4. Розробка принципової схеми приладу

В попередньому розділі було обрано оптимальну схему мікропроцесорної системи для вимірювання ваги. На підставі цієї схеми проведемо розробку електричної функціональної схеми, основними вузлами якої є:

• мікроконтролер (Atmega 128);

- тензодатчики (HBM Z6FC3);

- перетворювач напруга-частота (AD 654);

- інтерфейс обміну даними (RS232).

Розроблена електрична функціональна схема мікропроцесорної системи вимірювання ваги, що покладена в основу ваговимірювального механізму вагового дозатора зображена на рисунку 4.1:

Рисунок 4.1 – Функціональна схема мікропроцесорної системи вимірювання ваги

4.1 Вибір мікроконтролера

Основним елементом мікропроцесорної системи вимірювання ваги є мікроконтролер.

Сучасні мікроконтролери широко використовуються у засобах автоматики, вимірювальної техніки та інших технічних засобах. Практично будь-який електронний засіб має у своєму складі мікроконтролер. Перший мікроконтролер був створений на початку 80-х років компанією Intel. В наш час найпопулярнішими виробниками мікроконтролерів є такі: Texas Instruments, Analog Devises, Motorola, Philips, Athmel Corporation, Microchip Winbond та інші.

Для реалізації схеми в даному курсовому проекті було обрано мікроконтролер сімейства AVR компанії Athmel Corporation – ATMega128. Мікроконтролер ATMega128 реалізований по AVR RISC архітектурі (Гарвардська архітектура з роздільною пам'яттю і роздільними шинами для пам'яті програм і даних).

ATmega128 – малопотужний восьмирозрядний КМОП мікроконтролер, заснований на розширеній AVR RISC-архітектурі. За рахунок виконання

більшості інструкцій за один машинний цикл ATmega128 досягає продуктивності 1 мільйон операцій на секунду / МГц, що дозволяє проектувальникам систем оптимізувати співвідношення енергоспоживання і швидкодії. AVR ядро об'єднує потужну систему команд з 8-розрядними регістрами загального призначення і конвеєрне звернення до пам'яті програм. Шість з 32 регістрів можуть використовуватися як три 16-розрядних регістра-покажчика при побічній адресації простору пам'яті. Архітектура ефективно підтримує як мови високого рівня, так і програми на мовах асемблера.

Мікроконтролер міститить: 128 Кбайт програмованого Flash і 4 Кбайт програмованого ЕСППЗП, 53 лінії вводу/виводу загального призначення, 32 регістри загального призначення, два таймера/лічильника з режимом захоплення і порівняння, 8-канальний 10-розрядний аналого-цифровий перетворювач, систему внутрішніх і зовнішніх переривань, програмований послідовний UART, програмований сторожовий таймер з внутрішнім генератором, послідовний порт з інтерфейсом SPI. Програмно управляються два режими енергозбереження: пасивний режим (idle) і стоповий режим (power down) під час якого зупиняється тактовий генератор.

Вбудована Flash пам'ять програм може перепрограмовуватися безпосередньо в системі шляхом інтерфейсу SPI (в послідовному низьковольтному режимі) або програмуватися стандартними програматорами енергонезалежної пам'яті (в 12-вольтовому паралельному режимі).

Максимальне споживання приладів в активному режимі складає 3,6 мА і в пасивному режимі 0,5 мА (при VCC =3 В і f = 4 МГЦ). В стоповому режимі, при працюючому сторожовому таймері, мікроконтролер споживає 15 мкА.

Port B – (PB7...PB0) 8-розрядний двонаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА. При використанні виводів порта в якості входів і установці зовнішнім сигналом в низький стан, струм буде витікати тільки при підключених вбудованих навантажувальних резисторах. Порт B використовується також при реалізації різноманітних спеціальних функцій.

Port C – (PC5...PC0) 6-розрядний двонаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА. При використанні виводів порта в якості входів і установці зовнішнім сигналом в низький стан, струм буде витікати тільки при підключених вбудованих навантажувальних резисторах. Входи порта використовуються також як аналогові входи аналого-цифрового перетворювача.

Port D – (PD7..PD0) 8-розрядний двонаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА.. Порт D використовується також при реалізації різноманітних спеціальних функцій.

Port E – (PE7.. PE0) 8-розр. порт двонаправленого введення-виведення з внутрішніми підтягуючими до плюса резисторами (вибираються окремо для кожного розряду. При введенні, лінії порту E будуть діяти як джерело струму, якщо зовні діє низький рівень і включені підтягуючі резистори.

Port F – (P F 7.. P F 0) діє як аналоговий вхід аналогово-цифрового перетворювача. Порт F також може використовуватися як 8-розр. порт двонаправленого введення-виведення, якщо АЦП не використовується.

RESET – вхід скидання. Для виконання скидання необхідно утримувати низький рівень на вході протягом двох машинних циклів.

XTAL1 – вхід інвертованого підсилювача генератора і вхід схеми вбудованого генератора тактової частоти.

XTAL2 – вихід інвертованого підсилювача генератора.

AVCC – напруга живлення аналого-цифрового перетворювача. Виводи під’єднуються до зовнішнього VCC через низькочастотний фільтр.

AREF – вхід аналогової напруги порівняння для аналого-цифрового перетворювача. На цей вивід, для забезпечення роботи аналого-цифрового перетворювача, подається напруга в діапазоні між AGND і AVCC.

AGND – цей вивід повинен бути під’єднаний до окремої аналогової землі, якщо плата оснащена нею. В іншому випадку вивід від’єднується до загальної землі.

Мікроконтролер ATMega128 має такі технічні характеристики:

• діапазон напруги живлення: від 4,5 до 5,5 В;

• діапазон тактової частоти: від 0 до 16 МГц;

• діапазон роботи АЦП: від 0 до 6 В;

• час перетворення АЦП: 70...280 мс;

• клас точності 0,05 .

Функціональна схема мікроконтролера ATMega128 наведена на рисунку 4.2 [5]:

Рисунок 4.2 – Схема увімкнення ATMega128