Микропроцессорные устройства

1.Техническое  задание

 

Разработать систему сбора и  обработки информации (СОИ), основной функцией которой является сбор информации с датчиков, контроль измеряемых параметров и сохранении измеренных значений.

 

Тип преобразователя	Номинальное сопротивление Ом	Диапазон рабочих температур 0С	Кол-во каналов	Вид развязки	Типовая выходная нагрузка
ТСМ	150	-260…1000	1	Гальваническая	RS232C Последов. порт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Введение

 

Современный этап развития человеческого общества характеризуется  все возрастающим проникновением электроники  во все сферы жизни и деятельности людей. Достижения в области электроники  в значительной мере способствуют успешному  решению сложнейших научно-технических проблем, повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования, разработки эффективных технологий и систем управления, получению материалов с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации и др.

Охватывая широкий круг научных, технических и производственных проблем, электроника опирается  на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит перед другими  науками и производством новые  задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, а с другой -вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования. Результаты изучения электронных процессов и явлений, а также исследования и разработка методов создания электронных приборов и устройств получают свое воплощение в многообразных средствах электронной техники, развитие которой происходит по двум тесно переплетающимся направлениям. Первая из них связана с созданием электронных приборов различного назначения, технологией их производства и промышленным выпуском, второе - с созданием на основе электронных приборов различных видов аппаратуры, систем и комплексов для решения сложнейших задач в области вычислительной техники, информатики, связи, радиолокации, телевидения, телемеханики, и многих других областях научной практической деятельности человека.

Достижения  электронной науки и техники  используются почти без исключения во всех областях человеческой деятельности. Ускоренными темпами электроника внедряется в научные исследования, промышленность,     на     транспорт,     в     связь,     сельское     хозяйство,

 

 

здравоохранение, культуру, быт, военное дело и др. средства электронной техники стали неотъемлемой частью сложных приборов и устройств  самого широкого назначения.

Применение МП в современных цифровых устройствах управления и обработки информации стало обыденной реальностью. Массовый выпуск микропроцессорных наборов больших интегральных схем (БИС) с широкими функциональными возможностями и низкой стоимостью обеспечила исключительные преимущества цифровым методам информации.

МП техника не только существенно расширяет возможности  автоматизации, но и позволяет использовать принципиально новые методы управления на основе математических моделей объектов управления. Широкое использование самых различных средств электронной техники стало естественным и неотъемлемым условием жизни людей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структурная схема  устройства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Структурная  схема устройства

 

Наша система сбора  и обработки информации в соответствии с поставленной задачей должна состоять из следующих узлов:

Датчик (Д). В нашем случае предназначен для измерения температуры жидких и газообразных сред, твердого тела. Сигналы с датчика поступают на нормирующий усилитель.

Нормирующий усилитель (НУ). Поскольку напряжение на датчике  мало, его необходимо усилить.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Необходим для преобразования измеренного значения напряжения на датчике в цифровой код и его  последующей передачи в микроконтроллер. С выхода АЦП сигналы поступают на схему гальванической развязки под действием управляющих сигналов.

Гальваническая развязка необходима для защиты микропроцессора. Устраняет непосредственную электрическую  связь цепей измерительного блока  и микроконтроллера.

Микроконтроллер (МПК). Выполняет функции считывания данных из АЦП и записи их в оперативную память микроконтроллера, передачу данных по каналу RS232 в ЭВМ.

Интерфейс RS-232С предназначен для подключения микроконтроллера к компьютеру(ЭВМ). Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами.

Память (П). Сюда записываются регистрируемые данные. Как только память заполнится, то из буфера сигналы передаются по последовательному порту RS232 в персональную ЭВМ для последующей обработки.

 

 

 

 

 

 

 

 

Принципиальная  электрическая схема.

 

Датчик

В качестве датчика используем термометр сопротивления медный (ТСМ) марки ТСМ 9203 разработчика и  изготовителя ОАО НПП Эталон.

Он предназначен для  измерения температуры жидких и газообразных сред, твердого тела.

 

Технические характеристики	ТСМ 9203
Диапазон измеряемых температур, °C	-50…+180
Номинальная статическая  характеристика (НСХ)	100М
Класс допуска	С
Показатель тепловой инерции, с	30
Степень защиты от пыли и воды	IP55
Материал защитной арматуры	Ст.12Х18Н10Т
Номинальное значение α, °Cˉ¹; (W100)	0,00428 (1,4280)
Диапазон условных давлений, мПа	0,4 ... 4,0
Устойчивость к вибрации	группа исп. N3
Вид климатического исполнения	УЗ, ТВ2, Т3

 

  

 

Схема соединения:

Термометр сопротивления  медный — датчик измерения температуры. Принцип действия основан на измерении  калиброванного медного сопротивления. Зависимость сопротивления датчика  от температуры — называется градуировка. В нашем случае градуировка 100М. В схеме подключения простейшего термометра сопротивления используется два провода. Такая схема используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление соединяющих проводов несколько искажает входной сигнал. При использовании такой схемы появляется возможность использования проводов длиной в 100 метров.

 

Преимущества  термометров сопротивления:

• Высокая точность измерений (обычно лучше ±1 °C), может доходить до 0,001 °C.
• Компенсация сопротивления линий при использовании 4-х проводной схемы измерений
• Практически линейная характеристика

 

Недостатки  термометров сопротивления:

• Низкий диапазон измерений (по сравнению с термопарами)
• Не могут измерять высокую температуру (по сравнению с термопарами)

Нормирующий усилитель

 

Выбираем  операционный  усилитель.   Так  как  напряжение  на  датчике намного ниже величины опорного напряжения, то для обеспечения использования всей разрядности оцифровки АЦП используем операционный усилитель. Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Выберем в качестве усилителя MAX409 фирмы Maxim. Это одноканальный операционный усилитель с униполярным питанием.

 

Отличительные особенности:

• Потребляемый ток в холостом режиме 1.2 мкА (макс)
• Диапазон униполярного напряжения питания от +2.5 В до +10 В
• Максимальное напряжение смещения 500 мкВ
• Типичное значение входного тока смещения ±0.1 пА
• Диапазон входных напряжений включает отрицательную шину питания

 

Области применения:

• Системы с автономным питанием
• Медицинское оборудование
• Электрометрические усилители
• Системы внутренней безопасности
• Предусилители фотодиодов
• Измерители pH

 

 

 

 

 

Расположение выводов:

                

 

 

I.C  не подключается.

IN(+)  не инвертированный  вход.

IN(-)  инвертированный  вход.

NULL  обнуление , подключаются к потенциометру.

V(+)  напряжение питания.

V(-)  напряжение питания

 

ИС MAX409 являются одно канальными, низковольтными, микромощными, прецизионными, операционными усилителями, разработанными для приложений с автономным питанием. Они обладают потребляемым током, менее 1.2 мкА на усилитель, который относительно постоянен, во всем диапазоне напряжений питания, что являет собой 15…20 – ти кратное улучшение, по сравнению со стандартными, широко – используемыми, микромощными ОУ. Уникальная реализация выходной ступени ОУ позволяет данным ОУ иметь ультра – малые потребляемые токи, при одновременном обеспечении линейности под нагрузкой. Имеют типичный диапазон 150 кГц, скорость нарастания напряжения 75 В/мс, и стабильное усиление 10 В/В, или более.

Расчет операционного  усилителя:

Известные данные:

Номинальное сопротивление 

• Ток мА (номинальный измерительный ток для ТС с номинальным сопротивлением (R0) 50 и 100 Ом по ГОСТ Р 8.625-2006).
• Номинальное сопротивление Ом.
• Напряжение питания датчика (термометра сопротивления) В.
• Минимальное напряжение срабатывания АЦП В.

 

Для понижения выходного напряжения с датчика поставим последовательно  в цепь с термометром сопротивления дополнительное сопротивление .

 

Расчет выходного напряжения датчика :

В;

Расчет дополнительного  сопротивления  :

;

кОм.

Расчет коэффициента усиления ОУ:

Резисторы ,

Для обеспечения  симметрии по дифференциальному  сигналу выбираем резисторы: Ом

Резисторы обратной связи  ,

кОм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

 

В последние годы в  микроконтроллерной технике получили широкое развитие микросхемы, управляемые  по последовательному каналу. Одной из

таких микросхем является экономичный, 8-ми разрядный, последовательный АЦП с однополярным питанием MAX1107.

 

Блок - схема:

                  

Расположение выводов:

 

                      

 

 

VDD - напряжение питания

IN(+)  не инвертированный  вход.

IN(-)  инвертированный  вход.

SHDN - вход отключения (инверсный), который позволяет отключать, цифровым сигналом нагрузку от источника питания и переводить АЦП в режим малого потребления при этом ток сокращается.

REFOUT - выход опорного напряжения

REFIN – вход опорного напряжения

GND – земля

DOUT - цифровой выход

SCLK - ножка синхронизации.

CONVST - Выборка входного сигнала и цикл преобразования

Отличительные особенности:

• Однополярное питание:

     - От +4.5 В до + 5.5 В (MAX1107)

• Низкий потребляемый ток:

96 мкА при +3 В и  25 К выборок/с 

0.5 мкА в режиме отключения (Power-Down Mode)

• Программируемая, с помощью выводов, конфигурация
• Диапазон напряжения входных сигналов от 0 В до VDD
• Встроенная система выборки/фиксации
• Встроенный источник опорного напряжения:

     - +4.096 В (MAX1107)

• диапазон входного напряжения ИОН от 1 В до VDD
• SPI/QSPI/MICROWIRE- совместимый последовательный интерфейс
• Малогабаритный корпус типа 10-pin µMAX