Дипломная работа: Мікропроцесорна метеостанція
Port B (PB5... PB0) 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. Порт B використовується також при реалізації
різноманітних спеціальних функцій.
Port C (PC5... PC0) 6-розрядний двунаправлений 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 двунаправлений 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 D використовується також при реалізації
різноманітних спеціальних функцій.
RESET Вхід скидання. Для виконання скидання необхідно утримувати низький
рівень на вході протягом двох машинних циклів.
XTAL1 Вхід інвертуючого підсилювача генератора і вхід схеми вбудованого
генератора тактової частоти.
XTAL2 Вихід інвертуючого підсилювача генератора.
AVCC Напруга живлення аналого-цифрового перетворювача. Виводи під’єднується
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
АТ90S8515 має такі технічні характеристики:
-
діапазон
напруги живлення: від 2,7 до 6,0 В;
-
діапазон
тактової частоти: від 0 до 4 МГц;
-
діапазон
роботи АЦП: від 0 до 6 В;
-
час
перетворення АЦП: 70...280 мс;
-
клас
точності 0,05 .[3]
3.2 Вибір
перетворювача рівня сигналу
За стандартною
логікою одиниця представляється рівнем напруги від 2,4 до 5 В, а нуль – від 0
до 0,8 В. Проте, при передачі по каналу RS-232 нуль та одиниця кодуються
однаковими за величиною(від 5 до 12 В), але різними за знаком сигналами. Так як
для передач по RS-232 стандартні логічні сигнали повинні бути перетворені в
сигнали другого рівня, необхідно передбачити у схемі відповідні засоби
перетворення. Десять років тому, для цієї мети використовувались спеціальні
каскади з трьох-чотирьох транзисторів, пари діодів і майже десятка резисторів.
Зараз ситуація значно змінилась: провідні виробники мікросхем повністю
завершенні перетворювачі, які потребують мінімальної кількості додаткових
елементів. До них відносяться МАХ202Е від МАХІМ і повністю їй ідентична AD232
від Analog Devices. Всередині обидві мікросхеми містять перетворювач напруги +5
В у ±10 В і
каскади, що здійснюють перетворення логічних сигналів стандартного рівня у
сигнали рівня по стандарту RS-232. Кожна з цих мікросхем містить перетворювачі
логічного рівня для двох приймачів та двох передавачів. Кожна із перерахованих
вище мікросхем містить перетворювачі логічного рівня для двох приймачів і двох
передавачів. Ми використаємо мікросхему AD232 і тільки один її
приймально-передавальний канал
Рисунок 3 – Схема
включення послідовного інтерфейсу RS232
Швидкість обміну
інформацією може бути вибрана в межах: від 9600 бот до 115200 бот. Оскільки мікро
контролер при різних швидкостях і опорних частотах має різні помилки передачі,
то при опорній частоті 4 МГц, яка використовується, ця помилка буде мінімальною
при швидкості 19200 бот. Саме тому буде використовуватися така швидкість. Вона
є достатньою для обміну інформацією між мікроконтролером і комп’ютером, а також
дозволяє використовувати старі комп’ютери 386 типу.
Технічні
характеристики послідовного інтерфейсу ADM232LIN:
-
діапазон
вхідної напруги низького рівня: від 0 до 0,8 В;
-
діапазон
вхідної напруги високого рівня: від 2,4 до 5 В;
-
час
установки вихідної напруги: 4 μс;
-
діапазон
вихідної напруги: ± 10 В;
-
швидкість
передачі даних: 19200 бот;
-
максимальна
помилка при передачі: 0,2 % [4].
Живлення всіх
елементів має бути стабільним, щоб уникнути збоїв у роботі системи. Для
забезпечення високої стабільності використаємо джерело опорної напруги.
Найкращими джерелами, які випускаються в теперішній час є: REF-02, AD586,
AD780, LM113, TL431. Одним з найкращих джерел опорної напруги є мікросхема AD780. Схема підключення опорного джерела
живлення. AD780 показана на рисунку 3.1 [4].
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
Страницы: 1, 2, 3
|