49739

Подготовка аналоговой информации для ввода в персональный компьютер

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Блок управления первым реле. Блок управления вторым реле Расчет реле. Но и применение компьютера для целей управления требует непременно использования дополнительных электронных узлов которые непосредственно приводят в действие исполнительные механизмы: электродвигатели электромагниты реле динамики светодиоды и т.

Русский

2014-01-07

1.4 MB

5 чел.


Кафедра: ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Содержание.

[1] Содержание.

[2]
Введение

[3]
1. Разработка структурной схемы устройства.

[3.1] 1.2. Постановка задачи

[3.2] 2.2. Описание структурной схемы устройства.

[4] 2. Разработка функциональной схемы устройства.

[4.1]
2.1. Описание работы устройства по временным диаграммам.

[4.2]
2.2.Разработка функциональных схем блоков управления.

[4.2.1] 2.2.1. Блок управления первым светодиодом.

[4.2.2] 2.2.2. Блок управления первым реле.

[4.2.3] 2.2.3. Блок управления динамиком.

[4.2.4] 2.2.4. Блок управления вторым светодиодом

[4.2.5] 2.2.5. Блок управления вторым реле

[4.3] 2.3 Описание работы устройства по функциональной схеме.

[5] 3. Разработка принципиальной схемы устройства.

[5.1] 3.1. Расчет усилителя.

[5.2] 3.2. Расчет схем формирования порогов.

[5.2.1] 3.2.1. Расчет схемы формирования верхнего порога.

[5.2.2] 3.2.2. Расчет схемы формирования нижнего порога.

[5.3]
3.3. Расчет генераторов импульсов.

[5.4] 3.4. Расчет одновибратора.

[5.5] 3.5. Расчет светодиодов.

[5.6] 3.6. Расчет реле.

[5.7] 3.7. Расчет динамика.

[5.8] 3.8. Описание работы устройства по принципиальной схеме.

[6]
4. Результаты электронного моделирования устройства.

[7]
Заключение.

[8]
Литература.

[9] Приложение 1. Функциональная схема устройства.

[10]
Приложение 2. Принципиальная схема устройства.

[11]
Приложение 3. Перечень.


Введение

В настоящее время персональные компьютеры находят все большее применение. Но для того, чтобы они были в состоянии управлять технологическими процессами, контролировать качество продукции и решать другие подобные задачи необходимо обеспечить ввод информации в компьютер с датчиков, то есть необходимо предварительно подготовить в удобной для компьютера форме информацию с датчиков, контролирующих параметры процессов.

В курсовой работе решается задача подготовки аналоговой информации для ввода в персональный компьютер. При этом проектируемое устройство не только осуществляет преобразование физической величины в электрическое напряжение в заданном диапазоне, но и осуществляет предварительную обработку информации с целью оперативного управления некоторыми процессами.

Собственно персональный компьютер является универсальным средством, но он не в состоянии решить всё множество задач, решения которых требует практика, хотя бы из тех соображений, что остаётся достаточно дорогим. Но и применение компьютера для целей управления требует непременно использования дополнительных электронных узлов, которые непосредственно приводят в действие исполнительные механизмы: электродвигатели, электромагниты, реле, динамики, светодиоды и т.д. Поэтому во многих применениях простейшее устройство, решающее конкретную задачу, оказывается во много раз дешевле, чем компьютер с дополнительной электроникой управления.


1. Разработка структурной схемы устройства.

1.2. Постановка задачи

В рамках разработки курсового проекта необходимо спроектировать устройство для контроля наклона стены дома, и использует в качестве датчика микросхему ADXL103, которая питается от 5В. Требуемый диапазон измерения простирается от -0,15g до 0,15g. Необходимо осуществить преобразование сигнала датчика в выходное напряжение в диапазоне от -3 до +3 вольт. Тем самым готовится условие для передачи напряжения на вход аналого-цифрового преобразователя, работающего непосредственно с персональным компьютером. Кроме преобразования уровня наклона в соответствующее напряжение устройство должно выполнять некоторые функции. Для определения этих функций используется два порога.

2.2. Описание структурной схемы устройства.

С учетом поставленной задачи была разработана структурная схема, представленная на рис. 1.

Как видно из схемы ток с датчика, через усилитель, преобразуется в выходное напряжение (-3..+3) В, которое подается на первый и второй компараторы. Первый компаратор сравнивает сигнал с усилителя с верхним порогом, второй соответственно со нижним, и выдает логический 0 или 1. Сигналы с компараторов подаются на блоки управления, которые определяют логику работы динамика, реле и светодиодов. Работа первого светодиода и первого реле зависит только от верхнего порога, поэтому на блоки управления этими элементами подается сигнал только с первого компаратора. Аналогично для второго светодиода и реле. Динамик же включается как при преодолении верхнего порога, так и при преодолении нижнего, поэтому сигнал на его блок управления будет подаваться и с первого и со второго компараторов.

2. Разработка функциональной схемы устройства.

В ходе выполнения курсовой работы была составлена функциональная схема устройства, предложенная на чертеже Э1. Ниже приводится наглядное описание этой схемы по временным диаграммам, а так же отдельно рассмотрен каждый функциональный блок схемы.


2.1. Описание работы устройства по временным диаграммам.

Работу устройства можно представить на временных диаграммах (рис.2).

Из диаграммы видно что при превышении тока датчика верхнего порога 353,2 мкА, соответствующего температуре 70° C, компаратор один формирует на своем выходе «1». По активному фронту компаратора первый светодиод включается на 5с, первое реле включается через 5 с на 6с, динамик гудит с частотой 150 гц.

Когда ток через датчик оказывается ниже 273,2 мкА, что соответствует нижнему порогу 0° C, создается активный фронт второго компаратора, второй светодиод мигает 3 раза с периодом 4с, второе реле включается на время преодоления порога, динамик гудит с частотой 800 гц и периодом 3с.


2.2.Разработка функциональных схем блоков управления.

2.2.1. Блок управления первым светодиодом.

Первый светодиод должен мигать с периодом 2,0сек во время преодоления порога 3раза.

Рисунок 3

2.2.2. Блок управления первым реле.

Первое реле должно включится через 4 с после преодоления верхнего порога, если превышение сохраняется, выключится в момент превышения другого порога. Так как время задержки элемента G1=750нс, поставим катушку с индуктивностью (определенно опытным путем)

Рисунок 4

2.2.3. Блок управления динамиком.

Блок управления динамиком состоит из двух частей: работа динамика при преодолении верхнего порога, и работа динамика при преодолении нижнего порога.

Рисунок 5

При преодолении верхнего порога, динамик гудит все время превышения порога с частотой 300 Гц.

При преодолении нижнего порога динамик гудит с частотой 600 Гц и периодом 2 с 3 раза.

Сигнал обоих частей схемы подается на микросхему, реализующую логику «ИЛИ», и с нее на усилитель динамика.

2.2.4. Блок управления вторым светодиодом

Рисунок 6

Второй светодиод должен включиться на 3с.

2.2.5. Блок управления вторым реле

Рисунок 7

Второе реле должно включится при переходе через нижний порог на время его преодоления.

2.3 Описание работы устройства по функциональной схеме.

Сигнал с датчика D1 преобразовывается усилителем 1 и подается на компараторы comp1 и comp2.

Когда наклон оказывается выше верхнего порога 0.1g, на выходе первого компаратора формируется «1». По нарастающему фронту сигнала начинают работать схемы управления первым светодиодом и первым реле, гудит динамик с частотой 300 Гц.

Когда наклон оказывается ниже нижнего порога -0.1g, на выходе второго компаратора формируется «1». Усиленным сигналом компаратора включаются второй светодиод и второе реле, гудит динамик 4раза с частотой 600 Гц и периодом 2с.

3. Разработка принципиальной схемы устройства.

3.1. Расчет усилителя.

Согласно заданию для измерения угла наклона используется датчик ADXL103, который при напряжении питания 5 вольт, при 0.15g, выдает напряжение 2,65В, имеет чувствительность 1В/1g. Необходимый диапазон измерений от -0.15g до 0.15g, учитывая соотношение 1В/1g микросхема будет выдавать напрядение от 2,35В до 2,65В. Необходимо преобразовать в напряжение от -3 до +3В. Для этого используем схему с операционным усилителем(рис.4).

Данная схема представляет собой суммирующий, масштабирующий и инвертирующий полярность ОУ.

Так как ОУ инвертирует полярность нижнему уровню тока будет соответствовать  напряжение +3 В, а верхнему -4 вольт. Сопротивление нагрузки, по заданию, равно 3кОм.  Возьмем усилитель LM324.


Запишем соотношения токов для данной схемы:

Возьмем R1=10кОм.

На основе этого соотношения составим систему уравнений, первое из которых для верхнего уровня, второе для нижнего.


Решая систему получаем
R2 = 150 кОм и R3 = 20 кОм

Возьмем резисторы с несколько меньшим сопротивлением из числа разрешенных, будем учитывать, что нам необходимо отклонение от номинального сопротивления  не более 1%.

R1 = 150 кОм ± 1%

R3 = 20 кОм ± 1%

Для более точной установки диапазона напряжения параллельно с постоянными резисторами установим подстроечные резисторы с сопротивлением 10 – 20 % от номинального.

R4 = 15 кОм

R5 = 2 кОм

После сборки устройства, задав наклон 0°, изменением сопротивления подстроечного резистора R4 добиваемся на выходе ОУ напряжения в 0 вольт. Таким образом, мы обеспечиваем начальную установку нуля. После этого задав температуру верхнего или нижнего уровня, изменением сопротивления R2 добиваемся на выходе ОУ напряжения -3 вольт или +3 вольт в зависимости от того какой уровень выбран.

3.2. Расчет схем формирования порогов.

Проектируемое устройство должно выполнять какие-либо действия при превышении верхнего заданного порога, либо при преодолении нижнего переменного порога. Для этой цели сигнал с усилителя мы подадим на два компаратора. Для сравнения этого сигнала с пороговым сформируем напряжение верхнего и нижнего порогов.

ОУ выдает напряжение от -5 до +5 вольт в зависимости от температуры.

Выберем компаратор LM111N. Данный компаратор имеет рабочий диапазон температур от -55 до 125°С, входной ток не более 100 нА, выходной ток 50 мА, выполнена по схеме с открытым коллектором что потребует установки на выходе дополнительного резистора для формирования логической единицы.

3.2.1. Расчет схемы формирования верхнего порога.

Верхний порог задан ускорением 0,1g, ей соответствует ток через датчик 883 мкА. Рассчитаем напряжение, которое будет формировать ОУ усилитель на выходе при этом токе. Для этого подставим значение этого тока в одно и уравнений системы из предыдущего пункта, например  Решаем уравнение относительно Uвых получаем пороговое значение напряжения в -2 В. Это напряжение можно получить из напряжения -5 В используя резисторный делитель (рис.5)

Пусть в цепи будет течь ток 2 мА.  

Как и в предыдущем пункте выберем сопротивление на 10% меньше полученного, из ряда разрешенных R6 = 0,9 кОм ±1%.

Последовательно с R6 поставим подстроечный резистор с сопротивлением R8=100 Ом±5%

 

3.2.2. Расчет схемы формирования нижнего порога.

Нижний порог задан усконением -0,1g, ей соответствует ток через датчик 883 мкА. Рассчитаем напряжение, которое будет формировать ОУ усилитель на выходе при этом токе. Для этого подставим значение этого тока в одно и уравнений системы из предыдущего пункта, например  Решаем уравнение относительно Uвых получаем пороговое значение напряжения в +2В. Это напряжение можно получить из напряжения +5 В используя резисторный делитель (рис.6)

 

Пусть в цепи будет течь ток 2 мА.  

Как и в предыдущем пункте выберем сопротивление на 10% меньше полученного, из ряда разрешенных, R10 = 900Ом ±1%.

Последовательно с R10 поставим подстроечный резистор с сопротивлением R11=100 Ом±5%

возьмем соответственно 1,3 кОм±1%


3.3. Расчет генераторов импульсов.

В устройстве используется генератор импульсов, построенный на логических элементах «2И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ». Схема генератора изображена на рисунке 7.

Данный генератор генерирует импульсы, длительность которых зависит от линии задержки. Эту роль выполняет RC цепь. Период находится по формуле Т=1,4RC.

Для периода 8192 Гц:

R=1 кОм±1%  С = 8,7*10 -2мкФ±1%

Для частоты 600 Гц:

R=2 кОм±1%  С = 1000мкФ ±1%

Для частоты 300 Гц:

R=2 кОм±1%  С = 1000мкФ ±1%

3.4. Расчет одновибратора.

В схеме для работы первого реле используется микросхема
КР1561АГ1(рис. 10). Эта микросхема содержит в себе 2 одновибратора. При нуле на входе
R происходит сброс в исходное состояние. Вход A выполняет две функции: запускает одновибратор при действии нарастающего фронта входного сигнала, если на входе B в это время присутствует разрешающий логический уровень и разрешает запуск одновибратора спадающим фронтом по входу B, если на входе A присутствует разрешающий уровень. В данной схеме разрешающим уровнем для входа А является «1», а для входа В «0». Длительность выходного сигнала задается внешней RC цепью и рассчитывается по формуле 0.5RC 

Для 3с:

3с =314кОм*19,1мкФ*0.5

Для 4с:

4с=418кОм*19,1мкФ*0.5

Для 8с:

8с = 837кОм*19,1мкФ*0.5

3.5. Расчет светодиодов.

В устройстве используется светодиод АЛ307БМ, у которого ток срабатывания 10 мА, а максимальный ток в выходной цепи КМОП микросхем 0,44 мА. Для решения этой задачи воспользуемся транзистором с коэффициентом усиления в схеме с общим эмиттером β>23. Вполне подойдет транзистор КТ315Е.

,    ,  Rб = 21,5 кОм

Выбираем из числа разрешенных:

Rб = 22кОм±5%

Rк = 330Ом±5%

3.6. Расчет реле.

По заданию в устройстве должны использоваться реле типа РЭС-22 с сопротивлением обмотки 600Ом и током срабатывания 20мА.

Определим напряжение срабатывания реле:

Это напряжение можно сформировать из напряжения 15В поставив последовательно с реле сопротивление  

Выбираем из разрешенных 5,1Ом±5%.

Возьмем тот же транзистор КТ315Е с коэффициентом усиления β=50.

Рассчитаем сопротивление, которое необходимо поставить на базу транзистора:

, используем 10кОм±5%

Параллельно с реле необходимо установить диод. Он позволяет защитить коммутирующий транзистор при выключении реле. В этом случае при выключении реле транзистором возможно наведение э.д.с., которая суммируется с напряжением питания схемы и окажется приложена  к выходной цепи управляющего элемента. Диод поглощает накопленную обмоткой реле магнитную энергию. Выбирается диод из числа выпрямительных с допустимым напряжением более 15В и допустимым импульсным прямым током, например, в 1А (1N4007).

3.7. Расчет динамика.

В устройстве используется динамик с активным сопротивлением 47 Ом. Подключим его к цепи питания 15 В. Ток через динамик I=15В/47Ом=0,31 А. Добавим сопротивление так, чтобы ток через динамик был 20 мА.

в устройстве используем 240 Ом±5%

Подключим динамик через транзистор КТ313Г1.

, используем 8,4кОм±5%

3.8. Описание работы устройства по принципиальной схеме.

Устройство содержит, усилитель LM324, 2 компаратора LM111N, цифровые элементы КМОП 564 серии, резисторы: прецизионные С2-29В с отклонением от номинального значения  ± 1%, общего применения С2-23, подстроечные СП5-2 и СП5-20В, конденсаторы: керамические К10-17 и электролитические К50-35. Все элементы выбирались в основном из соображения нормальной работы в необходимом диапазоне температур.

Пока угол наклона находится в диапазоне между нижним и верхним порогами срабатывания компараторы DA3 и DA4 генерируют «0», светодиоды, реле и динамик выключены. Устройство в пассивном состоянии.

Когда наклон превышает верхний порог, компаратор DA3 перестает генерировать «0» и из внешней цепи подается «1»

- По нарастающему фронту срабатывает генератор, который задает режим работы первого светодиода.

- Одновибратор задает задержку времени, после которой в случае продолжения превышения порога, задает время работы первого реле.

- По нарастающему фронту срабатывает генератор импульсов, реализованный на логических элементах DD2, DD3, динамик гудит с заданной частотой в течение времени преодоления порога.

 

Если ускорение окажется ниже нижнего порога на выходе компаратора DA4 внешней цепью подается 1.

- при единице на выходе микросхемы DA4 второе реле включается на время преодоления порога

- динамик гудит с определенной частотой и периодом в течение преодоления порога

-светодиод VD3 начинает светиться, через 3секунды одновибратор DD6.3 перестает давать импульс и диод гаснет.


4. Результаты электронного моделирования устройства.

На ПК при помощи электронного рабочего стола Electronics workbench версии 5.12 была смоделирована аналоговая часть устройства(рисунок12). Датчик был заменен генератором синусоидального сигнала, задающего амплитуду, и источника, задающего ноль.

 

 

Из рисунка 14 мы видим, что ОУ DA2 правильно преобразует напряжение с датчика (2,35..2,65) мкА в выходное напряжение (-3..3)В, нижнему значению тока как и было задумано соответствует верхнее значение напряжения.

 


Заключение.

В выполненной мной курсовой работе была разработана, спроектирована и смоделирована система предварительной обработки аналогового сигнала, поступающего от акселерометра ADXL103. Она является работоспособной и вполне уместна для контроля температуры. Все используемые элементы были выбраны с учетом минимальной стоимости и возможности работы в данных температурных условиях, а затем схема была смоделирована на ЭВМ. Полученные результаты моделирования показали правильность расчетов.

К пояснительной записке прилагаются функциональная и принципиальная схемы системы.


Литература.

  1.  Л.А. Брякин. Электротехника и электроника. Конспект лекций. Пенза, ПГУ, 2004.
  2.  В.Л.Шило. Популярные цифровые микросхемы КМОП: Справочник - М.: «Горячая линия – Телеком», 2001
  3.  В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника: Учеб. Пособие для приборостроит. спец. Вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк.  1991
  4.  А.В. Нефёдов. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. – М.: РадиоСофт, 2001.
  5.  Войшвилло Г. В. Усилительные устройства. М.: Радио и связь, 1983.


Приложение 1. Функциональная схема устройства.


Приложение 2. Принципиальная схема устройства.


Приложение 3. Перечень.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59663. Тетянин день (25 січня). Гра на зразок Поля чудес 38 KB
  Завдання першій трійці: Ця квітка є обовязковою в українському віночку без неї не обходиться жоден весільний букет. Завдання для другої трійки: Народна легенда говорить що ця квітка колись була птахою навчала людей любові та щирості.
59664. Три спаса: Литературно-музыкальная композиция 50.5 KB
  Август - последний месяц лета. Днем жарко печет солнце, а ночью уже свежо, прохладно. Август - месяц обильных и длинных утренних рос, густых вечерних туманов. Лето на исходе, это чувствуется по-всему.
59665. Україна - славний край козацький: Методико-бібліографічні матеріали на допомогу бібліотечним працівникам у відзначенні 510-ї річниці українського козацтва 127.5 KB
  Пропонуємо до вашої уваги матеріали до історичного калейдоскопу Українське козацтво в датах; до історичних годин: Освічені жінки козацької доби; Закоханий в Україну: козацька тематика в творах Рєпіна історичної години Гетьман Іван Виговський і Конотопська...
59666. Україно, незборима зроду - ти душа великого народу: Сценарій тематичного вечора, присвяченого 10-й річниці прийняття Декларації про державний суверенітет України 38.5 KB
  Прочитаймо давню й сиву Свою долю нещасливу. Кінець вісімдесятих початок девяностих років були позначені небувалим піднесенням національновизвольної боротьби. Ведуча 1: Василь Скрипка Незалежність Нарешті дочекалися і ми Своєї незалежної держави.
59667. Ясне-красне Купайло: Фольклорний вечір 46.5 KB
  Ведучий 1: Сьогодні ми хочемо розповісти про надзвичайно поетичне свято Івана Купала яке дійшло до нас ще з поганських часів. Ведучий 2: Купайло свято молодіжне саме звідси єднання молодих сердець на святі і оспівування в піснях хлопця і дівчини попарне стрибання через багаття.
59668. Свято закінчення початкової школи 49.5 KB
  Прийшла така вже пора Але не сумувати тут зібрались А пригадати як все починалось 1 клас Ведучі. Пісня Вчать у школі Ведучі. І виявилось ой нелегко Писати палички й гачки Каліграфія моя Веж мере замучила...
59669. Буду я природі другом 38 KB
  Природа дає все необхідне для життя людей, тварин, рослин — воду і повітря. Природа потребує постійної уваги, турботи. Ми повинні берегти природу, охороняти її багатства.
59670. Ми до тебе, казко, в гості завітали 47 KB
  І знову пісня радісно дзвенить І казка на екрані оживає. Сьогодні ми Казку сюди запросили Щоб бачити Казку слухать гуртом А Казка в завії десь там заблудила. Але Казка до нас прийде тоді коли ми покажемо як добре знаємо казки. Казка виходить на сцену.