Измеритель напряжения. ПЗ. 1 анализ аналогичных конструкций 3 1 Обзор аналогичных устройств 3

• Название: 1 анализ аналогичных конструкций 3 1 Обзор аналогичных устройств 3
• Анкор: Измеритель напряжения
• Дата: 22.12.2021
• Размер: 1.27 Mb.
• Имя файла: ПЗ.docx
• Тип: Реферат; #313462

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 2

1 АНАЛИЗ АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 3

1.1 Обзор аналогичных устройств 3

1.2 Разработка расширенного технического задания к устройству 7

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА 8

2.1 Синтез структурной схемы устройства 8

2.2 Обоснование выбора микроконтроллера 8

2.3 Синтез электрической схемы 12

3 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 13

3.1 Разработка алгоритма функционирования устройства 13

4 ВВОД ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ 15

4.1 Описание характеристик и имитация входных воздействий и сигналов 15

4.2 Описание характеристик и выбор способа контроля выходных сигналов 15

5 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 21

Список литературных источников 22

ПРИЛОЖЕНИЕ А Схема структурная 23

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Схема электрическая принципиальная 24

ПРИЛОЖЕНИЕ В Перечень элементов 25

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Блок схема алгоритма программы 26

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Код программы 27

ВВЕДЕНИЕ

Характерной чертой развития современной радиоизмерительной техники является все более широкое использование измерительных приборов с цифровым отсчетом не только в исследовательских, но и в производственных условиях.

Цифровые измерительные приборы из-за высокой точности измерения и наглядности отсчета имеют ряд существенных преимуществ перед приборами со стрелочным указателем. Одной из тенденций развития цифровой измерительной техники является расширение функциональных возможностей измерительных приборов, когда в одном приборе содержится несколько измерителей различных величин.

В радиолюбительских условиях изготовление узкоспециализированного измерительного прибора с цифровой индикацией, например, только вольтметра или частотомера, вряд ли оправдано. Затраты достаточно велики, а эксплуатационные возможности ограничены. Предпочтение отдают универсальным цифровым измерительным приборам.

Удешевлению изготовления универсальных измерительных приборов, упрощению их схемотехники и настройки, уменьшению габаритных размеров и массы способствует использование интегральных микросхем с повышенной степенью интеграции, номенклатура которых быстро растет.[1]

1 АНАЛИЗ АНАЛОГИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1 Обзор аналогичных устройств

Амперметр – прибор для измерения силы тока в электрической цепи.

Существуют аналоговые и цифровые амперметры. В данной работе

разрабатывается цифровой амперметр, представленный на рисунке 1.1. Он состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и преобразует силу тока в цифровые данные, которые потом отображаются на ЖК-дисплее.



Рисунок 1.1 – Цифровой амперметр
У цифрового прибора целый ряд преимуществ, которые позволили ему

практически вытеснить с рынка стрелочные измерительные приборы:

- компактность прибора и незначительный вес, что упрощает

эксплуатацию устройства;

- в составе прибора отсутствуют механические движущие детали, и это позволяет применять цифровой амперметр (для измерения напряжения) в тех

условиях, в которых стрелочный прибор применять просто невозможно, а именно в условиях сильной вибрации и тряски.

- обладает малой чувствительностью к небольшим ударам (тогда как стрелочные приборы приходится оберегать от любых механических воздействий), поэтому цифровой амперметр можно располагать вблизи с механизмами, не боясь повредить устройство.
Цифровой амперметр на ATTiny 2313.

Принцип измерения тока основан на методе одностадийного интегрирования – преобразования напряжения, снимаемого с токоизмерительного шунта в частоту. Амперметр имеет следующие технические характеристики:

- Напряжение питания (не стабилизированное), В 14…20;

- Потребляемый ток, мА, при Uпит=15В 70;

- Диапазон измерения тока с разрешением в 1мА, А 0…9,999;

- Диапазон измерения тока с разрешением в 10 мА, А 0…99,99;

-Допустимое сопротивление шунта, Ом 0,01…1;

- Нелинейность измерения, МЗР (младший значащий разряд) ±3;

Схема амперметра представлена на рисунке 1.2 [2].


Рисунок 1.2 – Cхема амперметра
Цифровой амперметр на PIC16F676 [3].

Амперметр предназначен для индикации постоянного тока в диапазоне от 0 до +100А.

В зависимости от входного делителя и прошивки микроконтроллера диапазоны измерений могут быть 0..+1000А, 0..+10А.

Основные характеристики :

1.Напряжение питания – 8..16В

2.Потребляемый ток <50 мА

3.Напряжение, снимаемое с шунта – 75…100 мВ

4.Дискретность отсчета – 0,1А

5.Погрешность – 0,1А

6.Диапазон рабочих температур -10..+50°С

Схема амперметра представлена на рисунке 1.3, внешний вид устройства – рисунок 1.4.



Рисунок 1.3 – Схема устройства



Рисунок 1.4 – Внешний вид устройства
Вольтметр и амперметр на микроконтроллере Atmega 8 [4].

Устройство представляет собой не что иное, как измеритель напряжения и тока нагрузки. Регулятор напряжения собран на микросхеме регулируемого стабилизатора LM317. А вольтметр и амперметр - собраны на микроконтроллере, с цифровой индикацией тока и напряжения на семи сегментном светодиодном индикаторе.

Орган управления - это кнопка переключения режимов индикации ток/напряжение. Принцип работы основан на измерении напряжения на делителе напряжения и шунте встроенным в микроконтроллер АЦП. Напряжение высчитывается из коэффициента деления делителя, а ток по падению напряжения на шунтирующем резисторе, по закону Ома.

Внешний вид устройства представлен на рисунке 1.5, схема устройства – рисунок 1.6.

Основные технические характеристики устройства:

-Измерение тока с точностью ...................................100мА

- Измерение напряжения (до 10В) с точностью..............0.1В

-Измерение напряжения (выше 10В) с точностью.............1В

- Величина входного напряжения (максимальная).............30В

- Величина входного напряжения (минимальная)...............7В

- Пределы регулировки напряжения.........................1.3В-30В

- Максимальный ток нагрузки (LM317).............................1.5А


Рисунок 1.5 – Внешний вид устройства


Рисунок 1.6 – Схема устройства

1.2 Разработка расширенного технического задания к устройству

Микроконтроллер — фирмы TI серии MSP430;

Тип индикатора – LCD.

Измерение напряжения (до 5В) с точностью..................0.01В

Измерение напряжения (выше 5В) с точностью.............0.1В

Величина входного напряжения (максимальная).............20В

Величина входного напряжения (минимальная)...............0В

Организовать вывод измеряемой информации на ПК

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

2.1 Синтез структурной схемы устройства

В устройстве можно выделить следующие блоки и их назначение: - блок микроконтроллера осуществляющий обработку данных поступающих из других блоков устройства и осуществляющий вывод всей необходимой информации на LCD;

- LCD индикатор – вывод информации;

- Блок стабилизации напряжения предназначен для преобразования уровня входящего напряжении для питания всех микросхем.

Структурная схема устройства представлена на рисунке 2.1.


Рисунок 2.1 – Структурная схема устройства

2.2 Обоснование выбора микроконтроллера

В качестве подходящих вариантов были выбраны микроконтроллеры ATmega фирмы Atmel. Критерием оптимизации системы является максимальная простота и цена. Наибольшее быстродействие (наибольшую тактовую частоту), из предоставленных для выполнения задания микроконтроллеров, имеют ATmega8, ATmega16, ATmega32 и с тактовой частотой 16Мгц, а наиболее дешевым из представленных выше микроконтроллеров оказался ATmega8.

Сравнительная характеристика параметров микроконтроллеров приведена в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Сравнение параметров МК.

МК	Тактовая частота, Mhz	SRAM	I/O	Наличие 16bit таймера	Цена рос.руб.
ATmega8	16	1k	23	Да	82
ATmega16	16	1k	32	Да	140
ATmega32	16	2k	32	Да	150
ATmega163	8	512	32	Да	152
ATmega323	8	2k	32	Да	160

Ниже приведены основные характеристика выбранной модели:

1. 
   8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением.
   
2. 
   Энергонезависимая память программ и данных
   
3. 
   8 Кбайт программируемой Flash памяти. Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи.
   
4. 
   512 байт EEPROM. Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи
   
5. 
   1 Кбайт встроенной SRAM. 
   
6. 
   Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя.
   
7. 
   Пять режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby и снижения шумов ADC.
   
8. 
   Выводы I/O и корпуса: 
       23 программируемые линии ввода/вывода 
       28-выводной корпус PDIP, 32-выводной корпус TQFP и 32-выводной корпус MLF
   
9. 
   Рабочие напряжения: 
       2,7 - 5,5 В (ATmega8L) 
       4,5 - 5,5 В (ATmega8)
   
10. 
    Рабочая частота: 
        0 - 8 МГц (ATmega8L) 
        0 - 16 МГц (ATmega8)
    

Схема расположения выводов и блок-схема данного микроконтроллера в PDIP-корпусе изображены на рисунке 2.2 и рисунке 2.3 соответственно.



Рисунок 2.2 - Схема расположения выводов микроконтроллера ATmega8


Рисунок 2.3 – Блок-схема микроконтроллера ATmega8

2.3 Синтез электрической схемы

На основе структурной схемы составлена схема электрическая принципиальная.

Для питания микросхем используется стабилизатор напряжения с конденсаторной обвязкой на 5 В стабилизации. Для измерения входного напряжения применяется двух диапазонная схема измерения на операционных усилителях. Первый усилитель настроен на коэффициент усиления предназначенный для измерения напряжения в пределах от 0 до 5В. Если значение напряжения на входе будет превышать данный предел, то стабилитрон D1 ограничит напряжение входа и на выходе операционного усилителя установиться максимальное значение 2.5В. Т.е. МК контроллер сперва опрашивает первый канал и если значение превышает 2.49 В то он переключается на второй канал измерения. С этого канала на выход попадает сигнал преобразованный через операционный усилитель который выдает напряжение на выход, позволяя мерять входное значение напряжения до 100В.

3 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

3.1 Разработка алгоритма функционирования устройства

Производиться включение устройства, после запуска, подается входной аналоговый сигнал на АЦП, после преобразование результат конвертируется в цифровое значение, напряжение. Происходит сохранение и вывод результатов на монитор.



Рисунок 3.1 –Блок-схема алгоритма функционирования устройства
Описание блок схемы.

Первый блок – начало. Второй блок инициализация микроконтроллера. В этом блоке идет включение микроконтроллера и инициализация LCD. В этом блоке идет включение ЖК- индикатора. Далее происходит запуск з на преобразование и получение данных с первого канала АЦП и происходит конечный пересчет полученных данных после преобразования. Дальше сравнивается значения с 4.99 В и если превышает этот предел происходит чтение с второго канала АЦП. Самый последний блок это вывод полученной информации на ЖК- индикатор.

4 ВВОД ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ

4.1 Описание характеристик и имитация входных воздействий и сигналов

Измерение уровня напряжения происходит после изменения сопротивления входного сигнала, проходя через простой RC-фильтр Далее сигнал поступает на вход встроенного 10-ти разрядного АЦП. Дисплей сконфигурирован на прием команд и символов за два 4-битных посыла, вместо одного 8-битного. Это позволяет сократить количество выводов. Пересылка данных на дисплей происходит следующим образом:

Вначале происходит запись инструкций на выводы шины данных и подача импульса на E, далее инструкция считывается по спадающему фронту на E. Если RS сброшен, то инструкция воспринимается как команда контроллеру ЖК-модуля, если RS установлен, то как код символа для вывода. Дисплейный модуль не отвечает на команду моментально, есть точные временные интервалы для его корректной работы. В особенности, RS должен быть сброшен в течении определенного времени, до начала импульса на E. Линии данных должны быть установлены за некоторое время до возникновения спадающего фронта импульса, и должны сохранять свое состояние достаточное время после импульса. Затем, некоторое определенное время должно пройти до того, как можно будет послать импульс на E снова.

4.2 Описание характеристик и выбор способа контроля выходных сигналов

Выходным сигналом является цифровой код измеренного напряжения.

Этот код микроконтроллер передает ЖКИ на базе контроллера HD44780, который отображает полученное значение. Передача данных осуществляется в четырех битном режиме. Соответствие портов микроконтроллера, ЖКИ и их функциональное назначение представлено в таблице 3.1.

Таблица 4.1 – Линии связи микроконтроллера и ЖКИ (HD44780)

Вывод микроконтроллера MSP	Вывод ЖКИ (HD44780)	Назначение
P 1.0	RS	Определение типа передаваемых данных: «0» - команда, «1» - данные
GND	RW	«0» - запись в дисплей «1» - чтение из дисплея
P 1.3	E	Строб чтение/запись
P 1.4	D4
P 1.5	D5	Шина передачи данных/ команд. Сначала передается старшая тетрада, затем младшая
P 1.6	D6
P 1.7	D7

Величина напряжения на входе, и после изменения внутреннего сопротивления сигнала представлена на рисунке 4.1.

5 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

ЖКИ индикатор – LCD буквенно-цифровой LM016L.

Индикатор работает на основе контроллера HD44780. Данный дисплей позволяет отобразить 2 строки по 16 символов в каждой (формат 16х2).

У данного индикатора рабочее напряжение питания 5В, следовательно, приемлемо было бы использовать регулятор низкого напряжения, который обеспечит нам напряжение в 3В. Внешний вид устройства представлен на рисунке 4.9, подробные характеристики в технической документации (Приложение А).[8]


Рисунок 5.1– Внешний вид ЖК- индикатора.

Резистор CF – 100 (C1 – 4), 5%.

Описание:

- Резисторы с углеродным проводящим слоем предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

- Являются заменой отечественных резисторов С1-4

- Номинальная мощность: 0.25 Вт, 0.5 Вт, 1 Вт, 2 Вт

- Диапазон номинальных сопротивлений: 1 Ом - 10 МОм; ряд E24

- Точность: 5% (J)

- Диапазон рабочих температур: -55 …+125°C

Общий вид такого резистора приведен на рисунке 5.3 [10].
1

Рисунок 5.2 – Общий вид резистора CF – 100 (C1 – 4) 1 Вт,

Технические параметры:

- Тип: с1-4

- Номин.сопротивление: От 1 до 1000000 Ом

- Единица измерения: ом

- Точность: 5%

- Номин.мощность: 1Вт

- Макс.рабочее напряжение:500В

- Рабочая температура: -55…155С

- Монтаж: в отверстие
Конденсатор B41827
Конденсаторы общего назначения

Применение

Аппаратура для индустрии развлечений

Профессиональная и полупрофессиональная электроника

Фильтрация, сопряжение и импульсные схемы

Особенности

Миниатюрные размеры

Соответствуют требованиям RoHS

Срок службы до 2000 ч при 85 °C

Конструкция

Радиальные выводы

Полярный с защитой от заряда>разряда

Алюминиевый корпус с изолирующей трубкой

Маркировка отрицательного вывода на изолирующей трубке

Предохранительный клапан диаметром от 8 мм

Варианты поставок

Россыпью

Выводы для упаковки на ленту, технологическая упаковка

Характеристики и стандарты



Рисунок 5.3- Общий вид конденсатора B41827

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом курсовой работы стало разработка измерителя напряжения. Использование данного устройства необходимая процедура при разработке и использовании радиоэлектронных конструкций. Частое использование вольтметра предусматривает выполнение эргономических характеристик, удобство в использовании.

Произведен обзор аналогичных устройств, разработанных на базе микроконтроллеров различных производителей. В данной работе использовался распространенный микроконтроллер серии ATmega8, который позволяет создать удобное и простое устройство.

Построена блок-схема программного кода, преобразования входного аналогового в цифровой с выводом результата на ЖК-монитор. Работоспособность схемы, моделирование, проверили в современной программе Proteus. Удостоверились в качестве и простате использования микроконтроллеров серии ATmega8.

В ходе проектирования выбрана односторонняя печатная плата, на которой производиться монтаж радиоэлектронных элементов.

Список литературных источников

1. А. А. Петровский, Г.В. Таранов - Микропроцессорная техника. Учебное пособие по курсовому проектированию, Минск, БГУИР 2005. – 51 с.

2. Общее представление микроконтроллеров [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://dfe.petrsu.ru/koi/posob/microcpu/vved.html – Дата доступа: 18.05.2014.

3. Сайт «Все для радиолюбителя», [Электронный ресурс]: http://radioelectronic.ru/category/cifrovye-ampermetry/ . Дата доступа 18.05.2014

4. Сайт цифровая электроника [Электронный ресурс] - Режим доступа

http://eldigi.ru/site/izmer/25.php. Дата доступа : 19.05.2014

5. Сайт «Компоненты и технологии», [Электронный ресурс] - Режим доступа http://kit-e.ru/articles/micro/2006_6_60.php. Дата доступа : 19.05.2014

6. Уроки MSP430 преобразование аналогового сигнала [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://we.easyelectronics.ru/msp430/uroki-msp430-launchpad-urok-15-preobrazovanie-analogovogo-signala.html. Дата доступа 19.05.2014.

7. Сайт Texas Instruments [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.ti.com/product/msp430f2112 Дата доступа 19.05.2014.

8. Сайт «DigChip.com»,[Электронный ресурс]: - Режим доступа: http://www.digchip.com/ datasheets/parts/datasheet/000/LM016L-pdf.php. Дата доступа 19.05.2014

ПРИЛОЖЕНИЕ А
Схема структурная

(Обязательное)

ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Схема электрическая принципиальная

(Обязательное)

ПРИЛОЖЕНИЕ В
Перечень элементов

(Обязательное)

ПРИЛОЖЕНИЕ Г
Блок схема алгоритма программы

(Обязательное)

ПРИЛОЖЕНИЕ Д
Код программы

(Обязательное)


/*****************************************************

This program was produced by the

CodeWizardAVR V2.05.0 Professional

Automatic Program Generator

© Copyright 1998-2010 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l.

http://www.hpinfotech.com
Project :

Version :

Date : 19.05.2014

Author :

Company :

Comments:

Chip type : ATmega8

Program type : Application

AVR Core Clock frequency: 1.000000 MHz

Memory model : Small

External RAM size : 0

Data Stack size : 256

*****************************************************/
#include

#include

#include

#include
#define ADC_VREF_TYPE 0xC0
#asm

.equ __lcd_port=0x12

#endasm

unsigned int AD=0;

char ok=0;

char lcd_buf[16];

float vol=0;
// Read the AD conversion result

unsigned int read_adc(unsigned char adc_input)

{

ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);

// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage

delay_us(10);

// Start the AD conversion

ADCSRA|=0x40;

// Wait for the AD conversion to complete

while ((ADCSRA & 0x10)==0);

ADCSRA|=0x10;

return ADCW;

}
// Declare your global variables here
void main(void)

{

// Declare your local variables here
// Input/Output Ports initialization

// Port B initialization

// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In

// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T

PORTB=0x00;

DDRB=0x00;
// Port C initialization

// Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In

// State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T

PORTC=0x00;

DDRC=0x00;
// Port D initialization

// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In

// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T

PORTD=0x00;

DDRD=0x00;
// Timer/Counter 0 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer 0 Stopped

TCCR0=0x00;

TCNT0=0x00;
// Timer/Counter 1 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer1 Stopped

// Mode: Normal top=0xFFFF

// OC1A output: Discon.

// OC1B output: Discon.

// Noise Canceler: Off

// Input Capture on Falling Edge

// Timer1 Overflow Interrupt: Off

// Input Capture Interrupt: Off

// Compare A Match Interrupt: Off

// Compare B Match Interrupt: Off

TCCR1A=0x00;

TCCR1B=0x00;

TCNT1H=0x00;

TCNT1L=0x00;

ICR1H=0x00;

ICR1L=0x00;

OCR1AH=0x00;

OCR1AL=0x00;

OCR1BH=0x00;

OCR1BL=0x00;
// Timer/Counter 2 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer2 Stopped

// Mode: Normal top=0xFF

// OC2 output: Disconnected

ASSR=0x00;

TCCR2=0x00;

TCNT2=0x00;

OCR2=0x00;
// External Interrupt(s) initialization

// INT0: Off

// INT1: Off

MCUCR=0x00;
// Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization

TIMSK=0x00;
// USART initialization

// USART disabled

UCSRB=0x00;
// Analog Comparator initialization

// Analog Comparator: Off

// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off

ACSR=0x80;

SFIOR=0x00;
// ADC initialization

// ADC Clock frequency: 500.000 kHz

// ADC Voltage Reference: Int., cap. on AREF

ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff;

ADCSRA=0x81;
// SPI initialization

// SPI disabled

SPCR=0x00;
// TWI initialization

// TWI disabled

TWCR=0x00;

lcd_init(16);

lcd_clear();

while (1)

{

ok=0;

AD=read_adc(0);
if (AD>0x3FE)

{

AD=read_adc(1);

ok=1;

}

if (ok==1)

{

vol=(AD/1024.0)*51.2;

}

else

{

vol=(AD/1024.0)*5.12;

}

lcd_gotoxy(0,0);

sprintf(lcd_buf,"%d.%d%d B ",(int)vol,(int)(vol*10)%10,(int)(vol*100)%10);

lcd_puts(lcd_buf);

}

}