Дипломная работа: Мікропроцесорна метеостанція

Рисунок 3.1 – Схема включення опорного джерела живлення

Джерело опорної напруги AD780 має такі технічні характеристики:

-  відхилення напруги від опорного значення: ± 0,02 В;

-  струм споживання 2 μА;

-  діапазон струму навантаження: від 0 до 10 mА;

-  температурний коефіцієнт вихідної напруги: 10-5/ ºС [5].

Для того щоб вхідний сигнал якомога менше спотворити, при його проходженні через резистори, які будемо використовуватися для ділення напруги та схем включення мікроелементів – будуть прецензійними.

3.3 Аналого-цифровий перетворювач АD1674

Характеристики:

-  Монолітний 12 бітний 10 мс АЦП зі схемою вибірки ;

-  Вбудований пристрій вибіраки-зберігання ;

-  Цоколевка, що відповідає промисловому стандартові ;

-  8 і 16 бітний мікропроцесорний інтерфейс ;

-  Визначені і перевірені статичні і динамічні характеристики ;

-  Уніполярний і біполярний входи ;

-  Діапазони вхідного сигналу ±5 В, ±10 В, 0 В - 10 В и 0 В - 20 В ;

-  Комерційні, індустріальні і військовий температурні діапазони ;

-  MІ-STD-883 і SMD корпусні виконання ;

AD 1674 - багатоцільовий 12 бітний аналого-цифровий перетворювач, що містить Вбудовані пристрій вибіраки-зберігання (ПВЗ), 10 В джерело опорної напруги (ДНО), буфер тактових імпульсів і вихідний буфер із трьома станами для зв'язку з мікроконтролером. AD1674 сполучимо по висновках зі стандартними промисловими приладами AD574A і AD674A, але містить Вбудоване ПВЗ і має велику швидкість перетворення. Вбудоване ПВЗ має широку смугу пропущення, що забезпечує 12 бітне перетворення у всій смузі Найквиста.

Для AD1674 цілком визначені динамічні характеристики (відношення сигнал/ шум - S / (N+D) , THD, і ІMD) і статичні характеристики (зсув, абсолютна помилка і т.д.). Ці статичні і динамічні характеристики AD1674 роблять його ідеальним для використання в пристроях обробки сигналів і виміру постійного струму.

AD1674 виготовлений за унікальною технологією BіMOS ІІ компанії Analog Devіces, що дозволяє сполучити висока якість і швидкодія біполярної технології з малим споживанням КМОП технології.

Прилад випускається в п'ятьох різних температурних виконаннях. AD1674J і До виконання призначені для роботи в температурному діапазоні від 0°С до +70°С; А и В виконання призначені для роботи в індустріальному температурному діапазоні від - 40 °С до +85°С; AD1674T виконання призначене для роботи в розширеному температурному діапазоні від -55°С до +125°С. J і До виконання виробляються в 28 вивідних пластикових корпусах DІ і SOІ. А й У виконання випускаються в 28 вивідних герметичних керамічних корпусах DІ і 28 вивідних корпусах SOІ. T виконання випускається в 28 вивідному герметичному корпусі DІ.[6]

3.4 Датчик відносної вологості Модель RL-1HS100

Датчик відносної вологості RL-1HS100 побудований на основі сенсорного елемента HІН-3610-002 фірми Honeywell, виготовленою у виді інтегральної схеми. Сенсор використовує планерний ємнісний полімерний елемент, чуттєвий до вологості повітря. Другий шар полімеру захищає сенсор від бруду, пилу, жиру й інших шкідливих факторів навколишнього середовища. Датчик має калібрований лінеаризований вихід.

Область застосування:

-  теплиці;

-  холодильники;

-  сушарки;

-  метеорологія;

Основні властивості:

-  похибка ± 2% RH;

-  діапазон виміру 0-100 % RH;

-  лінійність ± 0.5% RH;

-  гістерезис ± 1.2% RH;

-  відтворюваність + 0.5% RH;

-  постійна часу 15 сек. ;

-  стабільність ± 1 % RH за 5 років;

-  температурний діапазон -40  to 85 .

Датчик вологості складається з інтегрального чуттєвого елемента (сенсора), що живиться від вбудованого стабілізатора напруги, і повторювача напруги який необхідний для ослаблення електромагнітних перешкод, виключення впливу опору навантаження і сполучної лінії на результати вимірів.

Датчики вологості калібрують виготовлювачем, у зв'язку з чим кожен датчик вологості має індивідуальні калібровані коефіцієнти. Ці коефіцієнти заносяться в калібрований файл пристрою введення інформації типу RL . При цьому відносна вологість визначається по формулі :

RH=(a1 +a2*Vout)*100%, (3.1)

де: RH - відносна вологість повітря в %; а1 і а2 - калібровані коефіцієнти; Vout - вихідна напруга датчика.[7]

3.5 Датчик атмосферного тиску. Модель RL-1APS115

Датчик атмосферного тиску RL-1APS115 побудований на основі сенсорного елемента МРХА4115A6LJ фірми Motorola, виконаного у виді інтегральної схеми. Датчик має калібрований лінеаризованный вихід.

Область застосування :

-  метеорологія ;

-  барокамери ;

-  теплиці ;

Основні властивості :

-  похибка ±1.5% ;

-  діапазон виміру 15-115 кПа ;

-  часу встановлення 0,02 сек. ;

-  температурний діапазон -40 °С to 85 °С.

Датчик атмосферного тиску складається з інтегрального чуттєвого елемента (сенсора), що живиться від вбудованого стабілізатора напруги, і повторювача напруги який необхідний для ослаблення електромагнітних перешкод, виключення впливу опору навантаження і сполучної лінії на результати вимірів. Датчики атмосферного тиску калібрують виготовлювачем, при цьому атмосферний тиск визначається по формулі

Р=а1 + a2*Vout, (3.2)

де: Р - атмосферний тиск у кПа. а1 і а2 - калібровані коефіцієнти.

а1=10,6, а2=21,8 . Vout - вихідна напруга датчика.

Калібровані коефіцієнти вказуються для кожного датчика на зворотній стороні його корпуса. Датчик тиску підключають до одному з пристроїв введення аналогових сигналів RL-8AІ, RL-88АС, RL-40AІ або RL-32RTD. Після підключення датчика й експорту каліброваного файлу. У програму відображення даних RLDataVіew на екрані монітора комп'ютера будується графік залежності тиску від часу, що обновляється в міру надходження даних. Дані можуть бути збережені у файлі, роздруковані або експортовані в іншу програму, як, наприклад, MS Excel.

Граничні режими :

-  Атмосферний тиск400 кПа ;

-  Температура збереження+5...+40 °С ;

-  Напруга живлення+22 В ;

-  Відносна вологість, не більш... 100% ;

-  Тік навантаження5 мА. [7]

3.6 Датчик температури. Модель LM94022

Компанія Natіonal Semі-conductor представила перші аналогові датчики температури, що здатні працювати при напругі живлення 1,5 В и характеризуються можливістю вибору коефіцієнта передачі. Дані особливості дозволяють поліпшити експлуатаційні характеристики пристроїв температурного контролю і керування з низьковольтним живленям. LM94021 і LM94022 підтримують чотири обираних користувачі коефіцієнта передачі і контролюють температуру в діапазоні -50°С...+ 150°С. Широкий діапазон контрольованих температур, гнучкість і економічність роблять дані датчики чудовим вибором для низьковольтних систем з батарейним живленям, таких, як стільникові телефони, персональні цифрові пристрої, Мрз-плееры і цифрові камери.

LM94021 і LM94022 - прецизійні аналогові датчики температури, виконані за технологією КМОП і здатні працювати від джерела харчування напругою 1,5...5,5 В. Вихідна напруга цих датчиків назад пропорційно обмірюваній температурі для досягнення більш високої чутливості при підвищених температурах.

Користувачам пропонується вибрати один з чотирьох коефіцієнтів передачі:

 -5,5 мВ/ , -8,2 мВ/, -10,9 мВ/, -13,6 мВ/.

LM94021 і LM94022 характеризуються малим споживаним струмом: 9 мкА і 5,4 мкА, відповідно. Дані датчики випускаються у мініатюрному корпусі SC70, а посадкове місце сумісне зі стандартним датчиком температури LM20.

Відмінні риси:

-  Робота при напрузі живлення 1,5 В ;

-  Двотактний вихід з навантажувальною здатністю 50 мкА (LM9402) ;

-  Чотири обираємих користувачем коефіцієнти передачі ;

-  Висока точність контролю в широкому температурному діапазоні 50……+150  ;

-  Малий споживаний струм ;

-  Захист виходу від короткого замикання ;

-  мініатюрний корпус SC70 ;

-  Сумісність посадкового місця зі стандартним датчиком температури LM20 ;

Основні характеристики:

-  Напруга живлення 1,5-5.5 В ;

-  Споживаний струм 9 мкА (типове значення) ;

-  Навантажувальна здатність ±50 мкА ;

-  Точність контролю температури:

±1,5(20- 40) ;

±1,8  (-50...70) ;

±2,1 (-50- 90) ;

 ±2,7 (-50- 150) ;

-  Робітник температурний діапазон: -50-150 ;

Області застосування:

-   телефони ;

-  Радіочастотні передавачі ;

-  Керування батарейним джерелом ;

-  Автомобільна електроніка ;

-  Драйвери дисків ;

-  Ігрові пристрої ;

-  Побутові прилади. [7]

3.7 Розробка електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

Поєднавши перераховані вище компоненти схеми, розроблена електрична функціональна схема приладу, представлена в додатку А. Працює вона таким чином.

Три датчики, які показані на схемі трьома розйомами XS1, XS2, XS3. Проводять вимірювання трьох фізичних величин таких як відносна вологість, атмосферний тиск і температура. Вихідний сигнал цих датчиків аналогова величина, яка поступає через аналоговий мультиплексор на 12 розрядний АЦП АD1674, який перетворює аналогову величину в цифровий код . Після цього цей цифровий код поступає на мікроконтролер AT90S8515. Після цього на порти персонального комп’ютера, які показані на схемі розйомами XS4. Сигнал між мікроконтролером AT90S8515 і персонального комп’ютером передається через інтерфейс RS-232. Який складається з гальванічної розв’язки і перетворювача рівнів MAX232. Гальванічна розв’язка побудована на основі двох оптронів 4N35 і мікросхеми МС7805.

4. Електричні розрахунки найголовніших вузлів електричної принципової схеми

Здійснимо електричний розрахунок елементів принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

 Розрахуємо значення резисторів  за формулою:

, (4.1)

де  - мінімальне значення напруги для рівня логічної одиниці. - спад напруги на світлодіоді. - струм на світлодіоді.

Підставивши значення, отримаємо:

 (kОм)

Розрахуємо значення резисторів  за формулою:

. (4.2)

З документації на оптрон 4N32 визначаємо струм , . Отже IC= IE=100, UE=0.5B.

Підставивши значення, отримаємо:

 (Ом)

Розрахуємо значення резисторів  за формулою:

, (4.3)

де - вихідна напруга мікросхеми MC7805

Підставивши значення, отримаємо:

 (Ом)

Оберемо значення резисторів  кОм.

З документації на мікросхему AD780 визначаємо номінали конденсаторів С2, С1 . Отже, обираємо конденсатори С2 =С1= 100 .

До портів мікроконтролера ХТAL1 та ХТAL2 під’єднано конденсатори  та , між якими розташований кварцовий резонатор ZQ, призначений для того, щоб задавати такт роботи мікроконтролера. Його частота f=1 МГц. Візьмемо  пФ.

З документації на мікросхему MAX232 визначаємо номінали конденсаторів С9, С10, С11, С12 . Отже, обираємо конденсатори С9= С10= С11= С12 =1 .

З документації на мікросхему MC7805 визначаємо номінали конденсаторів С5, С6, С7, С8. Отже, обираємо конденсатори С5= С6=С7=С8= 220

Обираємо діоди VD1,VD2. VD1,VD2 - діоди напівпровідникові імпульсні 1N4148 Мають такі характеристики, які наведені в таблиці 2, 3 [9]

Таблиця 2. Максимальні параметри експлуатації 1N4148

Таблиця 3,. Електричні параметри 1N4148

5. Алгоритмічне забезпечення

В наведеній в додатку А електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції живлення мікросхеми MAX232 перетворювача рівнів та відповідна частина оптронів живиться від послідовного порта. Живлення реалізоване наступним чином сигнал RTS, DTR програмно встановлюються а рівень ‘0’. Згідно з специфікацією на RS-232 навантажувальна здатність RTS, DTR складає 15мА. Ці сигнали з’єднуються за схемою “або” за допомогою двох діодів VD1, VD2. Відповідно навантажувальна здатність двох сигналів скл. 30мА. Через R7 напруга поступає на вхід лінійного стабілізатора напруги MС7805. На виході якого формується напруга 5В. Яка використовується для живлення перетворювача рівнів MAX232 (DD6), та транзисторного каскаду оптрона (DD5). Таким чином забезпечується незалежність кіл живлення процесора та перетворювача рівнів. Оптрони DD4, DD5 призначенні для забезпечення гальванічної розв’язки сигнальних кіл. Персональний комп’ютер формує сигнал RxD. Цей сигнал поступає на перетворювач рівнів (DD4). На виході якого утворюється сигнал, який подається на струмозадаючий резистор R4. Цей струм засвічує світлодіод оптрона DD5. Відповідно на виході емітерного повторювача, який реалізований на транзисторі оптрона DD5 та резисторів R5, R6, формується сигнал ідентичний сигналу RxD на виході порта. Цей сигнал поступає на RxD мікроконтролера. Мікроконтролер (DD3) формує сигнал який відповідає адресі відповідного ключа мультиплексора (DD1). В цей момент АЦП (DD2) формує сигнал готовності STS. Мікроконтролер (DD3) формує сигнал запуску АЦП (DD2). Через мультиплексор (DD1) на АЦП (DD2) проходить аналоговий сигнал для перетворення його в цифровий код. Через порти DB.0-DB.12 цифровий код поступає на порти PA.0-PA.7, PB.0-PB.5 мікроконтролера (DD3). Мікроконтролера (DD3) формує сигнал ТxD. Сигнал ТxD з виходу МСU (DD3) через струмозадаючий резистор R1 засвічує світло діод оптрона DD4.

Відповідно на виході емітерного повторювача, який реалізований на транзисторі оптрона DD4 та резисторів R2, R3, формується сигнал ідентичний сигналу ТxD на виході процесора тільки повністю гальванічно ізольований від нього. Резистор R3, R6 виконує роль навантаження для емітерного повторювача. Резистор R2, R5 включений між базою та емітером транзистора необхідний для температурної стабілізації режиму його роботи. Вихідний сигнал емітерного повторювача поступає на вхід перетворювача рівнів, з виходу якого на вхід СОМ порта. [8]

6. Метрологічні характеристики

1 Розрахуємо похибку квантування АЦП за такою формулою:

 (6.1)

де n- розрядність АЦП n=12,  - напруга АЦП,  = 10(В),

Підставивши значення, отримаємо:

Розрахунок СКВ похибки квантування за такою формулою

. (6.2)

Підставивши значення, отримаємо:

.

2 Розрахунок СКВ похибки кожного датчика за такою формулою:

. (6.3)

Підставивши значення, отримаємо:

Розрахунок загальне СКВ похибки датчиків за такою формулою:

. (6.4)

Підставивши значення, отримаємо:

3 Розрахунок загального СКВ похибки системи за такою формулою:

. (6.5)

Підставивши значення, отримаємо:

Абсолютна похибка приладу

Висновки

Метою даного курсового проекту було створення приладу, який би задовольняв потреби найсучаснішої вимірювальної техніки, а це, перш за все, швидкодія, наявність ергодичного інтерфейсу, простота та швидкість обробки інформації та наглядне її представлення. Тому в даному курсовому проекті створений сучасний вимірювальний прилад, який задовольняє вищеприведені вимоги, при цьому забезпечуючи достатній діапазон фізичної величини і порівняно невелику похибку.

 Також були запропоновані три варіанти структурних схем мікропроцесорної метеостанції, і серед них вибрана найбільш оптимальна за метрологічними і економічними характеристиками. В практичній частині на базі вибраної структурної схеми розроблена схема принципова, що представляє собою поєднання найсучасніших мікросхем, які спрощують задачу керування приладом і роблять його зручним у користуванні навіть для неспеціаліста. Передостанній розділ пропонує електричні розрахунки компонентів принципової схеми і вибір номіналів елементів, які б задовольняли умовам технічного завдання. В останньому наведений розрахунок похибки створеної системи. Отже, наша вимірювальна система задовольняє поставленим вимогам.

Література

1.  Хазанов Б.И. Интерфейсы измерительных систем.- М.: Энергия, 1979. – 169с.

2.  Избыточные системы счисления, моделирование, обработка данных и системное проектирование в технике преобразования информации: Учеб. пособие / В.А. Поджаренко, А.Д. Азаров, В.А. Власенко, И.И. Коваленко.: - Выща шк., 1990. – 208 с.: ил.

3.  Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем (теория, методология, организация)./Е.Т. Удовиченко, А.А.Брагин, А.Л.Семенюк, В.И.Бородатый, Э.С. Браилов, Ю.И. Койфман, А.Д. Пинчевский. – М.: Изд-во стандартов, 1991.-192 с.

4.  Вострокнутов Н.Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытаний, поверка. –М.: Энергоатомиздат, 1990.-208 с.

5.  Проектирование микропроцесорных измерительных приборов и систем/В.Д. Циделко, Н.В. Нагаец, Ю.В. Хохлов и др.- К.: Техніка, 1984.-215 с.

6.  www.atmel.ru

7.  www.rlda.ru

8.  Конспект лекцій

9.  www. gaw.ru

Додатки

Додаток А (обов’язковий)