Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

• 1.1 Методы измерения частоты, выбор метода
• 1.1.1 Метод дискретного счета
• 1.2 Электронносчетный частотомер
• 1.3 Оптические датчики
• 1.3.1 Фотодиоды
• 1.4 Погрешность измерений

2. Разработка структурной схемы

• 2.1 Описание структурной схемы

3. Разработка принципиальной схемы

• 3.1 Описание принципиальной схемы
• 3.1.1 Описание схемы фотоприемника
• 3.1.2 Описание схемы оптической развязки
• 3.1.3 Описание схемы микроконтроллера
• 3.1.4 Описание интерфейса
• 3.1.5 Организация вывода на семисегментные индикаторы.
• 3.1.6 Расчет блока питания
• 3.2 Разработка блок схемы алгоритма

4. Техника безопасности

• 4.1 Виды ионизирующих излучений, их физическая природа и особенности распространения
• 4.2 Единицы активности и дозы ионизирующих излучений
• 4.3 Биологическое воздействие ионизирующих излучений
• 4.4 Нормирование ионизирующих излучений
• 4.5 Общие принципы защиты от ионизирующих излучений

5. Экономическое обоснование дипломного проекта

• 5.1 Технико-экономическое обоснование измерителя частоты вращения бортоформирующего оборудования при производстве стекла.
• 5.2 Определение себестоимости измерителя частоты вращения бортоформирующего оборудования.
• 5.2.1 Определение этапов выполнения научно-исследовательской работы и их трудоемкости
• 5.2.2 Определение затрат на основные и вспомогательные материалы
• 5.2.3 Определение затрат на комплектующие и полуфабрикаты
• 5.2.4 Определение транспортно-заготовительных расходов
• 5.2.5 Определение затрат на электроэнергию
• 5.2.6 Определение затрат на оплату труда
• 5.2.7 Определение расходов на социальные нужды
• 5.2.8 Определение общепроизводственных расходов
• 5.2.9 Определение общехозяйственных расходов
• 5.2.10 Определение прочих производственных расходов
• 5.2.11 Производственная себестоимость
• 5.2.12 Определение коммерческих расходов
• 5.2.13 Определение полной себестоимости опытного образца
• 5.3 Определение свободной отпускной цены измерителя частоты вращения бортоформирующего оборудования
• 5.4 Определение годовых эксплутационных расходов
• 5.5 Экономический эффект от применения измерителя частоты вращения бортоформирующего оборудования

Список используемых источников

Приложение 1. Листинг программы.

Приложение 2. Назначение выводов микроконтроллера PIC16F628

Введение

прибор измеритель частота бортоформирующий

Естественное стекло известно человеку с древнейших времён. Наконечники стрел, ножи и т. п., изготовленные первобытным человеком из природного вулканического стекло (обсидиана), были найдены в самых различных местах земного шара.

Возникновение стеклоделия связано, по-видимому, с развитием гончарного производства. Получение стекла сперва было, вероятно, случайным. Примером такой возможности является образование стекла в результате расплавления золы при пожаре зернохранилищ. Производство стекла в Древнем Египте началось около 3000 лет до н. э. Из стекла делались различные украшения, амулеты.

Во времена Птолемеев (4--1 вв. до II. э.) в Египте существовало относительно развитое стекольное производство. Египет оставался центром стеклоделия вплоть до нашей эры; его стеклянные изделия вывозились во многие другие страны. Стеклоделие было развито также в странах Ближнего Востока, в частности в Сирии и Финикии, а также в Причерноморье. Кроме рядовой продукции, здесь изготовлялись богатые уникальные изделия, украшенные эмалью и золотом. С древних времён стекло было известно в Китае, где в 5--3 вв. до н. э. стеклянные изделия появляются уже в довольно большом количестве. Первые письменные свидетельства об изготовлении стекла в Китае относятся к концу 3 в. В источниках 5 в. говорится об умении китайцев изготовлять стекло пяти цветов.

Примерно за 1200 лет до н. э. уже была известна техника прессования стекла в открытых формах. Этим способом изготовлялись вазы, чаши, блюда, кубки, цветные мозаичные украшения. Особенно распространённым было голубое и бирюзовое стекло, окрашенное медью. Зелёное стекло получали окрашиванием медью и железом. Синее стекло появилось в Египте в начале нашей эры.

При некоторых достижениях древнего стеклоделия техника его была примитивна и везде, в том числе в Древнем Египте, на протяжении многих столетий переживала период застоя. Высоких температур получать не умели, плавку стекла вели в небольших глиняных тигельках, стекло получалось не проваренным, часто непрозрачным и в очень малых количествах. Чтобы прикрыть обычно неприглядный вид изделий, изготовленных из такого несовершенного материала, прибегали к красителям и шли по пути подражания природным полудрагоценным камням. Формовка изделий из густой, вязкой раскалённой стекломассы была нелёгкой задачей; она выполнялась простейшими приёмами ручной лепки, для которой использовались плоские камни и примитивные глиняные формы, а при изготовлении изделий в виде небольших сосудов -- деревянные палочки, обмазанные смесью песка и глины, обволакивавшиеся стекломассой. Ассортимент изделий ограничивался мелкими туалетными украшениями: бусами, серьгами, браслетами, застёжками, амулетами, флакончиками для ароматических. веществ и т.п.

Переворот в технологии стеклоделия был вызван на рубеже нашей эры изобретением метода выдувания полых стеклянных изделий. Возможность широкого применения нового метода была обеспечена крупными успехами в технике стекловарения. Тогда стали уверенно получать прозрачное стекло, выплавлять его сразу в значительных количествах, научились изготовлять выдуванием красивые сосуды относительно большого размера и самой разнообразной формы. Выдувательная трубка, это простейшее приспособление, оказалась инструментом, при помощи которого человек с художественным чутьём и даром точной координации движений в результате длительных упражнений достигал высокого совершенства в работе.

Открытие способа выдувания стекла положило начало второму большому периоду развития стеклоделия, продолжавшемуся до конца 19--начала 20 вв. и характеризующемуся на всём своём протяжении единством технологических приёмов, не претерпевших за это время принципиальных изменений. В соответствии с технологией и характер продукции оставался в этот период более или менее постоянным, охватывая всевозможные разновидности полых изделий, главным образом всевозможные сосуды «настольного» масштаба, а также отдельные декоративные изделия -- кубки, вазы, бокалы, блюда, туалетные флаконы, осветительные приборы и т. п. Само собой разумеется, что эта однообразная по типам и назначению продукция с точки зрения стиля, композиции и исполнения отражала характерные особенности развития искусства и народного творчества в отдельных странах в различные эпохи.

Первыми овладели методом выдувания стеклянных изделий мастера Древнего Рима, где на протяжении нескольких веков искусство стеклоделия находилось на большой высоте и где были созданы стеклянные изделия, относящиеся к выдающимся образцам мирового искусства (например, находящаяся в Британском музее Портландская ваза). В 1615 в Англии предлагается способ использования угля в качестве топлива для стекловаренных печей. Это даёт возможность получать при высоких температурах тугоплавкое и термостойкое стекла. В 70-х годах. 17 века в Англии был предложен состав стекла с окисью свинца, что повысило показатель светопреломления. Это стекло, отличающееся блеском и радужной игрой, получило распространение и в других странах.

На Руси новый этап развития стеклоделия начинается с 17 в., когда близ Можайска был построен (1635) шведом Елисеем Коэтом первый в России стекольный завод. В 1668 был построен Измайловский завод под Москвой, в 90-х гг. 17 в.-- завод у Тайпицких ворот в Москве; до 1717 -- Ямбургские заводы. Важнейшую роль в дальнейшем развитии стеклоделия в России сыграл государственный стекольный завод, заложенный Петром I в первые годы 18 века на Воробьевых горах под Москвой и к середине 18 в. вместе с Ямбургскими заводами переведённый в Петербург. Завод этот стал образцом для всех других стекольных предприятий страны, подлинной школой для русских мастеров стекольного дела и лабораторией освоения новой техники.

В СССР развернулось строительство крупных механизированных новых стекольных заводов и реконструкция старых заводов. Накануне Великой Отечественной войны стекольная промышленность выдвинулась по объёму производства на 1-е место в Европе (с 11-го, какое занимала Россия в 1913).

Основы современной технологии стекла.

Технология получения стекла состоит из двух производственных циклов.

Цикл технологии стекломассы включает операции:

а) подготовки сырых материалов;

б) смешивания их в определённых соотношениях, в соответствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту;

в) варки шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы.

Цикл технологии получения стеклянных изделий складывается из операций:

а) доведения стекломассы до температуры (и вязкости), требуемой условиями формования из неё разнообразных стеклянных изделий;

б) формования изделий;

в) постеленного охлаждения изделий до комнатной температуры с целью ликвидации возникающих в процессе формования напряжений;

г) термической, механической или химической (в отдельности либо во взаимном сочетании) обработки отформованных изделий для придания им заданных свойств.

Стекловарение ведётся при температурах порядка 1400°--1600°. В нём .различают три стадии. Первая стадия -- провар, или варка в собственном смысле слова, когда происходит химическое взаимодействие между составными частями шихты и образование вязкой массы. Так как при нагревании из шихты обильно выделяются газы, то в вязкой массе оказывается огромное количество пузырьков. Во второй стадии, называемой очисткой или осветлением, происходит удаление пузырьков, а также растворение еще оставшихся нерастворёнными зёрен песка; в этой стадии стекло выдерживается в печи в течение нескольких часов при наиболее высокой температуре. Третья, заключительная, стадия -- т. и. студка стекломассы, когда она охлаждается до такой температуры (в зависимости от процесса производства и, следовательно, вязкости), при которой становится возможным и наиболее удобным изготовлять из неё те или иные изделия. Варка стекла производится в стекловаренных печах. Выбор того или иного типа печи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабатываемых изделий, размерами производства и прочее. Управление современной стекловаренной печью строго контролируется и в значительной мере автоматизировано. Контроль доведён до высокой степени точности. Автоматически регулируются: давление (тяга) в печи; соотношение газообразного или жидкого топлива и воздуха; количество подаваемого в печь топлива; уровень стекломассы в ванне и другие параметры. Каждый из них влияет на температуру в печи, поэтому, регулируя их в совокупности, можно обеспечить постоянство температурного режима варки стекломассы и, следовательно, надлежащее её качеств.

Разрабатываемый измеритель частоты бортоформирующего оборудования при производстве стекла предназначен для точного измерения расхода листового стекла путем измерения скорости перемещения конвейера. На Гомельском стеклозаводе им. М.В. Ломоносова ранее использовался тахометр, предназначенный для измерения частоты импульсов от электромагнитного датчика. Путем инженерной доработки к тахометру был подключен оптический датчик. Кроме того, для получения истинного значения скорости и расхода стекла необходимо производить дополнительный расчет для каждого коэффициента.

Разрабатываемое устройство лишено указанных выше недостатков, кроме того повышение точности приводит к более точным измерениям расхода примерно на 10%.

1. Аналитический обзор

1.1 Методы измерения частоты, выбор метода

Диапазон используемых частот в радиоэлектронике, автоматике, в экспериментальной физике, технике связи и т. д. простирается от долей герца до десятков гигагерц, т.е. от инфранизких до сверхвысоких частот.

Выбор метода измерения частоты определяется ее диапазоном, необходимой точностью измерения, величиной и формой напряжения измеряемой частоты и другими факторами.

Измерение частоты переменного тока от 20 до 2500 Гц в цепях питания осуществляется с относительно невысокой точностью частотомерами электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем с непосредственным отсчетом частоты по шкале логометрического измерителя.

Частотой колебаний называют число полных колебаний в единицу времени:

f=n/t (1.1.)

где t--время существования п колебаний.

Для гармонических колебаний частота f = 1/T, где Т -- период колебаний.

Единица частоты герц определяется как одно колебание в одну секунду. Частота и время неразрывно связаны между собой, поэтому измерение той или другой величины диктуется удобством эксперимента и требуемой погрешностью измерения. В Международной системе единиц СИ время является одной из семи основных физических величин. Частота электромагнитных колебаний связана с периодом колебания Т и длиной однородной плоской волны в свободном пространстве следующими соотношениями: fT = 1 и f = с, где с--скорость света, равная 299 792,5 ± 0,3 км/с.

Спектр частот электромагнитных колебаний, используемых в радиотехнике, простирается от долей герца до тысяч гигагерц. Этот спектр вначале разделяют на два диапазона -- низких и высоких частот. К низким частотам относят инфра звуковые (ниже 20 Гц), звуковые (20-- 20 000 Гц) и ультразвуковые (20--200 кГц). Высокочастотный диапазон, в свою очередь, разделяют на высокие частоты (20 кГц -- 30 МГц), ультравысокие (30 -- 300 МГц) и сверхвысокие (выше 300 МГц). Верхняя граница сверхвысоких частот непрерывно повышается и в настоящее время достигла 80 ГГц (без учета оптического диапазона). Такое разделение объясняется разными способами получения электрических колебаний и различием их физических свойств, а также особенностями распространения на расстояние. Однако четкой границы между отдельными участками спектра провести невозможно, поэтому такое деление в большой степени условно.

Для измерения низких и высоких частот применяют частотомеры, принцип действия которых основан на методах : мостовом, заряда и разряда конденсатора, сравнения измеряемой частоты с образцовой, резонансной. Наиболее широкополосными и точными являются цифровые частотомеры, построенные по методу дискретного счета.

В данном приборе для измерения частоты используется метод непосредственного подсчета числа импульсов за определенную единицу времени. Этот метод подразумевает наличие генератора сигнала эталонной частоты, как правило используется кварцевый генератор.

1.1.1 Метод дискретного счета

В основу работы электронносчетных или цифровых частотомеров положен метод счета числа импульсов N, поступающих на вход прибора с неизвестным периодом Т_х за калиброванный интервал времени t. Если за время t подсчитано N импульсов, то среднее значение измеряемой частоты _х за время t.

_х =N/t (1.2.)

Если t=1с., то измеренное количество импульсов равно неизвестной частоте _х:

N=_х (1.3.)

На рисунке 1.1. приведена структурная схема цифрового частотомера. Исследуемое напряжение, частота _х которого подлежит измерению, поступает на вход частотомера.

U_х

Рис. 1.1. Структурная схема цифрового частотомера при измерении частоты

Входное устройство В_х У, состоящее из широкополосного усилителя (с полосой пропускания 10 Гц-1МГц) и аттенюатора, усиливает или ослабляет исследуемое напряжение до величины, запускающей формирующее устройство ФУ. Формирующее устройство ФУ преобразует синусоидальное напряжение измеряемой частоты в последовательность прямоугольных импульсов постоянной амплитуды, частота следования которых равна частоте измеряемого синусоидального напряжения (рис.1.2.)



Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Рис.1.2. Временные диаграммы цифрового частотомера

Временной селектор ВС пропускает эти импульсы на электронный счетчик ЭС_ч в течение строго заданного интервала времени t, сформированного генератором меток времени ГНВ. Генератор меток времени ГНВ состоит из кварцевого генератора (частота которого 10 кГц или 1 МГц) и делителя частоты. Чем больше число сосчитанных импульсов, тем выше точность измерения, поэтому после кварцевого генератора включается делитель частоты, на выходах которого образуются частоты в 10, 10², 10³,10⁴,10⁵ раз ниже, чем частота генератора, т.е. 10 кГц, 1 кГц, 10 Гц, 1 Гц. Таким образом, ГМВ открывает временной селектор на время t счета импульсов, равное 10^-4, 10^-3, 10^-2, 10^-1, 1 с. соответственно. Число импульсов N (на выходе селектора за время t), подсчитанное счетчиком, представляет собой измеряемую частоту :

_х =N/t.

ЭС_ч состоит из нескольких последовательно соединенных счетных декад, каждая из которых соответствует определенному порядку частоты _х (единицам, десяткам, сотням герц и т. д.). Результат измерения отсчитывается по цифровому индикатору.

Блок автоматики БА управляет процессом измерения, осуществляет запуск и сброс показаний счетчика, регулирует время индикации в пределах 25 с. При ручном управлении длительность времени индикации не ограничена.

Поскольку при измерении низких частот время измерения для обеспечения необходимой точности получается очень большим, то в цифровых частотомерах от измерения частоты переходят к измерению периода. В этом случае время измерения, в течение которого открыт временной селектор, задается периодом измеряемого сигнала Т_х, а ЭСч подсчитывает количество прошедших за это время импульсов N частоты ₀ кварцевого генератора. Для уменьшения погрешности измерения производится умножение измеряемого периода при помощи делителей в 10, 100 и т.д. раз. Измеряемый период определяется по формуле

Т_х=N/₀=NT₀ (1.4.)

Основная особенность метода дискретного счета, положенного в основу работы цифровых частотомеров, состоит в увеличении погрешности измерения при уменьшении частоты. Поскольку _х =N/t, то погрешность измерения частоты

_х /_х =N/N+(t)/t. (1.5.)

Величина первой составляющей N/N (погрешности дискретности) зависит от соотношения t - «временных ворот» частотомера (времени открытого состояния селектора) и периода исследуемых колебаний Т_х=1/_х. Если t и T_x являются кратными числами, то N=0, если же t и T_x - не кратные числа, то величина N зависит от взаимного расположения t и T_x при максимальном значении N1. Для иллюстрации на рис.1.3. показаны временные диаграммы для случая, когда t и T_x не являются кратными числами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

рис.1.3. Временные диаграммы для случая, когда N=N`-N``=1

Из диаграмм видно, что при одном положении временных ворот t число импульсов, прошедших на счетчик, N`=5, а при другом N``=4 и, следовательно, N=N`-N``=1. Величина второй компоненты погрешности (t)/t определяется нестабильностью частоты кварцевого генератора _кв , задающего временные ворота прибора t :

(t)/t=_кв/_кв=_кв (1.6.)

Итак, _х /_х=N/N+(t)/t=1/N+_кв=1/(_х*t)+ _кв (1.7.)

Если принять t=1с. и учесть, что обычно _кв10^-5, то

(_х /_х)*100=(100/_х+10^-3). (1.8.)

Из (1.8.) следует, что относительная погрешность измерения ничтожна при измерении высоких частот и велика при измерении низких частот.

При измерении высоких частот погрешность обусловлена в основном нестабильностью кварцевого генератора, а при измерении низких частот - погрешностью дискретности.

Для уменьшения погрешности измерения низких частот в цифровых частотомерах увеличивают временные ворота, если измеряемая частота не очень мала; применяют умножители, позволяющие повышать измеряемые частоты в 10ⁿ раз; переходят от измерения частоты исследуемого сигнала к измерению его периода.

Основные преимущества цифровых частотомеров следующие: большой диапазон измеряемых частот; высокая точность измерения; возможность отсчета измеряемой величины в цифровой форме.

Цифровые частотомеры кроме частоты и длительности периодов измеряют отношение, сумму двух частот, длительности импульсов, частоту их исследования.

Цифровые частотомеры выполняют на лампах и транзисторах, работающих в широком диапазоне низких и высоких частот.

1.2 Электронносчетный частотомер

В настоящее время цифровые измерители частоты и интервалов времени составляют наиболее многочисленную группу среди ЦИП. Они удобны в эксплуатации и отличаются высокой точностью. Современные цифровые частотомеры выполняются на полупроводниковых приборах и ИМС, что повысило их надежность по сравнению с первыми ламповыми образцами, уменьшило габариты и потребляемую мощность.

Обычно электронносчетные частотомеры выполняется как универсальные приборы и позволяют помимо частоты измерять период, временной интервал, длительность импульса, подсчет количества импульсов.

1.3 Оптические датчики

Бесконтактное измерение ряда физических величин, как, например, перемещений, вибраций, температуры, и т.д., оказывается возможным лишь с помощью оптических датчиков. При этом информация передается не по кабелю, а световыми волнами, которые могут изменяться по интенсивности, фазе, цвету или геометрическому распределению и пространстве и благодаря этому оказываются пригодными для получения и передачи информации. Чрезвычайно простым оптическим датчиком является, например, известная фотоячейка.

Фотоячейка состоит из источника света (лампы накаливания или светодиода) и приемника (фотодиода или фоторезитора). Нарушение передачи света от источника к приемнику служит информацией о нахождении объекта в фотоячейке. Если число импульсов отнести к единице времени, то, например, при конвейерном производстве можно получить информацию о количестве деталей, изготовленных за один час или за день.

Преобразования оптического сигнала в электрический осуществляется детекторами излучения, использующими различные физические эффекты. Существует три типа детекторов излучения, наиболее часто используемых в оптических датчиках, а именно фотодиоды, фоторезисторы и приемники теплового излучения (ИК-датчики).

1.3.1 Фотодиоды

При облучении кремниевых фотодиодов светом в них возникает напряжение, определенным образом зависящее от силы света. Эффект, вызывающий возникновение этого напряжения, называется внутренним фотоэффектом.

На практике чаще всего применяют pin-диоды. Эти диоды имеют слоистую структуру, в которой тонкие проводящие слои p- и n-типа разделены областью нелегированного высокоомного кремния (i). При попадании на pi-переход световых лучей достаточно высокой энергии возникает фототок I_sh (ток короткого замыкания) порядка 0.1…1 А/Вт. Чувствительность такого фотодиода очень сильно зависит от длины волны (цвета) используемого излучения.

Фототок I_sh изменяется линейно в зависимости от интенсивности падающего света при ее изменении в пределах более 6 порядков, так что возможна прямая индикация интенсивности света.

Для определения разрешающей способности датчика основное значение имеет эквивалентная мощность шума (ЭМШ). Этот параметр определяется как отношение шумового тока к чувствительности к световому потоку при отношении сигнал/шум, равном 1. Поскольку чувствительность к лучевому потоку зависит от длины волны, то это же справедливо и для параметра ЭМШ. Изготовители детекторов излучения чаще всего указывают значение ЭМШ в максимуме кривой чувствительности, причем почти всегда у обычных детекторов излучения оно составляет примерно 10^-15Вт/Гц^1/2.

Преобразование слабых фототоков порядка 10^-8…10^-2 А требует тщательного выбора схем усилителей. Типичная схема для преобразования ток-напряжение показана на рис. 1.4.



Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Рис.1.4. Линейное усиление по току

Преобразование ток-напряжение с обеспечением линейности выходного напряжения осуществляется с помощью резистора R в цепи обратной связи операционного усилителя. Для больших усилений слабых фототоков применяют операционные усилители на полевых транзисторах с высоким входным сопротивлением (10¹¹ Ом) и высокоомные резисторы R.

При обработке сигналов переменного напряжения амплитудно-частотная характеристика схемы определяется емкостью фотоячейки и сопротивлением R.

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Рис.1.5. Эквивалентная схема pin-диода

Эквивалентная схема фотодиода может быть представлена в виде цепи из источника тока (I_L), диода (I_D), емкости (C_J), резистора (шунтирующего сопротивления R_sh с током I`) и последовательно включенного резистора (R_s) (рис.1.5.). Отсюда выходной ток получается равным

I₀=I_L-I_D-I`=I<sub>L</sub>-I<sub>s</sub>*exp((eU<sub>D</sub>/kT)-1)-I`, (1.9.)

где I_s-ток насыщения (фотоячейки),

е - заряд электрона,

k - постоянная Больцмана,

Т - абсолютная температура.

Тогда выходное напряжение U₀ (при I₀=0) получается равным

U₀=(kT/e)*ln(((I_L-I`)/I_s)+1), (1.10.)

а выходной ток короткого замыкания (при R_L=0 и U₀=0)

I_sh=I_L-I_s(expe(I_shR_s/kT)-1)-I_shR_s/R_sh. (1.11.)

Для случая, когда сопротивление R_s очень мало (менее 10 Ом), а сопротивление R_sh очень велико (более 10⁷ Ом), обоими последними членами предложения можно пренебречь, так что получается

I_shI_L (1.12.)

Выпускаемые промышленностью кремниевые pin-диоды отличаются геометрическими формами. При выборе подходящего конструктивного исполнения следует учитывать, что емкость pn-перехода C_j возрастает при увеличении его площади и тем самым оказывает решающее влияние на амплитудно-частотную характеристику всей схемы. Однако, поскольку облученность относится ко всей поверхности, с помощью детекторов большей площади можно достигнуть увеличение входного тока. Поэтому в каждом отдельном случае нужно оптимальное согласование.

1.4 Погрешность измерений

При любых измерениях показания измерительных приборов отличаются от действительных значений искомых величин из-за погрешностей измерений.

Причины появления погрешностей могут быть различными, например несовершенство измерительного прибора, несовершенство метода измерения, влияния условий окружающей среды, индивидуальные свойства экспериментатора.

Погрешности делятся на абсолютные и относительные.

Абсолютная погрешность А измерения равна разности между показанием прибора А₁ и действительным значением А₂ измеряемой величины:

А = А₁ - А₂ (1.13.)

Относительная погрешность выражается в процентах и бывает двух видов:

1) Действительная относительная погрешность, равная отношению абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:

Ад =(А/А₂)*100%. (1.14.)

2) Номинальная относительная погрешность, равная отношению абсолютной погрешности к измеренному значению исследуемой величины, т. е. к показанию прибора:

Ан =(А/А₁)*100%. (1.15.)

Для большинства радиоизмерительных приборов, в отличие от электроизмерительных, деление на классы точности не производится. Допустимые величины относительных и абсолютных погрешностей устанавливаются ГОСТ или техническими условиями. Эти значения приводятся в технической документации на прибор.

2. Разработка структурной схемы

2.1 Описание структурной схемы

Функциональная схема устройства представлена на рис.2.1. Разрабатываемый прибор предназначен для контроля частоты вращения двигателя при подачи стекла по транспортеру. Это производится следующим образом. Излучающий элемент (на рис. 2.1. изображен в виде светодиода) воздействует на фотоприемник через целевую маску, расположенную на валу двигателя транспортера. Далее принятый сигнал прямоугольной формы поступает через оптическую развязку на микропроцессор. Микропроцессор в свою очередь выполняет расчет частоты вращения исходя из исходных данных, полученных от фотодатчика и некоторых констант (коэффициентов пересчета), задаваемых с клавиатуры. Вся необходимая пользователю информация отображается на индикаторе.

Кроме этого в устройстве реализован интерфейс RS-232 (MAX 232) для связи прибора с персональным компьютером, что позволяет формировать системы управления (например, систему управления вращения двигателя транспортера).

Разрабатываемое устройство предполагается использовать в промышленности, поэтому необходимо гальванически разделить цепи измерения и обработки информации. Для этого по информационной цепи сигнал между фотоприемником и микроконтроллером разделен оптически. По шинам питания входные и выходные цепи гальванически разделены в блоке питания - цепи датчика запитываются от стабилизатора СТ2, цепи обработки информации - от цепи стабилизатора СТ1.

3. Разработка принципиальной схемы

3.1 Описание принципиальной схемы

Разрабатываемый измеритель частоты бортоформирующего оборудования при производстве стекла предназначен для точного измерения расхода листового стекла путем измерения скорости перемещения конвейера. На Гомельском стеклозаводе им. М.В. Ломоносова ранее использовался тахометр, предназначенный для измерения частоты импульсов от электромагнитного датчика. Путем инженерной доработки к тахометру был подключен оптический датчик.

Разрабатываемое устройство лишено недостатков по сравнению с аналогом, что приводит к более точным измерениям.

3.1.1 Описание схемы фотоприемника

Излучающий элемент воздействует на фотоприемник через щелевую маску, расположенную на валу двигателя транспортера. Фотоприемник как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне предназначен для преобразования изображения в последовательный видеосигнал. Фотоприемник состоит из оптопары PC 817A, усилителя DA1 и компаратора DA2 - LM358D.

Рис. 3.1. Схема фотоприемника

Рассчитаем токозадающий резистор R1:

Конденсатор C1 примем равным 1 нФ для исключения возникновения генерации по ВЧ, а R2 примем 100 кОМ.

Компараторы занимают промежуточное положение между аналоговыми и цифровыми микросхемами и являются простейшими АЦП. По массовости применения в микроэлектронной аппаратуре и номенклатуре компараторы уступают среди аналоговых микросхем только ОУ. Компараторы можно отнести к специализированным ОУ, в которых нормальным является нелинейный режим работы каскадов. Компараторы предназначены для сравнения входного сигнала с опорным.

Рис.3.2. Принципиальная схема компаратора с ПОС

Рис. 3.3.Переходная характеристика компаратора с ПОС



Примем R3 = 10 кОМ, U_н = 5 В, U_l = 1 В. Следовательно, R4 = 3,3 кОМ.

3.1.2 Описание схемы оптической развязки

Оптопары состоят из полупроводниковых излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь. Кроме того, обеспечивается электрическая изоляция между входом и выходом. Микроэлектронный прибор, содержащий одну или несколько оптопар и выполняющий определенную функцию преобразования, обработки и передачи сигнала называется оптоэлектронной микросхемой. Оптопары применяют в микроэлектронной и электротехнической аппаратуре для электрической развязке при передачи сигналов, в устройствах регулирования и контроля.

Параметры оптопары PC817А:

- P_{вх._max} = 70 мВт;

- I_max.вх. = 1 А;

- I_{вх. раб.} = 50 мА;

- U_обр. = 6 В;

Рис.3.4. Схема оптической развязки

Рассчитаем резисторы R5 и R6.

3.1.3 Описание схемы микроконтроллера

В разрабатываемом устройстве микроконтроллер выполняет расчет частоты вращения исходя из исходных данных, полученных от фотодатчика и некоторых констант, задаваемых с клавиатуры.

18-выводный FLASH микроконтроллер PIC16F628 входит в состав распространенного семейства PICmicro PIC16CXXX. Микроконтроллеры этого семейства имеют 8-разрядную, высокопроизводительную и полностью статическую RISC архитектуру.

PIC16F628 имеет 8-уровневый аппаратный стек и большое количество внутренних и внешних прерываний. В гарвардской архитектуре RISC ядра микроконтроллера разделены 14-разрядная память программ и 8-разрядная память данных. Такой подход позволяет выполнять все инструкции за один машинный цикл, кроме команд ветвления, которые выполняются за два машинных цикла. Ядро микроконтроллеров поддерживает 35 простых в изучении, но очень эффективных инструкций. Дополнительные регистры управления и архитектурные новшества позволяют создавать высокоэффективные устройства.

По сравнению с 8-разрядными микроконтроллерами этого класса, при использовании PIC16F62X выигрыш в эффективности использования памяти программ достигает 2:1, а в производительности 4:1.

В PIC16F628 адресовать память данных можно непосредственно и косвенно. Все регистры специального назначения отображаются в памяти данных, включая счетчик программ. PIC16F628 имеет ортогональную систему команд, что дает возможность выполнить любую операцию с любым регистром памяти данных, используя любой метод адресации. Это облегчает написание программ для микроконтроллера PIC16F628 и снижает общее время разработки устройства.

Микроконтроллер PIC16F628 содержит 8-разрядное АЛУ (арифметико-логическое устройство) с одним рабочим регистром W. АЛУ выполняет арифметические и булевы операции между рабочим регистром и любым регистром памяти данных. Основными операциями АЛУ являются: сложение, вычитание, сдвиг и логические операции. В командах с двумя операндами один операнд всегда рабочий регистр W, а второй операнд регистр памяти данных или константа. В командах с одним операндом используется регистр W или регистр памяти данных.

Используемый в операциях 8-разрядный рабочий регистр W не отображается на памяти данных.

В зависимости от выполненной команды АЛУ может влиять на следующие флаги в регистре STATUS: флаг переноса C, флаг полупереноса DC, флаг нуля Z. Флаги C и DC выполняют роль соответствующих битов заема при выполнении командвычитания SUBLW и SUBWF.

В микроконтроллере PIC16F628 существует два типа памяти данных:

энергонезависимая EEPROM память данных, предусмотрена для хранения калибровочной информации, таблиц или любой другой информации, требующей периодического изменения. Данные не теряются при отключении питания микроконтроллера.

Регулярная память данных (ОЗУ), используется для хранения временной информации во время выполнения программы. Информация будет потерена при выключении питания микроконтроллера.

Специальные особенности микроконтроллеров PIC16F62X позволяют сохранить число внешних компонентов, что в свою очередь снижает стоимость конечного устройства, повышает надежность системы и уменьшает энергопотребление. Дополнительную гибкость в разработках дает широкий выбор режимов работы тактового генератора: ER генератор, наиболее дешевое решение; LP генератор, минимизирует потребляемый ток; XT генератор, для подключения стандартного резонотора; INTRC внутренний RC генератор; HS генератор, для высокоскоростных режимов работы.

Энергосберегающий режим SLEEP, позволяет эффективно использовать микроконтроллеры в устройствах с питанием от батареек или аккумуляторов. Выход из режима SLEEP происходит при возникновении внешних, некоторых внутренних прерываниях и сбросе микроконтроллера. Высоконадежный сторожевой таймер WDT с собственным внутренним RS генератором предотвращает ''зависание'' программы.

В таблице 3.1. сведены основные характеристики микроконтроллера:

Таблица 3.1.

Быстродействие	Максимальная тактовая частота (МГц)	20
Память	Flash память программ	2048
	Память данных (байт)	224
	EEPROM память данных	128
Периферия	Таймеры	TMR0,TMR1,TMR2
	Компараторов	2
	Модулей ССР	1
	Последовательный интерфейс	USART
	Программируемый источник опорного напряжения	Есть
Дополнительные характеристики	Число источников прерываний	10
	Число портов ввода/вывода	16
	Напряжение питания (В)	3,0 - 5,5
	Детектор пониженного напряжения питания	Есть
	Корпус	18-выводный DIP, SOIC 20-выводный SSOP

Микроконтроллер PIC16F628 удовлетворяет ряду параметров для их использования от зарядных устройств до удаленных датчиков с малым потреблением электроэнергии. FLASH технология и большое количество периферийных модулей, совместных с предыдущим микроконтроллером, позволяют быстро и удобно разрабатывать программное обеспечение. Высокая производительность, малая стоимость, легкость в использовании и гибкость портов ввода/вывода- делают PIC16F62X универсальными микроконтроллерами.

3.1.4 Описание интерфейса

Стандартный интерфейс RS-232 был первоначально разработан для сопряжения терминалов или оконечного оборудования данных (ООД) с модемом или аппаратурой передачи данных (АПД). Он был разработан в 1969 году Ассоциацией Электронной Промышленности (EIA - Electronic Industries Association). Отечественный аналог этого стандарта носит название «Стык С2».

Коммуникационный интерфейс предназначен, в первую очередь, для связи удаленных друг от друга на большое расстояние компьютеров через модемы, но их используют и для других целей. Например, для подключения манипулятора «мышь», сканера, графопостроителя.

Ниже в табл.3.2. приведены назначения основных цепей интерфейса RS-232, а также таблица их распределения по контактам разъемов.

Таблица 3.2

Контакт	Сигнал	Направление	Активный уровень
DB-9	DB-25	RS-232	Стык С2
-	1	PG	Цепь 101	-	-
3	2	TxD	Цепь 103	АПД ООД	Низкий
2	3	RxD	Цепь 104	АПД ООД	Низкий
7	4	RTS	Цепь 105	АПД ООД	Высокий
8	5	CTS	Цепь 106	АПД ООД	Высокий
6	6	DSR	Цепь 107	АПД ООД	Высокий
5	7	SG	Цепь 102	-	-
1	8	DCD	Цепь 109	АПД ООД	Высокий
4	20	DTR	Цепь 108.2	АПД ООД	Высокий

PG - Protective Ground - Защитное заземление соединяет между собой корпуса полупроводниковых приборов с целью предотвращения накопления статического заряда. Этот вывод присоединяется к экрану кабеля связного адаптера IBM.

TxD - Transmitted Data - Передаваемые данные; для случая ООД через этот вывод сигнал передается в последовательную линию данных. В АПД данный вывод служит для приема данных.

RxD - Receiver Data - Принимаемые данные; для случая ООД через этот вывод сигнал принимается с последовательной линии. В АПД этот вывод служит для передачи данных.

RTS - Request To Send - Запрос передатчика; возбуждается передатчиком, когда последний должен передать данные по линии. Линия должна сохранять активное состояние до конца передачи.

CTS - Clear To Send - Сброс передатчика; используется приемником для информирования передатчика относительно того, готов ли приемник к приему передаваемых данных.

DSR - Data Set Ready - Готовность модема; задает режим модема. Когда модем включен, этот вывод обычно находится в активном состоянии. В случае модемов с фиксированной коммутацией, которые способны работать в режиме передачи либо речи, либо данных, на выводе устанавливается низкий (активный) уровень при работе в режиме передачи данных и высокий - при передаче речи. В нашем случае этот вывод подключен к аппаратной земле.

SG - Signal Ground - Сигнальное заземление; является заземлением цепей сигнала, передаваемого на вывод TxD.

DCD - Data Carrier Detected - Признак обнаружения несущей сигнала. Этот сигнал используется модемом для информирования передатчика о том, что каналом передачи можно пользоваться, и обычно активизируется в тех случаях, когда уже выдан сигнал «запрос передатчика».

DTR - Data Terminal Ready - Готовность терминала; сигнал от терминала, указывающий, что последний находится в режиме взаимодействия с системой и, следовательно, связь возможна. Если этот сигнал установлен в 1, то связь невозможна.

Для организации интерфейса воспользуюсь специальной микросхемой фирмы MAX.

Рис. 3.5.Внешний вид и внутренняя структура микросхемы MAX232

Одним из достоинств микросхемы MAX232, является наличие только одного вида напряжения питания.

К выводу 13 микросхемы MAX232 подключается сигнал запроса CTS, к восьмому - DTR. Соответственно преобразованные сигналы ТТЛ уровня подаются: на INT1, через логический элемент И-НЕ подводиться сигнал от CTS (ножка 12) на один вход И-НЕ, и от DTR (ножка 9) на второй вход. К ножке 11 подключается вывод TxD микроконтроллера. Соответственно преобразованный в уровень RS232 сигнал с ножки 14 MAX232 подаётся на соответствующий вывод разъёма.

3.1.5 Организация вывода на семисегментные индикаторы

Рис. 3.6. Организация модуля индикации

Знаковый индикатор арсенид- фосфид- галлиевый красного цвета свечения АЛС324Б предназначен для визуальной индикации. Индикатор имеет семь элементов и децимальную точку, излучающие свет при подачи прямого тока. Различные комбинации элементов, обеспечиваемые внешней коммутацией, позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9 и децимальную точку. У индикаторов АЛС324Б. В таблице 3.3. приведены электрические и световые параметры АЛС324Б.

Вывод информации АЛС осуществляется с помощью дешифратора КР1533ИД3.

Таблица 3.3.

Электрические и световые параметры.

Сила тока при прямом токе 20 мА через элемент, не менее: для элемента для децимальной точке	0,15 мкд 0,05 мкд
Постоянное прямое напряжение на каждом элементе или децимальной точке при токе 20 мА, не более	2,5 В
Отношение силы света любых двух элементов индикатора, не более	3
Длина волны в максимуме спектральной характеристике излучения	от 650 до 670 нм
Цвет свечения	красный

3.1.6 Расчет блока питания

Рассчитаем потребляемый схемой ток:

Напряжение	Элемент	Потребляемый ток, мА
+5В	PIC16F628	200
	КР1533ИД3	35
	АЛС324Б	20
	МАХ232	50
	LM358D	30
	КР140УД7	3,2
		338
12В	VO1-VO2	100

Для напряжения +5В будем использовать МС стабилизатора напряжения КР142ЕН5А, а для 12 В - КР142ЕН8Б.

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Рис. 3.7. Схема включения КР142ЕН5А и КР142ЕН8Б.

Фильтрующие электролитические конденсаторы:

С5: К-50-3А-500мкФ-25В

С6: К-50-3А-2.2мкФ-12В

Выберем выпрямитель:

U_обр > 2U_m = 230 = 60 В

I_пр.ср > 338 мA

Выбираем диодный мост КЦ 405 Е:

U_{обр мах}=100В; I_пр.ср=1А

Выбираем трансформатор ТПП 297:

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Рис. 3.8. Условно-графическое обозначение ТПП 297.

Номинальный ток вторичной обмотки - 1,53 А;

Напряжения вторичных обмоток:

11-12, 17-18 - 9,93 В

13-14, 19-20 - 20 В

15-16, 21-22 - 5,05 В.

3.2 Разработка блок схемы алгоритма

Блок схема алгоритма работы программного обеспечения микропроцессора представлена на рис.3.9. После включения микропроцессора программа производит начальные установки:

- установку всех необходимых регистров микропроцессора;

- установка коэффициентов пересчета;

- обнуление промежуточных результатов;

- инициализация таймера;

Далее по программе производится измерение поступающих на вход импульсов шестнадцатиразрядного таймера. Если измеренное число импульсов превышает максимально- допустимое значение, то на индикатор выводится сообщение о максимуме. В ином случае производится зажигание очередного индикатора.



Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Рис.3.9. Блок схема алгоритма работы устройства

Затем следует опрос клавиатуры. Если клавиша нажата, то производится анализ нажатой клавиши. Исходя из результата этого анализа, производятся следующие действия:

- переход к следующему разряду;

- увеличение значения на 1;

- уменьшение значение на 1;

- выход в основной режим работы;

Далее по программе включается подпрограмма задержки, по которой определяется нормальное свечение индикаторов при динамической индикации. И наконец, перед зацикливанием производятся необходимые математические преобразования (пересчет количества импульсов в необходимые нам единицы измерения).

4. Техника безопасности

4.1 Виды ионизирующих излучений, их физическая природа и особенности распространения

К ионизирующим относятся корпускулярные (альфа-, бета-, нейтронные) излучения и электромагнитные (гамма-, рентгеновское) излучения, способные при взаимодействии с веществом создавать в нем заряженные атомы и молекулы - ионы.

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых веществом при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. Их энергия не превышает нескольких МэВ. Чем больше энергия частицы, тем больше полная ионизация, вызываемая ею в веществе. Пробег альфа-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, достигает 8-9 см. в воздухе, а в живой ткани - нескольких десятков микрометров. Обладая сравнительно большой массой, альфа-частицы быстро теряют свою энергию при взаимодействии с веществом, что обусловливает их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию, составляющую в воздухе на 1 см. пути несколько десятков тысяч пар ионов.

Бета-излучение - поток электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде. Энергия бета-частиц не превышает нескольких МэВ. Максимальный пробег в воздухе составляет 1800 см., а в живых тканях --2,5 см. Ионизирующая способность бета-частиц ниже (несколько десятков пар на 1 см. пробега), а проникающая способность выше, чем альфа-частиц, так как они обладают значительно меньшей массой и при одинаковой с альфа-частицами энергией имеют меньший заряд.

Нейтроны преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов; при неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма-квантов. При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов существенно зависит от их энергии и состава атомов вещества, с которым они взаимодействуют.

Гамма-излучение - электромагнитное излучение, испускаемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью и малым ионизирующим действием. Энергия его находится в пределах 0,01-3 МэВ.

Рентгеновское излучение возникает в среде, окружающей источник бета-излучения, в рентгеновских трубках, в ускорителе электронов и т.п. и представляет совокупность тормозного и характеристического излучения, энергия фотонов которых составляет не более 1 МэВ. Тормозное излучение - это фотонное излучение с непрерывным спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных частиц. Характеристическое излучение - это фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атома. Как и гамма-излучение, рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью и малым ионизирующим действием.

4.2 Единицы активности и дозы ионизирующих излучений

Активность А радиоактивного вещества - число спонтанных ядерных превращений dN в этом веществе за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток :

А=dN/dt (4.1.)

Единицей измерения активности является беккерель (Бк). Один Бк равен одному ядерному превращению в секунду.

Для характеристики источника излучения по эффекту ионизации применяют так называемую экспозиционную дозу рентгеновского и гамма-излучения. Экспозиционная доза Х - полный заряд dQ ионов одного знака, возникающих в воздухе в данной точке пространства при полном торможении всех вторичных электронов, которые были образованы фотонами в малом объеме воздуха, деленный на массу воздуха dm в этом объеме :

X=dQ/dm (4.2.)

Единицей измерения экспозиционной зоны - кулон на килограмм.

Мощность экспозиционной дозы W - приращение экспозиционной дозы dX за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток времени :

W=dX/dt (4.3.)

Поглощенная доза Д - средняя энергия, переданная излучением веществу в некотором элементарном объеме, деленное на массу вещества в этом объеме. Грей - единица поглощенной дозы. Рад - специальная единица поглощенной дозы. Величина поглощенной дозы зависит от свойств излучения и поглощающей среды.

В дозиметрической практике на ряду с измерением активности часто сравнивают радиоактивные препараты по их гамма-излучению. Если два препарата при тождественных условиях измерения создают одну и туже мощность экспозиционной дозы, то говорят, что они имеют одинаковый гамма-эквивалент.

В связи с тем, сто одинаковая доза различных видов излучения вызывает в живом организме различное биологическое действие, введено понятие эквивалентная доза. Эквивалентная доза - величина введенная для оценки радиационной опасности хронического облучения излучением произвольного состава, и определяется как произведение поглощенной дозы на средний коэффициент качества излучения в данной точке ткани.

4.3 Биологическое воздействие ионизирующих излучений

Чем больше происходит в веществе актов ионизации под воздействием излучения, тем больше биологический эффект. Биологическое действие излучения зависит от числа образованных пар ионов или от связанной с ним величины - поглощенной энергии.

Ионизация живой ткани приводит к разрыву молекулярных связей и изменению химической структуры различных соединений. Изменение в химическом составе значительного числа молекул приводит к гибели клеток.

Под влиянием излучений в живой ткани происходит расщепление воды на атомарный водород Н и гидроксильную группу ОН, которые, обладая высокой химической активностью, вступают в соединение с другими молекулами ткани и образуют новые химические соединения, не свойственные здоровой ткани. В результате происшедших изменений нормальное течение биологических процессов и обмен веществ нарушаются.

Под влиянием ионизирующих излучений в организме может происходить торможение функций кроветворных органов, нарушение нормальной свертываемости крови и увеличение хрупкости кровеносных сосудов, расстройство деятельности желудочно-кишечного тракта, истощение организма, снижение сопротивляемости организма инфекционным заболеваниям и др.

Необходимо различать внешнее облучение и внутреннее. Под внешним облучением следует понимать такое воздействие излучения на человека, когда источник радиации расположен вне организма и исключена вероятность попадания радиоактивных веществ внутрь организма. При внешнем облучении наиболее опасны бета-, гамма-, рентгеновское и нейтронное облучения. Биологический эффект зависит от дозы облучения, его вида, времени воздействия, размеров облучаемой поверхности, индивидуальной чувствительности организма.