2 Кб используются для загрузчика
  
• 
  ОЗУ 1 Кб (ATmega168) или 2 Кб (ATmega328)
  
• 
  EEPROM 512 байт (ATmega168) или 1 Кб (ATmega328)
  
• 
  Тактовая частота 16 МГц
  
• 
  Размеры 1.85 см x 4.2 см
  

Arduino Mega

Arduino Mega (рис. 1.12) построена на микроконтроллере ATmega2560. Плата имеет: 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов,4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопка перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC, или аккумуляторной батареей.


Рисунок 1.12 – Arduino Mega


Arduino Mega имеет следующие характеристики

• 
  Микроконтроллер: ATmega2560
  
• 
  Тактовая частота: 16 мГц
  
• 
  Напряжение: 5 В
  
• 
  Предельные напряжения: 5-20 В
  
• 
  Рекомендуемое напряжение питания: 7-12 В
  
• 
  Макс. сила тока с одного вывода: 40 мА
  
• 
  Цифровые пины: 54
  
• 
  Цифровые пины с поддержкой ШИМ: 15
  
• 
  Аналоговые входы: 16
  
• 
  Flash-память: 256 КБ (8 из них используются загрузчиком)
  
• 
  SRAM: 8 КБ
  
• 
  EEPROM: 4 КБ
  

Arduino Mini

Arduino Mini (рис. 1.13) построена на микроконтроллере ATmega168 (технические данные) и предназначена для использования в лабораторных работах и проектах, где пространство является критическим параметром. Платформа содержит 14 цифровых входов и выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 8 аналоговых входов и кварцевый генератор 16 МГц. Программируется при помощи адаптера Mini USB или любого преобразователя USB или RS232 в TTL.


Рисунок 1.13 – Arduino Mini
Характеристики Arduino Mini

• 
  Микроконтроллер – ATmega168/328;
  
• 
  Рабочее напряжение – 3.3В/5В;
  
• 
  Напряжение питания – 3.35-12В/5 - 12В;
  
• 
  Цифровые входы/выходы – 14;
  
• 
  Аналоговые входы – 8;
  
• 
  Flash-память – 16/32 КБт;
  
• 
  SRAM – 1/2 КБт;
  
• 
  EEPROM – 512/1024 байт;
  
• 
  Тактовая частота – 8/16 МГц;
  
• 
  Размеры – 33х18 мм;
  
• 
  Вес – 5 г. 
  

1.3 Обзор элементов автоматизации
Для работы любого механического проекта нужны элементы автоматизации. Автоматизация в современном обществе – необходимая мера, в цифровом веке крайне важно исключить человеческий фактор в различных производствах, чтобы стандартизировать и улучшить качество продукции. Существуют и сферы, где человеку просто не подвластно делать то, на что способны роботы, например, производство нано-материалов и микроплат.

Но до глобальной автоматизации человечеству, пока еще далеко и все же взаимодействие между техникой и человеком все так же востребованы, поэтому и существуют устройства как: ввода, различные кнопки, рычаги, так и устройства вывода - световые индикаторы (лампочки), различные звуковые сигнализаторы и наконец дисплеи.

Дисплеи можно разделить на:

• 
  семисегментные (такие, как на цифровых часах);
  
• 
  алфавитно-цифровые;
  
• 
  графические;
  

Своё название семисегментные индикаторы получили в связи с тем, что изображение символа формируется с помощью семи отдельно управляемых (подсвечиваемых светодиодом) элементов - сегментов. Эти элементы позволяют отобразить любую цифру 0..9, а также некоторые другие символы, например: '-', 'A', 'b', 'C', 'd', 'E', 'F' и другие. Это даёт возможность использовать индикатор для вывода положительных и отрицательных десятичных и шестнадцатеричных чисел и даже текстовых сообщений. Обычно индикатор имеет также восьмой элемент - точку, используемую при отображении чисел с десятичной точкой. Сегменты индикатора обозначают буквами a, b, ..., g (a - верхний элемент, далее буквы присваиваются сегментам по часовой стрелке; g - центральный сегмент; dp - точка).

В настоящее время для отображения информации всё чаще используются графические дисплеи, однако, семисегментные индикаторы также не утратили своего значения. Если требуется лишь отображение чисел, то они могут стать более предпочтительным вариантом, т.к. просты в управлении и могут использоваться совместно с любым микроконтроллером с достаточным количеством выводов.

Поэтому семи сегментные индикаторы используют только для отображения простейших сообщений (рис. 1.14).


Рисунок 1.14 – Семисегментный индикатор
Алфавитно-цифровые дисплеи (рис 1.15) представляют собой активные устройства отображения информации, предназначенные для организации диалога оператора с ЭВМ.

По степени сложности и полноте выполняемых функций алфавитно-цифровые дисплеи делятся на простые с аппаратной реализацией основных функций и интеллектуальные дисплеи, в которых функции обработки информации выполняется программно-управляемым дисплейным процессором



Рисунок 1.15 – Алфавита-Цифровой дисплей
Графический дисплей – дисплей, обеспечивающий создание на экранах матриц точек, высвечивающих изображения и тексты.

Графические дисплеи находят широкое применение в системах управления технологическими процессами, контрольно-измерительной, медицинской, телекоммуникационной аппаратуре, устройствах ограничения доступа и многих других приложениях.

Графический дисплей размером 64х16 см. показан на рисунке 1.16

Одна из наиболее популярных бюджетных модификаций графических дисплеев малого размера. Чаще всего монтируется в окне и работает на улицу или же эксплуатируется в торговых помещениях расположенных на крытых рыночных либо выставочных площадях.


Рисунок 1.16 – Графический дисплей
К счастью, инженеры давно уже разработали специализированные микросхемы для управления разного рода индикаторами. В этом проекте я рассмотрел матричный модуль с микросхемой MAX7219.

MAX7219 (рис. 1.17) – микросхема для управления 7-сегментными индикаторами и матрицами 8х8. Благодаря встроенной динамической индикации и настройке тока этот чип в десятки раз упрощает работу и с теми, и с другими


Рисунок 1.17 – Матрица MAX7219
Модуль или адаптер Bluetooth представляет собой миниатюрное (размером не более флешки) электронное устройство, предназначенное для дистанционной передачи информации между компьютерами, внешними устройствами, смартфонами и их аксессуарами. Он часто используется для удалённого управления (например, беспроводными наушниками, телевизором и бытовыми приборами).

На фоне остальных протоколов Bluetooth выделяется, прежде всего, помехоустойчивостью и простотой. От не менее распространённого Wi-Fi, Bluetooth отличается в первую очередь низким энергопотреблением, что делает его доступным для автономных устройств. Благодаря этому Bluetooth получил повсеместное распространение.

Чаще всего для самоделок используются Bluetooth -модули HC-05 и HC-06. Их легко найти в продаже. HC-05 отличается от HC-06 тем, что ему доступны оба режима работы: ведомый (master) и ведущий (slave). А вот HC-06 работает только ведомым, то есть он не способен находить другие устройства и самостоятельно устанавливать с ними связь, один из модулей показан на рисунке 1.18.


Рисунок 1.18 – Bluetooth -модуль HC-05
Также существует аналог Bluetooth - модулю HC-05 и HC-06, это Bluetooth модуль JDY-3. Модуль JDY-31(рис 1.19) позволяют изменять режим работы slave/master с помощью AT-команд, т.е. может работать как ведомым SLAVE, так и MASTER который способен находить другие устройства и самостоятельно устанавливать с ними связь.

Основные характеристики модуля JDY-31:

• 
  Рабочая частота: 2.4 GHz
  
• 
  Интерфейс: UART
  
• 
  Напряжение питания: 3.6.. 6V
  
• 
  Ток потребления: 5 мА в режиме поиска,

8 мА в режиме передачи

---