Шагомер на микроконтроллере ATtiny 2313

 Министерство образования  и науки Самарской области

ГБОУ СПО «СТКМ»

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

По курсу: "Микропроцессоры  и микропроцессорные системы"

 

По теме: «Шагомер на микроконтроллере ATtiny 2313»

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

12 КП 230101.371.03 ПЗ

 

 

 

 

 

 

Студент

__________/Егоров И. О./

Преподаватель

___________/Кузнецов К. В./

 

 

 

Самара 

2012

 

ГБОУ СПО «Самарский техникум космического машиностроения»

ЗАДАНИЕ

для курсового проектирования по дисциплине

«Микропроцессоры и микропроцессорные  системы»

 

 

Студенту Егорову Игорю Олеговичу  курса          3               группы   371

Тема проекта:

«Шагомер на микроконтроллере ATtiny 2313».

При выполнении курсового  проекта должны быть представлены:

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Введение

1. Назначение и технические характеристики

2. Описание работы шагомера

2.1. Структурная схема шагомера

2.2. Принципиальная схема шагомера

2.3. Элементная база шагомера

3. Сравнительный анализ микроконтроллеров

4. Учебная программа для микроконтроллера

4.1. Система команд микроконтроллера

4.2. Распечатка программы с комментариями

4.3. Расчёт объёма запоминающего устройства

Заключение

Список использованных источников

 

ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Лист 1. Схема электрическая  принципиальная ЭЗ (формат А2)

Лист 2. Структурная схема  микроконтроллера (формат А2)

 

Дата выдачи задания_______________                            Срок сдачи___________________

 

Студент__________________ Руководитель

курсового проекта_______________

Содержание

Введение………………………………………………………………………………..4

1. Назначение и технические характеристики…………………………………..7
2. Описание работы шагомера……………………………………………………9
1. Структурная схема шагомера……………………………………………..9
2. Принципиальная схема шагомера……………………………………….10
3. Элементная база шагомера……………………………………………....11
3. Сравнительный анализ микроконтроллеров………………………………..21
4. Учебная программа для микроконтроллера…………………………………22
1. Система команд микроконтроллера…………………………………….22
2. Распечатка программы с комментариями………………………………26
3. Расчёт объёма запоминающего устройства…………………………….28

Заключение………………………………………………………………………...29

Список использованных источников……………………………………………30

 

 

 

 

 

 

Введение

Важнейший компонент любого персонального компьютера - это его микропроцессор. Данный элемент в большей степени определяет возможности вычислительной системы и, образно выражаясь, является его сердцем. До настоящего времени безусловным лидером в создании современных микропроцессоров остаётся фирма Intel. Микропроцессор, как правило, представляет из себя сверхбольшую интегральную схему, реализованную в едином полупроводниковом кристалле и способную выполнять функции центрального процессора. Степень интеграции определяется размерами кристалла и количеством реализованных в нём транзисторов. Часто интегральными микросхемы называют чипами (chips).

К обязательным компонентам  микропроцессора относятся арифметико-логическое (исполнительное) устройство и блок управления. Они характеризуются  скоростью (тактовой частотой), разрядностью или длинной слова (внутренней и  внешней), архитектурой и набором  команд. Архитектура микропроцессора  определяет необходимые регистры, стеки, систему адресации, а также типы обрабатываемых процессором данных. Обычно используются следующие типы данных: бит(один разряд), байт (8 бит), слово (16 бит), двойное слово (32 бита). Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, памятью, портами ввода-вывода).

С внешними устройствами микропроцессор может “общаться” благодаря шинам  адреса, данных и управления, выведенных на специальные контакты корпуса  микросхемы. Стоит отметить, что  разрядность внутренних регистров  микропроцессора может не совпадать  с количеством внешних выводов  для линий данных. Иначе говоря, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь, например только 16 линий внешних данных. Объём физически адресуемой микропроцессорной памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как 2 в степени N, где N - количество адресных линий.

До  недавнего времени основной мерой  производительности микропроцессоров (да и компьютеров) считалась их тактовая частота работы, и это было, вообще говоря, справедливо. Однако по мере усложнения архитектуры микропроцессоров (RISC ядро, встроенная кэш-память, технология внутреннего  умножения тактовой частоты) данный параметр работы устройств, хотя и остаётся важным показателем их производительности, уже не является определяющим. Именно этим можно объяснить, например, тот  факт, что микропроцессор i486SX-25 производительнее i386DX-33. В 1992 году фирма Intel предложила индекс для оценки производительности своих микропроцессоров - iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). Сам индекс представляет из себя число, которое отражает относительную производительность данного устройства по сравнению с другими микросхема семейства х86 и Pentium. Производительность процессора 486SX-25 принимается за 100. Заметим, что новый индекс не заменяет известные тестовые программы (benchmark) уже хотя бы потому, что измеряет относительную производительность микропроцессора, а не системы в целом. Кстати говоря, при вычислении индекса iCOMP учитываются операции со следующими“взвешенными”компонентами (числами): 16-разрядные целые (67%), 16-разрядные действительные (3%), 32-разрядные целые (25%), 32-разрядные действительные (5%). К слову, именно величина производительности с индексом iCOMP использовалась фирмой Intel в новой системе маркировки процессоров Pentium, например 735\90 и 815\100 для тактовой частоты 90 и 100 МГц. Следует, однако, учитывать, что в реальных системах может наблюдаться другое соотношение производительности процессоров. Связанно это как с особенностями конкретных системных плат, так и, в случае с Pentium, с тем, что для достижения максимальной производительности требуется оптимизация программных кодов^[1].

Долгое время  центральные процессоры создавались  из отдельных микросхем (или ИМС- интегральная микросхема) малой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов (современные микропроцессоры содержат несколько миллионов транзисторов). Разместив целый ЦПУ на одном чипе сверxбольшой интеграции удалось значительно снизить его стоимость. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других форм компьютеров, в настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

С начала 1970-х широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев. В конце 1990-х главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP) из-за утечек тока и других факторов.

Некоторые авторы относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Такое определение  расходится как с академическими источниками, так и с коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие как Pentium II — были реализованы на нескольких микросхемах).

В настоящее  время, в связи с очень незначительным распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике  термины «микропроцессор» и «процессор» практически равнозначны^[2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Назначение и технические характеристики

Шагоме́р — механическое, электронно-механическое либо электронное устройство для подсчёта количества сделанных шагов (или пар шагов) при ходьбе или беге. Нередко функция шагомера вводится в другие портативные устройства, такие как часы, музыкальные плееры и мобильные телефоны.

Первоначально использовавшийся спортсменами и энтузиастами физических упражнений, шагомер сейчас стал более  популярен. Закреплённый на поясном  ремне и носимый весь день, он позволяет измерить пройденное расстояние (количество шагов × длина шага).

Большинство шагомеров  определяют факт совершения шага по отрицательному ускорению тела человека в момент соприкосновения ступни с землёй, которое фиксируется датчиком-акселерометром. В механическом шагомере движущийся по инерции грузик преодолевает сопротивление  пружины и посредством зубчатой или иной передачи проворачивает  ось механического счётчика на одно деление. В электронных шагомерах  электромеханический датчик преобразует  встряхивание в электрический импульс, увеличивающий показания электронного счётчика; современные модели используют двух- или трёхосевые акселерометры, а встроенные в них микропроцессоры применяют достаточно сложные алгоритмы для исключения ложных срабатываний в ходе выполнения повседневных действий (например, завязывания шнурков).

Менее распространены шагомеры, использующие закрепляемый на подошве обуви контактный датчик, срабатывающий от нажатия. Поскольку  датчик обычно закрепляется только на одной ноге, такие шагомеры считают  пары шагов.

Точность шагомеров сильно зависит от их модели. Большая часть  шагомеров правильно считает  размеренные шаги пешехода, если только укрепить их в правильном положении  в определённом месте (обычно на поясном  ремне). Если шагомером пользоваться неправильно, его точность катастрофически  падает. Большинство шагомеров (если их не отключить) продолжают считать, когда  их пользователь едет в транспорте. Ошибка накапливается, если у пользователя не сидячая работа. Точность сильно зависит от особенностей походки  конкретного человека.

Даже у производителей современных шагомеров с акселерометрами  нет единого определения «правильного шага» и показания приборов разных фирм всё равно различаются. Положение  усугубляется тем, что современные  пользователи ожидают, что показания  будут правильны вне зависимости  от того, соблюдают ли они инструкции по креплению прибора или нет^[3].

Шагомеры, как и велосипедные путевые приборы, разрабатывались  радиолюбителями и раньше, до наступления  эры микроконтроллеров. Это были простые устройства с минимумом  возможностей, собранные на цифровых микросхемах средней степени  интеграции, по существу — счетчики импульсов с выводом результата на семиэлементные индикаторы. Применение микроконтроллера позволило значительно  расширить функциональные возможности  прибора.

Предлагаемый вашему вниманию шагомер не только считает число пройденных шагов, но и измеряет пройденное расстояние и скорость движения на выбранных участках дистанции. Прибор закрепляют на поясном ремне, при движении он ведет счет шагов, сопровождая каждый из них звуковым сигналом. Имеется возможность оперативно изменять хранящееся в энергонезависимой памяти микроконтроллера значение длины шага, используемое для перевода числа шагов в пройденное расстояние. При необходимости информация о пройденном пути и скорости движения также сохраняется в энергонезависимой памяти и может быть вызвана на экран индикатора.

Прибор собран в имеющемся  в продаже корпусе ВОХ-МЗЗС с  необходимыми доработками. Результаты измерения выводятся на многоразрядный светодиодный цифровой индикатор, установленный  на верхней панели корпуса, а на передней размещены кнопки управления режимами работы. Питается шагомер от гальванической или аккумуляторной батареи напряжением 9 В. Он потребляет 12мА в режиме счета  шагов и 100 мА при включенном индикаторе.

"Мозг" прибора —  микроконтроллер ATtiny2313-10PI с загруженной  в него программой. Его тактовая  частота - 4,096 МГц^[4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.   Описание работы устройства

2.1  Структурная схема устройства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2  Принципиальная схема устройства

 

Схема шагомера показана на рис. 2.1. Он собран на отечественных и импортных электронных компонентах. "Мозг" прибора — микроконтроллер ATtiny2313-10PI (DD2) с загруженной в него программой. Его тактовую частоту 4,096 МГц задает кварцевый резонатор ZQ1. Цепь VD1C5R7R8 в момент включения питания тумблером SA1 формирует импульс, устанавливающий микроконтроллер в исходное состояние.

 

 

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема шагомера

 

 

 

 

2.3  Элементная база устройства

 

Микроконтроллер ATtiny 2313.

ATtiny2313 - низкопотребляющий 8 битный КМОП микроконтроллер с AVR RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATtiny2313 достигает производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц, что позволяет разработчику оптимизировать отношение потребления к производительности.

AVR ядро объединяет богатую  систему команд и 32 рабочих  регистра общего назначения. Все  32 регистра непосредственно связаны  с арифметико-логическим устройством  (АЛУ), что позволяет получить  доступ к двум независимым  регистрам при выполнении одной  команды. В результате эта архитектура  позволяет обеспечить в десятки  раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура.

ATtiny2313 имеет следующие  характеристики: 2 КБ программируемой  в системе Flash память программы, 128 байтную EEPROM память данных, 128 байтное  SRAM (статическое ОЗУ), 18 линий ввода  - вывода общего применения, 32 рабочих  регистра общего назначения, однопроводный интерфейс для встроенного отладчика, два гибких таймера/счетчика со схемами сравнения, внутренние и внешние источники прерывания, последовательный программируемый USART, универсальный последовательный интерфейс с детектором стартового условия, программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором и три программно инициализируемых режима пониженного потребления. В режиме Idle останавливается ядро, но ОЗУ, таймеры/счетчики и система прерываний продолжают функционировать. В режиме Power-down регистры сохраняют свое значение, но генератор останавливается, блокируя все функции прибора до следующего прерывания или аппаратного сброса. В Standby режиме задающий генератор работает, в то время как остальная часть прибора бездействует. Это позволяет очень быстро запустить микропроцессор, сохраняя при этом в режиме бездействия мощность.