- низьке споживання струму : 280 mk, 1MHz, 2.2 V, 2.5 mk, 4 kHz, 2.2V;
- п'ять режимів зниження споживання струму: LPM0-LPM4 (30 mk - 0.8 mk);
- повернення в робочий режим за 6 mk;
- 16-бітова RISC архітектура, час виконання інструкції - 125 nS;
- єдний 32 кГц керамічний резонатор, внутрішня системна частота - до 3.3 МГц;
- 16-бітовий таймер з 6 регістрами спостереження/порівняння;
- 16-бітовий таймер з 3 регістрами спостереження/порівняння;
- вбудований компаратор;
- 12 розрядний АЦП із джерелом опорної напруги;
- сторожовий таймер ( 16 біт );
- порти вводу-виводу : 32 ліній;
- два апаратних незалежних послідовних порта введення- виведення USART;
- послідовне програмування ( JTAG );
- корпус: 64 QFP.
Функціональна схема мікроконтролера MSP430F149 представлена на рисунку 3.2.
Рисунок 3.2 – Схема підключення мікроконтролера MSP430F149
Перевагами їх є широко розвинута периферія, ідеально підходять для керуванням технологічними процесами.
До виводів XIN, XOUT мікроконтролера підключається кварцевий резонатор ZQ, який задає частоту роботи контролера. Таке підключення дозволяє дуже точно задати тактову частоту мікроконтролера (розсіювання
частот зазвичай становить не більше 0,01%). Такий рівень точності необхідний для організації інтерфейсу мікроконтролера з іншими пристроями. Номінали ємностей конденсаторів в даній схемі підключення визначаються виробником мікроконтролера для конкретної резонансної частоти кварца. При використанні малих ємностей тактові імпульси будуть мати кращу форму, оскільки при підключені дуже великої ємності це призведе до деградації форми імпульсів і мікроконтролер не буде запускатися. Запуск мікроконтролера повинен відбуватись лише тоді, коли встановилась необхідна напруга живлення. Для цього використовують вивід RESET (скидання мікроконтролера в початковий стан).
3.2 Вибір перетворювача рівня сигналу
Процес передачі між інформаційно - вимірювальною системою і персональним комп’ютером здійснюється за допомогою інтерфейсу RS - 485.
При проектуванні системи на базі технічних засобів, слід враховувати ряд важливих факторів: кількість передавачів і приймачів, швидкість передачі даних та відстань обміну даними. За допомогою інтерфейсу RS 485 можна передавати код, як в послідовному так і в паралельному форматі. У 99% випадків передача даних відбувається у послідовному форматі. Інтерфейс RS-485 (інша назва - EІ/TІ-485) - один з найбільш розповсюджених стандартів фізичного рівня зв'язку. Згідно стандарту на інтерфейси RS-485, RS-422, драйвер інтерфейсу не повинен виходити з ладу при закороченні будь-якого із сигнальних дротів на шину живлення або на землю. Також згідно стандарту всі драйвери цих інтерфейсів повинні мати захист від перегріву і автоматично вимикатись при нагріві 150 0С.
Мережа, побудована на інтерфейсі RS-485, являє собою прийомо-передавач з'єднаний за допомогою витої пари - двох скручених проводів. В основі інтерфейсу RS-485 лежить принцип диференціальної (балансової) передачі даних. Отже для використовуваного в даному курсовому проекті інтерфейсу RS-485. Цифровий вихід приймача (RO) підключається до порту приймача UART (RX). Цифровий вхід передавача (DІ) до порту передавача UART (TX). Оскільки на диференціальній стороні приймач і передавач з'єднані, то під час прийому потрібно відключати передавач, а під час передачі - приймач. Для цього служать керуючі входи - дозвіл приймача (RE) і дозволу передавача (DE). Тому що вхід RE інверсний, те його можна з'єднати з DE і переключати приймач і передавач одним сигналом з будь-якого порту мікроконтролера. При рівні "0" - робота на прийом, при "1" - на передачу. Якщо різниця потенціалів у лінії настільки мала, що не виходить за граничні значення - правильне розпізнавання сигналу не гарантується. Крім того, у лінії можуть бути і не синфазні перешкоди, що спотворять настільки слабкий сигнал. Усі пристрої підключаються до однієї витої пари однаково: прямі виходи (A) до одного проводу, інверсні (B) - до іншого. Вхідний опір приймача з боку лінії (RAB) звичайно складає 12 кОм, тому що потужність передавача не безмежна, це створює обмеження на кількість приймачів, підключених до лінії. Відповідно до специфікації RS-485 з обліком резисторів, передавач може вести до 32 приймачів. Однак є ряд мікросхем з підвищеним вхідним опором, що дозволяє підключити до лінії значно більше ніж 32 пристрої. Максимальна швидкість зв'язку по специфікації RS-485 може досягати 10 Мбот/сек. Максимальна відстань - 1200 м. Якщо необхідно організувати зв'язок на відстані більшому 1200 м або підключити більше пристроїв, чим допускає навантажувальна здатність передавача - застосовують спеціальні повторювачі (репитери).
Стандартні параметри інтерфейсу RS-485
- припустиме число передавачів / приймачів 1/10;
- максимальна довжина кабелю 1200 м;
- максимальна швидкість зв'язку 10 Мбот/с;
- діапазон напруг "1" передавача +2...+10 В;
- діапазон напруг "0" передавача -2...-10 В;
- діапазон синфазної напруги передавача -3...+3 В;
- припустимий діапазон напруг приймача -7...+7 В;
- максимальний струм короткого замикання драйвера 150 мА;
- припустимий опір навантаження передавача 100 Ом
- вхідний опір приймача 4 кОм;
- максимальний час наростання сигналу передавача 10% біт.
На рисунку 3.3 наведена схема інтерфейсу RS-485.
Рисунок 3.3 - Схема інтерфейсу RS-485
Мікроконтролер DD1 має у своєму складі стандартний USART за допомогою, якого здійснюється обмін даними із зовнішнім пристроєм в послідовному форматі. Сигнал TхD (передача даних) поступає на вхід мікросхеми DD3 (ADM 488), яка є драйвером інтерфейсу RS-485 і передається по сигнальній лінії зв’язку на певну відстань. На приймальній стороні симетричний сигнал знову поступає на вхід інтерфейсу RS-485 (DD2) і перетворюється в несиметричний сигнал у форматі стандартного USART. Сигнал стандартного USART, який має рівень від 0 до 5 В з виходу мікросхеми DD4 поступає на вхід мікросхеми DD4 (МАХ 232), яка уявляє собою перетворювач рівнів для інтерфейсу RS-232. Вихідний сигнал мікросхеми DD5 у форматі RS-232 поступає на вхід RxD послідовного порта персонального ЕОМ. Сигнал ТxD з виходу послідовного порта ПЕОМ поступає на вхід мікросхема DD5, де за допомогою якої він перетворюється до рівня стандартного USART. Мікросхеми DD2, DD4 живляться від джерела з напругою +5В. Для забезпечення їх живленням сигнали DTR і RTS програмовано встановлюються у рівень +12В і з’єднуються між собою через розв’язуючі діоди VD1, VD2. Через ці діоди та балансний резистор R1, напруга сигналу DTR і RTS поступає на вхід поступового лінійного інтегруючого стабілізатора напруги МС7805, який забезпечує стабілізацію п’ятивольтового живлення для мікросхем DD5, DD6.
Технічні характеристики перетворювача рівня ADM488:
- 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 мс;
- діапазон вихідної напруги: ± 10 В;
- швидкість передачі даних: 19200 біт;
- максимальна помилка при передачі: 0,2 %.
3.3 Вибір джерела живлення
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, МС780, LM113, TL431. Одним з найкращих джерел опорної напруги є мікросхема МС780. Схема підключення опорного джерела живлення МС780 показана на рисунку 3.4.
Рисунок 3.4 – Схема включення джерела живлення
Джерело опорної напруги МС780 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: 10-5ºС .
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 .
3.4 Вибір датчика температури KTY81-121
Вибір датчика температури проведемо за наступним властивостями, даний датчик мати похибку не більше 2%, а також працювати в діапазоні від
-50 до 150.
Даним критеріям підходить датчик KTY81-121 рисунок 3.5 фірми NXP Semiconductors.
Рисунок 3.5 – Датчик KTY81-121
Це температурний датчик термістор - напівпровідниковий резистор, електричний опір якого істотно зменшується або зростає зі зростанням температури. Для терморезистора характерні великий температурний коефіцієнт опору (ТКС) (в десятки разів перевищує цей коефіцієнт у металів), простота пристрою, здатність працювати в різних кліматичних умовах при значних механічних навантаженнях, стабільність характеристик у часі. Терморезистор виготовляють у вигляді стержнів, трубок, дисків, шайб, намистин і тонких пластинок переважно методами порошкової металургії, їх розміри можуть варіюватися в межах від 1-10 мкм до 1-2 см. Основними параметрами терморезистора є номінальна опір, температурний коефіцієнт опору, інтервал робочих температур, максимально допустима потужність розсіювання.
Основні параметри датчика:
- опір при 25 ° C: 1000 Ω ± 2% (Ic = 1 мА)
- температурний коефіцієнт: 0.75% / K тип
- максимальний струм: 10 мА при 25 ° C, 2 мА при 150 ° C
- постійна часу: 30 сек на нерухомому повітрі: 5 сек в спокійній рідини,
2 сек в поточній рідини
- корпус: SOD-70
4. Електричні розрахунки компонентів системи вимірювання температури
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.
(4.1)
Візьмемо пФ.
Схема інтерфейсу RS 485 зображена на рисунку 3.3. Для того щоб забезпечити подавлення високочастотних завад живлення кожної мікросхеми, безпосередньо близько до її корпусу шунтуються керамічні конденсатори, а саме С7, С10, С8 ємність яких не перевищує 0,1 мкФ . Звідси випливає, що ємність конденсаторів С7=С10=С8=0,1 мкФ. Для подавлення низькочастотних завад і пульсацій використовуємо електролітичні конденсатори С6 ємність, якого також не повинна перевищувати 0,1 мкФ. Отже С6=0,1 мкФ
Конденсатори С13, С14, С15, С16 призначені для забезпечення функціонування мікросхеми МАХ 232. Згідно з документацією цієї мікросхеми ємність конденсаторів С13= С14 =С15=С16=0,1 мкФ.
З документації на мікросхему MC7805 визначаємо номінали конденсаторів С8 – С9. та С17 – С18 Отже, обираємо конденсатори С8= С9=0,1 мкФ, С17= С18= 10 мкФ.
Для забезпечення стабілізації п’яти-вольтового живлення для мікросхем DD5, DD6 використовуємо діоди VD1 та VD2 - діоди напівпровідникові імпульсні 1N4148, які мають такі характеристики:
- постійна зворотна напруга, UR - 75 В;
- імпульсна зворотна напруга, URM - 100 В;
- температура збереження, Тзб - від –65 до +200°C ;
- робоча температура навколишнього середовища - від –65 до +150°C;
- пряма напруга, UF1 – 0,1 В;
- зворотний струм, IR1 - 5 мкА;
- зворотний струм, IR2 – 0,025 мкА;
- зворотна пробивна напруга, UBR – 100 В.
5. Розрахунок похибки вимірювання системи температури
Розрахуємо похибку квантування АЦП. Розрахунок проведемо за такою формулою:
(5.1)
де n- розрядність АЦП n=12;
- напруга АЦП; = 10 (В).
Підставивши значення, отримаємо:
.
Розрахунок СКВ похибки квантування за такою формулою
. (5.2)
Отримаємо:
Розрахуємо похибку, яка буде виникати за рахунок не досконалості датчика.
Розрахунок СКВ похибки датчика за такою формулою:
. (5.3)
Розрахуємо загальне СКВ похибки датчиків за такою формулою:
. (5.4)
Висновки
В даному курсовому проекті була розроблена інформаційно-вимірювальна система визначення температури. В першому розділі ми розглянули можливі методи та засоби вимірювання температури. В другому розділі ми розробляли структурні схеми систем для визначення температури та з них обрали найкращу схему яка по критеріях якості була найбільш оптимальною для розробки інформаційно - вимірювальної системи температури. В третьому розділі ми розробили електричну принципову схему, де підібрали мікроконтролер фірми Texas Instruments, MSP430F149, інтерфейс зв’язку між вимірювальною системою і персональним комп’ютером – RS-485, обрали джерело живлення MC7805 та первинний вимірювальний датчик KTY81-121 фірми NXP Semiconductors.
В четвертому розділі ми зробили розрахунки основних вузлів системи для визначення температури. В п’ятому розділі розрахували основну похибки, а саме похибку первинного вимірювального перетворювача –датчика KTY81-121.
Загалом розроблена нами система є життєздатною та досить дієвою при стандартних умовах.
Перелік посилань
1. Антропогенные проблемы экологии: Методическое пособие. – К.: Вища школа, 1997. – 144 с.
2. Аксенов И.Я., Аксенов В.И. Транспорт и охрана окружающей среды. – М.: Транспорт, 1986. – 176 с.
3. Желібо Е.П., Заверуха Н.М., Зацарнкий В.В. “Безпека життєдіяльності”. – Вінниця: ВНТУ, 2004. – 185 с.
4. Клименко Л.П. Техноекологія – О: Таврія, 2000. – 542 с.
5. Бреслер П.І. Оптичні абсорбційні газоаналізатори і їх використання.– Л.: Енергія, 1980. - 164с.
6. ДСТУ 4277 – 2004: Норми і методи вимірювань вмісту оксиду вуглицю та вуглеводнів у відпрацьованих газах автомобілів з двигунами, що працюють на бензині або газовому паливі.
7. Ю.Ф. Гутаревич, Д.В. Зеркалов, А.Г. Говорун, А.О. Корпач, Л.П. Мержиєвська Екологія автомобільного транспорту: Навч. Посібник – К.: Основа, 2002. – 312с.
8. Проектирование микропроцесорных измерительных приборов и систем/В.Д. Циделко, Н.В. Нагаец, Ю.В. Хохлов и др.- К.: Техніка, 1984.-215с.
7. http://www.ti.com/
Страницы: 1, 2, 3, 4
