Взаимосвязь измеряемой высоты с электрическим эквивалентом имеет вид:

T=k*H [мс],

где H - высота, км, k=2 мс/км.

Таким образом, измерение высоты сводиться к измерению длительности прямоугольного импульса.

Определим длительность импульса:

H_min=0.1 км, T_min=0.1 км*2 мс/км=0,2 мс.

H_max=20 км, T_max=20 км*2 мс/км=40 мс.

Погрешность измерения ДН=±0.1 км или ДТ=±0,2 мс.

Измерение длительности импульса легко реализовать на основе любого микроконтроллера семейства PIC16F87x компании Microchip.

2. Описание выбранного метода измерения

Основным методом измерения длительности импульса является метод непосредственного счета, суть которого заключается в том, что берется некая квантующая частота f_k и определяется, сколько периодов Т_К квантующей частоты укладывается в длительность измеряемого импульса. То есть числовой эквивалент будет иметь вид

.

В нашем случае при квантовании микроконтроллера частотой 4 МГц, частота квантования таймера составит 1 МГц, погрешность квантования 1 мкс.

Для измерения длительности прямоугольного импульса с помощью микроконтроллера необходимо отслеживать появление его переднего и заднего фронтов. Для этого нужно настроить любой порт МК как цифровой вход и отслеживать момент, когда на нем появится логический «0», а затем логическая «1» т.е. передний фронт импульса. Как только на входе появится логическая «1», необходимо запустить таймер, который будет считать количество отсчетов постоянной частотой тактирования f_k. Далее необходимо постоянно отслеживать появление логического «0» на входе, т.е. приход заднего фронта импульса. При появлении логического «0» на входе надо остановить таймер. Затем, зная количество отсчетов можно вычислить длительность прямоугольного импульса.

Рис. 1. Измерение длительности импульса

Функциональная схема измерителя высоты представлена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема

Измеряемый импульс поступает в микроконтроллер (МК) с датчика, кварцевый резонатор (КР) задает тактовую частоту микроконтроллера. Микроконтроллер осуществляет измерение длительности импульса и преобразование полученного числового эквивалента, который после преобразования выдается на индикацию. Питание микроконтроллера осуществляется от блока питания (БП).

3. Разработка блока питания

Источник питания необходим преобразования переменного напряжения 115В, 400 Гц в постоянное напряжение +5В для питания микроконтроллера и средств индикации. Источник питания состоит из следующих основных элементов: трансформатора, выпрямителя, стабилизатора напряжения. Принципиальная электрическая схема источника питания представлена на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема источника питания

импульс электрический микроконтроллер измеритель

Определим токи потребления:

Максимальный ток потребления микроконтроллера - 15 мА.

Максимальный ток потребления ЖК индикатора МТ-10S1-3Y - 1 мА.

Таким образом, общий ток потребления равен I_потр=16 мА.

По необходимому выходному напряжению (+5 В) и току (2*I_потр=32 мА) источника питания выбираем стабилизатор напряжения.

В качестве стабилизатора на +5 В выбираем микросхему MC78L05AB со следующими характеристиками:

Выходное напряжение - +5±0,2 В.

Выходной ток - до 0,1 А.

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения от входного микросхемы MC78L05AB

Для выпрямителя выбираем диодный мост DB156 со следующими характеристиками:

Максимальное постоянное обратное напряжение: 800 В;

Максимальное импульсное обратное напряжение: 960 В;

Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток: 1,5 А;

Максимальный допустимый прямой импульсный ток: 60 А;

Максимальный обратный ток: 10 мкА;

Рабочая частота: 10 кГц;

Максимальное прямое напряжение: 1,1 В при токе Iпр.: 1,5 А;

Рабочая температура: -55…125 ?С.

Выходное напряжение выпрямителя определяется по формуле:

(3.1)

Для получения напряжения +5 В на выходе стабилизатора, его входное напряжение, после выпрямления переменного напряжения со вторичной обмотки трансформатора, должно быть порядка 7-7,5 В (рис. 4). Таким образом, необходимое напряжение вторичной обмотки трансформатора определится из формулы (3.1) как:

=7 В/1,4?5 В.

С учетом падения напряжения на диодах выпрямительного моста выберем трансформатор с выходным напряжением 6 В.

Выбираем трансформатор типа ТПК - 0,7-6В со следующими характеристиками:

Напряжение вторичных обмоток в режиме номинальной нагрузки - 6 В.

Ток номинальной нагрузки - 0,12 А.

Максимальная выходная мощность - 0,7 Вт.

5. Описание используемых модулей

Для решения поставленной задачи - измерения длительности прямоугольного импульса напряжения будет использоваться модуль таймера TMR1 и порт ввода RA1 для получения от датчика измеряемого импульса.

Таймер-счетчик TMR1. 16-ти разрядный, доступный для чтения и записи. Состоит из двух 8-ми разрядных регистров TMR1H (0Fh) и TMR1L(0Eh). Счет выполняется в спаренном регистре TMR1, инкрементируя его значение от 0000h до FFFFh, далее считает сначала.

За работу TMR1 отвечает управляющий регистр Т1CON (регистр специального назначения, доступен для чтения и записи), который содержит биты:

- выбора коэффициента деления предделителя;

- включения тактового генератора;

- синхронизации внешнего тактового сигнала;

- выбора источника тактовых сигналов;

- включения модуля TMR1.

TMR1 может работать в одном из 3-х режимов:

- таймера;

- синхронного счетчика;

- асинхронного счетчика.

PORTА - 6-ти разрядный двунаправленный порт ввода-вывода. Все каналы его имеют соответствующие биты направления в регистре TRISА, позволяющие настраивать канал на вход или на выход. Запись «1» в TRISA переводит соответствующий буфер в 3-е состояние и определяет канал как вход, а запись «0» определяет соответствующий канал как выход.

PORTB - 8-ми разрядный двунаправленный порт ввода-вывода. Все каналы его имеют соответствующие биты направления в регистре TRISB, позволяющие настраивать канал на вход или на выход. Запись «1» в TRISB переводит соответствующий буфер в 3-е состояние и определяет канал как вход, а запись «0» определяет соответствующий канал как выход.

Регистр ADCON1 устанавливает режим работы портов (цифровой или аналоговый) PORTA. Содержит следующие биты:

Бит 7: ADFM, необходим для формата сохранения 10 - разрядного результата.

Биты 6-4: не используются.

Биты 3-0: PCFG3: PCFG0 - управляющие биты настройки каналов АЦП.

Регистр состояния STATUS доступен для чтения / записи, содержит флаги (признаки) состояния АЛУ, флаги сброса МК и биты управления банками памяти. Регистр STATUS может быть адресован любой командой, как и любой другой регистр памяти данных.

6. Разработка и описание электрической принципиальной схемы устройства

Электрическая принципиальная схема устройства приведена на рис. 6. С помощью данного микропроцессорного устройства производится измерение длительности импульса 0,2…40 мс. Сигнал с датчика подается на вывод 3 PORTA RA1 микроконтроллера PIC16F873. Результаты измерения от МК поступают по 8-разрядной шине на выводы DB0-DB7 ЖК-индикатора MT-10S1-3Y c выводов канала PORTB микроконтроллера.

Микроконтроллер тактируется генератором, состоящим из кварцевого резонатора ZQ1 и конденсаторов С5, С6 частотой 4 МГц.

Питание устройства осуществляется от блока питания напряжением 5В. Включение и выключение питания производится кнопкой S1.

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема измерителя высоты

7. Разработка блок-схем алгоритмов работы устройства и подпрограмм