Разработка микропроцессора для беговой дорожки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Список принятых буквенных обозначений

Введение

Выбор функциональной схемы

Выбор элементной базы

Разработка принципиальной схемы устройства

Разработка программного обеспечения

Заключение

Список литературы

Список принятых буквенных обозначений

Электрическое сопротивление……………………………………R,r

Электрическое напряжение……………………………………….U

Время…………………………………………………………………t

Скорость……………………………………………………………..V

Диаметр окружности……………………………………………….D

Математическая константа……………………………………….р

Введение

Целью работы является разработка устройства, позволяющего оценить скорость движения беговой дорожки, и передачей полученных данных на ПК с помощью COM порта. Скорость должна рассчитываться исходя из скорости вращения вала беговой дорожки.

Особенностью разработки является использование имеющихся компонентов и обеспечение максимальной надежности системы, питание системы не должно превышать 5 вольт. Ожидаема скорость вращения вала от 2 до 15 м/мин.

Выбор функциональной схемы

Функциональная схема устройства включает в себя 3 основных блока:

1.Устройство получения сигнала.

2.Устройство обработки и передачи данных.

3.Устройство получения и вывода обработанных данных.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1Функциональна схема

В качестве устройства получения и вывода обработанных данных, используется ПК. Устройством обработки и передачи данных является микропроцессор совместно с микросхемой преобразования USB-UART, для осуществления двусторонней связи с ПК.

В качестве устройства получения сигнала рассматриваются 3 варианта:

Вариант 1.

Использования замыкающего геркона в цепи внешнего прерывания микропроцессора.

Рис 2 Схема с использованием геркона

Принцип работы схемы:

Рис 3 Крепление магнита на вал беговой дорожки

На вал беговой дорожки снаружи крепиться магнит, напротив которого устанавливается замыкающий геркон. При прохождении магнита мимо геркона, геркон замкнет цепь, что вызовет внешнее прерывание микроконтроллера.

Плюсы:

-простота схемы

-низкая стоимость

Минусы:

-низкая надежность

-геркон должен располагаться на очень коротком расстоянии с магнитом

Вариант2.

Использование датчика холла.

Принцип работы схемы:

На вал беговой дорожки снаружи крепиться магнит, напротив которого устанавливается датчик холла, прохождение магнита мимо датчика приведет к изменению сигнала на ножке выхода. Сигнал на ножке вывода будет иметь либо логический уровень, при использовании цифрового датчика холла, либо аналоговый сигнал, в случае применения аналогового датчика.

Плюсы:

-Высокая стабильность и надежность работы

-Более высокая чувствительность к изменению магнитного поля.

Минусы:

-Более высока стоимость

-Необходимость использования компаратора ( для аналогового датчика холла)

-Более высока сложность схемы

Вариант 3:

Использование энкодера (датчика угла поворота). Энкодеры в свою очередь подразделяются на инкрементальные и абсолютные.

Инкрементальные энкодеры предназначены для определения угла поворота вращающихся объектов. Они генерируют последовательный импульсный цифровой код, содержащий информацию относительно угла поворота объекта. Если вал останавливается, то останавливается и передача импульсов. Основным рабочим параметром датчика является количество импульсов за один оборот. Мгновенную величину угла поворота объекта определяют посредством подсчёта импульсов от старта. Для вычисления угловой скорости объекта процессор в тахометре выполняет дифференцирование количества импульсов во времени, таким образом показывая сразу величину скорости, то есть число оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга (парафазные импульсы), что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.

Абсолютные энкодеры, как оптические, так и магнитные имеют своей основной рабочей характеристикой число шагов, то есть уникальных кодов на оборот и количество таких оборотов, при этом не требуется первичной установки и инициализации датчика. Поэтому абсолютные энкодеры не теряют свою позицию при исчезновении напряжения.

Наиболее распространённые типы выходов сигнала -- это код Грея, параллельный код, интерфейсы Profibus-DP, CANopen, DeviceNet, SSI, LWL, через которые также осуществляется программирование датчиков.

Абсолютный энкодер относится к типу энкодеров, который выполняет уникальный код для каждой позиции вала. В отличие от инкрементного энкодера, счетчик импульсов не нужен,т.к. угол поворота всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал как во время вращения, так и в режиме покоя. Диск абсолютного энкодера отличается от диска пошагового энкодера, так как имеет несколько концентрических дорожек. Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.

Рис 4 Кодовый диск абсолютного энкодера

Абсолютный энкодер не теряет своего значения при потере питания и не требует возвращения в начальную позицию. Сигнал абсолютного энкодера не подвержен помехам и для него не требуется точная установка вала. Кроме того, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан энкодером если, например, вал вращается слишком быстро, правильный угол вращения будет зарегистрирован, когда скорость вращения уменьшится. Абсолютный энкодер устойчив к вибрациям.

Рис 5 Устройство однооборотного энкодера

Плюсы:

-Высока надежность

-Высокая точность получаемых данных

Минусы:

-Сложность монтажа

-Высокая стоимость

-Сложность обработки сигнала( относительно других вариантов).

Выбор был сделан в пользу варианта №2, так как повышенная надежность системы является одним из основных требований, так же выбор был сделан исходя из условий использования компонентов, имеющихся в наличии.

Выбор элементной базы

Элементная база состоит из имеющихся в наличии компонентов. В нее входят:

-аналоговый датчик холла SS49 HONEY

Биполярный датчик холла с напряжением питания от 4 до 10 В, что удовлетворяет условиям ограничения напряжения питания системы.

-сдвоенный компаратор LM393P

Компаратор в DIP корпусе с напряжением питания от 4 до 30 В, удовлетворяет условиям ограничения напряжения питания системы, так же имеет малое время задержки 300нс и малый ток потребления 1мА.

-резисторы (любые требующиеся значения)

В наличии имеются резисторы в SMD исполнении размера 0805.

-конденсаторы (любые требующиеся значения)

В наличии имеются керамические и танталовые конденсаторы, используемые для ослабления воздействия внешних наводок и минимизации дребезга контактов.

-платформа Arduino nano v.3

Имеющееся в наличии платформа на базе микроконтроллера ATmega328 с внешним кварцем на 16МГц и устройствами осуществления связи с ПК.

На платформе Arduino Nano установлено несколько устройств для осуществления связи с компьютером, другими устройствами Arduino или микроконтроллерами. ATmega328 поддерживает последовательный интерфейс UART TTL (5 В), осуществляемый выводами 0 (RX) и 1 (TX). Установленная на плате микросхема FTDI FT232RL направляет данный интерфейс через USB, а драйверы FTDI (включены в программу Arduino) предоставляют виртуальный COM порт программе на компьютере. Мониторинг последовательной шины (Serial Monitor) программы Arduino позволяет посылать и получать текстовые данные при подключении к платформе.

Рис 6 Принципиальная схема Arduino nano v.3

Разработка принципиальной схемы устройства

Внешнее прерывание микроконтроллера вызывается высоким уровнем сигнала(5В) на его выводе. Применяемы нами датчик холла является аналоговым, уровень его сигнала на выходе равен 2.5В, и изменяется на ± 0.25В при воздействии на него магнитным полем.

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой было решено применить компаратор, который будет выдавать высокий логический уровень при изменении сигнала на выходе датчика холла. При первоначальных экспериментах было замечено ложное срабатывание компаратора, что вело к ложному срабатыванию микроконтроллера и ложным результатам. Для избегания ложного срабатывания компаратора в следствии дребезга контактов было решено использовать схему компаратора с петлей гистерезиса (триггер Шмитта).

Датчик Холла подключен к инвертирующему входу компаратора, на не инвертирующем входе компаратора установлен делитель напряжения. Так же на компараторе имеется положительная обратная связь, обеспечивающая гистерезис, который защищает компаратор от ложного срабатывания в результате дребезга контактов.

Рис 7 Схема тригггера Шмитта

Рис 8 Смоделированная схема компаратора с гистерезисом

компьютер компаратор устройство порт

Резисторы R4 и R3 формируют напряжение 2.3В на не инвертирующем входе компаратора. Резисторы R2 и R5 формируют положительную обратную связи и отвечают за формирование петли гистерезиса. Компаратор LM393является компаратором с открытым коллекторным выходом, для работы компаратора его выход был подтянут через резистор R1 к напряжению питания 5В.

Номиналы сопротивлений были доработаны на смоделированной системе с использованием пакета Micro-Cap 9.

Рис 9 Принципиальная электрическая схема устройства

Плата Arduino nano получает питание через разъем USB, а схема компаратора и датчик холла, получают питание через вывод 5V на плате Arduino. Выход компаратора подключен к выводу внешнего прерывания D3 на плате Arduino.

Рис 10 График зависимости выходного сигнала компаратора от сигнала на инвертирующем входе

Рис 11 Смоделированная схема компаратора

Рис 12 График анализа переходных процессов

В ходе разработки устройства была создана печатная плата в пакете SprintLayout.

Рис 13 Печатная плата

Так же, при испытании работоспособности схемы, были получены осциллограммы переходных процессов.

Рис 14 Переходный процесс на выходе компаратора, при воздействии магнита на датчик холла

Рис 15 Переходный процесс на выходе компаратора, при прекращении воздействия магнита на датчик холла

Рис 16 Сигнал с датчика холла на инвертирующем входе компаратора, без воздействия магнитного поля

Рис 17 Сигнал с датчика холла на инвертирующем входе компаратора, под воздействием магнитного поля

Рис 18 Сигнал на не инвертирующем входе компаратора

Разработка программного обеспечения

нет

да

Рис 19 Блок-схема программы

Формула расчета скорости вращения беговой дороожки:

V=рD/ t3, где V-скорость м/мин, D-диаметр вала беговой дорожки, р-математическая константа, t3-время одного оборота вала.

Заключение

Результатом работы является готовое устройство позволяющее оценить скорость движения беговой дорожки. Данное устройство отлично прошло практические испытания, показало высокую работоспособность и надежность, а так же устойчивость к внешним помехам.

Результаты теоретических расчетов совпадают с практическими, что показывает правильную реализацию устройства. В ходе разработки, были получены навыки моделирования и расчета компараторов с петлей гистерезиса, укреплены навыки в создании электрических схем и моделировании процессов.

Список литературы

1. Полупроводниковая схемотехника. Титце У., Шенк К., перевод с немецкого. Москва, «Мир», 1982., «

2. Ицхоки Я. С., Овчинников Н. И. Импульсные и цифровые устройства. Москва, Издательство «Советское радио»». 1972.

3. Л. Н. Преснухин, Н. В. Воробьев, А. А. Шишкевич. Расчет элементов цифровых устройств. Москва, Издательство Высшая школа, 1991.

Размещено на Allbest.ru