- •1 Задание на курсовую работу
- •2 Разработка принципиальной схемы устройства
- •2.1 Аналоговая часть
- •2.2 Цифровая часть
- •3 Протокол обмена данными с компьютером
- •4 Разработка программного обеспечения контроллера
- •5 Тестирование программы
- •6 Алгоритм программного продукта
- •7 Листинг программы
- •8 Принципиальная схема устройства
2 Разработка принципиальной схемы устройства
2.1 Аналоговая часть
Разрабатываемое устройство состоит из двух основных частей – цифровой и аналоговой. Аналоговая часть устройства предназначена для согласования входных сигналов с входным диапазоном АЦП. Диапазон входных напряжений АЦП у выбранного контроллера, при условии использования внутреннего источника опорного напряжения Uref=2.56В, равен 0..2.56 В. Так как все входные сигналы симметричны относительно нуля, самым простым вариантом согласования двуполярного сигнала с однополярным входом АЦП является использование резисторного делителя:
Рисунок 1. Входной каскад перед АЦП.
Схема, изображенная на Рисунке 1 представляет собой делитель на 2, причем верхняя точка делителя соединена с опорным напряжением АЦП Uref, сигнал на АЦП подается с выхода делителя, а на нижнюю точку подается напряжение с входного каскада в диапазоне –Uref..+Uref. В результате, если напряжение Uin равно –Uref, на выходе делителя будет нулевой потенциал, если напряжение равно 0, на выходе делителя будет половина диапазона Uref, и так далее. Сопротивление резисторов выбирается не слишком большим – АЦП выбранного микроконтроллера согласно документации требует включения резистора не более чем 10кОм, поэтому можно применить резисторы с сопротивлением 4.7К.
В зависимости от требуемого сигнала применяются различные схемы: для входов у которых входной диапазон менее -2.56..2.56 В – требуется усиление сигнала, для входов с большим входным сигналом, требуется ослабления сигнала. Оба варианта схем предусматривают наличие операционного усилителя для установки коэффициента усиления.
Для входов, требующих ослабление сигнала, применена следующая схема включения:
Рисунок 2. Схема для ослабления входного сигнала
Номиналы резисторов R1, R2, R3 выбраны такими, чтобы сигнал на выходе операционного усилителя находился в пределах -2.56..2.56В. Коэффициент деления делителя R1, R2, R3 определяется следующей формулой:
(1)
Сопротивление R3 взято деленным на два для того чтобы была возможность изменять коэффициент в обе стороны.
Суммарное сопротивление R2+R3/2 можно рассчитать по формуле:
(2)
Требуемый коэффициент деления для канала определяется как максимальное входное напряжение деленное на 2.56.
Полученные коэффициенты деления и соответствующие номиналы резисторов, выбранные из допустимых значений близкими к расчетным:
Таблица 2
Вход |
Диапазон входного сигнала, В |
Требуемый коэффициент деления |
R1 |
R2 |
R3 |
1 |
-15..15 |
5.859375 |
51КОм |
5.1КОм |
10КОм |
2 |
-10..10 |
3.90625 |
51KOм |
15КОм |
5КОм |
Для входов с усилением входного сигнала используется схема:
Рисунок 3. Схема для усиления входного сигнала
Резистор R6 предназначен для защиты операционного усилителя, а коэффициент усиления зависит от резисторов R1, R2, R3:
(3)
Коэффициент усиления определяется как 2.56 деленное на максимальное входное напряжение, что дает выходной сигнал также равным -2.56..2.56В для полного диапазона входного сигнала.
Сопротивление R2+R3/2 можно рассчитать по формуле:
(4)
Полученные коэффициенты деления и соответствующие номиналы резисторов, выбранные из допустимых значений близкими к расчетным:
Таблица 3
Вход |
Диапазон входного сигнала, В |
Требуемый коэффициент усиления |
R1 |
R2 |
R3 |
3 |
-1..1 |
2.56 |
100 K Ом |
43 K Ом |
43 K Ом |
4 |
-0.1..0.1 |
25.6 |
100 K Ом |
2.7 K Ом |
2.7 K Ом |
Сопротивление резистора R6 для всех каналов равно 10 КОм.
Опорное напряжение на резисторные делители всех 4 каскадов подается с одного операционного усилителя, включенного по схеме повторителя и подключенного положительным входом к выходу опорного напряжения контроллера.
В результате проектирования получена аналоговая часть схемы, состоящая из операционных усилителей DA1-DA3, и резисторов R1-R19 и R31-R39. Выбраны операционные усилители LM2904, так как они имеют широкий диапазон рабочих температур: -40..+85˚C.
Аналоговые сигналы подаются на разъемы X1-X4, каждый разъем содержит сигнальный и общий контакты. Выбраны разъемы 375-021-12 для зажимания провода винтом.