Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Производство овощей в нашей стране растет с каждым годом, и очень остро встает проблема сохранения урожая. Сохранение продуктов растениеводства до времени их использования - важнейшее общенародное дело. Можно повысить урожайность всех культур и резко увеличить их валовые сборы, но не получить должного эффекта, если на различных этапах продвижения продуктов к потребителю произойдут большие потери в массе и качестве. При неумелом обращении с продуктами в послеуборочный период потери их могут быть очень велики. Более того, возможна полная порча продукта или даже получение им токсических свойств. Несмотря на развитие науки и техники, в мировом хозяйстве и в настоящее время отмечается потеря значительной части урожая. Так, по данным международной организации по продовольствию и сельскому хозяйству, потери зерна при хранении ежегодно составляют 6-10% и более, потери овощей и плодов 20-30% и более

Правительство постоянно обращает внимание на необходимость сокращения потерь в массе и качестве полученного урожая в послеуборочный период при транспортировке, хранении и реализации. Потери продуктов при хранении - следствие их физических и физиологических свойств. Только знание природы продукта, происходящих в нем процессов, разработанных для него режимов хранения, позволят свести потери до минимума и тем самым способствовать реальному росту урожайности.

Самым примитивным методом хранения овощей - это хранение в буртах или хранилищах без принудительной вентиляции и охлаждения. Потери в массе от болезней и потери влажности составляют 5-7 % за месяц. Значительно снижается качество продукции. Такой метод используется при кратковременном хранении.

Качество всегда ухудшаться во время хранения и его невозможно улучшить. Поэтому овощи для хранения следует отбирать наилучшего качества и применить все возможные усилия для сохранности этого качества. Урожай непригодный для хранения должен быть продан как можно быстрее.

Перед всеми работниками сельского производства и специалистами в различных отраслях народного хозяйства нашей страны выдвигаются следующие задачи в области хранения продуктов:

-сохранить продукты и семенные фонды с минимальными потерями в массе и без понижения их качества;

-повышать качество продуктов и семенных фондов в период хранения, применяя соответствующие технологические приемы и режимы;

-организовывать хранение продуктов наиболее рентабельно, с наименьшими затратами туда и средств на единицу массы продукта, снижать издержки при хранении продуктов.

Задачей данного курсового проекта - разработка системы контроля технологических параметров хранилища лука. А именно, разработать как можно больше функциональную систему контроля, которая повысит максимальную сохранность продукции и качество.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В [1] приведены электрические параметры и эксплутационные характеристики отечественных микроэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП). Подробно рассмотрены особенности развития и применения больших и сверхбольших микросхем ЦАП, АЦП и систем обработки информации. Уделено внимание методам измерения и контроля параметров преобразователей. Указаны области их применения.

Рассматриваются различные схемы на основе операционных усилителей, которые полезны для разработки усилительных схем, схем защитного экранирования и ряда других электронных схем, необходимых для обеспечения сопряжения с аналоговыми датчиками; содержится практическая информация о способах снижения электрических помех в аналоговых и цифровых схемах. Здесь же обсуждаются источники питания; объясняются принципы функционирования системной шины IBM PC и рассматривается базовый аппаратный интерфейс, с которым связаны все другие конструкции, представленные в данной книге. Рассматривается так же работа системы прерываний, счетчиков и таймеров; излагается теория и практические аспекты преобразования сигналов, рассматриваются виды двоичных кодов, принципы дискретизации сигналов и цифро-аналоговые преобразователи; рассматривается универсальный последовательный интерфейс для сопряжения с IBM PC и другими аналоговыми микрокомпьютерными системами; описываются датчики температуры, датчики фотонов элекро-магнитного излучения, датчики перемещения, различные типы датчиков потока и способы их сопряжения с IBM PC; представлено многочисленное семейство внешних устройств, с помощью которых пользователь может управлять работой компьютера, минуя клавиатуру.

Рассматриваются аппаратные и программные средства сопряжения самых разнообразных датчиков с персональными компьютерами фирмы IBM. Для каждого типа датчиков приводятся электронные схемы, предназначенные для обработки его выходного сигнала перед подачей в компьютер. Для иллюстрации принципов сбора и применения информации, поступающей от датчиков, включены примеры использования конкретных датчиков вместе с компьютерными программами [2].

Описание характеристик, назначение и применение цифровых интегральных микросхем, а также логические функции, реализуемые с их помощью, рассмотрены в [3]. Подробно рассмотрены цифровые микросхемы транзисторно-транзисторной логики, эмиттерно-связанной логики, на МОП- и КМОП- структурах. Приведены схемы включения, электрические параметры операционных усилителей, компараторов, аналоговых переключателей, усилителей низкой частоты, цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей в аналоговом исполнении, микросхем для радио- и телевизионных приёмников.

Обзор устройств и применение современных датчиков, в том числе датчиков температуры, давления, параметров светового излучения, характеристик жидкостей и др. представлены в [4].

По приведённым в [5] отечественным приборам даны соответствующие импортные аналоги. Перед основным содержанием приведён алфавитно-цифровой указатель приборов, приведённых в книге. Удобная форма поиска и восприятия информации об интересующих приборах.

Описание устройства COM-порта компьютера можно найти в [6]. Описывается назначение контактов, приводится схема COM-порта, описываются способы программирования и подключения данного порта к периферийному устройству.

Проблема разработки аппаратуры и программного обеспечения для сопряжения ПК типа IBM PC с различными внешними устройствами, возникающих при создании компьютерных систем и сетей приведены в [7]. Приведены справочные данные по интерфейсам ISA, Centronics, RS-232C, а также типичные схемотехнические решения позволяют проектировать устройства сопряжения в наибольшей степени соответствующие конкретной задаче и удовлетворяющие требованиям стандартов.

Статья, достаточно подробно описывающая принцип работы 8-ми разрядный АЦП на микросхеме КР572ПВ3, используемого мною в курсовой работе, находится в [8].

Аналоговые коммутаторы и их схемотехническая реализация приводится в [9]. Кроме общих сведений о реализации, даются их статические, динамические и эксплуатационные параметры и характеристики. Приводятся примеры их эксплуатации.

Один из возможных вариантов сопряжения нескольких компьютеров по последовательному порту рассматривается в [10]. Также здесь приводится описание возможных проблем, связанных с тем фактом, когда несколько пользователей попробуют получить доступ к одному и тому же персональному компьютеру. Представленная информация является достаточно важной, так как в реализуемом курсовом проекте планируется подключить к одной ЭВМ несколько датчиков и требуется реализовать схему коммутации рассматриваемых источников информации с одним портом ввода-вывода на вычислительной машине.

В [11] Подробное описание и принципы функционирования датчиков. Здесь поднимаются такие вопросы, как диапазон выходных значений, диапазон измеряемых значений, чувствительность датчика, надежность их применения, особенности их функционирования в различных условиях и проблемы, которые могут возникнуть, а также даются физические составляющие датчиков, такие как сопротивление, температурные и тепловые свойства материалов, теплопередача и другие.

Из особенностей применения датчиков с цифровой техникой представлены следующие: сопряжение датчиков с различными усилителями, схемы возбуждения датчика от генератора тока, источники опорного напряжения и другие. Описываются основные принципы построения и функционирования аналого-цифровых преобразователей, способы организации передачи данных для аналогового сигнала. Ввиду того, что сигнал предполагается передавать аналоговый, то непременным атрибутом такой передачи будет возникший шум. Причин возникновения шума может быть достаточно большое количество. Поэтому рассматривается их классификации (собственные, вносимые другими приборами, шумы от магнитных полей и другие), степень влияния на исходный сигнал и способы их предотвращения.

Публикуются обзоры, статьи, схемы, рекомендации по применению изделий электронной техники, дается анализ рынка электронных компонентов, состояние и тенденции его развития, приводятся сведения о дистрибьюторах, российских и зарубежных фирмах-производителях. Данный ресурс содержит серию статей о АЦП. Описание новейших разработок их характеристики, результаты сравнительных анализов некоторого ряда аналогичных устройств, блок схемы, описания и много другое, что может быть полезным на этапе выбора конкретных устройств, для реализации охранной системы предприятия [12].

Также достаточно полная документация по АЦП следующих типов: последовательные, параллельный, последовательно-параллельные, интегрирующие, представлена в [13]. Описываются статические и динамические параметры, шумы, возникающие при работе устройств.

Оборудованию, которое может быть использовано при сборке устройства, также рассматривается в [14]. Так, например, здесь описываются источники питания, цифровые и аналоговые генераторы сигналов, средства для разработки плат, экспериментальные платы для портов, которые позволяют проверить правильность передачи и приемы сигнала. Приводятся электрические схемы с краткими пояснениями всех перечисленных устройств.

Книга [18] посвящена вопросам практического применения однокристальных микроконтроллеров AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL. Рассмотрена архитектура, ее особенности. Приведены основные электрические параметры и временные характеристики. Подробно описано внутреннее устройство микроконтроллеров, системы команд, периферия, а также способы программирования с примерами реализации некоторых алгоритмов для конкретных цифровых устройств.

Книга предназначена для разработчиков радиоэлектронной аппаратуры, инженеров, студентов вузов и радиолюбителей.

В книге [19] даются основы программирования на языке С применительно к микроконтроллерам AVR семейств Mega и Tiny. Рассмотрен ряд примеров программирования для решения различного рода задач.

На сайте [20] находится большое количество радиоэлектронных схем, технических решений, радиолюбительских советов, программы и многое другое. Здесь было найдено много интересных решений, как для построения основной схемы устройства сигнализации, так и для усовершенствования уже имеющихся схем.

В источнике [21] описывается 101 устройство, выполняющее функции измерения, управления и сигнализации в бытовой и любительской аппаратуре. Изложена методика и макетного конструирования схем и способы изготовления печатных плат. Приведены конкретные схемы звуковой и световой сигнализации, оптических и сенсорных переключателей, тестеров и других устройств.

датчик температура микроэлектронный преобразователь



2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Структурная схема разрабатываемого устройства состоит из следующих блоков:

1. Датчики первичной информации - температуры, влажности и освещенности.

2. Усилители-фильтры - используются в качестве корректирующих звеньев и осуществляют усиление аналоговых сигналов.

3. Коммутатор - осуществляет выборку канала датчика. В качестве коммутатора используется аналоговый мультиплексор.

4. Преобразователь (АЦП) - преобразует код, приходящий от коммутатора в цифровой вид. Используется АЦП интегрирующего типа.

5. Устройство сопряжения - является интерфейсом между АЦП и ЭВМ.

6. ЭВМ - является конечным блоком в преобразовании.

Проектируемое в курсовом проекте устройство предназначено для контроля технологических параметров хранилища лука: температуры, влажности, освещенности. Соответственно, на структурной схеме имеются блоки «Датчик температуры», «Датчик влажности», «Датчик освещенности Далее, полученный сигнал необходимо отфильтровать, а затем усилить.

Датчик температуры необходим для того, чтобы сигнализировать об изменении температуры в помещении. И в последствии необходимо создавать «комфортную» температуру для лука.

Датчик влажности необходим для того, чтобы сигнализировать об изменении влажности в помещении. При высокой относительной влажности урожай может весь испортиться.

Датчик освещенности необходим для того, чтобы поддерживать нужное освещение для хранения лука.

Усилители-фильтры будут фильтровать сигнал от всевозможных помех.

Т.к. у измеряемых параметров несколько, то нужно осуществлять выборку канала от датчика. Для этой цели служит коммутатор. В качестве коммутатора можно использовать аналоговый мультиплексор.

Выбранный сигнал в аналоговом виде поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Он также будет временно хранить данные, поступающие от датчика, до передачи этих данных в компьютер.



3. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА УЗЛОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Как видно из содержания предыдущего раздела, в устройстве применяются датчики температуры, освещенности, влажности, усилители, АЦП, аналоговый коммутатор, генератор тактовых импульсов и узел сопряжения. Обоснуем выбор каждого из них.

3.1 Датчик температуры

Известны несколько видов температурных датчиков, такие как:

- Терморезистивные датчики (термисторы)

- Термоэлектрические контактные датчики

- Полупроводниковые датчики температуры на основе p-n перехода

- Оптические датчики температуры

- Акустические датчики температуры

- Пьезоэлектрические датчики температуры

Терморезисторные датчики или термисторы.

Термистор -- полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно убывает с ростом температуры. Для термистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Характеристики терморезисторов зависят от технологии и используемых материалов. Часто, многие терморезисторы одного семейства имеют сходные зависимости сопротивления от температуры. Сопротивление терморезисторов может изменяться по всей шкале в 10 или в 100 раз, но характеристики совпадают. Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и положительным (позисторы) ТКС. Термоэлектрические контактные датчики.

Поскольку термоэлектрические датчики[5] состоят ,по крайней мере из двух разных проводников и двух соединений (пар) этих проводников, их часто называют термопарами. Они являются пассивными датчиками . т.к. сами вырабатывают напряжение в ответ на изменение температуры и не требуют для этого внешнего источника питания. Термопары относятся к классу относительных датчиков, поскольку их выходное напряжение не зависит от абсолютной температуры каждого соединения. При измерении температуры при помощи термопар один ее спай служит эталоном, и его температуру необходимо определить при помощи отдельного детектора абсолютной температуры, например, термистора, или его надо поместить в материал, находящийся в физическом состоянии, температура которого точно известна.

Полупроводниковые датчики температуры на основе p-n перехода.

В качестве простейшего полупроводникового датчика[5] температуры может использоваться, например, p-n переход диода или транзистора. Если поддерживать постоянным ток через смещенный в прямом направлении кремниевый p-n-переход, прямое падение напряжения будет меняться на 1,88 мВ с каждым градусом Цельсия. По этому принципу работает ИС MAX1617 фирмы MAXIM/Dallas, которая измеряет температуру с использованием прямосмещенного p-n-перехода внешнего транзистора, например типа 2N3904. Транзистор может быть дискретным элементом вне микросхемы, а может входить в состав ИС. Выход микросхемы MAX1617 имеет последовательный интерфейс SMBus. ИС LM335 (см. рисунок 1.) от фирмы National Semiconductor формирует на выходе напряжение, пропорциональное температуре. Изменение выходного напряжения равно 10 мВ на градус Цельсия. При 0 градусов Цельсия выходное напряжение составляет 2,73 В, а при 100 градусов Цельсия составляет 3,73 В. ИС LM335 потребляет ток от 0,4 до 5 мА.



Рисунок 1. - ИС LM335

Оптические датчики температуры.

Температуру можно измерить контактными и бесконтактными методами. Бесконтактные датчики температуры применяются в случаях, когда необходимо проводить измерения быстродействующих процессов. Без таких детекторов нельзя обойтись при работе в агрессивных средах, в условиях сильных электрических, магнитных и электромагнитных полей и при воздействии высокого напряжения, т.е. там где либо велика вероятность возникновения серьезных помех при непосредственном контакте с исследуемым объектом, либо невозможно обеспечить безопасность оператора. Такие датчики необходимы также там, где до объекта измерений просто невозможно добраться. Разделяют флуоресцентные, интерферометрические и датчики на основе растворов, изменяющих цвет от температуры.

3.2 Датчик влажности

Для разрабатываемой системы наиболее подходит емкостной датчик влажности, так как он имеет невысокую стоимость и стойкость к химическим парам.



Рисунок 2 - Датчик влажности[10]

Особенностью схемы является применение в качестве датчика переменного конденсатора С2 типа 1КЛВМ-1 с воздушным диэлектриком. Если воздух сухой - сопротивление между пластинами конденсатора составляет более 10 ГОм, а уже при небольшой влажности сопротивление уменьшается. По сути этот конденсатор представляет собой высокоомный резистор с изменяющимся в зависимости от внешних условий абсорбированной атмосферной влажности сопротивлением. При сухом климате сопротивление датчика велико, и на выходе элемента DD1 присутствует низкий уровень напряжения, при увеличении влажности сопротивление датчика уменьшается, возникает генерация импульсов, на выходе схемы присутствуют короткие импульсы. При увеличении влажности частота генерации импульсов увеличивается. В определенный момент влажности генератор на элементе DD1 превращается в генератор импульсов, на выходе устройства появляется непрерывный сигнал.

3.3 Датчик освещенности

Датчики освещенности.

Датчики уровня освещенности. Датчики освещенности можно классифицировать по типу элемента, лежащего в основе его работы. Наиболее часто используют фоторезисторы, фототранзисторы и фотодиоды.

Фоторезимстор[1] -- полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом (рисунок 3).

Рис 3. Условное обозначение фоторезистора

Для изготовления фоторезисторов используют полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны, оптимальной для решаемой задачи.

Так, для регистрации видимого света используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия, Se. Для регистрации инфракрасного излучения используются Ge (чистый или легированный примесями Au, Cu или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, HgCdTe, часто охлаждаемые до низких температур. Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой или пластинку полупроводника снабжают двумя электродами и помещают в защитный корпус.

Фототранзимстор[1] -- оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения. Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.

Фотодиомд[1] -- приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе (рисунок 4). Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Рис 4. Условное обозначение фотодиода

3.4 Усилитель-фильтр входного сигнала

Усилитель-фильтр - используются в качестве корректирующих звеньев и осуществляют усиление аналоговых сигналов. Для разрабатываемой системы целесообразно использовать фильтры низкой частоты 2-го порядка.

Рисунок 5. Фильтр низких частот 2-го порядка

U+=U-=0, так как выход на землю (3.1)

Согласно первому закону Кирхгофа:

(3.2)

I1=I2+I3+I4

Согласно закону Ома:

(3.3)

, , , ,

Из выраженного I3 найдем U1:

U1=

Теперь подставим все в (3.2):

= + +

Теперь выразим

K(p) = (3.4)

К(р) =

Согласно

(3.5)

K(j?) =

При С1=С2 и R1=R2=R3 получаем:

K(j?) =

Примем K0=1, A=1-(?CR)2.

Тогда:

K(j?) =

Так как

?=2?f (3.6)

и ?=RC (3.7)

?в? = 1 (3.8)

Получаем:

K(jf) =

- АЧХ фильтра.

Графически АЧХ выглядит, как показано на рисунке 6.



Рисунок 6. Амплитудно-частотная характеристика фильтра низких частот

3.5 Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровые преобразователи, выпускаемые современной промышленностью, представлены в таблице 5. Среди требований, предъявляемых для данного узла можно выделить следующее: минимальная мощность, достаточно быстрое преобразование сигнала, выдача следующего бита в полученном двоичном коде по сигналу на определенный порт АЦП.

АЦП с четырьмя аналоговыми входами рассматриваться не будут, так как они достаточно сложны для подключения.

Таблица 5. Аналогово-цифровые преобразователи

Тип	Быстродействие (kSPS)	Напряжение питания	Мощность потребления (mW)	DNL Max (±LSB)	INL Max (±LSB)
ADS7827	250	2.7-5.5	0,6	1	1
ADS7868	280	1.2-3.6	0,22	±0.5	±0.5
ICL7135	0.003	±5	5	0.01	0.5
TLC7135	0.003	±5	5	0.01	0.5
TLC0831	31	5	3	0.4	0.4
TLC548	45.5	3 to 6	9	0.5	0.5
TLC549	40	3 to 6	9	0.5	0.5
TLV0831	20	3.3	0.67	0.5	0.5

Из представленных в таблице 6 устройств выберем TLC 549 от компании Texas Instruments. Данный АЦП обладает достаточно большим диапазоном питающего напряжения, что является его существенным плюсом, однако, из недостатков следует отметить сравнительно большую потребляемую мощность. Условно-графическое обозначение представлено на рис.7. Цифрами обозначены следующие входы и выходы:

1 - «+» источника питания;

2 - аналоговый вход;

3 - «-» источника питания;

4 - земля;

5 - сигнал управления;

6 - выходной сигнал (1 бит);

7 - синхросигнал внешний;

8 - опорное напряжение.

Рис. 7. Условно-графическое обозначение АЦП TLC 549

3.6 Аналоговый коммутатор

Аналоговые коммутаторы, выпускаемые в промышленности, представлены в таблице 6.



Таблица 6. Аналоговые коммутаторы

Модель	Сопр. открытого ключа [Ом]	Макс. время включения [нс]	Макс. время выключения [нс]	Напр. питания [В]
MAX4604	5	120	130	±4.5...±20
MAX4651	4	14	8	1.8...5.5
MAX4652	4	14	8	1.8...5.5
MAX4639	3.5	18	7	1.8...5.5, ±2.5...±2.5
MAX4640	70	150	80	2...12
MAX4651	4	14	8	1.8...5.5
MAX4652	4	14	8	1.8...5.5
MAX4653	4	14	8	1.8...5.5
MAX4662	2.5	275	175	4.5...36, ±4.5...±20

В качестве основы предлагается взять MAX4653, так как он обладает одним из лучших параметров по быстродействию (макс. время включения - 14 нс, макс. время выключения - 8 нс) и позволяет работать от достаточно большого диапазона входного напряжения. Условно-графическое обозначение представлено на рис.8. Опишем его входы и выходы: входы с 1 по 4 являются входами аналогового сигнала, входы 5 и 6 - разрешающий сигнал для соответствующего аналогового входа, выход 9 - выходной сигнал, вход 7 - напряжение питания, вход 8 - земля.

Время срабатывания аналогового мультиплексора составляет 14 нс.

Рис. 8. Условно-графическое обозначение коммутатора MAX4653



3.7 Счетчик

Счетчики, выпускаемые в промышленности, представлены в таблице 7. Из рассмотрения были исключены те варианты, которые позволяют работать в двух направлениях, так как это не требуется в данном курсовом проекте. Из требований, предъявляемых к устройству, можно выделить минимальное время срабатывания и минимальная потребляемая мощность, желательно также достаточно широкий диапазон питающего напряжения для обеспечения более стабильной работы.

Таблица 7. Счетчик прямого счета двухразрядный

Тип	Частота(MHz)	Напряжение питания (В)	Мощность потребления (mW)	Время срабатывания (нс)
DM74LS161A	32	4,75…5,25	93	14
74VHC163	185	2…5,5	93	2
DM74LS191	25	4,75…5,25	100	20
DM74LS193	25	4,75…5,25	93	20
DM74LS393	35	4,75…5,25	93	20
DM74S161	40	4,75…5,25	100	14

Ввиду вышеизложенных требований, выберем DM74LS393. Его условно графическое обозначение приведено на рис.9. Внутреннее строение устройства приведено на рис. 10. Время срабатывания счетчика составляет около 20 нс. Как видно из рис.10 счетчик представляет собой счетный Т-триггер, построенный на основе D-триггера. Цифрами на рисунке отмечены следующие входы и выходы:

1 - синхросигнал. Переключение происходит по фронту каждого такта;

2 - сигнал сброса. С учетом того, что в данном проекте не требуется сбрасывать счетчик, сигнал должен быть заведен на землю;

3,4, 5 и 6 - выходы со счетчика.



Рис. 9. Условно-графическое обозначение счетчика DM74LS393

Рис. 10. Внутреннее строение счетчика DM74LS393

В данном разделе были представлены и обоснован выбор каждого из функциональных блоков, которые были использованы в данном курсовом проекте. Для каждого элемента приведены их технические характеристики и условно-графическое обозначение. Суммарное время срабатывания аналогового коммутатора и счетчика составляет около 34 нс, что значительно меньше времени срабатывания АЦП, составляющее около 14 мкс. Это является необходимым для того, чтобы аналоговый сигнал успел установиться на входе аналого-цифрового преобразователя до того, как будет сделана основная часть преобразования и результат оказался бы не верным.

Для двух датчиков (датчик давления и датчик влажности) также приводится их внутреннее строение и поясняется принцип их работы.

3.8 Устройство сопряжения

Устройство сопряжения - используется интерфейс RS-485.



3.8.1 Технические характеристики RS-485

Допустимое число приёмопередатчиков (драйверов) 32;

Максимальная длина линии связи 1200 м (4000ft);

Максимальная скорость передачи 10 Мбит/с;

Минимальный выходной сигнал драйвера ±1,5 В;

Максимальный выходной сигнал драйвера ±5 В;

Максимальный ток короткого замыкания драйвера 250 мА;

Выходное сопротивление драйвера 54 Ом;

Входное сопротивление драйвера 12 кОм;

Допустимое суммарное входное сопротивление 375 Ом;

Диапазон нечувствительности к сигналу ±200 мВ;

Уровень логической единицы (Uab) >+200 мВ;

Уровень логического нуля (Uab) <-200 мВ.

Сам RS-485 выполняет только следующие действия:

Преобразует входящую последовательность "1" и "0" в дифференциальный сигнал;

Передает дифференциальный сигнал в симметричную линию связи;

Подключает или отключает передатчик драйвера по сигналу высшего протокола;

Принимает дифференциальный сигнал с линии связи.

Преимущества физического сигнала RS-485 перед сигналом RS-232:

Используется однополярный источник питания +5В, который используется для питания большинства электронных приборов и микросхем. Это упрощает конструкцию и облегчает согласование устройств;

Мощность сигнала передатчика RS-485 в 10 раз превосходит мощность сигнала передатчика RS-232. Это позволяет подключать к одному передатчику RS-485 до 32 приёмников и таким образом вести широковещательную передачу данных;

Использование симметричных сигналов, у которой имеется гальваническая развязка с нулевым потенциалом питающей сети. В результате исключено попадание помехи по нулевому проводу питания (как в RS-232). Учитывая возможность работы передатчика на низкоомную нагрузку, становится возможным использовать эффект подавления синфазных помех с помощью свойств "витой пары". Это существенно увеличивает дальность связи. Кроме этого появляется возможность "горячего" подключения прибора к линии связи (хотя это не предусмотрено стандартом RS-485). Заметим что в RS-232 "горячее" подключение прибора обычно приводит к выходу из строя СОМ порта компьютера.

Достоинства стандарта RS-485:

Хорошая помехоустойчивость;

Большая дальность связи;

Однополярное питание +5 В;

Простая реализация драйверов;

Возможность широковещательной передачи;

Многоточечность соединения.

Недостатки RS-485:

Большое потребление энергии;

Возможность возникновения коллизий.

Отсутствие сервисных сигналов;



3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

В данном разделе опишем принцип работы и функционирования основных элементов схемы.

Схема АЦП с преобразованием и подключением к компьютеру представлена на рис. 11.

Рис. 11. Принципиальная схема согласования АЦП с COM-портом

АЦП TLC549 фирмы Texas Instruments имеет 1 аналоговый вход и 2 входа для подключения опорного напряжения (REF+, REF-). Соответственно, если REF- = 0 В, то диапазон измеряемых значений будет составлять от 0 до REF+ вольт. С учетом того, что преобразование начинается по переднему фронту CS, то первое значение, считанное с АЦП, является заведомо неверным. Поэтому вначале требуется пропустить один цикл чтения. Также требуется учитывать, что CS должен иметь высокий уровень на протяжении всего времени преобразования, которое длится в течение 17 мкс. Биты данных могут быть считаны с выхода DATA начиная со старшего бита. Смена разрядов происходит по фронту сигнала CLOCK. Достаточно существенным плюсом также является тот факт, что без команды начала преобразования АЦП работать не будет.

С учетом того, что напряжение на линиях COM-порта составляет около +12 В, тогда как АЦП формирует напряжение от 0 до 5 В. Для решения этой проблемы в схеме установлены 3 стабилитрона на напряжение 4,7 В и 2 резистора R1 и R2.

Устройство выборки аналогового сигнала для преобразования представлен на рис. 12.

Рис. 12. Устройство сопряжения аналоговых сигналов с АЦП

Время срабатывания данного узла составляет 20 + 14 = 34 нс, что является слишком маленькой величиной, по сравнению со временем преобразования сигнала на АЦП, составляющей 14 мкс. Это требуется для того, чтобы обеспечить правильную выборку сигнала до того, как аналогово-цифровой преобразователь закончит работу.

Напряжение питания требуется только для мультиплексора, поэтому к нему необходимо подключить напряжение питания +5 В.

Сигнал переключения на другой датчик поступает с COM-порта, что позволяет контролировать процесс выбора датчиков.

Таким образом, в данном разделе были представлены и описаны основные узлы разработанной принципиальной схемы. Также приводятся расчеты значений всех сопротивлений для каждого из усилителей, обосновывается выбор применения конкретного коэффициента усиления.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данного курсового проекта была разработано устройство контроля технологических параметров хранилища лука (освещенности, температуры и влажности) с COM-портом персонального компьютера. Представлен вариант решения проблемы сопряжения некоторого количества устройств с одной ЭВМ.

Отличительная особенность данного устройства заключается в том, что ее можно расширять в дальнейшем неограниченным количеством датчиков. Также была предпринята попытка акцентировать внимание на точность измерения. Именно с этой целью ко многим функциональным узлам была предложена схема корректировки выходного напряжения.

Тем не менее, устройство обладает некоторыми недостатками. Среди них можно отметить следующие:

COM-порт на сегодняшний день является устаревающим способом передачи данных;

требуется достаточно большое количество разнородных источников питания;

датчики требуют достаточно стабильного и точного напряжения питания;

Список основных достоинств, кроме изложенных выше, можно дополнить:

доступность элементной базы;

простота конструкции и относительная дешевизна проекта;

простота калибровки. Причем калибровку может осуществлять как аппаратным, так и программным способом.

В дальнейшем возможно исправление представленных недочетов и внесение необходимых корректировок.

Разработанное устройство рекомендуется использовать в качестве системы контроля параметров окружающей среды не только в культурно-оздоровительных центрах, но и в любом другом месте, где требуется контролировать освещенность, температуру, влажность или давление. С учетом того, что устройство контролируется программным обеспечением, его также можно использовать в качестве системы сбора и хранения сведений о параметрах окружающей среды с последующим ее анализом, составлением графиков изменений, отчетов и попыток спрогнозировать последующие изменения.

Разработанное устройство обладает следующими характеристиками:

число контролируемых каналов от датчиков - 8;

интерфейс сопряжения с ЭВМ - COM-порт типа RS-485;

скорость передачи данных компьютер - 10 Мбит/с;

В дальнейшем имеется возможность исправить представленные недочеты.

Размещено на Allbest.ur