Проект "Счетчик кругов для проведения соревнований по автотрассовому моделизму"

Аннотация 3

Цели и задачи 4

Описание аппаратной части проекта 5

Описание программной части проекта 7

Приложение I. Листинг исходного кода программы 8

Приложение II. Схема электрическая принципиальная 16

Приложение III. Индикаторы. Схема электрическая монтажная 17

Приложение IV. Индикаторы. Схема электрическая монтажная 18

Приложение V. Контроллер. Схема электрическая монтажная 19

Приложение VI. Фотография действующего счётчика 20

На станции юных техников города Ханты-Мансийска работает объединение «Автотрассовый моделизм». В этом объединении воспитанники разрабатывают и изготавливают своими руками модели гоночных автомобилей. После сборки моделей они устраивают соревнования на специально подготовленной трассе и выясняют, чья модель быстрее и качественней. Нередко в ходе соревнований возникают споры о количестве пройденных кругов той или иной модели. Для разрешения этого конфликта я решил автоматизировать процесс подсчета пройденных кругов. Для удобства работы жюри и участников соревнований в устройстве добавлен таймер который устанавливается вручную, он индицирует на семисегментных индикаторах оставшееся время до конца отведенного времени и контролирует подачу напряжения на трассу для движения моделей. Также в устройстве предусмотрена визуальная и звуковая индикация до начала и конца соревнования.

Современное спортивное табло – это тот вариант, который удовлетворяет участников и организаторов соревнования.

Цель проекта

Автоматизировать подсчёт кругов

Разработать устройство для подсчёта кругов

В основе модуля лежит 8-битный микроконтроллер фирмы «Atmel» ATMEGA328P (U1). Объем flash-памяти 32 Кбайт, энергонезависимой памяти – 1 Кбайт, оперативной – 2 Кбайт. Это позволяет перейти от аппаратного метода исполнения конструкции к программному, это значительно упрощает конструкцию и уменьшает ее себестоимость. Тактовая частота микроконтроллера задается внешним кварцевым резонатором 16МГц (X1).

Для настройки времени гонок используются 4 кнопки: «+» (прибавляет десять секунд), «-» (вычитает десять секунд), «OK» (начинает гонку через 3 секунды после нажатия), «Reset» (сбрасывает устройство). Максимальное время заезда 9 минут.

Индикация предупреждающая о начале соревнования выполнена с помощью трех светодиодов: красного, желтого и зеленого – и семи семисегментных индикаторов: трёх для отображения оставшегося времени, двух – для отображения счёта одного игрока, ещё двух – для отображения счёта второго игрока.

Все семисегментные индикаторы управляются микроконтроллером с помощью семи сдвиговых регистров 74HC595 (U1, U3, U5, U7, U9, U11, U13) – восьмиразрядных сдвиговых регистров с последовательным вводом, последовательным или параллельным выводом информации, с триггером-защелкой и тремя состояниями на выходе. Этот регистр позволяет контролировать 8 выходов, используя всего несколько выходов на самом контроллере. При этом несколько таких регистров можно объединять последовательно для каскадирования. Необходимые значения сигнала (биты HIGH или LOW) передаются в регистр один за другим, при этом регистр получает синхронизирующий сигнал, который заставляет его считать сигнал с входа. Когда байт (1 байт = 8 бит) считан, значения всех 8 бит распределены по выходам. 74HC595 может отдавать сигналы не только параллельно, но и последовательно. Это необходимо при объединении нескольких регистров, для получения 16 и более выходов. В этом случае первые 8 бит сигнала передаются на следующий регистр для параллельного вывода на нем. Также используются транзисторные ключи ULN2003A (U2, U4, U6, U8, U10,U12, U14) для увеличения входного тока на семисегметных индикаторах.

Для определения момента, когда автомодель пересек точку отсчета, используются два инфракрасных светодиода (D1 и D2) и два фотодиода (LDR1 и LDR2) установленные друг напротив друга. При пересечении этой линии фотодиод срабатывает и дает команду для дальнейшей ее обработки.

Звуковая индикация через транзисторный ключ (Q3) выполнена на пьезодинамике (BUZ1).

Листинг исходного кода программы приведен в Приложении №6.

Микроконтроллер ATMEGA328P можно запрограммировать на языках Си, Basic, Ассемблер. Я выбрал Си, так как уже давно программирую именно на этом языке. Для написания кода, отладки, компиляции и прошивки микроконтроллера использовалась программа Arduino IDE.

При запуске счётчика осуществляется инициализация фоторезисторов, светодиодов, кнопок, семисегментных индикаторов. Загорается красный светодиод, на всех индикаторах появляются нули.

Во время включения аппарат находится в режиме настройки. В этом режиме судья может настроить время работы счётчика с помощью кнопок «+» и «-». Шаг изменения времени – 10 секунд. Ввиду того, что для отображения времени предусмотрено лишь три индикатора, максимальное время работы – 590 секунд (9 минут 50 секунд). После настройки времени судья должен нажать кнопку «Старт». Через 2 секунды после нажатия начинается обратный отсчёт (3 секунды) со звуковым сопровождением. Также в это время загорается сначала желтый, а затем зеленый светодиод. При включении зеленого светодиода издаётся длинный звуковой сигнал, а на трассу подается напряжение.

При проезде машинки под трассой значение соответствующего табло увеличивается на 1. Значения на семисегментных индикаторах обновляются один раз в секунду. Ровно за пять секунд до окончания выделенного времени издается короткий звуковой сигнал.

После окончания времени издается длинный звуковой сигнал, загорается красный светодиод, а трасса обесточивается. Чтобы запустить трассу заново, нужно перезапустить аппарат с помощью специальной кнопки (RESET). До перезапуска на табло отображаются результаты участников.

Приложение I. Листинг исходного кода программы

enum Status {

SETUP = 0, // Set up game time

START = 1, // Start of game (back counter)

GAME = 2, // Game as is

FINISH = 3 // does nothing

};

enum Pins {

DATA = 5, // DS, DC

CLOCK = 6, // SH_CP

ENABLE = 7, // ST_CP, LATCH

// Indication LEDs

LED_RED = 0,

LED_YELLOW = 3,

LED_GREEN = 2,

BTN_PLUS = 10, // Button which increase time

BTN_MINUS = 11, // Button which decrease time

BTN_START = 12, // START Button

SOUND = 9, // Buzzer

// Receivers

RECV1 = 14,

RECV2 = 15

};

// Charset for 7-segment indicators

const byte charset[] = {

0xC0,

0xF9,

0xA4,

0xB0,

0x99,

0x92,

0x82,

0xF8,

0x80,

0x90

};

byte latchState = HIGH;

int

result1,

result2,

time;

byte

mode,

state1,

state2;

unsigned long long

end;

/* validate - function which checks whether value is in correct interval

*

* @params:

* int value - value, which needs to be checked

* int min - lower bound of interval

* int max - higher bound of interval

*

* @return:

* if max

* if value in [min, max] returns value

* if value max returns max

* if value

*/

int validate(int value, int min, int max)

{

if (max

if (value max) return max;

if (value

return value;

}

/* shiftNum - function which shifts out some numeric

*

* @params:

* int num - numeric which need to show

*

* @return:

* void

*/

void shiftNum(int num) {

shiftOut(DATA, CLOCK, MSBFIRST, 255-charset[num]);

}

/* doLatch - function which opens/closes the latch

*

* @params:

* void

*

* @return:

* void

*/

void doLatch(void) {

latchState = 1 - latchState;

digitalWrite(ENABLE, latchState);

}

/* display - function which shows some numbers on indicators

*

* @params:

* int left_num - number on left indicator

* int middle_num - number on middle indicator

* int right_num - number on right indicator

*

* @return:

* void

*/

void display(int left_num, int middle_num, int right_num) {

int left = validate(left_num, 0, 99);

int middle = validate(middle_num, 0, 599);

int right = validate(right_num, 0, 99);

// Open latch

doLatch();

// Firstly, shift out middle number from right to left

shiftNum((middle%60)%10);

shiftNum((middle%60)/10);

shiftNum(middle/60);

// Secondly, shift out right number from right to left

shiftNum(right%10);

shiftNum(right/10);

// And thirdly, shift out left number from right to left

shiftNum(left%10);

shiftNum(left/10);

// Do not forget close the latch

doLatch();

}

/* lightOn - lights "traffic light" by bit mask of light

*

* @params:

* int mask - bit mask of "traffic light"

*

* @return:

* void

*/

void lightOn(int mask) {

digitalWrite(LED_RED, (mask & 4 == 4));

digitalWrite(LED_YELLOW, (mask & 2 == 2));

digitalWrite(LED_GREEN, (mask & 1 == 1));

}

// Standard Arduino setup function

void setup() {

// Set output pins

pinMode(ENABLE, OUTPUT);

pinMode(DATA, OUTPUT);

pinMode(CLOCK, OUTPUT);

pinMode(LED_RED, OUTPUT);

pinMode(LED_YELLOW, OUTPUT);

pinMode(LED_GREEN, OUTPUT);

pinMode(SOUND, OUTPUT);

// Display zeros on indicators

display(0, 0, 0);

// Now setup the buttons

pinMode(BTN_MINUS, INPUT_PULLUP);

pinMode(BTN_PLUS, INPUT_PULLUP);

pinMode(BTN_START, INPUT_PULLUP);

// Setup "traffic light"

lightOn(4);

// Set current mode & time

mode = SETUP;

time = 0;

// It's magic, i really don't know what it means.

// Anyway nobody will read this code :)

digitalWrite(RECV1, HIGH);

digitalWrite(RECV2, HIGH);

}

void loop() {

if (mode == SETUP) {

// Minimal time - 10 seconds

// Maximal time - 590000 seconds (9 mins 50 secs)

if (digitalRead(10) == LOW) { // Plus button handler

time = validate(time + 10000, 10000, 590000); // Increase time by 10 seconds

display(0, time / 1000, 0); // Show updates on display

delay(250); // Wait for 1/4 sec

}

if (digitalRead(11) == LOW) { // Minus button handler

time = validate(time - 10000, 10000, 590000); // Decrease time by 10 seconds

display(0, time / 1000, 0); // Show updates on display

delay(250); // Wait for 1/4 sec

}

if (digitalRead(12) == LOW) { // Start button handler

time = validate(time, 10000, 590000); // Check time anyway

mode = START; // Start game

delay(2000); // in 2 seconds after pressing this button

}

} else

if (mode == START) {

display(0, 2, 0); // Show "2" on display!

tone(SOUND, 1000, 150); // Make a small sound

delay(1000); // Wait for a second

display(0, 1, 0); // Show "1" on display!

lightOn(2); // Light YELLOW led

tone(SOUND, 1400, 250); // Make a middle sound

delay(1000); // Wait for a second

display(0, 0, 0); // Show "0" on display!

lightOn(1); // Light GREEN led

tone(SOUND, 2000, 500); // Make a big sound

// Results are equal -1 because when cars will pass start line

// first time, their result will became 0.

result1 = -1;

result2 = -1;

state1 = LOW;

state2 = LOW;

end = millis() + time;

mode = GAME;

} else

if (mode == GAME) {

if (millis()%1000

display(result1, (end - millis()) / 1000, result2); // displays

}

if ((end - millis()) == 5000) { // When the estimated time lower

tone(SOUND, 1400, 600); // than 5 seconds, make the sound

}

if (millis() = end) { // When game is finished

tone(SOUND, 2000, 900); // Make the sound

mode = FINISH; // Proceed to finish mode

lightOn(4); // Light the RED led

}

// Receivers handlers

if (digitalRead(RECV1) == LOW) {

if (state1 == LOW) {

state1 = HIGH;

result1++;

}

} else {

state1 = LOW;

}

if (digitalRead(RECV2) == LOW) {

if (state2 == LOW) {

state2 = HIGH;

result2++;

}

} else {

state2 = LOW;

}

} else

if (mode == FINISH) {

// Don't do anything!

// Use RESET button to continue

}

}

Список используемой литературы

1. Тимофеева Г.А. Теория механизмов и механика машин. Издательство Московский государственный технический университет имени Н,Е, Баумана, 2009 г.

1. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. Москва. «Мир». 1988 г.

1. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. Издательство «Металлургия» 1988 г

Счетчик кругов для проведения соревнований по автотрассовому моделизму

Сычев Никита

МБУ ДО «Станция юных техников»

г. Ханты-Мансийск

2016

Объединение «Автотрассовый моделизм»

В ходе соревнований возникают споры, чья модель быстрее. Я решил автоматизировать процесс подсчёта кругов для облегчения работы и участникам, и судьям.

Добавлен таймер, устанавливаемый вручную. Он индицирует на

2

После окончания гонки напряжение на трассе отключается, что приводит к принудительной остановке моделей.

В устройстве предусмотрена визуальная и звуковая индикация до начала и конца соревнования

Современное спортивное табло – вариант, который удовлетворяет участников и организаторов соревнования.

Цель проекта

3

Автоматизировать подсчёт кругов

Задача проекта

Разработать устройство для подсчёта кругов

14 цифровых

Количество

6 аналоговых

14 цифровых

Количество

6 аналоговых

8-битный микроконтроллер ATMEGA328P

Flash-

Объем памяти

Flash-

EEPROM

Оперативная память – 2 Кбайт

Оперативная память – 2 Кбайт

Объем памяти

EEPROM

Ассемблер

Можно запрограммировать на языках

Fortran

Си

Basic

Ассемблер

Си

Fortran

Можно запрограммировать на языках

Basic

Принципиальная схема

Монтажная схема Семисегментные индикаторы

Монтажная схема Контроллер, светофор и датчики

Алгоритм работы программы

Начало

Настройка времени работы

Пока не истечет заданное время

Машинка 1 проехала?

да

нет

Увеличить счётчик игрока 1

Машинка 2 проехала?

да

нет

Увеличить счётчик игрока 2

Конец

Фрагмент исходного кода

void display(int left_num, int middle_num, int right_num) {

int left = validate(left_num, 0, 99);

int middle = validate(middle_num, 0, 599);

int right = validate(right_num, 0, 99);

doLatch();

shiftNum((middle%60)%10);

shiftNum((middle%60)/10);

shiftNum(middle/60);

shiftNum(right%10);

shiftNum(right/10);

shiftNum(left%10);

shiftNum(left/10);

doLatch();

}

Видео с действующим модулем

Включить видео

Спасибо за внимание!

Автор проекта:

Сычев Никита

9 класс

Станция юных техников

г. Ханты-Мансийск

СЮТ-Э

Лит.

Масса

Масштаб

Счетчик кругов.

Схема электрическая

принципиальная.

Изм Лист № докум. Подпись Дата

Разраб. Сычев

Пров. Рыбьяков

Т. контр.

Листов 5

Лист 1

Н. Контр.

Приложение II

Утв.

СЮТ-Э

Лит.

Масса

Масштаб

Счетчик кругов.

Схема электрическая

монтажная.

Изм Лист № докум. Подпись Дата

1:1

Разраб. Сычев

Пров. Рыбьяков

Т. контр.

Листов 5

Лист 2

Н. Контр.

Приложение III

Утв.

СЮТ-Э

Лит.

Масса

Масштаб

Счетчик кругов.

Схема электрическая

монтажная.

Изм Лист № докум. Подпись Дата

1:1

Разраб. Сычев

Пров. Рыбьяков

Т. контр.

Листов 5

Лист 3

Н. Контр.

Приложение IV

Утв.

СЮТ-Э

Лит.

Масса

Масштаб

Счетчик кругов.

Контроллер. Светофор. Датчики.

Схема электрическая

монтажная.

Изм Лист № докум. Подпись Дата

1:1

Разраб. Сычев

Пров. Рыбьяков

Т. контр.

Листов 5

Лист 4

Н. Контр.

Приложение V

Утв.

СЮТ-Э

Лит.

Масса

Масштаб

Счетчик кругов.

Фотография действующего счётчика.

Изм Лист № докум. Подпись Дата

Разраб. Сычев

Пров. Рыбьяков

Т. контр.

Листов 5

Лист 5

Н. Контр.

Приложение VI

Утв.