Мікропроцесорна метеостанція

Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

Інститут автоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління

Факультет автоматики та комп’ютерних систем управління

Кафедра метрології та промислової автоматики

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни “Інформаційно-вимірювальні системи”

МІКРОПРОЦЕСОРНА МЕТЕОСТАНЦІЯ

Керівник Кулаков П. І.

Студент гр. 1АМ-01 Балтак К. В.

Вінниця 2006

Зміст

Анотація

Вступ

1. Техніко-економічне обґрунтування доцільності розробки

2. Обґрунтування і розробка структурної схеми приладу

3. Розробка електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

3.1 Вибір мікро контролера

3.2 Вибір перетворювача рівня сигналу

3.3 Аналого-цифровий перетворювач АD1674

3.4 Датчик відносної вологості Модель RL-1HS100

3.5 Датчик атмосферного тиску. Модель RL1APS115

3.6 Датчик температури. Модель LM94021

3.7 Розробка електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

4. Електричні розрахунки найголовніших вузлів електричної принципової схеми

5. Алгоритмічне забезпечення

6. Метрологічні характеристики

Висновки

Література

Додатки

Додаток А (обов’язковий). Мікропроцесорна метеостанція. Перелік елементів

Анотація

В даному курсовому проекті спроектована мікропроцесорна метеостанція її електрична, структурна схема. В проекті проводяться розрахунки основних елементів електричної принципової схеми. В додатках наведена електрична принципова схема приладу та перелік всіх її елементів.

Вступ

Інформаційно-вимірювальні системи – це сукупність апаратних, програмних та інших засобів, призначених для отримання і обробки вимірювальної інформації, керування потоками інформації, її перетворення та представлення у необхідному для користувача вигляді.

Інформаційно-вимірювальні системи, як правило, входить до складу системи автоматичного керування процесом і не здійснює керування процесом. Задачі керування покладені на системи автоматичного керування.

Інформаційно-вимірювальні системи поділяються на чотири групи:

    вимірювальні системи – це системи, призначені для отримання, обробки та представлення у необхідному вигляді вимірювальної інформації;

    системи технічної діагностики – такі системи, які призначені для знаходження місця і причини виникнення несправності об’єкту;

    системи розпізнавання образів – такі системи, які встановлюють належність об’єкту до заданого класу;

    системи контролю – системи, які визначають відповідає об’єкт заданим нормам чи не відповідає.

В даному курсовому проекті проведено загальний огляд можливих реалізацій структурних схем мікропроцесорної метеостанція, визначено їх основні характеристики та недоліки. З трьох схем обрано ту, яка більше підходила встановленим вимогам. На основі обраної структурної схеми розроблена електрична принципова схема приладу.

1. Техніко-економічне обґрунтування доцільності розробки

В даному курсовому проекті розробляється структурна схема мікропроцесорної метеостанція. Розглянемо для порівняння три варіанта структурних схем, коротко охарактеризуємо і розглянемо основні характеристики роботи система та оберемо основну структурну схему, з якою будемо працювати і надалі.

Для вибору однієї із наведених нижче структурних схем, важливим елементом являється те, що користувач хоче отримати в результаті від системи, тобто який параметр буде найбільш важливим для роботи .

Розглянемо першу структурну схему, яка приведена на рисунку 1.


Рисунок 1 – Перший варіант структурної схеми. Умовні позначення: - датчик температури; - датчик тиску; - датчик вологості; - АЦП; БГР- блок гальванічної розв’язки; MX– мультиплексор; MCU – мікроконтролер; інтерфейс; PC – персональний комп’ютер.

Принцип дії полягає в наступному:

Три датчика вимірюють свої фізичні величини. На виході яких після вимірювання утворюється аналогова величина, яка подається на відповідний АЦП. Яка перетворює аналогову величину в цифровий код. Після цього цей код проходить через гальванічну розв’язку, мультиплексор і поступає на мікроконтролер. А потім через інтерфейс на ПК.

Таким чином, структурна схема № 2 матиме наступний вигляд.


Рисунок 1.1 – Другий варіант структурної схеми. Умовні позначення: - датчик температури; - датчик тиску; - датчик вологості; - АЦП; - перетворювач струму в напругу; MX– мультиплексор; MCU – мікроконтролер; інтерфейс; PC – персональний комп’ютер.

Принцип дії полягає в наступному:

Три датчика вимірюють свої фізичні величини. На виході яких після вимірювання утворюється аналогова величина, яка подається на перетворювач роду величини. Після цього цей код проходить через мультиплексор і поступає на АЦП. Який перетворює аналогову величину в цифровий код. А потім через мікроконтролер, інтерфейс на ПК.

Таким чином, структурна схема № 3 матиме наступний вигляд


Рисунок 1.2 – Третій варіант структурної схеми. Умовні позначення: - датчик температури; - датчик тиску; - датчик вологості; - АЦП; MX– мультиплексор; MCU – мікроконтролер; інтерфейс; PC – персональний комп’ютер.

Принцип роботи схожий з принципом роботи попередніх схем. Три датчика вимірюють свої фізичні величини. На виході яких після вимірювання утворюється аналогова величина, яка подається через мультирлексор на АЦП. Яка перетворює аналогову величину в цифровий код. Після цього цей код проходить на мікроконтролер. А потім через інтерфейс на ПК.

Так як дана система буде використовуватись у високоточних експериментах, то найбільш важливим параметром являється точність виміряних показань та простота реалізації вимірювальної системи. Для того, щоб порівняти наведені структурні схеми, якій перерахуємо основні параметри системи. Для цього побудуємо таблицю 1.

Таблиця 1 – Порівняння структурних схем

Параметри

Схема №1

Схема № 2

Схема № 3

Ідеальна схема

Швидкодія

1

0

1

1

Надійність

0

1

1

1

Простота реалізації

0

1

1

1

Собівартість

0

1

0

1

Точність показань

0

0

1

1

Σ

1

3

4

5

Обчислимо узагальнений коефіцієнт якості, який знаходиться за наступною формулою:

. (1.1)

Узагальнений критерій якості першої схеми:

.

Узагальнений критерій якості другої схеми:

.

Узагальнений критерій якості третьої схеми:

.

Як бачимо, критерій якості третьої схеми більший, ніж для інших структурних схем. Виходячи з цих розрахунків можна зробити висновок, що для поставленої нами задачі більше підходить структурна схема, представлена на рисунку 1.2.

Отже, ми запропонували оптимальний варіант структурної. Використаємо цю схему для побудови електричної принципової схеми системи, що розробляється. [1]

2. Обґрунтування і розробка структурної схеми приладу

Підхід до вибору блоків, з яких складається структурна схема здійснювався на основі сучасних, модернізованих та ефективних мікроелектронних компонентів.


Рисунок 2 – структурна схема

Структурна схема представлена на рисунку 2 , за рішенням першого пункту є актуальна і складається з таких блоків:


Блок 1,2,3

- датчик температури, призначений для вимірювання температури повітря

- датчик тиску, призначений для вимірювання

тиску повітря

- датчик вологості, призначений для вимірювання вологості повітря


Блок 4, 5

- мультиплексор, призначений для керування потоками даних для вибору каналу за якими проводиться вимірювання та інших задач пов’язаних с керуванням потоками інформації.

- АЦП, призначений для перетворення відхідної безперервної величини в якій міститься вимірювальна інформація у цифровий код, який теж містить цю інформацію.


Блок 6

-Мікроконтролер, призначений для обробки вимірювальної інформації, яка переставлена у цифровому вигляді, керування потоками інформації, забезпечення обміну даними між окремими частинами ІВС та зовнішніми пристроями.


Блок 7

- Інтерфейс, призначений для обміну даними між зовнішніми пристроями.


Блок 8

    Персональний комп’ютер .

Три датчика вимірюють свої фізичні величини. На виході яких після вимірювання утворюється аналогова величина, яка подається через мультирлексор на АЦП. Який перетворює аналогову величину в цифровий код. Після цього цей код поступає на мікроконтролер. А потім через інтерфейс на ПК.[2]

3. Розробка електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

3.1 Вибір мікро контролера

Для реалізації задач дипломного проекту використовується 8-розрядний мікроконтролер фірми Atmel серії AT90S8515.

КМОН мікроконтролери AT90S8515 реалізовані по AVR RISC архітектурі (Гарвардська архітектура з роздільною пам'яттю і роздільними шинами для пам'яті програм і даних). Виконуючи команди за один тактовий цикл, прилади забезпечують продуктивність, що наближається до 1 MIPS/МГЦ.

AVR ядро об'єднує потужну систему команд з 32 8-розрядними регістрами загального призначення і конвеєрне звернення до пам'яті програм. Шість з 32 регістрів можуть використовуватися як три 16-розрядних регістра-покажчика при побічній адресації простору пам'яті. Виконання відносних переходів і команд виклику реалізується з прямою адресацією всього обсягу (4К) адресного простору. Адреси периферійних функцій містяться в просторі пам'яті вводу/виводу. Архітектура ефективно підтримує як мови високого рівня, так і програми на мовах асемблера.

Мікроконтролери містять: 4 Кбайт програмованого Flash, 128 байт СОЗП і 256 байт програмованого ЕСППЗП, 20 ліній вводу/виводу загального призначення, 32 регістри загального призначення, два таймера/лічильника з режимом захоплення і порівняння, 6-канальний 10-розрядний аналого-цифровий перетворювач, систему внутрішніх і зовнішніх переривань, програмований послідовний UART, програмований сторожовий таймер з внутрішнім генератором, послідовний порт з інтерфейсом SPI. Програмно управляються два режими енергозбереження. В пасивному режимі (idle) ЦПУ зупиняється, але СОЗУ, таймери/лічильники, порт SPI, сторожовий, таймер і система переривань залишаються активними. В стоповому режимі (power down) зупиняється тактовий генератор і, отже зупиняються всі функції, доки не надійде сигнал зовнішнього переривання або апаратного скидання, але зберігається вміст регістрів.

Вбудована Flash пам'ять програм може перепрограмовуватися безпосередньо в системі шляхом інтерфейсу SPI (в послідовному низьковольтному режимі) або програмуватися стандартними програматорами енергонезалежної пам'яті (в 12-вольтовому паралельному режимі).

Максимальне споживання приладів в активному режимі складає 3.0 мА і в пасивному режимі 1.2 мА (при VCC =3 В і f = 4 МГЦ). В стоповому режимі, при працюючому сторожовому таймері, мікроконтролер споживає 15 мкА.

Об'єднання на одному кристалі вдосконаленого 8-розрядного RISC ЦПУ з Flash ПЗУ, яка завантажується дозволило фірмі створити потужний мікроконтролер, що забезпечує високу гнучкість і економічність в використанні приладу в якості вбудованого контролера.

Port B (PB5... PB0) 6-розрядний двонаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА. При використанні виводів порта в якості входів і установці зовнішнім сигналом в низький стан, струм буде витікати тільки при підключених вбудованих навантажувальних резисторах. Порт B використовується також при реалізації різноманітних спеціальних функцій.

Port C (PC5... PC0) 6-розрядний двунаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА. При використанні виводів порта в якості входів і установці зовнішнім сигналом в низький стан, струм буде витікати тільки при підключених вбудованих навантажувальних резисторах. Входи порта використовуються також як аналогові входи аналого-цифрового перетворювача.

Port D (PD7.. PD0) 8-розрядний двунаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА.

При використанні виводів порта в якості входів і установці зовнішнім сигналом в низький стан, струм буде витікати тільки при підключених вбудованих навантажувальних резисторах. Порт D використовується також при реалізації різноманітних спеціальних функцій.

RESET Вхід скидання. Для виконання скидання необхідно утримувати низький рівень на вході протягом двох машинних циклів.

XTAL1 Вхід інвертуючого підсилювача генератора і вхід схеми вбудованого генератора тактової частоти.

XTAL2 Вихід інвертуючого підсилювача генератора.

AVCC Напруга живлення аналого-цифрового перетворювача. Виводи під’єднується до зовнішнього VCC через низькочастотний фільтр.

AREF Вхід аналогової напруги порівняння для аналого-цифрового перетворювача. На цей вивід, для забезпечення роботи аналого-цифрового перетворювача, подається напруга в діапазоні між AGND і AVCC.

AGND Цей вивід повинен бути під’єднаний до окремої аналогової землі, якщо плата оснащена нею. В іншому випадку вивід від’єднується до загальної землі.

Мікроконтролер АТ90S8515 має такі технічні характеристики:

    діапазон напруги живлення: від 2,7 до 6,0 В;

    діапазон тактової частоти: від 0 до 4 МГц;

    діапазон роботи АЦП: від 0 до 6 В;

    час перетворення АЦП: 70...280 мс;

    клас точності 0,05 .[3]

3.2 Вибір перетворювача рівня сигналу

За стандартною логікою одиниця представляється рівнем напруги від 2,4 до 5 В, а нуль – від 0 до 0,8 В. Проте, при передачі по каналу RS-232 нуль та одиниця кодуються однаковими за величиною(від 5 до 12 В), але різними за знаком сигналами. Так як для передач по RS-232 стандартні логічні сигнали повинні бути перетворені в сигнали другого рівня, необхідно передбачити у схемі відповідні засоби перетворення. Десять років тому, для цієї мети використовувались спеціальні каскади з трьох-чотирьох транзисторів, пари діодів і майже десятка резисторів. Зараз ситуація значно змінилась: провідні виробники мікросхем повністю завершенні перетворювачі, які потребують мінімальної кількості додаткових елементів. До них відносяться МАХ202Е від МАХІМ і повністю їй ідентична AD232 від Analog Devices. Всередині обидві мікросхеми містять перетворювач напруги +5 В у 10 В і каскади, що здійснюють перетворення логічних сигналів стандартного рівня у сигнали рівня по стандарту RS-232. Кожна з цих мікросхем містить перетворювачі логічного рівня для двох приймачів та двох передавачів. Кожна із перерахованих вище мікросхем містить перетворювачі логічного рівня для двох приймачів і двох передавачів. Ми використаємо мікросхему AD232 і тільки один її приймально-передавальний канал


Рисунок 3 – Схема включення послідовного інтерфейсу RS232

Швидкість обміну інформацією може бути вибрана в межах: від 9600 бот до 115200 бот. Оскільки мікро контролер при різних швидкостях і опорних частотах має різні помилки передачі, то при опорній частоті 4 МГц, яка використовується, ця помилка буде мінімальною при швидкості 19200 бот. Саме тому буде використовуватися така швидкість. Вона є достатньою для обміну інформацією між мікроконтролером і комп’ютером, а також дозволяє використовувати старі комп’ютери 386 типу.

Технічні характеристики послідовного інтерфейсу ADM232LIN:

    діапазон вхідної напруги низького рівня: від 0 до 0,8 В;

    діапазон вхідної напруги високого рівня: від 2,4 до 5 В;

    час установки вихідної напруги: 4 μс;

    діапазон вихідної напруги: ± 10 В;

    швидкість передачі даних: 19200 бот;

    максимальна помилка при передачі: 0,2 % [4].

Живлення всіх елементів має бути стабільним, щоб уникнути збоїв у роботі системи. Для забезпечення високої стабільності використаємо джерело опорної напруги. Найкращими джерелами, які випускаються в теперішній час є: REF-02, AD586, AD780, LM113, TL431. Одним з найкращих джерел опорної напруги є мікросхема AD780. Схема підключення опорного джерела живлення. AD780 показана на рисунку 3.1 [4].


Рисунок 3.1 – Схема включення опорного джерела живлення

Джерело опорної напруги AD780 має такі технічні характеристики:

    відхилення напруги від опорного значення: ± 0,02 В;

    струм споживання 2 μА;

    діапазон струму навантаження: від 0 до 10 mА;

    температурний коефіцієнт вихідної напруги: 10-5/ ºС [5].

Для того щоб вхідний сигнал якомога менше спотворити, при його проходженні через резистори, які будемо використовуватися для ділення напруги та схем включення мікроелементів – будуть прецензійними.

3.3 Аналого-цифровий перетворювач АD1674

Характеристики:

    Монолітний 12 бітний 10 мс АЦП зі схемою вибірки ;

    Вбудований пристрій вибіраки-зберігання ;

    Цоколевка, що відповідає промисловому стандартові ;

    8 і 16 бітний мікропроцесорний інтерфейс ;

    Визначені і перевірені статичні і динамічні характеристики ;

    Уніполярний і біполярний входи ;

    Діапазони вхідного сигналу ±5 В, ±10 В, 0 В - 10 В и 0 В - 20 В ;

    Комерційні, індустріальні і військовий температурні діапазони ;

    MІ-STD-883 і SMD корпусні виконання ;

AD 1674 - багатоцільовий 12 бітний аналого-цифровий перетворювач, що містить Вбудовані пристрій вибіраки-зберігання (ПВЗ), 10 В джерело опорної напруги (ДНО), буфер тактових імпульсів і вихідний буфер із трьома станами для зв'язку з мікроконтролером. AD1674 сполучимо по висновках зі стандартними промисловими приладами AD574A і AD674A, але містить Вбудоване ПВЗ і має велику швидкість перетворення. Вбудоване ПВЗ має широку смугу пропущення, що забезпечує 12 бітне перетворення у всій смузі Найквиста.

Для AD1674 цілком визначені динамічні характеристики (відношення сигнал/ шум - S / (N+D) , THD, і ІMD) і статичні характеристики (зсув, абсолютна помилка і т.д.). Ці статичні і динамічні характеристики AD1674 роблять його ідеальним для використання в пристроях обробки сигналів і виміру постійного струму.

AD1674 виготовлений за унікальною технологією BіMOS ІІ компанії Analog Devіces, що дозволяє сполучити висока якість і швидкодія біполярної технології з малим споживанням КМОП технології.

Прилад випускається в п'ятьох різних температурних виконаннях. AD1674J і До виконання призначені для роботи в температурному діапазоні від 0°С до +70°С; А и В виконання призначені для роботи в індустріальному температурному діапазоні від - 40 °С до +85°С; AD1674T виконання призначене для роботи в розширеному температурному діапазоні від -55°С до +125°С. J і До виконання виробляються в 28 вивідних пластикових корпусах DІ і SOІ. А й У виконання випускаються в 28 вивідних герметичних керамічних корпусах DІ і 28 вивідних корпусах SOІ. T виконання випускається в 28 вивідному герметичному корпусі DІ.[6]

3.4 Датчик відносної вологості Модель RL-1HS100

Датчик відносної вологості RL-1HS100 побудований на основі сенсорного елемента HІН-3610-002 фірми Honeywell, виготовленою у виді інтегральної схеми. Сенсор використовує планерний ємнісний полімерний елемент, чуттєвий до вологості повітря. Другий шар полімеру захищає сенсор від бруду, пилу, жиру й інших шкідливих факторів навколишнього середовища. Датчик має калібрований лінеаризований вихід.

Область застосування:

    теплиці;

    холодильники;

    сушарки;

    метеорологія;

Основні властивості:

    похибка ± 2% RH;

    діапазон виміру 0-100 % RH;

    лінійність ± 0.5% RH;

    гістерезис ± 1.2% RH;

    відтворюваність + 0.5% RH;

    постійна часу 15 сек. ;

    стабільність ± 1 % RH за 5 років;

    температурний діапазон -40 to 85 .

Датчик вологості складається з інтегрального чуттєвого елемента (сенсора), що живиться від вбудованого стабілізатора напруги, і повторювача напруги який необхідний для ослаблення електромагнітних перешкод, виключення впливу опору навантаження і сполучної лінії на результати вимірів.

Датчики вологості калібрують виготовлювачем, у зв'язку з чим кожен датчик вологості має індивідуальні калібровані коефіцієнти. Ці коефіцієнти заносяться в калібрований файл пристрою введення інформації типу RL . При цьому відносна вологість визначається по формулі :

RH=(a1 +a2*Vout)*100%, (3.1)

де: RH - відносна вологість повітря в %; а1 і а2 - калібровані коефіцієнти; Vout - вихідна напруга датчика.[7]

3.5 Датчик атмосферного тиску. Модель RL-1APS115

Датчик атмосферного тиску RL-1APS115 побудований на основі сенсорного елемента МРХА4115A6LJ фірми Motorola, виконаного у виді інтегральної схеми. Датчик має калібрований лінеаризованный вихід.

Область застосування :

    метеорологія ;

    барокамери ;

    теплиці ;

Основні властивості :

    похибка ±1.5% ;

    діапазон виміру 15-115 кПа ;

    часу встановлення 0,02 сек. ;

    температурний діапазон -40 °С to 85 °С.

Датчик атмосферного тиску складається з інтегрального чуттєвого елемента (сенсора), що живиться від вбудованого стабілізатора напруги, і повторювача напруги який необхідний для ослаблення електромагнітних перешкод, виключення впливу опору навантаження і сполучної лінії на результати вимірів. Датчики атмосферного тиску калібрують виготовлювачем, при цьому атмосферний тиск визначається по формулі

Р=а1 + a2*Vout, (3.2)

де: Р - атмосферний тиск у кПа. а1 і а2 - калібровані коефіцієнти.

а1=10,6, а2=21,8 . Vout - вихідна напруга датчика.

Калібровані коефіцієнти вказуються для кожного датчика на зворотній стороні його корпуса. Датчик тиску підключають до одному з пристроїв введення аналогових сигналів RL-8AІ, RL-88АС, RL-40AІ або RL-32RTD. Після підключення датчика й експорту каліброваного файлу. У програму відображення даних RLDataVіew на екрані монітора комп'ютера будується графік залежності тиску від часу, що обновляється в міру надходження даних. Дані можуть бути збережені у файлі, роздруковані або експортовані в іншу програму, як, наприклад, MS Excel.

Граничні режими :

    Атмосферний тиск400 кПа ;

    Температура збереження+5...+40 °С ;

    Напруга живлення+22 В ;

    Відносна вологість, не більш... 100% ;

    Тік навантаження5 мА. [7]

3.6 Датчик температури. Модель LM94022

Компанія Natіonal Semі-conductor представила перші аналогові датчики температури, що здатні працювати при напругі живлення 1,5 В и характеризуються можливістю вибору коефіцієнта передачі. Дані особливості дозволяють поліпшити експлуатаційні характеристики пристроїв температурного контролю і керування з низьковольтним живленям. LM94021 і LM94022 підтримують чотири обираних користувачі коефіцієнта передачі і контролюють температуру в діапазоні -50°С...+ 150°С. Широкий діапазон контрольованих температур, гнучкість і економічність роблять дані датчики чудовим вибором для низьковольтних систем з батарейним живленям, таких, як стільникові телефони, персональні цифрові пристрої, Мрз-плееры і цифрові камери.

LM94021 і LM94022 - прецизійні аналогові датчики температури, виконані за технологією КМОП і здатні працювати від джерела харчування напругою 1,5...5,5 В. Вихідна напруга цих датчиків назад пропорційно обмірюваній температурі для досягнення більш високої чутливості при підвищених температурах.

Користувачам пропонується вибрати один з чотирьох коефіцієнтів передачі:

-5,5 мВ/ , -8,2 мВ/, -10,9 мВ/, -13,6 мВ/.

LM94021 і LM94022 характеризуються малим споживаним струмом: 9 мкА і 5,4 мкА, відповідно. Дані датчики випускаються у мініатюрному корпусі SC70, а посадкове місце сумісне зі стандартним датчиком температури LM20.

Відмінні риси:

    Робота при напрузі живлення 1,5 В ;

    Двотактний вихід з навантажувальною здатністю 50 мкА (LM9402) ;

    Чотири обираємих користувачем коефіцієнти передачі ;

    Висока точність контролю в широкому температурному діапазоні 50……+150 ;

    Малий споживаний струм ;

    Захист виходу від короткого замикання ;

    мініатюрний корпус SC70 ;

    Сумісність посадкового місця зі стандартним датчиком температури LM20 ;

Основні характеристики:

    Напруга живлення 1,5-5.5 В ;

    Споживаний струм 9 мкА (типове значення) ;

    Навантажувальна здатність ±50 мкА ;

    Точність контролю температури:

±1,5(20- 40) ;

±1,8 (-50...70) ;

±2,1 (-50- 90) ;

±2,7 (-50- 150) ;

    Робітник температурний діапазон: -50-150 ;

Області застосування:

    телефони ;

    Радіочастотні передавачі ;

    Керування батарейним джерелом ;

    Автомобільна електроніка ;

    Драйвери дисків ;

    Ігрові пристрої ;

    Побутові прилади. [7]

3.7 Розробка електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

Поєднавши перераховані вище компоненти схеми, розроблена електрична функціональна схема приладу, представлена в додатку А. Працює вона таким чином.

Три датчики, які показані на схемі трьома розйомами XS1, XS2, XS3. Проводять вимірювання трьох фізичних величин таких як відносна вологість, атмосферний тиск і температура. Вихідний сигнал цих датчиків аналогова величина, яка поступає через аналоговий мультиплексор на 12 розрядний АЦП АD1674, який перетворює аналогову величину в цифровий код . Після цього цей цифровий код поступає на мікроконтролер AT90S8515. Після цього на порти персонального комп’ютера, які показані на схемі розйомами XS4. Сигнал між мікроконтролером AT90S8515 і персонального комп’ютером передається через інтерфейс RS-232. Який складається з гальванічної розв’язки і перетворювача рівнів MAX232. Гальванічна розв’язка побудована на основі двох оптронів 4N35 і мікросхеми МС7805.

4. Електричні розрахунки найголовніших вузлів електричної принципової схеми

Здійснимо електричний розрахунок елементів принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

Розрахуємо значення резисторів за формулою:

, (4.1)

де - мінімальне значення напруги для рівня логічної одиниці. - спад напруги на світлодіоді. - струм на світлодіоді.

Підставивши значення, отримаємо:

(kОм)

Розрахуємо значення резисторів за формулою:

. (4.2)

З документації на оптрон 4N32 визначаємо струм , . Отже I>C>= I>E>=100, U>E>=0.5B.

Підставивши значення, отримаємо:

(Ом)

Розрахуємо значення резисторів за формулою:

, (4.3)

де - вихідна напруга мікросхеми MC7805

Підставивши значення, отримаємо:

(Ом)

Оберемо значення резисторів кОм.

З документації на мікросхему AD780 визначаємо номінали конденсаторів С>2>, С>1> . Отже, обираємо конденсатори С>2> =С>1>= 100 .

До портів мікроконтролера ХТAL1 та ХТAL2 під’єднано конденсатори та , між якими розташований кварцовий резонатор ZQ, призначений для того, щоб задавати такт роботи мікроконтролера. Його частота f=1 МГц. Візьмемо пФ.

З документації на мікросхему MAX232 визначаємо номінали конденсаторів С>9>, С>10>, С>11>, С>12> . Отже, обираємо конденсатори С>9>= С>10>= С>11>= С>12> =1 .

З документації на мікросхему MC7805 визначаємо номінали конденсаторів С>5>, С>6>, С>7>, С>8>. Отже, обираємо конденсатори С>5>= С>6>=С>7>=С>8>= 220

Обираємо діоди VD1,VD2. VD1,VD2 - діоди напівпровідникові імпульсні 1N4148 Мають такі характеристики, які наведені в таблиці 2, 3 [9]

Таблиця 2. Максимальні параметри експлуатації 1N4148

Вимірюваний параметр

Од. вим.

Значення

Постійна зворотна напруга, U>R>

В

75

Імпульсна зворотна напруга, U>RM>

В

100

Температура збереження, Т>stg>

°C

від –65 до +200

Робоча температура навколишнього середовища

°C

від –65 до +150

Таблиця 3,. Електричні параметри 1N4148

Вимірюваний параметр

Режим виміру

Значення

Мін.

Макс.

Пряма напруга, U>F1>, В

I>F1>=10 мА

 

1,0

Зворотний струм, I>R1>, мкА

U>R1>=75 В

5

Зворотний струм, I>R2>, мкА

U>R1>=20 В

T>amb> = 25-5°C

0.025

Зворотна пробивна напруга, U>BR>, В

I>R>=100 мкА

100

Заряд відновлення, Q>r.> пКл

I>F>=10 мА

U>R>=10 В

200

Ємність, C>tot>, пФ

U>R>=0 В

f=1MHz

 

4

5. Алгоритмічне забезпечення

В наведеній в додатку А електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції живлення мікросхеми MAX232 перетворювача рівнів та відповідна частина оптронів живиться від послідовного порта. Живлення реалізоване наступним чином сигнал RTS, DTR програмно встановлюються а рівень ‘0’. Згідно з специфікацією на RS-232 навантажувальна здатність RTS, DTR складає 15мА. Ці сигнали з’єднуються за схемою “або” за допомогою двох діодів VD1, VD2. Відповідно навантажувальна здатність двох сигналів скл. 30мА. Через R>7> напруга поступає на вхід лінійного стабілізатора напруги MС7805. На виході якого формується напруга 5В. Яка використовується для живлення перетворювача рівнів MAX232 (DD6), та транзисторного каскаду оптрона (DD5). Таким чином забезпечується незалежність кіл живлення процесора та перетворювача рівнів. Оптрони DD4, DD5 призначенні для забезпечення гальванічної розв’язки сигнальних кіл. Персональний комп’ютер формує сигнал RxD. Цей сигнал поступає на перетворювач рівнів (DD4). На виході якого утворюється сигнал, який подається на струмозадаючий резистор R>4>. Цей струм засвічує світлодіод оптрона DD5. Відповідно на виході емітерного повторювача, який реалізований на транзисторі оптрона DD5 та резисторів R>5>, R>6>, формується сигнал ідентичний сигналу RxD на виході порта. Цей сигнал поступає на RxD мікроконтролера. Мікроконтролер (DD3) формує сигнал який відповідає адресі відповідного ключа мультиплексора (DD1). В цей момент АЦП (DD2) формує сигнал готовності STS. Мікроконтролер (DD3) формує сигнал запуску АЦП (DD2). Через мультиплексор (DD1) на АЦП (DD2) проходить аналоговий сигнал для перетворення його в цифровий код. Через порти DB.0-DB.12 цифровий код поступає на порти PA.0-PA.7, PB.0-PB.5 мікроконтролера (DD3). Мікроконтролера (DD3) формує сигнал ТxD. Сигнал ТxD з виходу МСU (DD3) через струмозадаючий резистор R>1 >засвічує світло діод оптрона DD4.

Відповідно на виході емітерного повторювача, який реалізований на транзисторі оптрона DD4 та резисторів R>2>, R>3>, формується сигнал ідентичний сигналу ТxD на виході процесора тільки повністю гальванічно ізольований від нього. Резистор R>3>, R>6 >виконує роль навантаження для емітерного повторювача. Резистор R>2>, R>5> включений між базою та емітером транзистора необхідний для температурної стабілізації режиму його роботи. Вихідний сигнал емітерного повторювача поступає на вхід перетворювача рівнів, з виходу якого на вхід СОМ порта. [8]

6. Метрологічні характеристики

1 Розрахуємо похибку квантування АЦП за такою формулою:

(6.1)

де n- розрядність АЦП n=12, - напруга АЦП, = 10(В),

Підставивши значення, отримаємо:

Розрахунок СКВ похибки квантування за такою формулою

. (6.2)

Підставивши значення, отримаємо:

.

2 Розрахунок СКВ похибки кожного датчика за такою формулою:

. (6.3)

Підставивши значення, отримаємо:

Розрахунок загальне СКВ похибки датчиків за такою формулою:

. (6.4)

Підставивши значення, отримаємо:

3 Розрахунок загального СКВ похибки системи за такою формулою:

. (6.5)

Підставивши значення, отримаємо:

Абсолютна похибка приладу

Висновки

Метою даного курсового проекту було створення приладу, який би задовольняв потреби найсучаснішої вимірювальної техніки, а це, перш за все, швидкодія, наявність ергодичного інтерфейсу, простота та швидкість обробки інформації та наглядне її представлення. Тому в даному курсовому проекті створений сучасний вимірювальний прилад, який задовольняє вищеприведені вимоги, при цьому забезпечуючи достатній діапазон фізичної величини і порівняно невелику похибку.

Також були запропоновані три варіанти структурних схем мікропроцесорної метеостанції, і серед них вибрана найбільш оптимальна за метрологічними і економічними характеристиками. В практичній частині на базі вибраної структурної схеми розроблена схема принципова, що представляє собою поєднання найсучасніших мікросхем, які спрощують задачу керування приладом і роблять його зручним у користуванні навіть для неспеціаліста. Передостанній розділ пропонує електричні розрахунки компонентів принципової схеми і вибір номіналів елементів, які б задовольняли умовам технічного завдання. В останньому наведений розрахунок похибки створеної системи. Отже, наша вимірювальна система задовольняє поставленим вимогам.

Література

    Хазанов Б.И. Интерфейсы измерительных систем.- М.: Энергия, 1979. – 169с.

    Избыточные системы счисления, моделирование, обработка данных и системное проектирование в технике преобразования информации: Учеб. пособие / В.А. Поджаренко, А.Д. Азаров, В.А. Власенко, И.И. Коваленко.: - Выща шк., 1990. – 208 с.: ил.

    Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем (теория, методология, организация)./Е.Т. Удовиченко, А.А.Брагин, А.Л.Семенюк, В.И.Бородатый, Э.С. Браилов, Ю.И. Койфман, А.Д. Пинчевский. – М.: Изд-во стандартов, 1991.-192 с.

    Вострокнутов Н.Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытаний, поверка. –М.: Энергоатомиздат, 1990.-208 с.

    Проектирование микропроцесорных измерительных приборов и систем/В.Д. Циделко, Н.В. Нагаец, Ю.В. Хохлов и др.- К.: Техніка, 1984.-215 с.

    www.atmel.ru

    www.rlda.ru

    Конспект лекцій

    www. gaw.ru

Додатки

Додаток А (обов’язковий)

Поз. позн.

Найменування

Кіл.

Примітка

Конденсатори

С1-C2

GRM39 - 100 мкФ ±5% - 6,3 В

2

С1-C2

С3, C4

КМ5-5аМ75-39 пФ

2

С3, C4

С5-С8

КМ6Н90-220 мкФ

4

С5-С8

С9-С12

КМ6Н90-1 мкФ

3

С9-С12

Мікросхеми

DD4-DD5

4N35

2

DD1-DD5

DD3

AT90S8515

1

DD6

DD6

MAX232

1

DD6

DA1

AD780

1

DA1

DA2

MC7805

1

DA2

DD2

AD1674

1

DD2

DD1

MAX4534

1

DD1

Резистори

R1, R4

MSC 0402 – 35 кОм ±1% - 0,25 Вт

2

R1, R4

R2, R5

MSC 0402 – 100 кОм ±1% - 0,25 Вт

2

R2, R5

R3, R6

MSC 0402 – 500 Ом ±1% - 0,25 Вт

2

R3, R6

R7

MSC 0402 – 14Ом ±1% - 0,25 Вт

1

R7

Діоди

VD1-VD2

1N4148

2

VD1-VD2

С13

КМ5-5аМ75-33 пФ

1

С13