Разработка принципиальной электрической схемы

4. Разработка принципиальной электрической схемы

 

4.1 Выбор элементов

Базовым элементом схемы является микроконтроллер. Выберем его исходя из следующих параметров: четыре двунаправленных побитно настраиваемых восьмиразрядных порта ввода-вывода, наличие таймеров/счетчиков, возможность перепрограммирования ПЗУ. Данным требованиям удовлетворяет микроконтроллер АТ89C51 фирмы Atmel. Его основные параметры:

- 4K , Flash ПЗУ;

- ОЗУ 128 байт;

- 2 таймера/счетчика;

- Корпус PDIP40;

- Рабочее напряжение 5,0 В;

- Рабочая частота 12 МГц.

Для преобразования аналоговых сигналов, несущих информацию о скорости и расходе топлива, используются АЦП. Воспользуемся АЦП AD7819 фирмы Analog Devices. AD7819 является быстродействующим, микропроцессорно-совместимым, 8-ми разрядным АЦП с максимальной производительностью 200 К выборок/с. Преобразователь питается от однополярного источника с напряжением от 2.7 В до 5.5 В и содержит АЦП последовательного приближения с временем преобразования 4.5 мкс, встроенную систему выборки/хранения, встроенный тактовый генератор и 8-ми разрядный параллельный интерфейс. Параллельный интерфейс предназначен для удобства согласования с микропроцессорами. АЦП выпускается в малогабаритном, пластиковом корпусе типа 16-lead DIP (ширина 0.3 дюйма), а также в корпусах 16-lead SOIC и 16-lead TSSOP.

На рисунке 3 приведена временная диаграмма работы АЦП, согласно которой на АЦП подаются сигналы начала преобразования (), разрешения работы () и чтения () от микроконтроллера, а затем принимаются данные обработки.

Рисунок 3 - Временная диаграмма работы АЦП

Все эти сигналы были реализованы при разработке программы.

В качестве регистра для передачи данных к индикаторам используем регистр К555ИР27, его параметры:

 

 

 

 

Для активации встроенного тактового генератора микроконтроллера к его выводам BQ1 и BQ2 подключим кварцевый резонатор РК169МА с тактовой частотой 12 мГц.

В качестве дешифратора используем схему К155ИД4 со следующими па-метрами:

 

 

 

В качестве семисегментных индикаторов используются индикаторы красного цвета АЛС333Б с общим анодом, ток сегмента которых 20 мА, а падение напряжения на сегменте 2В. Высота знака индикатора 11 мм.

Транзисторы для реализации ключей в схеме выбираются так, чтобы ток коллектора транзистора превосходил ток свечения семи сегментов индикатора (I_к 140 мА). Так как схема включения используемого индикатора - с общим анодом, и активным является низкий уровень сигнала, то должен использоваться p-n-p транзистор. Исходя из этих условий используются транзисторы KT502А.

Номиналы конденсаторов в цепи питания АЦП указаны в документации производителем (емкости С1 и С2 по 10 мкФ, емкости С3 и С4 по 0,1 мкФ).

Для снижения помех источника питания используем электролитический конденсатор K53-18-32В ёмкостью 47 мкФ (конденсаторы С7,С8 и С9).

Для данного микроконтроллера автоматический сброс при включении питания U_CC может быть реализован подключением входа RST к U_CC через конденсатор С12 емкостью 10 мкФ и к шине 0 В через резистор 8,2 кОм.

В качестве конденсаторов C10 и С11 выберем керамические K10-17а-М47 емкостью 30пФ, в качестве блокировочных С5, С6, С13-С15 подойдут также керамические, но другой группы ТКЕ K10-17а-H90 емкостью 0.1 мкФ.

Так как по заданию входное напряжения 10 В, а входное напряжение АЦП может достигать только 5В, поэтому на входе АЦП устанавливается резистивный делитель, уменьшающий входное напряжение вдвое. Для этой цели используются два одинаковых резистора сопротивлением 100 кОм. Номиналы резисторов выбираются из условия, что они должны быть много меньше входного сопротивления АЦП, которое составляет 10 МОм.

Сопротивления R6 – R13 рассчитываются следующим образом. Так как напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора равно 0,5 В, а падение напряжения на светодиоде – 2 В, падение напряжения на всей цепи 5В и ток светодиода равен 20 мА, то

=125 Ом

Таким образом, номиналы сопротивлений R6 – R13 имеют стандартное значение 120 Ом.

Расчет сопротивлений в цепи транзисторного ключа представлен ниже.

Рисунок 2 – Схема ключа

Так как ток коллектора должен составлять 140 мА для нормального свечения сегментов индикатора, то с учетом  транзистора равного 69 имеем ток базы

 мА.

В случае если U_вх=U₀ (напряжение низкого уровня – 0,4 В) транзисторный ключ открыт (U_бэ=U_R2=0,7 В). Тогда напряжение на R1

U_R1=5 – U_бэ – U₀=5 – 0,7 – 0,4=3,9 В, (1)

a ток через R1

I_R1=I_б + I_R2. (2)

В случае если U_вх=U₁ (напряжение высокого уровня – 4,5 В) транзисторный ключ закрыт (U_бэ=U_R2 < 0,4 В), и ток через него не протекает. В этом случае должно выполняться условие

= =  (3)

Чтобы найти R1 и R2, необходимо совместно рассмотреть условия (1), (2) и (3), из которых можно получить два условия: (4) подставлением (1) в (2) и (3):

 (4)

Из условий (3) и (4) получены номиналы сопротивлений R1 и R2, равные 1,8 кОм и 6,8 кОм соответственно.

Номиналы сопротивлений R14, R16, R18 равны 1,8 кОм, а сопротивлений R15, R17, R19 6,8 КОм.

Заключение

В результате курсового проектирования были выполнены все поставленные в техническом задании требования к устройству. Спроектированный на базе 8-разрядного микроконтроллера измеритель расхода топлива, используя оцифрованные аналого-цифровыми преобразователями сигналы, обрабатывает их и выводит результат на семисегментные индикаторы. Причем данные на индикаторах быстро обновляются, что позволяет непрерывно следить за всей динамикой изменения расхода топлива.

На языке ассемблер написана программа, описывающая весь алгоритм работы устройства, и разработана принципиальная электрическая схема измерителя. Структура программы позволили не использовать никаких дополнительных дешифраторов в схеме для вывода данных на индикаторы.

Литература

1. Бродин В. Б., Шагурин М. И. Микроконтроллеры: архитектура, программ-мирование, интерфейс. - М.: ЭКОМ,1999.-398 c.

2. Домрачев В. Г., Иванов С. Н., Романов А.Ф. Одноплатные микроЭВМ. – М.: Энергоатомиздат,1988.-128 с.

3. Партала О.Н. Цифровая электроника: СПб.: Наука и техника, 2000. – 208с.

4. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение.-М.: Энергоатомиздат,1990.-319 с.