تحقیق مقاله علم الکترونیک و دیجیتال

مقدمه

علم الکترونیک و دیجیتال در طول کمتر از 40 سال توانسته بجای یک ترانزیستور روی یک قطعه، بیش از صدها میلیون ترانزیستور روی همان قطعه جای دهد که خود بیانگر گوشه ای از شتاب رشد تکنولوژی آنها می باشد. این پیشرفت تکنولوژی زمینه را برای ساخت قطعات دیجیتالی و میکروپروسسورها فراهم کرده است.

   (Distributed System Control) DLC، (Proamable Logic Controg) PLC و انواع وسایل دیجیتالی مدرن نام برد. میکروکنترلرها نیز، قطعه ی شبیه به میکرو پروسسورها بوده که به دلیل ساختار ویژه، در کاربردهای کنترلی کارایی بیشتری از خود نشان می دهد.

در کشور ما میکروکنترلرهای خانواده 8x51 و بخصوص 8951 (میکروکنترلر شبابه  8051 با ؟ ) و 892051 (میکرو کنترلر 20 پایه با تمام قابلیت های داخلی 8051 و  2k حافظه ؟ کاربرد فراوانی داشته و همچنین خواهد داشت. کمتر دانشگاه یا شرکت یا مؤسسه ای می توان یافت که در کارهای آزمایشگاهی، تحقیقاتی و بخصوص کارهای تولیدی دیگر، تجاری و صنعتی از آن استفاده نکرده باشد و کارآیی آنرا نداند. متأسفاه منابعی که در این زمینه وجود دارد یا کتابهای شرکت سازنده IC می باشند که استفاده از آن، بدون تخصص و تجربه، عملاً امکان پذیر نیست و یا ترجمه بعضی از کتب خارجی است که بدلیل عدم سازگاری با سیستم آموزشی مؤسسات و دانشگاه ها، کتاب سنگین و بعضأ غیر قابل استفاده ای می باشد. بخصوص اینکه در این کتابها پایه و اصول میکروکنترلر تفهیم نشده است. بلکه مستقیمأ سراغ استفاده، آنهم متناسب با ساختار و فرهنگ خودش پرداخته است که معمولاً جز بخشی از آن، آنهم برای افراد با تجربه قابل استفاده نمی باشد.

تعریف پروژه

این تحقیق یک تابلو نویسنده است که مغز کنترل کننده آن یک میکروکنترلر است . این تابلو شامل تعداد 3500  که تعداد 100*35 می باشد. تمام این  بر روی برد استخوانی سوار شده اند که فاصله هر  تا دیگری از هر جناح، برابر  می باشد. برای فرمان دادن به هر کدام از این  ها باید جریان برابر 35-50 میلی آمپر از آن عبور دهیم . پس برای روشن کردن همزمان تمام  به جریانی معادل 5/7 آمپر نیاز داریم که سخت افزار مدار در این حالت بسیار پیچیده، حجیم، پرمصرف با توان تلفاتی بالا و تقریباً ساخت غیر ممکن آن همراه است و عملاً از این روش نمی توان استفاده کرد.

روشی که برای تمام تابلوهای نویسنده استفاده می شود  کردن نام دارد که در هر لحظه فقط یکی از  ها روشن است و برای روشن کردن کل صفحه، تمام ها باید با سرعت بالا روشن و خاموش شوند. سرعت روشن شدن کل صفحه باید در  باشد تا چشم قادر به دیدن خاموش بودن صفحه نباشد. در هنگام حرکت دادن نوشته، شکل و یا هر چیز دیگر روی تابلو، سرعت چشمک زدن صفحه در هر ثانیه می تواند از 50 بار به 40  بار تقلیل یابد که در این حالت چشم قادر به دیدن خاموشی صفحه نیست.

همچنین برای مجزا کردن هر  از دیگری در هنگام فرمان دادن به 3500  آدرس (هر آدرس برای هر ) نیاز داریم که این روش نیز غیر ممکن می باشد. بنابراین از روش ماتریسی برای دیودها استفاده می کنیم که در این روش انتخاب هر سطر و ستون باعث انتخاب یک  می گردد. ما در این تحقیق با استفاده از  8  بیتی توانستیم عملاً نتیجه کار را تا حد قابل قبولی پیش ببریم. در این روش انتخاب یک سطر و 8  ستون همزمان باعث پدیدار شدن کد 8  بیتی می گردد.

در این حالت برای روشن کردن کل صفحه در هر لحظه فقط 8   روشن است و سرعت نسبت به حالت  تک  بیشتر است. (8  برابر)

معرفی قطعات:

* تصویر دیکدر 4*16 :

 در این دیکدر یک کد بایندی دیگر شده و هر لحظه یکی از خروجی ها اکتیو می شود. پایه های  این  توانا ساز این تراشه می باشند که اکتیو  هستند. خروجی های این قطعه نیز اکتیو  می باشند و به هنگام انتخاب شده هر خروجی، آن خروجی از  به  نزول پیدا می کند.

* تصویر دیکدر 2*4 :

این دیکدر همانند دیکدر  است که در این دیکدر فقط دو خط آدرس ار خروجی وجود دارد. تواناساز این  و خروجی آن نیز همانند مالتی پلکسر بالا اکتیو  می باشد.

 * تصویر LATCH:

این قطعه یک قفل کننده اطلاعات می باشد. که با فرمان به پایه   (می توان خروجی) هر خروجی که قبلاً در این قطعه قفل شده باشد، در خروجی ظاهر می شود.

قفل کردن اطلاعت توسط پایه   می باشد و هنگامیکه از سطح  به می رود خروجی همان ورودی شده و 8  بیت ورودی قفل می شود.

* تٍصویر ترانزیستور:

این ترانزیستور  میباشد و  آن بین  تا  است. ماکزیمم جریانی که می تواند از آن عبور کند، برابر  می باشد.

* تصویر گیت NOT :

این یک آی سی با شماره 7404 میباشد که شامل 16  عدد گیت  در داخل آن است .

* رگولاتور 7805 :

یک رگولاتور ولتاژ است که ولتاژ نوسان دار را به ولتاژ گوشه  ولت تبدیل کرده که از این ولتاژ گوله شده برای تغذیه   های دیجیتالی و میکروکنترلر بکار می رود. ماکزیمم جریان خروجی این رگولاتور 1  آمپر می باشد.

سخت افزار مدار:

در این قسمت به تحلیل سخت افزارل دستگاه می پردازیم. از دو دیکدر  و یک دیکدر  برای انتخاب کردن سطرها استفاده شده است. که مجموعاً می توان  سطر را انتخاب کرد.

برای انتخاب ستون ها از  استفاده می شود که ورودی دیتا در تمام  ها با هم موازی اند و  آنها توسط یک دیکدر  استفاده شده است.

آدرس های هر  دیکدر با هم موازی شده اند و انتخاب این دیکدرها توسط دیکدر واسط دیگری انجام می گردد که آن هم یک دیکدر  است. پس معمولاً 3  دیکدر  و دو دیکدر  در این مدار وجود دارد.

ورودی دیکدر ها به پورت 1  و ورودی  ها به پورت 2  در میکروکنترلر وصل شده است.

پس برای نمایش  ابتدا باید آدرس ستون را روی پورت 2  قرار داد، سپس  مربوطه را توسط پورت 1  انتخاب کرد. در این حالت آدرس روی پورت 2  روی یکی از لچها قفل شده است. با انتخاب سطر توسط پورت 1 ،  مربوطه روشن خواهد شد.

برای درایو کردن سطرها، از یک طبقه درایو ترانزیستوری استفاده می شود. چون در بدترین حالت، 8   در هر لحظه روشن است و هر ستون فقط 1   را روشن نگاه می دارد اما هر سطر باید بتواند جریان هر 8   را تأمین کند.

در نتیجه به ازای هر سطر یک ترانزیستور استفاده شده است.

آند  ها به سطرها و کاتد آنها به ستونها وصل شده است. پس 1  بودن سطر و صفر بودن ستون باعث انتخاب  می گردد.

* تصویر

در این حالت هنگامیکه هیچ سطری انتخاب نشده، تمامی خروجی دیکدرها  می باشد و بالا بودن بیس ترانزیستور باعث می شود که دیود  آن در بایاس معکوس قرار گیرد و هیچ کدام از آند  ها ولتاژ مثبتی نداشته باشند.

با انتخاب یک سطر، خروجی دیکدر  شده و باعث جاری شدن جریان الکتریکی در بیس ترانزیستور مربوطه می شود. در نتیجه ترانزیستور روشن شده و سطر مورد نظر انتخاب می شود.

یکی از مشکلات این تکنیک که هرگز به آن فکر نکرده بودیم، این است که در هنگام انتخاب نشدن یک سطر، ترانزیستور خاموش است و کلکتور آن نقش  امپرانس را ایفا می کند. در نتیجه آند دیودهای به هیچ بایی وصل نشده است.

اگر در این سطر یکی از  ، جریان اشباع معکوس بالایی داشته باشد، باعث می شود

* که دیگر  ها از روشن شوند. در واقع بدون فرمان دادن به سطرها تعدادی از دیودها روشن شده اند. که اگر از روش دوم استفاده می کردیم، چون آندریوها زمین شده بود هرگز چنین مشکلی پیش نمی آمد. اما در این روش هر لحظه یک ترانزیستور خاموش بود و 34 ترانزیستور دیگر روشن بودند و این عمل باعث بالا رفتن تلفات به شکل

عجیبی می شد.

برای دفع این مشکل مشکل باید یک مقاومت از آند دیودها (سطرها) به زمین وصل کرد تا جریان معکوس دیود ناسالم را به زمین منتقل کند. در واقع آند دیودها توسط این روش به زمین نزدیکتر می شود. مقدار این مقاومت به این صورت محاسبه می شود:

؟

در این حالت، ماکزیمم جریان اشباع معکوس از دیودها گذشته اما با گذشتن از مقاومت 33 اهم مقداری کمتر از ولتاژ شکست (روشن شدن دیود) را ایجاد می کند و باعث روشن شدن دیود نمی گردد.

دیودهای  و  درامتیر ترانزیستور بعلت این است که اگر ولتاژ خروجی دیکدر کمتر از  باشد، در این حالت باز هم ترانزیستور روشن شود. بعبارتی دیگر ولتاژ در  خروجی دیکدر می تواند تا مقدار  کاهش یابد که مقدار  ولت می باشد.

مقدار جریانی که در حالت روشن شدن 8  دیود نور دهنده باید از ترانزیستور بگذرد برابر است با ماکزیمم جریان یک دیود  به علاوه جریان که از مقاومت 33 اهم می گذرد.

ماکزیمم جریان هر دیود مقداری برابر 50  میلی آمپر است که برای 8  دیود برابر 450  میلی آمپر میباشد.

مقدار جریان مقاومت نیز برابر 2/2  ولت تقسیم بر 33  اهم است که برابر 70  میلی آمپر می شود. در هنگام روشن شدن ترانزیستور، جریانی برابر جریان نامی ترانزیستور از آن می گذرد.

البته این عمل در هنگام  کردن با سرعت بالا صادق نیست. چون ترانزیستور کاملاً به حد اشباع نرسیده و ماکزیمم جریان از دیود نور دهنده نمی گذرد.

به عبارتی دیگر عرض پالس خروجی از دیکدر آنقدر کوتاه خواهد بود که مجال رسیدن جریان ترانزیستور به ماکزیمم را از آن می گیرد.

پس در اینصورت پس از  کردن کل صفحه نوری که از دیودها منتشر می شود کمتر از نور ماکزیمم است. پس در هنگام محاسبات باید جریان عبوری از دیودهای نور دهنده را با تغییر عناصر مدار به مقدار 140  میلی آمپر رساند تا در هنگام اسکن شدن صفحه جریان متوسطی در حدود 60-50  میلی آمپر به پورت خروجی شماره 1  بعلت بالا بودن فرکانس خازنهای 30  پیکو فارارد تا زمین وصل شده تا از ایجاد نویز بر روی مخلوط آدرس جلوگیری شود. برای پورت دوم این کار عملاً تغییری در روال مدار ایجاد نمی کند. زیرا تغییرات پورت 1  چندین برابر تغییرات پورت دوم می باشد و عامل نویز تأثیر بیشتری بر روی پورت اول می گذارد.

چون ایجاد نویز بر روی خطوط آدرس پورت 1  منجر به انتخاب اشتباه لچ دیگر و یا سطر دیگر می شود.

به علت کوتاه بودن نویز، سطر انتخاب شده که اشتباه است توسط چشم قابل تشخیص نیست و چشم خطاهای نویز را بر روی سطرها نمی بیند. اما اشتباه در انتخاب لچ ها باعث قفل شدن اطلاعات بر روی یک لچ و ظاهر شدن تصویر یا کاراکتر بر روی ستون  دیگری می شود که این کار توسط چشم قابل رؤیت است.

*  تصویر ؟

در روش درایور ترانزیستوری، مزیت آن، کم شدن ولتاژ ایتر در هنگام روشن شدن هریک از ترانزیستورهاست که به مقدار ولت می رسد و چون تمامی ایتر ترانزیستورها به هم متصل شده است، باعث می شود که عملاً 5/2  تمامی ترانزیستورها در بایاس معکوس بین ایتر قرار بگیرند.

از پورت سوم برای تبادل اطلاعات بصورت سریال توسط کامپیوتر استفاده می شود که پس از تعریف سرعت انتقال اطلاعات، در میکروکنترلر، اطلاعات انتقال می یابند.

پس از قرار دادن اطلاعات ستونها، توسط پورت 1  کلاک لچ مورد نظر از صفر منطقی به یک منطقی تغییر کرده و اطلاعات قفل می شوند. خروجی تمام لچ ها اکتیو هستند. زیرا تواناساز خروجی تمامی لچ ها که اکتیو  است به زمین وصل شده.

تمامی مدار بر روی سه برد مدار چاپی تعبیه شده است تا در هنگام بروز اشکال و یا ایراد، بتوان برد معیوب را با جدا کردن از دیگر قسمت های مدار، تعمیر کرد. برد سیلکت کننده ستون برد سلکت کننده سطر بر میکروکنترلر.

با محاسبه مقدار جریان مصرفی و تخمین زدن جریان هر تراشه، مقدار جریان 2  آمپر بدست آمد ک باید جریان نامی کل مدار برابر 3  آمپر باشد تا از سوختن رگولاتود تا حد امکان جلوگیری شود. بعلت موجود نبودن رگولاتور 7805  با جریان خروجی 3  آمپر، از 3  رگولاتور 1  آمپر با یک زمین ثابت و خروجی های مجزا استفاده شده و هر رگولاتور تغذیه یک برد را بر عهده دارد.

اتصالات بین بردها توسط کامکتورهای 8  بین و 10  بین انجام گرفته است. در هنگام اتصال سیمها به کانکتورها باید دقت لازم را به عمل آورد تا از اتصالی بین سیمها و قطع بودن مسیر خطوط جلوگیری شود.