Дипломная работа: Мікропроцесорна метеостанція

AGND Цей вивід повинен бути під’єднаний до окремої аналогової землі, якщо плата оснащена нею. В іншому випадку вивід від’єднується до загальної землі.

Мікроконтролер АТ90S8515 має такі технічні характеристики:

-  діапазон напруги живлення: від 2,7 до 6,0 В;

-  діапазон тактової частоти: від 0 до 4 МГц;

-  діапазон роботи АЦП: від 0 до 6 В;

-  час перетворення АЦП: 70...280 мс;

-  клас точності 0,05 .[3]

3.2 Вибір перетворювача рівня сигналу

За стандартною логікою одиниця представляється рівнем напруги від 2,4 до 5 В, а нуль – від 0 до 0,8 В. Проте, при передачі по каналу RS-232 нуль та одиниця кодуються однаковими за величиною(від 5 до 12 В), але різними за знаком сигналами. Так як для передач по RS-232 стандартні логічні сигнали повинні бути перетворені в сигнали другого рівня, необхідно передбачити у схемі відповідні засоби перетворення. Десять років тому, для цієї мети використовувались спеціальні каскади з трьох-чотирьох транзисторів, пари діодів і майже десятка резисторів. Зараз ситуація значно змінилась: провідні виробники мікросхем повністю завершенні перетворювачі, які потребують мінімальної кількості додаткових елементів. До них відносяться МАХ202Е від МАХІМ і повністю їй ідентична AD232 від Analog Devices. Всередині обидві мікросхеми містять перетворювач напруги +5 В у ±10 В і каскади, що здійснюють перетворення логічних сигналів стандартного рівня у сигнали рівня по стандарту RS-232. Кожна з цих мікросхем містить перетворювачі логічного рівня для двох приймачів та двох передавачів. Кожна із перерахованих вище мікросхем містить перетворювачі логічного рівня для двох приймачів і двох передавачів. Ми використаємо мікросхему AD232 і тільки один її приймально-передавальний канал

Рисунок 3 – Схема включення послідовного інтерфейсу RS232

Швидкість обміну інформацією може бути вибрана в межах: від 9600 бот до 115200 бот. Оскільки мікро контролер при різних швидкостях і опорних частотах має різні помилки передачі, то при опорній частоті 4 МГц, яка використовується, ця помилка буде мінімальною при швидкості 19200 бот. Саме тому буде використовуватися така швидкість. Вона є достатньою для обміну інформацією між мікроконтролером і комп’ютером, а також дозволяє використовувати старі комп’ютери 386 типу.

Технічні характеристики послідовного інтерфейсу ADM232LIN:

-  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 μс;

-  діапазон вихідної напруги: ± 10 В;

-  швидкість передачі даних: 19200 бот;

-  максимальна помилка при передачі: 0,2 % [4].

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, AD780, LM113, TL431. Одним з найкращих джерел опорної напруги є мікросхема AD780. Схема підключення опорного джерела живлення. AD780 показана на рисунку 3.1 [4].

Рисунок 3.1 – Схема включення опорного джерела живлення

Джерело опорної напруги AD780 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: 10-5/ ºС [5].

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.

3.3 Аналого-цифровий перетворювач АD1674

Характеристики:

-  Монолітний 12 бітний 10 мс АЦП зі схемою вибірки ;

-  Вбудований пристрій вибіраки-зберігання ;

-  Цоколевка, що відповідає промисловому стандартові ;

-  8 і 16 бітний мікропроцесорний інтерфейс ;

-  Визначені і перевірені статичні і динамічні характеристики ;

-  Уніполярний і біполярний входи ;

-  Діапазони вхідного сигналу ±5 В, ±10 В, 0 В - 10 В и 0 В - 20 В ;

-  Комерційні, індустріальні і військовий температурні діапазони ;

-  MІ-STD-883 і SMD корпусні виконання ;

AD 1674 - багатоцільовий 12 бітний аналого-цифровий перетворювач, що містить Вбудовані пристрій вибіраки-зберігання (ПВЗ), 10 В джерело опорної напруги (ДНО), буфер тактових імпульсів і вихідний буфер із трьома станами для зв'язку з мікроконтролером. AD1674 сполучимо по висновках зі стандартними промисловими приладами AD574A і AD674A, але містить Вбудоване ПВЗ і має велику швидкість перетворення. Вбудоване ПВЗ має широку смугу пропущення, що забезпечує 12 бітне перетворення у всій смузі Найквиста.

Для AD1674 цілком визначені динамічні характеристики (відношення сигнал/ шум - S / (N+D) , THD, і ІMD) і статичні характеристики (зсув, абсолютна помилка і т.д.). Ці статичні і динамічні характеристики AD1674 роблять його ідеальним для використання в пристроях обробки сигналів і виміру постійного струму.

AD1674 виготовлений за унікальною технологією BіMOS ІІ компанії Analog Devіces, що дозволяє сполучити висока якість і швидкодія біполярної технології з малим споживанням КМОП технології.

Прилад випускається в п'ятьох різних температурних виконаннях. AD1674J і До виконання призначені для роботи в температурному діапазоні від 0°С до +70°С; А и В виконання призначені для роботи в індустріальному температурному діапазоні від - 40 °С до +85°С; AD1674T виконання призначене для роботи в розширеному температурному діапазоні від -55°С до +125°С. J і До виконання виробляються в 28 вивідних пластикових корпусах DІ і SOІ. А й У виконання випускаються в 28 вивідних герметичних керамічних корпусах DІ і 28 вивідних корпусах SOІ. T виконання випускається в 28 вивідному герметичному корпусі DІ.[6]

3.4 Датчик відносної вологості Модель RL-1HS100

Датчик відносної вологості RL-1HS100 побудований на основі сенсорного елемента HІН-3610-002 фірми Honeywell, виготовленою у виді інтегральної схеми. Сенсор використовує планерний ємнісний полімерний елемент, чуттєвий до вологості повітря. Другий шар полімеру захищає сенсор від бруду, пилу, жиру й інших шкідливих факторів навколишнього середовища. Датчик має калібрований лінеаризований вихід.

Область застосування:

-  теплиці;

-  холодильники;

-  сушарки;

-  метеорологія;

Основні властивості:

-  похибка ± 2% RH;

-  діапазон виміру 0-100 % RH;

-  лінійність ± 0.5% RH;

-  гістерезис ± 1.2% RH;

-  відтворюваність + 0.5% RH;

-  постійна часу 15 сек. ;

-  стабільність ± 1 % RH за 5 років;

-  температурний діапазон -40  to 85 .

Датчик вологості складається з інтегрального чуттєвого елемента (сенсора), що живиться від вбудованого стабілізатора напруги, і повторювача напруги який необхідний для ослаблення електромагнітних перешкод, виключення впливу опору навантаження і сполучної лінії на результати вимірів.

Датчики вологості калібрують виготовлювачем, у зв'язку з чим кожен датчик вологості має індивідуальні калібровані коефіцієнти. Ці коефіцієнти заносяться в калібрований файл пристрою введення інформації типу RL . При цьому відносна вологість визначається по формулі :

RH=(a1 +a2*Vout)*100%, (3.1)

де: RH - відносна вологість повітря в %; а1 і а2 - калібровані коефіцієнти; Vout - вихідна напруга датчика.[7]

3.5 Датчик атмосферного тиску. Модель RL-1APS115

Датчик атмосферного тиску RL-1APS115 побудований на основі сенсорного елемента МРХА4115A6LJ фірми Motorola, виконаного у виді інтегральної схеми. Датчик має калібрований лінеаризованный вихід.

Область застосування :

-  метеорологія ;

-  барокамери ;

-  теплиці ;

Основні властивості :

-  похибка ±1.5% ;

-  діапазон виміру 15-115 кПа ;

-  часу встановлення 0,02 сек. ;

-  температурний діапазон -40 °С to 85 °С.

Датчик атмосферного тиску складається з інтегрального чуттєвого елемента (сенсора), що живиться від вбудованого стабілізатора напруги, і повторювача напруги який необхідний для ослаблення електромагнітних перешкод, виключення впливу опору навантаження і сполучної лінії на результати вимірів. Датчики атмосферного тиску калібрують виготовлювачем, при цьому атмосферний тиск визначається по формулі

Р=а1 + a2*Vout, (3.2)

де: Р - атмосферний тиск у кПа. а1 і а2 - калібровані коефіцієнти.

а1=10,6, а2=21,8 . Vout - вихідна напруга датчика.

Калібровані коефіцієнти вказуються для кожного датчика на зворотній стороні його корпуса. Датчик тиску підключають до одному з пристроїв введення аналогових сигналів RL-8AІ, RL-88АС, RL-40AІ або RL-32RTD. Після підключення датчика й експорту каліброваного файлу. У програму відображення даних RLDataVіew на екрані монітора комп'ютера будується графік залежності тиску від часу, що обновляється в міру надходження даних. Дані можуть бути збережені у файлі, роздруковані або експортовані в іншу програму, як, наприклад, MS Excel.

Граничні режими :

-  Атмосферний тиск400 кПа ;

-  Температура збереження+5...+40 °С ;

-  Напруга живлення+22 В ;

-  Відносна вологість, не більш... 100% ;

-  Тік навантаження5 мА. [7]

3.6 Датчик температури. Модель LM94022

Компанія Natіonal Semі-conductor представила перші аналогові датчики температури, що здатні працювати при напругі живлення 1,5 В и характеризуються можливістю вибору коефіцієнта передачі. Дані особливості дозволяють поліпшити експлуатаційні характеристики пристроїв температурного контролю і керування з низьковольтним живленям. LM94021 і LM94022 підтримують чотири обираних користувачі коефіцієнта передачі і контролюють температуру в діапазоні -50°С...+ 150°С. Широкий діапазон контрольованих температур, гнучкість і економічність роблять дані датчики чудовим вибором для низьковольтних систем з батарейним живленям, таких, як стільникові телефони, персональні цифрові пристрої, Мрз-плееры і цифрові камери.

LM94021 і LM94022 - прецизійні аналогові датчики температури, виконані за технологією КМОП і здатні працювати від джерела харчування напругою 1,5...5,5 В. Вихідна напруга цих датчиків назад пропорційно обмірюваній температурі для досягнення більш високої чутливості при підвищених температурах.

Користувачам пропонується вибрати один з чотирьох коефіцієнтів передачі:

 -5,5 мВ/ , -8,2 мВ/, -10,9 мВ/, -13,6 мВ/.

LM94021 і LM94022 характеризуються малим споживаним струмом: 9 мкА і 5,4 мкА, відповідно. Дані датчики випускаються у мініатюрному корпусі SC70, а посадкове місце сумісне зі стандартним датчиком температури LM20.

Відмінні риси:

-  Робота при напрузі живлення 1,5 В ;

-  Двотактний вихід з навантажувальною здатністю 50 мкА (LM9402) ;

-  Чотири обираємих користувачем коефіцієнти передачі ;

-  Висока точність контролю в широкому температурному діапазоні 50……+150  ;

-  Малий споживаний струм ;

-  Захист виходу від короткого замикання ;

-  мініатюрний корпус SC70 ;

-  Сумісність посадкового місця зі стандартним датчиком температури LM20 ;

Основні характеристики:

-  Напруга живлення 1,5-5.5 В ;

-  Споживаний струм 9 мкА (типове значення) ;

-  Навантажувальна здатність ±50 мкА ;

-  Точність контролю температури:

±1,5(20- 40) ;

±1,8  (-50...70) ;

±2,1 (-50- 90) ;

 ±2,7 (-50- 150) ;

-  Робітник температурний діапазон: -50-150 ;

Області застосування:

-   телефони ;

-  Радіочастотні передавачі ;

-  Керування батарейним джерелом ;

-  Автомобільна електроніка ;

-  Драйвери дисків ;

-  Ігрові пристрої ;

-  Побутові прилади. [7]

3.7 Розробка електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

Поєднавши перераховані вище компоненти схеми, розроблена електрична функціональна схема приладу, представлена в додатку А. Працює вона таким чином.

Три датчики, які показані на схемі трьома розйомами XS1, XS2, XS3. Проводять вимірювання трьох фізичних величин таких як відносна вологість, атмосферний тиск і температура. Вихідний сигнал цих датчиків аналогова величина, яка поступає через аналоговий мультиплексор на 12 розрядний АЦП АD1674, який перетворює аналогову величину в цифровий код . Після цього цей цифровий код поступає на мікроконтролер AT90S8515. Після цього на порти персонального комп’ютера, які показані на схемі розйомами XS4. Сигнал між мікроконтролером AT90S8515 і персонального комп’ютером передається через інтерфейс RS-232. Який складається з гальванічної розв’язки і перетворювача рівнів MAX232. Гальванічна розв’язка побудована на основі двох оптронів 4N35 і мікросхеми МС7805.

4. Електричні розрахунки найголовніших вузлів електричної принципової схеми

Здійснимо електричний розрахунок елементів принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

 Розрахуємо значення резисторів  за формулою:

, (4.1)

де  - мінімальне значення напруги для рівня логічної одиниці. - спад напруги на світлодіоді. - струм на світлодіоді.

Підставивши значення, отримаємо:

 (kОм)

Розрахуємо значення резисторів  за формулою:

. (4.2)

З документації на оптрон 4N32 визначаємо струм , . Отже IC= IE=100, UE=0.5B.

Підставивши значення, отримаємо:

 (Ом)

Розрахуємо значення резисторів  за формулою:

, (4.3)

де - вихідна напруга мікросхеми MC7805

Підставивши значення, отримаємо:

 (Ом)

Оберемо значення резисторів  кОм.

З документації на мікросхему AD780 визначаємо номінали конденсаторів С2, С1 . Отже, обираємо конденсатори С2 =С1= 100 .

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. Візьмемо  пФ.

З документації на мікросхему MAX232 визначаємо номінали конденсаторів С9, С10, С11, С12 . Отже, обираємо конденсатори С9= С10= С11= С12 =1 .

З документації на мікросхему MC7805 визначаємо номінали конденсаторів С5, С6, С7, С8. Отже, обираємо конденсатори С5= С6=С7=С8= 220

Обираємо діоди VD1,VD2. VD1,VD2 - діоди напівпровідникові імпульсні 1N4148 Мають такі характеристики, які наведені в таблиці 2, 3 [9]

Таблиця 2. Максимальні параметри експлуатації 1N4148

Вимірюваний параметр	Од. вим.	Значення
Постійна зворотна напруга, UR	В	75
Імпульсна зворотна напруга, URM	В	100
Температура збереження, Тstg	°C	від –65 до +200
Робоча температура навколишнього середовища	°C	від –65 до +150

Таблиця 3,. Електричні параметри 1N4148

Вимірюваний параметр	Режим виміру	Значення
		Мін.	Макс.
Пряма напруга, UF1, В	IF1=10 мА		1,0
Зворотний струм, IR1, мкА	UR1=75 В		5
Зворотний струм, IR2, мкА	UR1=20 В Tamb = 25-5°C		0.025
Зворотна пробивна напруга, UBR, В	IR=100 мкА	100
Заряд відновлення, Qr. пКл	IF=10 мА  UR=10 В		200
Ємність, Ctot, пФ	UR=0 В  f=1MHz		4

Страницы: 1, 2, 3