Навигация
3. Разработка схем
3.1. Разработка структурной схемы
Центральной частью прибора должен являться однокристальный микроконтроллер, который управляет работой всего устройства, осуществляет сбор и обработку информации, поступающей с датчиков измеряемых величин, выдает обработанную информацию на индикацию. Для контроля времени в микроконтроллер встроены часы реального времени и календарь.
В устройстве применить динамическую индикацию, которая представляет собой индикаторную панель, состоящую из пяти сегментных индикаторов, которые соединены параллельно. Для выбора индикатора код, соответствующий его номеру поступает с микроконтроллера на аноды индикаторов одновременно с кодом цифры, отображаемой на этом индикаторе, который поступает с микроконтроллера. Микроконтроллер формирует сигнал выбора индикатора (низкий уровень – индикатор выбран). Т.к. для выбора индикатора необходим большой ток (порядка 70 мА) в схеме применяется блок ключей для выбора индикатора (инверторы).
Связь с ЭВМ осуществить по интерфейсу. Блок измерений состоит из трех схем измерений: схемы измерения температуры, схемы измерения давления и схемы измерения влажности. Каждая схема строится на соответствующем датчике. Аналоговые сигналы с блока измерений поступают для оцифровки на АЦП. С АЦП цифровой сигнал поступает на микроконтроллер для последующей обработки.
Каждый блок может быть заменён на другой, функционально-совместимый с ним. Естественно, при этом необходимо согласование входных и выходных параметров блоков.
Схема электрическая структурная изображена в приложении №1.
3.2. Разработка функциональной схемы прибора
Функционирование прибора должно осуществляться следующим образом:
Блок питание преобразует напряжение сети в необходимое для работы прибора напряжение.
Имеются три датчика для измерения заданных величин: температуры, давления и влажности. Выходные сигналы датчиков – аналоговые. Для решения поставленной задачи необходимо оперировать цифровыми данными. Поэтому в схему включаем аналого-цифровой преобразователь. Для измерения указанных в задании физических величин существует достаточный выбор датчиков различных фирм. Однако довольно сложно подобрать все датчики таким образом, чтобы они совпадали с входным диапазоном АЦП. Помимо этого некоторые датчики требуют наличия определенных внешних цепей, например, схемы возбуждения, калибровки и т.п. Поэтому неизбежно появление дополнительных элементов, схем и цепей, которые необходимы для корректной работы всего устройства.
В данной схеме применяются следующие корректирующие цепи. Для датчика влажности это делитель напряжения, который преобразует выходное напряжение датчика к уровню, входящему в диапазон АЦП.
Этой же цели служит дифференциальный усилитель на выходе датчика давления, но, в отличие от предыдущего случая усилитель усиливает сигнал с датчика для согласования чувствительности датчика и АЦП. Помимо этого дифференциальный усилитель необходим, потому что датчик давления имеет дифференциальный выход.
Датчик температуры не требует каких-либо внешних цепей согласования, т.к. хорошо согласуется с АЦП, как по диапазону, так и по чувствительности. На выходе этого датчика стоит делитель напряжения на 10. В качестве датчика температуры применим датчик фирмы Analog Device ТМР36. Датчик обеспечивает преобразование температуры в напряжение с градуировкой 10 mV/°С, поэтому поставив на выходе датчика температуры делитель на десять получим градуировку шкалы 1 mV/°С, что удобно для обработки данного сигнала в микроконтроллере. С помощью данного датчика можно осуществлять измерения температуры от –40°С до 125°С.
Наиболее сложной схемой согласования обладает датчик влажности, т.к. для его возбуждения необходим прямоугольный сигнал без постоянной составляющей. В связи с этим в схеме коррекции применены следующие устройства: схема переключения конденсаторов, два операционных усилителя и преобразователь напряжения, который также необходим для питания операционных усилителей. Сопротивление датчика в зависимости от влажности устанавливается во время положительной полуволны. Отрицательная полуволна необходима для датчика в связи с его внутренней структурой.
Микроконтроллер обрабатывает полученную информацию и выдаёт её на блок индикации. При этом последовательно будут выводиться на индикатор время и значения измеряемых параметров.
Схема электрическая функциональная изображена в приложении №2.
3.3. Разработка принципиальной электрической схемы
При разработке принципиальной схемы учитывать нагрузочную способность портов микроконтроллера, поэтому к схеме необходимо применить микросхемы буферов. Это позволит избежать перегрузки выходов микроконтроллера.
В данной схеме применим микроконтроллер фирмы Dallas Semiconductor DS87C530. Выбор данного микроконтроллера обусловлен наличием в нем часов реального времени и календаря. Этот микроконтроллер имеет ядро, полностью совместимое с 8051 (т.е. управляется стандартным набором команд 8051) и имеет четыре порта ввода/вывода, встроенные часы реального времени, а также дополнительные выводы, предназначенные для управления часами. Часы осуществляют отсчет реального времени и выполняют календарные функции. Отсчет времени осуществляется с дискретностью 1/256 секунд, что позволяет пользователю считать секунды, минуты, часы и дни с высокой точностью.
В устройстве предусмотрена связь с персональным компьютером посредством интерфейса. Из компьютера загружается программа в микроконтроллер. Компьютер через определенные промежутки времени отправляет запрос в микроконтроллер на получение значений измеряемых величин. В качестве интерфейса для разрабатываемой конструкции выбрать RS-485, т.к. он имеет большую дальность и при этом имеет наибольшую скорость передачи данных, что позволяет опрашивать несколько приборов на довольно большом расстоянии при подключении к одному компьютеру нескольких приборов. Интерфейс RS-485 это более совершенная форма интерфейса RS-422. Обеспечивает полудуплексный обмен по одной витой паре. Допускает параллельное соединение до 32 устройств. Имеет три уровня защиты: защита от КЗ интерфейсного кабеля; защита от коллизий (одновременной передачи двух и более устройств); защита от перегрузки – основана на тепловом принципе – производит аварийное отключение схемы при нагреве кристалла до 150°С.
Для нормальной работы микроконтроллера также необходим кварцевый резонатор и схема сброса. Кварцевый резонатор частотой 32,768 кГц, подключается между выводами RTCX1 и RTCX2. При этом возможны два случая:
1. Использование конденсаторов емкостью 6 пФ. При этом имеем меньшее потребление энергии, поэтому срок работы резервного элемента питания увеличивается, но схема становится более чувствительна к шумам.
2. Использование конденсаторов емкостью 12,5 пФ. При этом имеем большее потребление энергии, поэтому срок работы резервного элемента питания уменьшается, но уменьшается чувствительность к шумам.
Т.к. основной режим предполагает работу устройства от внешнего источника питания, то выбираем конденсаторы емкостью 12,5 пФ, при этом работа генератора будет более устойчивой. Чтобы информация в памяти микроконтроллера не стиралась, а также часы реального времени не сбрасывались, при отключении прибора от внешнего источника питания, используется резервный источник питания. Номинальное напряжение батареи – 3 В. Микроконтроллер переключается на резервный источник питания, когда напряжение источника питания падает ниже напряжения батареи (т.е. ниже 3 В). Таким образом, обычная литиевая батарейка служит около десяти лет.
Схема электрическая принципиальная изображена в приложении №3.
4. Заключение
«Система автоматического контроля условий эксплуатации оборудования» должна быть экономным в потреблении электроэнергии, рациональна при размещении деталей и монтаже электрической схемы.
Список используемой литературы
1. Датчики: устройство и применение. Виглеб Герхард. М.: Мир, 1995г., 196 с.
2. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник. Т.1. Под общ. ред. Ю.Н.Коптева; Под ред. Е.Е.Богдатьева, А.В.Гориша, Я.В.Малкова - М.: ИПРЖР,1998г., 458 с., ил.
3. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник. Т.2. Под общ. ред. Ю.Н.Коптева; Под ред. Е.Е.Богдатьева, А.В.Гориша, Я.В.Малкова - М.: ИПРЖР,1999г., 688 с., ил.
4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 3-х томах. Пер. с англ. Изд. 4-е. Перераб. И доп. М.: Мир, 1993г., 413 с.
5. Chip News 99-2000гг.
6. Датчики теплотехнических и механических величин. Справочник. А.Ю.Кузин, П.П.Мальцев, И.А.Шапортов. М.: Энергоатомиздат, 1996г., 128с.
7. http://www.dalsemi.com.
8. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах/ В.В.Сташин, А.В.Урусов, О.Ф.Мологонцева. – М. : Энергоатомиздат, 1990. – 224 с.
9. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база: Справ./Масленников М.Ю. и др. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 451 с.
10. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник. – 2-е изд., стереотип. А.Б.Гитцевич, А.А.Зайцев, В.В.Мокряков и др.: Под ред. А.В.Голомедова. – М.: КубК-а, 1995. – 592 с., ил.
11. Александров К.К., Кузмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 288 с., ил.
12. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. М.: Солон, 1997, 270с.
13. «Методические указания для студентов СП.190900-ИИТ»- МГОУ 2004.
Приложение №1. Схема электрическая структурная
Приложение №2. Схема электрическая функциональная
Приложение №3. Схема электрическая принципиальная
Похожие работы
еоценить значение МП и микроЭВМ при создании автоматизированных средств измерений, предназначенных для управления, исследования, контроля и испытаний сложных объектов. Развитие науки и техники требует постоянного совершенствования средств измерительной техники, роль которой неуклонно возрастает. Основные понятия и определения Понятия и определения, используемые в измерительной технике, ...
... уровня. В общем случае в качестве вариантов решений можно использовать классы стратегий, предлагаемых в экономической литературе. 16. Особенности проектирования интеллектуальной экономической информационной системы Проектирование ИИС начинается с обследования предметной области. Современные технологии такого обследования базируются на концепции и программных средствах реинжиниринга бизнес- ...
... и выходными характеристиками. Это позволит избежать перечисленных выше недостатков и открыть возможности для дальнейшего расширения функциональных возможностей и повышения надёжности системы. Для определения уровня топлива используется емкостной датчик (например, Е 25ХИ) в комплекте со вторичным преобразователем ИСУ100И. Указанное оборудование имеет разрешение Ростехнадзора на применение и может ...
... тем, что полным знанием проблемной области обладает только разработчик ИС, а программа служит “недумающим исполнителем” знания разработчика. Этот недостаток устраняются в интеллектуальных информационных системах . Интеллектуальная информационная система (ИИС) - это ИС, которая основана на концепции использования базы знаний для генерации алгоритмов решения экономических задач различных классов в ...
0 комментариев