Экспериментальное исследование устройства определения ориентации произвольно расположенного объекта

1 2 3

---

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор и сравнительная оценка   устройств определения ориентации в пространстве

1.1 Методы реализации определения ориентации

1.2 Методы определения напряженности магнитного поля

1.2.1 Аналитические методы расчета

1.2.2 Графический, экспериментальный и смешанный методы

1.2.3 Численные методы

1.3 Средства реализации устройства определения ориентации произвольно расположенного объекта         11

1.3.1Средства определения магнитного поля

1.3.1.1 Датчики Холла

1.3.1.2 Магнитодиоды и магнитотранзисторы

1.3.1.3 Феррозонды

1.3.1.4 Магниторезисторы

1.3.2 Средства определения углов крена и тангажа

1.3.2.1 Гироскоп

1.3.2.2 Авиагоризонт

1.3.2.3 Малогабаритная гировертикаль (МГВ)

1.3.2.4 Датчик угловых скоростей (ДУС)

2 Расчет электрической схемы и определение основных характеристик

2.1 Разработка и описание структурной схемы устройства

2.2 Разработка и описание функциональной схемы

2.3 Разработка принципиальной схемы и ее расчет

2.3.1 Выбор датчиков

2.3.2 Расчет и выбор дифференциальных усилителей

2.3.3 Выбор АЦП

2.3.4 Выбор микроконтроллера

2.3.5 Выбор транзитной сборки

2.3.6 Выбор датчика температуры

2.3.7 Выбор flash-памяти

2.3.8 Выбор индикатора устройства

2.3.9 Выбор формирователя интерфейса

2.3.10 Разработка блока ручного управления

2.4 Разработка метрологических характеристик устройства

2.4.1 Расчет погрешности операционных усилителей

2.4.2 Погрешность канала измерения температуры

2.4.3 Погрешность канала измерения акселерометра

2.4.4 Расчет погрешности квантования по уровню АЦП

2.4.5 Расчет погрешности устройства

3. Экспериментальное исследование устройства определения ориентации произвольно расположенного объекта

4. Конструкторско — технологическая разработка устройства

4.1 Конструкторско-технологические особенности устройства определения ориентации произвольно расположенного объекта

4.2 Конструкторско-технологические особенности

измерительного блока

4.3 Выбор и обоснование метода изготовления измерительного

блока

4.4 Отработка конструкции измерительного блока на

технологичность

4.5 Решение технологических вопросов конструирования

печатной платы

4.5.1 Расчёт элементов печатного монтажа на ПП

4.5.2 Расчёт размеров элементов печатного монтажа на фотошаблоне

4.6 Разработка ПП

4.7 Изготовление ПП

4.8 Технологическая инструкция по проверке и настройке

измерительного блока

4.9 Расчет надежности устройства определения ориентации произвольно расположенного объекта

4.10 Расчет средеповерхностной температуры корпуса устройства определения ориентации методом последовательных приближений

5. Программная реализация работы магнитометрических датчиков

6. Организационно-экономическая часть

6.1 Основные аспекты работы

6.2 Исследование рынка сбыта и определение цены

6.3 План маркетинговых действий по комплексу инженерного маркетинга

6.4 Потенциальные риски

6.5 Финансовый план

7. Безопасность и экологичность проекта

7.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов, и мероприятия по улучшению условий труда

7.2Интегральная оценка тяжести труда

7.3 Расчет средств защиты

7.4 Анализ причин несанкционированных событий

7.5 Экологичность работ

7.6 Пожаробезопасность

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Для всех объектов, перемещающихся по поверхности Земли и в ее воздушном пространстве, одной из центральных задач является задача определения координат, вектора скорости и ориентации в пространстве. Для определения местоположения и углов ориентации использовали методы астронавигации, а также датчики, измеряющие величину гравитационного и магнитного поля Земли. Позже стали применять радиотехнические средства, в том числе и спутниковые радионавигационные системы.

На данный момент задача определения ориентации объекта в пространстве является достаточно актуальной. Как известно [1], для однозначного определения положения любого произвольно ориентированного в пространстве объекта достаточно измерить три угловые координаты – азимут, угол тангажа и угол крена относительно выбранной оси. Если объект расположен горизонтально к поверхности Земли, то азимут данного объекта относительно направления на магнитный север можно определить по двум горизонтальным составляющим магнитного поля. В случае произвольного расположения предмета необходимо знать все три составляющие магнитного поля, а также углы крена и тангажа относительно

выбранной оси [2].

 

1.Обзор и сравнительная оценка устройств определения ориентации в пространстве

 

1.1 Методы реализации определения ориентации

Все многообразие применений магнитного позиционирования может быть сведено к двум основным типам задач [1,2]:

-поиску цели, в условиях, когда основное значение имеет определение ориентации подвижного объекта при малом диапазоне линейных перемещений (дополненная реальность, авиационное целеуказание);

-задаче навигации, т. е. определению линейных координат подвижного объекта при его направленном удалении от начального положения (подземная навигация, инвазивная медицина).

1.2 Методы определения напряженности магнитного поля.

 

1. Аналитические методы расчета

Для областей занятых током применяется интегрирование уравнения Пуассона, а для областей не занятых им — уравнения Лапласа. Они имеют решение лишь в ряде предельных случаев (бесконечная прямая, плоскость и т.п.) или при наличии симметрии. Но даже в этом случае взятие двойного интеграла (в объеме) крайне затруднительно. [5]

 

1. Графические, экспериментальные и смешанные метод

Графические методы основаны на разбиении поля силовыми линиями и линиями равных потенциалов, и дальнейшем вычислении магнитных проводимостей каждого участка. Смешанные методы имеют ряд преимуществ, так как частично используются результаты, например, аналитических или численных расчетов, а потом либо корректируются, либо проводится расчет для каждого участка пространства различными методами. [6]

1. Численные методы

Численные методы обладают наибольшей универсальностью. Они имеют следующие достоинства: простоту алгоритмизации и автоматизации вычислений, возможность рассчитать нелинейные и неоднородные поля, легкость построения графиков, нормируемую (управляемую) точность вычислений. Однако есть и недостатки, к ним можно отнести: невозможность вывести общие соотношения, которые можно применить во всем диапазоне решаемых задач, ограниченный объем вычислений, погрешность, связанную с дискретизацией величин. [7, 8]

1.3 Средства реализации устройства определения ориентации произвольно расположенного прибора.

 

1. Средства определения магнитного поля.

В основе любого микромагнитоэлектронного изделия лежит преобразователь магнитного поля (далее ПМП), основной функцией которого является преобразование магнитного потока в электрический сигнал. ПМП представляет собой магниточувствительный элемент (далее МЧЭ), размещенный на подложке-держателе и снабженный выводами, необходимыми для соединения с электронной схемой усиления и обработки сигнала. [9]

На рисунке 1.1 приведены наиболее распространенные типы преобразователей магнитного поля, используемые в изделиях микромагнитоэлектроники.

 

 

Рисунок 1.1 —  Наиболее распространенные типы преобразователей магнитного поля, используемые в изделиях микромагнитоэлектроники

1.3.1.1 Датчики Холла

Элементы Холла, часто называемые «датчиками Холла», являются самыми распространенными преобразователями магнитного поля. Действие этих элементов основано на эффекте Холла, суть которого заключается в «возникновении поперечной разности потенциалов при прохождении электрического тока в поперечном ему магнитном поле». [9]

Чувствительность большинства элементов Холла лежит в пределах от 0,05 до 10 В/Тл, ток управления – от 1 до 200 мА, нелинейность преобразования обычно составляет от 0,1 до 5,0%, температурный коэффициент чувствительности – от 0,03 до 0,5% на градус Цельсия.

Итак, преобразователи Холла обладают высокой магнитной чувствительностью и разрешающей способностью, большим динамическим диапазоном при хорошей линейности выходной характеристики, широким диапазоном рабочих температур, но при этом стоит отметить значительную величину остаточного напряжения и его нестабильность. [12]

1.3.1.2 Магнитодиоды и магнитотранзисторы

Магнитодиодом (далее МД) называется преобразователь магнитного поля, основанный на магнитодиодном эффекте.

Рисунок 1.7 — К пояснению принципа действия магнитодиода: а – конструкция перехода; б – вольт – амперная характеристика; в – схема включения.

МД представляет собой полупроводниковый прибор с p-n – переходом и невыпрямляющими контактами, между которыми находится область высокоомного полупроводника (рисунок 1.7, а). [13] Типичная вольт-амперная характеристика «торцевого» магнитодиода приведена на рисунке 1.7, б. [13]

Магнитодиоды обладают высокой магнитной чувствительностью, ограниченным динамическим диапазоном и удовлетворительной линейностью. Однако в тоже время они имеют существенный недостаток — значительный ток потребления. [14]

Феррозонды

Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей, и их градиентов. Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот. На рисунке 1.8 схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов. [15]

Рисунок 1.8 — Варианты конструкций феррозондов: а – одноэлементный стержневой; б – дифференциальный с разомкнутым сердечником; в – дифференциальный с замкнутым сердечником.

Диапазон измерения феррозондовых преобразователей типовой конструкции составляет от 50 А/м до 100 А/м (от 0,06 до 0,126 мТл). Плотность магнитного шума в полосе частот до 0,1 Гц для феррозондов со стержневыми сердечниками составляет от 30 до 40 мкА/м) в зависимости от поля возбуждения, уменьшаясь с увеличением последнего. [16]

Феррозонды обладают очень высокой удельной магнитной чувствительностью, сравнительно малым током потребления. Недостатки – ограниченный динамический диапазон при удовлетворительной линейности, ограниченный диапазон рабочих температур.

1.3.1.4 Магниторезисторы

Магниторезисторы – это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля. Магниторезисторы характеризуются такими параметрами, как чувствительность, номинальное сопротивление, рабочий ток, термостабильность и быстродействие, диапазон рабочих температур. [17]

Выделяются две большие группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные». На рисунке 1.6 можно рассмотреть конструкцию «монолитного» магниторезистора.

Рисунок 1.6 — Конструкции «монолитного» магниторезисторов

Итак, магниторезисторы обладают высокой магнитной чувствительностью в сильных магнитных полях, большим динамическим диапазоном и удовлетворительной линейностью в сильных магнитных полях, широким диапазоном рабочих температур. Однако есть и недостатки — значительный ток потребления, нелинейная характеристика в слабых магнитных полях.

1.3.2. Средства определения углов крена и тангажа.

Положение летательного аппарата (далее ЛА) относительно плоскости горизонта определяется углами крена и тангажа. Для измерения углов крена и тангажа на самолетах используются устройства, называемые гировертикалями, основным элементом которых является гироскоп.

1.3.2.1 Гироскоп

Классическим гироскопом принято называть симметричное относительно оси вращения быстровращающееся тело, ось которого имеет возможность изменять свое положение в пространстве. [19]

У гироскопов, которые применяются в технике, свободный поворот оси гироскопа можно обеспечить, закрепив её в рамках (кольцах) 1, 2 так называемого карданового подвеса (Рис. 1.7), позволяющего оси занять любое положение в пространстве.

Рисунок 1.7 Гироскоп в кардановом подвесе: ротор С.

1.3.2.2 Авиагоризонт

Авиагоризонтом называется гировертикаль, которая имеет визуальную индикацию углов крена и тангажа.

Основным элементом авиагоризонта является гироскоп с тремя степенями свободы. Поскольку гироскоп сохраняет положение оси собственного вращения в инерциальном пространстве, в авиагоризонтах ось гироскопа приводится в вертикальное положение по отношению к Земле с помощью физического маятника, который используется для этой цели в то время, когда ЛА не имеет ускорений. В противном случае физический маятник показывает не истинную вертикаль, а направление, образованное равнодействующей от силы тяжести и инерционной силы. [21]

Точность определения углов крена и тангажа ±1°, рабочие углы крена 360°, тангажа ±80°.

1.3.2.3 Малогабаритная гировертикаль (МГВ)

Она используется на летательных аппаратах в качестве датчика крена и тангажа. В гировертикали используется принцип силовой гироскопической стабилизации, заключающийся в том, что вредные моменты по осям карданового подвеса платформы, стабилизируемой по отношению к Земле, компенсируются специальными разгрузочными двигателями, расположенными по этим осям. Разгрузочными двигателями управляют гироскопы, установленные на стабилизированной платформе.

Гиродвигатели вращаются в противоположные стороны, что приводит к компенсации их реактивных моментов при разгоне. Гироскопы установлены на платформе 5, являющейся внутренней рамой карданового подвеса, которая заключена во внешней раме 7. Ось рамы 7 закреплена в подшипниках корпуса и параллельна продольной оси самолета. Вместе с осями кардановой рамы гироскопы 4 и 12 являются трехстепенными. [19]

Рисунок 1.10. Упрощенная кинематическая схема МГВ

Погрешность в выдерживании вертикали с включенной коррекцией на неподвижном основании составляет ±5´, на подвижном ±15´.

1.3.2.4 Датчик угловых скоростей (ДУС)

Для контроля совершения координированных разворотов на самолете используется комбинированный электрический указатель поворота типа ЭУП, который включает в себя датчик скольжения и указатель поворота, построенного на гироскопе с двумя степенями свободы. [19] Угол поворота гироскопа вокруг оси прецессии пропорционален угловой скорοсти.

Рисунок 1.11. Кинематическая схема датчика угловой скорости

В герметичном корпусе 3 ДУСа (рис. 1.11) расположена внутренняя рама 2 двухстепенного гироскопа, выполненная в виде герметичного сосуда. Ось OX— ось прецессии, OZ— ось собственного вращения ротора 1, ось OY— ось измерения угловой скорости. Внутренняя рама представляет собой поплавок, плавающий в жидкости, находящейся между рамой 2 и корпусом 3. Это позволяет существенно разгрузить ось прецессии от моментов трения и повысить чувствительность прибора. Противодействующие пружины 4 служат для уравновешивания гироскопического момента, а потенциометр 5 — для выдачи электрического сигнала, пропорционального измеряемой скорости. Угол поворота оси прецессии ограничен пятью градусами.

Датчик угловой скорости используется в САУ для формирования закона управления стабилизации самолета относительно центра тяжести. [23]

2.Расчет электрической схемы и определение основных характеристик

 

2.1 Разработка и описание структурной схемы устройства

 

Рисунок 2.1. Структурная схема устройства определения ориентации произвольно расположенного объекта.

С выходов акселерометра “Xout” и “Yout” аналоговый сигнал, величина которого пропорциональна углам крена и тангажа, поступает на аналоговые входы микроконтроллера. Микроконтроллер с помощью встроенного 10 битного а.ц.п. оцифровывает сигнал и при помощи соответствующих алгебраических и тригонометрических преобразований, определяет текущий угол наклона акселерометра относительно плоскости Земли. Для компенсации программным методом температурной зависимости дрейфа нуля датчиков магнитного поля и акселерометра в схему введен цифровой датчик температуры. Результаты вычисления всех 3-х угловых координат (азимут, тангаж и крен) объекта, также температура окружающей среды по последовательному порту выводятся непосредственно в систему навигации с помощью интерфейса либо на индикатор.

 

 

2.2 Разработка и описание функциональной схемы

 

Рисунок 2.2 Функциональная схема устройства определения ориентации произвольно расположенного объекта.

Основным элементом для определения азимута является блок магниторезистивных датчиков, включающий в себя двухосный датчик HMC 1052 для измерения напряженности магнитного поля одновременно по осям X и Y и одноосный датчик HMC1052 для измерения напряженности магнитного поля по оси Z.   [24]

Поскольку сигнал на выходе блока магниторезистивных датчиков является дифференциальным и достаточно мал по амплитуде (порядка нескольких милливольт), для его усиления используется модуль дифференциальных усилителей AD8628 для его оцифровки используется 24 битный а.ц.п. AD7739.

В нормальном состоянии управляющий выход микроконтроллера находится в состоянии логической “1”. Для подачи импульса set/reset вывод кратковременно переводится в состояние логического “0”, а потом возвращается в “1”. При автономной работе блока определения ориентации данная процедура проводится каждые 15 с, что также позволяет избавиться от температурного дрейфа показаний датчика.

В качестве датчика углов крена и тангажа объекта использован двухосный акселерометр ADXL203, выполненный на основе технологии микроэлектромеханических систем. С выходов акселерометра “Xout” и “Yout” аналоговый сигнал, величина которого пропорциональна углам крена и тангажа, поступает на аналоговые входы микроконтроллера. Микроконтроллер при помощи встроенного 10 битного а.ц.п. оцифровывает сигнал и с помощью соответствующих алгебраических и тригонометрических преобразований, определяет текущий угол наклона акселерометра относительно плоскости Земли.

Для компенсации программным путем температурной зависимости дрейфа нуля датчиков магнитного поля и акселерометра в схему введен цифровой датчик температуры DS18S20.

Результаты вычисления всех трех угловых координат (азимут, тангаж и крен) объекта, а также температура окружающей среды по последовательному порту выводятся непосредственно в систему навигации с помощью интерфейса RS232, а также USB или на индикатор.

 

2.3 Разработка принципиальной схемы и ее расчет

В соответствии со структурной и функциональной схемами устройства определения ориентации произвольно расположенного объекта разработана принципиальная схема, представленная в графической части работы. В силу своих конструктивных особенностей устройство включает в себя узлы, выполненные как на основе аналоговых, так и цифровых электронных компонентов.

2.3.1 Выбор датчиков

В качестве датчика углов крена и тангажа объекта использован двухосный акселерометр ADXL203, выполненный на основе технологии микроэлектромеханических систем. Данный акселерометр позволяет измерять линейное ускорение по двум взаимно перпендикулярным осям.   Таким образом, измеряя проекцию силы тяжести на оси акселерометра, можно определить углы крена и тангажа объекта относительно плоскости Земли. [25]

ADXL203 – это прецизионные, малопотребляющие, полнофункциональные одноосевой и двухосевой акселерометры с выходным сигналом в виде напряжения, реализованные в одной монолитной ИМС. Они измеряют ускорение в диапазоне полной шкалы ±1.7 g, ±5 g или ±18 g. ADXL203 способны измерять как динамическое (вызванное, например, вибрацией), так и статическое (вызванное, например, гравитацией) ускорение.

Типичный шумовой порог составляет всего 110·10-6 g/√Гц, что позволяет обнаруживать сигналы с ускорением менее 1·10-3 g (отклонение 0.06°) в задачах измерения отклонения при работе в узкой полосе (<60 Гц).

Ширина полосы акселерометра выбирается пользователем при помощи конденсаторов CX и CY, подключаемых к выводам XOUT и YOUT, соответственно. В зависимости от требований конкретного приложение значение ширины полосы может устанавливаться в диапазоне от 0.5 Гц до 2.5 кГц.

ADXL203 выпускаются в 8-контактном герметическом корпусе LCC, имеющем габариты 5 мм × 5 мм × 2 мм.

ADXL203 применяется в системах курсовой устойчивости (VDC) и динамической стабилизации (ESP) автомобиля, в электронном управлении стабилизаторами и тормозами, так же используется для стабилизации/выравнивания платформ, навигации, системах обнаружения и движения и т.д.

В качестве основных элементов для определения азимута является блок магниторезистивных датчиков, включающий в себя двухосный датчик HMC1052 для измерения напряженности магнитного поля одновременно по осям X и Y и одноосный датчик HMC1051Z для измерения напряженности магнитного поля по оси Z. Рисунок 2.1

Рисунок 2.1. Блок магниторезистивных датчиков.

2.3.2 Расчет и выбор дифференциальных усилителей

В основе модуля контроля тока и напряжения лежит двухкаскадный измерительный усилитель на базе ОУ. Он обладает очень высоким входным сопротивлением, очень маленьким смещением постоянного тока, малым дрейфом, малым шумом, очень высоким коэффициентом усиления при разомкнутой обратной связи, очень высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала. Такие усилители применяются, когда требуются большая точность и высокая стабильность схемы.

Первый каскад, состоящий из усилителей D1:1 и D1:2, находящихся на ОУ AD8628, усиливает дифференциальный сигнал, и коэффициент передачи для синфазного напряжения равен 1. Следовательно, дифференциальный сигнал увеличивается на выходах D1:1 и D1:2 без увеличения синфазного сигнала. Второй каскад, выполненный на ОУ D1:3, в дифференциальном включении усиливает дифференциальный сигнал в R16/R10 раз. Такая схема имеет более высокое входное сопротивление и обеспечивает большее усиление по сравнению со схемами на одном ОУ.  Второй и третий модули работают аналогично.

Таблица 2.1 Технические характеристики дифференциального усилителя

Выбираем ОУ AD8628 для DA1 и DA2 работающий на частоте до 300 МГц. Расчет усилительного модуля для магниторезистивного датчика HMC1051Z:

Требуется усилить с помощью дифференциального усилителя данный сигнал для подачи его на АЦП, так как АЦП работает с входным сигналом в диапазоне до 5 В Для усиления сигнала будем использовать измерительный усилитель, представленный на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Принципиальная схема дифференциального усилителя магниторезистивного канала.

Рассчитаем коэффициент усиления сигнала, чтобы обеспечить на выходе напряжение в пределах 5 В.

Полученный коэффициент усиления, должен обеспечиваться двумя каскадами усиления, каждый из которых должен иметь собственный коэффициент усиления, обозначим их K1и K2.

Получим, что

Зададим K1 = 8,5, тогда

Рассчитаем резисторы R1, R2, R7, R8, причем резистор R1 — настроечный, и поэтому в расчете используется примерно половина его номинала. Зададим значения резисторов R7=R8=10 кОм

Из формулы:

Определим значения резисторов R1 и R2.

Зная, что R1+R2=2,7 кОм, выберем R1=1 кОм подстроечный резистор (устанавливается в положение ≈300), а R2=2,4 кОм прецизионный.

Рассчитаем теперь сопротивления второго каскада усиления, принимая R22 = R19 = 10 кОм. При заданном коэффициенте усиления K2 находим R10 и R11:

Из приведенных выше расчетов были выбраны следующие элементы из справочных данных:

R1=1 кОм ±5% типа СП5-2Вб-0,5

R2=2,4 кОм ±10% типа P1-12-0,25

R7, R8=10 кОм ±10% типа P1-12-0,25

R13, R14 =1 кОм ±10% типа P1-12-0,25

R19, R22 =10 кОм ±10% типа P1-12-0,25

Расчет усилительного модуля для магниторезистивного датчика HMC1052(1):

Требуется усилить с помощью дифференциального усилителя данный сигнал для подачи его на АЦП, так как АЦП работает с входным сигналом в диапазоне до 5 В.

Рассчитаем коэффициент усиления сигнала, чтобы обеспечить на выходе напряжение в пределах 5 В.

Полученный коэффициент усиления, должен обеспечиваться двумя каскадами усиления, каждый из которых должен иметь собственный коэффициент усиления, обозначим их K1и K2.

Получим, что

Зададим K1 = 8,5, тогда

Рассчитаем резисторы R3, R4, R9, R10, причем резистор R3 — настроечный, и поэтому в расчете используется примерно половина его номинала.

Зададим значения резисторов R9=R10=10 кОм

Из формулы:

Определим значения резисторов R3 и R4.

Зная, что R3+R4=2,7 кОм, выберем R3=1 кОм подстроечный резистор (устанавливается в положение ≈300), а R4=2,4 кОм прецизионный.

Рассчитаем теперь сопротивления второго каскада усиления, принимая R23 = R20 = 10 кОм. При заданном коэффициенте усиления K2 находим R15 и R16:

Из приведенных выше расчетов были выбраны следующие элементы из справочных данных:

R3=1 кОм ±5% типа СП5-2Вб-0,5

R4=2,4 кОм ±10% типа P1-12-0,25

R9, R10=10 кОм ±10% типа P1-12-0,25

R15,R16 =1 кОм ±10% типа P1-12-0,25

R20, R23 =10 кОм ±10% типа P1-12-0,25

Расчет усилительного модуля для магниторезистивного датчика HMC1052(2):

Требуется усилить с помощью дифференциального усилителя данный сигнал для подачи его на АЦП, так как АЦП работает с входным сигналом в диапазоне до 5 В

Рассчитаем коэффициент усиления сигнала, чтобы обеспечить на выходе напряжение в пределах 5 В.

 

Полученный коэффициент усиления, должен обеспечиваться двумя каскадами усиления, каждый из которых должен иметь собственный коэффициент усиления, обозначим их K1и K2.

Получим, что

Зададим K1 = 8,5, тогда

Рассчитаем резисторы R5, R6, R11, R12, причем резистор R5 — настроечный, и поэтому в расчете используется примерно половина его номинала.

Зададим значения резисторов R11=R12=10 кОм

Из формулы:

Определим значения резисторов R5 и R6.

Зная, что R5+R6=2,7 кОм, выберем R5=1 кОм подстроечный резистор (устанавливается в положение ≈300), а R6=2,4 кОм прецизионный.

Рассчитаем теперь сопротивления второго каскада усиления, принимая R24 = R20 = 10 кОм. При заданном коэффициенте усиления K2 находим R17 и R18:

Из приведенных выше расчетов были выбраны следующие элементы из справочных данных:

R5=1 кОм ±5% типа СП5-2Вб-0,5

R6=2,4 кОм ±10% типа P1-12-0,25

R11, R12=10 кОм ±10% типа P1-12-0,25

R17, R18 =1 кОм ±10% типа P1-12-0,25

R21, R24 =10 кОм ±10% типа P1-12-0,25

 

 

 

2.3.3 Выбор АЦП

При выборе АЦП необходимо знать максимальное количество разрядов выходного кода, зависящее от требуемой погрешности дискретизации. Зададимся погрешностью дискретизации σД=0,025%. Такой погрешности при опорном напряжении 5 В соответствует шаг дискретизации по уровню 0,00125 В. Рассчитаем разрядность АЦП, который может обеспечить такую погрешность:

.

Следовательно, разрядность АЦП n=24.

Выбираем АЦП фирмы Analog Devices AD7739 24-битный АЦП. [25]

Особенности AD7739:

— Высокое разрешение АЦП

— ± 0,0015% нелинейность

— Оптимизирован для быстрого переключения каналов;

— 18-битное разрешение с (21 бит эффективная) при 500 Гц;

— 16-битное разрешение с (19 бита эффективной) в 4 кГц;

— На чипе калибровки системы канала;

— Настраиваемые входы;

— 8 несимметричных или 4 полностью дифференциальный;

— диапазоны входных напряжений +625 МВ, ± 625 мВ, 1,25 V, ± 1.25 В, +2,5 В, ± 2,5 В; +5В

— 3-проводной последовательный интерфейс;

— SPI®, QSPI ™, MICROWIRE ™ и DSP совместимый;

— триггера Шмитта на логических входах;

— работа от одного источника питания;

— 3 В аналоговый питания;

— 3 В цифровой питания;

— пакет: 24 отведениях TSSOP.

AD7739 применяется в приложениях мультиплексирования, в технологическом контроле, в промышленных приборах в ПЛК/ DCSS.

Общее описание.

Высокая точность, высокая пропускная способность аналогового интерфейса. 16-битное разрешение с возможностью достижения общего времени преобразования 250 мкс (4 кГц переключение каналов), что делает его идеально подходящим для мультиплексирования с высоким разрешением. Частично он может быть сконфигурирован с помощью простого цифрового интерфейса, который позволяет пользователям сбалансировать уровень шумов в отношении данной пропускной способности до 15 кГц.

Аналоговая часть имеет восемь аналоговых или четыре полностью дифференцированных входных каналов с однополярным или биполярным питанием 625 мВ. АЦП также поддерживает систему канала калибровки.

Цифровой последовательный интерфейс может быть сконфигурирован для 3-проводных систем и совместим с микроконтроллерами и цифровыми сигнальными процессорами. Температурный диапазон работы -40 ° C до + 105 ° С.

 

2.3.4 Выбор микроконтроллера

В настоящее время, устройства, работающие в режиме реального времени, часто содержат микроконтроллеры как основной элемент схемы.

8-битный микроконтроллер PIC16F1937 с усовершенствованным 8-битным ядром Enhanced Mid-range, выполненный по технологии nanoWatt XLP, что говорит о его сверхмалом энергопотреблении. Микроконтроллер имеет объем флэш-памяти программ до 28 КБайт и совместим по выводам с другими микроконтроллерами PIC16Cxxx и PIC16Fxxx (в корпусах с 28/40 выводами). [26]

Микроконтроллерs PIC16F1937 включают широкий диапазон периферии, включая модуль обслуживания емкостной сенсорной клавиатуры mTouch, драйвер LCD дисплея, различные коммуникационные интерфейсы и протоколы, многоканальный PWM контроллер с независимыми таймерами, цифровой модулятор сигнала. Данный микроконтроллер используется в устройствах бытового назначения, охранных системах, измерительных устройствах, системах мониторинга и управления и в автомобильных системах.

 

Рисунок 2.3. – Структурная схема PIC16F1937.

Благодаря новой архитектуре ядра Enhanced Mid-range, производительность контроллеров увеличилась на 50%, а благодаря наличию 49 инструкций, обеспечивается увеличение эффективности программирования на SI и трансляторе. Работоспособность устройства находится в диапазоне питающих напряжений 1.8 – 5.5 В.

Встроенный драйвер LCD позволяет управлять индикаторами (дисплеями) с количеством сегментов до 184 и предоставляет энергосберегающий режим работы с дисплеем. Микроконтроллеры имеют до 5 каналов PWM с независимыми таймерами для возможности управления различными двигателями и периферией.

Отличительные особенности PIC16F(LF)193X, PIC16F(LF)194X:

-рабочая частота до 32 МГц;

-внутренний высокоточный генератор: 31.25 кГц – 32 МГц (программная настройка);

-объем Flash-памяти программ (с возможностью самопрограммирования): 256 Байт, 512 Байт, 8192 Кбайт;

-возможность внутрисхемного программирования и внутрисхемной отладки;

-16-уровневый аппаратный стек;

-до 35 выводов вход/выход (до 53 для PIC16F(LF)194x);

-функции LCD драйвера (PIC16F(LF)193x до 96 сегментов);

-управление контрастностью,;

-возможность выбора опорного напряжения и тактовой частоты;

-модуль емкостной сенсорной клавиатуры mTouch до 16 каналов или до 14 каналов;

-четыре 8-битных таймера/счетчика с 8-битным предделителем, один 16-битный таймер с расширенными функциями;

-три усовершенствованных модуля SSR с функциями автовыключения и рестарта, PWM регулирование, возможность программирования «мертвого» времени;

-последовательный порт (PIC16F(LF)194X – два последовательных порта): SPI, I2C;

-усовершенствованный UART (EUART): RS232, RS485, LIN интерфейсы;

-два аналоговых компаратора.

Корпус — 44-выводный QFN: PIC16F1934/1937/1939, PIC16LF1934/1937/1939;

 

2.3.5 Выбор транзитной сборки.

При воздействии на магниторезистивный датчик сильного внешнего магнитного поля можно наблюдать эффект остаточной намагниченности, что связано с внутренней структурой пермаллоя, используемого в данных датчиках. Для предотвращения искажений в показаниях необходимо подать импульс set /reset, что обеспечивается с помощью транзисторной сборки IRF7507 Рисунок 2.4.

В пятом поколении IRF7507 используются передовые методы обработки, для достижения крайне низкого сопротивления в кремниевых зона. Это преимущество, в сочетании с быстрой скоростью переключения и повышенной прочности конструкции устройства, делает IRF7507 чрезвычайно эффективным и надежным устройством для использования в широком спектре заявок.

Новый Micro8 пакет, делает Micro8 идеальном устройством для приложений, для печатного монтажа. Низкий профиль (<1.1 мм) Micro8 позволяет легко вписаться в портативную электронику и карты PCMCIA

Рисунок 2.4. – Принципиальная схема транзитной сборки.

 

2.3.6 Выбор датчика температуры.

Для компенсации программным путем температурной зависимости дрейфа нуля датчиков магнитного поля и акселерометра в схему введен цифровой датчик температуры DS18S20 [27].

Цифровой термометр DS18S20 обеспечивает 9-12 битные температурные измерения по шкале Цельсия и имеет сигнальную функцию с верхней и нижней точками переключения, программируемыми пользователем и хранящимися в энергонезависимой памяти (EEPROM).               Микросхема DS18S20 подключается через 1-проводную шину, которая по определению требует только одной линии данных (а также общей) для взаимодействия с центральным процессором. Она имеет рабочий температурный диапазон от -55°C до +125°C и точность ±0.5°C в диапазоне от -10°C до +85°C. Также микросхема DS18S20 может запитываться прямо с линии данных («паразитное питание»), устраняя необходимость во внешнем источнике питания.

Основные параметры приведены в таблице 1.

Таблица 2.2. Основные параметры DS18S20

 

2.3.7 Выбор flash-памяти

В качестве flash-памяти (микросхема DD5) выбираем микросхему 24LC256. Это последовательное ЭСППЗУ (EEPROM), 256 КБ с шиной I2C имеет следующие характеристики: [26]

— напряжение питания 2,5 – 5,5. В;

-максимальная тактовая частота 400 кГц;

— потребление тока:

— в режиме чтения — 3мА при 5,5 В;

— в режиме записи — 400мкА при 5,5 В;

— в режиме ожидания — 100нА при 5,5 В;

— 2-х проводный последовательный интерфейс, совместимый с I2C;

-самосинхронизирующийся цикл записи/авто-стирания;

-работает в режиме страничной записи по 64 байта;

-5мс — максимальная длительность цикла записи;

-аппаратная защита внутренней памяти;

-входные триггеры Шмидта, для подавления шумов;

-1 000 000 гарантированных циклов записи/стирания;

-защита от статики > 4 000 В;

-хранение данных > 200 лет.

 

2.3.8 Выбор индикаторного устройства

Для отображения процесса управления разрабатываемым устройством необходимо индикаторное устройство, в качестве которого выбран алфавитно-цифровой ЖК-модуль WH1602G фирмы Winstar (микросхема DD6). Он имеет следующие характеристики. [28]

Таблица 2.3 Механические характеристики

Таблица 2.4 Электрические параметры

Модуль обладает оптимальными габаритами и позволяет организовать двустрочное меню для управления устройством.

 

2.3.9 Выбор формирователя интерфейса

В качестве формирователя интерфейса DD3 и DD4 выбираем микросхему многоканального приемопередатчика интерфейса RS-232 с питанием +3.3 В в Plastic DIP корпусе с 20 выводами. Диапазон рабочих температур от 0°C до 70°C. [29]

Таблица 2.5 Электрические параметры

 

2.3.10 Разработка блока ручного управления

Блоки ручного управления предназначены для работы в системах управления, которые полностью автоматизированы и нужны для управления различными технологическими процессами. Роль этих блоков – осуществления различного рода переключателей, а так же отображение регулирующих данных.

Для управления работой МЦП оператор передает ему необходимые управляющие команды с помощью кнопок, переключателей, регуляторов блока ручного управления БРУ.

В данном курсовом проекте БРУ представляет собой клавиатуру из 3 кнопок.

Кнопки управления отличаются размерами — бывают нормальные и малогабаритные, отличаются по числу контактов замыкающих и размыкающих, по форме толкателя. Они различаются по роду, величине тока и напряжения, а также по степени зашиты.

Выбраны кнопки БРУ типа PBS18B.

Технические параметры [20]:

Функциональное назначение …………..кнопочный выключатель;

Количество контактных групп …………………………….………1;

Рабочее напряжение, В…………………………….………………50;

Рабочий ток, А…………………………….………………………0,1;

На рисунке 2.5 приведено меню и клавиатура разрабатываемого цифрового измерителя параметров вибраций.

Рисунок 2.5 – Клавиатура разрабатываемого цифрового виброметра

Как видно из рисунка, клавиатура состоит из 3 кнопок, , 1 кнопка – «START», 1 кнопка – «RESET», 1 кнопка – «STOP».

В данном меню, с помощью кнопки «START» прибор приводится в действие. С помощью кнопки «RESET» сбрасываются данные последних замеров, которые фиксируются на ЖКИ индикаторе. Кнопка «STOP» предназначена для экстренного выключения прибора.

На рисунке 2.6 приведена схема БРУ разрабатываемого цифрового измерителя параметров вибраций.

Рисунок 2.6 – БРУ разрабатываемого прибора

Ключи управления SB1 – SB3 (универсальные переключатели) тоже относятся к аппаратам ручного управления и имеют два или более фиксированных положений рукоятки управления и несколько замыкающих и размыкающих контактов.

 

 

2.4 Расчет метрологических характеристик устройства

 

2.4.1 Расчет погрешности операционных усилителей

При изготовлении измерительных приборов, параметры которых лежат в пределах заданных допусков, погрешность нуля (аддитивная погрешность) и чувствительности (мультипликативная) являются величинами случайными и имеют законы распределения, близкие к нормальным. В этом случае наиболее точным является геометрическое суммирование погрешностей, при котором результирующая погрешность средства измерения равна:

.

К аддитивным погрешностям операционных усилителей относится погрешность, вызванная напряжением смещения есм и входными токами операционного усилителя:

,

где — входное сопротивление усилителя.

Для дифференциального усилителя (DA1):

,

Аддитивная погрешность всего каскада усиления на операционных усилителях AD8628

,

Полезным входным сигналом усилителя является дифференциальный сигнал. Поэтому неточность при дифференциальном входном сигнале приводит к мультипликативной погрешности, а неравенство нулю члена, содержащего синфазный входной сигнал – к аддитивной погрешности.
Рассчитываем мультипликативную погрешность:

Дополнительная погрешность обусловлена в основном влиянием изменения температуры окружающей среды. По заданию Δt=20 ºC.

При изменении температуры внешней среды дополнительная погрешность усилителя может быть определена:

.

Для дифференциального усилителя:

,

Дополнительная погрешность операционных усилителей равна:

,

Рассчитаем дополнительную погрешность от резисторов в обратных связях усилителей.

,

где ТКС – температурный коэффициент сопротивления, для С2-29В ТКС=50∙10-6 Ом/ºС

,

,

где т – число однотипных резисторов.

%.

 

2.4.2 Погрешность канала измерения температуры

Термометр уже откалиброван на заводе, гарантированная точность составляет ±0.5°C в диапазоне –10…+85°C и ±2°C во всем диапазоне рабочих температур. Типичная кривая погрешности измерения температуры приведена на рисунке 2.7

 

 

 

Рисунок 2.7 Типичная кривая погрешность термометра DS18S20

 

2.4.3 Погрешность канала измерения акселерометра

Используемый в схеме акселерометр откалиброван на заводе производителя и имеет суммарную погрешность осей X и Y 0.1 С°, данная погрешность является удовлетворительной по условию технического задания.

 

2.4.4 Расчет погрешности квантования по уровню АЦП

Аналоговая величина, которая может иметь бесконечное множество значений, после квантования по уровню в цифровом приборе представляется ограниченным количеством показаний цифрового отсчетно устройства. При этом данное значение измеряемой величины Х представляется одним из ближайших значений N∙∆xк или (N +1) ∙∆xк.

Погрешностью цифрового устройства называется разность между результатом измерения и действительным значением измеряемой величины. В результате квантования по уровню в показаниях возникает погрешность, называемая погрешностью квантования, которая является погрешностью метода измерения и аддитивна по характеру.

Для внешнего АЦП канала магниторезистивных датчиков погрешность порога чувствительности будет равна единице младшего разряда АЦП:

∆xк=В.

Максимальная погрешность будет равна:

В.

Приведенная максимальная погрешность:

.

Для встроенного АЦП в МК канала акселерометра погрешность порога чувствительности будет равна единице младшего разряда АЦП:

∆xк=В.

Максимальная погрешность будет равна:

В.

Приведенная максимальная погрешность:

 

2.4.5 Расчет погрешности устройства

Для средств измерения с аддитивными и мультипликативными погрешностями, у которых границы абсолютной погрешности изменяются практически линейно ∆=±(a+bx), пределы допускаемых погрешностей следует выражать в форме относительной погрешности по двучленной формуле:

,

где – аддитивная погрешность;

– сумма аддитивной и мультипликативной составляющей погрешности.

Для канала магниторезистивных датчиков:

,

%,

%.

Рассчитаем пределы дополнительной погрешности.

Для канала магниторезистивных датчиков:

,

,

Итак, разрабатываемое устройство имеет следующие значения основной суммарной аддитивной и мультипликативной погрешности:

– для канала магниторезистивных датчиков 0,025%.

– для канала измерения температуры ±0,5 С°

– для канала измерения акселерометра ±0,1 °

дополнительной погрешности:

– для канала магниторезистивных датчиков 0,4%,

Таким образом, погрешность устройства не выходит за пределы, определенные в техническом задании.

---

1 2 3