Разработка электрических схем цифрового измерителя ускорения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Пояснительная записка 22 с., 5 рис., 4 таблицы, 5 источников, 4 прил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ УСКОРЕНИЯ, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ПРОЦЕССОР, ЯДРО, БЛОК ЗАЩИТЫ ПАМЯТИ, МОДУЛЬ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ СУММ, АЗУ.

Объектом исследования является цифровой измеритель температуры на базе МК семейства STM32F103.

Цель курсового проекта - разработать измеритель температуры построенного на базе микроконтроллера STM32F103, датчика ADXL150 с последовательным интерфейсом RS-422 с питанием от сетевого адаптера AC - DC с выходным напряжением равным 9-15 вольт.

Итогом выполнения курсового проекта стала разработка электрических схем цифрового измерителя ускорения. Произведён анализ литературы, осуществлен и обоснован выбор элементной базы. Разработаны алгоритмы работы микроконтроллера. Разработаны чертежи БНТУ.31303113.16Э2, БНТУ.31303113.16Э3, БНТУ.31303113.16П1 и перечень элементов БНТУ.31303113.16ПЭ.

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

2. Выбор элементной базы. Обоснование выбора

3. Схемотехническая часть

4. Программная часть

Заключение

Список использованных источников

Введение

Акселерометр - это прибор для измерения ускорений или перегрузок. Акселерометры применяется в транспортных машинах и летательных аппаратах, как вибродатчики, в спортивной экипировке (например, для определения скорости и дистанции у бегунов и даже в современных портативных компьютерах - для позиционирования экрана в зависимости от положения ноутбука или защиты жесткого диска в случае, если пользователь роняет компьютер. Другое название акселерометров - датчики ускорения. В отличие от дистанционных датчиков, акселерометры измеряют свое собственное ускорение. электрический акселерометр сигнал

Основными элементами конструкции акселерометра являются катушка индуктивности и магнит. По характеру анализируемого движения акселерометры подразделяются на две большие группы - угловые и линейные.

Типы акселерометров

- Пьезоэлектрические;

- Пьезорезистивные;

- Емкостные;

- Тепловые;

- Оптические;

- Лазерные и др.

Одним из известных производителей акселерометров является корпорация Honeywell Sensotec. Современные акселерометры в интегральном исполнении имеют малые размеры и низкое потребление. Довольно заманчиво выглядит идея применять их для навигации мобильных роботов. Но возникают определённые сомнения: обеспечат ли акселерометры достаточную точность? Чтобы ответить на этот вопрос надо иметь исходные данные, как по самому роботу, так и по выбранному акселерометру.

1. Обзор литературы

Основными параметрами акселерометра являются:

- Чувствительность -- то есть величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое способен определить прибор.

- Смещение нуля -- показания прибора при нулевом кажущемся ускорении.

- Случайное блуждание -- среднеквадратичное отклонение от смещения нуля.

- Нелинейность -- изменения зависимости между выходным сигналом и кажущимся ускорением при изменении кажущегося ускорения.

Акселерометры реагируют на ускорение или силу, действующую на сенсорный элемент датчика. Ускорение, статическое или динамическое, возникает под действием силы, ускоряющей датчик, например, вследствие действия гравитации. Следовательно, акселерометры могут применяться для измерения силы, ускорения, вибрации, движения или перемещения, а также положения и угла наклона (инклинометры). Линейка однокристальных интегральных акселерометров компании Analog Devices Inc. (ADI), выполненных по технологии iMEMS, покрывает практически все области применения устройств подобного типа - от систем управления автомобильными подушками безопасности до сотовых телефонов.

Области применения акселерометров определяются их основными параметрами, а также их соотношением. Важнейшими параметрами акселерометра являются диапазон измеряемых ускорений, чувствительность, выражаемая обычно как отношение сигнала в вольтах к ускорению, нелинейность в процентах от полной шкалы, шумы, температурные дрейфы нуля (смещения) и чувствительности.

В ряде случаев существенной характеристикой оказывается собственная частота колебаний сенсора или резонансная частота, определяющая рабочую полосу частот датчика. В большинстве применений важны температурный диапазон и максимально допустимые перегрузки -- характеристики, связанные с условиями эксплуатации датчиков.

Определяющими параметрами, влияющими на точность определения ускорения, являются дрейфы нуля и чувствительности (в основном температурный), а также шумы датчика, ограничивающие порог разрешения устройства. Чувствительность датчика зависит от резонансной частоты механической подсистемы, а также качества электронного преобразователя.

Изменение чувствительности с температурой связано в основном с изменением коэффициента упругости. Температурный дрейф нуля обусловлен изменением коэффициента упругости, тепловым расширением и технологическими погрешностями изготовления сенсора. Изменение параметров электронной части датчика под действием температуры, как правило, существенно меньше.

При построении систем непрерывного контроля и диагностики механических воздействий на объект приходится решать две задачи. Одна из них связана с обнаружением и классификацией внешних воздействий, а другая - с измерением и количественной оценкой их параметров. Для решения этих задач наряду с техническими средствами требуется программное обеспечение в виде вычислительных процедур, выполнение которых возлагается, как правило, на микропроцессоры (МП).

Поэтому помимо аппаратных средств необходима разработка программного кода, реализующего заложенный в систему контроля алгоритм обработки принимаемых от объекта сигналов.

В тех случаях, когда измерительная аппаратура удалена от источников энергии, к перечисленным задачам добавляется также задача энергосбережения.

Акселерометры с аналоговым выходом дешевле, но требуют внешние фильтры и АЦП. С АЦП проблем обычно не возникает, ведь оно присутствует уже почти в каждом микроконтроллере, но такие АЦП обычно имеют не самые лучшие характеристики, к тому же некоторые метрологические характеристики встроенных АЦП вообще не указываются производителями микроконтроллеров. Аналоговые микроконтроллеры обычно подключаются к АЦП через ФНЧ (фильтр низкой частоты). Требуется расчёт параметров фильтра, расчёт погрешности вносимой элементами фильтра.

Цифровые акселерометры не требуют внешних компонентов, и не требуют никаких расчётов: все их метрологические характеристики указаны. Стоить они будут дороже аналоговых, но время, затрачиваемое на разработку системы снижается. [1]

2. Выбор элементной базы. Обоснование выбора

Согласно заданию на курсовое проектирование выбираем микроконтроллер STM32F103С8, 32-разрядное RISC-ядро ARM Cortex-M3 является последним поколением процессоров ARM для встраиваемых систем. Оно разработано для обеспечения в недорогих платформах, которые удовлетворяют потребностям МК с уменьшенным числом контактов и низким энергопотреблением, обеспечивая выдающуюся производительность вычислений и с детерминированным ответом на прерывания. Ядро работает на частоте да 72 МГц и имеет блок арифметики с плавающей точкой (FPU), который поддерживает все ARM-инструкции и типы данных одинарной точности. Кроме того, ядро имеет блок защиты памяти (MPU), который повышает безопасность приложений.

ARM Cortex-M3 обладает исключительной эффективностью кода, совмещая высокую производительность, характерную для ARM с используемым объемом памяти, соответствующим 16- или даже 8-разрядным микроконтроллерам. Поддержка семейства STM32F103С8 имеется во всех основных средах разработки для ARM-микроконтроллеров.

Микроконтроллер STM32F103С8 высокоскоростную встроенную память (флэш-память до 1 МБ ОЗУ и до 96 Кбайт), до 96Кбайт встроенyой SRAM для хранения резервных копий переменных и большое количество расширенных линий I/O и периферийных модулей, подключенных к двум шинам APB. Имеет гибкий 12-канальный DMА общего назначения. Все МК в семействе имеют в своем составе три 12-разрядных АЦП, 2 ЦАП, десять 16-разрядных таймеров общего назначения, включая два таймера с ШИМ. Кроме того, в состав МК входят стандартные и расширенные интерфейсы обмена данными: до два модулей I2C; два модуля SPI; 3xUSART; интерфейс SD/SDIO/MMC; CAN; USB.

Несмотря на расширенный набор инструкций, приближающий микроконтроллеры семейства STM32F1xx к цифровым сигнальным процессорам, их можно использовать в качестве обычных МК благодаря богатому набору периферийных блоков, стандартному для устройств с ядром Cortex-M. STM32F1xx выпускаются в 5 типах корпусов с количеством выводов от 36 до 144, при этом в зависимости от количества выводов несколько меняется состав периферийных модулей, входящих в их состав. Блок-схема микроконтроллеров STM32F1 показана на рисунке 1.

Блок защиты памяти (MPU) используется для управления доступом CPU к памяти, чтобы предотвращать возможность нежелательного изменения областей памяти, используемых другой задачей. Массив памяти, управляемый блоком MPU, разделен на 8 защищенных областей. Блок MPU особенно полезен для приложений, в которых некоторый критичный или сертифицированный код необходимо защищать от доступа со стороны других задач, которые обычно управляются одной из ОС реального времени (RTOS).

Если программа пытается получить доступ к области памя-ти, защищенной блоком MPU, то RTOS посылается специальный сигнал, который приводит к выполнению заранее заданных действий по обработке внештатной ситуации. В рабочем окружении RTOS ее ядро может динамически обновлять настройки блока MPU, основываясь на выполняемых задачах. Блок MPU является необязательным и его можно отключить, если он не требуется для выполнения текущих задач.

Рисунок 1 - Блок-схема микроконтроллера STM32F103

Модуль вычисления контрольных сумм (CRC unit) используется для получения 32-разрядных контрольных сумм с заданным полиномом. Наряду с другими приложениями, основанная на CRC техника используется для контроля над обменом данными их целостностью. В стандарте EN/IEC 60335-1 предлагается конкретный метод контроля целостности Flash-памяти. Модуль вычисления CRC помогает вычислять контрольную сумму программы в процессе ее выполнения, для сравнения с сигнатурой, вычисленной во время сборки программы и хранящейся в специально выделенной области памяти. Такой контроль служит для предотвращения модификации кода программы во время ее выполнения.

Встроенное ОЗУ (SRAM). Все микроконтроллеры STM32F1 имеют до 96 кбайт системной SRAM. Доступ ко всем областям ОЗУ может осуществляться на частоте CPU с нулевым временем ожидания.

Расположение выводов STM32F103С8 приведено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Расположение выводов STM32F103С8 [2]

Таблица 1 - Назначение выводов STM32F103С8

Для внутрисхемного программирования флэш-памяти микроконтроллера используем преобразователь USB- USART на микросхеме FT232RL.

В качестве первичного измерителя ускорения выбираем цифровой акселерометр ADXL150 [3]. На рисунке 3 представлена структурная схема цифрового акселерометра.

Рисунок 3 - Структурная схема ADXL150 [3]

ADXL202E является законченной однокомпонентной системой измерения ускорения на одном кристалле. ADXL150 способен измерять ускорения до уровня ±50 g, позволяя применять изделие в приложениях измерения угла наклона. Имеет низкий уровень шума, широкий динамический диапазон, пониженное энергопотребление и улучшенные нулевой g дрейф смещения.

Выходное напряжение (VOUT) является зависимостью входного ускорения (а) и мощности напряжение питания (VS) следующим образом:

VOUT = VS/2 - (чувствительность Ч VS/5V Ч a)

Чувствительность - Изменение выходного напряжения на g единицу приложенного ускорения, указанная при выводе VOUT в мВ / г.

В ADXL150 предложить более низкий уровень шума и улучшеное отношение сигнала к шуму чем на ADXL50. Типичное отношение сигнал / шум 80 дБ это, позволяя разрешение сигналов по цене от 10 мг, но все еще обеспечивая а ± 50 г полномасштабного диапазона.

Шкала прибора фактор может быть увеличена от 38 мВ / г до 76 мВ / г, подключив перемычку между VOUT и смещение нулевой контакта Zero G, что бы дрейф был снижен до 0,4 г на промышленном температурном диапазоне. Потребляемая мощность скромная 1,8 мА на ось. Масштаб и уровень нулевого g выхода пропорциональный к источнику питания, устраняя необходимость в опорном напряжении при изменении пропорционального A/D преобразователя, как в большинстве микропроцессоров. Конденсатор является единственным внешним компонентом необходим для нормальной работы.

ADXL150 / ADXL250 производится в герметичном 14-контактном корпусе Сerpac для индустриальных целей на 0°C до + 70°C и коммерческих -40°С до + 85°C в диапазонах промышленной температуры. На рисунке 4 представлена схема расположения выводов микросхемы.

Рисунок 4 - Расположение выводов микросхемы ADXL150 [3]

Таблица 2 - Назначение выводов ADLX150

В схеме применяется напряжение 3,3В для работы микроконтроллера и акселерометра.

Ёмкость конденсаторов СX, СY выбирается из таблицы 3:

Таблица 3 - Ёмкости конденсатора

Выбираем конденсаторы СX, СY - К10-17-0,47мкФх16В±20%[4].

Для внутрисхемного программирования флэш-памяти микроконтроллера используем преобразователь USB- USART на микросхеме FT232RL.

Рисунок 5 - Общая схема включения микросхемы FT232RL

Микросхема FT232RL[6] имеет встроенный стабилизатор на 3,3В максимальный ток не более 50мА. Потребляемый ток микроконтроллера STM32F103С8 при fHCLK=8МГц равен 8,6мА и акселерометра ADXL150 равен 1.1 мА. От микросхемы FT232RL запитаем микроконтроллер и акселерометр.

Таблица 3 - Назначение выводов FT232RL

Для получения напряжения 5В будем использовать наиболее распространённый стабилизатор КА7805, выполненный в корпусе ТО-220 имеет следующие параметры: входное напряжение +12В; выходное напряжение +5В. [5]

3. Схемотехническая часть

Схемы электрические измерителя ускорения цифрового приведены в ПРИЛОЖЕНИЯХ А,Б БНТУ.31303113.16Э2 и БНТУ.31303113.16Э3 соответственно.

Для внутрисхемного программирования флэш-памяти микроконтроллера используется последовательный интерфейс. Это реализуется с использованием интерфейса USART. Чтобы активировать встроенный загрузчик, после аппаратного сброса необходимо войти в системную память. Перемычки S1 и S2 определяют области памяти при загрузке микроконтроллера в соответствии с табл.4

Таблица 4 - Загрузка микроконтроллера

Ускорение измеряется при помощи цифрового акселерометра DD1 компании Analog Devices - ADXL150. Этот акселерометр формирует на выходе напряжение, пропорционально ускорению. Аналоговый сигнал поступает на входы АЦП(ADC12_IN0 и ADC12_IN1) микроконтроллера DD2.

При включении питания микроконтроллер DD2 входит в режим инициализации, где настраивается внешний тактовый генератор, аналогово-цифровой преобразователь, интерфейс передачи, мультиплексируются порты ввода-вывода и настраиваются таймеры и необходимые прерывания.

В основном цикле работы микроконтроллер DD2 производит опрос канала АЦП, на который заведён аналоговый выход акселерометра DА1. Информация с акселерометра DD1 поступает на АЦП микроконтроллера Сигнал акселерометра фильтруется. Параметры фильтра С2,С3 выбираются из рекомендаций производителя микросхемы акселерометра.

Для вывода данных в схеме предусмотрен канал USB. Для работы с USB в микроконтроллере имеется модуль USB.

Для работы схемы необходимо напряжение 5В. Применение преобразователя напряжения постоянного тока DA2 (12/5B) обеспечивает необходимое питание схемы.

Для подключения напряжения питания используется разъём XP1. Для внутрисхемного программирования микроконтроллера в схеме имеется разъём XS1.

Для программирования микроконтроллера можно использовать используется разъём XР2.

4. Программная часть

Описание алгоритмов работы микроконтроллера приведены в виде блок-схем на БНТУ 31303113.16П1. В начальный момент времени микроконтроллер проходит инициализацию аппаратных модулей, а именно таймеры, генератор тактовых импульсов, порты ввода/вывода, интерфейс приёма/передачи данных.В основном цикле работы микроконтроллер производит измерение сигнала от акселерометра, посредствам измерения аналогового сигнала АЦП микроконтроллера ADC12_IN0.

Измерения проводятся десять раз, после чего находиться среднее значение, по которому и находится значение ускорения.

Полученные данные подвергаются математической обработке по известной зависимости.

Ускорение измеряется АЦП микроконтроллера. Как правило, для точного измерения величины недостаточно однократного измерения. Поэтому производится десять измерений и средняя величина является итоговым результатом. 

Заключение

Итогом выполнения курсового проекта стала разработка электрических схем цифрового измерителя ускорения. Таким ускорителем может быть оснащён к примеру цифровой компас.

Произведён анализ литературы, где основы измерений. Разработаны алгоритмы работы микроконтроллера. Разработаны чертежи БНТУ.31303113.16Э2, БНТУ.31303113.16Э3, БНТУ.31303113.16П1.

В процессе проектирования пользовался системами автоматического проектирования:Spline 7.0, AutoCAD 2014 и MSOffice 2014.

Список использованных источников

1 Акселерометры Компании Analog Devices - устройство и применение. [Электронный ресурс]/, 2004. Режим доступа: http://www.kit-e.ru/articles/sensor/2007_5_46.php. свободный - Загл. с экрана. - Рус. англ.

1 STM32F103 32-разрядное ядро Cortex-M3. [Электронный ресурс]/,2015. Режим доступа: http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/CD00161566.pdf свободный - Загл. с экрана. - Яз. англ.

2 ADXL150. [Электронный ресурс]/ Analog Devices, 1998. Режим доступа: http://www.analog.com/en/products/obsolete/adxl50.html , свободный - Загл. с экрана. - Яз. англ.

3 Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ./ Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок - Мн.: Беларусь, 1994. - 591 с.: ил.

4 KAZUS.RU, Электронный портал. [Электронный ресурс]/ КА7805-/ KAZUS.RU «Электронный портал» 2003-2010 /- Электрон. дан. - Режим доступа: http://kazus.ru/datasheets/359979/KA7805.html, свободный - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

5 FT232RL. [Электронный ресурс]/ Future Technology Devices International Ltd., 2005. Режим доступа: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/144591/FTDI/FT232RL/+0_45-_VDSDpbHVtYYZy+/datasheet.pdf свободный - Загл. с экрана. - Яз. англ.

Размещено на Allbest.ru