close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

курс2

код для вставкиСкачать
 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ И НАУКЕ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ"
Факультет(филиал) ПР специальность (направление) 200101
Кафедра ПР1 "Приборы и информационно-измерительные системы"
Дисциплина Микропроцессорная измерительная техника
Пояснительная записка к курсовому проекту на тему: Разработка микропроцессорной системы сбора данных на базе микроконтроллера AVR фирмы ATMEL
Студент О.К. Мигдалев подпись, дата Группа ПР-1-08-01Д шифр 08062
Обозначение проекта (работы) КП-2068752-200101-ПР1-19-12
Отчёт защищён на оценку
Отчёт проверил(а): О.В. Москаленко
подпись, дата МОСКВА 2012 г
Содержание
Введение.......................................................................................................4
Техническое задание на проектирование...............................................................5
1 Разработка структурной схемы и обобщенного алгоритма работы прибора..7
Техническое задание на проектирование
В данном курсовом проекте требуется разработать микропроцессорную систему сбора данных. Для этого необходимо разработать структурную схему прибора и алгоритм его работы, разработать и рассчитать элементы принципиальной электрической схемы, разработать алгоритм вычислений линейного и нелинейного датчиков давления и реализовать его на языке Assembler для МК ATmega8535, а также рассчитать мощность, погрешность и надежность системы.
Исходные данные. Вариант 12. Линейный датчик давления (ДД62) имеет следующую линейную характеристику:
U(P) = a1·P + a0, (1)
где a1 = 9,88 и a0 = 0 - коэффициенты статической характеристики линейного датчика давления.
Диапазон измерения давления ДД62 лежит в пределах от 0 до 0,25 кПа. Собственная погрешность датчика составляет 0,05 %. Нелинейный датчик давления (ДД12) имеет следующую линейную характеристику:
U(P) = a3 · P3 + a2 · P2 + a1 · P + a0, (2)
где a3= -0,007, a2= 0,0415, a1= 0,561, a0= 0,003 - коэффициенты полинома, аппроксимирующего статическую характеристику датчика.
Диапазон измерения давления ДД12 лежит в пределах от 0 до 4 кПа. Собственная погрешность датчика составляет 0,05 %. Датчик контроля давления ДКД5 в количестве 5 шт. имеет следующие 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 при логическом нуле 15 мА. Максимальный выходной ток при логической единице 10 мА.
При разработке микропроцессорной системы сбора данных используются следующие микросхемы: микросхема операционного усилителя LT6010AS8, микросхема АЦП ADS7841, супервизор MAX811, приемопередатчик ADM222AN, источник опорного напряжения ADR293ER, оптронная пара TLP523, триггер Шмитта 74HC14, диодный мост DB103S и стабилизатор напряжения L78M05CV.
Требуемая погрешность измерения не должна превышать 0,25 %.
1 Разработка структурной схемы и обобщенного алгоритма работы прибора
На рисунке 1 представлена структурная схема прибора.
Рисунок 1 - Структурная схем системы сбора данных
Принцип работы микропроцессорной системы сбора данных заключается в следующем. После того, как ДДЛ преобразует давление, поданное на его вход, он формирует на выходе аналоговый сигнал, являющийся прямо пропорциональным поданному давлению. Так как диапазон выходного напряжения датчика не соответствует опорному напряжению АЦП, на его выходе устанавливается нормирующий усилитель (НУ), задачей которого является приведение аналогового сигнала к входному диапазону АЦП. Аналогично происходит нормирование сигнала, поступающего с выхода ДДН. В системе сбора данных (ССД) присутствуют два датчика давления, сигналы с которых необходимо подать на вход АЦП. В данном варианте реализации системы, АЦП обладает встроенным мультиплексором, поэтому вводить в схему дополнительные элементы не нужно.
За формирование стабильного опорного напряжения для АЦП отвечает источник опорного напряжения (ИОН). Для опроса ДДЛ МК инициирует запуск аналого-цифрового преобразования, после окончания которого считывает полученный код из АЦП, вычисляет значение давления и сохраняет его в ячейках памяти (ЯП) ОЗУ. Аналогично опрашиваются ДДН и ДКД: вычисленные значения давления сохраняются в следующих ЯП ОЗУ. Если давление на входе ДКД превышает заданное значение, на его выходе появляется активный сигнал (логический уровень 1). Таким образом формируется посылка, которую МК отправляет из ячеек ОЗУ в ПК, если от последнего поступает соответствующий запрос. Гальваническая развязка служит для защиты МК и преобразования уровней логических сигналов, поступающих с ДКД. Буфер RS-232 осуществляет преобразование напряжений логических уровней МК в напряжения логических уровней интерфейса RS-232 и обратно - это необходимо для обмена данными между МК и компьютером по данному интерфейсу. То, с какой скоростью работает МК, зависит от тактовых импульсов, поступающих с ГТИ. Контроль уровней напряжения питания, поступающих на МК, осуществляется с помощью супервизора питания (СП) - при падении напряжения питания ниже номинального значения, СП немедленно переводит МК в режим сброса. Использование разъема внутрисхемного программирования (РВП) позволяет записывать программы в МК, не извлекая его из устройства.
Формирование напряжения питания для всех элементов схемы осуществляет блок питания (БП).
2 Разработка и расчет элементов принципиальной электрической схемы
2.1 Расчет диапазона выходного напряжения линейного и нелинейного датчиков давления
Необходимо рассчитать диапазон выходного напряжения для ДДЛ. Для этого, подставив в формулу (1) максимальное и минимальное значения давления Р в соответствии с заданием, можно получить:
UДДЛmin = 9,88 · 0 - 0 = 0 В,
UДДЛmax = 9,88 · 0,25 - 0 = 2,47 В.
Таким образом, напряжение на выходе линейного датчика давления меняется в диапазоне от 0 до 2,47 В.
Также требуется рассчитать диапазон выходного напряжения для ДДН. Для этого, подставив в формулу (2) максимальное и минимальное значения давления Р в соответствии с заданием, можно получить:
UДДНmin = -0,007 · 0 + 0,0415 · 0 + 0,561 · 0 + 0,003 = 0,003 В,
UДДНmin = -0,007 · 64 + 0,0415 · 16 + 0,561 · 4 + 0,003 = 2,463 В.
Таким образом, напряжение на выходе ДДН меняется в диапазоне от 0,003 до 2,463 В.
2.2 Описания микросхем и примеры их подключения
2.2.1 Операционный усилитель В качестве операционного усилителя (ОУ) использована микросхема LT6010. Данная микросхема может работать при напряжении питания от 2,7 до ± 18 В, в температурном диапазоне от минус 40 до 85 ; в данном проекте микросхема работает от однополярного напряжения 5 В.
Схема подключения микросхемы представлена на рисунке 2. Рисунок 2 - Схема подключения микросхемы LT6010
С помощью пакета моделирования электронных схем OrCad Family Release 9.2 необходимо разработать нормирующий усилитель (НУ) на базе заданного операционного усилителя. НУ должен согласовать диапазоны выходных напряжений ДДЛ и ДДН с диапазоном входных напряжений АЦП. Так как в стандартной библиотеке элементов отсутствует ОУ LT6010, при моделировании схемы используется модель идеального ОУ OPAMP [2]. Выходной диапазон напряжения линейного датчика давления ДД62 лежит в пределах от 0 до 2,47 В, а входной диапазон напряжения АЦП определяется значением выходного напряжения источника опорного напряжения (ИОН) и составляет от 0 до 2,5 В, - следовательно, между выходом датчика и входом АЦП необходимо включить НУ, схема которого показана на рисунке 3. С помощью источника напряжения V4, напряжение которого составляет 5 В, и резистора, значение сопротивления которого подобрано по ряду сопротивлений Е96, можно привести диапазон выходного напряжения НУ к значениям, близким 0 и 2,5 В.
Рисунок 3 - Модель нормирующего усилителя для датчиков давления
Для моделирования схемы используется анализ DC Sweep, параметры которого для ДДЛ приведены на рисунке 4.
Рисунок 4 - Параметры анализа DC Sweep для ДДЛ
Результаты моделирования для ДДЛ отображены на рисунке 5.
Рисунок 5 - Результаты моделирования ДДЛ
Модель нормирующего усилителя для ДДН выглядит аналогично модели, представленной на рисунке 3. Однако параметры анализа DC Sweep следует установить такими, как указано на рисунке 6. Полученные результаты моделирования для ДДН представлены на рисунке 7.
Рисунок 6 - Параметры анализа DC Sweep для ДДН
Рисунок 7 - Результаты моделирования ДДН
2.2.2 Источник опорного напряжения
Схема подключения ИОН ADR291ER представлена на рисунке 8. Источник опорного напряжения необходим для работы аналого-цифрового преобразователя: на вход Vin ИОН подается 10 В, что позволяет получить на его выходе Vout напряжение VRef = 2,5 В, которые поступают на вход REF АЦП. ИОН выдает высокоточное напряжение 2,5 В, которое практически не изменяется под воздействием температуры, работает в расширенном промышленном диапазоне температур от минус 40 до 125 , а также обладает высокой стабильностью (выходные значения напряжения колеблются в диапазоне от 2 до 6 мВ). В целях подавления помех, препятствующих корректной работе микросхемы, необходимо подключить конденсаторы между входом Vin и землей: С3 - электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ и С6 - керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Также необходим конденсатор C13 между выводом Vout и землей емкостью 0,1 мкФ. Рисунок 8 - Схема подключения микросхемы ADR291ER
2.2.3 Аналого-цифровой преобразователь
В качестве АЦП в данном курсовом проекте используется микросхема ADS7841. Она представляет собой 12-разрядный АЦП, со встроенным аналоговым мультиплексором. Диапазон входного напряжения ADS7841 от 2,7 до 5 В, в данном проекте микросхема питается от источника питания 5 В. Для корректной работы микросхемы необходимо подать на оба входа +Vcc 5 В соединив их с землей через 2 параллельно подключенных конденсатора: электролитического С2 и керамического С5 с емкостями 1 и 0,1 мФ соответственно, а на вход GND - 0 В. На вход VREF поступает напряжение 2,5 В, выданное ИОН; к этому входу также необходимо подключить керамический конденсатор. Выводы DCLK, BUSY, DIN, DOUT и инверсный выход CS подключаются к линиям PA3 - PA7 микроконтроллера. На выводы COM, MODE для корректной работы необходимо подать логический 0, а на инверсный SHDN логическую 1 (COM = 0, режим одиночного преобразования входных напряжений; MODE = 0, выбор 12-битного преобразования сигнала; инверсный SHDN = 1, для отключения режима снижения напряжения питания между выполнением преобразований АЦП).
Схема подключения ADS7841 представлена на рисунке 9.
Рисунок 9 - Схема подключения ADS7841
Временные диаграммы работы АЦП показаны на рисунке 10.
Рисунок 10 - Временные диаграммы работы АЦП
2.2.4 Микроконтроллер ATmega8535
Микроконтроллер ATmega8535 - основной компонент системы сбора данных: он осуществляет приём, обработку и передачу данных в соответствии с программой, написанной оператором на языке Assembler. Скорость работы ATmega8535 лежит в диапазоне от 0 МГц до 16 МГц; 512-байтная память EEPROM поддерживает 100 000 циклов записи/стирания. МК имеет в своем составе 32 регистра общего назначения. Схема подключения микросхемы МК представлена на рисунке 11. Для корректной работы МК необходимо подключить кварцевый резонатор к выводам XTAL1 и XTAL2. Также между этими выводами и землей подключаются керамические конденсаторы. Между выводом питания и землей включен конденсатор с целью подавления различных помех.
К выводам SCK, MISO, MOSI порта В МК, подключается разъем программирования. Выходы датчиков контроля давления подключены к линиям PB0 - PB4 порта B МК. Если давление находится на допустимом уровне, на этих линиях присутствует логический ноль, при превышении давления появляется логическая единица. К инверсному выводу RESET МК подключен вывод 2 супервизора питания.
К выводам PA7 - PA3 порта А МК, подключен АЦП.
Линии TxD и RxD порта D подключаются к линиям передатчика и приемника модуля USART соответственно.
На выводы Vcc МК подается напряжение питания 5 В, а выводы GND подключающиеся к земле, между ними подключается конденсатор С14. Остальные выводы МК при разработке системы сбора данных не задействованы - их можно оставить неподключенными, т. к. они могут быть отключены программно.
Рисунок 11 - Схема подключения микроконтроллера ATmega8535
Названия и назначение выводов МК и подключенных к ним выводов микросхем приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Названия и назначение выводов МК и подключенных к ним выводов микросхем
№ вывода
МКНазвание
Вывода МК№ вывода
микросхемыНазвание вывода
микросхемыОписаниеАЦП34РА316DCLK33PА415CSЛиния данных32PА514DINЛиния данных31PА613BUSYЛиния данных30PА712DOUTЛиния данныхБуфер RS-2329RxD12T1INЛиния входа
передатчика 110TxD13R1OUTЛиния выхода
приемника 1Супервизор4RESET2RESETЛиния формирования
сигнала сброса для МКРазъем внутрисхемного программирования3SCK3SCKВывод тактовых сигналов программатора2MISO1MISOЛиния передачи данных от МК1MOSI4MOSIЛиния передачи данных от программатораГальваническая развязка40PB010-Линия ввода/вывода41PB18-Линия ввода/вывода42PB26-Линия ввода/вывода43PB34-Линия ввода/вывода44PB42-Линия ввода/вывода
2.2.5 Супервизор питания
Микросхема супервизора MAX811 необходима для корректного запуска микроконтроллера при подаче напряжения питания. Она имеет инверсный вход ручного сброса MR, к которому в данном проекте подключается кнопка.
На вход Vcc микросхемы необходимо подать 5 В. Схема подключения микросхемы представлена на рисунке 12.
Рисунок 12 - Схема подключения микросхемы MAX811
2.2.6 Буфер RS-232
Микросхема буфера связи ADM222AN служит для согласования сигналов логических уровней микроконтроллера с сигналами логических уровней ПК, соответствующих протоколу RS-232. Работает ADM222AN от однополярного питания 5 В, также требуется подать 5 В на инверсный выход SHDN. Для правильной работы микросхемы необходимо подключить между выводами 2, 4 и 5, 6 керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ. Также необходимо подключить еще три керамических конденсатора емкостью 0,1 мкФ между входами Vcc, V+ и V- и землей. Неиспользуемые входы T2in и R2in необходимо подключить к земле.
Схема подключения микросхемы представлено на рисунке 13.
Рисунок 13 - Схема подключения микросхемы ADM222AN
2.2.7 Гальваническая развязка
Для передачи энергии между участками электрической цепи без обеспечения между ними электрического контакта и для защиты цепей от слишком больших токов, приводящих к сбоям в работе системы и ухудшению качества сигнала, используется гальваническая развязка. Прибор, обеспечивающий развязку, искусственно ограничивает передачу энергии из одной части цепи в другую. В качестве такого устройства используется оптронная пара, представляющая собой микросхему, состоящую из излучателя света и фотоприёмника, связанных друг с другом оптически и помещенных в общем корпусе с любыми видами оптической и электрической связи между ними. В данном курсовом проекте функции гальванической развязки выполняет оптронная пара TLP523.
Используемые в схеме триггеры Шмитта необходимы для преобразования аналоговых импульсов, приходящих с ДКД, в цифровые импульсы с чётко выраженными фронтами. Для корректной работы микросхемы триггера Шмитта ее вывод 14 следует подключить к питанию 5 В через керамический конденсатор, а вывод 7 - к земле.
Схема подключения оптронной пары TLP523 изображена на рисунке 14.
Рисунок 14 - Схема подключения гальванической развязки
Необходимо вычислить значение резистора R3, указанного на рисунке 14, по формуле:
,(3)
где - максимальное значение напряжения на датчике, равное 5 В;
- значение тока потребления оптрона, равное 0,016 А;
- значение напряжения питания оптрона, равное 1,15 В;
R3 - значение сопротивления резистора, Ом.
Подставляя известные значения в формулу 3, получаем значение сопротивления на резисторе R3:
,
Ом.
2.2.8 Цепь питания
Схема цепи питания представлена на рисунке 15. Она состоит из диодного моста DB103S и стабилизатора напряжения L78M05CV.
Стабилизатор напряжения обеспечивает выходное напряжение 5 В и выходной ток 0,5 А; имеет защиту от тепловой перегрузки и защиту от короткого замыкания.
В качестве диодного моста используется микросхема DB103S, необходимая для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный. На входы ( ~ ) схемы подаётся переменное напряжение. В каждый из полупериодов ток проходит только через пару диодов, 2 других - заперты; такое выпрямление называется двухполупериодным. Для сглаживания пульсаций при подключении цепи питания необходимо установить электролитические конденсаторы С7 и С8 емкостью 1 мкФ и 10 мкФ соответственно. Также устанавливается керамический конденсатор С12 емкостью 0,1 мкФ для подавления переменных составляющих по линии питания.
Рисунок 15 - Схема цепи питания
3 Расчет потребляемой мощности и надежности
3.1 Расчет потребляемой мощности
Необходимо определить мощность, потребляемую всеми микросхемами. Для этого составим сводную таблицу мощностей (таблица 2).
Мощность потребителя определяется по формуле:
P = I · U · n, (4)
где: I - потребляемый микросхемой ток;
U - напряжение питания микросхемы;
n - количество микросхем данного типа.
Таблица 2 - Расчет потребляемой микросхемами мощности
№
Микросхема
Iп, [мА]
Количество
Uп, [В]Потребление всех
микросхем одного типа,
[мВт]1LT60100,2125142ADR291ER0,0181100,123ADS78410,551544MAX8110,015150,255ATmega853511152006ADM222AN13150,57TLP5231625400874HC1450150,59DB103S0,011-10L78M05CV130 Итого 649,745
Таким образом, для работы системы сбора данных потребуется источник питания с выходной мощностью не менее 649,745 мВт.
3.2 Расчет надежности
Необходимо определить надежность. Для этого составим сводную таблицу надежности (таблица 3). Интенсивность отказов элементов i-го типа определяется по формуле:
,(5)
где - интенсивность отказов данного типа элементов при номинальной
электрической нагрузке и нормальных условиях эксплуатации;
- коэффициент, учитывающий влияние температуры окружающей среды и электрической нагрузки элемента;
- коэффициент, учитывающий влияние механических факторов;
- коэффициент, учитывающий влияние климатических факторов;
- коэффициент, учитывающий влияние пониженного атмосферного давления.
Таблица 3 - Расчет надежности
Тип элемен-таЧисло элемен-товКоэффи-циент нагрузки
1/ч1/ч,
1/ч,
1/чМикро-схема1150,220,35Резис-торы140,210,2Кон-ден-саторы380,210,28Диоды120,210,77Кнопка20,211Ста-
били-троны360,2170,2180,214 Разработка алгоритма вычислений
4.1 Расчет коэффициентов для линейного датчика давления
Значение давления передаваемого в МК, с линейного датчика давления, определяется по формуле:
,(6)
где = 2,47 - максимальное значение выходного напряжения ДДЛ, В;
= 0 - минимальное значение выходного напряжения ДДЛ, В;
a1 = 9,88 и a0 = 0 - коэффициенты статической характеристики линейного датчика давления;
код - код АЦП, соответствующий значению давления;
n = 12 - разрядность АЦП.
Реальное значение передаваемого давления, определяется по формулам:
,(7)
,(8)
,(9)
гдеА - масштабирующий коэффициент АЦП, равный ;
= - максимальный возможный код АЦП.
Погрешность передаваемого значения давления в МК, вычисляется по формуле:
.(10)
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
81
Размер файла
526 Кб
Теги
курс
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа