Разработка структурной схемы и обобщенного алгоритма работы прибора. Оценка максимальной погрешности линейного датчика давления и нормирующего усилителя. Разработка элементов принципиальной электрической схемы микропроцессорной системы сбора данных.
Аннотация к работе
Данные поступают с датчиков трех видов: - линейный датчик давления (ДДЛ); Аналоговые сигналы с ДДЛ и ДДН поступают в схему нормирования. После чего, аналоговые сигналы поступают в аналоговый мультиплексор, или же сразу поступают на вход аналогово-цифровой преобразователя (АЦП). На рисунке 1.1 представлена структурная схема системы сбора данных на базе микроконтроллера фирмы Atmel, с ядром AVR. Входные сигналы и сигналы, прошедшие через схему нормирования, для ДДЛ представлены на рисунке 2.4, а принципиальная схема нормирования аналоговых сигналов изображена на рисунке 2.3.На рисунке 2.4 представлена схема включения АЦП. Так же обязательно ко входу REF подключить ИОН, который также нуждается в электролитическом конденсаторе С9 и керамических конденсаторах C11 и C15, емкостью 10, 0,1 и 0,1 МКФ соответственно. ИОН нужен АЦП для того, чтобы входное напряжение сравнивалось с опорным напряжением, и на основании этой разницы формировался соответствующий цифровой сигнал на выходе, а напряжение равное опорному напряжению, кодировалось как цифровой 0 (начало отсчета). По диаграммам (рисунок 2.5) видно, что в начальный момент времени сигнал CS инициирует процесс преобразования и передачи данных. Во временных диаграммах используются следующие временные интервалы: - = 35 нс/мин.Погрешность АЦП складывается из аддитивной погрешности 6 МЗР, мультипликативной погрешности 2,5 МЗР, дифференциальной нелинейности 1 МЗР и интегральной нелинейности 0,25 МЗР. Погрешность АЦП находится по формуле: (10) где - это сумма всех погрешностей младшего значащего разряда; n - разрядность АЦП. Погрешность ИОН рассчитывается по формуле: (11) где IA - указанно в документации в разделе Initial Accuracy IA = [7].Аналогичным образом будет рассчитываться погрешность ДДН, но с учетом аппроксимации, рассчитанной в приложении А и коэффициентами характеристики самого датчика, рассчитанными в приложении Б. Вычисление реального максимального давления необходимо умножить на масштабирующий коэффициент для записи этого числа в МК. В результате, зависимость давления от кода примет вид: где PROVK - максимальный коэффициент К, рассчитанный в приложении Б; PROVB - максимальный коэффициент В, рассчитанный в приложении Б; код - максимально возможный код АЦП, в десятичной системе счисления; Подставляя значения в формулу (14), получаем: Далее находим максимальную погрешность вычислений по формуле: где Pmax - максимальное значение давления, указанное в задании. Подставляя значения в формулу (15), получаем: Общая максимальная погрешность прибора ДДН оценивается как сумма всех составляющих погрешностей и определяется по формуле (13): Как видно из расчетов, максимальные погрешности прибора ДДН не превышают установленного порога в 0,5 %.Значения потребляемого тока элементами схемы можно узнать из технической документации. Потребляемая мощность прибора определяется по формуле: , (16) где Рп - потребляемая мощность отдельного элемента прибора; Іп - ток потребляемый отдельным элементом прибора;Интенсивности отказов элементов зависят от электрической нагрузки, температуры окружающей среды и других факторов, учитываемых с помощью поправочных коэффициентов. Интенсивность отказов элементов i-го типа определяется по формуле: , (17) где ?0 i - интенсивность отказов данного типа элементов при номинальной электрической нагрузке и нормальных условиях эксплуатации, 1/ч; ?i - коэффициент, учитывающий влияние температуры окружающей среды и электрической нагрузки элемента (принимаем ?i = 1); k2 - коэффициент, учитывающий влияние климатических факторов (система будет эксплуатироваться при влажности окружающей среды 60 - 70 % и температуре 20 - 40 °С, следовательно, k2 = 1); k3 - коэффициент, учитывающий влияние пониженного атмосферного давления (система будет эксплуатироваться в наземном помещении, следовательно, k3 = 1).При включении питания МК выполняет подпрограмму инициализации, в которой задается указатель стека, настраиваются линии портов и происходит настройка модуля USART. Далее, до момента выключения питания, МК выполняет основную программу, состоящую из описанных ниже действий. Первоначально МК настраивает АЦП, посылая определенные комбинации бит по линии DIN. Далее выполняется подпрограмма умножения и сложения коэффициентов К и В линейного датчика.В данном курсовом проекте была спроектирована микропроцессорная система сбора данных, которая удовлетворяет поставленным условиям. Максимальная приведенная погрешность всей схемы не будет превышать значения ?maxн = При оценке погрешности принимались наихудшие характеристики работы отдельных компонентов, поэтому реальная погрешность будет намного меньше. Значение потребляемой мощности составляет 133,945 МВТ, а потребляемый ток не превышает тока нагрузки источника напряжения.Вычисляем максимальное и минимальное напряжение при максимальном и минимальном давлении. Разбиваем исходную характеристику датчика ДДН на 16 интервалов по напряжению. Дальше вычисляем функцию P(U) и получаем значения давления по значениям напряжения в заданных г
План
Содержание
Введение
Задание на курсовой проект
1. Разработка структурной схемы и обобщенного алгоритма работы прибора
2. Разработка и расчет элементов принципиальной электрической схемы
5 Разработка программного кода, на языке ассемблера
Заключение
Приложения
Введение
Цель курсового проекта - проектирование микропроцессорной системы сбора данных (МССД), на базе микроконтроллера (МК) Atmega8515 [1] от фирмы ATMEL с ядром AVR. Данные поступают с датчиков трех видов: - линейный датчик давления (ДДЛ);
- нелинейный датчик давления (ДДН);
- датчик контроля давления (ДКД).
Аналоговые сигналы с ДДЛ и ДДН поступают в схему нормирования. После чего, аналоговые сигналы поступают в аналоговый мультиплексор, или же сразу поступают на вход аналогово-цифровой преобразователя (АЦП).
Дальше все данные оцифровываются и передаются в компьютер (ПК) через буфер RS232.
Основным элементом МССД является МК Atmega8515. Это 8-битный микроконтроллер. Он имеет: - RISC архитектуру;
- встроенный таймер-счетчик;
- интерфейс USART;
- сторожевой таймер;
- общее количество выводов - 44.
Задание на проектирование
Основные технические характеристики устройства: - количество линейных датчиков - 1;
Коэффициенты статистической характеристики а1 = 0,492, а0 = - 9,76.
Диапазон измерения давления от 0 до 40 КПА. Максимальная погрешность датчика 0,05 %. Требуемая погрешность измерений 0,25 %.
ДКД2 имеет характеристики: - активный логический уровень - 1;
- выходное напряжение логического нуля - от минус 5 до минус 4,5 В;
- выходное напряжение логической единицы - от 4,5 до 5 В;
- максимальный выходной ток для логического нуля - 25 МА;
- максимальный выходной ток для логической единицы - 10 МА.
Устройство работает на базе АЦП - MAX1282BEUE, супервизора - MCP100_XTT, буфера RS232 - ADM206EAR, микроконтроллера - Atmega8515-16AI, операционного усилителя - AD8532ARU.
1. Структурная схема и обобщенные алгоритмы работы
На рисунке 1.1 представлена структурная схема системы сбора данных на базе микроконтроллера фирмы Atmel, с ядром AVR.
Рисунок 1.1 - Структурная схема системы сбора данных
С датчиков давления ДДЛ и ДДН поступают аналоговые сигналы в совершенно разном диапазоне. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) MAX1282BEUE [2] имеет входной диапазон от 0 до 2,5 В. Чтобы выходной сигнал с датчиков давления совпадал с входным диапазоном АЦП, нужно поставить схему нормирования.
АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой код и передает его в микроконтроллер (МК). МК вычисляет значение давления поданного на вход ДДН или ДДЛ. После этого, МК опрашивает датчики контроля давления (ДКД), на выходе которых могут быть либо логические ноли, либо логические единицы. Чтобы МК смог обработать данные, нужно преобразовать сигнал с ДКД в такой формат, который поймет МК. Это осуществляется через гальваническую развязку (ГР).
Все данные, которые поступили в МК с датчиков ДДЛ, ДДН и ДКД, сохраняются в оперативной памяти МК. Когда собран весь пакет данных, он пересылается в персональный компьютер через буфер RS232, если поступил запрос с ПК. микропроцессорный датчик усилитель данные
На рисунке 1.1 приняты следующие сокращения: - РВП - разъем внутрисхемного программирования;
- СВ - супервизор;
- ГТИ - гениратор тактовых импульсов;
- ИОН - источник опорного напряжения.
2. Описание работы элементов принципиальной схемы
В целом вся принципиальная электрическая схема микропроцессора сбора данных представлена на листе в графической части 1.
2.1 Схема блока питания
На рисунке 2.1 представлена схема блока питания.
Рисунок 2.1 - Схема блока питания
Блок питания формирует питание всей цепи. Без него не будет работать ни один прибор в схеме. Состоит он из стабилизатора напряжения, диодного моста (выпрямитель) и из конденсаторов (керамические и электролитический).
Диодный мост выпрямляет переменное напряжение. Конденсатор C2, емкостью 10 МКФ, используется для фильтрации сигнала поступающего от источника питания. Линейный стабилизатор понижает напряжение с 10 В на входе до 5 В на выходе. Так же на выходе стабилизатора устанавливаются керамический конденсатор С8, емкостью 0,1 МКФ и электролитический конденсатор С10, емкостью 0,1 МКФ для уменьшения помех на выходе блока питания.
2.2 Схема нормирования
На рисунке 2.2 представлена схема нормирования.
Схема нормирования нужна для того, что бы сопоставить аналоговые сигналы с датчиков давления с входным уровнем АЦП. Резисторы R1 и R3, для ДДЛ, номиналом 10 КОМ и резистор R4, номиналом 1,6 КОМ, являются делителем напряжения. R3 и R4 нужны для того, чтобы выходное напряжение (от минус 9,76 до 9,92 В) преобразовать в напряжение от 0 до 2,5 В.
Рисунок 2.2 - Схема нормирования
Резистор R2 = R5 = 1 КОМ. Резистор R5 служит делителем напряжения. Так же как и в случае с ДДЛ, резистор R5 является делителем напряжения, преобразуя входной аналоговый сигнал (от 0 до 5 В) в напряжение от 0 до 2,5 В.
После преобразования, все сигналы отправляются в усилитель AD8532ARU [1]. Для работоспособности операционного усилителя обязательно потребуется керамическая конденсатор С1, емкостью 0,1 МКФ, установленный между выводами питания.
В среде разработки ORCAD 9.2 была составлена принципиальная схема нормирования и проведен анализ сигналов. Входные сигналы и сигналы, прошедшие через схему нормирования, для ДДЛ представлены на рисунке 2.4, а принципиальная схема нормирования аналоговых сигналов изображена на рисунке 2.3. Принципиальная схема нелинейного датчика давления и схемы нормирования показана на рисунке 2.5.
Входные сигналы и сигналы, прошедшие через схему нормирования, для ДДН представлены на рисунке 2.6.
Рисунок 2.6 - Сигналы до и после схемы нормирования, для ДДН
2.3 Гальваническая развязка
На рисунке 2.7 представлена схема гальванической развязки.
В самых различных устройствах и системах, например промышленных системах управления, источниках питания, линиях связи, между компьютерами данные в последовательном виде передаются по различным интерфейсам.
Рисунок 2.7 - Схема гальванической развязки
Каждое из подключаемых устройств обычно имеет свой собственный блок питания и устройства, зачастую находятся на большом расстоянии друг от друга, поэтому обычно в таких случаях требуется гальваническая развязка, функции которой разрыв, общей земляной цепи, защита всей системы от высоковольтных переходных процессов, уменьшение помех и искажений сигналов, а также увеличение степени электробезопасности.
Данные, поступающие с ДКД обязательно должны пройти через гальваническую развязку (ГР), чтобы получить нужный формат данных, который воспримет МК.
В ГР присутствует оптопара, которая состоит из светодиода и фотоприемника (фототранзистора). Нужна она для того, что бы получить аналоговый сигнал, в диапазоне от 0 до 2,5 В, на выходе. Так как форма изначального аналогового сигнала может быть непредсказуемой.
Принцип действия оптопары, основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, а в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.
Полученный сигнал проходит через триггер Шмитта, тем самым мы получаем либо логическую единицу, либо логический ноль.
Триггер Шмитта - это компонент электронного устройства, функция которого является формирование постоянно изменяющегося сигнала на входе в серию прямоугольных импульсов на выходе.
Вывод
В данном курсовом проекте была спроектирована микропроцессорная система сбора данных, которая удовлетворяет поставленным условиям.
Максимальная приведенная погрешность всей схемы не будет превышать значения ?maxн = При оценке погрешности принимались наихудшие характеристики работы отдельных компонентов, поэтому реальная погрешность будет намного меньше.
Значение потребляемой мощности составляет 133,945 МВТ, а потребляемый ток не превышает тока нагрузки источника напряжения. Рассчитав значения надежности элементов прибора, получили (1/ч).
При проектировании прибора были использованы разработки фирмы "Atmel", а также получен навык разработки устройства сбора данных.
В ходе работы использовались возможности различных программ, таких как MATHCAD, KOMPAS 3D V12 и ORCAD. Для написания программы на языке программирования ассемблер, для микроконтроллера ATMEGA8515, использовалась программа AVR Studio 4.
Была разработана принципиальная электрическая и структурная схема микропроцессорной системы сбора данных на базе микроконтроллера ATMEGA8515, с ядром AVR.
Также был проведен Расчет коэффициентов аппроксимации для нелинейного датчика давления. Сделан расчет коэффициентов вычисления давления для нелинейного датчика.