Институт системного анализа и управления

Кафедра персональной электроники

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

профессор, д.т.н.

___________(Сахаров Ю.С.)

«___»_________2011г.

Курсовой проект

по дисциплине «Основы проектирования ЭС»

студента 4 курса факультета КиТЭС учебной группы № 4141

ТЕМА:

«Проектирование системы управления измерителем криогенной температуры»

Обсуждено на заседании кафедры

(предметно-методической секции)

«__»___________2011г.

Протокол № __

Оглавление

Оглавление 2

1.Поиск и описание аналогов 4

4

Рис. 1.2. Внешний вид датчика в другом корпусе 4

Рис. 1.3. Электрическая схема аналога № 1 4

Рис. 1.4. Электрическая схема аналога № 2 5

Рис. 1.5. Электрическая схема аналога № 3 6

2.Формирование общего списка потребительских свойств 11

3. Выбор прототипа 12

Подведение итогов по выбору прототипа 14

4. Модернизация прототипа 15

5. Разработка частного технического задания 17

Анализ заявки 17

Факторы окружающей среды: 17

Факторы технической системы и объекта установки: 17

Факторы человека-оператора 18

Сбор и систематизация дополнительной информации 18

Дополнительная информация по факторам окружающей среды: 18

Дополнительная информация по факторам ТС и объекта установки: 18

Дополнительная информация по факторам человек оператор: 18

Техническое задание 19

7.1 Расчет устойчивости системы на вибрационные воздействия 25

30

7.2 Расчет устойчивости системы на ударное воздействие 31

3) Полусинусоидальный импульс: 31

6) Проверка условий ударопрочности: 31

7) Амортизированные системы: 32

8) Удар при падении: 32

1. Относительная скорость соударения: 32

2. Действующее на прибор ускорение: 32

3. Условие ударопрочности: 32

7.3 Расчёт теплового режима РЭС. 34

В настоящее время микроконтроллерные системы получили широкое распространение в разных областях науки и техники, так как они при относительной простоте аппаратной части обеспечивают достаточно высокое быстродействие и возможность измерения аналоговых величин с помощью встроенного АЦП.

Для создания оборудования для физических экспериментов в ЛФВЭ ОИЯИ используются сложные цифровые системы, построенные на микроконтроллерах.

Проектируемая система осуществляет, измерение криогенной температуры путем получения значений тока с термодатчиков, оцифровывания и вывода на дисплей.

Система включает в себя микроконтроллер PIC18F4320, дельта-сигма АЦП ADS1216 фирмы Texas Instruments и ЖК-индикатор 16 символов 4 строки фирмы WINSTAR.

В разделе технико-экономические обоснование, рассмотрен ряд аналогов устройства с целью выявления потребительских характеристик и выбора прототипа устройства.

В разделе технические задание систематизирована полученная ранее информация с целью формулирования основных технических и конструктивных параметров к разрабатываемому устройству.

Далее идет определение предварительной конструкции устройства, подбор ЭРА и рисунка печатной платы, а так же габаритов платы.

Следующим разделом является проверка устойчивости устройства на различного рода внешние воздействия (механические воздействия, тепловые воздействия и т.д.).

Раздел так же включает обоснование всех использованных методик.

В заключении подводятся итоги проделанной работы, проводится краткий обзор проделанной работы, и фиксируются основные выводы по каждому разделу.

1. Поиск и описание аналогов

В процессе сбора информации было найдено несколько аналогов устройства со всеми ТХ (технические характеристики), а так же их принципиальные схемы, что дает более подробную информацию для сравнения.

Рассмотрим аналог № 1. [1]

Термометр для измерения температур в диапазоне от -150 до +100 °С с точностью до 1°С. Применение в схеме температурного датчика-микросхемы AD590, который корректируется при производстве, дает в итоге возможность получить большой диапазон измеряемой температуры с использованием минимального количества элементов. Кроме того, других диапазонов температуры можно достичь, задавая смещение в буферном операционном_усилителе_AD301.

Рис. 1.1. Внешний вид датчика AD590

Рис. 1.2. Внешний вид датчика в другом корпусе

Рис. 1.3. Электрическая схема аналога № 1

Аналог № 2. [2]

Термометр для измерения температуры в диапазоне от -55 до +125 °С с точностью ±2,5°. Симметричные пары транзисторов и однокорпусная пара операционных усилителей, используемых в схеме, позволяют получить прецизионную измерительную систему для измерения температуры, которую можно достаточно просто откалибровать. Система имеет долговременную стабильность и может работать с датчиком, состоящим из транзисторных пар, которые возможно использовать с удалением от схемы до 30 м. Коэффициент подавления синфазной составляющей на входе усилителя более 100 дБ. Выходное напряжение составляет +2,18 В при -55 °С (218 °К) и растет до +3,98 В при +125 °С (398 °К).

Рис. 1.4. Электрическая схема аналога № 2

Аналог № 3. [3]

Для измерения температуры, лежащей в интервале от -125 до +50 °С с погрешностью измерений ±2°С использована хромель-алюмелевая термопара. Одна из возникающих при этом проблем заключается в необходимости компенсировать изменения температуры так называемого "холодного спая" термопары, а проще говоря, температуры окружающей измерительный прибор среды. Известны различные пути решения этой задачи, различающиеся сложностью и точностью. Для усиления термоЭДС применена специализированная микросхема AD597. Она имеет встроенный компенсатор температуры холодного спая и нормированную крутизну преобразования_температура-напряжение_10мВ/°С.

Термометр питается от сети переменного тока 50 Гц напряжением 90...240 В. Потребляемая мощность — не более 5 Вт. Рабочий интервал температуры электронного блока термометра — 0...70°С. Конструктивно он состоит из двух плат — основной (преобразователя термоЭДС в отображаемое светодиодными цифровыми индикаторами число) и блока_питания.

Рис. 1.5. Электрическая схема аналога № 3

Схема основной платы изображена на рис. 1.5. ТермоЭДС, генерируемую термопарой ВК1, усиливает микросхема DA1. Выходное напряжение поступает на АЦП, собранныйна_микросхеме_DA2.  Рис. 1.6. Внешний вид печатной платы устройства показан слева, а ее чертеж — справа   

Плата двусторонняя, выполнена заводским способом с металлизацией отверстий. На ней установлены постоянные резисторы С1-4-0,125, подстроечные резисторы — импортные аналоги отечественных СП5-2В. Конденсаторы (за исключением оксидных С1, СЗ) — керамические К10-17. Микросхему ICL7107 можно заменить отечественной КР572ПВ2 Микросхема DA1 расположена на стороне платы обратной видимой на фотоснимке.

Рис. 1.7. Электрическая схема блока питания для термометра

      Импульсный блок питания термометра собран на микросхеме UC3842 по схеме показанной на рис. 7. Эта микросхема была выбрана благодаря широкой распространенности и сравнительно невысокой стоимости. Частота преобразования установлена равной 100 кГц. Стабильность выходного напряжения +5 В обеспечивает обратная связь в импульсном преобразователе, а напряжений -5 В и +12 В — линейные интегральные стабилизаторы DA3 и DA4. Такой принцип выбран по причине разного тока нагрузки выходов, по +5 В он самый большой (до 500 мА), а по двум другим не превышает 90 мА. Измерения показали, что КПД блока достигает 85 %, причем он сохраняет работоспособность при напряжении в сети 90...240 В.

Рис. 1.8. Внешний вид печатной платы блока питания для термометра       Односторонняя печатная плата блока питания и расположение элементов на ней показаны на рис. 1.8. Полевой транзистор 2SK1118 установлен на пластинчатый теплоотвод и в процессе работы практически не нагревается. Цепь R10C8 можно заменить защитным диодом Р6КЕ200А (катодом к катоду диода VD4). А двунаправленным защитным диодом Р6КЕ200СА можно заменить всю цепь VD4R10C8. Отечественный аналог микросхемы UC3842 — К1033ЕУ15АР. Вместо диодов FR207 можно использовать другие высокочастотные выпрямительные диоды с обратным напряжением не менее 700 В и выпрямленным током более 1,5 А. Диод FR307 в описываемом блоке рекомендуется заменить диодом Шотки 1N5822. Предохранитель FU1 — самовосстанавливающийся в корпусе ТО-92. Конденсатор С4 — К73-17 Конденсаторы С14—С18 — керамические типоразмера 1206 для поверхностного монтажа, они припаяны со стороны печатных проводников оксидные конденсаторы — импортные, остальные — керамические К10-17. Номинал резистора R13 обязательно должен соответствовать указанному на схеме.   Магнитопровод этого трансформатора — Ш-образный ЗС85 типоразмера Е16/8/5 от компьютерного блока питания. В магнитопроводе изготовлен алмазным надфилем воздушный зазор длиной 0,47 мм. Обмотка I содержит 160 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,16 мм, причем 80 витков намотаны на каркас первыми, а оставшиеся 80 — поверх всех других обмоток. Обмотка II — 45 витков, обмотка III —16 витков, обмотка IV — 38 витков. Все они намотаны таким же проводом, что и обмотка I Обмотка V состоит из 12 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,35 мм.

Двухобмоточный дроссель L1 — от вышедшего из строя источника питания. Дроссель L2 _ дг-6 указанной на схеме индуктивности или другой с гантелеобразным магнитопроводом и на ток не менее 1 А. Первым налаживают блок питания. Прежде всего, не подключая его к сети, подают от вспомогательного источника постоянное напряжение 18... 19 В плюсом на вывод 7, а минусом — на вывод 5 микросхемы DA1. Осциллографом проверяют наличие на затворе полевого транзистора VT1 импульсов амплитудой немного меньше напряжения вспомогательного источника и частотой около 100 кГц.

Аналог № 4. [4]

В одной из предыдущих статей блога, рассматривался вопрос об изготовлении датчика влажности, основанного на психрометрическом эффекте – разности температур между сухим и влажным температурными датчиками DS18B20. При всей своей простоте реализации, такой датчик влажности имеет недостаток, о котором говорилось в той же статье – необходимость постоянно держать один из элементов во влажном состоянии, что создаёт определенные неудобства. Следующим этапом контроля влажности будет рассмотрение применения специализированных датчиков влажности, таких, например, как HI.

Рис. 1.9.1. Датчик температуры и влажности SHT21

Внешний вид датчика показан на рис. 1.9.2.

Рис. 1.9.2. Датчик температуры и влажности SHT21

Технические характеристики датчика:

Выходной сигнал	I2C, ШИМ, SDM
Потребляемая мощность	1.5 мкВт
Диапазон измерений относительной влажности	0 - 100%
Диапазон рабочих температур	-40...+125°С
Время отклика (измерения отн. влажности)	8 сек.
Точность	2%
Габаритные размеры	QFN корпус, 3х3 мм

Для экспериментов с датчиком SHT21 была использована схема с микроконтроллером PIC16F628A и ЖКИ индикатором WH0802A (рис. 1.9.3). В принципе, схема абсолютно стандартная, никаких особенностей не имеет. Некоторые вопросы возникли с организацией питания – пришлось использовать питание 5 В для ЖКИ-индикатора и питание 3,3 В для микроконтроллера и датчика. Это обусловлено тем, что максимально допустимое рабочее напряжение SHT21 составляет 3,6В. Датчик SHT21 подключается по шине I2C, которая в микроконтроллере реализована программным способом. В схеме использован кварцевый резонатор на частоту 4 МГц и внешняя RC-цепь сброса.

Рис. 1.9.3. Электрическая схема аналога № 4

 

Так как датчик SHT21 имеет миниатюрные размеры (3х3 мм), то он для удобства работы он установлен на небольшой печатной плате, которая так же, как и индикатор, подключается к основной плате через разъём. Необходимо добавить, что паять датчик нужно очень аккуратно - QFN корпус имеет не выводы, а контактные площадки. Рядом с датчиком устанавливается блокировочный конденсатор 100 nF.

Управляющая программа микроконтроллера работает в циклическом режиме с поочерёдным режимом измерения температуры и влажности, преобразованием полученных значений в градусы и проценты и вывода на дисплей. В верхней строке индикатора показывается температура, а в нижней строке – относительная влажность. Эта программа писалась не под завершённое устройство, а под экспериментальный макет, поэтому является неоптимизированной и требующей определенной доработки в плане добавления различных функций. Необходимо ещё дополнительно реализовать индикацию контроля наличия на линии датчика (сейчас, при отсутствии или неработоспособности датчика на дисплей будут выведены значения температуры 25°С и влажности 18%). Кроме того, в этой версии программы используется только работа со старшим байтом (MSB), поэтому индицируются целые значения градусов без дробной части, не реализована индикация отрицательных температур. Тем не менее, данная экспериментальная схема позволяет продемонстрировать работу датчика SHT21 в обоих его режимах измерений и создать на её основе вполне нормальный термометр-гигрометр, что я впоследствии и планирую сделать.

Что касается погрешности измерений, то при измерении температуры погрешность относительно контрольного термометра почти не наблюдалась.

Конечно, рассмотренные вопросы далеко не в полной мере отражают возможности использования датчика SHT21. Например, не рассматривался вопрос о программном сбросе датчика (Soft Reset), о пользовательском регистре (User Register), работе в 8….14-битных режимах, и о многом другом. Об этом вы можете почитать в описании производителя на датчик.