Разработка системы срабатывания сигнализации автомобиля на основе активного датчика инфракрасного сигнала

Рисунок 4.6 Виды корпусов – круглый металлический слева, и пластиковый DIP справа.

Микросхема выпускается  в двух типах корпусов - пластиковом DIP и круглом металлическом. Назначения выводов одинаковые в обоих корпусах. На рисунке 4.6 показаны выводы корпусов и их обозначения.

Функциональная схема  таймера показана на рисунке 4.7.

Микросхема содержит около 20 транзисторов, 15 резисторов, 2 диода. Выходной ток может достигать 200 мА, потребляемый - на 3- 6 мА больше. Напряжение питания может изменяться от 4,5 до 18 вольт. При этом точность таймера  практически не зависит от изменения  напряжения питания и составляет 1% от расчетного. Дрейф составляет 0,1%/вольт, а температурный дрейф - 0,005%/С.

Рисунок 4.7 Функциональная схема таймера LM555C.

 

Теперь мы рассмотрим принципиальную схему таймера и определим, какой вывод для чего нужен (рисунок 4.8).

Рисунок 4.8 Принципиальная электрическая схема таймера LM555C.

Назначение  выводов:

1. Земля (Gnd). Вывод, который подключается к минусу питания и к общему проводу схемы.

2. Запуск (Trigger). Вход компаратора №2. При подаче на этот вход импульса низкого уровня (не более 1/3 Vпит) таймер запускается и на выходе устанавливается напряжение высокого уровня на время, которое определяется внешним сопротивлением R (Ra+Rb, см. функциональную схему) и конденсатором С - это так называемый режим моностабильного мультивибратора. Входной импульс может быть как прямоугольным, так и синусоидальным. Главное, чтобы по длительности он был короче, чем время заряда конденсатора С. Если же входной импульс по длительности все-таки превысит это время, то выход микросхемы будет оставаться в состоянии высокого уровня до тех пор, пока на входе не установится опять высокий уровень. Ток, потребляемый входом, не превышает 500нА.

3. Выход (Output). Выходное напряжение меняется вместе с напряжением питания и равно Vпит-1,7В (высокий уровень на выходе). При низком уровне выходное напряжение равно примерно 0,25в (при напряжении питания +5в). Переключение между состояниями низкий - высокий уровень происходит приблизительно за 100 нс.

4. Сброс (Reset). При подаче на этот вывод напряжения низкого уровня (не более 0,7в) происходит сброс выхода в состояние низкого уровня не зависимо от того, в каком режиме находится таймер на данный момент. Входное напряжение не зависит от величины напряжения питания - это TTL-совместимый вход. Для предотвращения случайных сбросов этот вывод настоятельно рекомендуется подключить к плюсу питания, пока в нем нет необходимости.

5. Контроль (Control Voltage). Этот вывод позволяет получить доступ к опорному напряжению компаратора №1, которое равно 2/3Vпит. Обычно, этот вывод не используется. Однако его использование может весьма существенно расширить возможности управления таймером. Все дело в том, что подачей напряжения на этот вывод можно управлять длительностью выходных импульсов таймера. Подаваемое напряжение на этот вход в режиме моностабильного мультивибратора может составлять от 45% до 90% напряжения питания. А в режиме мультивибратора от 1,7 В до напряжения питания. При этом мы получаем ЧМ (FM) модулированный сигнал на выходе. Если же этот вывод таки не используется, то его рекомендуется подключить к общему проводу через конденсатор 0,01мкФ (10нФ) для уменьшения уровня помех и всяких других неприятностей.

6. Останов (Threshold). Этот вывод является одним из входов компаратора №1. Он используется для остановки таймера и приведения выхода в состояние низкого уровня. При подаче импульса высокого уровня (не менее 2/3 напряжения питания), таймер останавливается, и выход сбрасывается в состояние низкого уровня. Так же как и на вывод 2, на этот вывод можно подавать как прямоугольные импульсы, так и синусоидальные.

7. Разряд (Discharge). Этот вывод подсоединен к коллектору транзистора Т6, эмиттер которого соединен с землей. Таким образом, при открытом транзисторе конденсатор С разряжается через переход коллектор-эмиттер и остается в разряженном состоянии пока не закроется транзистор. Транзистор открыт, когда на выходе микросхемы низкий уровень и закрыт, когда выход активен, то есть на нем высокий уровень. Этот вывод может также применяться как вспомогательный выход. Нагрузочная способность его примерно такая же, как и у обычного выхода таймера.

8. Плюс питания (Vcc). Напряжение питания таймера может находиться в пределах 4,5-16 вольт.

Рисунок 4.9 Диаграмма работы микросхемы.

Большинство таймеров нуждаются  во времязадающей цепочке, обычно состоящей  из резистора и конденсатора. На рисунке 4.9 представлена диаграмма работы микросхемы.

Итак, предположим, что мы подали питание на микросхему. Вход находится в состоянии высокого уровня, на выходе - низкий уровень, конденсатор  С разряжен. И тут мы подаем серию  прямоугольных импульсов на вход таймера. Что происходит?

Первый же импульс низкого  уровня переключает выход таймера  в состояние высокого уровня. Транзистор Т6 закрывается и конденсатор  начинает заряжаться через резистор R. Все то время пока конденсатор  заряжается, выход таймера остается во включенном состоянии - на нем сохраняется  высокий уровень напряжения. Как  только конденсатор зарядится до 2/3 напряжения питания, выход микросхемы выключается и на нем появляется низкий уровень. Транзистор T6 открывается  и конденсатор С разряжается.

Однако есть два нюанса, которые показаны на графике пунктирными  линиями.

Первый - если после окончания  заряда конденсатора на входе сохраняется  низкий уровень напряжения - в таком  случае выход остается активным - на нем сохраняется высокий уровень  до тех пор, пока на входе не появится высокий уровень. Второй - если мы активируем вход Сброс напряжением низкого  уровня. В этом случае выход сразу  же выключится, не смотря на то, что  конденсатор все еще заряжается.

Время, за которое конденсатор  заряжается до 63,2% (2/3) напряжения питания  вычисляется формулой t = R*C, где R - сопротивление резистора в МОм, С - емкость конденсатора в мкФ. Время получается в секундах.

В данном курсовом проекте  таймеры используются в режиме генераторов импульсов. Микросхема может выдавать последовательность прямоугольных импульсов, параметры которых определяются RC цепочкой. Входы обоих компараторов соединены и подключены к соединению резистора R2 и конденсатора. Вывод 7 включен между резисторами. Конденсатор заряжается через резисторы R1 и R2 (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 Включение таймера в режиме генератора импульсов.

Теперь посмотрим, что  же произойдет, если подать питание на схему. В исходном состоянии конденсатор разряжен и на входах обоих компараторов низкий уровень напряжения, близкий к нулю. Компаратор №2 переключает внутренний триггер и устанавливает на выходе таймера высокий уровень. Транзистор Т6 закрывается и конденсатор начинает заряжаться через резисторы R1 и R2 (рисунок 4.11).

Рисунок 4.11 Диаграмма в режиме генератора импульсов.

Когда напряжение на конденсаторе достигает 2/3 напряжения питания, компаратор №1 в свою очередь переключает триггер и выключает выход таймер - напряжение на выходе становится близким к нулю. Транзистор Т6 открывается и конденсатор начинает разряжаться через резистор R2. Как только напряжение на конденсаторе опустится до 1/3 напряжения питания, компаратор №2 опять переключит триггер и на выходе микросхемы снова появится высокий уровень. Транзистор Т6 закроется и конденсатор снова начнет заряжаться.

В результате на выходе мы получаем последовательность прямоугольных импульсов. Частота импульсов, как вы вероятно уже догадались, зависит от величин C, R1 и R2. Определяется она по формуле:

f = 1 / 0.693 • C • (R1 + 2R2)     (1)

 

Значения R1 и R2 подставляются  в Омах, C - в фарадах, частота получается в Герцах.

Время между началом каждого  следующего импульса называется периодом и обозначается буковкой t. Оно складывается из длительности самого импульса - t1 и  промежутком между импульсами - t2 => t = t1+t2.

Частота и период - понятия  обратные друг другу и зависимость  между ними следующая:

f = 1/t;                 (2)

t1 и t2 можно посчитать следующим образом:

t1 = 0.693(R1+R2)C;                 (3)

t2 = 0.693R2C.                 (4)

4.4. Микроконтроллер

Чтобы добиться простоты, надёжности и экономичности  управления реле сигнализации рационально использовать небольшой по размерам, не требующий для своей работы дополнительных микросхем окружения недорогой микропроцессор, обладающий в тоже время достаточными возможностями для решения поставленной задачи.

В качестве микроконтроллера для этой САУ был выбран микроконтроллер  Attiny13 производителя Atmel. Это - экономичный 8 битовый КМОП микроконтроллер, построенный с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. Исполняя по одной команде за период тактовой частоты,  ATtiny13 имеет производительность около 16 MIPS на 16 МГц, что позволяет разработчикам создавать системы, оптимальные по скорости и потребляемой мощности. Распиновка контроллера показана ниже на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 Выводы МК ATtiny13 компании Atmel.

 

Отличительные особенности:

 

• Высококачественный низко-потребляющий 8-битный AVR МК.
• Передовая RISC архитектура:

     - 120 команд, большинство  которых выполняется за один  тактовый цикл;

     - 32 8-битных рабочих регистра общего применения;

     - полностью статическая архитектура.

 

• Энергонезависимая память программ и данных:

     - 1 КБ внутрисистемно  программируемой Flash памяти программы,  способной выдержать 10 000 циклов  записи/стирания;

     - 64 байта внутрисистемно  программируемой EEPROM памяти данных, способной выдержать 100 000 циклов  записи/стирания;

     - 64 байта встроенной SRAM памяти (статическое ОЗУ);

     - программируемая защита от считывания самопрограммируемой Flash памяти программы и EEPROM памяти данных.

• Характеристики периферии:

     - один 8-разрядный таймер/счетчик с отдельным предделителем и два ШИМ канала;

     - 4 канальный  10 битный АЦП со встроенным  ИОН;

     - программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором;

     - встроенный аналоговый компаратор.

• Специальные характеристики микроконтроллера:

     - встроенный отладчик debugWIRE;

     - внутрисистемное программирование через SPI порт;

     - внешние и внутренние источники прерывания;

     - режимы пониженного потребления Idle, ADC Noise Reduction и Power-down;

     - усовершенствованная схема формирования сброса при включении;

     - программируемая схема обнаружения кратковременных пропаданий питания;

     - встроенный откалиброванный генератор.

• Порты ввода - вывода и корпусное исполнение:

     - 8 выводные PDIP и SOIC корпуса: 6 программируемых линий  ввода-вывода.

• Диапазон напряжения питания:

     - от 1.8 до 5.5 В;

  - индустриальный рабочий температурный диапазон.

• Потребление

     - активный режим:

       290 мкА  при частоте 1 МГц и напряжении  питания 1.8 В;

     - режим пониженного потребления

       0.5 мкА  при напряжении питания 1.8 В.

Архитектура МК показана на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13 Блок-диаграмма внутренней архитектуры Attiny13.

4.5. ИК светодиод

Для излучения пучка света  в инфракрасном диапазоне частот требуется устройство, которое могло бы излучать эти волны. Таковым является  недорогой качественный светодиод TSAL6100 компании Vishay, d=5мм 950нм (рисунок. 4.14).

Рисунок 4.14 ИК-светодиод TSAL6100 Vishay.

 

Технические характеристики:

 

• Мощность излучения P, мВт       30
• Длина волны, нм         950
• Максимальное время нарастания импульса, нс    100
• Максимальное время спада импульса, нс    100
• Способ монтажа         в отверстие
• Рабочая температура, С       -40...85
• Максимальное обратное напряжение, В     3
• Угол диаграммы направленности (угол обзора)   20° (±10°),
• Сила излучения мин. 80 мВт/ср, типовая 130 мВт/ср, макс. 400 мВт/ср,
• Максимально допустимый постоянный прямой ток 10 мА, пиковый ток 50 мА.
• Время переключения (нарастания и спада) 800 нс / 800 нс.