ГОУ ВПО  «Московский Государственный Открытый Университет»

Чебоксарский  Политехнический Институт (филиал)

Кафедра Управления и информатики в технических  системах. 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

По  дисциплине: Микропроцессорные системы управления.

На  тему: «Разработка системы сбора и обработки информации» 
 

Выполнил:

Студент 3 курса

Шифр  специальности 220201

Учебный шифр 607015

Николаев  Артур

Проверила:

Старший преподаватель

Ниссенбаум  С.Н. 
 
 

Чебоксары - 2010

Оглавление

Задание на курсовой проект.

     Разработать систему сбора и обработки  информации, основной функцией которого является сбор информации с датчиков, контроль измеряемых параметров и сохранение измеренных значений.

Введение.

     Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько  поколений элементной базы: дискретная электроника электровакуумных приборов, дискретная электроника полупроводниковых  приборов, интегральная электроника  микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

     Элементная  база электроники развивается непрерывно возрастающими темпами. Каждое поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры.

     Становление микроэлектроники как самостоятельной  науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Однако по мере развития полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограничения применения электронных явлений и систем на их основе. Поэтому микроэлектроника продолжает продвигаться быстрыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений.

     Изделия микроэлектроники: интегральные микросхемы различной степеней интеграции, микросборки, микропроцессоры, мини- и микро-ЭВМ – позволили осуществить проектирование и промышленное производство функционально сложной радио- и вычислительной аппаратуры, отличающейся от аппаратуры предыдущих поколений лучшими параметрами, более высокими надежностью и сроком службы, меньшими потребляемой энергией и стоимостью. Аппаратура на базе изделий микроэлектроники находит широкое применение во всех сферах деятельности человека. Созданию систем автоматического проектирования, промышленных роботов, автоматизированных и автоматических производственных линий, средств связи и многому другому способствует микроэлектроника.

     Применение  МП в современных цифровых устройствах управления и обработки информации стало обыденной реальностью. Массовый выпуск микропроцессорных наборов больших интегральных схем (БИС) с широкими функциональными возможностями и низкой стоимостью обеспечила исключительные преимущества цифровым методам информации.

     МП  техника не только существенно расширяет  возможности автоматизации, но и позволяет использовать принципиально новые методы управления на основе математических моделей объектов управления. Широкое использование самых различных средств электронной техники стало естественным и неотъемлемым условием жизни людей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Структурная схема устройства.

1.1 Разработка структурной  схемы устройства.

                                                                                               Рисунок 1. Структурная схема. 

Д –  датчик;

НУ –  нормирующий усилитель;

АЦП –  n-разрядный аналогово-цифровой преобразователь;

МПК –  микропроцессорный контроллер;

ЭВМ –  тип выходной нагрузки, представлен в виде последовательного порта;

ПАМЯТЬ  – энергонезависимая память;

     Основной  функцией системы сбора и обработки  информации (рис 1.) является сбор информации с датчиков, контроль измерительных параметров и сохранение измеренных значений.

1.2 Описание работы  схемы.

     Датчик  температур снимает показания с  объекта. В нашем случае он предназначен для измерения температуры жидких и газообразных сред, твердых тел.

       Аналоговые сигналы, полученные с датчиков, необходимо усилить с помощью нормирующего усилителя. Далее усиленный сигнал от НУ поступает на АЦП.

       Аналогово-цифровой преобразователь  необходим для преобразования измеренного значения напряжения на датчике в цифровой код и его последующей передачи в микроконтроллер. С выхода АЦП сигналы поступают на схему гальванической развязки под действием управляющих сигналов.

     Гальваническая  развязка необходима для защиты микропроцессора. Устраняет непосредственную электрическую  связь цепей измерительного блока и микроконтроллера.

       Микроконтроллер выполняет функции считывания данных из АЦП и записи их в оперативную память микроконтроллера, передачу данных по каналу RS232 в ЭВМ.

     Интерфейс RS-232С предназначен для подключения микроконтроллера к компьютеру (ЭВМ). Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами.

     Также МПК соединён с энергонезависимой памятью. Сюда записываются регистрируемые данные. Как только память заполнится, то из буфера сигналы передаются по последовательному порту RS232 в персональную ЭВМ для последующей обработки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Выбор элементной  базы.

2.1 Датчик. Термометр  сопротивления (ТСМ).

     Термометры  сопротивления (иначе называемые термосопротивление) - это устройства для измерения температуры. Принцип действия прибора заключается в изменении электрического сопротивления сплавов, полупроводников и чистых металлов (т.е. без примесей) с температурой.

     Чувствительный  элемент термометра представляет собой  резистор, который сделан из пленки или металлической проволоки, и обладающий зависимостью электрического сопротивления от температуры. Проволока намотана на жесткий каркас, сделанный из кварца, слюды или фарфора, и заключена в защитную металлическую (стеклянную, кварцевую) оболочку.

     В качестве датчика используем медный термометр сопротивления (ТСМ) марки  ТСМ - 9203. Разработчик и изготовитель – ОАО «Эталон». Применяются для измерения температуры жидких и газообразных сред, твердого тела. 

     К данному термометру сопротивления  применяют трёхпроводную схему соединения. Поскольку в данной схеме устраняется влияние сопротивления соединительных проводов. 

Преимущества  термометров сопротивления:

• Высокая точность измерений (обычно лучше ±1 °C), может доходить до 0,001 °C.
• Компенсация сопротивления линий при использовании 4-х проводной схемы измерений
• Практически линейная характеристика

Недостатки  термометров сопротивления:

• Низкий диапазон измерений (по сравнению с термопарами)
• Не могут измерять высокую температуру (по сравнению с термопарами)

2.2 Операционный усилитель.

     Так  как  напряжение  на  датчике намного ниже величины опорного напряжения, то для обеспечения использования всей разрядности оцифровки АЦП необходимо использовать операционный усилитель.

     Операционные  усилители представляют собой усилители  постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем во многих областях аналоговой схемотехники.

     За  ОУ был взят операционный усилитель  MAX4091 производства фирмы Maxim. Т.к. он является одноканальным, то нам необходимо 2 таких усилителя. 

Общее описание.

     Одноканальный MAX4091 операционный усилитель (ОУ) объединяет в себе прецизионную точность передачи DC уровней с размахом входных/выходных уровней сигналов от шины до шины питания. Так как, напряжение синфазного сигнала может находится в диапазоне от VCC до V EE, устройство может питаться либо от однополярного (от 2.7 В до 6 В), либо от двуполярного (от ±1.35 В до ±3 В) источников питания. Каждый канал ОУ имеет потребляемый ток не более 130 мкА. Даже при таком малом потребляемом токе, ОУ способен управлять нагрузкой 1 кОм, и ее напряжение шумов, приведенных ко входу, составляет всего 12 нВ/Гц.

     Прецизионные  рабочие параметры ОУ MAX4091, в сочетании с его входным и выходным динамическими диапазонами, низким напряжением питания, питанием от однополярного источника, весьма малым потребляемым током, делают его идеальным выбором для приборов с автономным питанием, технологического оборудования, оборудования сбора данных и контрольного- измерительного оборудования. ОУ MAX4091 выпускается в малогабаритных корпусах типа 5-pin SOT23, 8-pin µMAX, и 8-pin SO. 

Отличительные особенности:

• Низковольтное, однополярнрое питание от 2.7 В до 6 В
• Уровни входных сигналов могут выходить за предел диапазона напряжений питания (Beyond-the-Rails™)
• Напряжение смещения 30 мкВ
• Размах выходных сигналов от шины (+) питания – до (-) шины питания, выходное сопротивление 1 кОм
• Стабильный коэффициент усиления с емкостной нагрузкой до 2000 пф
• Потребляемый ток покоя 165 мкА (макс)
• Полоса усиления 500 кГц
• Высокий коэффициент усиления по напряжению (115 дБ)
• Высокий уровень подавления синфазного сигнала (90 дБ) и коэффициент подавления наводки по питанию (100 дБ)
• Диапазон рабочих температур от -40°C до +125°C

Области применения:

• Приборы с автономным питанием
• Портативное оборудование
• Системы сбора и управления данными
• Низковольтные формирователи сигналов

Расчет  операционного усилителя:

Известные данные:

Номинальное сопротивление

• Ток мА (номинальный измерительный ток для ТС с номинальным сопротивлением (R0) 50 и 100 Ом по ГОСТ Р 8.625-2006).
• Номинальное сопротивление Ом.
• Напряжение питания датчика (термометра сопротивления) В.
• Минимальное напряжение срабатывания АЦП В.

Для понижения  выходного напряжения с датчика  поставим последовательно в цепь с термометром сопротивления  дополнительное сопротивление  . 

Расчет  выходного напряжения датчика :

В;

Расчет  дополнительного  сопротивления  :

;

кОм.

Расчет  коэффициента усиления ОУ:

Резисторы ,

Для обеспечения  симметрии по дифференциальному  сигналу выбираем резисторы: Ом

Резисторы обратной связи  ,

кОм.

2.3 Аналогово-цифровой  преобразователь.

     Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

     Принципиально не исключена возможность непосредственного  преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.

     Аналогово-цифровой преобразователь  MAX1109. Это экономичный, 8-ми разрядный, двухканальный, последовательный АЦП с однополярным питанием.

     Блок  – схема:

     Расположение  выводов:

VDD – положительное напряжение питания.

CH0, CH1- Выборка аналоговых входов.

GND – земля.

REF - Опорное напряжение для аналого-цифрового преобразования.

COM - Общий провод для аналоговых входов. Устанавливает нулевой код напряжения в режиме одного добавления. (Должен быть устойчив к 
± 0.5LSB во время преобразования.)

CS - сигнал выбора кристалла. Данные не показаны в DIN, если CS низок.

DIN - Последовательный Ввод данных. (Цифровой вход).

DOUT - цифровой выход.

SCLK - ножка синхронизации.

Графики работы:

     Временной график работы АЦП. 
 

     Зависимость кода от входного напряжения. 

Отличительные особенности:

• Однополярное питание: 
      От +4.5 В до + 5.5 В (MAX1109)
• Низкий потребляемый ток:
• 105 мкА при +3 В и 50 К выборок/с
• 0.5 мкА в режиме отключения (Power-Down Mode)
• Программируемая, с помощью выводов, конфигурация (однополярный/биполярный режим работы входов)
• Диапазон напряжения входных сигналов от 0 В до VDD
• Встроенная система выборки/фиксации
• Встроенный источник опорного напряжения: 
      +4.096 В (MAX1109)
• Диапазон входного напряжения ИОН от 1 В до VDD
• SPI/QSPI/MICROWIRE- совместимый последовательный интерфейс
• Режим мониторинга напряжения VDD
• Малогабаритный корпус типа 10-pin µMAX

Области применения:

• Портативные системы регистрации данных
• Измерительные приборы ручного применения
• Медицинское оборудование
• Диагностические системы
• Автономные системы с питанием от солнечной энергии
• Системы с автономным питанием 4-20 мА
• Индикаторы уровня принимаемого сигнала (RSSI)

     Описание:

     Экономичные, 8-ми разрядные, двухканальные, аналого- цифровые преобразователи (АЦП) MAX1108/MAX1109 имеют встроенную систему выборки/фиксации (T/H), источник опорного напряжения (ИОН), тактовый генератор и последовательный интерфейс. ИС MAX1108 предназначена для питания напряжением в диапазоне от +2.7 В до +3.6 В и потребляет ток всего 105 мкА. ИС MAX1109 предназначена для питания напряжением в диапазоне от +4.5 В до +5.5 В и потребляет ток всего 130 мкА. Аналоговые входы имеют возможность конфигурации выводами ИС, для реализации униполярного/ биполярного и одиночного/ дифференциального режимов работы. ИС имеет встроенную функцию мониторинга напряжения батареи.

     Максимальный  диапазон амплитуды входного сигнала  определяется +2.048 В ИОН (MAX1108), или +4.096 В (MAX1109), или, с помощью, подачи внешнего сигнала ИОН, в диапазоне от 1 В до VDD. ИС MAX1108/MAX1109, также, имеют вход управления режимом пониженного энергопотребления, который снижает потребляемый ток до 0.5 мкА, когда не требуется использование ИС. Четырех- проводной, последовательный интерфейс непосредственно стыкуется с устройствами стандартов SPI™, QSPI™, MICROWIRE™, без необходимости применения внешней логики. Преобразования со скоростями до 50 К выборок/с производятся с применением встроенного тактового генератора, или с использованием внешнего генератора с последовательным интерфейсом.

     ИС MAX1108/MAX1109 выпускается в корпусе 10-Pin µMAX, с занимаемой площадью, составляющей 20% от корпуса типа 8-pin plastic DIP.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.4 Гальваническая развязка

     Гальваническая развязка выполняется на оптопаре. Оптопара  -  это  электронный  компонент,   содержащий комбинацию светоизлучающих и светочувствительных элементов помещенных в один корпус. Принцип работы такого устройства заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующему преобразованию обратно в электрический сигнал. Оптопары широко используются в различных радиотехнических устройствах, где требуется гальваническая развязка между отдельными узлами. Оптопары позволяют осуществлять бесконтактное управление электрическими цепями. Оптопары выпускаются как в стандартных DIP корпусах, так и в корпусах  SOIC  для поверхностного монтажа. Выбираем транзисторную оптопару марки АОТ174В фирмы Протон.

     1 – Анод 2 – Катод 3 – Эмиттер 4 – Коллектор

     Оптопара  состоит из  кристаллов инфракрасного AsGaAl светодиода и кремниевого n-p-n фототранзистора.  Кристаллы расположены в одной  плоскости, оптически связаны полусферическим световодом.Такая конструкция обеспечивает отсутствие полевых утечек при длительном приложении Uиз. Внутренние межсоединения выполнены золотой проволокой. 

     Поставляется  в корпусах DIP4 и DIP4SMD. 
 
 

Предельно-допустимые режимы эксплуатации: