Аналитические весы

СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

Идея создания электронных лабораторных весов аналитичес-

кого класса точности (до 0.0001 г) возникла после посещения нами

презентации Казахстанского представительства фирмы "Metler-Tolledo"

(США-Швецария), проведенной в городе Рудный в мае 2000 года на

базе акционерного общества Соколовско-Сарбайское горно-производ-

ственное объединение (АО ССГПО).

Представленные на ней аналитические электронные лабораторные

весы имели очень высокую стоимость и, по понятным причинам, не мог-

ли быть приобретены нами. У персонала презентующего продукцию этого

всемирно известного производителя весов нам удалось установить толь-

ко то, что измерительный узел представляет собой тензодатчик вы-

сокой точности, стоимость которого составляет 3/4 всего изделия.

Точность - это визитная карточка данной фирмы, так например у

закупленных АО ССГПО железнодорожных весов точность составляет

400 грамм, которая при существующих требованиях стандарта к точ-

ности данного класса весов в 1% представляется просто фантастичес-

кой.

Объем литературных источников по этому вопросу весьма скуден

и ограничен, в основном, общими знаниями. Из работы [1] мы выяс-

нили, что тензодатчик аналитического класса точности представляет

собой объемную конструкцию из шайб сплавов редких и драгоценных

металлов, обладающих свойством изменения электрических параметров,

например сопротивления, при малейших механических воздействиях

на них. Весьма непростыми являются при этом и устройства измере-

ния, так как определяемый параметр изменяется не только от меха-

нического воздействия, но и от целого ряда других параметров, са-

мым определяющим из которых является температура. Мы смогли най-

ти только тензорезисторы, изготовленные из меди, которые обладают

недостаточной чувствительностью к небольшим изменениям внешнего

давления на них, поэтому от этого подхода мы отказались сразу.

Малопривлекательными для изготовления в условиях школы по-

казались нам и электронно-механические виды аналитических весов,

в которых система противовесов и кодовых шкал с компенсторами [1]

просто не могла быть воспроизведена вне лаборатории точной ме-

ханики и оптики.

В процессе анализа литературных источников нам пришла идея

использования для взвешивания силы взаимодействия магнитного и

электрических полей. Так например, если на магните расположить

катушку, на которую положено взвешиваемое вещество, то при про-

пускании через нее постоянного тока, заранее определенной поляр-

ности, вокруг катушки возникает противоположно направленное элек-

трическое поле и при определенной величине тока вес вещества бу-

дет преодолен и нам остается только выполнить исследование зависи-

мости вес - величина электрического тока.

Однако весы данной конструкции имеют один недостаток - не-

возможность взвешивания материалов обладающих магнитной индукци-

ей, например железных стружек, но список таких материалов незначи-

телен и им можно пренебречь.

СТРУКТУРА ПРЕДЛАГАЕМЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВЕСОВ

Структура электронных аналитических весов с магнитно-элек-

рическим датчиком веса должна безусловно включать в себя микро-

контроллер для обеспечения быстрого подбора значения электричес-

кого тока, достаточного для преодоления веса. В настоящее время

спектр таких изделий очень широк, но мы выбрали однокристальную

электронную вычислительную машину (ОЭВМ) КР1816ВЕ51 [3,4], исхо-

дя из следующих соображений:

1) компактность исполнения - практически весь спектр воз-

можностей вычислительной машины скомпанован в одной микросхеме;

2) высокое быстродействие - 1000000 операций в секунду;

3) достаточно большой объем внутренней памяти для программы

пользователя - 4 кБ;

4) наличие коммуникационного последовательного программи-

руемого порта для связи с IBM-совместимым компьютером, что очень

важно как с точки зрения отладки программного обеспечения аналити-

ческих веов, так и с точки зрения внешнего управления ими, хра-

нения и статистической обработки производимых взвешиваний;

5) двухуровенная система обработки прерываний для обслужива-

ния событий от шести источников запросов, например поднятие навес-

ки;

6) простой ввод/вывод 32-х дискретных сигналов (есть сиг-

нал - 5 В, нет сигнала - 0 В);

7) два встроенных таймера для точного отслеживания малых и

больших временных интервалов, независимо от действий выполняемых в

данный момент программой;

8) достаточно простой Ассемблер с широкими возможностями в

области арифметики и логики;

9) наличие в нашем распоряжении компилятора Ассемблера и ком-

поновщика программ для автоматизированного создания аппаратно ори-

ентированного программного кода;

10) наличие программы-симулятора, имитирующего выполнение

команд ОЭВМ КР1816ВЕ51, на IBM-совместимом компьютере и облегчающем

поиск ошибок;

11) наличие IBM-совместимого программатора фирмы "Хронос"

(Россия) для прошивки программного кода во внутреннюю память прог-

рамм микросхемы КР1816ВЕ51;

К недостаткам ОЭВМ КР1816ВЕ51 можно отнести недостаточное ко-

личество портов ввода/вывода сигналов, всего 32. Беглый подсчет пот-

ребного количества сигналов показывает, что нам необходимы:

а) 21 выходной сигнал для подбора цифрового аналога токового

сигнала, чтобы обеспечить аналитическую точность в диапазоне веса

0...200 г;

б) 12 выходных сигналов для вывода значения полученного веса

на табло аналитических весов из семи семисегментных цифробуквенных

светодиодных индикаторов и светодиода десятичной точки;

в) 4 входных сигнала управления режимами работы аналитических

весов ("Тара","Однократное взвешивание", "Многократное взвешивание"

и "Температура")

г) 2 входных сигнала для датчиков подьема катушки весов и

температуры воздуха;

д) входной и выходной сигналы для двухстороннего сопряжения

аналитических весов с IBM-совместимым компьютером;

е) выходной сигнал индикации работы аналитических весов.

Таким образом нам недостает, как минимум, 10 сигналов для

успешной реализации схемы на выбранной ОЭВМ. Можно было бы пойти

по пути установки двух ОЭВМ в одном изделии с разделением функций

между ними, но этот подход дорогостоящ и расточителен, поэтому мы

решили использовать недорогую микросхему КР580ВВ55А (программирумый

параллельный адаптер (ППА) [3]) для расширения адресуемых портов

с 32 до 45.

ОЭВМ КР1816ВЕ51 будет передавать данные в 3 порта микросхемы

КР580ВВ55А через один из своих портов (рис. 1), для выбора номера

интересуемого порта и стробирования обращения к ППА необходимы еще