Компьютерная система контроля параметров культурно-оздоровительного комплекса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

2. Обоснование выбора структурной схемы устройства

2.1 Основные требования, предъявляемые к проектируемому устройству

2.2 Состав структурной схемы

3. Обоснование выбора узлов функциональной схемы

3.1 Датчик температуры

3.2 Датчик давления

3.3 Датчик влажности

3.4 Датчик освещенности

3.5 Усилитель входного сигнала

3.6 Аналого-цифровой преобразователь

3.7 Аналоговый коммутатор

3.8 Счетчик

4. Разработка принципиальной схемы

Заключение

Литература

Приложение

компьютерный проектируемый функциональный контроль



Введение

Значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием электроники. В настоящее время разрабатывается и выпускается огромное количество устройств, микросхем и микроконтроллеров. Сегодня невозможно найти какую-либо сферу деятельности, где не применялись бы какие-либо специализированные приборы, устройства для измерений параметров окружающей среды либо вычислительная техника. И тенденция развития такова, что доля подобного типа устройств (особенно построенной на базе цифровой схемотехники) непрерывно будет увеличиваться. Это является результатом развития отрасли в целом и технологий в частности, внедрение которых позволило наладить массовый выпуск дешёвых и высококачественных базовых элементов, таких как усилители сигналов, логические элементы, преобразователи напряжения, триггеры, счётчики импульсов, регистры, сумматоры и т. д.

В связи с широким выбором интегральных схем, параметры которых известны из технических условий, изменились задачи, стоящие перед разработчиками электронной аппаратуры. Если раньше значительная часть времени уходила на расчёты параметров отдельных каскадов, решение вопросов перегрева, питания элементов и т. д., то в настоящее время требуется скорее учитывать взаимное согласование микросхем.

Стремительные темпы компьютеризации всех сторон человеческой деятельности и массовость их применения привели к тому, что сегодня ЭВМ, и, прежде всего персональные компьютеры, стали непременным атрибутом самых различных комплексов. Это касается и современных систем управления, контроля параметров окружающей среды и любых других устройств, одной из функций которых является сбор, анализ и хранение информации, поступающих из «внешнего мира».

Сегодня практически все системы такого рода оснащены персональными компьютерами как центрами сбора и анализа информации, а в последствии и принятия решения. Это обусловлено в первую очередь тем, что вычислительные машины данного типа в последнее время получили массовое распространение и относительно просты в программировании и настройке, по сравнению со специализированными системами. Основная проблема, которую разработчик должен решить - задача правильной стыковки устройств, воспринимающих информацию из внешнего мира, а именно датчиков различного типа, с персональным компьютером и выдача полученной информации пользователю в наиболее удобной для него форме.

Дополнительные трудности, встающие перед разработчиками, заключаются в том, что датчики имеют разнородные выходы и работают, как правило, в аналоговом режиме. Соответственно, для подключения к вычислительному оборудованию необходимо использовать специальные схемы преобразования сигналов в цифровую форму и кодировку их требуемым разработчику образом, до того как сигнал поступит в ЭВМ.

Совершенствование полупроводниковой технологии позволило также расширить сферу применения датчиков и повысить их точность, быстродействие, надежность и долговечность. Массовый характер производства датчиков способствует снижению цены, что также является немаловажным фактором, способствующим их внедрению в практику.

Из-за широкого распространения устройств измерения и актуальности проблемы их сопряжения с ЭВМ была выбрана тема курсового проекта «Компьютерная система контроля параметров культурно-оздоровительного комплекса».

Основной задачей будет являться построение системы автоматического контроля таких параметров окружающей среды, как температура, влажность, освещенность и атмосферное давление. Следует отметить, что поиск полностью готового решения не дал никакого результата. Но удалось найти отдельные функциональные узлы, позволяющие решить поставленную задачу. В ходе выполнения проекта будет проведен анализ узлов и предложен способ их сопряжения с целью получения требуемого устройства.

1. Обзор литературы

По тематике курсового проекта выявлено достаточно большое количество литературы. В данный обзор были вынесены только те, которые были использованы в процессе написания работы.

Возможности персонального компьютера по сопряжению с внешними устройствами через параллельный, последовательный и игровой порты ввода-вывода информации представлены в [1]. Рассматриваются примеры таких устройств сопряжения как АЦП, схемы управления электромоторами, трансиверы, модемы, различные индикаторы, датчики. Для каждого случая приводятся электрические схемы и схемы подключения со всеми необходимыми комментариями. В случае необходимости приводятся тексты программ управления с пояснениями.

Даны необходимые знания по внутреннему устройству, принципу организации, программному управлению последовательного интерфейса RS-232, который будет использоваться для связи с персональным компьютером. Приводится описание и схемы разъемов на вычислительной машине, внешний вид кабеля для подключения с полным описанием всех контактов и используемых сигналов при программировании порта.

Оборудованию, которое может быть использовано при сборке устройства, также рассматривается в [1]. Так, например, здесь описываются источники питания, цифровые и аналоговые генераторы сигналов, средства для разработки плат, экспериментальные платы для портов, которые позволяют проверить правильность передачи и приемы сигнала. Приводятся электрические схемы с краткими пояснениями всех перечисленных устройств.

Способы расширения количества линий ввода-вывода для COM-порта, шифраторы и дешифраторы данных, способы сопряжения схемам, построенных на базе ТТЛ и КМОП, защита цифровой линии рассматривается в [1]. Дается описание шины I2C от компании Philips, позволяющей устройствам обмениваться данными всего по двум сигнальным линиям.

Достаточно полно и в тоже время компактно представлены способы сопряжения аналоговых и цифровых устройств. Приводятся описания схем датчиков интенсивности света, температуры, влажности, предлагаются схемы АЦП, описываются принципы построения радиосвязи с использованием AM/FM приемника и передатчика, приводится схема модема, реализация инфракрасной линии передачи.

Однако имеются и недостатки. Так, например, предложенное описание шины I2C является неудачным для использования в данном проекте, так как этот способ требует использования устройств, специально разработанных и поддерживающих данную шину, что является экономически невыгодным. Вариант реализации радиосвязи также неудачен, так как в нашем случае предполагается передача сигнала на большие расстояния, а это влечет за собой достаточно большую потребляемую мощность, что также является малоэффективным. И последний недостаток связан с тем фактом, что рассматриваемые способы сопряжения предполагают использование только одного датчика, так как не рассматриваются способы их последовательного опроса и контроля.

Несмотря на то, что имеется ряд повторов, тем не менее, присутствует ряд особенностей в [2]. В ней даются примеры описания аналого-цифровых преобразователей, которые выпускаются промышленностью как готовые устройства, которые подключаются к последовательному интерфейсу. С другой стороны, приводится описание современных 8-, 10- и 12-разрядных АЦП последовательного типа для самостоятельной сборки, анализируются вопросы практическая необходимость использования АЦП параллельного типа с большим числом выходных разрядов, если подключение будет производиться к последовательному интерфейсу, выбор источников опорного напряжения. Также присутствует схема с подробным описанием входного усилителя, предназначенного для усиления сигнала до требуемого напряжения. Приведены примеры реализации и подключения датчиков к полученному устройству.

Подробное описание и принципы функционирования датчиков даны в [3]. Здесь поднимаются такие вопросы, как диапазон выходных значений, диапазон измеряемых значений, чувствительность датчика, надежность их применения, особенности их функционирования в различных условиях и проблемы, которые могут возникнуть, а также даются физические составляющие датчиков, такие как сопротивление, температурные и тепловые свойства материалов, теплопередача и другие.

Из особенностей применения датчиков с цифровой техникой представлены следующие: сопряжение датчиков с различными усилителями, схемы возбуждения датчика от генератора тока, источники опорного напряжения и другие. Описываются основные принципы построения и функционирования аналого-цифровых преобразователей, способы организации передачи данных для аналогового сигнала. Ввиду того, что сигнал предполагается передавать аналоговый, то непременным атрибутом такой передачи будет возникший шум. Причин возникновения шума может быть достаточно большое количество. Поэтому рассматривается их классификации (собственные, вносимые другими приборами, шумы от магнитных полей и другие), степень влияния на исходный сигнал и способы их предотвращения.

Опишем основные способы реализации и характеристики датчиков различного применения, которые могут использоваться в данной курсовой работе.

Датчики давления. Дается описание и характеристика датчиков, построенных по следующим технологиям: ртутные, пьезорезистивные, емкостные, оптоэлектронные и вакуумные датчики, описание и принцип их функционирования.

Датчики температуры: терморезистивные, которые, в свою очередь, делятся на достаточно большое количество, термоэлектрические контактные, полупроводниковые на основе p-n-перехода, оптические, акустические и пьезоэлектрические.

Принципы фильтрации питающего напряжения, передача сигнала и помехи, возникающие при этом, рассматриваются в [4]. Дается полное и достаточно подробное описание основных устройств, которые применяются при разработке цифровых систем, например, регистры, компараторы, шифраторы и дешифраторы, сумматор и другие.

Аналоговые и аналогово-цифровые устройства представлены в [5].К тому же освещаются свойства и особенности применения интегральных микросхем данного типа. Приведенный материал достаточно подробно знакомит с принципами использования операционных усилителей и их применении, линейной и импульсной стабилизации напряжения. Но для использования в данном курсовом проекте нас больше всего будет интересовать аналогово-цифровые преобразователи, описание которых представлено достаточно подробно.

Варианты реализации измерителя температуры с резистивным датчиком и АЦП входного сигнала, предназначенный для использования в ПК, рассматриваются в [6].

Детально проанализированы особенности архитектуры и функционирования микропроцессорных систем, необходимые для организации интерфейса с ОЗУ, ПЗУ и другими внешними устройствам, включая семисегментный индикатор, АЦП и ЦАП в [7]. Основное внимание уделено описанию особенностей технических средств и способов их применения при расширении микропроцессорных систем. В данном курсовом проекте использованы отсюда сведения про последовательный интерфейс связи с ЭВМ, включая принципы преобразования уровней сигналов в соответствии со стандартом RS-232.

Сравнительный анализ современных интерфейсов передачи данных приводится в [8]. Анализ проводится по следующим критериям: скорость передачи данных, расстояние между источником и приемником данных сложность проектирования под данный интерфейс. Также сравниваются возможности однопроводных и многопроводных систем и проблемы, которые возникают при их использовании. Именно на основе данного материала был выбран в качестве связующего звена между компьютером и разрабатываемым устройством последовательный COM-порт, так как он обладает наименьшей сложностью проектирования и наибольшей простотой программирования, а расстояние, на которое возможна передача составляет около 15 метров, при достаточной скорости передачи данных.

Сравнительный обзор современных датчиков температуры представлен в [9]. Здесь представлены описания и подробные характеристики кремниевых датчиков температуры, разработанных компанией Philips Semiconductor, и термодатчики компании Honeywell. Сравнительный анализ представлен по следующим параметрам: диапазон измеряемых температур, сопротивление при 20 градусах по Цельсию, точность измерения и другие.

Сравнительная характеристика датчиков температуры, выпускаемая современной промышленностью, с их подробными характеристиками также рассмотрены в [10-11].

Один из возможных вариантов сопряжения нескольких компьютеров по последовательному порту рассматривается в [13]. Также здесь приводится описание возможных проблем, связанных с тем фактом, когда несколько пользователей попробуют получить доступ к одному и тому же персональному компьютеру. Представленная информация является достаточно важной, так как в реализуемом курсовом проекте планируется подключить к одной ЭВМ несколько датчиков и требуется реализовать схему коммутации рассматриваемых источников информации с одним портом ввода-вывода на вычислительной машине.

Официальными сайтами компаний-производителей различного рода узлов сопряжения являются [14, 15]. Рассмотрение информации с них является обязательными для изучения современных датчиков и других узлов, массово выпускаемых сегодня промышленностью, а также их параметров и характеристик. Также немаловажным фактом является то, что компании представляют специальные руководства для разработчиков, в которых представлены один или несколько способов включения узлов в схему. Анализ информации, полученный с этих сайтов, будет представлен в соответствующем разделе данного курсового проекта.

Варианты современной схемотехнической реализации и особенности применения АЦП и ЦАП представлены в [16]. В частности, здесь представлены АЦП последовательного и параллельного типов. Предложен вариант устройства, который фиксирует превышение входным сигналом установленного порога.

Современные аналого-цифровые преобразователи, выпускаемые некоторыми компаниями, и их подробное описание представлены в [17-20]. Основной недостаток АЦП российского производства в том, что они предлагают полностью готовые устройства, не давая возможности их встраивания в печатную плату. В то время как устройства от Analog Devices и National Semiconductor представляют собой специализированные микросхемы, которые разработчик может включить в разрабатываемое устройство, что позволит создать его более миниатюрным.

Также достаточно полная документация по АЦП следующих типов: последовательные, параллельный, последовательно-параллельные, интегрирующие, представлена в [21]. Описываются статические и динамические параметры, шумы, возникающие при работе устройств.

Датчики давления, выпускаемые промышленностью, с их подробным описанием представлены в [22, 23]. Также достаточно полезным является ресурс [24], т.к. он представляет собой таблицу наиболее часто используемых узлов в схемотехнике и названий компаний-производителей этих самых узлов. Таким образом, можно достаточно быстро сузить список поиска производителей.

Наиболее полным описанием устройств на операционных усилителях является ресурс [25]. Здесь рассматривается понятие идеального усилителя, способы их включения (дифференциальное, инвертирующее, неинвертирующее), рассматривается внутренняя структура, входное и выходное сопротивление схемы. Отдельным разделом представлены функциональные устройства следующих типов: активные электрические, схемы линейного преобразования сигнала, измерительные усилители, генераторы сигналов и другие.

Аналоговые коммутаторы и их схемотехническая реализация приводится в [26]. Кроме общих сведений о реализации, даются их статические, динамические и эксплуатационные параметры и характеристики. Приводятся примеры их эксплуатации.

Требования к оформления курсового проекта приведены в [27]. Здесь рассматриваются примеры оформления отдельных составляющих проекта, а также подробно описаны все требования и стандарты проектирования.

Проведенный анализ литературы указывает, что аналогов проектируемому устройству в прямом виде не существует. Тем не менее, совокупное использование представленной информации вполне достаточно для разработки проектируемого устройства.



2. Обоснование выбора структурной схемы устройства

2.1 Основные требования, предъявляемые к проектируемому устройству

Среди основных требований, предъявляемых к разрабатываемому устройству, можно выделить следующие параметры:

поддержка температуры в диапазоне от 0 до 35 градусов по Цельсию. Данный диапазон температур обусловлен тем фактом, что устройство будет работать в помещении, температура в котором не должна опускаться ниже 0 и маловероятно, что поднимется выше 35 градусов;

влажность не более 70%;

атмосферное давление до 200 кПа. Этот уровень позволит системе работать практически в любых условиях и правильно передавать данные на обработку. Контроль требуемого уровня давления предлагается перенести на программное обеспечение, так как это позволит сделать систему более универсальной;

освещенность помещения должна составлять в районе 500 люкс. Этот уровень в среднем соответствует освещенности рабочего стола от обычной лампочки, что является наиболее оптимальным в помещении.

2.2 Состав структурной схемы

В состав структурной схемы, в соответствии с исходными данными, должны входить следующие блоки:

датчики первичной информации;

усилители-фильтры;

аналогово-цифровой преобразователь;

аналоговый коммутатор, который будет состоять из:

аналоговый мультиплексор;

счетчик прямого счета двухразрядный;

Так как разрабатываемое устройство предназначено для сбора и анализа информации, требуемые параметры мы будем получать от датчиков температуры, влажности, освещенности и давления. Далее полученный сигнал требуется пропустить через усилитель, чтобы выровнять его по требуемому уровню. Далее сигнал поступает в аналоговый коммутатор, где с помощью счетчика и дешифратора выбирается сигнал, который будет пропущен на выход. Полученный сигнал проходит через АЦП и оттуда выходит на COM-порт.

Узел коммутации функционально является самым сложным. Это связано с тем, что он должен достаточно быстро по сигналу извне определить, какой именно из входов должен поступить на выход блока. Данную задачу планируется реализовать с помощью счетчика, синхросигнал на который будет поступать по специальной линии с COM-порта. Далее полученный сигнал поступает на дешифратор, который, в свою очередь, выбирает номер аналогового сигнала, который будет пропущен. Следует отметить, что все вышеперечисленные операции должны выполняться гораздо быстрее, чем время работы блока АЦП. Программное обеспечение также должно учитывать все временные задержки и корректно их обрабатывать. Функциональная схема приведена в приложении А.

В данном разделе представлено обоснования выбора элементов, на базе которых в дальнейшем будет представлена принципиальная схема устройства. COM-порт для подключения к ПК выбран специально, т.к. на большинстве современных ЭВМ данный порт присутствует, но практически никогда не используется. К тому же скорость передачи будет вполне достаточной, что позволяет работать на гораздо большем расстоянии, чем, например, USB.



3. Обоснование выбора узлов функциональной схемы

Как видно из содержания предыдущего раздела, в устройстве применяются датчики температуры, давления, освещенности, влажности, расхода воды, усилители, АЦП, аналоговый коммутатор, генератор тактовых импульсов и узел сопряжения. Обоснуем выбор каждого из них.

3.1 Датчик температуры

Датчика температуры, выпускаемые современной промышленностью, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Аналоговые датчики температуры

Маркировка	Описание	Рабочая темп. (°С)	Темп. коэфф. (Tmin доTmax)	Напряжение питания	Протек ток (mA)	Разброс (°С)
LM135	Прецизионный темп. датчик	-55 до +150	10 mV/° K	шунт	1	±1.5
LM19	2.4V,10µA,TO-92 темп. датчик	-55 до +130 °C	-11.7 mV/°C	2.4-5.5	0.01	±3.5
LM235	Прецизионный темп. датчик	-40 до +125	10 mV/° K	шунт	1	±1.5
LM335	Прецизионный темп. датчик	-40 до +100	10 mV/°K	шунт	1	±1 ±2
LM335A	Прецизионный темп. датчик	-40 до +100	10 mV/°K	шунт	1	±1
LM35	Прецизионный темп. датчик	0 до +100 -40 до +110 -55 до +150	10 mV/°C	4-30	0.1410, 0.1160, 0.1330	±2 ±1.5 ±1
LM45 LM50	SOT-23 Прецизионный темп. датчик	-20 до +100 -40 до +125	10 mV/°C	4-10	0.16	±3

Как видно из таблицы 1, достаточными параметрами и характеристиками обладает датчик LM335A, так как он обладает достаточно большим диапазоном работы температур при достаточно маленьком разбросе, приходящемся на один градус Цельсия. Условно-графическое обозначение датчика приведено на рис.2.

Рис. 2. Условно-графическое обозначение датчика LM335A

Входы «+» и «-» являются соответственно + и - источника питания. Выход ADJ предназначен для калибровки датчика.

Рис. 3. Температурная характеристика микросхемы LM335A

По характеристике, приведенной на рис. 3, видно, что выходное напряжение меняется от 2,73 В при 0 °С (273 °К) до 3,73 В при + 100°С (373 °К). Из этого следует, что диапазон измерения от 0 до 5 В для АЦП будет достаточен.



3.2 Датчик давления

Датчики давления, выпускаемые современной промышленностью, представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Аналоговые датчики давления

Маркировка	Максимальное давление (кПа)	Избыточное давление (кПа)	Полная шкала (мВ/кПа)	Чувствительность (мВ/кПа)	Линейность % of FSS (1)
					(Min)	(Max)
MPX2010D	10	75	25	2.5	-1.0	1.0
MPX2050D	50	200	40	0.8	-0.25	0.25
MPX2052D	50	200	40	0.8	-0.55	0.55
MPX2053D	50	200	40	0.8	-0.55	0.55
MPX2100A	100	400	40	0.4	-1.0	1.0
MPX2200A	200	400	40	0.2	-1.0	1.0
MPX2700A	700	2800	40	0.057	-1.0	1.0
MPX2700D	700	2800	40	0.057	-0.5	0.5

Как видно из таблицы, достаточными параметрами и характеристиками обладает датчик MPX 2200А компании Motorola. К тому же он обладает одним из лучших показателей чувствительности в соотношении мВ / кПа и включает в себя схему температурной компенсации и калибровки. Давление в 200 кПа также достаточно для поставленной цели. Диапазон изменения напряжения составляет от 0 мВ при нулевом давлении до 40 мВ при максимально допустимом значении. График изменения напряжения от давления представляет собой линейную функцию. Условно-графическое обозначение, взятое из официальной документации, приведено на рис.4. Цифрами на нем обозначены:

1 - земля;

2 - «+» выходного напряжения;

3 - источник питания;

4 - «-» выходного напряжения.



Рис. 4. Условно-графическое обозначение датчика MPX 2200A

Рис. 5. Функциональная схема датчика давления MPX 2200A

Функциональная схема датчика представлена на рис. 5. В качестве чувствительного элемента в MPX 2200A используется специальный кремниевый тензорезистор. Эквивалентная электрическая схема самого датчика X-ducer представлена на рис.6.



Рис. 6. Эквивалентная электрическая схема датчика давления

3.3 Датчик влажности

Датчики влажности, выпускаемые современной промышленностью, представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Аналоговые датчики влажности

Наименование	Диапазон измерения, %RH	Линейность, ±%RH	Гистерезис ±%RH	Повторяемость, ±%RH	Uпит, В	Iпит, мА
HIH-3602-A	0..l00	0,50	1,20	0,50	4,0…5,8	0,20
HIH-3602-C	0..l00	0,50	1,20	0,50	4,0…5,8	0,20
HIH-3602-L	0..l00	0,50	1,20	0,50	4,0…5,8	0,20
HIH-3602-L-CP	0..l00	0,50	1,20	0,50	4,0…5,8	0,20
HIH-3610-001	0..l00	0,50	1,20	0,50	4,0…5,8	0,20
HIH-3610-003	0..l00	0,50	1,20	0,50	4,0…5,8	0,20
HIH-3610-002	0..l00	0,50	1,20	0,50	4,0…5,8	0,20
HIH-3610-004	0..l00	0,50	1,20	0,50	4,0…5,8	0,20
HIH-4000-001	0..l00	0,50	3,0	0,50	4,0…5,8	0,20
HIH-4000-003	0..l00	0,50	3,0	0,50	4,0…5,8	0,20
HIH-4000-002	0..l00	0,50	3,0	0,50	4,0…5,8	0,20
HIH-4000-004	0..l00	0,50	3,0	0,50	4,0…5,8	0,20

Из представленных в таблице 3 датчиков выберем - HIH-3602-A, т.к. он обладает достаточными параметрами для данного курсового проекта. В основе датчика лежит трехслойная конденсаторная структура, состоящая из платиновых электродов и специального термореактивного полимерного изолятора между ними. Вся эта структура размещена на подложке из кремния, на которой также выполнена интегральная схема нормализации и усиления сигнала. Через поры в верхнем электроде и благодаря конструктивной негерметичности корпуса датчика достигается равновесное содержание воды в окружающем воздухе и межэлектродном пространстве. Слой термореактивного полимера, покрывающий пористый платиновый электрод сверху, служит хорошей защитой чувствительного элемента от загрязнения пылью, маслами. В то же время такая защита способствует увеличению времени отклика датчика при изменении влажности. Датчик формирует линейно изменяющийся сигнал по напряжению, прямо пропорциональный напряжению питания и относительной влажности воздуха:

где

Vs - напряжение питания;

%RH - относительная влажность.

Истинное значение влажности при изменяющейся температуре можно определить по формуле:

где

T' - окружающая температура в градусах Цельсия.

Следует отметить, что в данный датчик уже включена схема температурной корректировки.

Условно-графическое обозначение представлено на рис. 7. Конструкция датчика относительной влажности представлена на рис. 8.

Рис. 7. Условно-графическое обозначение датчика HIH-3602-A

Рис. 8. Конструкция датчика относительной влажности HIH-3602-A

3.4 Датчик освещенности

Датчики освещенности, выпускаемые современной промышленностью, представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Аналоговые датчики освещенности

Тип	лp нм	ILIGHT мкA	IDARK (тип.) нА	tr (тип.) мкс	tf (тип.) мкс	VCC В	TA °C
APDS-9002	550	136 ... 410	50	950	800	2.4 ... 5.5	-40 ... 85
APDS-9003	620	90 ... 370	50	950	800	2.4 ... 5.5	-40 ... 85
APDS-9004	620	90 ... 370	-	950	800	2.4 ... 5.5	-40 ... 85
APDS-9005	500	28 ... 52	300	5000	5000	1.8 ... 5.5	-40 ... 85
APDS-9006	500	28 ... 52	300	5000	5000	2.4 ... 5.5	-40 ... 85
BPW34	900	40…50	30	100000	100000	2.4 ... 5.5	-55…100

Из представленных в данной таблице датчиков, выберем BPW 34, т.к. он обладает достаточными характеристиками, достаточно большой чувствительностью к длине волны () и, к тому же, является достаточно дешевым, из-за налаженного выпуска. Условно-графическое обозначение приведено на рис. 9.

Рис. 9. Условно-графическое обозначение датчика BPW34

3.6 Усилитель-фильтр входного сигнала

Ввиду того, что каждый из датчиков, работающих в аналоговом режиме, обладает индивидуальными характеристиками выходного напряжения, то подобрать какой-то один универсальный усилитель, выпускаемый промышленно, найти не представляется возможным. Ввиду этого, в разделе описания принципиальной схемы будет разрабатываться для каждого датчика свой блок усиления-фильтрации.

3.7 Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровые преобразователи, выпускаемые современной промышленностью, представлены в таблице 5. Среди требований, предъявляемых для данного узла можно выделить следующее: минимальная мощность, достаточно быстрое преобразование сигнала, выдача следующего бита в полученном двоичном коде по сигналу на определенный порт АЦП.

АЦП с четырьмя аналоговыми входами рассматриваться не будут, так как они достаточно сложны для подключения.

Таблица 5 - Аналогово-цифровые преобразователи

Тип	Быстро- действие (kSPS)	Напряжение питания	Мощность потребления (mW)	DNL Max (±LSB)	INL Max (±LSB)
ADS7827	250	2.7-5.5	0,6	1	1
ADS7868	280	1.2-3.6	0,22	±0.5	±0.5
ICL7135	0.003	±5	5	0.01	0.5
TLC7135	0.003	±5	5	0.01	0.5
TLC0831	31	5	3	0.4	0.4
TLC548	45.5	3 to 6	9	0.5	0.5
TLC549	40	3 to 6	9	0.5	0.5
TLV0831	20	3.3	0.67	0.5	0.5

Из представленных в таблице 6 устройств выберем TLC 549 от компании Texas Instruments. Данный АЦП обладает достаточно большим диапазоном питающего напряжения, что является его существенным плюсом, однако, из недостатков следует отметить сравнительно большую потребляемую мощность. Условно-графическое обозначение представлено на рис.10. Цифрами обозначены следующие входы и выходы:

1 - «+» источника питания;

2 - аналоговый вход;

3 - «-» источника питания;

4 - земля;

5 - сигнал управления;

6 - выходной сигнал (1 бит);

7 - синхросигнал внешний;

8 - опорное напряжение.

Рис. 10. Условно-графическое обозначение АЦП TLC 549

3.8 Аналоговый коммутатор

Аналоговые коммутаторы, выпускаемые в промышленности, представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Аналоговые коммутаторы

Модель	Сопр. открытого ключа [Ом]	Макс. время включения [нс]	Макс. время выключения [нс]	Напр. питания [В]
MAX4604	5	120	130	±4.5...±20
MAX4651	4	14	8	1.8...5.5
MAX4652	4	14	8	1.8...5.5
MAX4639	3.5	18	7	1.8...5.5, ±2.5...±2.5
MAX4640	70	150	80	2...12
MAX4651	4	14	8	1.8...5.5
MAX4652	4	14	8	1.8...5.5
MAX4653	4	14	8	1.8...5.5
MAX4662	2.5	275	175	4.5...36, ±4.5...±20

В качестве основы предлагается взять MAX4653, так как он обладает одним из лучших параметров по быстродействию (макс. время включения - 14 нс, макс. время выключения - 8 нс) и позволяет работать от достаточно большого диапазона входного напряжения. Условно-графическое обозначение представлено на рис.11. Опишем его входы и выходы: входы с 1 по 4 являются входами аналогового сигнала, входы 5 и 6 - разрешающий сигнал для соответствующего аналогового входа, выход 9 - выходной сигнал, вход 7 - напряжение питания, вход 8 - земля.

Время срабатывания аналогового мультиплексора составляет 14 нс.

Рис. 11. Условно-графическое обозначение коммутатора MAX4653

3.9 Счетчик

Счетчики, выпускаемые в промышленности, представлены в таблице 7. Из рассмотрения были исключены те варианты, которые позволяют работать в двух направлениях, так как это не требуется в данном курсовом проекте. Из требований, предъявляемых к устройству, можно выделить минимальное время срабатывания и минимальная потребляемая мощность, желательно также достаточно широкий диапазон питающего напряжения для обеспечения более стабильной работы.



Таблица 7 - Счетчик прямого счета двухразрядный

Тип	Частота(MHz)	Напряжение питания (В)	Мощность потребления (mW)	Время срабатывания (нс)
DM74LS161A	32	4,75…5,25	93	14
74VHC163	185	2…5,5	93	2
DM74LS191	25	4,75…5,25	100	20
DM74LS193	25	4,75…5,25	93	20
DM74LS393	35	4,75…5,25	93	20
DM74S161	40	4,75…5,25	100	14

Ввиду вышеизложенных требований, выберем DM74LS393. Его условно графическое обозначение приведено на рис.12. Внутреннее строение устройства приведено на рис. 13. Время срабатывания счетчика составляет около 20 нс. Как видно из рис.13 счетчик представляет собой счетный Т-триггер, построенный на основе D-триггера. Цифрами на рисунке отмечены следующие входы и выходы:

1 - синхросигнал. Переключение происходит по фронту каждого такта;

2 - сигнал сброса. С учетом того, что в данном проекте не требуется сбрасывать счетчик, сигнал должен быть заведен на землю;

3,4, 5 и 6 - выходы со счетчика.

Рис. 12. Условно-графическое обозначение счетчика DM74LS393



Рис. 13. Внутреннее строение счетчика DM74LS393

В данном разделе были представлены и обоснован выбор каждого из функциональных блоков, которые были использованы в данном курсовом проекте. Для каждого элемента приведены их технические характеристики и условно-графическое обозначение. Суммарное время срабатывания аналогового коммутатора и счетчика составляет около 34 нс, что значительно меньше времени срабатывания АЦП, составляющее около 14 мкс. Это является необходимым для того, чтобы аналоговый сигнал успел установиться на входе аналого-цифрового преобразователя до того, как будет сделана основная часть преобразования и результат оказался бы не верным.

Для двух датчиков (датчик давления и датчик влажности) также приводится их внутреннее строение и поясняется принцип их работы.

Функциональная схема приведена в приложении Б.



4. Разработка принципиальной схемы

Полученная принципиальная схема представлена в приложении В. В данном разделе опишем принцип работы и функционирования основных элементов схемы.

Начнем описание с датчиков первичной информации. Принципиальная схема датчика температуры представлена на рис. 14.

Рис. 14. Принципиальная схема датчика температуры

Датчик температуры представляет собой стабилитрон с температурным коэффициентом напряжения равным 10 мВ на один градус по Кельвину. Соответственно, для перевода к градусам Цельсия требуется воспользоваться формулой:

.

Отличительная особенность данного датчика заключается в том, что он имеет линейную зависимость напряжения от температуры. Соответственно, учитывая то, что при напряжение составляет 2,23 В, а при температуре - 4,23 В, можно получить следующую формулу, по которой можно определить зависимость напряжения от температуры:

Решая систему уравнений, получим: , . Или окончательно:

Также, в данную схему включена возможность калибровки и подстройки датчика для более точного измерения. Для этих целей используется выход ADJ и резистор переменного сопротивления R2. Разработчики элемента рекомендуют использовать для подстройки температуру окружающей среды , тогда выходное напряжение должно составлять . После этого точность измерения температуры должна составить . Следует также учитывать время, необходимое на нагрев датчика до температуры окружающей среды.

Схема датчика давления представлена на рис. 15.

Рис. 15. Принципиальная схема датчика давления

В схеме датчика давления используется микросхема сдвоенного операционного усилителя LM358, каскады которого решают 2 задачи: во-первых, воспринимают дифференциальный сигнал с выхода датчика, во-вторых, усиливают его. Многооборотный потенциометр R8 используется для точной настройки напряжения с эталонным значением. Учитывая тот факт, что датчик давления имеет линейную зависимость, то в общем виде зависимость напряжения от давления можно определить по формуле:

С учетом того, что максимальное напряжение будет составлять 40 мВ при давлении в 200 кПа, сигнал требуется усилить. Рассчитаем выходное напряжение Uвых с учетом операционных усилителей.

Токи, протекаемые по схеме, показаны на рис. 15. И можно записать:

Выразим в (2) :

Учитывая тот факт, что , получим:

Выразим отсюда :

Таким образом, В. Теперь найдем выходное напряжение.

Отсюда, получаем финальное усиление сигнала:

Таким образом, максимальное усиление сигнала составляет 132 раза, что при максимальном входном напряжении мВ, составляет более 5 В, подающихся на АЦП. Следовательно, рекомендуется провести калибровку с помощью резистора R8 до уровня приблизительно в 5 В, чтобы точность измерения была максимальной.

Принципиальная схема датчика освещенности приведена на рис. 16.



Рис. 16. Принципиальная схема датчика освещенности

Фотодиод D1 формирует ток короткого замыкания, который будет почти прямо пропорционален освещенности. Следует также учитывать тот факт, что он состоит из монокристаллического кремния и имеет максимальную чувствительность в красном и инфракрасном областях спектра. Следовательно, требуется использовать специальный сине-зеленый фильтр.

Разность напряжения на входном дифференциальном усилителе всегда близка к нулю, и, следовательно, фотодиод работает в режиме короткого замыкания. При этом входной ток усилителя также имеет очень маленькую величину, что определяется очень высоким входным сопротивлением, а ток через резистор обратной связи равен по величине току фотодиода, но противоположен по направлению.

Выходное напряжение каскада 1 будет определяться как

где R - сопротивление резистора в цепи обратной связи, а I - фототок, формируемый фотодиодом (от 40 до 50 мкА).

Сопротивление резистора R3 = 82 кОм подобрано таким образом, чтобы он измерял освещенность в районе 500 люкс.

Каскад 2 предназначен для дополнительного усиления напряжения до требуемого уровня до 5 В при максимально допустимом значении. Рассчитаем коэффициент усиления:

Отсюда получим:

0

Учитывая, что ток I меняется в диапазоне от 40 до 50 мкА, то получим, что напряжение будет меняться от 3,6 до 4,5 вольт.

Принципиальная схема датчика влажности представлена на рис. 17.

Рис. 17. Принципиальная схема датчика влажности

Выходное напряжение будет определяться по следующей формуле:



где

- напряжение питания;

- относительная влажность при .

Истинное значение влажности при изменяющейся температуре можно определить по формуле:

где

- окружающая температура в градусах Цельсия.

Учитывая, что напряжение питания постоянно и равно 5 В, можно получить:

С учетом того, что температура может меняться в диапазоне от 0 до 35 градусов Цельсия, а влажность воздуха от 20 до 100 процентов, получим, что будет менять свое значение в диапазоне от 1,35 В при нуле градусов Цельсия и 20-процентой влажности, до почти 2,2 В при 35 градусах Цельсия и 100-процентой влажности. Из этого следует, что сигнал требуется усилить в два раза:

\

Схема АЦП с преобразованием и подключением к компьютеру представлена на рис. 18.



Рис. 18. Принципиальная схема согласования АЦП с COM-портом

АЦП TLC549 фирмы Texas Instruments имеет 1 аналоговый вход и 2 входа для подключения опорного напряжения (REF+, REF-). Соответственно, если REF- = 0 В, то диапазон измеряемых значений будет составлять от 0 до REF+ вольт. С учетом того, что преобразование начинается по переднему фронту CS, то первое значение, считанное с АЦП, является заведомо неверным. Поэтому вначале требуется пропустить один цикл чтения. Также требуется учитывать, что CS должен иметь высокий уровень на протяжении всего времени преобразования, которое длится в течение 17 мкс. Биты данных могут быть считаны с выхода DATA начиная со старшего бита. Смена разрядов происходит по фронту сигнала CLOCK. Достаточно существенным плюсом также является тот факт, что без команды начала преобразования АЦП работать не будет.

С учетом того, что напряжение на линиях COM-порта составляет около +12 В, тогда как АЦП формирует напряжение от 0 до 5 В. Для решения этой проблемы в схеме установлены 3 стабилитрона на напряжение 4,7 В и 2 резистора R1 и R2.

Устройство выборки аналогового сигнала для преобразования представлен на рис. 19.



Рис. 19. Устройство сопряжения аналоговых сигналов с АЦП

Время срабатывания данного узла составляет 20 + 14 = 34 нс, что является слишком маленькой величиной, по сравнению со временем преобразования сигнала на АЦП, составляющей 14 мкс. Это требуется для того, чтобы обеспечить правильную выборку сигнала до того, как аналогово-цифровой преобразователь закончит работу.

Напряжение питания требуется только для мультиплексора, поэтому к нему необходимо подключить напряжение питания +5 В.

Сигнал переключения на другой датчик поступает с COM-порта, что позволяет контролировать процесс выбора датчиков.

Таким образом, в данном разделе были представлены и описаны основные узлы разработанной принципиальной схемы. Также приводятся расчеты значений всех сопротивлений для каждого из усилителей, обосновывается выбор применения конкретного коэффициента усиления.

Где необходимо также приводятся пояснения принципа работы разработанного узла. Так были описаны принцип работы датчиков, выборка аналогового сигнала для передачи его на аналого-цифровой преобразователь, пояснен принцип работы и передачи сигнала с преобразователя на последовательный порт персонального компьютера.

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта была разработано устройство контроля параметров окружающей среды (освещенности, температуры, влажности и давления) с COM-портом персонального компьютера. Представлен вариант решения проблемы сопряжения некоторого количества устройств с одной ЭВМ.

Отличительная особенность данного устройства заключается в том, что ее можно расширять в дальнейшем неограниченным количеством датчиков. Также была предпринята попытка акцентировать внимание на точность измерения. Именно с этой целью ко многим функциональным узлам была предложена схема корректировки выходного напряжения.

Тем не менее, устройство обладает некоторыми недостатками. Среди них можно отметить следующие:

COM-порт на сегодняшний день является устаревающим способом передачи данных;

требуется достаточно большое количество разнородных источников питания;

датчики требуют достаточно стабильного и точного напряжения питания;

Список основных достоинств, кроме изложенных выше, можно дополнить:

доступность элементной базы;

простота конструкции и относительная дешевизна проекта;

простота калибровки. Причем калибровку может осуществлять как аппаратным, так и программным способом.

В дальнейшем возможно исправление представленных недочетов и внесение необходимых корректировок.

Разработанное устройство рекомендуется использовать в качестве системы контроля параметров окружающей среды не только в культурно-оздоровительных центрах, но и в любом другом месте, где требуется контролировать освещенность, температуру, влажность или давление. С учетом того, что устройство контролируется программным обеспечением, его также можно использовать в качестве системы сбора и хранения сведений о параметрах окружающей среды с последующим ее анализом, составлением графиков изменений, отчетов и попыток спрогнозировать последующие изменения.

Разработанное устройство обладает следующими характеристиками:

число контролируемых каналов от датчиков - 8;

интерфейс сопряжения с ЭВМ - COM-порт типа RS-232;

скорость передачи данных компьютер - 2400 бит/с;

генерация бита четности - отсутствует.

В дальнейшем имеется возможность исправить представленные недочеты.



Литература

1. Пей Ан. Сопряжение ПК с внешними устройствами: Пер. с англ. - М.: ДМК Пресс, 2001.

2. Гёлль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс: Пер. с франц. - 2-е изд., испр. - М.: ДМК, 1999.

3. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник: пер. с англ. - М.: Техносфера, 2005.

4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004.

5. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых цифровых устройств. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005.

6. Создание АЦП для подключения к ПК. Журнал «Радиосхема». №2 / 2008, стр. 20.

7. Коффрон Дж.,Лонг В. Расширение микропроцессорных систем/Пер. с англ.; Под ред. П.А.Нестерова. М.:Машиностроение, 1987

8. Проектирование устройств обработки сигналов. - Электронные данные. - Режим доступа: http://cxem.net/comp/comp50.php.

9. Датчики температуры, первичные преобразователи. - Режим доступа: http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200310/6.html.

10. Датчики температуры National Semiconductor. - Электронные данные. - Режим доступа: http:// www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/National_Semi/sensor/Thermal_Management/start.htm

11. Датчики температуры. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.npo-manometr.ru/pages/39.html

12. Дипломные проекты. Общие требования. - А.Т. Доманов, И.И. Сорока, 2010.

13. Сеть на COM портах (до 26 компьютеров). - Электронные данные. - Режим доступа: http://kazus.ru/shemes/showpage/0/747/1.html.

14. ООО «РИФТЭК». - Электронные данные. - Режим доступа: www.riftek.com

15. ЗАО "ПГ "Метран". - Электронные данные. - Режим доступа: www.metran.ru

16. Применение ЦАП и АЦП. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.intuit.ru/department/hardware/digs/13/

17. Прецизионный внешний модуль АЦП на COM-порт. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.lcard.ru/e-24.php3

18. Внешний модуль ввода медленноменяющихся параметров (ММП). - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.lcard.ru/e-270.php3

19. Analog Devices AD670. - Электронные данные. - Режим доступа:

20. National Semiconductor ADCV0831 - Электронные данные. - Режим доступа: -

21. Аналого-цифровые преобразователи. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/adc/index.htm

22. Датчики давления. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.npo-manometr.ru/pages/26.html

23. Сравнительная таблица датчиков давления. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.elemer.ru/catalog_1423.html

24. Документация по электронным компонентам. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/start.htm

25. Функциональные устройства на операционных усилителях. - Электронные данные. - Режим доступа: - http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/op/index.htm

26. Аналоговые коммутаторы. - Электронные данные. - Режим доступа: - http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/switch/index.htm

27. И.И.Глецевич, В.А.Прытков, А.В.Отвагин - Дипломное проектирование. Методическое пособие - Минск:БГУИР, 2009



Приложение

Размещено на Allbest.ru

...