مقاله بررسی علم الکترونیک (تایمرها و …) در 67 صفحه ورد قابل ویرایش

چکیده:

تایمر دیجیتالی که دراین پروژه طراحی شده است و معرفی می گردد دارای مشخصات زیر است:

- نمایش مراحل برنامه بر روی سون سگمنت (26 مرحله).

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

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

- کوچک بودن حجم مدار نسبت به نمونه های مشابه دیجیتالی .

اصولاً تایمر برای شمارش اتفاقات بکار می رود. و تعداد خاصی از این اتفاقات برای ما اهمیت دارد تا در این زمانهای خاص به یک دستگاه فرمان روشن یا خاموش بودن را بدهیم. دراصل تایمر دیجیتالی یک شمارنده است که تعداد پالسهای ورودی را بصورت باینری می شمارد و اگر ما از میان این اعداد موردنظر خودمان را به وسیله یک دیکودر، دیکودر کنیم، به راحتی می توانیم به تعدادی خروجی فرمان دهیم.


مقدمه:

درعصری که ما در آن زندگی می کنیم، علم الکترونیک یکی از اساسی ترین و کاربردی­ترین علومی است که در تکنولوژی پیشرفته امروزه نقش مهمی را ایفا می کند.

الکترونیک دیجینتال یکی از شاخه های علم الکترونیک است که منطق زیبای آن انسان را مجذوب خود می کند.

امروزه اکثر سیستمهای الکترونیکی به سمت دیجیتال سوق پیدا کرده است و این امر به علت مزایای زیادی است که سیستمهای دیجیتال نسبت به مدارهای آنالوگ دارند.

مداری که ادر این پروژه معرفی می گردد یک مدار فرمان میکرویی است که به منظور جایگزینی برای نمونه مکانیکی آن طراحی گردیده است.

برای طراحی و ساخت یک تایمر ماشین لباسشویی، قبل از هرچیز باید ماشین لباسشویی، طرزکار و همچنین عملکرد قسمتهای مختلف آن را بشناسیم. برای این منظور در ابتدات به شرح قسمتهای مختلف آن می پردازیم:

اجزای زیر قسمتهای مختلف یک ماشین لباسشویی را تشکیل می دهند:

موتور ، پمپ تخلیه، المنت گرمکن، شیربرقی، اتوماتیک دما، هیدرو سوئیچ و تایمر.

اگر بخواهیم عملکرد ماشین لباسشویی را بطور خلاصه بیان کنیم، به این صورت است که ابتدا شیرآب (شیربرقی) بازشده و آب مخزن را پر می کند. سپس درصورت نیاز، گرمکن آب مخزن را به گرمای مجاز می رساند. سپس موتور شروع به چرخاندن لباسهای کثیف می کند. سپس پمپ، آب کثیف را از مخزن به بیرون از ماشین پمپ می کند. این سلسله عملیات ادامه دارد تا در انتها ماشین بطوراتوماتیک خاموش شده و متصدی دستگاه می تواند لباسهای شسته شده را از دستگاه خارج کند. فرمان تمام اجزای فوق را تایمر می دهد. برای آشنایی با تایمر مکانیکی، مختصری درمورد آن توضیح می دهیم:

این تایمر به ا ین صورت عمل می کند که یک موتور الکتریکی کوچک، یک محور را توسط چرخ دنده هایی می چرخاند و این محور یک سری دیسک های پلاستیکی هم محور را می چرخاند. این دیسک ها بر روی خود دارای برجستگی هایی است و برروی این برجستگی ها زائده هایی قرار می گیرند که با چرخیدن دیسک، این زائده ها بالا و پایین رفته و پلاتین هایی را بازوبسته می کنند. و این پلاتین ها نیز به نوبه خود یک سری اتصال های الکتریکی قطع و وصل می شوند که می توانند به عنوان فرمان های الکتریکی قسمتهای مختلف لباسشویی به کار روند. شکل زیر نحوه عملکرد این نوع تایمر را نشان می دهد:

تایمرهای مکانیکی دارای عیوب و مزایایی هستند که در زیر به آنها اشاره می شود:

بسیارگران هستند، استفاده از این نوع تایمر باعث پیچیدگی سیم کشی داخل ماشین لباسشویی می شود، بر اثر کارکرد پلاتین های آن اکسیده شده و به خوبی عمل نمی کند.

از مزیتهای مهم تایمر مکانیکی می توان نویزپذیر نبودن آن را نام برد. قبل از تشریح مدار تایمردیجیتالی و عملکرد آن، ابتدا کمی درمورد دو عنصر هیدروسوئیچ و اتوماتیک دما که درتمام ماشین های لباسشویی وجود دارد (وکمتر در دستگاههای الکتریکی دیده می شود) توضیح می دهیم:

تایمرهای لباسشویی یک سری مشخصات عمومی دارند که برای همه انواع آن صادق است.

این مشخصات به قرار زیر است:

- نشان د ادن مرحله برنامه در هرلحظه.

- حفظ مرحله برنامه درهنگام قطع برق.

- انتخاب شروع برنامه از هرمرحله دلخواه.

- خاموش کردن لباسشویی پس از اتمام به صورت اتوماتیک.

هیدروسوئیچ که مخفف سوئیچ هیدرولیکی است یک عنصر مکانیکی است که پربودن یا خالی بودن مخزن لباسشویی از آب را، تشخیص می دهد.

این عنصر از یک مخزن کوچک تشکیل شده که داخل آن یک دیافراگم قراردارد. این مخزن دارای یک ورودی هوا است. وقتی هوا تحت فشار معینی به داخل آن برسد، دیافراگم به جلو حرکت کرده و یک اتصال الکتریکی را قطع و یا وصل می کند.

علت استفاده از هیدروسوئیچ در ماشین لباسشویی یکی به این دلیل است که وقتی شیربرقی آب را بازکرده وآب وارد مخزن لباسشویی می شود، پس از رسیدن حجم آب بیش از حد مجاز وارد مخزن شود.

دلیل دیگر استفاده از هیدروسوئیچ، وابسته نبودن حجم آب پرشده درون مخزن، به فشار آب ورودی است. اتوماتیک دما هم یک نوع ترموستات الکتریکی است که با قطع و وصل به موقع المنت گرمکن، دمای آب مخزن لباسشویی را طبق انتخاب ما ثابت نگه می دارد.





مدارتغذیه:

درشکل نمای کلی از مدار تغذیه به کار برده شده در این پروژه را نشان می دهیم. که آن را به اختصار شرح می دهیم.

باتری V1 ولتاژ کمتری نسبت به V2 دارد پس D2 هدایت کرده و روشن است و D1 خاموش است. ما دراینجا از رگولاتور (7805) استفاده کرده ایم که ولتاژ ورودی آن بین 6 تا 10 و کاهنده می باشد که 5 ولت خروجی دارد.

در اینجا به خاطر رسیدن به 5 ولت از Ic(7805) استفاده می کنیم.

مدار داخلی (7805):

یک مدار کلکتور مشترک است که تقویت ولتاژ ندارد و تقویت جریان دارد.

علت استفاده از دیود D1 در مدار تغذیه:

اگر D1 در مدار نباشد باتری 9 ولت همیشه در مدار است اما ا گر D1 در مدار باشد وقتی باتری 9 ولت وارد مدار می شود که ولتاژ تغذیه شهر قطع شود.

علت استفاده از D2: برای اینکه ولتاژی از باتری به منبع تغذیه نرود.

مدار تشخیص قطع و وصل بودن برق شهر:

1- نحوه قرارگرفتن پایه های رگولاتور به صورت زیراست:

2- مقاومتهای بایاس ترانزیستور با مقادیر مشخص شده به کار رفته اند.

3- علت استفاده از خازن C1 : یک صافی است، برای اینکه روی میکرو پارازیت نیافتد.

این مدار به منظور رساندن پیامی به میکرو در مدار قرارداده شده تا میکرو را از وضعیت برق شهر مطلع کند .

این مدار یک ولتاژ نمونه از منبع تغذیه اصلی دریافت کرده و اگر جریان برق شهر برقرار باشد خروجی این مدار صفر و در غیراین صورت خروجی مدار 1 می باشد. که میکرو از روی این اختلاف ولتاژ به بودن یا نبودن برق شهر پی می برد.

این مدار تغذیه دارای یک مدار فرمان است که این مدار فرمان به میکرو متصل می باشد. تا زمانی که برق شهر رفت، به میکرو فرمان دهد که تمام خروجی ها را خاموش کند.

این مدار تغذیه 2 ورودی دارد که درحالت seven segment دستگاه خاموش میشود ، و میکرو به حالت استندبای می رود.

«مدار قدرت»

این مدار ، مدار اپتو کوپلر (بایاس ترایاک) است .

اپتوکوپلرها برای ایزوله کردن مدار فرمان از مدار قدرت بکار می روند به این ترتیب که فرمان گیت ترایاک توسط یک LED به آن اعمال می شود. بین LED و ترایاک هیچ پایه مشترکی وجود ندارد.

درصورت مستقیم وصل کردن مدار فرمان به مدار قدرت علاوه براین اشکالات نویز باعث برق دار شدن مدار فرمان می شود.

برای برطرف کردن این اشکال 2 راه وجود دارد. 1- استفاده از ترانس پالس 2- اپتو کوپلر در روش ترانس پالس، به وسیله یک ترانس پالس مدار فرمان از قدرت جدا می شود.

به این ترتیب که با اعمال پالس ازطرف مدارفرمان در سر دیگر ترانس پالس یک پالس مربعی ایجاد می شود که ازآن می توان برای فرمان دادن مدارات قدرت استفاده کرد.

1- ترانزیستور: از خروجی میکرو جریان کمی می گذرد به خاطر تقویت جریان برای رسیدن به ورودی opto IC IC استفاده می شود.

* مدار پیشنهادی برای راه اندازی تریاک IC(opto copler) توسط اپتوکوپلر



میکروها، مینی ها و کامپیوترهای مرکزی

به عنوان یک نقطه شروع، کامپیوترها براساس اندازه و توان آنها با عنوان میکروکامپیوترها، مینی کامپیوترها و کامپیوترهای مرکزی دسته بندی می شوند. یک ویژگی کلیدی میکروکامپیوترها اندازه و بسته بندی CPU می باشد که از یک مدار مجتمع واحد – یعنی یک ریزپردازنده تشکیل شده است. از طرف دیگر مینی کامپیوترها و کامپیوترهای مرکزی علاوه بر آن که در برخی جزئیات معماری، پیچیده تر هستند، CPU هایی مشتمل برچندین IC دارند که از چند IC (در مینی کامپیوترها) تا چندین برد مدار متشکل از IC ها (در کامپیوترهای مرکزی) تغییر می کند و این برای به دست آوردن سرعت های بالا و توان محاسباتی کامپیوترهای بزرگتر ضروری است.

میکروکامپیوترهایی مثل Apple Macintosh , IBM PC و Commodore Amiga یک ریزپردازنده را به عنوان CPU بکار برده اند. ROM , RAM و مدارهای واسطه به IC های زیادی نیاز دارند و تعداد قطعات اغلب به همراه توان محاسبه افزایش می یابد. مدارهای واسطه از لحاظ پیچیدگی بسته به ابزارهای I/O تفاوت قابل ملاحظه ای دارند. برای مثال راه اندازی بلندگو که در اغلب میکروکامپیوترها وجود دارد تنها نیازمند یک جفت گیت منطقی است و درمقابل، رابط دیسک معمولا شامل IC های زیادی است که بعضاً در بسته های LSI قرار دارند.

ویژگی دیگری که میکروها را از مینی ها و کامپیوترهای مرکزی جدا می کند آن است که میکروکامپیوترها سیستمهایی تک اجرایی و تک کاربر هستند یعنی با یک کاربر ارتباط متقابل دارند و یک برنامه را دریک زمان اجرا می کنند. از طرف دیگر مینی ها و کامپیوترهای مرکزی سیستمهایی چند اجرایی و چندکاربر هستند یعنی می توانند به کاربران و برنامه های زیادی بطور همزمان سرویس دهند. درعمل، اجرای همزمان برنامه ها توهمی است که در نتیجه عمل «برش زمان» توسط CPU بوجود می آید (با این همه سیستمهای چندپردازشی از چندین CPU برای انجام همزمان وظایف استفاده می کنند).

مقایسه ریزپردازنده ها با میکروکنترلرها

پیش از این خاطر نشان شد که ریزپردازنده ها CPU هایی تک تراشه هستند و درمیکروکامپیوترها به کار می روند. پس فرق میکروکنترلرها با ریزپردازنده ها چیست؟ با این سؤال از سه جنبه می توان برخورد کرد: معماری سخت افزار، کاربردها و ویژگی های مجموعه دستورالعمل ها .

معماری سخت افزار

برای روشن ساختن تفاوت بین میکروکنترلرها و ریزپردازنده ها، شکل 2-1 برای نشان دادن جزئیات بیشتر دوباره رسم شده است (شکل 6-1 را ملاحظه کنید).

درحالی که ریزپردازنده یک CPU ی تک تراشه ای است، مکروکنترلر دریک تراشه واحد شامل یک CPU و بسیاری از مدارات لازم برای یک سیستم میکروکامپیوتری کامل می باشد. علاوه بر CPU میکروکنترلرها شامل ROM , RAM یک رابط سریال، یک رابط موازی، تایمر و مدارات زمان بندی وقفه می باشند که همگی دریک IC قراردارند . البته مقدار RAM روی تراشه حتی به میزان آن دریک سیستم میکروکامپیوتری کوچک هم نمی رسد اما آنطور که خواهیم دید این مسأله محدودیتی ایجاد نمی کند زیرا کاربردهای میکروکنترلر بسیار متفاوت است.

یک ویژگی مهم میکروکنترلرها، سیستم وقفه موجود در داخل آنهاست. میکروکنترلرها به عنوان ابزارهای کنترل گرا اغلب برای پاسخ بی درنگ به محرکهای خارجی (وقفه ها) مورد استفاده قرار می گیرند. یعنی باید در پاسخ به یک «اتفاق»، سریعا یک فرآیند را معوق گذارده، به فرآیند دیگر بپردازند. بازشدن دریک اجاق مایکروویو مثالی است از یک اتفاق که ممکن است باعث ایجاد یک وقفه در یک سیستم میکروکنترلری شود. البته اغلب ریزپردازنده ها می توانند سیستمهای وقفه قدرتمندی را به اجرا بگذارند، اما برای این کار معمولا نیاز به اجزای خارجی دارند. مدارات روی تراشه یک میکروکنترلر شامل تمام مدارات موردنیاز برای بکارگیری وقفه ها می باشد.

کاربردها

ریزپردازنده ها اغلب به عنوان CPU در سیستم های میکروکامپیوتری بکار می روند. این کاربرد دلیل طراحی آنها و جایی است که می توانند توان خود را به نمایش بگذارند. با این وجود میکروکنترلرها در طراحی های کوچک با کمترین اجزاء ممکن که فعالیتهای کنترل گرا انجام میدهند نیز یافت می شوند. این طراحی ها در گذشته با چند دوجین یا حتی صدها IC دیجیتال انجام می شد. یک میکروکنترلر می تواند در کاهش تعدا کل اجزا، کمک کند. آنچه که موردنیاز است عبارت است از یک میکروکنترلر، تعداد کمی اجزاء پشتیبان و یک برنامه کنترلی در ROM. میکروکنترلرها برای «کنترل» ابزارهای I/O در طراحی هایی با کمترین تعداد اجزاء ممکن مناسب هستند، اما ریزپردازنده ها برای «پردازش» اطلاعات در سیستمهای کامپیوتری مناسبند.

ویژگیهای مجموعه دستورالعمل ها

به علت تفاوت در کاربردها، مجموعه دستورالعمل های موردنیاز برای میکروکنترلرها تا حدودی با ریزپردازنده ها تفاوت دارد. مجموعه دستورالعمل ها ی ریزپردازنده ها برعمل پردازش تمرکز یافته اند و در نتیجه دارای روشهای آدرس دهی قدرتمند به همراه دستورالعمکل هایی برای انجام عملیات روی حجم زیاد داده می باشند. دستورالعمل ها روی چهاربیت ها، بایت ها، کلمه ها یا حتی کلمه های مضاعف عمل می کنند. روشهای آدرس دهی با استفاده از فاصله های نسبی و اشاره گری های آدرس امکان دسترسی به آرایه های بزرگ داده را فراهم می کنند. حالت های افزایش یک واحدی اتوماتیک و کاهش یک واحدی، حرکت گام به گام روی بایت ها، کلمه ها و کلمه های مضاعف را در آرایه ها آسان می کنند. دستورالعمل های رمزی نمی توانند در داخل برنامه کاربر اجرا شوند وبسیاری ویژگی های دیگر از این قبیل.

از طرف دیگر میکروکنترلرها مجموعه دستورالعمل هایی مناسب برای کنترل ورودی ها و خروجی ها دارند. ارتباط با بسیاری از ورودی ها و خروجی ها تنها نیازمند یک بیت است. برای مثال یک موتور توسط یک سیم پیچ که توسط یک درگاه خروجی یک بیتی انرژی دریافت می کند، روشن و خاموش شود. میکروکنترلرها دستورالعمل هایی برای 1کردن و 0کردن بیت های جداگانه دارند و دیگر عملیات روی بیت ها مثل OR , AND یا EXOR کردن منطقی بیت ها، پرش درصورت1 یا پاک بودن یک بیت و مانند آنها را نیاز انجام می دهند. این خصیصه مفید بندرت در ریزپردازنده ها یافت می شود زیرا آنها معمولا برای کار روی بایت ها یا واحدهای بزرگتر داده طراحی می شوند.

برای کنترل و نظارت بر ابزارها (شاید توسط یک رابط تک بیتی)، میکروکنترلرها مدارات داخلی و دستورالعمل هایی برای عملیات ورودی/ خروجی، زمانبندی اتفاقات و فعال کردن و تعیین اولویت وقفه های ناشی از محرک های خارجی دارند. ریزپردازنده ها اغلب به مدارات اضافی (IC های رابط سریال، کنترل کننده های وقفه، تایمرها و غیره) برای انجام اعمال مشابه نیاز دارند. با این همه در قدرت پردازش محض، یک میکروکنترلر هرگز به ریزپردازنده نمی رسد (اگر در بقیه موارد یکسان باشند)، زیرا بخش عمده «فضای واقعی» IC میکروکنترلر صرف تهیه امکانات روی تراشه می شود البته به قیمت کاهش توان پردازش.

از آنجا که فضاهای واقعی در تراشه برای میکروکنترلرها اهمیت دارند دستورالعمل ها باید بی نهایت فشرده باشند و اساسا در یک بایت پیاده سازی شوند. یکی از نکات در طراحی جادادن برنامه کنترلی در داخل ROM روی تراشه است، زیرا افزودن حیت یک ROM روی تراشه است، زیرا افزودن حتی یک ROM خارجی هزینه نهایی تولید را بسیار افزایش می دهد. به رمزدرآوردن فشرده برای مجموعه دستورالعمل های میکروکنترلر اساسی است ، در حالی که ریزپردازنده ها بندرت دارای این ویژگی می باشند، روشهای آدرس دهی قدرتمند آنها بعث به رمزدرآوردن غیر فشرده دستورالعمل ها می شود.
بررسی اجمالی پایه ها

در اینجا، معماری سخت افزار 8051 با نگاهی از بیرون به پایه های آن، معرفی می‌شود (شکل 2-2) و در ادامه شرح مختصری از عملکرد هر پایه ارائه می گردد.

همان طور که در شکل 2-2 دیده می شود 32 پایه از 40 پایه 8051 به عنوان خطوط درگاه I/O عمل می کنند. معهذا 24 خط از این خطوط دو منظوره هستند (26 خط در 8032/8052). هر یک از این خطوط می توانند به عنوان I/O یا خط کنترل و یا بخشی از گذرگاه آدرس یا گذرگاه داده به کار روند.

در طراحی هایی که با کمترین مقدار حافظه و دیگر قطعات خارجی انجام می شوند، از این درگاهها به عنوان I/O همه منظوره استفاده می کنند. هر هشت خط یک درگاه می تواند به صورت یک واحد در ارتباط با وسایل موازی مانند چاپگرها و مبدلهای دیجیتال به آنالوگ بکار رود. و یا هر خط به تنهایی با وسایل تک بیتی مثل سوئیچ ها، LEDها، ترانزیستورها، سیم پیچ ها، موتورها و بلندگوها ارتباط برقرار کند.
درگاه 0

درگاه 0، یک درگاه دو منظوره از پایه 32 تا 39 تراشه 8051 می باشد. این درگاه در طراحی های با کمترین اجزای ممکن به عنوان یک درگاه I/O عمومی استفاده می شود. در طراحی های بزرگتر که از حافظه خارجی استفاده می کنند، این درگاه یک گذرگاه آدرس و داده مالتی پلکس شده می باشد. (به بخش 6-2 حافظة خارجی مراجعه کنید)
درگاه 1

درگاه 1 درگاه اختصاصی I/O روی پایه های 1 تا 8 است. پایه های P1.0 تا P1.7 در صورت نیاز برای ارتباط با وسایل خارجی بکار می روند. وظیفه دیگری برای پایه های درگاه 1 درنظر گرفته نشده است، بنابراین آنها گهگاه برای ارتباط با وسایل خارجی بکار می روند. استثناء در IC های 8032/8052 که از P1.0 و P1.1 به عنوان خطوط I/O و یا ورودی تایمر سوم استفاده می شود.
درگاه 2

درگاه 2 (پایه های 21 تا 28) یک درگاه دو منظوره است که به عنوان I/O عمومی و یا بایت بالای گذرگاه آدرس در طراحی با حافظه کد خارجی به کار می رود. این درگاه همچنین در طراحی هایی که به بیش از 256 بایت از حافظه داده خارجی نیاز دارند نیز استفاده می شود.
درگاه3

درگاه 3 یک درگاه دو منظوره روی پایه های 10 تا 17 می باشد. علاوه بر I/O عمومی این پایه ها هر یک وظایف دیگری نیز در رابطه با امکانات خاص 8051 دارند. وظایف خاص پایه های درگاه 3 و درگاه 2 در جدول 2-2 خلاصه شده است.