Создание устройства отображения информации с радиальной механической разверткой

Опубликовано Жемоедов Николай Александрович вкл 19.10.2016 - 9:13
Автор: 
Родькин Станислав

Существует множество различных способов представления информации. В наше время нельзя представить жизнь без телевизоров, мониторов, рекламных щитов, табло, движущихся афиш и других устройств, связанных с представлением информации.

В средствах отображения информации используется большое количество новейших материалов. Для их изготовления применяются различные технологические процессы. За последнее время средства отображения претерпели значительные технические изменения.

         Не так часто попадаются новые устройства отображения информации. А устройства с механической разверткой, в которых используются светодиоды, попадаются довольно редко. Устройства, использующие светодиоды, обычно  применяют в рекламе для вывода изображений и небольшой текстовой информации, но они дорогие и сложны в изготовлении.Разрабатываемое устройство является достаточно дешевым в сравнении с аналогами и более простым в изготовлении. К тому же оно является довольно необычным.

Необычность визуальных эффектов, создаваемых устройством, всегда привлекает к нему внимание окружающих людей, что делает его прекраснымрекламным носителем, незаменимым помощником на выставке, презентации, торговом зале, помогающим привлечь внимание и донести информацию до широкой аудитории.

Цель работы: создание устройства отображения информации с радиальной механической разверткой.

Объектом исследования являются устройства отображения информации, работающие на принципах механической развертки.

Предметом исследования данной работы являются средства разработки устройств на микроконтроллерах и средства программирования микроконтроллеров.

В соответствии с поставленной целью, выделенным объектом и предметом исследования необходимо решить следующие задачи:

-     рассмотреть способы построения изображения с применением механических разверток;

-       описать принцип работы устройств с механической разверткой;

-       разработать схему электрическую принципиальную;

-     разработать программное обеспечение для устройства отображения информации с радиальной механической разверткой;

-     создать устройство отображения информации.

Скачать:

ВложениеРазмер
Файл statya_stas.docx435.05 КБ

Предварительный просмотр:

Международная научно-практическая конференция учащихся и педагогов «Первые шаги в науку»

Научно-исследовательская работа на тему:

«Создание устройства отображения информации с радиальной механической разверткой».

Предметная область: информатика

Выполнил: ученик 11а класса

МБОУ СОШ №8

Родькин Станислав

Научный руководитель: учитель физики и информатики

МБОУ СОШ №8

Жемоедов Николай Александрович

Брянск 2015

Оглавление

Введение        

1.        Принцип формирования изображения на устройстве с механической разверткой        

2.        Структура механических узлов устройства отображения информации с радиальной механической разверткой        

3.        Схема электрическая принципиальная устройства отображения информации с радиальной механической разверткой        

4.        Тестирование        

Выводы        

Список литературы        

Приложение        

Введение

Существует множество различных способов представления информации. В наше время нельзя представить жизнь без телевизоров, мониторов, рекламных щитов, табло, движущихся афиш и других устройств, связанных с представлением информации.

В средствах отображения информации используется большое количество новейших материалов. Для их изготовления применяются различные технологические процессы. За последнее время средства отображения претерпели значительные технические изменения.

        Не так часто попадаются новые устройства отображения информации. А устройства с механической разверткой, в которых используются светодиоды, попадаются довольно редко. Устройства, использующие светодиоды, обычно  применяют в рекламе для вывода изображений и небольшой текстовой информации, но они дорогие и сложны в изготовлении.Разрабатываемое устройство является достаточно дешевым в сравнении с аналогами и более простым в изготовлении. К тому же оно является довольно необычным.

Необычность визуальных эффектов, создаваемых устройством, всегда привлекает к нему внимание окружающих людей, что делает его прекраснымрекламным носителем, незаменимым помощником на выставке, презентации, торговом зале, помогающим привлечь внимание и донести информацию до широкой аудитории.

Цель работы: создание устройства отображения информации с радиальной механической разверткой.

Объектом исследования являются устройства отображения информации, работающие на принципах механической развертки.

Предметом исследования данной работы являются средства разработки устройств на микроконтроллерах и средства программирования микроконтроллеров.

В соответствии с поставленной целью, выделенным объектом и предметом исследования необходимо решить следующие задачи:

  • рассмотреть способы построения изображения с применением механических разверток;
  • описать принцип работы устройств с механической разверткой;
  • разработать схему электрическую принципиальную;
  • разработать программное обеспечение для устройства отображения информации с радиальной механической разверткой;
  • создать устройство отображения информации.
  1. Принцип формирования изображения на устройстве с механической разверткой.

Устройства с механической разверткой позволяют создавать сложные изображения при использовании небольших ресурсов.

В таких устройствах используется инерционность человеческого зрения, иначе говоря, применяется эффект персистенции. Эффект основан на возможности мозга и глаз соединять в одно изображение быстро меняющиеся (движущиеся или мерцающие) картинки. Этот эффект применяется к кино и в телевидении [2].

        В устройствах с механической разверткой для формирования изображения часто применяют светодиоды. Светодиоды двигаются по кругуи вспыхивают с определенной частотой, и по инерционности человеческого зрения рисуется статическое либо динамическое изображение. Для управления процессом вспышек светодиодов используется микроконтроллер. Для него пишется программа на языке СИ либо другом и с помощью компилятора записывается в микроконтроллер [3].

        В начале программ идут массивы, по элементам которых прорисовываются фигуры. При использовании 8 светодиодов для того чтобы разработать массив программы, нужно  начертить  8 концентрических окружностей, разбить их на 120 секторов, по 3 градуса каждая  и в точках пересечения  ставить цветные метки там, где должен светиться светодиод. Свечение светодиода соответствует логическому нулю, а логическая единица -их выключенному состоянию. Полученные значения необходимо занести в массив изображаемой фигуры, двигаясь в направлении вращения двигателя (против часовой стрелки)[4].

        Каждый байт, записываемый в программу, отображает состояние светодиодов на одном радиусе подготовленного изображения. Младший разряд байта соответствует светодиоду, наиболее удаленному от центра, старший -светодиоду в центре. Байты записывают в порядке, соответствующем вращению против часовой стрелки (рис. 1).

Рис. 1. Формирование изображения на устройстве с механической разверткой

Для того чтобы зажечь один из восьми светодиодов необходимо составить 8-ми разрядный двоичный код, где каждой цифре разряда будет соответствовать свой светодиод. Например, чтобы зажечь крайний правый светодиод, необходимо написать следующее число: 11111110. 0 означает, что светодиод горит, семь 1 означают, что остальные семь светодиодов остаются незажженными. Так код составляется для всего рисунка или надписи. Затем двоичные числа переводятся в 16-ричный код для дальнейшей записи их в программу для микроконтроллера [5].

        Подводя итог сказанному, можно сделать вывод о том, что устройства с механической разверткой применяются довольно широко. Все эти устройства основаны на инерционности человеческого зрения, то есть на возможности мозга и глаз соединять в одно изображение быстро меняющиеся картинки.

  1. Структура механических узлов устройства отображения информации с радиальной механической разверткой

Устройство изготовлено из компьютерного вентилятора, на котором закреплена плата с расположенными на ней светодиодами и микроконтроллером ATtyni2313.

Элементы устройства:

  • компьютерный вентилятор(5);
  • печатная плата (6) с расположенными на ней светодиодами (8) и микроконтроллером ATtyni2313 (7);
  • пластиковая пластина (3);
  • батарейный отсек (1);
  • крепежные элементы (4);
  • металлическаяпластина (2);
  • соединительные провода (10);
  • противовес (9).

Расположение элементов представлено на рисунке 2:

Рис. 2. Схема механических узлов устройства отображения информации с радиальной механической разверткой

На вращающейся части компьютерного вентилятора (5) установлен кронштейн, к которому с помощью крепежных элементов (4) прикрепляется металлическая пластина. В батарейном отсеке (1) находится литиевая батарейка CR2025 3V, от нее по проводам подается питание на плату (6). Плата (6) содержит восемь светодиодов (8) и микроконтроллера ATtyni2313 (7). Противовес (9) установлен для балансировки подвижного узла устройства.

Для синхронизации выводимого текста (картинки) необходимо производить синхронизацию скорости вывода информации с частотой вращения вала двигателя и, соответственно, частотой вращения линейки светодиодов. Частота вращения вала двигателя зависит от напряжения питания. Для питания устройства необходимо использовать адаптер питания на 12В.

Схема электрическая принципиальная устройство для управления скоростью вращения вала приведена на рисунке 3 [8].

C:\Users\user\Desktop\реобас.jpg

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная устройства для управления скоростью вращения вала

Для изготовления потребовались:

  • Постоянный резистор R1 = 100 Ом 0,5Вт;
  • Подстроечный резистор R3 = 10кОм;
  • Переменный резистор R2 = 5кОм;
  • Транзистор КТ837;
  • Монтажная плата.

После сборки устройство не требует настройки. Обороты регулируются переменным резистором R2. Подстроечный резистор нужен для установки минимальных оборотов.

Предложенная схема механических узлов устройства является довольно простой в реализации и с экономической точки зрения.

  1. Схема электрическая принципиальная устройства отображения информации с радиальной механической разверткой

 Аппаратная часть устройства отображения информации достаточно проста. В нем имеется единственная микросхема, с расположенными на ней светодиодами и микроконтроллером ATtiny2313. Плату с микроконтроллером и светодиодами приводит в движение электродвигатель. Программа построена так, что показываемый текст заносят в память микроконтроллера в виде строчки заглавных русских и латинских букв, цифр или знаков препинания в стандартной восьмиразрядной кодировке ASCII. Необходимую для изображения символа последовательность вспышек светодиодов микроконтроллер формирует для себя самостоятельно. Управление светодиодами устроено так, что при вращении платы с частотой 20 с-1 за один ее оборот можно отобразить до 50 символов.

Для преобразования исходного текста программы в файл прошивки микроконтроллера,  применялся компилятор, входящий  в среду разработки AVR Studio, поставляемую фирмой  Atmel. AVR Studio совершенно бесплатна и доступна на сайте Atmel [12].

Схема устройства изображена на рисунке 4, а чертеж печатной платы — на рисунке 5.

E:\Моё\Универ\!Диплом\Диплом\схема1.bmp

Рис. 4.Схема электрическая принципиальная устройства

Рис. 5. Печатная плата устройства

  1. Тестирование

После создания устройства отображения информации с радиальной механической разверткой, было проведено его тестирование.

Данное устройство может размещаться на стенах, витринах, окнах и так далее, то есть на различных местах, на которых возможно его закрепить.

После установки устройства, его следует включить. Для этого сначала подается питание на плату со светодиодами, далее включается двигатель и настраивается частота вращения.

Главный недостаток устройства — это наличие в нем вращающихся элементов. Поэтому необходимо позаботиться о защите от случайных травм. Устройство необходимо устанавливать за прозрачным экраном, в витрине, или подвешивать его на недоступной зрителям высоте.

C:\Users\user\Desktop\20150314_182937.jpg

Рис.6.Тестирование устройства отображения информации с радиальной механической разверткой

Созданное устройство, при вращении платы с частотой 20 с-1, за один оборот способно отобразить до 50 символов, выбранных из русского и латинского алфавита, включающих в себя цифры и специальные символы. Тестирование устройства изображено на рисунке 6.

Таким образом, на этапе тестирования была проверена работоспособность устройства отображения информации с радиальной механической разверткой, рассмотрены основные возможности вывода различной текстовой информации.

Выводы

Разработана схема электрическая принципиальная и схема механических узлов устройства отображения информации с радиальной механической разверткой.

Схема механических узлов устройства, как и схема электрическая принципиальная устройства отображения информации, является довольно простыми в реализации и дешевыми с экономической точки зрения.

Предлагаемое устройство предельно просто. В нем имеется единственная микросхема, с расположенными на ней светодиодами и микроконтроллером ATtiny2313. Плату с микроконтроллером и светодиодами приводит в движение электродвигатель.

Код программы для микроконтроллера ATtyni2313 написан в профессиональной  среде разработкиAVRStudio 4. Программа построена так, что показываемый текст заносят в память микроконтроллера в виде строчки заглавных русских и латинских букв, цифр или знаков препинания в стандартной восьмиразрядной кодировке ASCII.

После разработки и создания устройства было произведено тестирование, которое прошло успешно.

Устройство отображения информации с радиальной механической разверткой можно применять в области рекламы.

Список литературы

  1. Авдеев В.А. Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование. – М.: ДМК Пресс, 2009. – 848 с.
  2. Аверкин С. «Устройства отображения информации» КГУ, Калуга. 2011. – 35 с.
  3. Белов А.В. Конструирование устройств на микроконтроллерах. – Спб.: Наука и Техника, 2005. – 256 с.
  4. Белов А.В. Самоучитель по микропроцессорной технике.–СПб.: Наука и Техника, 2006. — 224 с.
  5. Вальпа О.Д. Полезные схемы с применением микроконтроллеров. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2009. – 416 с.
  6. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы Atmel. – М.: Додэка-XXI, 2005. – 556 c.
  7. Иноземцев В.А., Иноземцева С.В. Введение в электронику. - Брянск: Издательство БГПУ, 2001г. – 150 с.
  8. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. – Изд.7-е. – М.: Мир, БИНОМ, 2010. – 704 с.
  9. Бесплеменнов А. Бегущая строка с механической разверткой // «Радио» 2009 год, №2, с. 51-52
  10.  Гирлин А. Световое табло с круговой механической разверткой. // «Радио»  2007 год, № 9, с. 45-49
  11.  Мельник В. Пишем в воздухе светодиодами// «Радио» 2009 год, №10, с. 59-60
  12.  ATtyni2313 8 битный AVR микроконтроллер с 2 КБ Flash памяти // Рынок микроэлектроники. – [Электронный ресурс]. URL: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Atmel/micros/avr/attiny2313.htm(Дата обращения: 4.03.2014)
  13. Программирование микроконтроллеров AVR// Роботы, робототехника, микроконтроллеры. – [Электронный ресурс]. URL: http://www.myrobot.ru/stepbystep/mc_programming.php

Приложение

Исходный код программы микроконтроллера

;  вывод строки текста через порт B на 8 светодиодов по столбцам

.Include "tn2313def.inc"

.Defrmp = R16                                 ; регистр для временного хранения

        ldi        r16, RAMEND                ; устанавливаем указатель стека на конец ОЗУ

        out        SPL,r16

        ldi rmp,0xFF                        ; настраиваем все линии порта B на вывод данных

        outDDRB,rmp

Begin:        ldi        zh, high(2*Text)        ; указатель на строку текста

        ldi        zl, low(2*Text)

d:        rcall        stroke                        ; выводим 5 столбцов изображения символа

        inc        zl                        ; считываем следующий символ

        lpm                                ; в регистр r0

        tst        r0                        ; конец строки?

        brne        d                        ; нет - повторяем

        rjmp        begin                        ; иначе - в начало строки

Stroke:        lpm                                ; код символа -> r0

        pushZh                                ; сохраняем регистр Z в стеке

        pushZl

                mov        r17, r0                ; временно храним r0 в r17

                andi        r17, 0xBF

                cpi        r17,0x80        ; буква или цифра?

                brsh        let                ; буква - на метку let

; если цифра или спецсимвол, выполняем следующие 4 строки

                subi        r17,0x20        ; коды меньше 20h игнорируем

                ldi        ZH,HIGH(2*SymTable) ; указатель на знакогенератор цифр

                ldi        ZL,LOW(2*SymTable)

                rjmp        m5

; если буква - выполняем следующие 3 строки

        let:        subi        r17,0x80

                ldi        ZH,HIGH(2*SymTable2) ; указатель на знакогенератор букв

                ldi        ZL,LOW(2*SymTable2)

        m5:        mov        r1,r17

                lsl        r1                ; умножаем r1 на 5

                lsl        r1

                add        r1,r17

                add        Zl, r1                ; точка входа в таблицу

                ldi        rmp, 5                ; счетчик выводимых байт равен 5

        s3:        lpm                        ; читаем в r0 первый байт изображения символа

; команда com меняет цвет символов/фона на обратный, если необходимо

                com        r0                ; инвертируем байт 0->1, 1->0

                out        portB, r0        ; выводим биты на светодиоды

                rcall        Dlay                ; задержка

                inc        ZL                ; следующий байт из 5 стобцов

                dec        rmp                ; все столбцы выведены?

                brne        s3                ; нет - выводим дальше

        pop        Zl                        ; восстанавливаем регистр Z из стека

        pop        Zh

                clr        r0                ; промежуток между символами (пустой байт)

; команда com меняет цвет символов/фона на обратный, если необходимо

                com        r0                ; инвертируем байт 0->1, 1->0

                out        portB, R0        ; выводим в порт B

                rcall        Dlay                ; задержка

                ret                        ; выход из подпрограммы

; подпрограмма задержки r19 - старший байт, r20 - младший (более тонкая настройка)

Dlay:

        ldi        r19, 1                        ; грубая подгонка скорости

l1:        ldi    R20, 200                        ; точная настройка скорости вывода

D_Loop:        dec    R20

        brneD_Loop

        dec        r19

        brne        l1

        ret

Symtable:        ; знакогенератор спецсимволов и цифр

.db 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x06,0x5F,0x06,0x00; 20 21

.db 0x02,0x03,0x00,0x02,0x03, 0x24,0x7E,0x24,0x7E,0x24; 22 23

.db 0x24,0x52,0xFF,0x4A,0x24, 0x32,0x34,0x08,0x16,0x26; 24 25

.db 0x20,0x5A,0x55,0x22,0x50, 0x00,0x03,0x01,0x00,0x00; 26 27

.db 0x00,0x41,0x22,0x1C,0x00, 0x1C,0x22,0x41,0x00,0x00; 28 29

.db 0x2A,0x14,0x7F,0x14,0x2A, 0x08,0x08,0x3E,0x08,0x08; 2A 2B

.db 0x00,0x60,0xE0,0x00,0x00, 0x08,0x08,0x08,0x08,0x08; 2C 2D

.db 0x00,0x60,0x60,0x00,0x00, 0x06,0x0C,0x18,0x30,0x60; 2E 2F

.db 0x3E,0x41,0x41,0x41,0x3E, 0x40,0x7F,0x42,0x00,0x00; 30 31

.db 0x44,0x4A,0x51,0x61,0x46, 0x36,0x49,0x49,0x41,0x22; 32 33

.db 0x7F,0x12,0x14,0x18,0x10, 0x38,0x45,0x45,0x45,0x27; 34 35

.db 0x32,0x49,0x49,0x49,0x3E, 0x07,0x09,0x11,0x21,0x41; 36 37

.db 0x36,0x49,0x49,0x49,0x36, 0x3E,0x49,0x49,0x49,0x26; 38 39

.db 0x00,0x66,0x66,0x00,0x00, 0x00,0xE6,0x66,0x00,0x00; 3A 3B

.db 0x00,0x41,0x22,0x14,0x08, 0x14,0x14,0x14,0x14,0x14; 3C 3D

.db 0x08,0x14,0x22,0x41,0x00, 0x06,0x09,0xB1,0x01,0x02; 3E 3F

Symtable2:        ; знакогенератор прописных букв

.db 0x7F,0x12,0x14,0x18,0x60, 0x30,0x49,0x49,0x49,0x7F  ; 80=А 81=Б

.db 0x36,0x49,0x49,0x49,0x7F, 0x01,0x01,0x01,0x01,0x7F  ; В Г

.db 0xC0,0x7F,0x42,0x7C,0xC0, 0x41,0x49,0x49,0x49,0x7F  ; ДЕ

.db 0x63,0x14,0x3E,0x14,0x63, 0x36,0x49,0x49,0x41,0x22  ; ЖЗ

.db 0x7F,0x08,0x10,0x20,0x7F, 0x7F,0x08,0x11,0x20,0x7F  ; И Й

.db 0x41,0x22,0x14,0x08,0x7F, 0x7F,0x01,0x02,0x7C,0x40  ; К Л

.db 0x7F,0x06,0x08,0x06,0x7F, 0x7F,0x08,0x08,0x08,0x7F  ; М Н

.db 0x3E,0x41,0x41,0x41,0x3E, 0x7F,0x01,0x01,0x01,0x7F  ; О П

.db 0x06,0x09,0x09,0x09,0x7F, 0x22,0x41,0x41,0x41,0x3E  ; Р С

.db 0x01,0x01,0x7F,0x01,0x01, 0x07,0x38,0x48,0x44,0x23  ; Т У

.db 0x0E,0x11,0x7F,0x11,0x0E, 0x41,0x32,0x0C,0x32,0x41  ; Ф Х

.db 0xC0,0x7F,0x40,0x40,0x7F, 0x7F,0x08,0x08,0x08,0x07  ; ЦЧ

.db 0x7F,0x40,0x7E,0x40,0x7F, 0xDF,0x40,0x7E,0x40,0x7F  ; ШЩ

.db 0x78,0x44,0x44,0x7F,0x01, 0x7F,0x10,0x28,0x44,0x7F  ; ЬЪ

.db 0x38,0x44,0x44,0x44,0x7F, 0x3E,0x2A,0x49,0x41,0x22  ; ЭЮ

.db 0x3E,0x41,0x3E,0x08,0x7F, 0x7F,0x09,0x19,0x29,0x46  ; Ю Я

.db "$$"

Text: .Db "Брянск "

.db 0, 0


Украшаем стену пушистыми кисточками и помпончиками

Горка

Что такое музыка?

Кто должен измениться?

Весёлая кукушка