Цифровой прибор для измерения скорости перемещения и концентрации СО в воздухе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Целью курсового проектирования является приобретение навыков самостоятельного применения знаний, полученных при изучении дисциплины «Электронные элементы и устройства», при разработке электрических схем приборов контроля качества и диагностики состояния объектов.

При курсовом проектировании решаются следующие основные задачи:

· расширить, систематизировать и закрепить теоретические знания;

· выработать умение и навыки по комплексному решению технических задач, связанных с модернизацией имеющихся и созданием новых контрольно-измерительных и диагностических средств;

· развить навыки самостоятельной работы с научно-технической и справочной литературой.

1. Анализ исходных данных

Анализ исходных данных показывает, что в курсовом проекте требуется разработать цифровой прибор для измерения скорости перемещения и концентрации СО в воздухе (от 0 до 500 мм/с и от 0 до 2000 мг/м²) а также дискретности отсчета (1 мм/с и 1 мг/м²) следует, что на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ) должно отображаться не менее четырёх цифр.

Выходные сигналы: ИП (0 - 175 мВ) - дискретный (стоит буква «Д») и (0 - 92 мВ) - аналоговый (стоит буква «А»). Они должны быть усилены с помощью масштабирующего усилителя для согласования с входными параметрами аналого-цифрового преобразователя (АЦП), тип которого задан (микросхема AD7417(I²C)).

Прибор должен быть построен на основе микропроцессорной системы, реализованной на основе заданного микропроцессора 80С31ВН. В её составе должны также быть: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) емкостью 18 Кбайт, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) емкостью 4 Кбайта, вспомогательные микросхемы и элементы (регистры, дешифраторы, индикаторы и другие), обеспечивающие её функционирование. Для уменьшения случайной составляющей погрешности результата измерения при проектировании прибора (на этапе разработки блок-схем алгоритмов и программного обеспечения) следует предусмотреть получение, при выполнении измерительных операций, N = 48 результатов наблюдений измеряемой величины и их статистическую обработку.

Прибор должен обеспечивать отображение результата измерения на цифровом отсчетном устройстве в течение 22 секунд, что может быть реализовано с помощью разработки специальной программы, вырабатывающей временной интервал заданной длительности.

Управление работой прибора в различных режимах должно осуществляться с помощью клавиатуры, на которой следует предусмотреть наличие, как управляющих, так и цифровых клавиш, необходимо наличие интерфейса RS-232 для связи с ПЭВМ.

При проектировании источника питания следует предусмотреть возможность подключения прибора как к сети с переменным напряжением 220 В (+10 -15)%, так и к аккумуляторной батарее.

2. Разработка структурной схемы прибора

На начальном этапе проектирования прибора необходимо разработать его структурную схему. На структурной схеме прибора показываются блоки, которые войдут в последующем в электрическую принципиальную схему. Структурная схема прибора применяется для изучения принципов работы при наладке, регулировании, контроле и ремонте.

Опишем назначение каждого элемента структурной схемы:

– Дат1 и Дат2 - измерительные преобразователи, преобразуют измеряемые неэлектрические физические величины - скорости перемещения и концентрации - в электрические (напряжение).

– МП - микропроцессор, который играет роль связующего звена между всеми блоками устройства.

– ОЗУ - оперативное запоминающее устройство. Выполняет функцию временного хранения данных.

– ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, служит для хранения выполняемых МП программ.

– ЭППЗУ - электрически перепрограммируемое ПЗУ, применяется для записи результатов измерения, обеспечивает запись информации в его ячейки в процессе работы прибора без использования специальных программирующих устройств, а также длительное хранение данных после отключения источника питания.

– КЛ - клавиатура, при помощи которой осуществляется ручное управление работой прибора в различных режимах.

– ПЭВМ (ПК) - персональная электрическая вычислительная машина (персональный компьютер).

– ЦУОИ - цифровое устройство отображения информации, предназначенное для отображения измерительной и вспомогательной информации в форме, удобной для считывания пользователем.

– RS-232 - интерфейс, по которому, с помощью вспомогательного кабеля подключаемого к ПК, в последовательном коде осуществляется обмен данными.

– ША - шина адреса. По ней осуществляется передача сигналов от МП к внешним устройствам. Она является однонаправленной. Совокупность этих сигналов представляет собой многоразрядные двоичные числа. Эти числа являются системными адресами внешних устройств, входящих в состав микропроцессорной системы (МПС).

– ШД - шина данных. Она представляет собой совокупность фиксированного числа проводников, по которым осуществляется передача данных от МП к внешним устройствам и наоборот, то есть она является двунаправленной. Совокупность сигналов передаётся по ШД одновременно (в параллельном коде) и представляет собой многоразрядные двоичные числа. Числа, передаваемые по ШД - это информация, которая обрабатывается МПС.

– ШУ - шина управления. По ней передаются сигналы, синхронизирующие во времени обмен данными между МП и внешними устройствами.

– ИП - источник питания.

– ФИ - формирователь импульсов.

Рисунок 2.1 - Структурная схема прибора

Принцип работы прибора: сигналы, полученный на выходах преобразователей, поступают на входы МУ, осуществляющих преобразование диапазона полученных сигналов на выходе датчиков в диапазон сигналов, необходимых для нормальной работы АЦП. АЦП выполняет преобразование аналоговых сигналов, поступающих с выхода МУ, в пропорциональный цифровой двоичный код. Далее полученная с помощью АЦП измерительная информация поступает в МП, который выполняет функцию управления работой всего прибора и играет роль связующего звена между всеми его блоками. Передача данных от АЦП в МП осуществляется по шине I²C. ОЗУ выполняет функцию временного хранения данных. ПЗУ служит для хранения выполняемых МП программ.

Для записи результатов измерения применяется ППЗУ, которое обеспечивает запись информации в его ячейки в процессе работы прибора без использования специальных программирующих устройств, а также длительное хранение данных после отключения источника питания. Управление прибором осуществляется при помощи КЛ. ЦОУ предназначено для отображения измерительной и вспомогательной информации в форме, удобной для считывания пользователем. Прибор с помощью вспомогательного кабеля подключается к ПК, по которому в последовательном коде осуществляется обмен данными между ними через интерфейс RS232. По ША осуществляется передача сигналов от МП к внешним устройствам. Она является однонаправленной.

Совокупность этих сигналов представляет собой многоразрядные двоичные числа. Эти числа являются системными адресами внешних устройств, входящих в состав микропроцессорной системы (МПС). ШД представляет собой совокупность фиксированного числа проводников, по которым осуществляется передача данных от МП к внешним устройствам и наоборот, то есть она является двунаправленной. Совокупность сигналов передаётся по ШД одновременно (в параллельном коде) и представляет собой многоразрядные двоичные числа. Числа, передаваемые по ШД - это информация, которая обрабатывается МПС. По ШУ передаются сигналы, синхронизирующие во времени обмен данными между МП и внешними устройствами. С помощью КЛ осуществляется ручное управление работой прибора в различных режимах.

электрический трансформатор усилитель микросхема

3. Разработка электрической принципиальной схемы

3.1 Выбор и описание элементов

Микросхема КР1816ВЕ51. Микроконтроллер 80C31BH представляет собой высокопроизводительный -8разрядный КМОП микрокомпьютер. Микросхема конструктивно оформлена в 40-контактном пластиковом корпусе типа DIP.

Основные параметры:

– полная совместимость с микроконтроллерами семейства MCS-51;

– диапазон частот тактового генератора 0--12 МГц;

– трехуровневая защита программной памяти;

– 128 байт внутреннего ОЗУ;

– 32 программируемые линии ввода/вывода;

– два 16-битных таймера-счетчика;

– 6 источников прерываний;

– режимы пониженного потребления питания;

– тип ПЗУ - внешний;

– потребляемый ток - 151мА;

На рисунке 3.1.1 представлено условное обозначение микросхемы.

Назначение выводов представлено в таблице 3.1.1.

ПЗУ K1609PP1. Основная отличительная особенность микросхем РПЗУ заключается в их способности к многократному перепрограммированию самим пользователем. Данный тип ПЗУ относится к РПЗУ с записью и стиранием электрическими сигналами (группа ЭС). Достоинством микросхем РПЗУ группы ЭС является возможность перепрограммирования без изъятия их из устройства, где они работают. Другим положительным свойством микросхем данной группы является значительное число циклов перепрограммирования, достигающее для большинства микросхем 10 тыс. Это их свойство в сочетании с энергонезависимостью позволяет их широко использовать в аппаратуре в качестве встроенных ПЗУ со сменяемой информацией. Основные параметры представлены в таблице 3.1.2, условное графическое обозначение - на рисунке 3.1.2.

Рисунок 3.1.1 -Условное графическое обозначение микросхемы 80C31BH

Таблица 3.1.1 - Назначение выводов микросхемы 80C31BH

Обозначение выводов	Номер выводов	Назначение
P1.0…P1.7	1…8	8 - разрядный двунаправленный порт Р1. каждый вывод может быть подключен максимум к 4 входам MC ТЛЛ.
RST	9	Вход сигнала общего сброса(каждый вывод Р3 может быть подключен максимум к 4-м входам МС ТЛЛ)
Р3.0-Р3.7 (RXD) P3.0 (TXD) P3.1 (INT0) P3.2 (INT1) P3.3 (T0) P3.4 (T1) P3.5 (WR) P3.6 (RD) P3.7	10…17 10 11 12 13 14 15 16 17	8-разрядный двунаправленный порт Р3 с дополнительными функциями вход последовательного порта вывод последовательного порта вход внешнего прерывания 0 вход внешнего прерывания 1 внешний вход таймера/счетчика 0 внешний вход таймера/счетчика 1 выход стробирующего сигнала при записи во внеш. ПД выход стробирующего сигнала при чтении из внеш. ПД
X1 X2	18 19	Выводы для подключения кварцевого резонатора
GND(OB)	20	Вывод для подключения к источнику питания (общий вывод)
Р2.0…Р2.7 (А8…А15)	21…28	8-разряжный двунаправленный порт Р2. выход старшего байта адреса А8…А15 в режиме работы с внешней памятью. Каждый вывод порта Р2 может быть подключен максимум у 4-м входам МС ТЛЛ
PSEN	29	Сигнал, разрешающий чтение из внешней памяти программ (ВПП)
ALE/PROG	30	Выходной сигнал, разрешающий запись младшего байта адреса А 0…А7, появляющегося на выводах порта Р0 при обращении к внешней памяти во внешний регистр (входной сигнал при программировании внутр. РПЗУ)
EA/UPR (DEMA)	31	этот вывод должен быть подключен к выводу источника UCC (+5V), если в МС имеется РПП, к которой надо обращаться. Обращение к внешней памяти программ происходит автоматически, если в счетчике команд формируется адрес, лежащий в пределах (1000…FFFF)H. Если адрес находится в пределах (0000….0FFF)H, обращение происходит к РПП (объем 4 кб); этот вывод должен быть подключен к общей шине (GND), если РПП не используется (или отсутствует). Обращение к внешней памяти программ в этом случае становится возможным начиная с адреса 0000H и до FFFFH.
Р0.7…Р0.0 (AD7…AD0)	32…39	8-разрядный двунаправленный порт Р0. каждый вывод может быть подключен к 8 входам МС ТЛЛ. При работе МК с внешними устройствами на выводах порта Р0 формируется младший бат адреса А7…А0, который должен быть зафиксирован во внешнем регистре, после чего через эти выводы осуществляется обмен данными между МК и выбранным внешним устройством (ячейкой памяти).
VCC(UCC) (+5V)	40	Вывод для подключения МС к источнику питания с постоянным стабилизирующим напряжением +5V.

Таблица 3.1.2 - Основные параметры ПЗУ K1609PP1

Тип микросхемы	Емкость, байт	t в.а., мкс	Рпот, мВт	Uпот, В	Uпр, В	t пр, с	t стир., с
К1609РР1	8к	0.3	850	5	22	--	--



Рисунок 3.1.2 -Условное графическое обозначение микросхемы ПЗУ K1609PP1

Таблица 3.1.3 - Назначение выводов микросхемы

Выводы	Назначение	Обозначение
2,3--10, 21, 23, 24, 25 11-13, 15-19 20 22 27 28 1 14 26	Адресные входы Входы--выходы данных Выбор микросхемы Разрешение по выходу Сигнал программирования Напряжение питания Напряжение программирования Общий свободный	А12, А7--А0, А10, А11, А9, А8 DIO0-DIO2, DIO3-DIO7 CS CEO PR Ucc Upr 0 В --

Таблица 3.1.4 - Режимы микросхем РПЗУ-ЭС

Тип микросхемы	Сигналы управления	Стирание общее	Запись слова	Считывание	Хранение
К1609РР1 8К, 104 циклов	CS OE Upr, B , мс	0 12 В 21 12	0 1 21 12	0 0 5 0,3 мкс	1 Х 5 --

ОЗУ HM64256. Эта микросхема представляет собой статическое ОЗУ, выполненное по КМОП технологии с организацией 32К?8бит. Условное обозначение её приведено на рисунке 3.1.3. Она размещена в 28-контактном пластиковом корпусе типа DIP.

Рисунок 3.1.3 - Условное обозначение микросхемы HM64256

Назначение выводов:

– VCC - питание +5B;

– GND - общий вывод;

– А0...А14 - адресные входы;

– D0…D7 - шина данных;

– ОЕ - вход “разрешение чтения” (активный уровень - низкий);

– WE - вход “разрешение записи” (активный уровень - низкий);

– СЕ - вход “выбор микросхемы” (активный уровень - низкий).

Регистр KP58ОИР82.

Микросхема КР580ИР82 - 8-разрядный D-регистр--защелка без инверсии и с тремя состояниями на выходе, предназначенная для связи микропроцессора с системной шиной; обладает повышенной нагрузочной способностью.



Рисунок 3.1.4 - Условное обозначение микросхемы КР580ИР82

Таблица 3.1.5 - Назначение выводов микросхемы КР580ИР82

Вывод	Обозначение	Тип вывода	Функциональное назначение выводов
1--8 9 10 11 12--19 20	D0--D7 OE GND STB 0--7 Ucc	Вход Вход Вход -- Вход Выход	Информационная шина Разрешение передачи (управление 3-м состоянием) Общий Стробирующий сигнал Информационная шина Напряжение питания +5 В5%

Основные электрические параметры микросхемы:

– Выходное напряжение низкого уровня 0,45 В;

– Выходное напряжение высокого уровня 2,4 В;

– Входной ток низкого уровня 0,2 мА;

– Входной ток высокого уровня 50 мА;

– Ток потребления 160 мА;

– Время задержки распространения сигналов Q относительно сигнала D 30 нс;

– Время задержи распространения сигналов Q относительно сигнала STB 45 нс;

– Время задержки распространения сигналов Q при переходе их из состояния высокого, низкого уровня в 3-е состояние 18 нс;

– Время задержки распространения сигналов Q при переходе их из 3-го состояния в состояние высокого, низкого уровня 30 нс;

– Время перехода при выключении (включении) 20 нс;

– Входная емкость 12 пФ;

Дешифратор К514ИД4. Микросхема К555ИД7 - дешифратор 4-разрядного двоичного кода в сигналы для управления полупроводниковыми 7-сегментными цифробуквенными индикаторами на основе светодиодных структур с разъединенными анодами. Условное обозначение микросхемы представлено на рисунке 3.1.5.

Рисунок 3.1.5 - Условное обозначение микросхемы К555ИД7

Назначение выводов: D0 - D3 - информационные входы, предназначенные для приёма 4-разрядного двоичного числа; Г - вход гашения; УП - вход управления памятью; A,B,C,D,E,F,G -выходы, подключаемые к анодам сегментов индикатора; 16 - питание; 8 - общий.

Дешифрирование входных сигналов осуществляется при установлении низких логических уровней на входах Г и УП. Сигнал высокого логического уровня, поступающий на вход Г, переводит все выходы дешифратора в состояния логических нулей (независимо от входной информации), при этом все сегменты индикатора гаснут.

Если в некоторый момент работы микросхемы на вход УП поступает сигнал высокого уровня, а на входе Г сохраняется уровень логического нуля, то информационные входы отключаются, а на выходах микросхемы запоминается предыдущая информация, которая сохраняется до момента снятия со входа УП напряжения высокого уровня.

Основные электрические параметры:

– Входное напряжение -0,3 - +5,5 В

– Входной ток 200 мкА

– Ток потребления при выключенных сегментах индикатора 60 мА

– Выходной ток в состоянии логической 1 при Uвых = 1,7 В, не более 13 мА

– Напряжение питания +5 В.

Индикатор АЛ324А. Одноразрядные цифро-буквенные индикаторы с высотой цифры 7,5 мм из семи сегментов с децимальной точкой. Изготавливаются на основе светодиодных структур галлий--фосфор--мышьяк. Выпускаются в пластмассовом корпусе. Масса не более 2,5 г.

Рисунок 3.1.6 - Условное обозначение индикатора АЛ324А

основные параметры:

– сила света одного сегмента при I=20 мА 0,15 мкд;

– сила света децимальной точки при I=20 мА 0,05 мкд;

– постоянное прямое напряжение при I=20 мА 2,5 В;

– максимум спектрального распределения излучения на длине волны 0,65…0,67 мкм;

– постоянный прямой ток через один сегмент:

§ при Т_окр<35^оС 25 мА;

§ при Т_окр=70^оС 7,5 мА;

– мощность рассеяния индикатора:

§ при Т_окр<35^оС 500 мВт;

§ при Т_окр=70^оС 150 мВт;

– постоянное обратное напряжении 5В;

– диапазон рабочей температуры окружающей среды -60…+70^оС;

АЦП AD7417. Микросхема AD7417 фирмы Analog Device представляет собой десятиразрядный АЦП.

Основные параметры его следующие:

– время преобразования 15мкс;

– количество аналоговых входов - 4;

– встроенный температурный датчик (-55⁰С…+125⁰С);

– встроенный индикатор превышения температурного порога;

– широкий диапазон напряжений питания (+2,7В…+5,5В);

– I²C совместимый интерфейс.

Рисунок 3.1.7 - Условное обозначение микросхемы AD7417

Назначение выводов:

– VСС - питание +5В;

– GND - общий вывод;

– SDA - последовательная двунаправленная шина данных I²C;

– SCL - цифровой вход тактовых импульсов интерфейса I²C;

– OTI - выход цифрового сигнала индикатора превышения температурного порога. Выход устанавливается, если результат преобразования по каналу 0 больше, чем 8-битовое число, хранящееся в регистре OTR;

– REF - вход внешнего опорного напряжения +2,5В. Чтобы использовать внутренний источник опорного напряжения, необходимо соединить этот вывод с выводом GND;

– Conv - вход цифрового сигнала начала аналого-цифрового преобразования. Если импульс больше 4мкс, то его отрицательный фронт запускает цикл преобразования;

– A_IN1…A_IN4 - аналоговые входные каналы;

– A0…A2 - три программируемых бита адреса микросхемы для последовательного интерфейса I²C.

Кварцевый резонатор является внешним элементом встроенного в микросхему микропроцессора генератора тактовых импульсов. Схема подключения кварцевого резонатора представлена на рисунке 3.1.8.

Рисунок 3.1.8 - Схема подключения кварцевого резонатора к микросхеме КР1816ВЕ51

Кварцевый резонатор ZQ1 выбираем с частотой 11,059 МГц, а конденсаторы С1 и С2 по 33пФ в соответствии с рекомендациями производителя микросхем. Выводы XL1 и XL2 подсоединяются к выводам 19 и 18 микросхемы соответственно.

Микросхема AT24C16. Микросхема AT24C16 представляет собой электрически стираемое и перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ЭППЗУ), организованное в 2048 слова по 8 байт (2Кбайта).

На рисунке 3.1.9 представлено условное обозначение микросхемы.

Рисунок 3.1.9 - Условное графическое обозначение микросхемы AT24C16

Микросхема MAX232. Микросхема фирмы MAXIM. Содержит 2 приемника и 2 передатчика интерфейса RS-232С, который имеет форму 25-контактного разъема типа D.

Основные параметры:

– скорость передачи информации - 116 кБ/с;

– напряжение питания - 5В;

– потребляемый ток - 4мА;

– количество конденсаторов - 5;

– номинальная емкость конденсаторов - 10мФ.

Условное обозначение микросхемы приведено на рисунке 3.1.8

Рисунок 3.1.8 - Условное обозначение микросхемы MAX232

Назначение выводов:

– T1IN, T2IN, R1 OUT, R2OUT - выводы, подключаемые к МП;

– T1OUT, T2OUT, R1IN, R2IN - выводы, подключаемые к RS-232C;

– C1+, C1-, C2+, C2-, U+, U- - выводы для подключения конденсаторов;

– VCC - питание +5В;

– GND - общий вывод.

3.2 Разработка электрической принципиальной схемы усилителей

После преобразования неэлектрической величины в электрическую с помощью ИП, полученный полезный сигнал необходимо усилить при помощи усилителя.

Для этого используем схему неинвертирующего усилителя на основе микросхемы операционного усилителя MX9002 фирмы MAXIM с однополярным питанием от источника с напряжением плюс 5 В.

Рассчитаем усилитель DA1, представленный на рисунке 3.2.1. На его вход подается сигнал, который поступает с выхода измерительного преобразователя ИП1, который преобразует скорость перемещения СО в воздухе в напряжение.

Рисунок 3.2.1 - Схема неинвертирующего усилителя DA1 на МС ОУ МХ9002

Коэффициент усиления такого усилителя описывается следующим выражением:

3.2.1)

Для расчета коэффициента усиления определим сначала необходимое напряжение на входе АЦП. Известно, что диапазон измерения равен от 0 до 500 мм/с, c дискретностью 1мм/с, а максимальное значение напряжения на выходе датчика . Исходя из этого, определим максимальное число, которое должно быть на выходе АЦП для измерения концентрации взвесей:

. 3.2.2)

Так как АЦП AD7417(I²C) 10-разрядный, то максимальное десятичное число, которое может быть получено в результате преобразования аналогового сигнала в цифровой код - 1023, что соответствует максимальному входному напряжению +5В. Определим необходимое напряжение на входе АЦП, которому будет соответствовать число :

(3.2.3)

Тогда коэффициент усиления с учетом (3.2.3) будет равен:

3.2.4)

С учетом (3.2.4) и (3.2.1) рассчитаем сопротивления резисторов R₂ и R₁:

R₂ = 1 кОм, R₁ = 13 кОм.

Резистор R₂ выбираем подстроечным, чтобы при настройке можно было точно выставить полученное значение коэффициента усиления.

Рассчитаем усилитель DA2, представленный на рисунке 3.2.2. На его вход подается сигнал, который поступает с выхода датчика Дат2, который преобразует коэффициент отражения в напряжение.

Рисунок 3.2.2 - Схема неинвертирующего усилителя DA2 на МС ОУ МХ9002

Коэффициент усиления такого усилителя описывается следующим выражением:

3.2.5)

Для расчета коэффициента усиления определим сначала необходимое напряжение на входе АЦП. Известно, что диапазон измерения равен от 0 до 2000 мг/м³, c дискретностью 1 мг/м³, а максимальное значение напряжения на выходе датчика . Исходя из этого, определим максимальное число, которое должно быть на выходе АЦП для измерения концентрации взвесей:

. 3.2.6)

Так как АЦП AD7417(I²C) 8-разрядный, то максимальное десятичное число, которое может быть получено в результате преобразования аналогового сигнала в цифровой код - 255, что соответствует максимальному входному напряжению +5В. Определим необходимое напряжение на входе АЦП, которому будет соответствовать число :

(3.2.7)

Тогда коэффициент усиления с учетом (3.2.7) будет равен:

(3.2.8)

С учетом (3.2.8) и (3.2.5) рассчитаем сопротивления резисторов R₃ и R₄:

R₄ = 1 кОм, R₃ = 105 кОм.

3.3 Разработка электрической принципиальной схемы прибора

Электрическая принципиальная схема прибора разработана в соответствии с его структурной схемой и представлена чертеже 00.00.000 Э3.

После включения питания на вывод 9 (RST) МС DD1 подается сигнал высокого уровня, после чего параметры всей МПС устанавливаются в исходное состояние. Для сброса МПС в исходное состояние во время работы прибора используется клавиша «RESET» (SB1). К выводам Х1 и Х2 МС DD1 подключен кварцевый резонатор, с помощью которого формируется последовательность прямоугольных импульсов, вырабатываемых встроенным в МП генератором тактовых импульсов. Она синхронизирует во времени работу всех элементов МПС. Порт Р0 в МП DD1 используется для выдачи младшего байта адреса и для обмена данными. Для того, чтобы зафиксировать младший байт адреса, используется МС DD2 - восьмиразрядный регистр. При подаче стробирующего импульса на вывод 11(STB) микросхемы DD2 с выхода АLE (вывод 30) МП DD1 происходит фиксация младшего байта адреса. После этого порт Р0 DD1 используется для обмена данными с внешними устройствами. На выводах DD2 формируется младший байт системной шины адреса АD0 - АD7. Старший байт шины адреса А8 - А15 начинается с выводов порта Р2 МП.

В качестве микросхем ПЗУ используются три МС К1609РР1 (DD5, DD6, DD7). На их входы поступают сигналы с системной ША. Выводы D0…D7 соединены с выводами порта Р0 МП DD1. Считывание данных происходит при подаче сигнала на выводы 20(ОЕ) МС DD5 или DD6 или DD7, который формируется на выводе 29(PSEN) МС DD1. В микросхемах DD5, DD6, DD7 хранятся программы, выполняемые МПС.

В качестве микросхемы ОЗУ используется МС НМ64256 (DD4). Активизация МС ОЗУ DD4 происходит при подаче сигнала низкого уровня на вывод 20(СЕ). Чтение данных из МС DD4 осуществляется при подаче сигнала низкого уровня на её вывод 22 (OE), который формируется на выводе 17(P3.7/RD) МС DD1. При записи данных в ОЗУ подается сигнал низкого уровня на вывод 27(WE) МС DD4 с вывода 16(P3.6/WR) МП DD1.

Процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровые осуществляется при помощи АЦП DA3. Для выбора режима необходимо только подать соответствующие опорные напряжения.

Преобразование аналоговых сигналов в цифровой код осуществляется поочередно с последующей записью результата преобразования в ячейки внутреннего ОЗУ. В течение всего периода преобразования результат хранится в каждой ячейке. Содержимое каждой ячейки памяти может быть считано микропроцессором. Адресные входы А0, А1, А2 определяют внутренние двоичные адреса ячеек ОЗУ.

Дискретный сигнал подается на процессор через вывод 14 (P3.4/T0), предварительно усиленный операционным усилителем DA1.

Аналоговый сигнал на вход Ain0 DA3 поступает с выхода операционного усилителя DA2, который применяются для усиления полезного сигнала, полученного с первичного преобразователя.

Шина I²C начинается с выводов 12(Р3.2) и 13(Р3.2) МП DD1. Удобства применения шины I²C очевидны - малое количество проводников и достаточно высокая скорость побитного обмена между МП и внешними устройствами, простота аппаратной реализации линий связи. Для записи и хранения результатов измерения используется микросхема электрически перепрограммируемого ПЗУ. Управление этой микросхемой происходит по шине I²C.

Выводы порта Р1 (P1.0…P1.6) МП DD1 используются для подключения клавиатуры. Управление клавиатурой осуществляется программным путем. Клавиша «Градуировка» (SB4) используется для перевода прибора в режим градуировки. Клавиши «Измерение 1» (SB2) и «Измерение 2» (SB10) переводят прибор в режим измерения дискретной и аналоговой величины соответственно. Клавиша «Чтение» (SB3) - для вывода результатов измерений на ЦОУ. Клавиши «Вперед» (SB6) и «Назад» (SB8) - для перехода к следующему или предыдущему значению результата измерения, записанного в памяти. Клавиша «Запись» (SB5) - для записи чисел в ППЗУ (используется при градуировке прибора). Клавиша «ЦИФР» (SB12) используется для переключения клавиатуры в числовой режим, то есть для использования клавиш не как функциональных, а для ввода цифр от 0 до 9 (соответственно клавиши SB2 - SB11).

После обработки и анализа полученной измерительной информации осуществляется вывод результата измерения на УОИ, реализованное на четырёх АЛ324А, которые отображаю результат в цифирном виде. Индикаторы DD13-DD16 работают под управлением дешифраторов DD9-DD12 соответственно.

Прибор подключается к компьютеру по последовательному интерфейсу RS-232 (XS3 и DD17) с использованием линий приема/передачи данных (TXD/RXD).

4. Разработка электрической принципиальной схемы источника питания

4.1 Расчет потребляемой приборам мощности

Для обеспечения функционирования прибора на его питающие выводы необходимо подать напряжение +5В. Такие питающие напряжения нужны всем электронным элементам, которые использованы при разработке электрической принципиальной схемы, что отражено в их паспортных данных. Рассчитаем суммарный ток, потребляемый прибором от источника с выходным напряжением +5В. Для этого, используя паспортные данные, определим ток, потребляемый каждой микросхемой в отдельности. Эти данные приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Токи, потребляемые микросхемами.

Микросхема	Потребляемый ток
КР1816ВЕ51	151 мА
К1609РР1 (3 шт.)	3*170 мА
HM64256	3 мА
КР58ОИР82 (2 шт.)	2*160 мА
АЛ324А (4 шт.)	4*25 мА
AD7417	600 мкА
К514ИД4 (4 шт.)	4*200 мкА
MX9002 (2 шт.)	2*240 мкА
MАX232	4 мА
АТ24С16	3 мА
Логические элементы (4 шт.)	очень мал, пренебрегаем

Суммарный ток будет равен:

(4.1.1)

Рассчитаем мощность, потребляемую прибором ():

 (4.1.2)

Так как прибор должен питаться от переменного сетевого напряжения 220В, а также от автономного источника, то в составе источника питания должны быть следующие элементы: понижающий трансформатор, диодный выпрямитель переменного напряжения, конденсатор для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, устройство, стабилизирующее напряжение на нагрузке, аккумуляторная батарея, кнопка переключения режима питания (сеть/аккумулятор), индикация состояния (светодиод).

4.2 Выбор микросхемы стабилизатора напряжения и диодного выпрямителя

По известным значениям максимального тока I = 1,093А и напряжения U = 5 В, выбираем микросхему стабилизатора напряжения DА1 К142ЕН5А, для которой максимальный ток нагрузки равен 3А, а выходное стабилизированное напряжение - (+5±0,1) В. Условное обозначение её представлено на рисунке 4.2.1:

Рисунок 4.2.1 - Условное обозначение МС К142ЕН5А

Назначение выводов МС: 1 - вход; 2 - общий; 3 - выход.

Диодный выпрямитель выбираем в виде диодной сборки КЦ410А. Его максимальный ток нагрузки равен 3А.

4.3 Расчет и выбор конденсатора для сглаживания пульсаций

В стабилизированных источниках питания конденсаторы устанавливаются на входных и выходных выводах микросхемы стабилизатора напряжения. Это делается для того, чтобы конденсатор, включаемый после диодного выпрямителя, сглаживал пульсации выпрямленного напряжения, а после микросхемы стабилизатора напряжения - для сглаживания пульсаций в нагрузке.

Величина ёмкостей конденсаторов С1 и С2, сглаживающих пульсации выпрямленного напряжения, рассчитываются по формуле:

(4.3.1)

где - ток нагрузки, А;

- напряжение пульсаций, В;

- частота переменного напряжения в сети, Гц.

Рассчитаем ёмкость конденсатора :

(4.3.2)

Выбираем стандартный конденсатор с емкостью 2200мкФ и рабочим напряжением не менее 16 В.

Конденсатор С₂ выполняет функцию фильтра, подавляющего импульсные помехи, возникающие в результате переходных процессов в цифровых микросхемах и распространяющиеся по цепям питания. Такого рода помехи могут приводить к ложному срабатыванию логических элементов и сбою в работе цифрового блока прибора. Ёмкость конденсатора С₂ подбирается экспериментально при изготовлении прибора и выполнении регулировочных работ и обычно находится в пределах от 0,01 до 0,047 мкФ. При необходимости таких конденсаторов может быть установлено несколько по одному возле каждой цифровой микросхемы.

4.4 Расчет действующего напряжения на вторичной обмотке трансформатора и выбор его по мощности

Рассчитаем действующие значения напряжений на вторичных обмотках трансформатора по следующей формуле:

, (4.4.1)

где - выходное стабилизированное напряжение микросхемы DA₁;

- входное напряжение микросхемы DA1;

U_{ВЫХ.МС =} U_ВЫХ.СТ ;

- напряжение пульсаций на входе DA1;

- прямое падение напряжения на выпрямителе VD1, равное 1В;

К - коэффициент, учитывающий понижение сетевого напряжения на заданную величину (минус 15 %).

Разность значений и для МС КР142ЕН5А равна 2,5 В.

(4.4.2)

Далее рассчитаем мощность трансформатора. Для этого необходимо просуммировать рассчитанные выше мощности в нагрузке и учесть мощность, потребляемую микросхемой DA1. Для МС К142ЕН5А мА. Тогда А.

Суммарная мощность будет равна:

S = U_д2I =8,2 1,193 = 9,7826 Вт. (4.4.3)

4.5 Разработка электрической принципиальной схемы стабилизированного источника питания

Электрическая принципиальная схема стабилизированного источника питания изображена на чертеже 00.00.001 ЭЗ.

Переменное сетевое напряжение 220 В понижается трансформатором ТU1 до напряжения ~8,2 В, затем выпрямляется диодной сборкой VD1 КЦ410А. Конденсаторы С1 и C2 сглаживают пульсацию выпрямленного напряжения. Далее выпрямленное напряжение подается на микросхемы стабилизатора напряжения DA1 и стабилитрон VD2. В данной схеме предусмотрено автономное питание от аккумулятора GB1. Переход на автономное питание производится нажатием кнопки SB2. В качестве автономного источника питания может быть использован, например, аккумулятор «ЛИКГП-10». Он имеет следующие параметры:

– номинальное напряжение - 12В;

– электрическая ёмкость - 10А/ч;

– габариты - 56,5мм32,5мм82мм.

5. Определение системных адресов элементов МПС

Системные адреса элементов, входящих в состав МПС, определяются по схеме электрической принципиальной прибора (см. чертёж 00.00.000 Э3). При этом учитываются не только сигналы, поступающие на адресные входы микросхем, но и сигналы, обеспечивающие их переход в активное состояние, а также особенности МП (имеется в нём или нет внутреннее ПЗУ, используется ли оно).

В качестве внешнего ПЗУ используется три МС K1609PP1 (DD5, DD6, DD7). Каждая имеет объем памяти 8 Кбайт. Из параметров микроконтроллера 80C31BH следует, что внутри МС не используется внутреннее ПЗУ. Адресное пространство для ячеек МС КМ1609РР1 (DD5) будет начинаться с адреса 0000h. Запишем адреса первой и последней её ячеек в двоичной и шестнадцатеричной формах (таблица 5.1).

Таблица 5.1 - Адресное пространство микросхем ПЗУ

A15	A14	A13	A12	A11	A10	A9	A8	A7	A6	A5	A4	A3	A2	A1	A0	HEX
DD5
0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	4000h
-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
0	1	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	47FFh
DD6
1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	8000h
-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
1	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	8FFFh
DD7
0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	2000h
-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
0	0	1	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	2FFFh

В качестве ОЗУ используется МС HM64256 (DD4). Эта микросхема обладает объемом памяти 32 Кбайта. Двоичные и шестнадцатеричные адреса первой и последней ячеек этой микросхемы отражены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Адресное пространство микросхемы ОЗУ

A15	A14	A13	A12	A11	A10	A9	A8	A7	A6	A5	A4	A3	A2	A1	A0	HEX
DD4
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0000h
-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	0FFFh

Определим адрес датчика АЦП К572ПВ4 (DA3) для U_А - аналоговая величина (см. электрическая принципиальная схема прибора, которая представлена на чертеже 00.00.000 Э3) и запишем в таблицу 5.3.

Таблица 5.3 - Адрес датчика К572ПВ4

A15	A14	A13	A12	A11	A10	A9	A8	A7	A6	A5	A4	A3	A2	A1	A0	HEX
DA3
1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	8000h

Системные адреса элементов, связанные в МПС шиной I²C, определяются схемой подключения их адресных входов к выводам источника питания. Адрес МС ЭППЗУ DD3 в шине I²C - 0000h.

6. Разработка блок-схем алгоритмов работы прибора

6.1 Общая блок-схема алгоритма работы прибора

В соответствии с заданием проектируемый прибор должен обеспечивать выполнение не только измерительных функций, но и переводиться в режим градуировки. Выбор требуемого режима работы осуществляется с помощью клавиш SB1 - SB10 (чертёж 00.00.000 Э3), которые для удобства пользования прибором маркируются специальными символами и надписями (рисунок 6.1.1). Прибор переходит в рабочий режим работы после подачи на него питающих напряжений от сети или от автономного источника. При этом все параметры устанавливаются в исходное состояние, и начинает выполняться основная программа, переводящая прибор в режим ожидания.

Рисунок 6.1.1 - Внешний вид электронного блока проектируемого прибора

Далее нажатие одной определенной клавиши (или нескольких клавиш в заданной последовательности) заставляет микропроцессор переключиться на выполнение соответствующей подпрограммы (рисунок 6.1.2).

Рисунок 6.1.2 - Общая блок-схема алгоритма работы прибора

На данной блок-схеме показаны основные режимы работы прибора. Блок 1 - включение питания, после чего все элементы прибора подготавливаются к работе. Блок 2 - при нажатии клавиши «Градуировка» микропроцессор переходит в режим градуировки прибора и из ПЗУ вызывается соответствующая подпрограмма(блок 3). Блок 4 - при нажатии клавиши «Измерение1» или «Измерение2» МП переключается в режим измерения уровня сыпучего материала или влажности и из ПЗУ вызывается подпрограмма для этого режима (блок 5). Блок 6 - обеспечивает требуемый интервал между измерениями. Блок 7 - выключение прибора при завершении работы с ним.

6.2 Блок-схемы алгоритмов работы прибора в различных режимах

Чтобы проектируемый прибор - рабочее средство измерения (РСИ) - стал измерительным, необходимо предусмотреть разработку специального программного обеспечения, обеспечивающего выполнение градуировочных операций. Сущность их заключается в передаче РСИ единицы измеряемой физической величины от образцового средства измерения (ОСИ). Это может быть сделано путем одновременного воздействия измеряемой величиной Х на РСИ и ОСИ (рисунок 6.2.1).

Рисунок 6.2.1 - Градуировка РСИ с использованием ОСИ

При этом на их ЦОУ появятся числа N_р и N_о соответственно, причем N_о будет действительным значением Х. Выполнив несколько таких экспериментов, по полученным числовым значениям N_р1, N_р2, N_о1 = Х₁ и N_о2 = Х₂ может быть построена графическая зависимость N_р = f(Х), которая и будет являться градуировочной характеристикой РСИ (рисунок 6.2.2).



Рисунок 6.2.2 - Градуировочная характеристика РСИ

Если зависимость N_р = f(Х) линейная, то можно записать математическое выражение для градуировочной характеристики, которое будет представлять собой уравнение прямой, проходящей через две точки А и В с известными координатами. Тогда нахождение неизвестной измеряемой величины Х_i может быть осуществлено путем решения уравнения:

, (6.2.1)

где N_рi - числовое значение, полученное с помощью РСИ при воздействии на него искомой величиной Х_i. Координаты точек и - величины известные, которые определяются при градуировке РСИ и записываются в его ППЗУ. Блок-схема алгоритма работы прибора в режиме градуировки показана на рисунке 6.2.3.

Блок 1 - с помощью этого блока задается количество точек, необходимое для проведения поверки. Блок 2 - осуществляется цикл, т.е. постепенное уменьшение значения количества точек, пока это значение не станет равным нулю. После того, как значение числа точек станет равным нулю, осуществляется выход из подпрограммы. Блок 3 - на рабочее средство измерения (РСИ) и образцовое средство измерения (ОСИ) воздействуют некоторой входной величиной . Блок 4 - при воздействии на РСИ величиной , на выходе АЦП формируется некоторое число. Значение этого числа и соответствующего ему значения ОСИ записывают при нажатии клавиши «Запись» в ПЗУ, формируя тем самым базу координат. Соответствующее значение показания ОСИ при воздействии на него величиной вводится при помощи клавиатуры.

Рисунок 6.2.3 - Блок-схема алгоритма работы прибора в режиме градуировки

Выражение (6.2.1) справедливо для линейной функции преобразования РСИ. Однако в большинстве случаев функция преобразования РСИ является нелинейной. Поэтому определение координат двух точек при его градуировке оказывается недостаточным. При градуировке РСИ с нелинейной функцией преобразования необходимо определить координаты возможно большего числа точек в диапазоне измерения величины Х и записать их значения в его ППЗУ.

Нелинейная функция преобразования может быть аппроксимирована набором прямолинейных отрезков, каждый из которых описывается выражением, аналогичным (6.2.1) (рисунок 6.2.4).

Координаты двух соседних точек позволяют составить уравнение отрезка, соединяющего эти точки.

Для отрезка АВ с учетом (6.1) уравнение прямой запишется в виде:

. (6.2.2)

Рисунок 6.2.4 - Градуировочная характеристика РСИ с нелинейной функцией преобразования

Для отрезка ВС:

. (6.2.3)

Для отрезка СD:

. (6.2.4)

Алгоритм вычисления величины Х при нелинейной зависимости N_р = f(Х) будет отличаться выполнением дополнительных операций, связанных с определением координат двух соседних точек, между числовыми значениями которых окажется измеряемая величина. Определение двух ближайших координат и осуществляется путем сравнения полученного РСИ числа и значений, зафиксированных в его ППЗУ при градуировке. Для числовых значений и в ППЗУ хранятся также соответствующие им числовые значения и . Тогда измеряемая величина Х может быть определена с помощью выражения:

. (6.2.5)

Блок-схема алгоритма вычисления измеряемой величины Х с использованием выражения (6.2.5) приведена на рисунке 6.2.5. Этот алгоритм реализуется в процессе работы прибора в режиме измерения, блок-схема которого имеет следующий вид (рисунок 6.2.6):

Рисунок 6.2.5 - Блок - схема алгоритма вычисления измеряемой величины Х



Рисунок 6.2.6 - Блок-схема алгоритма работы прибора в режиме измерения

В блоке 1 происходит предварительная запись числа наблюдений n=48 в ячейку ОЗУ. В специально зарезервированных ячейках ОЗУ будет храниться суммарный результат всех выполненных наблюдений , поэтому эти ячейки перед началом выполнения подпрограммы необходимо обнулить. В блоке 2 происходит считывание данных из АЦП. Полученное двоичное число обрабатывается в блоке 3 в соответствии с функцией преобразования для получения результата наблюдения контролируемой величины. Затем полученный результат суммируется с результатом (блок 4), после чего количество наблюдений измеряемой величины n уменьшается на 1 (блок 5). В блоке 6 делается проверка количества выполненных наблюдений. Если наблюдений выполнено меньше заданного числа n, то выполнение блоков 2-5 повторяется заново. После выполнения n=48 наблюдений в блоке 7 определяется результат измерения Х путем вычисления среднего арифметического 48 наблюдений (делится /n). Полученный результат выводится на индикаторы (блок 8). ЦОУ отображает величину Х в течение заданного временного интервала (22 секунд).

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта сделано следующее:

1) на основе анализа исходных данных разработана структурная схема прибора;

2) в соответствии со структурной схемой осуществлен подбор электронных элементов и разработана электрическая принципиальная схема прибора;

3) сделан расчёт и выбор элементов для источника питания, разработана его электрическая принципиальная схема, обеспечивающая питание прибора как от сетевого переменного напряжения 220 В, так и от автономного источника (аккумуляторной батареи);

4) на основании электрической принципиальной схемы определены системные адреса элементов микропроцессорной системы;

5) разработана общая блок-схема алгоритма работы прибора;

6) разработана блок-схема алгоритма работы прибора в режиме градуировки, обеспечивающая заданную точность прибора в процессе измерений;

7) разработана блок-схема алгоритма работы прибора в режиме измерения;

8) разработана блок-схема алгоритма определения числового значения измеряемой величины с использованием функции преобразования;

9) разработана блок-схема алгоритма статистической обработки результатов наблюдений, получения результата измерения и вывода его на цифровое отсчётное устройство в соответствии с заданным режимом;

10) составлены перечни элементов в соответствии с электрическими принципиальными схемами прибора и источника питания;

Таким образом, в результате выполнения данного курсового проекта был разработан цифровой прибор на основе микропроцессора 80С31ВН для измерения скорости перемещения и концентрации СО в воздухе. Индикация результата представляется на индикаторах АЛ342А. Прибор питается от напряжения 220В с частотой 50Гц.

Благодаря применению микропроцессора возможна коррекция погрешностей при использовании внутренних программных ресурсов прибора. Прибор имеет большие возможности в измерительной технике, так как заменой программного обеспечения и датчика можно перестроить прибор для измерения любой другой физической величины. В целом микропроцессорная техника развивается крайне интенсивно и с появлением новых, более современных микропроцессоров становится возможным создание современных средств измерения различных физических величин.

Литература

1) Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. Справочное пособие / Под редакцией В.А. Шахнова М.: Энергоиздат, 1992.

2) Конспект лекций по микропроцессорной технике / Под редакцией Афанасьева А.А. Могилев, 2002.

3) Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие / Под ред. С.В. Якубовского: 2-е изд.-М.: Радио и связь,1985. - 43 гс.:ил.

4) Гусев В.Г., Гусев Ю.В. Электроника: Учебное пособие для приборостроит. спец. узлов. - 2 - е изд., переработанное и дополненное - М.: Высшая школа. 1998 - 304 с.:ил.

5) Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., переработанное и дополненное Л.: Энергоиздат. Ленинград. отд - ние, 1998 - 304 с.: ил.

6) Федорков Б.Г. Микросхемы ЦАП и АЦП : функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоиздат, 1990 - 320 с.: ил.

7) Хоровиц П., Хил У. Искусство схемотехники. В 3-х томах . - М. : Мир, 1993.

8) Цифровые интегральные микросхемы: Справочник/М.И. Богданович, И.Н. Грель, С.А. Дубин и др. - 2 - е изд., перераб. и доп. - Мн.: Беларусь, Полымя. 1996. - 605 с. :ил.

9) Электроника: Справочная книга /Ю.А. Быстров, В.М. Великсон и др.: Под ред. Ю.А. Быстрова - СПб.:Энергоатомиздат. Санкт - Петербургское отделение.1996 - 544 с.:ил.

Размещено на Allbest.ru