Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П. О. СУХОГО

Факультет автоматизированных и информационных систем

Кафедра "Промышленная электроника"

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к комплексному курсовому проекту

на тему: "Расходомер на основе электромагнитного датчика расхода"

Гомель 2011

Введение

В последние годы в микроэлектронике бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных микроконтроллеров, которые предназначены для "интеллектуализации" оборудования различного назначения. ОЭВМ представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя все составные части микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование микроконтроллеров в системах различного назначения обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при низкой стоимости. К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальные ЭВМ.

На сегодняшний день имеется несколько десятков различных типов микропроцессорных наборов и однокристальных микроЭВМ, отличающихся разрядностью, системой команд, быстродействием, потребляемой мощностью, номиналами питания и т. д.

Уровень является одним из важных параметров в ряде технологических процессов. Условия измерения самые разнообразные - кипящие жидкости при высоких давлениях и температурах (барабаны энергоблоков, выпарные установки и др.), агрессивные жидкости (кислоты, щелочи, жидкий хлор и др.), неагрессивные жидкости.

Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной плоскости, принятой за начало отсчета. Средства измерения уровня называют уровнемерами.

Измерение уровня - довольно распространенный измерительный процесс в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Иногда по результатам измерения уровня судят об объемном количестве вещества, содержащегося в резервуарах. При выборе уровнемера необходимо учитывать такие физические и химические свойства материала, как температура, абразивные свойства, вязкость, электрическая проводимость, радиоактивность, химическая агрессивность и т.д. Кроме того, следует принимать во внимание рабочие условия в резервуаре или около него: давление, вакуум, нагревание, охлаждение, способ заполнения или опорожнения (пневматический или механический) резервуара, наличие мешалки, огнеопасность и взрывоопасность.

Как и все средства измерений, уровнемеры состоят из совокупности измерительных преобразователей и вспомогательных устройств, необходимых для осуществления процесса измерения.

Первичный преобразователь (датчик) воспринимает измеряемую величину - уровень - и преобразует ее в выходной сигнал, поступающий на последующие преобразователи, или в показания, отсчитываемые по шкале уровнемера.

Измерение уровня жидкости играет важную роль при автоматизации технологических процессов.

За последние несколько лет происходило быстрое совершенствование средств измерения уровня. Внедрялись более надежные электронные системы, лишенные дрейфа. Одним из значительных факторов повышения воспроизводимости измерений является наличие элементов электроники.

1. Обзор методов решения поставленной технической задачи.

Измерение расхода жидкостей, газов, паров.

Наиболее широко применяющиеся приборы для измерения веществ , протекающие по трубопроводам , можно разделить на следующие группы :

-расходомеры переменного перепада давления;

- расходомеры постоянного перепада давления;

-электромагнитные расходомеры;

-счётчики;

-другие.

Расходомеры переменного перепада давления

Расходомеры переменного перепада давления основаны на зависимости от расхода перепада давления , создаваемого устройством , которое установлено в трубопроводе , или же самим элементом последнего.

В состав расходомера входят: преобразователь расхода, создающий перепад давления ; дифференциальный манометр, измеряющий этот перепад и соединительные (импульсные) трубки между преобразователем и дифманометром. При необходимости передать показания расходомера на значительное расстояние к указанным трём элементам добавляются ещё вторичный преобразователь , преобразующий перемещение подвижного элемента дифманометра в электрический и пневматический сигнал , который по линии связи передаются к вторичному измерительному прибору. Если первичный дифманометр (или вторичный измерительный прибор) имеет интегратор , то прибор измеряет не только расход , но и количество прошедшего вещества.

В зависимости от принципа действия преобразователя расхода данные расходомеры делятся на шесть самостоятельных групп :

- расходомеры с сужающими устройствами;

- расходомеры с гидравлическим сопротивлением;

- центробежные расходомеры;

- расходомеры с напорным устройством;

- расходомеры с напорным усилителем;

- расходомеры ударно-струйные.

Рассмотрим подробнее расходомеры с сужающим устройством , так как они получили наибольшее распространение в качестве основных промышленных приборов для измерения расхода жидкости ,газа и пара. Они основаны на зависимости от расхода перепада давления , создаваемого сужающим устройством , в результате которого происходит преобразование части потенциальной энергии потока в кинетическую.

Имеется много разновидностей сужающих устройств. Так на рисунке 1.1 а и б показаны стандартные диафрагмы , на рисунке 1.1 в - стандартное сопло , на рисунке 1.1 г, д , е - диафрагмы для измерения загрязнённых веществ - сегментная , эксцентрическая и кольцевая. На следующих семи позициях рисунка 1.1 показаны сужающие устройства , применяемые при малых числах Рейнольдса (для веществ с большой вязкостью); так , на рисунке 1.1 ж , з , и , изображены диафрагмы - двойная , с входным конусом , с двойным конусом , а на рисунке 1.1 к , л, м , н -сопла-полукруга , четверть круга ,комбинированное и цилиндрическое.

Рисунок 1.1-Разновидности сужающих устройств.

На рисунке 1.1 о изображена диафрагма с переменной площадью отверстия , автоматически компенсирующая влияние изменения давления и температуры вещества. На рисунке 1.1 н , р , с , т приведены расходомерные трубы - труба Вентури , сопло Вентури , труба Далла и сопло Вентури с двойным сужением. Для них характерна очень маленькая потеря давления.

Разность давлений до и после сужающего устройства измеряется дифманометром. В качестве примера рассмотрим пинцип действия прибора 13ДД11.

Принцип действия преобразователей разности давлений 13ДД основан на пневматической силовой компенсации. Схема прибора представлена на рисунке 1.2. В плюсовую 2 и минусовую 6 полости преобразователя , образованные фланцами 1,7 и мембранами 3,5 , подводиться давление. Измеряемый перепад давления воздействует на мембраны , приваренные к основанию 4.Внутренняя полость между мембранами заполнена кремниорганической жидкостью.

Рисунок 1.2-Схема прибора 13ДД.

Под давления воздействием мембраны поворачивают рычаг 8 на небольшой угол относительно опоры -упругой мембраны вывод 9. Заслонка 11 перемещается относительно сопла 12 ,питаемого сжатым воздухом . При этом сигнал в линии сопла управляет давлением в усилителе 13 и в сильфоне отрицательной обратной связи 14. Последний создает момент на рычаге 8 , компенсирующий момент , возникающий от перепада давления. Сигнал , поступающий в сильфон 14 , пропорциональный измеряемому перепаду давления , одновременно направляется в выходную линию преобразователя. Пружина корректора нуля 10 позволяет устанавливать начальное значение выходного сигнала , равное 0.02 МПа. Настройка преобразователя на заданный предел измерения осуществляется перемещением сильфона 14 вдоль рычага 8. Измерительный пневманические преобразователи других модификаций выполнены аналогично.

Расходомеры постоянного перепада давления

Принцип их действия основан на восприятии динамического напора контролируемой среды , зависящего от расхода, чувствительным элементом ,помещенным в поток. В результате воздействия потока чувствительный элемент перемещается , и величина перемещения служит мерой расхода .

Приборы , работающие на этом принципе- ротаметры(См. рисунок 1.3).

Рисунок 1.3- Ротаметр

Поток контролируемого вещества поступает в трубку снизу вверх и увлекает за собой поплавок , перемещая его вверх , на высоту Н. При этом увеличивается зазор между ним и стенкой конической трубки , в результате уменьшается скорость жидкости (газа) и возрастает давление над поплавком.

На поплавок действует усилие снизу вверх:

(1.1)

и сверху вниз

(1.2)

где Р1,Р2-давление вещества на поплавок снизу и сверху; S-площадь поплавка; q- вес поплавка.

Когда поплавок находится в состоянии равновесия G1=G2 ,следовательно:

, (1.3)

так как q/S=const , значит :

=сonst ,поэтому такие приборы называют расходомерами постоянного перепада давления.

При этом объемный расход может быть рассчитан по формуле:

(1.4)

где Fc - площадь сечения конической трубки на высоте h,;

F- площадь верхней торцевой поверхности поплавка,;

р- плотность измеряемой среды, ;

с- коэффициент ,зависящий от размеров и конструкции поплавка.

Ротаметры со стеклянной трубкой применяются только для визуальных отсчётов расхода и лишены устройств для передачи сигнала на расстояние.

Ротаметр не следует устанавливать в трубопроводах , подверженным сильным вибрациям. Длина прямого участка трубопровода перед ротаметром должна быть не менее 10Ду , а после него - не менее 5Ду.

Электромагнитные расходомеры

В основе электромагнитных расходомеров лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем , подчиняющееся закону электромагнитной индукции.

Рисунок 1.4- Электромагнитный расходомер

Рисунок 1.5- Промышленные электромагнитные расходомеры

Основное применение получили такие электромагнитные расходомеры , у которых измеряется ЭДС , индуктируемая в жидкости , при пересечении ею магнитного поля. Для этого (См. рисунок 1.4) в участок 2 трубопровода , изготовленного из немагнитного материала , покрытого изнутри неэлектропроводной изоляцией и помещённого между полюсами 1 и 4 магнита или электромагнита , вводятся два электрода 3 и 5 в направлении , перпендикулярном как к направлению движения жидкости , так и к направлению силовых линий магнитного поля. Разность потенциалов Е на электродах 3 и 5 определяются уравнением:

(1.5)

где В - магнитная индукция;

D- расстояние между концами электродов , равное внутреннему диаметру трубопровода;

v и Q0- средняя скорость и объёмный расход жидкости.

Таким образом , измеряемая разность потенциалов Е прямо пропорциональна объёмному расходу Q0. Для учета краевых эффектов , вызываемых неоднородностью магнитного поля и шунтирующим действием трубы , уравнение умножается на поправочные коэффициенты км и ки , обычно весьма близкие к единице.

Достоинства электромагнитных расходомеров : независимость показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества , возможность применения в трубах любого диаметра , отсутствие потери давления , линейность шкалы , необходимость в меньших длинах прямых участков труб , высокое быстродействие , возможность измерения агрессивных , абразивных и вязких жидкостей. Но электромагнитные расходомеры неприменимы для измерения расхода газа и пара , а также жидкостей диэлектриков , таких как спирты и нефтепродукты. Они пригодны для измерения расхода жидкостей , у которых удельная электрическая проводимость не менее .

Счётчики

По принципу действия все счётчики жидкостей и газов делятся на скоростные и объёмные .

Скоростные счётчики устроены таким образом , что жидкость , протекающая через камеру прибора ,приводит во вращение вертушку или крыльчатку, угловая скорость которых пропорциональна скорости потока , следовательно , и расходу.

Объёмные счетчики устроены следующим образом: поступающая на прибор жидкость (или газ) измеряется отдельными , равными по объёму дозами , которые потом суммируются .

2. Разработка и выбор функциональной схемы устройства.

Датчик электромагнитного расходомера состоит из катушки индуктивности с сердечником , создающей магнитное поле , и электродов , вмонтированных в трубу , с которых снимается полезный сигнал. Для разработки структурной схемы необходимо рассмотреть векторную диаграмму токов и напряжений датчика. Схема замещения реальной катушки индуктивности представлена на рисунке.2.1, где:

Рисунок 2.1- Схема замещения реальной катушки индуктивности

Rm - активное сопротивление обмотки катушки индуктивности

r - сопротивление, учитывающее потери в стали

Построим для этой схемы векторную диаграмму токов и напряжений. Векторная диаграмма токов и напряжений представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2- Векторная диаграмма токов и напряжений

На диаграмме изображён сигнал , снимаемый с электродов Uэ и представляющий собой сумму двух сигналов: полезного сигнала Uпол и трансформаторной ЭДС Uтр.

Эквивалентная схема подключения электродов датчика для снятия информационного сигнала изображена на рис.2.3

Рисунок 2.3- Схема подключения датчика для снятия информационного сигнала

Для этой схемы должно выполняться условие: входное сопротивление измерительного усилителя должно быть на несколько порядков выше сопротивления датчика.

Сигнал, снимаемый с электродов содержит в себе полезную составляющую которая описывается формулой:

(2.1)

где - магнитная индукция

- расстояние между электродами

- скорость потока и трансформаторной ЭДС

 (2.2)

где - площадь контура образуемого подводящими проводниками, находящимися в магнитном поле

- частота магнитного поля пронизывающего движущийся поток жидкости.

На рисунке 2.4 представлена примерная структурная схема расходомера на основе электромагнитного датчика расхода.

Рисунок 2.4- Структурная схема расходомера на основе электромагнитного датчика расхода

ГСК -генератор синусоидальных колебаний;

ИП - источник питания;

ПНТ- преобразователь напряжение - ток;

Инд - индуктор;

Э1,Э2 - электроды;

Ус- усилитель;

ПТН - преобразователь ток-напряжение;

ФСУ - фазосдвигающее устройство;

ФУН- формирователь управляющего напряжения;

ФЧВ- фазочувствительный выпрямитель;

Ф-фильтр;

МК- микроконтроллер;

УИ- устройство индикации;

Кл - клавиатура.

Описание предполагаемой работы устройства

С генератора синусоидальных колебаний через преобразователь напряжение - ток сигнал подаётся на индуктор , который отвечает за создание рабочего магнитного потока. Индуктор представляет собой две катушки индуктивности. При подаче на катушки тока возбуждения создается магнитное поле, которое наводит в электропроводной жидкости, движущейся в трубе, ЭДС. Значение ЭДС, пропорциональное скорости движения жидкости, а, значит, и расходу, снимается с двух измерительных электродов, расположенных напротив друг друга в диаметральной плоскости трубы.

Полезный сигнал ,снятый с двух электродов датчика, усиливается и поступает на фазочувствительный выпрямитель; также на него подаётся прямоугольный сигнал с с индуктора через преобразователь ток-напряжение, фазосдвигающее устройство и формирователь управляющего напряжения.

Далее сигнал отфильтровываем ,делая его таким образом пригодным для дальнейшей его обработки АЦП, который необходим чтобы преобразовать аналоговые показания с датчика в двоичный код. Микроконтроллер производит обработку получаемой информации, вычисляет необходимые значения функций :скорости потока , накопленный расход и регистрирует моторное время и расход , пересылает при необходимости информацию на ПК, выводит данные на полупроводниковые индикаторы.

Клавиатура включает в себя 4 переключателя для выбора аналоговых каналов; переключатель режима работы МКС кнопку "Сброс", при нажатии на которую производится сброс МК.

Через интерфейс ИРПС происходит передача информации с микроконтроллера в центральный компьютер.

Блок питания предназначен для питания элементов схемы.

При этом диапазон измерения расхода 1,0...10 м³/с, на электродах допустимо напряжение поляризации, имеющее характер медленного дрейфа, не более 100 мВ, при эксплуатации температура медных обмоток индуктора может изменяться в диапазоне 0...150°С, номинальное сопротивление "меди" обмоток проводов (при 20°С) равно 30 Ом.

Расходомер должен производить 10 измерений в секунду и находить среднее значение, индицировать скорость потока (м/с), расход (м³/час), накопленный расход (м³), моторное время (текущее время с момента начала работы).Основная приведенная погрешность расходомера не должна превышать 2%.Рабочий температурный диапазон 0...60°С.Дополнительная погрешность расходомера не должна превышать 0,5% при изменении температуры окружающего воздуха на 10°С во всем рабочем диапазоне.

3. Разработка принципиальной схемы устройства

3.1 Разработка аналоговой схемы

3.1.1 Генератор синусоидальных колебаний

Генератор синусоидальных колебаний предназначен для питания электромагнитного датчика (рисунок 3.1)

Рисунок 3.1 - Схема генератора синусоидальных колебаний

Для нахождения необходимой амплитуды генератора по данным Т3 (технического задания) необходимо падение напряжения на датчике, т. Выходного напряжения генератора.

Дано: I_g и Z_g.

U_г= I_g* Z_g= I_g(R_м+R_п//jX_l); (3.1)

U_г=10*10^-3*(100+)= 10*10^-3*(100+)=

100*10^-3*(0.0049+j49.99)=0.00049+j4.999=4.99e^j89.99;

Схема генератора дана на рисунке 3.1. Он реализован с использованием последовательно - параллельной фазосдвигающей цепи[2]. Элементы R-C.

В качестве нелинейного элемента, обеспечивающий баланс амплитуд(устойчивою работу) используются диоды VD1, VD2. Транзисторы VT1, VT2 включенные как эмитторные повторители, необходимы для усиления входного тока генератора.

Частота генератора находится из след соображений [2]

(3.2)

где RC - элементы последовательно - параллельной фазосдвигающей цепи.

Резисторы R₁ , R₂ обеспечивают необходимый коэффициент усиления.

Если на выходе генератора задано напряжение U_г , то на инвертирующий вход подается напряжение, через делитель R₂ , R₁ U_г-U_д ,

где U_д падение напряжения на открытом диоде. Тогда для обеспечения баланса амплитуд необходимо, чтобы выполнялось равенство:

U⁺=U^-; (3.3)

(3.4)

У ОУ общего применения Максимальный ток в нагрузке не более: I_оу= 5 мА. Если потребляемый ток больше I_оу, то находим коэффициент усиления по току в, для транзисторов VT1,VT2.

(3.5)

Максимальное напряжение U_кэ для этих транзисторов должно быть больше чем 2E_п. U_кэ30В. Полоса пропускания ОУ должна быть больше чем - рабочая частота возбуждения датчика.

I_м= 10мА; 125600с^-1; U_г=5В;

Находим:

0.000007961; (3.6)

Задаемся R=10кОм, находим С:

(3.7)

Выбираем резисторы [6] R₃ , R₄ - металлодиэлектрические С2-29В:

R₃ - C2-29 - 0.62Вт - 10 кОм ±0.1%-A

R₄ - C2-29 - 0.62Вт - 10 кОм ±0.1%-A

Выбираем конденсаторы [7] C₁, C₂ с с полиэтилентерофталатным диэлектриком с фольговыми обкладками:

C₁ - К73 - 15 - 100В - 0.806нФ ±5%

C₂ - К73 - 15 - 100В - 0.806нФ ±5%

В качестве диодов выбираем [8] универсальный импульсный:

КД 521А: U_обр.= 75В, I_пр. max=0.05 A, I_обр.max=1 мкА, F_dmax=100000 кГц.

Находим отношение резисторовR₂/R₁:

(3.8)

R₂=1.58 R₁; (3.9)

Зададимся R₁=10кОм, тогда R₂=15.8кОм. Выбираем[6]:

R₁- C2-29 - 0.62Вт - 10 кОм ±0.1%-A;

R₂- C2-29 - 0.62Вт - 15.8 кОм ±0.1%-A

По справочнику [4] подбираем пару комплиментарных транзисторов, имеющих близкие параметры :

Таблица 3.1- Предельные электрические параметры оконечных транзисторов

Параметры	КТ973А (n-p-n)	КТ972А (p-n-p)
|Uкэмакс|, В	60	?60
Iкмакс, А	4	4
Ркмакс, Вт	8	8
h21Э	750	750
Тпмакс, ъ С	150	150

Согласно рисунку 3.1, это будут транзисторы VT1 (КТ973А) и VT2 (КТ972А).

В качестве ОУ Выбираем микросхему К544УД2 А [10]:

Номинальное напряжение питания - 15 В 10 %;

Максимальное выходное напряжение при U_п= 15 В - 10 В;

Напряжение смещения нуля при U_п= 15 В, U_вых= 0,02 В - 30 мВ;

Средний входной ток при U_п= 15 В, U_вых= 0,02 В - 0,1 нА;

Разность входных токов при U_п= 15 В, U_вых= 0,02 В - 0,1 нА;

Коэффициент усиления напряжения при U_п= 15 В, U_вых= 4 В, R_н=2 кОм - 20000;

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений - 70 дБ;

Средний температурный дрейф напряжения смещения нуля при U_п= 15 В, U_вых= 0,02 В - 50 мкВ/ ° C;

Частота единичного усиления при U_п= 15 В, U_вых= 0,02 В - 15 МГц;

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения при U_п= 15 В, U_вых=-10 В, U_вх=-10 В - 20 В/мкс;

Входное сопротивление - 1 · 10¹¹ Ом.

3.1.2 Источник питания индуктора

Синусоидальный сигнал с амплитудой напряжения 5 В и частотой 50 Гц выходит с генератора синусоидального напряжения.

Рис.3.1.2 Принципиальная схема преобразователя

В данной схеме используем резисторы:

R5- МЛТ-0,125-1кОм±5%

R6- МЛТ-0,125-1кОм±5%

R7- МЛТ -0,25- 100 кОм±5%.

R8- МЛТ-0,125-56 Ом±5%.

Выбираем по справочнику [4] операционный усилитель К140УД17Б.

По справочнику [4] подбираем пару комплементарных транзисторов, имеющих близкие параметры :

Таблица 3.2 Предельные электрические параметры оконечных транзисторов

Параметры	КТ973А (n-p-n)	КТ972А (p-n-p)
|Uкэмакс|, В	60	?60
Iкмакс, А	4	4
Ркмакс, Вт	8	8
h21Э	750	750
Тпмакс, ъ С	150	150

Согласно рис.3.1.6, это будут транзисторы VT1 (КТ973А) и VT2 (КТ972А).

3.1.3 Электромагнитный датчик

Схема электромагнитного датчика приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Схема электромагнитного датчика

На схеме даны следующие обозначение:

Rм=30 Ом - сопротивление меди;

Rп=300 кОм - сопротивление потерь;

L=Т?Rм=210 мГн - индуктивность обмотки возбуждения;

Х_L =2р?f?L - сопротивление обмотки возбуждения;

Х_L =2?3.14?50?210=66 Ом;

Eп - питающее синусоидальное напряжение частотой 50 Гц;

Uвых - выходное напряжение датчика;

Ксв - коэффициент связи ;

I - входной ток обмотки возбуждения;

I_L - ток индуктивности создающий магнитный поток в датчике;

Выходное напряжение электромагнитного датчика описывается следующим образом:

(3.14)

где

Е- напряжение, снимаемое с электродов;

В- индукция магнитного поля в жидкости;

v- скорость потока в сечении, проходящую через ось электродов;

d- диаметр проходного отверстия (расстояние между электродами).

Рассчитаем максимальную и минимальную скорость потока, исходя из расхода:

(3.15)

(3.16)

(3.17)

Рассчитаем максимальное и минимальное выходное напряжение электромагнитного датчика:

(3.18)

(3.19)

По эквивалентной схеме требуется рассчитать диапазон изменения выходных напряжений датчика Щ_ВЫХ=jKсв Э_L

Для нахождения тока I и I_L воспользуемся схемой, приведённой на рисунке 3.3, тогда входной ток I будет равен:

Э=?; (3.20)

Фазовый сдвиг тока I относительно питающего напряжения ? будет иметь вид:

ц_I=arctg- arctg; (3.21)

Ток через индуктивность I_L будет равен:

Э_L=Э•Rп//jX_L•=;

Э_L=;

а фазовый сдвиг тока I_L относительно напряжения имеет вид:

ц_IL= - arctg; (3.22)

Тогда согласно функциональной схеме, фазовый сдвиг между током I и I_L будет равен:

б= ц_I- ц_IL= ; (3.23)

Э=?,

где Е=10мВ (См. п.п 3.1.3)

мA

Диапазон выходных напряжений Uвых равен:

Щ_вых= Э_L jKсв; (3.24)

Фазовый сдвиг, необходим для получения управляющих напряжений, синфазных с выходным равен:

ц_ФСУ=90°+б= 90°+0,014°=90,014°; (3.25)

3.1.4 Разработка усилителя

Усилитель переменного напряжения необходим для нормальной работы фазочувствительного выпрямителя. Схема усилителя приведена на рисунке 3.4 .

Рисунок 3.4 - Усилитель переменного напряжения

Для расчёта коэффициента усиления усилителя необходимо найти диапазон изменения выходного напряжения датчика.

Uвых=КсвI_L (3.26)

Зададимся значением коэффициента связи 0?0.3 В/А, найдём ток Э_L

(3.27)

E=0.01?0.025?10=2.5 mB

Il=0.034?e^-j65.6мA

Uвых=0,30,089=0,0103мВ. (3.28)

Задаёмся коэффициентом усиления усилителя K=2000. Выбираем усилитель АD620А [10].

Диапазон питания …………………………………..….± 2,3 В до ± 18 В;

Внутренняя мощность рассеивания ……………………….….. 650 мВт;

Дифференциальное входное напряжение ………………………..±25 В;

Температурный диапазон (Q)………………………….-65?C to +150?C;

Температурный диапазон (N, R)……………………….-65?C to +125?C;

Рабочий ток ……………………………………………..…………1,3 мА ;

Максимальное напряжение смещения…….……………….…….. 50 мкВ;

Максимальный дрейф на входе…………………………… 0,6 мкВ / ° C;

Максимальный входной ток смещения…………………………. 1,0 нА;

Низкий уровень шума

Коэффициент усиления данного усилителя задаётся выражением:

Кус= +1 (3.29)

ОткудаKyc=49.4k/2000= 24,7 Ом

Из [6] выбираем резистор:

Ru=C2-29B-0.062B-24.7Om±0.1% - A

Резисторы Rc необходимы для обеспечения путей прохождения входного тока ОУ, которые не более 2 нА. Два резистора необходимы для симметрирования входа ОУ. Полоса пропускания усилителя по уровню 3 дБ равна 12 кГц. Резистор Rс выбираем [6] равным 10 кОм.

Rс - C2-33 - 0.125Вт - 10 кОм ±5%-Г.

3.1.5 Разработка преобразователя ток-напряжение

Схема преобразователя ток - напряжение приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.5 -Преобразователь ток-напряжение.

Выходное напряжение этой схемы будет равно U_вых=i_вх?R5 . Транзисторы VT1, VT2 необходимы для усиления выхода ОУ по току. Выходной ток схемы -это ток через датчик. Зададимся выходным напряжением равным U_вых , тогда резистор R_ос будет:

(3.30)

Uвых=0?10 В ,причём 10 В соответствует скорости 10 м/c.

Мощность выделяемая на резисторе будет равна.

Р=I²?R5=(?40=2.5Вт (3.31)

Выбираем [6] металлодиэлектрический резистор общего применения

R5 - C2-29 - 2.5Вт - 40.2Ом ±0.5% - Г.

В качестве микросхемы ОУ выбираем К544УД 2А[10].

Номинальное напряжение питания ……………………… ±15 В± 10 %;

Максимальное выходное напряжение при U_п= ±15 В ………... ?±10 В;

Напряжение смещения нуля при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В …. ?30 мВ;

Средний входной ток при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В ………… ?0,1 нА;

Разность входных токов при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В ……… ?0,1 нА;

Коэффициент усиления напряжения при U_п= ±15 В, U_вых= ±4 В, R_н=2 кОм …………………………………………………..………. ?20000;

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений … ?70 дБ;

Средний температурный дрейф напряжения смещения нуля при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В………………………………………………. ?50 мкВ/ ° C;

Частота единичного усиления при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В ……. ?15 МГц;

Максимальная скорость нарастания выходного напряженияпри U_п= ±15 В, U_вых=?10 В, U_вх=?10 В ………………………………………… ?20 В/мкс;

Входное сопротивление …………………………………. ?1 · 10¹¹ Ом.

По справочнику [4] подбираем пару комплиментарных транзисторов, имеющих близкие параметры :

Таблица 3.1- Предельные электрические параметры оконечных транзисторов

Параметры	КТ973А (n-p-n)	КТ972А (p-n-p)
|Uкэмакс|, В	60	?60
Iкмакс, А	4	4
Ркмакс, Вт	8	8
h21Э	750	750
Тпмакс, ъ С	150	150

Согласно рисунку 3.5, это будут транзисторы VT1 (КТ973А) и VT2 (КТ972А).

3.1.6 Разработка фазосдвигающего устройства

Схема фазосдвигающего устройства приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.6 - Схема фазосдвигающего устройства

При одинаковых резисторах R6=R7=R8, передаточная функция данного уравнения имеет вид [м/у 2681].

W(p)=?(1?pT/1+pT) (3.32)

где T=R₃C, тогда комплексный коэффициент передачи будет равен:

W(jщ)= ?(1? jщ T/1+ jщ T) (3.33)

б? аргумент ц_ФСУ :

ц=arctgщRC+180°

Из условия известно, что X_L= 66 Ом, R_П=300 кОм.

Угол б между током датчика и током индуктивности равен:

Таким образом фазосдвигающее устройство должно обеспечить фазовый сдвиг б+90°=90, 014°,

Т.е.: ц_ФСУ =90, 014°= -2arctgщRC+180°; (3.34)

или2arctgщR7C3=89,986°;

щR7C3=tg(89,986/2)= tg44,993=0,854;

имея частоту щ=314 (50Гц), рассчитываем R7С3=0,854/314=2.72?10^-3 ;

Задаваясь значением конденсатора С3=10 нФ, вычисляем значение сопротивления R7: R7=2.7210^-3/10?10^-9=0.272 МОм;

Выбираем значение конденсатора С3[7]: С3 - К73-15 100В-10нФ±5%;

Выбираем значение резистора R3 [6]:

R7 - С2 -29В-0,062Вт-274 кОм±0,1%-А;

Выбираем значение резисторов R6, R8 по 10 кОм:

R6 - С2 -29В-0,062Вт-10 кОм±0,1%-А;

R8 - С2 -29В-0,062Вт-10 кОм±0,1%-А.

Выбираем DA4[10] -ОУ типа К544УД2А

Номинальное напряжение питания …………………… ±15 В± 10 %;

Максимальное выходное напряжениепри U_п= ±15 В ……… ?±10 В;

Напряжение смещения нуля при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В…. ?30 мВ;

Средний входной ток при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В ……… ?0,1 нА;

Разность входных токов при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В …… ?0,1 нА;

Коэффициент усиления напряжения при U_п= ±15 В, U_вых= ±4 В, R_н=2 кОм ………………………………………………………………… ?20000;

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений … ?70 дБ;

Средний температурный дрейф напряжения смещения нуля при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В ………………………………………………. ?50 мкВ/ ° C;

Частота единичного усиления при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В .. ?15 МГц;

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения при U_п= ±15 В, U_вых=?10 В, U_вх=?10 В ………………………………………. ?20 В/мкс;

Входное сопротивление ……………………………….. ?1 · 10¹¹ Ом.

3.1.7 Разработка формирователя управляющего напряжения

Рисунок 3.7 - Схема формирователя управляющих напряжений

Формирователь управляющих напряжений предназначен для формирования прямоугольных однополярных импульсов, фронты которых совпадают с моментами перехода через ноль выходного напряжения фазосдвигающего устройства. Схема формирователя представлена на рисунке 3.7, она состоит из усилителя ограничителя на ОУ1, и триггера Шмидта - на ОУ2. Пока диоды не открылись ОУ1 работает как разомкнутый и на выходе присутствует напряжение с крутыми фронтами и амплитудой 0.7В. Резистор R9 выбираем из условия ограничения выходного тока ОУ1. Зададимся значением R9=10кОм. Тогда ток протекающий через R9 и по выходу ОУ5 будет равен:

(3.35)

Ток меньше, чем максимальный ток ОУ. Для К544УД2А I_оу?5мА. В триггере Шмидта гистерезис должен быть меньше, чем выходное напряжение ОУ5.Зададим напряжение гистерезиса 0.1В, тогда U_{вых мах}=10В.

 (3.36)

Отсюда =100.

Зададимся R10=1кОм, R11=100кОм.

Выбираем [6] металлодиэлектрические резисторы общего применения :

R10- C2-33 - 0.125Вт - 1 кОм ±5%-Г;

R11- C2-33 - 0.125Вт - 100 кОм ±5%-Г;

R12- C2-33 - 0.125Вт - 10 кОм ±5%-Г.

В качестве диодов выбираем [8].

VD3- КД 521А;

VD4- КД 521А;

КД 521А: U_обр.= 75В, I_пр. max=0.05 A, I_обр.max=1 мкА, F_dmax=100000 кГц.

Выпрямитель положительной и прямоугольной волны реализован на R12, VD5. R12 не должно нагружать ОУ2 при отрицательной полуволне. Если R12 выбрать 10 кОм то:

(3.37)

3.1.8 Разработка фазочувствительного выпрямителя

Схема ФЧВ приведена на рисунке 3.8. Это фазочувствительный усилитель с последовательно - параллельными ключами. Для реализации ФЧВ выбираем микросхему К590КН4 [10]:



Рисунок 3.8 - Фазочувствительный выпрямитель

Ток утечки аналогового входа………………………….. не более 70нА;

Ток утечки аналогового выхода …………………….. не более 70нА;

Входной ток низкого уровня управляющего напряжения не более 0.2мкА;

Входной ток высокого уровня управляющего напряжения .. не более 0.2мкА;

Ток потребления при высоком уровне управляющего напряжения:

От положительного источника ………………………. не более 200 мкА;

От отрицательного источника ………………………….. не более 5 мкА;

Ток потребления при низком уровне управляющего напряжения:

От положительного источника……………………. не более 50 мкА;

От отрицательного источника ……………………… не более 5 мкА;

Сопротивление в открытом состоянии ………………. не более 75 Ом.

В этой микросхеме реализованы 2 ключа, один из которых нормально не замкнут (контакты 1 - 16), другой нормально замкнут (контакты 3-4). При подаче на управляющий вход (контакт 15) положительного напряжения, состояние ключей поменяется на противоположное. В открытом состоянии ключа (замкнутого) находится на уровне ?75 Ом. Разомкнутое состояние характеризуется током утечки при максимальном напряжении на зажимах ключа 30В, I_ут?70 мА. Эквивалентное сопротивление разомкнутого ключа можно оценить значения: (3.38)

Таким образом при нулевом управляющем напряжении коэффициент усиления ФЧВ равен - 1, при высоком уровне управляющего напряжения +1.

Сопротивления R1 и R2 выбираем равными 10 кОм [6]:

R13- C2-33 - 0.125Вт - 10 кОм ±5%-Г;

R14- C2-33 - 0.125Вт - 10 кОм ±5%-Г.

В качестве операционного усилителя выбираем микросхему К544УД2А[10]:

Номинальное напряжение питания ……………………… ±15 В ±10 %;

Максимальное выходное напряжение при U_п= ±15 В…………. ?±10 В;

Напряжение смещения нуля при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В…… ?30 мВ;

Средний входной ток при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В …………. ?0,1 нА;

Разность входных токов при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В……….. ?0,1 нА;

Коэффициент усиления напряжения при U_п= ±15 В, U_вых= ±4 В, R_н=2 кОм ....………………………………………………………… ?20000;

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений … ?70 дБ;

Средний температурный дрейф напряжения смещения нуляпри U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В …………………………………….………….. ?50 мкВ/ ° C;

Частота единичного усиления при U_п= ±15 В, U_вых= ±0,02 В.. ?15 МГц;

Максимальная скорость нарастания выходного напряженияпри U_п= ±15 В, U_вых=?10 В, U_вх=?10 В……………………………………….. ?20 В/мкс;

Входное сопротивление………………………….…………. ?1 · 10¹¹ Ом.

3.1.9 Разработка фильтра нижних частот

Рисунок 3.9 - Фильтр нижних частот

К544УД2 А

Фильтр нижних частот предназначен для выделения из выходного напряжения ФЧВ среднего значения. Максимальное выходное напряжение усилителя находится на уровне 20.6мВ. После ФНЧ среднее значение будет равно:

Uo=2?Um/р=13.12mB (3.39)

Частота минимальной гармоники в выходном сигнале ФНЧ будет равна 2w, где w - частота возбуждения датчика.

Таким образом ФНЧ должен ослабить напряжение с частотой 2w в заданное число раз. Коэффициент подавления вычисляется исходя из точности схемы и условий быстродействия. Оставшиеся пульсации после фильтра должны быть меньше основной погрешности измерительного преобразователя. Например, если задана основная погрешность:

то пульсации должны быть на уровне (5?10)раз меньше, т.е 2?10^-3. Таким образом коэффициент подавления фильтра наименьшей частоты должен быть равен:

(3.40)

Для управления возьмем схему фильтра, состоящую из пассивных R - C звеньев. Выберем трехзвенный фильтр. Его схема приведена на рисунке 3.8. Приближенно для трехзвенного фильтра коэффициент подавления можно оценить по формуле:

(3.41)

Отсюда:

(3.42)

(3.43)

Выбираем значение емкости С=10^-6 Ф=1мкФ, тогда значение резистора

R=13кОм.

Выбираем конденсаторы [7]:

С4 - К73 - 17 - 63В - 1.0 мкФ ±10%

С5 - К73 - 17 - 63В - 1.0 мкФ ±10%

С6 - К73 - 17 - 63В - 1.0 мкФ ±10%.

Выбираем [6] металлодиэлектрические резисторы общего применения :

R15 - C2-33 - 0.125Вт - 13 кОм ±5% - Г

R16 - C2-33 - 0.125Вт - 13 кОм ±5% - Г

R17 - C2-33 - 0.125Вт - 13 кОм ±5% - Г.

Для обеспечения холостого хода на выходе фильтра используем усилитель на DA с последовательной обратной связью, с коэффициентом усиления:

(3.44)

Rэ=R15+R16+R17=39 кОм;

R18 - C2-33 - 0.125Вт - 39.2 кОм ±5%-Г;

3.2 Разработка цифровой схемы

3.2.1 Разработка модуля АЦП

АЦП сопрягает аналоговую часть схемы измерительного преобразователя с цифровой частью. Выходной величиной АЦП является пропорциональный амплитуде входного напряжения двоичный код.

Микросхему АЦП выберем по необходимому числу разрядов:

, (3.45)

где д=2% - заданная погрешность, тогда:

 (3.46)

Рисунок 3.10- Схема модуля АЦП

Для обеспечения требуемой точности достаточно 8-разрядного АЦП. По справочнику выбираем микросхему АЦП - К572ПВ1. Микросхема АЦП выполняет функции АЦП последовательного приближения с выводом параллельного двоичного кода через выходные каскады с тремя состояниями, однако существует возможность произвольного уменьшения числа разрядов и вывода данных в последовательном коде.

Разряды D0-D7 выходного кода АЦП подаются на входы буферного регистра DD2, а два старших разряда D8, D9 - на входы регистра DD3.

Управление выходными буферами регистров осуществляется от линий Р3.0 и Р3.1. При Р3.0=1, Р3.1=1 выходы регистров DD2, DD3 находятся в z-состоянии и они отключены от выводов порта Р0. Запуск АЦП выполняется сигналом от линии Р1.5.



Рисунок 3.11- Функциональная схема БИС К572ПВ1

Рисунок 3.12- Цоколевка К 572 ПВ1

1 - (DI) - последовательный ввод;

2 - (НЕ) - вход управления старшим байтом кода;

3 - () - напряжение питания;

4-15 - цифровой ввод-вывод, причем 4- (СЗР) - старший значащий разряд, а 15- (МЗР) - младший значащий разряд;

16- (LE) - вход управления младшим байтом кода;

17 - (V) - вход управления режимом;

22- (ZO)- выход "Цикл";

23- (CI) - вход сравнения;

24- () - напряжение питания ;

25 - (CLK) - вход тактовых импульсов;

26 - (DR) - выход "Конец преобразования";

27 - (ST) - вход "Запуск";

28 - (ZI) - вход "Цикл";

29 - (RE) - вход стробирования ЦАП;

30 - (GD) - цифровая общая шина (цифровая земля);

31 - (Re) - конечный вывод матрицы R-2R;

32 - () - общий вывод резисторов R/4 и R/2;

40 - (R/4) - вывод резистора R/4;

41 - (R/2) - вывод резистора R/2;

42 - () - опорное напряжение;

43 - (R) - аналоговый вход 1;

44 - (2R) - аналоговый вход 2;

45 - () - общий вывод резисторов аналоговых входов 1 и 2;

46 - (I1) - аналоговый выход 1;

47 - (I2) - аналоговый выход 2;

48 - (GA) - аналоговая общая шина (аналоговая земля);

18-21, 33-39- незадействованные входы.

Основные электрические параметры:

Преобразователь работает от двух источников питания ,номинальное напряжение которых:

……………………………………...……………………………5В;

…………………………………………………………………..15В;

Ток потребления, не более:

от источника …………………………………………………3 mA;

от источника ………………………………………………...5 mA;

Нелинейность …………………………..……………2 ед. МЗР;

Дифференциальная нелинейность ……………………4 ед. МЗР;

Погрешность полной шкалы..………………………………4 ед. МЗР;

Время преобразования, типовое………………………………….110 мкс;

Тактовая частота, не более………………………………………..250 кГц;

Выходной ток по аналоговому выходу……………………………..1 mA;

Опорное напряжение……………………………………………..15В;

Входное напряжение высокого уровня………………………...10-17В;

Входное напряжение низкого уровня………………………......0-0,4В;

Напряжение высокого уровня на входе сравнения и входе Цикл…...10-17В;

Выходной ток высокого уровня …………………………………0,4-1мА;

Выходной ток низкого уровня………………………………..….0,4-3мА.

АЦП К572ПВ1 имеет выходные каскады с тремя состояниями, благодаря чему может выдавать информацию на шину данных микропроцессорной системы. АЦП имеет двунаправленный кодовый канал. Переключение кодового канала на ввод или вывод производится сигналом, подаваемым на вход V (управление режимом): если V=0, то осуществляется вывод кода, если V=1, то ввод. Перевод кодового канала в Z-состояние производится подачей сигнала логического 0 на входы LE (управление восемью младшими разрядами канала D0-D7) и HE (управление старшими четырьмя разрядами канала D8-D11). Благодаря наличию этих входов информация с АЦП может выводиться побайтно на шину данных микропроцессорной системы.

Как видно из рисунка 3.9, для построения АЦП микросхему К572ПВ1 (DA1) нужно дополнить внешним источником опорного напряжения (ИОН) , операционным усилителем (ОУ) DA2 и компаратором напряжения (КН) DA3. ОУ (DA2) используется для преобразования в напряжение выходного тока I1 внутреннего ЦАП микросхемы и обеспечивает максимальную точность и стабильность статических параметров преобразования. Выход дополняющего тока I2 и вывод последнего резистора (вывод I3) ЦАП соединяются с общим проводом. В качестве резистора обратной связи усилителя DA2 используется один из резисторов, входящих в микросхему. В распоряжении пользователя имеются 4 таких резистора, сопротивления которых соотносятся по двоичному закону: 2R, R, R/2, R/4 (R10 кОм).

Компаратор напряжения DA3 сравнивает выходное напряжение ЦАП, снимаемое с выхода DA2, с преобразуемым напряжением . Результат сравнения подается на вход CI (сравнение) АЦП и используется для управления внутренним регистром последовательного приближения.

При включении АЦП по схеме рисунка 3.9 обеспечивается преобразование напряжения от 0 до . Если же в обратную связь усилителя DA2 вместо сопротивления R включить сопротивление 2R или R/2, то предельное значение станет равным или . Опорное напряжение в этом преобразователе может изменяться в пределах от -15 до 15В.



Рисунок 3.13- Типовая схема включения микросхемы К572ПВ1 в режиме

АЦП с операционным усилителем и компаратором напряжения

Операционный усилитель К574УД1 используется для преобразования в напряжение выходного тока I1 внутреннего ЦАП микросхемы и обеспечивает максимальную точность и стабильность статических параметров преобразования.

Vuвых.................................................................................50В/мкс;

Uип(+/-Uип)......................................................... +/-8... +/-16,5В;

Uсм.........................................................................................20мВ;

Iвх.......................................................................................0,05 нА;

Ку.............................................................................................96дБ;

Рпот.......................................................................................60мВт;

Rвх............................................................................100 000 МOм;

fпр.......................................................................................10 МГц;



Рисунок 3.14- Условное графическое обозначение К574 УД1А.

Компаратор напряжения К521СА3

сравнивает выходное напряжение ЦАП, снимаемое с выхода операционного усилителя К574УД1, с преобразуемым напряжением . Результат сравнения подается на вход CI (сравнение) АЦП и используется для управления внутренним регистром последовательного приближения.

Uи.п, Uи.п 2=+/-15B

Uсм=3мВ

Iвх=100нА

Рисунок 3.15- Условное графическое обозначение К521СА3А.

Опорное напряжение должно иметь полярность, противоположную полярности преобразуемого напряжения . Описанные схемы АЦП предполагают отрицательное опорное напряжение . При положительном входы компаратора следует поменять местами.

Работа преобразователя синхронизируется тактовыми импульсами, подаваемыми на вход CLK. Частота импульсов не должна быть более 250 кГц.

Запуск АЦП производится положительным импульсом, подаваемым на вход ST. Весь цикл преобразования длится 28 периодов тактовых импульсов: 2 периода - сброс, 24 периода - реализация программы последовательного приближения и 2 периода - формирование положительного импульса на выходе DR (готовность данных). По этому сигналу происходит считывание цифровой информации.

Для получения схемы 10-разрядного АЦП , необходимо подать на вход 27 повторный сигнал Запуск по окончании 11го такта. Соединение выводов 22 и 28 переводит схему из синхронного режима работы в циклический , при этом на вход 27 подаётся логический ноль.

Рассчитаем схему генератора импульсов с частотой повторения 50 кГц с нестабильностью:

(3.47)

Разрабатываем схему на КМОП-микросхемах:



Рисунок 3.16- Генератор импульсов

Схема основана на широко распространенном генераторе на 3-х инверторах. В качестве времязадающих элементов используются резистор и конденсатор [4]:

R: МЛТ-0,125- 47кОм ± 5%

Конденсатор С рассчитаем как:

(3.48)

Выбираем С = 5,11 мкФ [4]: К 73 - 17- 5,11 мкФ ± 5%

Необходимость использования серии 561 в генераторе обусловлена необходимостью подключения к выходу генератора большого числа входов микросхем, а микросхемы 561-й серии обладают достаточной для использования в данной работе нагрузочной способностью.



Рисунок 3.17- Шесть логических элементов НЕ с буферным выходом.

Регистр DD4(КР1533ИРЗЗ) сохраняет данные АЦП на время между поступлением в МК сигнала готовности данных и моментом их прочтения. Считывание данных из регистра аналогично считыванию из внешней памяти данных. Для дешифрации внешних устройств используются выводы порта P1.1 Так, прочитать данные с АЦП можно только при наличии на выводе Р1.1 МК высокого уровня.

Таблица 3. 2-Параметры ТТЛ микросхем серии КР1533

Выходной ток лог. 1 (макс.), мА	1
Выходной ток лог. 0 (макс.), мА	12
Входной ток лог. 0 (макс.), мА	0,1
Входной ток лог. 1 (макс.), мкА	20
Выходное напряжение лог.0 (I=Iмакс), В	0,4
Выходное напряжение лог.1 (I=Iмакс), В	2,4
Выходной ток короткого замыкания, мА	30
Напряжение питания, В	5
Потребляемый ток, мА	50
Потребляемая мощность (не более), мВт	1

3.2.2 Разработка модуля микроконтроллера

AT89S8252 - это высокоскоростной 8-разрядный КМОП микроконтроллер, cсовместимый с изделиями MCS-51^TM,с низким потреблением, содержит:

8 Кбайт флэш-памяти команд с возможностью перепрограммирования непосредственно внутри системы

SPI последовательный интерфейс для загрузки программ

Количество циклов записи/стирания: 1000

2 Кбайт ЭСППЗУ

Количество циклов записи/стирания: 100000

Диапазон напряжений питания от 4,0 В до 6,0 В

Полностью статическая логика: от 0 Гц до 24 МГц

Трехуровневая защита памяти программ

256х8 бит внутреннего ОЗУ

32 программируемых линии ввода/вывода

Три 16-разрядных таймера/счетчика

Девять источников прерываний

Программируемый УАПП

SPI последовательный интерфейс

Энергосберегающие "спящий" режим и режим отключения питания

Выход из режима отключения питания по сигналу прерывания

Программируемый сторожевой таймер

Двойной указатель данных

Флаг отключения питания

Микросхема производится с использованием высокоплотной технологии изготовления энергонезависимой памяти фирмы Atmel. Совместима с промышленным стандартом 80С51 по набору выполняемых команд и расположению выводов. Встроенную флэш-память программ можно программировать как непосредственно внутри системы через последовательный интерфейс SPI, так и с помощью обычного программатора микросхем памяти. Вследствие объединения на одном кристалле универсального 8-разрядного процессора и флэш-памяти программ AT89S8252 является мощным микрокомпьютером, который предлагает очень гибкие и эффективные по стоимости решения для большинства встраиваемых управляющих систем.

AT89S8252 обладает следующим стандартным набором устройств: 8 Кбайт флэш-памяти программ, 2 Кбайт ЭСППЗУ (память данных только для чтения), 256 байт ОЗУ, 32 линии ввода/вывода, программируемый сторожевой таймер, два указателя данных, три 16-разрядных таймера/счетчика, шестивекторная двухуровневая система прерываний, последовательный дуплексный порт, встроенный генератор тактовых импульсов. Дополнительно: AT89S8252 разработан с использованием статической логики, что позволяет микросхеме работать на частотах вплоть до 0 Гц и поддерживать два программно переключаемых энергосберегающих режима. В "спящем" режиме процессор останавливается, однако ОЗУ, таймеры/счетчики, последовательный порт и система прерываний продолжают функционировать. В режиме отключения питания сохраняется содержимое ОЗУ, однако останавливается тактовый генератор, отключаются все функции микросхемы до тех пор, пока не произойдет прерывание или аппаратный сброс.

Содержимое флэш-памяти программ можно изменять по одному байту через последовательный интерфейс SPI. Удержание вывода RESET в активном состоянии переводит шину SPI в режим последовательного программирования и предоставляет возможность записывать или считывать память программ, если второй бит защиты не будет установлен.



Рисунок 3.18 - Цоколёвка AT89S8252.

Рисунок 3.19-Внутреннее устройство AT89S8252.

Назначение выводов:

Vcc - напряжение питания

GND - общий вывод (земля)

Р0 - 8-разрядный двунаправленный порт ввода/вывода с открытым стоком. В качестве порта вывода он может потреблять ток от 8 ТТЛШ нагрузок. Если на его выводах установить единицы, то его можно использовать как высокоомный порт ввода.Р0 также может быть использован для вывода +младшего байта мультиплексированной шины адреса/данных при обращениях к внешней памяти программ и данных. В этом случае, выводы порта подключены через "подтягивающие" резисторы к шине питания.

Р1 - 8-разрядный двунаправленный порт ввода/вывода со встроенными "подтягивающими" резисторами. Выходные буферы порта можно нагружать на 4 ТТЛШ входа. Когда в порт записаны единицы, то его выводы из-за встроенных "подтягивающих" резисторов установлены в высокий уровень и могут быть использованы для ввода. В этом случае с выводов порта, внешне установленных в низкий уровень, стекает ток I_IL.