Цифровой вольтметр постоянного напряжения по время-импульсному методу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Характерной чертой развития современной радиоизмерительной техники является все более широкое использование измерительных приборов с цифровым отсчетом не только в исследовательских, но и в производственных условиях

Цифровые измерительные приборы из-за высокой точности измерения и наглядности отсчета имеют ряд существенных преимуществ перед приборами со стрелочным указателем. Одной из тенденций развития цифровой измерительной техники является расширение функциональных возможностей измерительных приборов, когда в одном приборе содержится несколько измерителей различных величин.

В радиолюбительских условиях изготовление узкоспециализированного измерительного прибора с цифровой индикацией, например, только вольтметра или частотомера, вряд ли оправдано. Затраты достаточно велики, а эксплуатационные возможности ограничены. Предпочтение отдают универсальным цифровым измерительным приборам.

Удешевлению изготовления универсальных измерительных приборов, упрощению их схемотехники и настройки, уменьшению габаритных размеров и массы способствует использование интегральных микросхем с повышенной степенью интеграции, номенклатура которых быстро растет.

Цель курсового проекта - разработка схемы электрической принципиальной цифрового вольтметра на микроконтроллере AT89C51, построенного на основе времяимпульсного метода.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:

- провести анализ предметной области;

- разработать алгоритм и структурную схему;

- разработать схему электрическую принципиальную.

1. Метод построения прибора

В разработанном цифровом устройство, предназначенном для измерения постоянного положительного напряжения реализован время импульсный метод измерения. Временные диаграммы, поясняющие работу используемого метода , приведены на рисунке 1[1].

Рисунок 1 - Временные диаграммы, поясняющие работу схемы

Процесс измерения напряжения происходит следующим образом. В момент времени t0 сигнал 1 с устройства вырабатывающего линейно убывающее напряжение одновременно поступает на два устройства сравнения, сигнал 3 и сигнал 2.

В момент времени t1 когда сигнал 1 станет равен сигналу 3 устройство сравнения выработает импульс (сигнал 4), который разрешит прохождению счетных импульсов на счетное устройство с известной частотой (сигнал 5).

Счет будет вестись до момента времени t2, когда линейно убывающее напряжения станет равным напряжению нуля (сигнал 2). Таким образом, насчитанное количество импульсов счетным устройством будет пропорционально измеряемому напряжению (сигнал 6).

Число насчитанных импульсов определиться из следующего выражения

(1)

где f0 - частота ГОЧ;

К2 - коэффициент преобразования входного напряжения;

крутизна линейно изменяющегося напряжения.

2. Структурная схема и алгоритм работы прибора

Структурная схема цифрового вольтметра для измерения постоянного напряжения времяимпульсным методом приведена на рисунке 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГЛИН - генератор линейно-изменяющегося напряжения; ГОЧ - генератор опорной частоты; =1 - исключающее ИЛИ; СТ - счётчик; УУ - устройство управления(микроконтроллер); Ux - измеряемое напряжение; ВУ входное устройство; УС1, УС2 - устройство сравнения; & - логический элемент «И»; RS-232 - блок связи с компьютером; Клавиатура - блок выбора пределов измерения; Индикация - блок отображения измеренного напряжения

Рисунок 2 - Структурная схема цифрового вольтметра времяимпульсного метода измерения

Алгоритм работы прибора:

1) С помощью клавиатуры устанавливается предел измерения.

2) Микроконтроллер с помощью адресации подключает соответствующий диапазон измерения;

3) Программный способом формируется сигнал ГЛИН, одновременно поступающий на два устройства сравнения УС1 и УС2;

4) Происходит формирование счетных импульсов с ГОЧ в интервале времени срабатывания двух устройств сравнения;

5) Обработанные счетные импульсы отображаются на блоке индикации.

3. Описание электрической принципиальной схемы

Схема электрическая принципиальная разработанного устройства (КП 200106.30.000 Э3) приведена в графической части.

Функционально схема цифрового вольтметра (КП 200106.30.000 Э3) состоит из следующих блоков:

3.1 Блок управления;

3.2 Блок дешифрации адресов;

3.3 Блок измерения;

3.3.1 Блок ГЛИН;

3.3.2 Блок выбора пределов;

3.3.3 Блок генератора опорной частоты;

3.3.4 Блок сравнения;

3.3.5 Блок подсчета числа импульсов;

3.4 Блок индикации;

3.5 Блок сопряжения с ПК

3.6 Блок клавиатуры.

3.1 Блок управления

Блок управления прибором для измерения напряжения реализован на базе микроконтроллера AT89C51, согласно техническому заданию к курсовому проекту. Он выполняет следующие функции:

- управление связью с компьютером;

- формирование линейно изменяющего напряжения;

- управление столбцами и строками матричных индикаторов;

- прием и обработка результата измерения.

Характеристики данного микроконтроллера приведены в методическом пособии [4].

Задающий генератор выполнен в виде кварцевого резонатора подключенный к микросхеме DD7 по типовой схеме, приведенной на рисунке 3[4].

С1, С2 = 30 пФ±10пФ; R1=8,2 кОм; С3=10 мкФ.

Рисунок 3 - Типовая схема включения микроконтроллера

3.2 Блок дешифрации адресов

Дешифратор адреса К555ИД10 (DD5) включен в схему для распределения адресного пространства между отдельными блоками и элементами схемы, с целью исключения конфликтов при доступе к шине данных.

Выбранный дешифратор имеет малое значение потребляемого тока (11,5 мА) Также данный дешифратор хорошо распространён, его цена невысока и он имеется в наличии.

Логические инверторы К555ЛН1 (DD5.1-DD5.6) и (DD6.1-DD6.2) инвертируют сигналы с дешифратора для устройств, выбор которых осуществляется активной «единицей». Микросхема является из той же серии (К555), что и дешифратор. Выбор данной микросхемы обусловлен из соображений доступности и дешевизны.

3.3 Блок измерения

3.3.1 Блок ГЛИН

ГЛИН представляет собой цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), построенный на резисторах (R16-R31) и не инвертирующем усилителем (DD11.1) . ЦАП используется для получения линейно изменяющегося напряжения, реализованный как восьмиразрядная резистивная матрица R-2R. Программно формируя код на входах ЦАП можно получить сигнал любой формы.

Входы ЦАП подключены к выводам порта (P2.0-P2.7)микроконтроллера(DD5).

Восьмибитный ЦАП способен выдать 256 различных напряжений с шагом 20 милливольт, так как Uпит=5В.

Номиналы резисторов (R16-R31) взяты в соответствии с номиналами резисторов, приведенными в методическом пособии [2]. Марки резисторов были выбраны из соображений доступности.

Вследствие того что верхний предел измерения прибора равен 10В, сигнал на выходе необходимо усиливать. Усилитель выполнен на основе микросхемы LMC660, которая включает в себя четыре операционных усилителя. Микросхема LMC660 выбрана, из соображения доступности.

Коэффициент усиления, схемы приведенной на рисунке 4 определяется выражением 2:

где К- коэффициент усиления; Uвых - напряжение на входе усилителя; Uвых - напряжение на выходе усилителя; R1, R2 -резисторы.

микроконтроллер цифровой вольтметр



Рисунок 4- Схема неинвертирующего усилителя

То есть 1,4R32=R33.

Номиналы резисторов R32, R33 составляют 1,1кОм и 1,5кОм соответственно. Рассеваемая мощность для выбранных резисторов не превышает 0,125 Вт. Были выбраны резистор МЛТ и С1-4 серий с соответствующими номиналами и рассеиваемой мощностью, так как они являются дешевыми и распространенными.

3.3.2 Блок выбора пределов

Блок выбора предела измерения включает в себя один операционный усилитель DA13.2 который подключен по схеме неинвертирующего усилителя, мультиплексор DD25, регистр DD4. Усилитель выполнен на основе микросхемы LMC660. Диапазон измеряемого напряжения находится в пределах от 0,1В до 10В.

В качестве пределов измерения были выбраны следующие поддиапазоны:

- от 0,1 до1;

- от 1 до 10.

Исходя из выбранных пределов, и разработанного блока ГЛИН необходимо усиливать только первый предел измерения.

Коэффициенты усиления для него составляет K=10. Соответствующие номиналы рассчитаны по формуле 2 представленной выше. Они равны R34=1.1кОм ±5%, R35=10кОм±5%.

Были выбраны резистор МЛТ и С2-33H-0 серий с соответствующими номиналами и рассеиваемой мощностью, так как они являются дешевыми и распространенными.

Выбора предела осуществляется программным способом с помощью микроконтроллера(DD5), он посылает соответствующую комбинацию кода на адресный вход мультиплексора.

Аналоговый 8-канальный мультиплексор выполнен на основе микросхемы ADG408. Выбор этой микросхемы обусловлен тем, что имеет низкое сопротивление каналов, обладает высоким быстродействием и минимально искажает сигнал на выходе, а также широко представлена на рынке.

3.3.3 Блок генератора опорной частоты

В блок генератора опорной частоты (ГОЧ) входят генератор на элементах R11-R14, ZQ1, К555ЛА3 (DD8.1, DD8.2), каскад двоично-десятичных счетчиков К555ИЕ6 (DD9, DD10, DD26). Генератор и каскад двоично-десятичных счетчиков позволяют получить сигналы с известной частотой. И также служат делителями на 1, 10, 100 генерируемой образцовой частоты. Эти сигналы могут быть использованы как синхронизирующие, при генерации линейно изменяющегося напряжения и, главным образом, как образцовая частота f0, при измерении длительности импульса Tx.

Схема генератора, и принцип подключения взяты из лабораторного методического пособия [4]. Марка резисторов была выбраны из соображения допустимости и распространения.

3.3.4 Блок сравнения

Блок сравнения содержит в себе две микросхемы К554СА3(DA14, DA1 6) и К555ЛП5(DD15.1). На инверсные входы сравнения DA14, DA16 подается значение измеряемого напряжения и напряжение ноля соответственно. Вырабатываемое линейно возрастающее напряжение с ЦАП одновременно поступает на вторые входы сравнения микросхем. Логическая единица на выходе компаратора устанавливается в том случае, если сигналы поступающие на входе сравнения равны. С помощью микросхемы DD15.1 осуществляется анализ состояний выходов компаратор. Используемая микросхема реализует функцию «Исключающее ИЛИ». Сигнал на выходе которой будет равен единицу в случае, когда сигналы с выходов DA14, DA16 не равны друг другу. Таким образом установленная единица будет пропорциональна промежутку времени, когда линейно-изменяющееся напряжение с ЦАП изменяется от измеряемого напряжения Ux до 0.

Выбор компараторов DA14,DA16 и микросхема DD15.1 обусловлен тем, что они достаточно дешевы и широко распространены.

3.3.5 Блок подсчета числа импульсов

Блок подсчета числа импульсов состоит из следующих микросхем: К555ЛИ1 (DD1.1), каскад из двух десятичных счетчиками К555ИЕ6 (DD2, DD3), и регистра КР1533ИР33(DD24).

Микросхема DD1.1 выполняет логическую функцию «И». На первый вход которой постоянно поступают сигналы с ГОЧ, а на второй вход сформированная логическая единица с выхода микросхемы DD15.1. Выход элемента «И» становиться активным только тогда, когда на оба входе приходят единицы[2].

Сформированная логическая единица микросхемы DD1.1 разрешает прохождение импульсов c генератора опорной частоты на каскад счетчиков DD2,DD3. Этот каскад счетчиков насчитывает количество импульсов, прошедших через элемент «логическое И». Затем отправляет данные на входы регистра КР1533ИР33(DD24) где и запоминается посчитанное значение импульсов пропорциональное измеренному напряжению. После выполнения всех выше перечисленных операций сформированное значение посчитанных импульсов отправляется на порт P1.0 микроконтроллера.

Выбор десятичных счетчиков DD2,DD3 обусловлен использованием подобных в генераторе опорной частоты. Микросхемы КР1533ИР33 и К555ЛИ1- быстродействующие и обеспечивают необходимую функциональность, а также достаточно распространены и дешевы.

3.4 Блок индикации

Блок индикации необходим для визуального отображения результата измерения напряжения. В соответствии с техническим заданием разрабатываемый прибор должен иметь 6-разрядный матричный светодиодный индикатор. Размер матрицы выбран 5X7, так как нет точных рекомендаций и ограничений на выбор индикатора. Выбрана матрица Ta07-11ywa, так как она имеет нужный размер, и светодиоды соединены по схеме с общим анодом, а также достаточно распространена на рынке.

Информация для отображения поступает через порты ввода-вывода P0 и P3 с микроконтроллера. Каскад регистров DD17-DD22 предназначен для формирования управляемого слово строк индикаторов. Управление столбцами происходит через линии порта P0.

Вывод информации на индикатор происходит последовательно на каждый столбец выбранного разряда матрицы. Выбор регистра, с которого в данный момент будет, считывается состояние строк осуществляется с помощью дешифратора DD12. Для согласования по уровню сигнала с дешифратора адреса и сигнала на входе стробирования регистра используется инвертор КР1533ЛН1 (DD5), который по уровням сигналов совместим с другими ИС стандартной ТТЛ логики.

Ток, выдаваемый микроконтроллером на анод индикатора, оказывается недостаточным для его свечения, поэтому используем схему, которая с помощью небольшого управляющего тока может создавать в другой схеме ток значительно большей величины, называемую транзисторным ключом (рисунок 5).

Рисунок 5 -Транзисторный ключ на транзисторе p-n-p

Расчет транзисторного ключа p-n-p типа состоит из следующих этапов:

Этап I. Найдем ток нагрузки Iн

где Ic - ток через светодиод 10 мА; n - число светодиодов.

Этап II. Рассчитаем минимально возможный коэффициент h21э для заданных исходных данных

В качестве тока базы использовали максимально возможный ток для логического нуля выхода микроконтроллера (15мА), который управляет работой транзисторного ключа.

Этап III. Выбираем транзистор, у которого коэффициент h21э, максимальное напряжение для перехода коллектор-эмиттер и максимальный ток коллектора превышают величины h21э min=4,66, U1=5В и Iн=70мА соответственно. Был выбран транзистор КТ816А со следующими параметрами: h21э min=25, Uкэmax=40В, Iкmax=6А.

Этап IV. Рассчитываем реальный ток базы для выбранного транзистора

где - минимальное значение коэффициента h21э из справочника для транзистора КТ816А.

Этап V. Находится величина резистора Rб по выражению

В качестве Uвх берем максимально возможное напряжение логического нуля выхода регистра (0,8В), ток базы равен Iб=2,8мА, U1=5В, Uбэ=0,925В.

Полученное значение базового резистора округляется в меньшую сторону до стандартного значения Rб=1,1кОм ±5% т.о. на схеме R3-R10.

Этап VI. Рассчитывается требуемая мощность рассеивания резистора по выражению P=IбURб и выбирается резистор с ближайшей большей мощностью рассеивания:

В качестве резистора R3--R10 были выбраны МЛТ-0.125-1,1 кОм±5%, так как являются дешевыми и распространенными.[4].

3.5 Блок сопряжения с ПК

Для подключения устройства к компьютеру через последовательный порт используется микросхема MAX232(DD23). Выбор этой микросхемы обусловлен тем, что типовая схема включения (рисунок 6) ее достаточно проста и правильно собранная схема из исправных деталей работает сразу и не требует наладки. Типовая схема включения взята из методических рекомендаций[4].

C1-C5 - 0,1-10мкФ (одинаковые)

Рисунок 6 - Типовая схема включения микросхемы MAX232

Название и назначение сигналов разъемов порта (таблица 1) соответствует интерфейсу RS-232. Назначение I/O задает направление передачи (вход-выход) сигнала порта[4].

Таблица 1 - Разъем стандартного COM-порта

COM-порт	Контакт разъема	Направление I/O
	DB25P	DB9P
PG	1	5	-
SG	7	5	-
TD	2	3	O
RD	3	2	I
RTS	4	7	O
CTS	5	8	I
DSR	6	6	I
DTR	20	4	O
DCD	8	1	I
RI	22	9	I

Интерфейс RS-23 C описывает несимметричны передатчики и приемники - сигналы передаются относительно общего провода - схемной земли, гальваническая развязка устройств отсутствует - схемная земля подключаемого устройства соединяется со схемной компьютера.

3.6 Блок клавиатуры

Клавиатура представлена двумя кнопками (SВ1-SВ2) и двумя подтягивающими резисторами (R1-R2), включенными в соответствии с методическими рекомендациями [4]. Сигналы с выхода клавиатуры подаются на входы регистра КР1533ИР33(DD4), выбор этой микросхемы связан с использованием регистров этой серии в других блоках. В регистре запоминается код и отправляется на порт P1.0-P1.7 микроконтроллера. При обнаружении изменения слово состояния выполняется смена предела измерения. При включении устройства слово состояния клавиатуры принимается по умолчанию. Подтягивающие резисторы R1-R2 выбраны по рекомендации [4]. Для обеспечения минимального тока были выбраны резисторы с сопротивлением 4,7 кОм.

4. Адресное пространство

Дешифратор DD12 делит адресное пространство между устройствами следующим образом (таблица 2).

Таблица 2- Таблица распределения адресного пространства

Устройство	DD17	DD18	DD19	DD20	DD21
Значение	min	max	min	max	min	max	min	max	min	max
AА0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1
AА1	0	0	0	0	1	1	1	1	0	0
AА2	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0

Распределение адресов в шестнадцатеричном и десятичном форматах:

1. DD17: 0-0 (0-0);

2. DD18: 1-1 (1-1);

3. DD19: 2-2 (2-2);

4. DD20:3-3 (3-3);

5. DD21: 4-4 (4-4);

6. DD22: 5-5 (5-5);

7. DD24: 6-6 (6-6);

8. DD4: 7-7 (7-7).

Заключение

В результате выполнения курсового проекта разработан цифровой вольтметр постоянного напряжения на основе время импульсного метода на микроконтроллере АТ89С51. Диапазон измерений:0,1-10 В. Индикация на шестиразрядный матричный индикатор. Ручной выбор предела измерений. Связь с персональным компьютером по последовательному интерфейсу.

В ходе выполнения курсового проекта были решены следующие задачи:

- проведен анализ литературы предметной области;

- разработаны алгоритм работы прибора и его структурная схема;

- проведено проектирование схемы электрической принципиальной цифрового вольтметра.

Список использованной литературы

1. Сыпин, Е.В. Цифровые измерительные устройства: курс лекций. [Текст] Е.В. Сыпин [и др.]. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - 84 с.

2. Сыпин, Е.В. Принципы построения цифровых измерительных приборов: методические рекомендации к лабораторным работам для студентов специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии». [Текст] / Е.В. Сыпин, Е.С. Повернов, Е.В. Берестова; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - 33 с.

3. Analog Devices, Inc.[Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/adg408_409.pdf

4. Сыпин, Е.В. Цифровые измерительные устройства: методические рекомендации по курсовому проектированию. [Текст] / Е.В. Сыпин, Н.Ю. Тупикина, Е.С. Повернов. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - 108 с.

Размещено на Allbest.ru

...