مقاله بررسی علم الكترونيك (تايمرها و …)

مقاله بررسي علم الكترونيك (تايمرها و …) در 67 صفحه ورد قابل ويرايش

چكيده:

تايمر ديجيتالي كه دراين پروژه طراحي شده است و معرفي مي گردد داراي مشخصات زير است:

- نمايش مراحل برنامه بر روي سون سگمنت (26 مرحله).

- حفظ مرحله برنامه در هنگام قطع برق با استفاده از باطري BACKUP .

- انتخاب شروع از هرمرحله برنامه با استفاده از كليدهاي PROGRAM .

- كوچك بودن حجم مدار نسبت به نمونه هاي مشابه ديجيتالي .

اصولاً تايمر براي شمارش اتفاقات بكار مي رود. و تعداد خاصي از اين اتفاقات براي ما اهميت دارد تا در اين زمانهاي خاص به يك دستگاه فرمان روشن يا خاموش بودن را بدهيم. دراصل تايمر ديجيتالي يك شمارنده است كه تعداد پالسهاي ورودي را بصورت باينري مي شمارد و اگر ما از ميان اين اعداد موردنظر خودمان را به وسيله يك ديكودر، ديكودر كنيم، به راحتي مي توانيم به تعدادي خروجي فرمان دهيم.


مقدمه:

درعصري كه ما در آن زندگي مي كنيم، علم الكترونيك يكي از اساسي ترين و كاربردي­ترين علومي است كه در تكنولوژي پيشرفته امروزه نقش مهمي را ايفا مي كند.

الكترونيك ديجينتال يكي از شاخه هاي علم الكترونيك است كه منطق زيباي آن انسان را مجذوب خود مي كند.

امروزه اكثر سيستمهاي الكترونيكي به سمت ديجيتال سوق پيدا كرده است و اين امر به علت مزاياي زيادي است كه سيستمهاي ديجيتال نسبت به مدارهاي آنالوگ دارند.

مداري كه ادر اين پروژه معرفي مي گردد يك مدار فرمان ميكرويي است كه به منظور جايگزيني براي نمونه مكانيكي آن طراحي گرديده است.

براي طراحي و ساخت يك تايمر ماشين لباسشويي، قبل از هرچيز بايد ماشين لباسشويي، طرزكار و همچنين عملكرد قسمتهاي مختلف آن را بشناسيم. براي اين منظور در ابتدات به شرح قسمتهاي مختلف آن مي پردازيم:

اجزاي زير قسمتهاي مختلف يك ماشين لباسشويي را تشكيل مي دهند:

موتور ، پمپ تخليه، المنت گرمكن، شيربرقي، اتوماتيك دما، هيدرو سوئيچ و تايمر.

اگر بخواهيم عملكرد ماشين لباسشويي را بطور خلاصه بيان كنيم، به اين صورت است كه ابتدا شيرآب (شيربرقي) بازشده و آب مخزن را پر مي كند. سپس درصورت نياز، گرمكن آب مخزن را به گرماي مجاز مي رساند. سپس موتور شروع به چرخاندن لباسهاي كثيف مي كند. سپس پمپ، آب كثيف را از مخزن به بيرون از ماشين پمپ مي كند. اين سلسله عمليات ادامه دارد تا در انتها ماشين بطوراتوماتيك خاموش شده و متصدي دستگاه مي تواند لباسهاي شسته شده را از دستگاه خارج كند. فرمان تمام اجزاي فوق را تايمر مي دهد. براي آشنايي با تايمر مكانيكي، مختصري درمورد آن توضيح مي دهيم:

اين تايمر به ا ين صورت عمل مي كند كه يك موتور الكتريكي كوچك، يك محور را توسط چرخ دنده هايي مي چرخاند و اين محور يك سري ديسك هاي پلاستيكي هم محور را مي چرخاند. اين ديسك ها بر روي خود داراي برجستگي هايي است و برروي اين برجستگي ها زائده هايي قرار مي گيرند كه با چرخيدن ديسك، اين زائده ها بالا و پايين رفته و پلاتين هايي را بازوبسته مي كنند. و اين پلاتين ها نيز به نوبه خود يك سري اتصال هاي الكتريكي قطع و وصل مي شوند كه مي توانند به عنوان فرمان هاي الكتريكي قسمتهاي مختلف لباسشويي به كار روند. شكل زير نحوه عملكرد اين نوع تايمر را نشان مي دهد:

تايمرهاي مكانيكي داراي عيوب و مزايايي هستند كه در زير به آنها اشاره مي شود:

بسيارگران هستند، استفاده از اين نوع تايمر باعث پيچيدگي سيم كشي داخل ماشين لباسشويي مي شود، بر اثر كاركرد پلاتين هاي آن اكسيده شده و به خوبي عمل نمي كند.

از مزيتهاي مهم تايمر مكانيكي مي توان نويزپذير نبودن آن را نام برد. قبل از تشريح مدار تايمرديجيتالي و عملكرد آن، ابتدا كمي درمورد دو عنصر هيدروسوئيچ و اتوماتيك دما كه درتمام ماشين هاي لباسشويي وجود دارد (وكمتر در دستگاههاي الكتريكي ديده مي شود) توضيح مي دهيم:

تايمرهاي لباسشويي يك سري مشخصات عمومي دارند كه براي همه انواع آن صادق است.

اين مشخصات به قرار زير است:

- نشان د ادن مرحله برنامه در هرلحظه.

- حفظ مرحله برنامه درهنگام قطع برق.

- انتخاب شروع برنامه از هرمرحله دلخواه.

- خاموش كردن لباسشويي پس از اتمام به صورت اتوماتيك.

هيدروسوئيچ كه مخفف سوئيچ هيدروليكي است يك عنصر مكانيكي است كه پربودن يا خالي بودن مخزن لباسشويي از آب را، تشخيص مي دهد.

اين عنصر از يك مخزن كوچك تشكيل شده كه داخل آن يك ديافراگم قراردارد. اين مخزن داراي يك ورودي هوا است. وقتي هوا تحت فشار معيني به داخل آن برسد، ديافراگم به جلو حركت كرده و يك اتصال الكتريكي را قطع و يا وصل مي كند.

علت استفاده از هيدروسوئيچ در ماشين لباسشويي يكي به اين دليل است كه وقتي شيربرقي آب را بازكرده وآب وارد مخزن لباسشويي مي شود، پس از رسيدن حجم آب بيش از حد مجاز وارد مخزن شود.

دليل ديگر استفاده از هيدروسوئيچ، وابسته نبودن حجم آب پرشده درون مخزن، به فشار آب ورودي است. اتوماتيك دما هم يك نوع ترموستات الكتريكي است كه با قطع و وصل به موقع المنت گرمكن، دماي آب مخزن لباسشويي را طبق انتخاب ما ثابت نگه مي دارد.





مدارتغذيه:

درشكل نماي كلي از مدار تغذيه به كار برده شده در اين پروژه را نشان مي دهيم. كه آن را به اختصار شرح مي دهيم.

باتري V1 ولتاژ كمتري نسبت به V2 دارد پس D2 هدايت كرده و روشن است و D1 خاموش است. ما دراينجا از رگولاتور (7805) استفاده كرده ايم كه ولتاژ ورودي آن بين 6 تا 10 و كاهنده مي باشد كه 5 ولت خروجي دارد.

در اينجا به خاطر رسيدن به 5 ولت از Ic(7805) استفاده مي كنيم.

مدار داخلي (7805):

يك مدار كلكتور مشترك است كه تقويت ولتاژ ندارد و تقويت جريان دارد.

علت استفاده از ديود D1 در مدار تغذيه:

اگر D1 در مدار نباشد باتري 9 ولت هميشه در مدار است اما ا گر D1 در مدار باشد وقتي باتري 9 ولت وارد مدار مي شود كه ولتاژ تغذيه شهر قطع شود.

علت استفاده از D2: براي اينكه ولتاژي از باتري به منبع تغذيه نرود.

مدار تشخيص قطع و وصل بودن برق شهر:

1- نحوه قرارگرفتن پايه هاي رگولاتور به صورت زيراست:

2- مقاومتهاي باياس ترانزيستور با مقادير مشخص شده به كار رفته اند.

3- علت استفاده از خازن C1 : يك صافي است، براي اينكه روي ميكرو پارازيت نيافتد.

اين مدار به منظور رساندن پيامي به ميكرو در مدار قرارداده شده تا ميكرو را از وضعيت برق شهر مطلع كند .

اين مدار يك ولتاژ نمونه از منبع تغذيه اصلي دريافت كرده و اگر جريان برق شهر برقرار باشد خروجي اين مدار صفر و در غيراين صورت خروجي مدار 1 مي باشد. كه ميكرو از روي اين اختلاف ولتاژ به بودن يا نبودن برق شهر پي مي برد.

اين مدار تغذيه داراي يك مدار فرمان است كه اين مدار فرمان به ميكرو متصل مي باشد. تا زماني كه برق شهر رفت، به ميكرو فرمان دهد كه تمام خروجي ها را خاموش كند.

اين مدار تغذيه 2 ورودي دارد كه درحالت seven segment دستگاه خاموش ميشود ، و ميكرو به حالت استندباي مي رود.

«مدار قدرت»

اين مدار ، مدار اپتو كوپلر (باياس تراياك) است .

اپتوكوپلرها براي ايزوله كردن مدار فرمان از مدار قدرت بكار مي روند به اين ترتيب كه فرمان گيت تراياك توسط يك LED به آن اعمال مي شود. بين LED و تراياك هيچ پايه مشتركي وجود ندارد.

درصورت مستقيم وصل كردن مدار فرمان به مدار قدرت علاوه براين اشكالات نويز باعث برق دار شدن مدار فرمان مي شود.

براي برطرف كردن اين اشكال 2 راه وجود دارد. 1- استفاده از ترانس پالس 2- اپتو كوپلر در روش ترانس پالس، به وسيله يك ترانس پالس مدار فرمان از قدرت جدا مي شود.

به اين ترتيب كه با اعمال پالس ازطرف مدارفرمان در سر ديگر ترانس پالس يك پالس مربعي ايجاد مي شود كه ازآن مي توان براي فرمان دادن مدارات قدرت استفاده كرد.

1- ترانزيستور: از خروجي ميكرو جريان كمي مي گذرد به خاطر تقويت جريان براي رسيدن به ورودي opto IC IC استفاده مي شود.

* مدار پيشنهادي براي راه اندازي ترياك IC(opto copler) توسط اپتوكوپلر



ميكروها، ميني ها و كامپيوترهاي مركزي

به عنوان يك نقطه شروع، كامپيوترها براساس اندازه و توان آنها با عنوان ميكروكامپيوترها، ميني كامپيوترها و كامپيوترهاي مركزي دسته بندي مي شوند. يك ويژگي كليدي ميكروكامپيوترها اندازه و بسته بندي CPU مي باشد كه از يك مدار مجتمع واحد – يعني يك ريزپردازنده تشكيل شده است. از طرف ديگر ميني كامپيوترها و كامپيوترهاي مركزي علاوه بر آن كه در برخي جزئيات معماري، پيچيده تر هستند، CPU هايي مشتمل برچندين IC دارند كه از چند IC (در ميني كامپيوترها) تا چندين برد مدار متشكل از IC ها (در كامپيوترهاي مركزي) تغيير مي كند و اين براي به دست آوردن سرعت هاي بالا و توان محاسباتي كامپيوترهاي بزرگتر ضروري است.

ميكروكامپيوترهايي مثل Apple Macintosh , IBM PC و Commodore Amiga يك ريزپردازنده را به عنوان CPU بكار برده اند. ROM , RAM و مدارهاي واسطه به IC هاي زيادي نياز دارند و تعداد قطعات اغلب به همراه توان محاسبه افزايش مي يابد. مدارهاي واسطه از لحاظ پيچيدگي بسته به ابزارهاي I/O تفاوت قابل ملاحظه اي دارند. براي مثال راه اندازي بلندگو كه در اغلب ميكروكامپيوترها وجود دارد تنها نيازمند يك جفت گيت منطقي است و درمقابل، رابط ديسك معمولا شامل IC هاي زيادي است كه بعضاً در بسته هاي LSI قرار دارند.

ويژگي ديگري كه ميكروها را از ميني ها و كامپيوترهاي مركزي جدا مي كند آن است كه ميكروكامپيوترها سيستمهايي تك اجرايي و تك كاربر هستند يعني با يك كاربر ارتباط متقابل دارند و يك برنامه را دريك زمان اجرا مي كنند. از طرف ديگر ميني ها و كامپيوترهاي مركزي سيستمهايي چند اجرايي و چندكاربر هستند يعني مي توانند به كاربران و برنامه هاي زيادي بطور همزمان سرويس دهند. درعمل، اجراي همزمان برنامه ها توهمي است كه در نتيجه عمل «برش زمان» توسط CPU بوجود مي آيد (با اين همه سيستمهاي چندپردازشي از چندين CPU براي انجام همزمان وظايف استفاده مي كنند).

مقايسه ريزپردازنده ها با ميكروكنترلرها

پيش از اين خاطر نشان شد كه ريزپردازنده ها CPU هايي تك تراشه هستند و درميكروكامپيوترها به كار مي روند. پس فرق ميكروكنترلرها با ريزپردازنده ها چيست؟ با اين سؤال از سه جنبه مي توان برخورد كرد: معماري سخت افزار، كاربردها و ويژگي هاي مجموعه دستورالعمل ها .

معماري سخت افزار

براي روشن ساختن تفاوت بين ميكروكنترلرها و ريزپردازنده ها، شكل 2-1 براي نشان دادن جزئيات بيشتر دوباره رسم شده است (شكل 6-1 را ملاحظه كنيد).

درحالي كه ريزپردازنده يك CPU ي تك تراشه اي است، مكروكنترلر دريك تراشه واحد شامل يك CPU و بسياري از مدارات لازم براي يك سيستم ميكروكامپيوتري كامل مي باشد. علاوه بر CPU ميكروكنترلرها شامل ROM , RAM يك رابط سريال، يك رابط موازي، تايمر و مدارات زمان بندي وقفه مي باشند كه همگي دريك IC قراردارند . البته مقدار RAM روي تراشه حتي به ميزان آن دريك سيستم ميكروكامپيوتري كوچك هم نمي رسد اما آنطور كه خواهيم ديد اين مسأله محدوديتي ايجاد نمي كند زيرا كاربردهاي ميكروكنترلر بسيار متفاوت است.

يك ويژگي مهم ميكروكنترلرها، سيستم وقفه موجود در داخل آنهاست. ميكروكنترلرها به عنوان ابزارهاي كنترل گرا اغلب براي پاسخ بي درنگ به محركهاي خارجي (وقفه ها) مورد استفاده قرار مي گيرند. يعني بايد در پاسخ به يك «اتفاق»، سريعا يك فرآيند را معوق گذارده، به فرآيند ديگر بپردازند. بازشدن دريك اجاق مايكروويو مثالي است از يك اتفاق كه ممكن است باعث ايجاد يك وقفه در يك سيستم ميكروكنترلري شود. البته اغلب ريزپردازنده ها مي توانند سيستمهاي وقفه قدرتمندي را به اجرا بگذارند، اما براي اين كار معمولا نياز به اجزاي خارجي دارند. مدارات روي تراشه يك ميكروكنترلر شامل تمام مدارات موردنياز براي بكارگيري وقفه ها مي باشد.

كاربردها

ريزپردازنده ها اغلب به عنوان CPU در سيستم هاي ميكروكامپيوتري بكار مي روند. اين كاربرد دليل طراحي آنها و جايي است كه مي توانند توان خود را به نمايش بگذارند. با اين وجود ميكروكنترلرها در طراحي هاي كوچك با كمترين اجزاء ممكن كه فعاليتهاي كنترل گرا انجام ميدهند نيز يافت مي شوند. اين طراحي ها در گذشته با چند دوجين يا حتي صدها IC ديجيتال انجام مي شد. يك ميكروكنترلر مي تواند در كاهش تعدا كل اجزا، كمك كند. آنچه كه موردنياز است عبارت است از يك ميكروكنترلر، تعداد كمي اجزاء پشتيبان و يك برنامه كنترلي در ROM. ميكروكنترلرها براي «كنترل» ابزارهاي I/O در طراحي هايي با كمترين تعداد اجزاء ممكن مناسب هستند، اما ريزپردازنده ها براي «پردازش» اطلاعات در سيستمهاي كامپيوتري مناسبند.

ويژگيهاي مجموعه دستورالعمل ها

به علت تفاوت در كاربردها، مجموعه دستورالعمل هاي موردنياز براي ميكروكنترلرها تا حدودي با ريزپردازنده ها تفاوت دارد. مجموعه دستورالعمل ها ي ريزپردازنده ها برعمل پردازش تمركز يافته اند و در نتيجه داراي روشهاي آدرس دهي قدرتمند به همراه دستورالعمكل هايي براي انجام عمليات روي حجم زياد داده مي باشند. دستورالعمل ها روي چهاربيت ها، بايت ها، كلمه ها يا حتي كلمه هاي مضاعف عمل مي كنند. روشهاي آدرس دهي با استفاده از فاصله هاي نسبي و اشاره گري هاي آدرس امكان دسترسي به آرايه هاي بزرگ داده را فراهم مي كنند. حالت هاي افزايش يك واحدي اتوماتيك و كاهش يك واحدي، حركت گام به گام روي بايت ها، كلمه ها و كلمه هاي مضاعف را در آرايه ها آسان مي كنند. دستورالعمل هاي رمزي نمي توانند در داخل برنامه كاربر اجرا شوند وبسياري ويژگي هاي ديگر از اين قبيل.

از طرف ديگر ميكروكنترلرها مجموعه دستورالعمل هايي مناسب براي كنترل ورودي ها و خروجي ها دارند. ارتباط با بسياري از ورودي ها و خروجي ها تنها نيازمند يك بيت است. براي مثال يك موتور توسط يك سيم پيچ كه توسط يك درگاه خروجي يك بيتي انرژي دريافت مي كند، روشن و خاموش شود. ميكروكنترلرها دستورالعمل هايي براي 1كردن و 0كردن بيت هاي جداگانه دارند و ديگر عمليات روي بيت ها مثل OR , AND يا EXOR كردن منطقي بيت ها، پرش درصورت1 يا پاك بودن يك بيت و مانند آنها را نياز انجام مي دهند. اين خصيصه مفيد بندرت در ريزپردازنده ها يافت مي شود زيرا آنها معمولا براي كار روي بايت ها يا واحدهاي بزرگتر داده طراحي مي شوند.

براي كنترل و نظارت بر ابزارها (شايد توسط يك رابط تك بيتي)، ميكروكنترلرها مدارات داخلي و دستورالعمل هايي براي عمليات ورودي/ خروجي، زمانبندي اتفاقات و فعال كردن و تعيين اولويت وقفه هاي ناشي از محرك هاي خارجي دارند. ريزپردازنده ها اغلب به مدارات اضافي (IC هاي رابط سريال، كنترل كننده هاي وقفه، تايمرها و غيره) براي انجام اعمال مشابه نياز دارند. با اين همه در قدرت پردازش محض، يك ميكروكنترلر هرگز به ريزپردازنده نمي رسد (اگر در بقيه موارد يكسان باشند)، زيرا بخش عمده «فضاي واقعي» IC ميكروكنترلر صرف تهيه امكانات روي تراشه مي شود البته به قيمت كاهش توان پردازش.

از آنجا كه فضاهاي واقعي در تراشه براي ميكروكنترلرها اهميت دارند دستورالعمل ها بايد بي نهايت فشرده باشند و اساسا در يك بايت پياده سازي شوند. يكي از نكات در طراحي جادادن برنامه كنترلي در داخل ROM روي تراشه است، زيرا افزودن حيت يك ROM روي تراشه است، زيرا افزودن حتي يك ROM خارجي هزينه نهايي توليد را بسيار افزايش مي دهد. به رمزدرآوردن فشرده براي مجموعه دستورالعمل هاي ميكروكنترلر اساسي است ، در حالي كه ريزپردازنده ها بندرت داراي اين ويژگي مي باشند، روشهاي آدرس دهي قدرتمند آنها بعث به رمزدرآوردن غير فشرده دستورالعمل ها مي شود.
بررسي اجمالي پايه ها

در اينجا، معماري سخت افزار 8051 با نگاهي از بيرون به پايه هاي آن، معرفي مي‌شود (شكل 2-2) و در ادامه شرح مختصري از عملكرد هر پايه ارائه مي گردد.

همان طور كه در شكل 2-2 ديده مي شود 32 پايه از 40 پايه 8051 به عنوان خطوط درگاه I/O عمل مي كنند. معهذا 24 خط از اين خطوط دو منظوره هستند (26 خط در 8032/8052). هر يك از اين خطوط مي توانند به عنوان I/O يا خط كنترل و يا بخشي از گذرگاه آدرس يا گذرگاه داده به كار روند.

در طراحي هايي كه با كمترين مقدار حافظه و ديگر قطعات خارجي انجام مي شوند، از اين درگاهها به عنوان I/O همه منظوره استفاده مي كنند. هر هشت خط يك درگاه مي تواند به صورت يك واحد در ارتباط با وسايل موازي مانند چاپگرها و مبدلهاي ديجيتال به آنالوگ بكار رود. و يا هر خط به تنهايي با وسايل تك بيتي مثل سوئيچ ها، LEDها، ترانزيستورها، سيم پيچ ها، موتورها و بلندگوها ارتباط برقرار كند.
درگاه 0

درگاه 0، يك درگاه دو منظوره از پايه 32 تا 39 تراشه 8051 مي باشد. اين درگاه در طراحي هاي با كمترين اجزاي ممكن به عنوان يك درگاه I/O عمومي استفاده مي شود. در طراحي هاي بزرگتر كه از حافظه خارجي استفاده مي كنند، اين درگاه يك گذرگاه آدرس و داده مالتي پلكس شده مي باشد. (به بخش 6-2 حافظة خارجي مراجعه كنيد)
درگاه 1

درگاه 1 درگاه اختصاصي I/O روي پايه هاي 1 تا 8 است. پايه هاي P1.0 تا P1.7 در صورت نياز براي ارتباط با وسايل خارجي بكار مي روند. وظيفه ديگري براي پايه هاي درگاه 1 درنظر گرفته نشده است، بنابراين آنها گهگاه براي ارتباط با وسايل خارجي بكار مي روند. استثناء در IC هاي 8032/8052 كه از P1.0 و P1.1 به عنوان خطوط I/O و يا ورودي تايمر سوم استفاده مي شود.
درگاه 2

درگاه 2 (پايه هاي 21 تا 28) يك درگاه دو منظوره است كه به عنوان I/O عمومي و يا بايت بالاي گذرگاه آدرس در طراحي با حافظه كد خارجي به كار مي رود. اين درگاه همچنين در طراحي هايي كه به بيش از 256 بايت از حافظه داده خارجي نياز دارند نيز استفاده مي شود.
درگاه3

درگاه 3 يك درگاه دو منظوره روي پايه هاي 10 تا 17 مي باشد. علاوه بر I/O عمومي اين پايه ها هر يك وظايف ديگري نيز در رابطه با امكانات خاص 8051 دارند. وظايف خاص پايه هاي درگاه 3 و درگاه 2 در جدول 2-2 خلاصه شده است.