Размещено на http://www.allbest.ru/

"Цифровые весы"

Оглавление

• Введение
• 1. Технико - экономическое обоснование
• 2. Анализ существующих решений
• 3. Разработка и описание структурной схемы
• 4. Разработка функциональной схемы
• 5. Расчет блоков принципиальной схемы
• 6. Выбор элементной базы
• 7. Расчет емкости аккумулятора
• 8. Разработка конструкции устройства
• 9. Работа микроконтроллера
• 10. Анализ составляющих погрешностей и их расчет
• Заключение
• Список используемой литературы

весы давление электрический микроконтроллер

Введение

Человечество столкнулось с задачей определения веса еще на ранних стадиях своего развития, и с той поры до наших дней эта проблема остается для него актуальной. Она все еще не снята с повестки для вовсе не потому, что не имеет решения - определять вес того или иного объекта, выражае его через некие общепринятые эталоны, человек умеет давно, она актуальна прежде всего потому, что хочется знать вес с наибольшей возможной точностью и получать результат взвешивания в минимально короткое время. При этом важно решить проблему с наименьшими затратами сил и средств, требующихся для достижения результата, и представить его в форме наиболее удобной для восприятия и дальнейшей обработки.

Вес человека не остается постоянным на протяжении жизни, его значение зависит от разных факторов, зная вес человека, можно судить о состоянии его здоровья. Вес может зависеть от возраста, характера деятельности, режима и качества питания, изменения климата.

Вес человека является одним из тех показателей, за которыми должен следить практически каждый человек. Поэтому, несмотря на то что вес человека индивидуален, а также то, что даже у одного и того же человека вес тела колеблется в довольно широких пределах (в среднем увеличение или уменьшение за сутки -- от ± 1 до ± 2--3 кг, за сезон -- до ± 6--7 кг), установлены определенные весовые нормативы, учитывающие возрастные, половые и другие особенности.

Значительное превышение веса - ожирение, стало выявляться все чаще и чаще, что представляет серьезную опасность. Во-первых, само по себе превышение веса увеличивает нагрузку на сердечно-сосудистую систему, способствует повышению кровяного давления, повышает вероятность возникновения гипертензии. Превышение нормального веса зачастую является симптомом развития какого-либо заболевания, связанного с нарушениями обмена веществ , деятельности эндокринной системы и т. д. Поэтому поддержание нормального веса - могут принести пользу здоровью, а также внешнему виду, помогут снизить уровень холестерина и артериального давления, уменьшить риск инсульта, сердечно-сосудистых заболеваний и диабета.

1. Технико-экономическое обоснование

В настоящее время существует множество разновидностей цифровых весов с помощью которых можно определить массу тела человека. Их стоимость колеблется от 800 рублей и до 4000 рублей.

В данном курсовом проекте разрабатываются отечественные медицинские весы достаточно высокой точности, которые позволят:

· вести статистические измерения массы тела человека, что необходимо для медицинского анализа состояния человека на протяжении большого промежутка времени,

· хранить в памяти 100 значений масс человека совместно со временем измерения,

· подключать весы к компьютеру и заносить результаты измерений в память ЭВМ,

· переносить результаты измерений на Flash память.

Так же необходимо, что бы весы имели небольшую стоимость и достаточно высокое качество.

2. Анализ существующих решений

Сегодня наиболее широко применяются весы трех основных видов: механические, электромеханические и электронные. В данном курсовом проекте рассматриваются электронные весы, которые так же делятся на несколько видов.

Основным отличием одних весов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионнизационный.

· Емкостной датчик давления

Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический. Различают емкостные датчики, действие которых основано на изменении зазора между пластинами или площади их взаимного перекрытия, деформации диэлектрика, изменении его положения, состава или диэлектрической проницаемости. Известны керамические или кремниевые емкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение емкости.

Рис.1 Емкостной преобразователь давления. В данном варианте роль подвижной обкладки конденсатора выполняет металлическая диафрагма

Достоинством чувствительного емкостного элемента является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум.

К недостатку можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

· Тензометрический метод

В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов (рис.2), принципом которых является измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые, железные и др.



Рис.2 Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента

Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.

Следует отметить принципиальное ограничение КНС преобразователя - неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе КНС, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.

К преимуществам можно отнести хорошую защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низкую стоимость.

· Резонансный датчик давления

Резонансный принцип используется в датчиках давления на основе вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках, резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора.

Частным примером может служить кварцевый резонатор (рис.3). При прогибе мембраны, происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его поляризация. В результате изменения давления частота колебаний кристалла меняется. Подобрав параметры резонансного контура, изменяя емкость конденсатора или индуктивность катушки, можно добиться того, что сопротивление кварца падает до нуля - частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают -- наступает резонанс.

Рис.3 Упрощенный вид резонансного чувствительного элемента, выполненного на кварце.

Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала.К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, не возможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

В данном курсовом проекте датчик давления будет реализован на основе тензодатчиков. Тензодатчик представляет собой упругий элемент, на поверхности которого наклонен проволочный преобразователь. В качестве преобразователя обычно применяют проволоку из константана диаметром 0,2--0,03 мм. В весоизмерительных устройствах используются тензодатчики, работающие на растяжение, сжатие и изгиб. Геометрические размеры, конструктивные и технологические особенности тензодатчиков определяются характером весовых нагрузок и задачами измерения. Конструкция тензодатчика должна надежно защищать проволочный элемент от механических повреждений и попадания влаги. Проволочные преобразователи включаются по схеме равноплечного электрического моста (рис.4). При этом они наклеиваются таким образом, чтобы одна пара проволочных преобразователей испытала деформацию вдоль оси силоизме-рительного упругого элемента. Вторая пара преобразователей находится под действием продольной деформации. Наибольшую деформацию испытывает первая пара преобразователей.

Современные тензодатчики обладают рядом преимуществ.

Высокая точность измерения. Новейшие технологии позволяют тензодатчикам достигать безупречной точности. Одним из самых распространенных является класс точности C3, что практически соответствует комбинированной погрешности 0.02%. Возможна также эксплуатация тензодатчиков с более высокими показателями точности.

Надежность материалов. Современные тензодатчики изготавливаются из качественных материалов, обеспечивающих долгий срок службы оборудования. Многие тензодатчики производятся из алюминия, нержавеющей стали и легированной стали. Особое внимание привлекают водонепроницаемые тензодатчики, изготовленные из нержавеющей стали, с классом защиты IP68..

Отдельно стоит отметить, что при изготовлении тензодатчиков используются самые современные технологии. Это позволяет сохранять работоспособность весов даже в том случае, если полностью или частично не исправен один из тензодатчиков.

3. Разработка и описание структурной схемы

Структурная схема устройства представлена на рис 5.

Рис.5 Структурная схема разрабатываемых весов

Ш Мостовая схема построенная на основе моста Уитсона. Сигнал на выходе схемы не превышает нескольких мВ. В соответствии с техническим заданием выберем тензодатчик Honeywell 26PC01.

Технические характеристики датчика Наибольший предел измерения (НПИ) - 200 кг

Напряжение на выходе мостовой схемы - 14,7 мВ

Комбинированная погрешность - ±0,03 (% от РКП) Входное сопротивление - 400±10 (Ом).

Диапазон рабочих температур - 30 ? +50 (°С)

Допустимая перегрузка в течении не более 1 часа - 125 (% от НПИ)

Разрушающая перегрузка - 200 (% от НПИ)

Ш Напряжение, с выхода моста с помощью усилителей усиливается, доводятся до нужного входного значения с помощью фильтра, и передаётся на микроконтроллер.

Ш Далее сигнал подается на АЦП, встроенный в микроконтроллер, который разбивает сигнал на цифровые отсчеты. Эти отсчеты заносятся в память вместе с информацией о пациенте, введенной с клавиатуры.

Ш С выхода микроконтроллера сигнал подается на ЖК модуль, и данные выводятся на ЖК дисплей.

Так же сигнал может передаваться на ЭВМ, где в дальнейшем можно будет работать с полученными данными. Передача информации с МК на ЭВМ и с ЭВМ на МК происходит с помощью интерфейса RS-232. Интерфейс RS -232 содержит блок преобразователей уровня, блок преобразователя кода, интерфейс шины.

4. Разработка функциональной схемы

Функциональная схема представлена на приложении 1

Аналоговая часть цифровых весов состоит из предварительного усилителя, ФНЧ, и масштабирующего усилителя. Так как величина полезного сигнала, снимаемого с выходов мостовой схемы, мала, то входной сигнал нужно усилить в большое число раз. Поэтому в разрабатываемой схеме используются два усилителя: предварительный (ПУ) и масштабирующий (МУ). Сигнал с мостовой схемы поступает на дифференциальный усилитель, который усиливает "полезный" сигнал и ослабляет синфазную составляющую. Затем сигнал подается на ФНЧ (В качестве ФНЧ используем ФНЧ Баттерворта 2-ого порядка) который пропускает спектр измерительной информации и ослабляют помехи и шумы.

Далее сигнал подается на АЦП, встроенный в микроконтроллер, который разбивает сигнал на цифровые отсчеты. Эти отсчеты заносятся в память.. С микроконтроллера сигнал поступает на ЖК-модуль, на котором результаты выводятся в виде графиков.

В ЭВМ происходит дальнейшая обработка сигнала. Передача информации с МК на ЭВМ и с ЭВМ на МК происходит с помощью интерфейса RS-232.

Произведем расчет необходимых параметров функциональной схемы. Рассчитаем общий коэффициент усиления схемы.

Напряжение на выходе мостовой схемы равно 14,7 мВ.

Так как с мостовой схемы поступает сигнал величиной 14,7 мВ, а для АЦП требуется 5В, то коэффициент усиления ( будет равен:

Так как в разрабатываемой схеме используются два усилителя, то К_у1=17, К_у2=20.

Выберем частоту среза фильтра ФНЧ , для того что ба выделить полезный сигнал необходимо избавится от помех связанных с положением пациента на весах и частотой его пульса, которая так же будет вносить помехи. Возьмем минимальную частоту помех

Рассчитаем объем памяти

Формат экрана выбираем согласно техническому заданию 16?2

Определим разрешение ЖКИ. Размер точки 0,56?01мм 0,56?0,1=0,056мм. Площадь экрана с форматом 16?2 равна 3880мм. Определим количество пикселей 3880/ 0,056= пикселей. 1 пиксель черно белого экрана, отражающий градации серого, кодируется 1 битом.

Необходимо хранить 100 изображений. Таким образом необходимая память: 100?694286=69428600 бит = 8,5 Мбайта ..

5. Расчет блоков принципиальной схемы

Расчет дифференциального усилителя

Рис.6. Дифференциальный усилитель.

Коэффициент усиления схемы определяется отношением:

Выбираем значение резисторов:

тогда:

Расчет масштабирующего усилителя



Рис.7.Схема МУ на одном операционном усилителе.

Коэффициент усиления определяется соотношением:

Найдем значения сопротивления. R6 и R5. Зададимся одним из сопротивлений

Тогда :

Расчет ФНЧ.

В качестве ФНЧ выберем ФНЧ Баттерворта второго порядка .



Рис.8. ФНЧ Баттерворта второго порядка.

Коэффициент усиления к=1, частота среза

Рассчитаем значения резисторов и конденсаторов:

R6=R5=R

C1=2C2=C

;

;

щс1=;

С=;

C1=7.1мкФ;

С2=3.05мкФ.

6. Выбор элементной базы

Выбор ОУ

В качестве опреационного усилителя выберем ОУ ОРА77 (140УД17).

Интегральная схема 140УД17 представляет собой монолитный прецизионный операционный усилитель. Он характеризуется низким напряжением смещения, высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала, низким уровнем шума и температурного дрейфа.[5]

Применяются для усиления слабых сигналов от датчиков, сопровождаемых значительным уровнем синфазных помех и наводок, в устройствах точных измерительных систем, систем автоматического регулирования и обработки информации.

Особенности:

· Напряжение смещения…………………………….не более 150мкВ

· Коэффициент подавления синфазного сигнала ……………..100дБ

· Внутренняя частотная коррекция

· Широкий диапазон напряжений питания …………….± 3…±22 В

· Высокий коэффициент усиления напряжения

· Скорость нарастания выходного напряжения ………….0,1 В/мкс

Выбор резисторов

Выберем резисторы из ряда резисторов общего назначения с металлоэлектрическим проводящим слоем, предназначенных для работы в цепях постоянного, переменного импульсирующего тока в качестве элементов навесного монтажа.[6]

В качестве резисторов выберем С2-23:

Таблица 1. Промежуточные значения номинальных сопротивлений соответствуют ряду Е24 с допуском ± 5 %.

Номинальная мощность, Вт	Диапазон номинальных сопротивлений, Ом	Размеры, мм	Масса, г, не более
		D	L	l	d
0,125	1 -3,01·106	2,0	6,0	20	0,5	0,15

Выбор конденсаторов

К вычисленному значению подходят керамические многослойные монолитные конденсаторы К-10-17-1б, предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного и импульсирующего тока [7].

Таблица 2. Номинальные значения емкостей соответствуют ряду Е24, допуски ± 5%

Номинальная емкость, мкФ	Номинальное напряжение, В	Размеры, мм	Масса, г, не более
		L	B	А
6200-0,01	20	9,0	7,1	5,0	0,8

Выбор микроконтроллера

Микроконтроллер представляет собой AT91SAM7S - это семейство Atmel микроконтроллеров со встроенной флэш-памятью с малым числом внешних выводов, в основу которых заложено 32-битное RISC ядро ARM7TDMI. Отличительными особенностями этих контроллеров является наличие встроенной высокоскоростной флэш-памяти (FLASH) и статической памяти (SRAM), большой набор периферийных узлов и модулей. Микроконтроллеры семейства AT91SAM7S являются контроллерами общего назначения.

Общие характеристики микроконтроллеров серии AT91SAM7:

производительность - 30-60 MIPS;

32/16-разрядная шина команд (ARM/THUMB);

32-разрядная внутренняя шина данных;

интерфейс USB (2.0 Full Speed, 12 ВРS);

последовательный интерфейс SPI (Master/Slave режим);

последовательный интерфейс USART (скорость обмена до 25 ВРS);

встроенный микромощный RC-генератор и модуль ФАПЧ;

четыре программируемых внешних источника тактирования;

четырехканальный 16-разрядный ШИМ-контроллер;

внутрисхемный эмулятор с коммуникационным отладочным каналом;

встроенный модуль отладки (через UART);

два или три 3-канальных 16-бит таймера/счетчика;

20-разрядный интервальный таймер (Periodic Interval Timer, PIT);

32-разрядный таймер реального времени (Real Time Timer, RTT);

10-разрядный 8/16-канальный АЦП с временем преобразования 2,6 мкс;

режимы снижения энергопотребления;

напряжение питания - 3,0...3,6 В;

диапазон рабочих температур -40-85°С.

Рисунок 9 . Структура микроконтроллера AT91SAM7S \

Выбор интерфейса

Интерфейс RS -232 содержит блок преобразователей уровня, блок преобразователя кода, интерфейс шины. [5]

На рис. 10 представлен типичный микрокомпьютерный интерфейс RS-232. Программируемая микросхема DD1 последовательного ввода осуществляет параллельно-последовательные и последовательно-параллельные преобразования данных. Микросхемы DD2 и DD3 производят сдвиг уровней для трех выходных сигналов TXD, RTS, DTR , а микросхема DD4 для трех входных сигналов RXD, CTS, DSR

Рис. 10. Типичная схема интерфейса RS-232.

Сигналы интерфейса RS-232 подразделяются на следующие классы.

Последовательные данные (например, TXD, RXD ). Интерфейс RS-232 обеспечивает два независимых последовательных канала данных: первичный (главный) и вторичный (вспомогательный). Оба канала могут работать в дуплексном режиме, т.е. одновременно осуществляют передачу и прием информации.

Управляющие сигналы квитирования (например, RTS, CTS ). Сигналы квитирования -- средство, с помощью которого обмен сигналами позволяет DTE начать диалог с DCE до фактической передачи или приема данных по последовательной линии связи.

Сигналы синхронизации (например, TC , RC ). В синхронном режиме (в отличие от более распространенного асинхронного) между устройствами необходимо передавать сигналы синхронизации, которые упрощают синхронизм принимаемого сигнала в целях его декодирования.

На практике вспомогательный канал RS-232 применяется редко, и в асинхронном режиме вместо 25 линий используются 9 линий.

Выбор ЖКИ

Результаты измерений выводятся в виде надписи на ЖКИ. Для устройства, проектируемого в данной работе, нам подойдет знакосинтезизующий индикатор типа АСМ1602К со встроенным контроллером HD44780, который осуществляет взаимодействие с управляющей системой и слежение за выводом информации.

Формат модуля ЖКИ 16*2

Габариты модуля 80*36*13,5мм

Размер точки 0,56*0,1 мм

Потребляемый ток 160мА.

Рисунок 11 -Расположение и название выводов контроллера HD44780.

· DB0…DB7 - 8 или 4 (выбирается аппаратно) линий данных;

· R/W - линия выбора операции (запись/чтение);

· RS - линия выбора регистра (регистр команд или регистр данных);

· Е - линия стробирования/синхронизации.

Кроме линий управляющей шины имеются две линии для подачи напряжения питания +5В - выходы GND и V_CC , и линия для подачи напряжения питания драйвера ЖКИ - выход V₀.

7. Расчет емкости аккумулятора

Для того что рассчитать емкость аккумулятора необходимо подсчитать суммарный ток потребляемый микросхемами.

Таблица 9 - Потребляемый ток отдельных элементов цепи

Потребляющий элемент	Потребляемый ток, мА
ОУ	3,6
Микроконтроллер	5
Микроконтроллер к ЖКИ	2,5
ЖКИ	160
Суммарный ток	171,1

Время работы должно составлять около 4 часов.

Соответственно аккумулятор необходим емкостью не менее 171,7?4=684,4 мАч. Возьмем 3 вольтовый аккумклятор CGA-S001 фирмы ENKATSU

Технические характеристики:

Описание: Литий-ионный аккумулятор;

Емкость:0 мА·ч;

Размеры внешние:,4 ?35,9 ?6,4 мм;

Вес нетто: .057 кг;

Т.к. необходимо создать напряжение 15 В, то соединим 5 таких аккумулятор последовательно. Суммарный размер питающего устройства равен: 225?180?35 мм.

8. Разработка конструкции устройства

Расчет площади печатной платы начинаем с расчета общей площади элементов.

Таблица 10 - Общая площадь элементов

Название элементов	количество	площадь, мм2
Резисторы	11	1431,9
Конденсаторы	9	1224,8
Микросхема 1407УД4	3	836,7
Микросхема AT91SAM7S	1	147,9
Микросхема МАХ232АЕРЕ	1	186
Общая площадь		4001,5

Берется коэффициент заполнения К=0,4 и рассчитывается площадь печатной платы:

Получается площадь печатной платы мм². Учитывая полученное значение площади, расположение платы в приборе и конструкцию других узлов прибора в соответствии с ГОСТ 10317-79 выбираем размер печатной платы 100 мм ?80 мм.

Исхдя из размеров печатной платы, дисплея, аккумулятора и клавитуры и весовой платформы имеем следующее соотношения размера корпуса: 600?400?100 мм. На верхней панели находится весовая платформа и ЖК-дисплей . На передней панели расположен USB- разъем. На задней панели расположен разъем для подключения сетевого питания, и разъем для подключения к ПЭВМ. Клавиатура подключается через USB- разъем. Чертеж общего вида представлен в приложении .

9. Работа микроконтроллера

Рис. 12 Алгоритм работы микроконтроллера

10. Анализ составляющих погрешностей и их расчет

Расчет погрешности дифференциального усилителя.

В качестве элементов схемы выбраны резисторы С2-23-0.125 класс 0.1, температурный коэффициент которых в интервале температур от -60 до 20 ⁰С не превышает ±75·10^-6 %/⁰С, а в интервале температур от 20 до 155 ⁰С не превышает ±25·10^-6%/⁰С

Номинальное значение напряжения на выходе усилителя U_вых=К_н·U, где К_н=17 - номинальный коэффициент усиления. Реальная функция преобразования U_вых=К_н·U+?U_см . Полагаем, что не предусмотрены регулировки коэффициента усиления, а предусмотрена лишь установка нуля усилителя перед началом измерения. Коэффициент усиления замкнутого операционного усилителя К=К₀/(1+в·К₀). Здесь К₀=1000·10³ - среднее значение коэффициент усиления разомкнутого операционного усилителя К140УД17, разброс коэффициента усиления от экземпляра к экземпляру не более ?К=1%К₀=10⁴. Коэффициент обратной связи в=R₆/R₇=680/11500=0.06. Cмещение на входе усилителя складывается из следующих составляющих:

1. смещение нуля операционного усилителя ?U₁0.03 мВ;

2. смещение нуля на выходе, обусловленное разностью входных токов, ?U₂= ±?I_вх · R₆ ·К_н=5·10^-9 ·1·1000=0.005 мВ;

3. смещение нуля на выходе, вызванное различием сопротивлений во входных цепях: к неинвертирующему входу r_вх1=R₄R₅/(R₄+R₅) =680·11500/(680+115000)=0,6 кОм; к инвертирующему входу r_вх2=R₆R₇/(R₆+R₇)=680·11500/(680+11500)=0,6*1кОм сопротивлений входных цепей ?r_вх 0; смещение на выходе ?U₃=0 мВ;

4. температурный дрейф смещения ?U₄=±?U_Т·?t=0.3·10^-6·20=0,006 мВ;

5. смещение нуля под действием температурного дрейфа разностью входных токов ?U₅ = ±?I_Т · ?t · R₆· K_н = 5 · 10^-9·20·680·25=3.4*10^-6 мкВ.

Первые три составляющие смещение нуля остаются постоянными в пределах рабочих условий и образуют погрешность установки нуля перед началом измерений ?U_уст=?U₁+?U₂+?U₃?0.03 мВ. Тогда смещение нуля в процессе измерения не превышает ?U_см=±(?U_уст+?U₄+?U₅) ?±0.036 мВ.

Составим уравнение погрешности усилителя, приведенной к выходу

.

Частные производные

, , .

Так как знаки погрешностей элементов схемы неизвестны, все частные производные принимаем положительными. Находим погрешность коэффициента обратной связи

, .

Переходим к относительной погрешности

.

Первое слагаемое - относительное значение аддитивной составляющей погрешности .

.

Второе и третье слагаемые - погрешность крутизны преобразования (коэффициента усиления):



Приведенная погрешность в конце шкалы (U=U_мах)

.

Расчет погрешности масштабирующего усилителя.

Рассчитаем погрешности МУ. В данном случае используется та же марка ОУ, что и для ПУ (140УД17). Основные характеристики ОУ приведены ранее. В качестве элементов схемы выберем прецизионные металлодиэлектрические резисторы C2-36 с допуском ±1%, температурный коэффициент б которых в интервале температур от -60 до 155°С не превышает ±25·10^-6 1/°С.[1]

Номинальные значения сопротивлений, соответствующие ряду Е24: ; ; .

Номинальное значение напряжения на выходе усилителя:

,

где - номинальный коэффициент усиления.

.

Реальная функция преобразования:

.

Коэффициент усиления замкнутого операционного усилителя определяется по следующей формуле:

,

где - значение коэффициента усиления разомкнутого операционного усилителя; в - коэффициент обратной связи.

Рассчитаем аддитивную погрешность МУ. Она представляет собой смещение на выходе усилителя и складывается из следующих составляющих:

1) смещение нуля операционного усилителя: ;

2) смещение нуля на выходе, обусловленное разностью входных токов:

;

3) смещение нуля на выходе, вызванное различием сопротивлений во входных цепях: к первому (инвертирующему) входу подключено сопротивление

;

;

4) температурный дрейф смещения:

;

5)смещение нуля под действием температурного дрейфа разности входных токов:

.

Среднеквадратическое отклонение систематической погрешности нуля:

.

Первые три составляющие смещения нуля остаются постоянными в пределах рабочих условий и могут быть частично устранены установкой нуля перед началом измерения. Предположим, что погрешность установки нуля составляет не более . Тогда смещение нуля в процессе измерения не превышает:

.

Аналогичным образом, как и для ПУ, запишем уравнение для погрешности усилителя, приведенной к выходу:

Найдем погрешность коэффициента обратной связи г_в. Она складывается из:

1) разброса значений сопротивлений цепи обратной связи в пределах нормальных условий (при t=20 ⁰С): ;

2) температурных изменений сопротивлений цепи обратной связи:

Общая погрешность коэффициента обратной связи:

Мультипликативная погрешность замкнутого усилителя, обусловленная погрешностью прямой цепи, составляет:

Полная погрешность коэффициента усиления каскадов равна:

.

Среднеквадратическое отклонение мультипликативной погрешности определяется:

.

Перейдем к относительной погрешности:

.

; .

Приведенная погрешность в конце шкалы ()

.

Оценим относительную погрешность младшего значащего разряда при квантовании сигнала:

Итак, суммарная погрешность прибора складывается из относительных погрешностей дифференциального усилителя, масштабирующего усилителя и ФНЧ и относительной погрешности МЗР.

Погрешность в микроконтроллере можно не учитывать, т.к. она очень мала. Погрешность фильтра примем равной 0.1%

Заключение

В данном курсовом проекте были разработан весы для измерения массы тела человека, удовлетворяющий всем техническим требованиям.

В ходе проектирования были разработаны и рассчитаны структурная, функциональная и принципиальная схемы устройства, произведён расчет всех составляющих погрешности.

Полученный прибор обладает достаточно высокой точностью. Использование микроконтроллера позволяет увеличить функциональные возможности устройства. Результаты измерений выводятся в виде знаковой информации на ЖКИ . Предусмотрена возможность сопряжения с ЭВМ.

Список используемой литературы

1. И.А.Латфуллин, Г.М.Тептин, С.В.Контуров.Сравнительный анализ погрешностей в аналоговой и компьютерной электрокардиографии. - Вестник аритмологии. - 1999 - № 13 - с. 54-58.

2. Г. А. Садовский. Основы теории погрешностей измерительных устройств: Учебное пособие. Рязань: РРТИ, 1981. - 84с.

3. П. Гарет. Аналоговые устройства для микропроцессоров и мини ЭВМ. - М.: Мир, 1981. - 260 с.

4. Э.Т.Романычева. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА.Справочник. - М.: Радио и связь, 1989. - 448 с.

5. С.В.Якубовский. Цифровые и аналоговые микросхемы. - М.: Радио и связь, 1990. - 495 с.

6. И.И. Четвертков, В.М. Терехов. Резисторы. Справочник. -2-е изд. М.: Радио и связь, 1991. - 528с.

7. И.И. Четвертков, М.Н. Дьяконов. Конденсаторы. Справочник. - М.: Радио и связь, 1993. - 392с.

8. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1 - М.: Мир, 1998. - 424с.

9. Операционные усилители и компараторы. Справочник. Том 12. М.: Додека-XXI, 2001. - 560с.

10. Триполитов С.В. Микосхемы, диоды, транзисторы.Справочник. - М.: Машиностроение, 1994. - 383с.

Размещено на Allbest.ru