РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Техническое задание

2. Разработка структурной схемы

3. Выбор элементной базы

3.1. Описание принципа действия аналогового датчика и выбор модели

3.2. Выбор и расчет операционного усилителя

3.3. Описание принципа действия и выбор микросхемы АЦП

3.4. Описание микроконтроллера и разработка алгоритма программы

3.5. Описание и реализация выходного интерфейса

4. Расчет надежности

5. Заключение

6. Список литературы

Приложение А – Схема электрическая структурная

Приложение Б – Схема электрическая принципиальная

ВВЕДЕНИЕ

Использование микропроцессоров позволяет создавать очень сложные инструменты, находящие свое применение в различных областях повседневной жизни. Например, микропроцессорные системы «умеют» стирать одежду, варить кофе, воспроизводить музыку, охранять дома, а также регулировать температуру внутри помещений. Микропроцессоры являются цифровыми устройствами, работающими с двоичными кодами. В виде двоичных кодов можно представить практически любые электрические сигналы. Однако мы живем в аналоговом мире, где большинство устройств не являются цифровыми. Более того, сигналы окружающего нас мира не всегда бывают электрическими. Для того чтобы сложные интеллектуальные цифровые системы могли воспринимать информацию из внешнего мира, необходимы интерфейсные устройства, преобразующие разнообразные физические величины в электрические сигналы. Такими интерфейсными устройствами и являются датчики. Другими словами, датчики - это глаза, уши и органы обоняния кремниевых кристаллов. В настоящее время датчики стали неотъемлемой частью жизни любого человека.

Датчик – это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением электрических сигналов. Назначение датчиков — реакция на определенное внешнее физическое воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами. Другими словами, можно сказать, что датчик — это преобразователь физической величины (часто неэлектрической) в электрический сигнал.

Под термином электрический сигнал понимается сигнал, который может быть преобразован при помощи электронных устройств, например, усилен или передан по линии передач. Выходными сигналами датчиков могут быть напряжение, ток или заряд, которые описываются следующими характеристиками: амплитудой, частотой, фазой или цифровым кодом. Этот набор характеристик называется форматом выходного сигнала. Таким образом, каждый датчик характеризуется набором входных параметров (любой физической природы) и набором выходных электрических параметров. Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта к датчику. Работа датчика — это особый случай передачи информации, а любая передача информации связана с передачей энергии. Очевидным является тот факт, что передача энергии может проходить в двух направлениях, т.е. она может быть как положительной, так и отрицательной, например, энергия может передаваться от объекта к датчику, и, наоборот, от датчика к объекту. Особым случаем является ситуация, при которой энергия равна нулю, но и в этом случае происходит передача информации о существовании именно такой особой ситуации. Например, инфракрасный датчик температуры вырабатывает положительное напряжение, когда объект теплее датчика (инфракрасное излучение направлено в сторону датчика), или отрицательное напряжение, когда объект холоднее датчика (инфракрасное излучение направлено от датчика на объект). Когда датчик и объект имеют одинаковую температуру, инфракрасный поток равен нулю, и выходное напряжение также равно нулю. В этой ситуации и заключена информация о равенстве температур датчика и объекта.

Все датчики можно разделить на две группы: датчики прямого действия и составные датчики. Датчики прямого действия преобразуют внешнее воздействие непосредственно в электрический сигнал, используя для этого соответствующее физическое явление, в то время как в составных датчиках, прежде чем получить электрический сигнал на выходе оконечного датчика прямого действия необходимо осуществить несколько преобразований энергии.

На практике датчики не работают сами по себе. Как правило, они входят в состав измерительных систем, часто довольно больших, объединяющих много разных детекторов, преобразователей сигналов, сигнальных процессоров, запоминающих устройств и приводов. Датчики в таких системах могут быть как наружными, так и встроенными. Часто их располагают на входах измерительных приборов для того, чтобы они реагировали на внешние воздействия и сообщали системе об изменениях в окружающих условиях. Также они размещаются внутри измерительных систем для мониторинга их функционирования, что необходимо для поддержания корректной работы всех внутренних устройств. Датчики являются неотъемлемой частью систем сбора данных, которые, в свою очередь, могут входить в состав больших измерительных комплексов со множеством обратных связей.

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).

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.

ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ