Устройство для снятия статических характеристик потенциометрических датчиков линейных перемещений

Чем больше n, тем меньше ∆ и тем точнее выходным кодом может быть представлено входное напряжение.
Относительное значение разрешающей способности:
θ = ∆ / Umax = 1 / (2n – 1)
Таким образом, ∆ - наименьшая различимая ступенька входного сигнала. Сигнал меньшего уровня АЦП не зарегистрирует. В соответствии с этим разрешающую способность отождествляют с чувствительностью АЦП.
Исходно задано: δ = 0,3%, Umin = 0 В; Umax = 12 В, то число уровней квантования N = 100/0,3 = 333.
Разрядность АЦП определится по формуле:
n = log2N = log2333 ≈ 8.
Разрешающая способность АЦП определится по формуле:
∆ = Uвх / (2n – 1) = 5/255= 20 мВ

Относительная наибольшая погрешность квантования:

Инструментальная погрешность не должна превышать погрешность квантования. При этом абсолютная погрешность и полная относительная статические погрешности соответственно равны:

Выбираем восьмиразрядный АЦП Max165 производителя Maxim с последовательным выходом.
Для согласования 2-х измерительных преобразователей с микропроцессором (второй АЦП используется для контроля подаваемого на испытуемый потенциометрический датчик напряжения) будем использовать регистры, управление измерительными преобразователями, регистрами и загрузкой портов процессора реализуем на счетчиках- делителях. После каждого АЦП устанавливаем 8- разрядный универсальный регистр ИР8, который будет использоваться в режиме последовательной загрузки и параллельного выхода. Для управления каждым регистром необходимо 18 тактов опорной частоты («сброс»- «загрузка- сдвиг» (по 8 раз, для каждого разряда) – «выгрузка»), что легко реализуется на счетчиках- делителях ИЕ17 с использованием дополнительных логических элементов для синхронизации четырех измерительных преобразователей. Управление загрузкой параллельного порта Р1 будем производить через параллельный порт Р2, подавая на него сигналы сброса счетчиков, разрешения загрузки и опорной частоты с помощью дополнительного делителя.
























5. Разработка принципиальной схемы

С точки зрения разработки электрической принципиальной схемы наиболее важным моментом является подключение устройств ввода- вывода к микропроцессорному модулю.
Обращение к портам ввода- вывода возможно с использованием команд, оперирующих с байтом, отдельным битом и произвольной комбинацией бит. При этом в тех случаях, когда порт является одновременно операндом и местом назначения результата, автоматически реализуется специальный режим (чтение-модификация-запись). Этот режим обращения предполагает ввод сигналов не с внешних выводов порта, а из его регистра-защелки SFR. Причиной, по которой оказалось необходимым осуществить команды типа «чтение-модификация-запись», является необходимость исключить неправильное считывание уровня сигнала на выводе микроЭВМ. Предположим, например, что линия Х порта V соединена с базой мощного транзистора, используемого в качестве электронного ключа, и выходной сигнал микроЭВМ предназначен для его коммутации (транзистор открывается, когда в данный бит записана 1). Если для проверки состояния исполнительного механизма, управляемого этим транзистором, прикладной программе требуется прочитать состояние выходного сигнала в том же бите порта, то считывание сигнала с вывода БИС, а не из D-триггера SFR порта, приведет к неправильному результату. Единичный сигнал на базе транзистора имеет относительно низкий уровень и будет интерпретирован CPU микро-ЭВМ как 0. Команды типа (чтение-модификация-запись) реализуют. Считывание из регистра SFR, а не с вывода порта, что обеспечивает получение правильного значения 1.
Подключение микропроцессора к шине RS-232 производится через встроенный контроллер TX/RX, структурная схема обмена данными изображена на рисунке 7.


Рисунок 7 - Структурная схема последовательного порта 8051

Подключение АЦП к процессору целесообразно произвести через порт ввода- вывода Р1 процессора.
Для реализации схемы генерации испытательного сигнала и сигнала управления приводом задатчика необходимо предусмотреть генерацию управляющего сигнала микропроцессором (программа на основе составленного алгоритма управления), а также приведение параметров сигнала в соответствие с требованиями к испытаниям.
Наиболее рациональным представляется использование прецизионных высоковольтных ЦАП, выходные параметры которых согласуются с требованиями исполнительных механизмов. При использовании выбранных вентилей необходимость в следящей обратной связи отпадает, поскольку и выходной сигнал управляющего устройства, и непосредственно регулирование, производятся от одной относительной величины, а динамическая погрешность и инерционность системы в целом учтена при составлении алгоритма управления и написании программы.
В качестве управляющих преобразователей будем использовать интегральные высокоточные ЦАП с самокалибровкой и высоковольтным выходом, что позволит исключить погрешности работы регуляторов с изменением температуры окружающей среды и усложнение схемы, связанное с введением в нее операционных усилителей. Такими ЦАП являются AD558, основным функциональным достоинством данной ИМС является наличие 4-х параллельных каналов преобразования, в результате чего существенно упрощается элементная база устройства и исключается необходимость коммутации четырех устройств управления на один исходящий параллельный порт. Выходные характеристики ЦАП следующие:
- частота преобразования не менее 100 кГц;
- выходное напряжение 0.. +15 В;
- погрешность преобразования не более 0.05%.
Дополнительно необходимо согласовать выход обоих ЦАП по току, поскольку электрические характеристики системы требуют обеспечить дополнительное усиление сигнала.
Для усиления сигнала предполагается использовать операционный усилитель. К140УД17 - прецизионный усилитель с малым напряжением смещения и высоким коэффициентом усиления напряжения. Имеет внутреннюю частотную коррекцию. Обладает отличным сочетанием параметров входных напряжений и тока шума. Предназначен для применения в высокоточных измерительных цепях с различными пределами коэффициентов усиления.
Определим требуемый коэффициент усиления Ku , для рассматриваемой цепи он должен составлять 2.5:
Uвых = Uвх ×KU
Так как Uвх < 12 B, а Uвых должно быть 0 ÷ 30В (в случае номинальной нагрузки по току), то

Примем R2 = 56 кОм. Затем определим номиналы резисторов R1 и R3.Так как R1 = R3, для оптимального результата возьмём 47 кОм, т.е. R1 = R3 = R9 = 47 кОм.
Найдём R4, R5, R6, R7:
1/R4 + 1/R5 = 1/R6 + 1/R7
При этом
1/R4 + 1/R5 = 1/R`общ


кОм
Отсюда =0.136 кОм
Подберём резистор табличного значения таким образом, чтобы получился нужный нам номинал. Берем из таблицы 0.43 кОм и 0.2 кОм, соответственно R4 = R5 = 0.43 кОм и R6 = R7 = 0.2 кОм.


Рисунок 8 - Схема усилителя


6. Разработка блок-схемы программы контроллера и временной диаграммы распределения ресурсов контроллера между подпрограммами

Блок- схема алгоритма функционирования микроконтроллера приведена на рисунке 9, временная диаграмма работы микропроцессора- на рисунке 10.


Рисунок 9 - Алгоритм работы микропроцессора

Рисунок 10 - Временная диаграмма микропроцессора


















7. Описание конструкции

Конструктивно разработанная установка состоит из четырех элементов- корпуса стенда (в рамках курсового проекта не рассматривается), механической части задатчика, выносного первичного преобразователя и печатной платы вторичного преобразователя.
Механическая часть задатчика, как было определено ранее, представляет собой комплектный прецизионный привод линейного перемещения типа «винт-гайка» на основе двигателя постоянного тока со встроенной системой оптического контроля координат перемещения и автоматической защитой при достижении пределов допустимого сопротивления движения. Коммутация данного модуля осуществляется посредством 5-жильного экранированного кабеля с основным электронным блоком.
Выносной измерительный преобразователь представляет собой четырехслойную текстолитовую печатную плату с навесными элементами – интегральной микросхемой АЦП, компараторами масштабирования и устройством защитного ограничения напряжения и токов. Внешние слои платы- сигнальные, внутренние слои- питание ±5В. Модуль измерительного преобразователя имеет два разъемных соединения- трехштырьковый разъем для подключения переходников к выходным клеммным колодкам исследуемых датчиков (несколько разновидностей в зависимости от модели датчика) и 12-жильным кабелем к основному электронному блоку.
Основной электронный блок реализован на семислойной стеклотекстолитовой печатной плате, внутренние слои которой используются для питания и вспомогательных сигналов, а наружные- сигнальные. На плате предусмотрен двусторонний монтаж навесных элементов. Коммутация платы осуществляется пятью разъемами, два из которых упомянуты выше, один- для входа от блока питания 5/12 В (3 контакта), один разъем – интерфейс связи с ПК RS-232, и последний (три контакта) – от генератора испытательного сигнала к исследуемому потенциометру.
Типы кабелей, разъемов, а также вид используемых блоков питания, как и конструктивные решения корпусов блоков и креплений, в рамках настоящего курсового проекта не затрагиваются. Требуемые чертежи печатных плат приведены в графическом приложении.
























Заключение

В рамках данного курсового проекта было разработано устройство для снятия статических характеристик с потенциометрических измерительных преобразователей линейных перемещений.
Функциональные и технические характеристики устройства соответствуют требованиям технического задания.























Список литературы

1. Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем. М. : Мир, 1992
2. Келим, Ю.М. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики : учеб. для сред. спец. учеб. заведений / Ю.М. Келим. – М.: Высш. шк., 1991. – 304 с. : ил.
3. Подлипенский, В.С. Элементы и устройства автоматики : учеб. для вузов / В.С. Подлипенский, Ю.А. Сабинин, Л.Ю. Юрчук; под ред. Ю.А. Сабинина. – СПб. : Политехника, 1995. – 472 с. : ил.
4. Стрыгин, В.В. Основы автоматики и вычислительной техники: учеб. для техникумов / В.В. Стрыгин, Е.А.Гребенщикова. – М. : Энергоатомиздат, 1996. – 608 с. : ил.

Келим, Ю.М. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики : учеб. для сред. спец. учеб. заведений / Ю.М. Келим. – М.: Высш. шк., 1991
1 Стрыгин, В.В. Основы автоматики и вычислительной техники: учеб. для техникумов / В.В. Стрыгин, Е.А.Гребенщикова. – М. : Энергоатомиздат, 1996
1 . Подлипенский, В.С. Элементы и устройства автоматики : учеб. для вузов / В.С. Подлипенский, Ю.А. Сабинин, Л.Ю. Юрчук; под ред. Ю.А. Сабинина. – СПб. : Политехника, 1995












32