1. Техническое задание Вариант 1
1. Описать принцип действия аналогового датчика и выбрать модель датчика.
2. Описать принцип действия АЦП и выбрать ИМС АЦП. Произвести расчеты АЦП, соответствующие типу АЦП.
3. Согласовать датчик и ИМС АЦП (выбрать и рассчитать операционный усилитель).
4. Описать заданный микроконтроллер. Составить алгоритм работы программы микроконтроллера.
5. Описать заданный тип выходной нагрузки системы и выбрать ИМС для ее реализации.
6. Провести расчет надежности полученной системы.
7. Построить электрическую структурную схему проектируемой системы (формат А3).
8. Построить электрическую принципиальную схему проектируемой системы (формат А3).
№ |
Кол-во датчиков |
Аналоговый датчик |
АЦП |
Микро-контроллер |
Выходная нагрузка |
1 |
1 |
Влажности |
Сигма-дельта АЦП |
PIC16F84A |
Шинный формирователь |
2. Разработка структурной схемы
Система сбора информации будет состоять из следующих звеньев: непосредственно датчика, который преобразует физическую величину в электрический сигнал; согласующего усилителя; аналого-цифрового преобразователя; микроконтроллера и выходной нагрузки – интерфейсной части проектируемой системы.
Эта структурная схема представлена на рис 1.
Рис. 1 – Структурная схема системы сбора и обработки информации
Д – датчик;
ОУ – операционный усилитель;
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
МК – микроконтроллер;
ШФ –шинный формирователь.
Измеряемая физическая величина с объекта наблюдения регистрируется датчиком Д. Он преобразует эту физическую величину в аналоговый электрический сигнал – напряжение или ток – соответствующий измеряемой величине. Этот сигнал поступает на вход операционного усилителя ОУ, где он усиливается до уровня необходимого для работы аналого-цифрового преобразователя АЦП. Цифровой код, представляющий собой двоичную последовательность оцифрованного входного аналогового сигнала, полученный после АЦ - преобразования, поступает на порт ввода микроконтроллера МК. Он обрабатывает и нормализует полученный двоичный код в нормальные единицы измерения физической величины.
Для дальнейшей обработки информация передается на выходную интерфейсную схему – шинный формирователь для последующей обработки в ЭВМ верхнего уровня.
3. Выбор элементной базы
3.1. Описание принципа действия аналогового датчика и выбор модели
Влажность и содержание молекул воды в веществах и материалах являются одним из наиболее важных характеристик состава. Уже указывалось, что влагу необходимо измерять в газах (концентрация паров воды), в смесях жидкостей (собственно содержание молекул воды) и в твердых телах в качестве кристаллизационной влаги, входящей в структуру кристаллов. Соответственно, набор методов и устройств для измерения содержания молекул воды в материалах оказывается весьма разнообразным.
Традиции измерительной техники, опирающиеся на повседневный опыт, привели к тому, что в измерениях влажности сложилась специфическая ситуация, когда в зависимости от влияния количества влаги на те или иные процессы необходимо знать либо абсолютное значение количества влаги в веществе, либо относительное значение, определяемое как процентное отношение реальной влажности вещества к максимально возможной в данных условиях. Если необходимо знать, например, изменение электрических или механических свойств вещества, в этом случае определяющим является абсолютное значение содержания влаги. То же самое относится к содержанию влаги в нефти, в продуктах питания и т. д. В том случае, когда необходимо определить скорость высыхания влажных объектов, комфортность среды обитания человека или метеорологическую обстановку, на первое место выступает отношение реальной влажности, например воздуха, к максимально возможной при данной температуре.
В связи с этим характеристики влажности, а также величины и единицы влажности подразделяются на характеристики влагосостояния и влагосодержания.
Влагосодержание - величины и единицы, выражающие реальное количество влаги в веществе. Основной характеристикой влагосодержания является абсолютная влажность, определяемая как количество влаги в единице объема.
Среди приборов для измерения влажности наиболее массовыми являются приборы для определения содержания воды в газах - гигрометры. Для измерения влажности твердых и сыпучих тел чаще всего используются те же гигрометры, только процесс подготовки пробы к анализу включает в себя перевод влаги в газовую фазу, которая затем и анализируется. Существуют в принципе методы непосредственного измерения содержания влаги в жидкостях и в твердых телах, например, методом ядерного магнитного резонанса. Приборы, построенные на таком принципе, достаточно сложны, дороги и требуют высокой квалификации оператора.
Гигрометры как самостоятельные приборы являются одними из самых востребованных измерительных приборов, поскольку с давних времен в них нуждались метеорологи. По изменению влажности, также как по изменению давления и температуры, можно предсказывать погоду, можно контролировать комфортность жизнеобеспечения в помещениях, контролировать различного рода технологические процессы. Например, контроль влажности на электростанциях, на телефонных станциях, на полиграфическом производстве и т.д. и т.п. является определяющим в обеспечении нормального режима функционирования.
Востребованность гигрометров породила разработки и изготовление большого количества различных типов приборов. Большинство измерителей влажности представляют собой датчики влажности с индикатором либо аналогового сигнала, либо сигнала в цифровой форме. Поскольку индикаторами являются в большинстве своем либо механические устройства, либо электроизмерительные приборы, рассмотренные в предыдущих разделах, остановимся на датчиках влажности, определяющих почти все функциональные возможности гигрометров.
Датчики гигрометров можно классифицировать по принципу действия на следующие типы:
- волосяные датчики, в которых используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности;
- емкостные датчики, в которых при изменении влажности изменяется электрическая емкость конденсатора с гигроскопичным диэлектриком;
- резистивные датчики, в которых изменяется сопротивление проводника, на поверхность которого нанесен гигроскопический слой;
- пьезосорбционные датчики, в которых влага, поглощенная гигроскопическим покрытием, изменяет собственную частоту колебаний пьезокристалла, на поверхность которого нанесен гигроскопичный слой;
- датчик температуры точки росы, в котором фиксируется температура, соответствующая переходу зеркального отражения металлической поверхностью в диффузное;
- оптический абсорбционный датчик, в котором регистрируется доля поглощенной энергии света в полосах поглощения парами воды электромагнитного излучения.
Выберем датчик абсолютного атмосферного давления MPX4115A фирмы Freescale Semiconductor (рис. 2).
Рис.2 – Внешний вид датчика MPX4115A. Нумерация ножек – слева.
Назначение выводов датчика:
1 – VOUT - Выходное напряжение (В);
2 – Общий (земля);
3 – Вход напряжения питания (5В);
4, 5, 6 – не подключаются.
На рис.3 показана зависимость выходного напряжения от величины атмосферного давления.
VOUT, В
Давление, кПа
Рис. 3 – Рабочая характеристика датчика MPX4115A
Характеристики датчика:
Диапазон измеряемого давления от 15 до 115 кПа;
Напряжение питания 5 В;
Ток потребления 7мА;
Точность измерения составляет ±1,5%;
Время опроса датчика 1мс;
Диапазон рабочих температур от 0 до 85 °С.