Введение
Настоящий курсовой проект предназначен для практического рассмотрения основных вопросов цифровой измерительной техники, под которой будем понимать совокупность методов и средств использования цифровых сигналов для представления информации о размерах измеряемой величины. В данном курсовом проекте рассмотрены свойства, устройство и конструкция проектируемого измерительного преобразователя.
1. Техническое задание на проектирование
1.1 Назначение и область применения
Проектируемое средство измерения предназначен для измерения давления на выходе внешнего датчика, его преобразования в цифровой сигнал и вывода полученного сигнала на ЖКИ. Устройство должно иметь возможность использования самостоятельно, а также в составе различных измерительных систем в лабораторных, цеховых и полевых условиях.
1.2 Технические требования
Предел допускаемой основной погрешности: ±1%
Температура окружающего воздуха 0…50°С
Диапазон измерений: 4кПа – 4МПа
Напряжение питания: 90 – 264В, 50Гц
1.3 Требования к документации
Документация к проекту должна содержать:
- пояснительную записку;
- структурную схему;
- принципиальную схему;
- блок-схемы алгоритмов.
2. Виды манометров
Манометр (от греческого слова manos — редкий, неплотный, разрежённый) — прибор, измеряющий давление жидкости или газа.
Типы манометров
В зависимости от конструкции чувствительности элемента различают
манометры:
жидкостные
поршневые
деформационные (с трубчатой пружиной или мембраной)
Манометры подразделяются по класам точности: 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 (чем меньше число, тем точнее прибор).
Виды манометров
По назначениям манометры разделяют на:
технические — общетехнические
электроконтактные
специальные
судовые
эталонные (образцовые)
Общетехнические: предназначены для измерения неагрессивных к сплавам меди жидкостей, газов и паров.
Электроконтактные: имеют возможность регулировки измеряемой среды, благодаря наличию электроконтактного механизма. Особенно популярным прибором этой группы можно назвать ЭКМ 1У, хотя он давно снят с производства.
Специальные: кислородные- должны быть обезжирены, так как иногда даже незначительное загрязнение механизма при контакте с чистым кислородом может привести к взрыву. Часто выпускаются в корпусах голубого цвета с обозначением на циферблате О2(кислород); ацетиленовые -не допускают в изготовлении измерительного механизма сплавов меди, так как при контакте с ацетиленом существует опасность образования взрывоопасной ацетиленистой меди; аммиачные-должны быть коррозиестоикими.
Эталонные: обладая более высоким классом точности (0,15;0,25;0,4) эти приборы служат для поверки других манометров. Устанавливаются такие приборы в большинстве случаев на грузопоршневых манометрах или каких-либо других установках способных развивать нужное давление.
Судовые манометры предназначены для эксплуатации на речном и морском флоте.
3. Выбор структурной схемы средства измерения
3.1 Структурная схема
Варианты преобразователя сигнала с датчика в код:
отдельные АЦП МК
МК со встроенным АЦП
Второй вариант является более дешевым и проще в реализации.
Элементы прибора:
датчик абсолютного или избыточного давления.
ЖКИ обеспечивает индикацию результатов измерения.
микроконтроллер – оцифровывает сигнал с датчика давления, передает данные контроллеру ЖКИ.
USB порт – выход на интерфейс верхнего уровня.
4. Функциональные части средства измерения
4.1 Датчик давления
Для преобразования давления в электрическую величину будем использовать промышленно выпускаемый датчик давления DMP331 фирмы BD SENSORS приведенный на рис. 4.1.
Рис. 4.1 Датчик давления
DMP 331 - универсальный недорогой датчик давления для различных отраслей промышленности, пропорционально преобразующий давление рабочей среды в электрический сигнал. Возможно измерение абсолютного или избыточного давления - как статического, так и динамического.
Технические характеристики:
Диапазон измерений: 4кПа – 4МПа
Выходной сигнал: 4-20 мА
Основная приведенная погрешность ±g%: ± 0,2%
температура измеряемой среды: -25…125°С
Условия эксплуатации:
Температура окружающей среды: 0…50°С
Области применения датчика давления DMP-331:
пневматика, гидравлика;
технологические процессы;
охрана окружающей среды;
измерительное оборудование;
пищевая промышленность (с торцевой мембраной);
коммунальное хозяйство.
Схема внешнего электрического соединения датчика приведена на рис. 4.2
Рис. 4.2 Схема подключения датчика (двух проводное исполнение)
4.2 Описание микроконтроллера
Для поставленной задачи микроконтроллер должен отвечать следующим критериям:
встроенная flash память данных;
встроенный 12-разрядный АЦП.
наличие 3 портов ввода/вывода.
Таблица 4.1 Обзор микроконтроллеров.
| Семейство |
Частота, МГц |
Разрядность |
Встроенная память данных, Байт |
Встроенная память команд, кБайт |
АЦП разрешение бит |
Количество портов |
Цена, $ |
| ADuC7025 |
40 |
16/32 |
2K+256 RAM, 4096 Flash |
62 |
12 |
5 |
5.94 |
| ADuC843 |
16 |
8 |
2K+256 RAM, 4096 Flash |
62 |
12 |
4 |
5.15 |
| CY8С27x |
24 |
8 |
256 |
16 |
14 |
||
| MAX765x |
12 |
8 |
256 |
2-8 |
12 |
4 |
7.7-8.5 |
| PIC16xxxx |
40 |
8 |
368 |
До 128 flash |
10 |
||
| C8051F12x |
50/100 |
8 |
8448 |
128 |
12 |
4-8 |
20-28 |
| C8051F206 |
25 |
8 |
8448 |
8 |
12 |
4 |
4,4 |
| MSP430x4xx |
8 |
16 |
128-1K |
4-60 |
12 |
4-6 |
|
| C16x |
16-40 |
16 |
1K-11K |
16-2
56
|
12 |
||
| MC56F8xxx |
60 |
16 |
12K-20K |
48-280 |
12 |
||
| MC86K |
15-66 |
32 |
100K SRAM |
- |
12 |
||
| dsPIC30fxxxx |
120 |
16 |
8K |
144 |
10 |
Был выбрана микроконтроллер ADuC843 (ADX09)
Микросхемы ADuC841/ADuC842/ADuC843 - это специализированные устройства приема и обработки аналого-цифровой информации т.н. "однокристальные системы сбора и обработки информации". В состав изделия входит многоканальный аналого-цифровой преобразователь, сдвоенный ЦАП, оптимизированный микроконтроллер (совместим по набору команд с 8051, максимальная тактовая частота 20 МГц, большинство инструкций исполняется за один машинный такт). Различие микросхем ADuC841 и ADuC842 заключается только в цепи тактового генератора: ADuC841 тактируется напрямую от внешнего кварцевого резонатора (до 20 МГц), в то время как, ADuC842 использует внешний резонатор на 32 кГц с последующим "разгоном" во встроенной петле ФАПЧ до внутренней тактовой частоты ядра (не более 16.78 МГц). Микросхемы полностью совместимы по выводам с более ранними моделями ADuC812/ADuC831/ADuC832.
Отличительные черты
Процессор:
однотактовый, архитектуры 8052, с максимальной производительностью 20 млн. инструкций в секунду;
12 источников прерываний с двумя уровнями приоритета;
сдвоенный указатель данных, улучшенный 11-битный указатель cтека.
Память:
62 кБ Flash-памяти программ;
4 кБ Flash-памяти данных;
возможность программирования в системе;
время хранения данных - 100 лет, количество циклов перезаписи - 100 000;
2304 байт ОЗУ.
Аналоговая периферия:
8-канальный, 12-битный, высокоточный АЦП с максимальной скоростью выборок 420 000 в секунду;
встроенный источник опорного напряжения (15*10-6/ºС);
контроллер прямого доступа к памяти, схема быстрой передачи выборок АЦП в память ОЗУ;
сдвоенный сигма - дельта ЦАП-ШИМ (16-бит);
встроенная функция контроля температуры (точность +/-1.5ºС).
Рис. 4.4 Функциональная блок схема.
Цифровая периферия:
счетчик временных промежутков (TIC);
последовательные интерфейсы UART, I2C, SPI;
таймер Watchdog;
монитор питания.
Потребление:
Рабочий режим: 4.5 мА/3 В (тактовая частота ядра = 2.098 МГц)
Режим пониженного энергопотребления: 10 мкА/3 В
4.3 Индикатор результатов измерения
Для индикации результатов измерений обычно используют символьные или графические индикаторы, наиболее удобные для восприятия информации. Самыми популярными среди них являются жидкокристаллические индикаторы, имеющие значительное преимущество по соотношению цена и потребительские свойства перед устройствами других типов.
Символьный дисплей – дисплей, обеспечивающий создание на экранах некоторого количества символов и строк (количество определяется моделью изделия), высвечивающих тексты. Символьные дисплеи находят широкое применение в системах управления технологическими процессами, контрольно-измерительной, медицинской, телекоммуникационной аппаратуре, устройствах ограничения доступа и многих других приложениях.
Символьные ЖКИ-индикаторы обладают хорошим соотношением цена-качество.
Жидкокристаллический модуль MT–12864A, состоит из БИС контроллера управления и ЖК-панели.
Внешний вид модуля приведен на Рис. 4.1 Контроллер управления К145ВГ6, производства ОАО «АНГСТРЕМ» (www.angstrem.ru), аналогичен HD44780 и KS0066 фирмы SAMSUNG. Индикатор выпускается со светодиодной подсветкой.
Рис. 4.1
MT–16S2R.
тип: Символьный
количество символов в строке: 16
количество строк: 2
размеры модуля, мм: 122.0 x 44.0
тип контроллера: К145ВГ6
Таблица 4.2. Назначение выводов
4.4 Блок питания
Блоки питания предназначен для питания электроники и приборов требующих для своей работы постоянного стабилизированного напряжения, от сети переменного напряжения 220 Вольт.
Блок питания является импульсным стабилизированным блоком питания. Он имеет электронную самовосстанавливающуюся защиту от коротких замыканий, систему ограничения мощности, защиту от повышения выходного напряжения. Имеет полную гальваническую развязку входного и выходного напряжений. Преобразователь имеет фильтр электромагнитных и радио помех. Точность установки вых. напряжения 2-5%. Напряжение изоляции 3000 Вольт.
Основные характеристики блока питания ES18E12-P1J:
входное напряжение 90-264 В;
выходное напряжение 12В;
номинальный выходной ток 1,5А;
мощность 18 Вт
пульсации вых. напряжения 0,18В;
диапазон рабочих температур 0°C...+40°C.
5. Блок схемы алгоритмов
5.1 Обобщенный алгоритм
Инициализация АЦП включает в себя:
выбор канала
выбор источника опорного напряжения
настройка частоты опроса
5.2 Взаимодействие с ЖКИ
6. Расчет погрешности
6.1 Документированные погрешности элементов
Погрешности датчика давления DMP 331:
приведенная погрешность ± 0,2%
Погрешность источника опорного напряжения AD Ref 192:
основная погрешность ±0,1%
температурный коэффициент нестабильности напряжения 0,003%/10ºС.
Погрешности встроенного в МК ADuC843 АЦП:
интегральная нелинейность ±0,05%;
дифференциальная нелинейность ±0,035%;
погрешность смещения нуля (калибруется) ±0,025%;
погрешность крутизны (калибруется) ±0,025%;
погрешность температурной коррекции на входе АЦП±2,1мВ
Погрешность преобразователя I в U:
погрешность резистора R ±0,1%
6.2 Погрешность преобразования напряжение – код
В рабочем диапазоне входное напряжение АЦП меняется в пределах от 0,8 до 4В, .
Погрешность измерения значений напряжений складывается из аддитивной () и мультипликативной () составляющих. При расчете аддитивной погрешности нужно учитывать следующие погрешности:
- погрешность смещения нуля АЦП ();
- погрешность квантования АЦП ();
Поскольку отмеченные погрешности не зависят друг от друга, их результирующее значение определяется по формуле:
погрешности приведенные к диапазону измерения.
Основной вклад в мультипликативную составляющую общей погрешности вносит погрешность, обусловленная интегральной и дифференциальной нелинейностью АЦП (,).
Погрешность преобразователя:
Суммарная погрешность преобразования давление - код:
Основная приведенная погрешность измерения, включающая в себя как аддитивную, так и мультипликативную составляющую, равна 0,25%, что согласуется с требованиями ТЗ.
Выводы
В ходе работы мною было спроектировано средство измерения цифрового манометра с техническими характеристиками, соответствующими требованиям.
Спроектированное устройство предназначено для измерения абсолютного давления путем оцифровки сигнала с внешнего датчика давления и представления его в удобном для восприятия виде. Устройство имеет возможность использования самостоятельно, а также в составе различных измерительных систем в лабораторных, цеховых и полевых условиях.