Проектирование цифрового измерителя температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Специальная часть

1. Проработка общих требований к измерителю температуры

1.1 Анализ технического задания

1.2 Проработка конструкции датчика температуры и выбор типа термопары

1.3 Выбор децимального номера изделия по классификатору ЕСКД

2. Проработка структурной схемы

3. Разработка принципиальной схемы и выбор интерфейсов

3.1 Общие принципы разработки принципиальной схемы

3.2 Выбор элементной базы

3.3 Выбор интерфейсов

3.4 Разработка принципиальной электрической схемы

4. Разработка схемы подключения

5. Выработка рекомендаций по конструированию

6. Моделирование функционирования аналоговой части измерителя температуры

7. Разработка алгоритма функционирования микроконтроллера AT89C52

Конструкторско-технологическая часть

1. Проработка конструкторских мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости

2. Проработка конструкции цифрового измерителя температуры

3. Обоснование конструкции печатного узла

4. Расчет параметров печатной платы

5. Проектирование печатной платы

6. Разработка мероприятий по защите компонентов и узлов от воздействия статического электричества на этапе сборки и настройки аппаратуры

7. Выбор и обоснование технологического процесса пайки при сборке печатного узла

Безопасность жизнедеятельности

1. Особенности перехода на бессвинцовую пайку

1.1 Бессвинцовая пайка как новый технологический шаг

1.2 Меры безопасности при проведении пайки

2. Основы электробезопасности при работе с электронными устройствами

2.1 Электрическое напряжение как источник опасности

2.2 Методы и средства обеспечения электробезопасности

Экономическая часть

1. Расчет себестоимости устройства

Общие выводы по проекту

Литература и другие источники

Введение

температура схема пайка

В настоящее время существенным содержанием не только научного, но и инженерного дела является исследование физических процессов, протекающих в радиоэлектронной аппаратуре и в других объектах. Одним из основных классов являются тепловые процессы, исследование которых является важным по многим причинам.

Основной из них является тесная взаимосвязь тепловых и электрических процессов, которая приводит к дрейфу характеристик элементов и изменению их функциональности вместе с изделием, в которое они установлены. Для учета этих процессов используются различные системы моделирования. Собственно сфера исследования использования термических процессов выходит, конечно же, далеко за эти рамки, приводя к существенному разбросу значений температур и других характеристик. К важным практическим приложениям термических процессов следует отнести технологию обработки материалов и другие научно-технологические аспекты, включая контроль систем и установок. Не менее важным является мониторинг отдельных электронных компонентов, подверженных особо сильным тепловым нагрузкам.

Одним из центральных вопросов в области исследования тепловых процессов является измерение температуры. Ввиду широкого разброса задач, в которых оно может потребоваться, возникает острая необходимость в разработке универсальных средств измерения температуры, которые должны обладать широким диапазоном измерений. К настоящему времени разработано большое количество методов и основанных на них устройств, позволяющих измерять температуру. Все методы могут быть подразделены на контактные (классический термометр, термопара и т.п.) и бесконтактные (тепловизорный метод, краски, изменяющие цвет и т.д.).

В разрабатываемом устройстве предполагается использование термопары в качестве составляющей датчика температуры. Поскольку диапазон измеряемых температур по ТЗ составляет до 8000С, то это приводит к невозможности использования ряда других типов съема информации о температуре. Принимая во внимание назначение измерителя температуры, он должен иметь выносной датчик, конструктивно обеспечивающий электробезопасность и другие требуемые эксплуатационные параметры.

Вместе с тем, какие бы методы ни использовались, измеритель температуры как лабораторно-производственный прибор должен отвечать требованиям экономической целесообразности, эргономики и т.д. Разрабатываемый прибор должен быть цифровым, что соответствует современному уровню развития электроники.

Из изложенного вытекает актуальность разработки проекта измерителя температур, позволяющего работать в широких пределах их значений. Дипломное проектирование посвящено проработке схемотехнических и конструкторских решений для цифрового измерителя температуры до 800 0С.

Важно отметить, что данное устройство разрабатывается не на основе какого-либо прототипа, а с использованием оригинальных схемотехнических и конструкторских решений.

Специальная часть

1. Проработка общих требований к измерителю температуры

1.1 Анализ технического задания

Техническое задание (ТЗ) предполагает создание проекта самостоятельного, конструктивно и функционально законченного устройства, выпуск комплекта чертежей и, в общем случае, другой документации.

Исходя из условий ТЗ, сделаем предварительные заключения о том, какими свойствами должно обладать проектируемое устройство, его схема и компоненты.

Измеритель, согласно ТЗ, должен обеспечивать измерение температур в интервале от 0 до 800 0С. Это приводит к необходимости использовать в качестве датчика температуры термопару из материалов с соответствующей тепловой стойкостью, другие методы представляются более сложными в реализации. Поскольку по напряжению на термопаре можно установить только разность температур, то абсолютная температура одного из спаев должна быть также измерена для определения окончательного результата.

С учетом п.1 можно утверждать, что датчик температуры будет составным, абсолютная температура должна измеряться на холодном спае.

Сигнал в форме напряжения, идущего с термопары, какой бы обработке он далее ни подвергался, должен усиливаться, поскольку природа термоэлектродвижущей силы не позволяет получить напряжение достаточного уровня с использованием всего двух спаев. Поскольку напряжение на термопаре несет непосредственную информацию о том, какова разность температур меду спаями, то усиление не должно приводить к существенным его искажениям и быть максимально линейным.

Необходимо учитывать, что возможна ситуация, когда температура горячего спая будет ниже, чем у холодного. Это возможно при прогреве изделия, поскольку объем воздуха, находящийся в корпусе, будет прогреваться энергией, выделяемой установленными в нем электрорадиоэлементами. Кроме того, через цепь термопары не должно течь никаких посторонних токов.

Исходя из пп. 3 и 4, в качестве активных элементов каскадов аналоговой обработки сигнала с датчика можно выбрать операционные усилители. Требования к характеристикам операционных усилителей должны быть проработаны с учетом необходимой точности измерения температуры, а также других факторов.

При проработке конструкции выносного датчика температуры, содержащего горячий спай, необходимо учитывать требования по электробезопасности, т.е. датчик должен иметь такую конструкцию, чтобы оператор не подвергался опасности поражения электрическим током, и была исключена возможность короткого замыкания при измерении температуры, например, элементов в радиоэлектронных средствах.

Конструкция выносного датчика тока должна предусматривать замену элементов, соприкасающихся с объектом, температура которого измеряется.

Потребность в выводе значения измеряемого тока на семисегментные индикаторы, в вычислении температуры, выводе её на внешне устройство по интерфейсу RS-232, работа с датчиком абсолютной температуры приводит к тому, что для реализации этих функций необходимо обрабатывать сигналы в цифровом виде. Для оцифровки сигнала, прошедшего первичную обработку, необходимо ввести в цепь АЦП с соответсвующией разрядностью. Кроме того, такой АЦП должен работать как с положительными, так и отрицательными сигналами. Уровень сигналов измеряется относительно аналогового общего вывода АЦП. В соответствии с требованием по частоте обновления информации о температуре количество выборок должно быть не менее двух в секунду.

В целях компенсации температурного дрейфа характеристик элементов, входящих в состав каскада первичной обработки сигналов с термопары, необходимо использовать соответствующее схемотехническое решение. Датчик абсолютной температуры холодного спая термопары целесообразно использовать в интегральном исполнении.

Для обработки данных, поступающих от аналоговой части измерителя и с цифрового датчика температуры необходимо использовать микроконтроллер, алгоритм функционирования которого должен быть составлен соответствующим образом. Это отдельная задача. В рамках дипломного проектирования задача программирования контроллера не ставится и рассматриваться не будет.

В соответствии с требованиями ТЗ время готовности устройства к работе после включения с учетом прогрева и выхода на рабочий режим всех его элементов должно быть не более 90 с. Это подразумевает блокировку измерения температуры в течение всего времени прогрева с выводом соответствующей информации на индикатор.

Т.к. проектируемое устройство является самостоятельной, конструктивно и функционально законченной единицей, то его сборка предполагается в отдельном корпусе, в котором смонтированы все элементы, за исключением горячего спая термопары, который должен выступать в качестве выносного датчика.

1.2 Проработка конструкции датчика температуры и выбор типа термопары

Выше отмечалось, что в качестве основного датчика температуры предполагается использовать выносной спай термопары. Однако сама природа термоэдс такова, что она обусловлена разницей температур между спаями разнородных металлов или сплавов. Поэтому термопара будет характеризовать разницу температур спаев. Это, как отмечалось выше, обуславливает необходимость использования дополнительного датчика абсолютной температуры.

Поскольку датчик температуры, использование которого предполагается в измерителе, является составным, то необходимо предложить и рассмотреть обе его части -- стационарную и выносную.

а)

б)

Рис. 1.1. Датчик температуры: а) выносная часть; б) стационарная часть

Выносная часть датчика температуры должна содержать горячий спай и проводники для связи с остальной частью устройства, и отвечать выявленным выше требованиям. Предлагаемая конструкция выносной части датчика в разрезе изображена на рис. 1.1а.

Основой конструкции является керамическая база, имеющая полость для укладки медных проводников (на рисунке эта полость не показана) и осуществления монтажа. Спай двух разнородных проводников крепится на керамическом держателе, который по форме является телом вращения. На его поверхности должны быть сделаны долы (не показаны на рисунке) для укладки проводников, образующих спай. Долы должны проходить через резьбу и заканчиваться на основании керамического держателя.

Для удобства работы оператора и обеспечения его безопасности в конструкции предусмотрена ручка из полимерного материала, имеющая полость для прокладки медных проводников. Керамический держатель со спаем должен накрываться защитным сменным кожухом, который представляется рациональным также выполнить из керамики. Керамический держатель и защитный кожух сочленяются с базой посредством резьбового соединения. Ручка присоединяется к керамической базе с помощью клеевого соединения. Толщина защитного керамического кожуха должна быть таковой, чтобы обеспечивались необходимая интенсивность нагрева спая (она ограничивается максимальным временем одного измерения -- 30 с по ТЗ) и механическая прочность.

Сборка выносной части датчика температуры осуществляется следующим образом. На керамический держатель устанавливается спай из двух разнородных металлов или сплавов, проводники которого укладываются в долы на керамическом держателе. Затем последний вкручивается в базу конструкции. Далее к выводам спая привариваются медные проводники двухжильного экранированного кабеля, предварительно пропущенные через полость в базе и отверстие в ручке выносного датчика. Затем база плотно соединяется с керамическим держателем при помощи резьбового соединения.

Затем керамическая база скрепляется с ручкой при помощи клеевого соединения. Во избежание повреждения проводов кабеля о край ручки на их надевают кембрик, вставляемый в ручку на некоторую глубину. Для того, чтобы провода не были вырваны из корпуса выносной части датчика, необходимо обеспечить их фиксацию в ручке, что можно сделать при помощи клиновидного пластикового кольца (на рис.1.1а не показано).

Для улучшения обмена тепловой энергией между спаем и внешним кожухом необходимо воспользоваться диэлектрической теплопроводящей пастой, которая наносится на головку керамического держателя перед помещением его в защитный кожух. Последний является съемный и может меняться в ходе работы при загрязнениях или металлизации поверхности. На защитном кожухе в области резьбового соединения можно нанести метки термокраской для того, чтобы при измерениях больших температур имелись признаки, указывающие на возможность получения термических травм.

На рис. 1.1б изображена стационарная часть датчика, сочетающая интегральный датчик температуры и аналогичный спай. Поскольку непосредственное механическое соединение датчика со спаем затруднительно, то предпочтительно использовать медную пластину, на которую они будут установлены с разных её сторон. Это позволит также повысить тепловую инерцию и стабильность результатов измерения температуры. При сборке спай приклеивают непроводящим клеем к медной пластине, покрытой слоем эмали либо окисной пленкой. Микросхему крепят с обратной стороны при помощи непроводящего клея. К проводникам спая приваривают медные провода (можно использовать МГТФ сечением 0,075 мм2 ) для подключения спая к остальной части схемы. Саму конструкцию устанавливают внутри корпуса измерителя температуры. Точки приварки медных проводов к проводникам спая заливают клеем во избежание отрыва.

Центральным вопросом при разработке датчика тока является выбор термопары. В настоящее время основополагающим документом при выборе термопар для проведения измерений является стандарт МЭК 60584-1, 2 и ГОСТ Р 8.585-2001. Согласной приводимой там классификации, наиболее подходящими являются термопары типа R, работающие при температуре от -50 до +1700 0С, и дающие погрешность ± 1 0С, что соответствует требованиям технического задания. Спаи этих термопар состоят из сплава платины с родием и платины. Термоэдс для данного типа материалов составляет порядка 10 мкВ/К, что приводит к необходимости существенного усиления сигналов, формируемых термопарой.

В соответствии с физикой явления Зеебека, спаи необходимо включать встречно. Платинородиевый сплав будет обладать положительным потенциалом. Достоинствами используемого типа термопар является их высокая стойкость к химическим воздействиям, стабильность параметров в интервале рабочих температур; недостатком является высокая стоимость. Стоимость каждого спая составляет около 1600 р. по ценам на март 2013 г.

1.3 Выбор децимального номера изделия по классификатору ЕСКД

Классификатор ЕСКД создан в качестве основы единой обезличенной классификационной системы обозначения изделий и конструкторских документов машиностроения и приборостроения основного и вспомогательного производства, установленной ГОСТ 2.201-80 [1]. Классификатор ЕСКД является составной частью Единой системы классификации и кодирования технико-экономической информации, и поэтому функционирует одновременно и совместно с другими стандартами [5].

Классификатор ЕСКД устанавливает систему классификации всех устройств, деталей и т.д., которые выпускаются отечественной промышленностью. Согласно классификации, номер, присваиваемый изделию, состоит из шести цифр. В него входят номера класса, подкласса, группы, подгруппы, вида. Номер класса -- двухзначный, он определяет большую совокупность изделий по функциональному признаку. Отметим, что в ходе уточнения классификационных признаков изделия номера могут меняться, однако это обычно случается редко.

Не рассматривая сам процесс выбора децимального номера, отметим, что по функциональному назначению проектируемое устройство относится к средствам измерения физических величин, более глубокая классификация не представляет интереса.

Проектируемое устройство имеет номер 461556. Полный децимальный номер (шифр): МИЭМ.461556.001. Этот номер будет использован ниже при составлении чертежей.

2. Проработка структурной схемы

В предыдущем разделе было отмечено, что при обработке сигнала, поступающего с датчика температуры, он должен быть переведен в цифровую форму. При этом сигнал, содержащий информацию о разности температур спаев и вырабатываемый термопарой, должен пройти первичное усиление, что предполагает наличие подстраиваемого усилительного каскада с оговоренными выше свойствами.

Необходимость использования АЦП обуславливает применение в устройстве по сути двух независимых источников питания. Аналоговая и цифровая земли не должны иметь гальванической связи, что является одним из основополагающих принципов построения аналого-цифровых устройств.

Для построения структурной схемы устройства необходимо определиться с ее основными составляющими. Их будем выделять по функциональному признаку. Однако первоначально необходимо разрешить два важнейших вопроса.

Первый вопрос заключается в выборе способа вычисления абсолютного значения температуры горячего спая. Здесь возможны два варианта: либо вычисление осуществляется в аналоговой части, либо в цифровой. Поскольку микросхема-измеритель температуры в большинстве случаев имеет цифровой выход, то для реализации расчета в аналоговой части придется осуществить некоторое преобразование поступающих с неё данных. В этом случае рациональнее использовать микроконтроллер, который будет осуществлять такое преобразование. Затем аналоговой сигнал должен быть оцифрован, обработан микроконтроллером, выдан на узел индикации и по RS-232. Из приведенного описания следует, что:

-- реализация таких преобразований будет связана с дополнительными погрешностями, поскольку на формирование конечного аналогового сигнала, подлежащего оцифровке, существенное влияние оказывает дрейф питающих напряжений и температурные погрешности в микросхемах аналоговой части;

-- при такой реализации не может быть обеспечена высокая точность измерений, и АЦП высокой разрядности использовать нерационально;

-- создается дополнительная вычислительная загрузка контроллера, что также является негативным фактором.

Таким образом, рассмотренный вариант для практической реализации не подходит. Поэтому можно предложить рассчитывать температуру при помощи микроконтроллера. В этом случае информационные сигналы с интегрального датчика температуры поступают в микроконтроллер. Данные о разности температур спаев термопары несет напряжение, поступающее с термопары. Оно предварительно усиливается в подстраиваемом усилительном каскаде. Поскольку оно может быть как больше, так и меньше нуля, то последний должен быть построен на основе операционных усилителей. Далее усиленное напряжение подвергается оцифровке с использованием АЦП, сигнал с которого подается на микроконтроллер. Такая реализация представляется более приемлемой, поэтому примем в качестве окончательного этот вариант.

Второй вопрос заключается в том, каким образом осуществлять вывод информации на семисегментные индикаторы. Как бы они ни подключались к контролеру, было бы крайне не рационально задействовать его для постоянного поддержания заданной информации на индикаторах. Кроме того, контроллер должен обрабатывать выборки, поступающие с АЦП. Поэтому необходимо использовать такой метод индикации, при котором в статическом состоянии контроллер не задействован. Такой метод может быть реализован в случае, если в состав проектируемого устройства будет введен модуль регистров.

Рассмотрим принцип функционирования измерителя, отраженный на его структурной схеме. Входной сигнал, формируемый термопарой, поступает на вход усилительного каскада, который обеспечивает необходимое первичное усиление. Здесь же должна быть предусмотрена возможность подстройки коэффициента усиления. Предварительно можно говорить о том, что в усилителе должно быть два каскада, поскольку использование одного каскада с большим коэффициентом усиления снижает стабильность его работы [2].

С учетом того, что напряжение, подаваемое на вход усилителя, может быть как положительным, так и отрицательным, питание каскада должно быть двухполярным, что предполагает использование соответствующего блока питания. В силу назначения прибора и требуемой точности измерения в усилительном каскаде должны быть предприняты меры по стабилизации рабочих точек активных элементов.

Далее, после усиления, сигнал должен подаваться на АЦП. Разрядность АЦП можно определить следующим образом. Современные АЦП позволяют оцифровывать двухполярные сигналы при однополярном их питании. Основным условием является то, чтобы модуль напряжения на входе АЦП не превысил напряжения питания.

Обычно вся цифровая часть устройств питается однополярным напряжением, например, +5 В. В нашем случае основой для выбора питающего напряжения является напряжение питания микроконтроллера. Будем ориентироваться на микроконтроллер AT89C52 фирмы Atmel. Его номинальное напряжение питания составляет + 5 В. Вся элементная база должна отвечать требованиям совпадения логических уровней, иначе правильное функционирование цифровой части устройства станет невозможным.

Итак, предположим, что на выходе аналогового усилительного каскада напряжение лежит в интервале -5…+5 В при максимальной разности температур, при которой должна еще обеспечиваться термостойкость датчика (1000 0С). Тогда на интервалы 0+5 В и 0…-5 В для обеспечения заданной точности ± 1 0С должно приходиться не менее 1000 квантованных уровней (по числу градусов в измеряемой температуре в предельном случае), но лучше, как показывает практика, использовать 2000 уровней, что способствует более точному измерению. Всего, таким образом, с учетом двухполярности АЦП необходимо не менее 4000 квантованных уровней. Это соответствует 12-разрядному АЦП (212 = 4096). Наименьшее двенадцатиразрядное двоичное число соответствует при этом напряжению -5 В.

Таким образом, с выхода АЦП оцифрованный сигнал в виде 12-разрядного двоичного кода поступает на вход микроконтроллера AT89C52, который одновременно управляет процессом оцифровки. Микроконтроллер должен также управлять и цифровым датчиком температуры, измеряющим её для холодного спая. Протокол передачи данных и управления для него будет уточнен ниже после выбора элементной базы. Он определяется типом интегрального термодатчика.

Для индикации информации должен быть использован трехразрядный семисегментный индикатор (либо три одноразрядных). На структурной схеме он изображен в виде модуля индикации, управляемого блоком регистров. Тип индикаторов и алгоритм индикации определяется маркой регистров, т.к. в зависимости от неё в разных логических состояниях выходы регистров имеют разную нагрузочную способность.

Кроме того, согласно ТЗ, должен быть обеспечен интерфейс RS-232 с внешними устройствами для выдачи информации о текущем значении температуры. Для этого необходимо использовать интерфейсный модуль на основе преобразователя уровня. Это связано с тем, что интерфейс RS-232 имеет другие уровни логической единицы и логического нуля в сравнении с уровнями микроконтроллера AT89C52.

Из вышеизложенного следует, что структурная схема измерителя может иметь вид, изображенный на чертеже МИЭМ.461556.001 Э1 «Цифровой измеритель температуры. Схема электрическая структурная». Этот чертеж является приложением к пояснительной записке дипломного проекта.

Структурная схема выполнена согласно ГОСТ 2.702-75, обозначение схемы соответствует ГОСТ 2.701-84. Стрелками на схеме показано направление передачи данных и сигналов, изображения элементов, относящихся к принципиальной электрической схеме, выполнено в соответствии с требованиями ЕСКД.

Обратим внимание на следующий факт. На структурной схеме показано заземление только в цифровой части измерителя. Это ещё раз подчеркивает необходимость использования раздельной земли для цифровой и аналоговой части изделия.

3. Разработка принципиальной схемы и выбор интерфейсов

3.1 Общие принципы разработки принципиальной схемы

Принципиальную электрическую схему цифрового измерителя температуры будем разрабатывать на основе изложенных выше соображений, относящихся к проработке структурной схемы. Основные принципы разработки принципиальной схемы в нашем случае можно свести к следующим.

Электрическая принципиальная схема строится на базе структурной схемы и рассмотренной выше последовательности преобразования сигналов [3, 4].

Электрическая принципиальная схема строится по модульному принципу.

При разработке электрической схемы используются стандартные схемы подключения, рекомендуемые в справочных материалах на основные элементы.

Выбор интерфейсов осуществляется до проектирования принципиальной схемы. Особенности интерфейсов учитываются при разработке схемотехнических решений.

Принципиальная электрическая схема является основой для разработки схемы подключения проектируемого устройства.

3.2 Выбор элементной базы

Выбор элементной базы -- один из важнейших этапов разработки принципиальной электрической схемы. Он осуществляется до составления принципиальной электрической схемы и с учетом требований, выявленных выше в процессе проработки общих вопросов проектирования. Поскольку принципы выбора пассивных компонентов обычно тривиальны, ниже обоснуем выбор только интегральных элементов.

Заметим, что все элементы в будущем предполагается устанавливать на печатной плате с шагом сетки 2,5 мм. Все выбранные ниже микросхемы имеют КМОП логические уровни.

Выбор термодатчика. В настоящее время существует большое количество цифровых термодатчиков. Обычно они выдают информацию о температуре в виде последовательного цифрового кода. Погрешность измерения температуры обычно не превышает
0,5 0С. Очевидно, термодатчик должен иметь такое же напряжение питания и логических уровней, как и остальные элементы цифровой части измерителя. Следует иметь также ввиду, что термодатчик не должен иметь много выводов управления и ввода/вывода информации, т.к. микроконтроллер имеет небольшое количество управляющих выводов.

Будем ориентироваться на цифровой датчик DS1621 фирмы Dallas Semiconductor. Он удовлетворяет приведенным выше требованиям, и имеет два вывода управления и передачи информации. Информация о температуре выдается в микроконтроллер в формате протокола I2C (см. ниже). Условное обозначение датчика показано на рис.1.2. Напряжение питания датчика равно 5 В.



SDA -- вывод последовательного приема-передачи данных;

SCL -- вывод тактирования;

GND, VDD -- общий и питание;

А0…А2 -- адресные выводы;

TOUT -- вывод термостатирования

Рис.1.2. Термодатчик DS1621

Выбор микроконтроллера осуществлен на основании проведенного выше анализа, а также приведенных ниже соображений. Заметим, что мы изначально ориентировались на микроконтроллер AT89C52 фирмы Atmel.

Подсчитаем необходимое для управления всеми элементами схемы (см. ниже, на чертеже МИЭМ.461556.001 Э3) количество программируемых выводов. Для управления блоком индикации (модулем регистров и модулем индикации) необходимо 11 выводов, для управления АЦП при последовательной передаче данных на микроконтроллер требуется 15 выводов (12 информационных и 3 управляющих; см. там же); для работы с термодатчиком требуется 2 программируемых вывода, для обеспечения внешнего интерфейса RS-232 необходимо 2 программируемых вывода. Итого необходимо 30 программируемых выводов. Два других можно использовать для некоторого расширения функциональных возможностей цифрового измерителя. При построении принципиальной электрической схемы следует помнить, что выводы Р0.* имеют открытый коллектор, и их следует подключать через резистор на шину питания.

Назначение выводов:

VCC, GND -- питание, земля;

P*.* -- программируемые порты ввода-вывода;

XT1, XT2 -- выводы для подключения кварцевого резонатора, задающего скорость работы и временные соотношения; RST -- сброс микроконтроллера; ALE, PSEN, EA -- задействуются при работе с внешней памятью, их мы использовать не будем.

Номинальная частота кварцевого генератора, при которой обеспечивается стабильность работы микроконтроллера, составляет 24 МГц. Это соответствует 2 млн. элементарным машинным операциям, что с избытком достаточно для обеспечения всех требуемых функций устройства.

Выбор АЦП. АЦП должно обеспечивать не менее двух выборок в секунду и иметь 12 разрядов, быть двухполярным по входному напряжению и иметь встроенный источник опорного напряжения. Последнее обусловлено требованием по высокой стабильности процесса оцифровки и нежелательностью использования внешних источников опорного напряжения. Значения основных характеристик АЦП были обоснованы выше. В качестве АЦП можно выбрать микросхему фирмы Analog Devices марки AD7892.

Рис.1.3. Микроконтроллер AT89C52

Это АЦП имеет параллельный выход, обеспечивает до 500 тыс. выборок в секунду, может оцифровывать положительные и отрицательные напряжения в интервале от -5 до +5 В и имеет встроенный источник опорного напряжения. УГО АЦП AD7892 показано на рис.1.4.

Рис.1.4. АЦП AD7892

Назначение выводов:

DB0…DB11 -- выходы для передачи цифровой информации в параллельном коде; VIN1, VIN2 -- аналоговые входы; STANBY -- вход, напряжение на котором определяет режим работы АЦП (нормальный или энергосберегающий, «спящий»); REF -- вход внешнего опорного напряжения (к нему подключается внешний источник опорного напряжения, если он используется); AGND -- аналоговая земля; MODE -- определяет режим передачи данных (последовательный или параллельный); DGND -- цифровая земля; VDD -- питание; CS -- выбор микросхемы; RD, EOC, CONVST -- выводы, при помощи которых осуществляется управление циклами оцифровки.

Рис.1.5. Регистр КР1133ИР23

Выбор регистров. Регистры используются в блоке индикации для обеспечения отображения значения измеряемого тока в паузах между сменой индицируемых значений. К регистрам предъявляются требования по нагрузочной способности. Симисегментные индикаторы потребляют в нормальном режиме 20 мА на сегмент. Будем использовать индикаторы с общим анодом. Поэтому данное значение токовой нагрузки должно обеспечиваться регистрами в режиме логического нуля. С учетом подразумеваемого требования ориентации на отечественную элементную базу выберем отечествен ные регистры КР1133ИР23. Они обладают нагрузочной способностью 30 мА на выход в режиме логического нуля. УГО для микросхемы КР1133ИР23 показано на рис.1.5. Парами чисел «0 - 0»…«7 - 7» обозначены входы (слева) и выходы (справа) регистра. VCC, GND -- выводы питания и земли; С -- динамический вход разрешения записи; EZ -- вывод активации регистра.

Смена напряжений на выходах регистра происходит в соответствии с уровнями, установленными на его входах, когда на вход С приходит фронт. Переключения по спаду не происходит. Регистр имеет напряжение питания +5 В.

Рис.1.6. ОУ ICL 7650

Выбор операционных усилителей для аналоговой части измерителя. Операционные усилители играют исключительно важную роль в проектируемом изделии. От того, на сколько точно и качественно они будут выполнять свои функции, зависит точность измерения температуры. Поэтому в измерителе необходимо применять прецизионные усилители с периодической компенсацией нуля. Отечественная промышленность не выпускает таких операционных усилителей, в связи с чем мы выберем ОУ ICL 7650 фирмы INTERSIL. Он имеет частоту единичного усиления
f1 = 2 МГц, коэффициент усиления на постоянном токе
К = 5 млн., входной ток 100 пА. Выходное напряжение лежит в интервале ± 4,8 В при напряжении питания ± 5…± 16 В. Этот ОУ обладает периодической компенсацией нуля и температурного дрейфа. Внешний вид УГО показан на рис.1.6.

Выводы C1, CR, C2 используются для подключения фазокорректирующих конденсаторов емкостью 0,1 мкФ (согласно справочным данным).

Преобразователь уровней. Он используется для сопряжения логических уровней, используемых в проектируемом устройстве и в интерфейсе RS-232. Логические уровни цифровой части измерителя при логическом нуле и логической единице 0 и +5 В, а в интерфейсе RS-232 при подключении к стандартному компьютеру -12 и 12 В.

Рис.1.7. Преобразователь уровней MAX232CPE

В качестве преобразователя уровня выберем микросхему MAX232CPE. Его УГО показано на рис.1.7. Здесь показан фрагмент полного УГО, т.к. преобразователь содержит два двунаправленных канала преобразования. Выводы 1 -- 6 служат для подключения конденсаторов, составляющих внешнюю пассивную «обвязку» преобразователя уровней. При передаче сигнал проходит с вывода 14 на 11, при приеме сигнала -- от 12 на 13. VCC и GND -- выводы питания и земли.

Отметим, что преобразование, выполняемое микросхемой MAX232CPE, осуществляется намного быстрее, чем передача данных, поэтому потерями времени на преобразование при проработке алгоритма функционирования микроконтроллера можно пренебречь.

Интегральные стабилизаторы, используемые в блоке питания измерителя, выберем отечественного производства. Для положительного напряжения питания будем использовать стабилизаторы марки КР142ЕН5А (ток до 1 А), для отрицательного напряжения -- КР1162ЕН5А (ток до 1 А). Эти стабилизаторы широко используются в радиолюбительской аппаратуре и устройствах, выпускаемых нашей промышленностью.

Все используемые при составлении принципиальной электрической схемы интегральные компоненты включаются в соответствии с рекомендуемыми в справочных материалах схемами подключения. В рамках настоящего дипломного проекта данные схемы отдельно не рассматриваются. Они включены в чертеж МИЭМ.461556.001 Э3 «Цифровой измеритель температуры. Схема электрическая принципиальная». Её содержание и логика построения рассмотрены ниже.

Марки других элементов схемы. Марки конденсаторов, резисторов и других элементов схемы указаны в перечне элементов, изображенном вместе с электрической принципиальной схемой на чертеже МИЭМ.461556.001 Э3 «Цифровой измеритель температуры. Схема электрическая принципиальная». В перечне указаны марки отечественных конденсаторов и резисторов, однако при создании устройства предполагается использование их полных аналогов, произведенных за рубежом.

Трансформаторы для узла питания выбраны отечественного производства. Номинальные напряжения на их вторичных обмотках показаны на этом же чертеже.

Диоды и выпрямительный мост выбраны из соображений достаточности их характеристик для обеспечения безаварийности режима работы. Диоды VD1 и VD2 выбраны по справочнику [6]. Диодный мост VD3 выбран по каталогу [7].

В качестве датчика температуры используется описанная выше конструкция, содержащая термопару и интегральный датчик. Разъемы, используемые в устройстве для подключения к питающей сети, соответствуют евростандарту для бытовой электрорадиоаппаратуры. Разъем для интерфейса RS-232 -- стандартный разъем СОМ-порта персонального компьютера, который предполагает возможность подключения нуль-модемного кабеля. Его марка DB-9M.

Особо стоит остановиться на выборе светодиодных знакосинтезирующих индикаторов. В качестве таковых по каталогу [7] выбирем SA10-21EWA (с общим анодом, как было оговорено выше). Как отмечается в [8], индикаторы в приборах, подобных разрабатываемым, должны иметь красное свечение сегментов, а их длина должна быть не менее 10 мм для удобства считывания информации. У выбранного индикатора длина сегмента составляет 12 мм. Он имеет шаг выводов 2,54 мм, как, впрочем, и все остальные используемые в схеме элементы, и предполагает установку непосредственно на печатную плату с монтажом в отверстия.

Кварцевый резонатор, используемый в устройстве, выбран в соответствии с рекомендациями в справочных материалах по микроконтроллеру. Его маркировка NEW 24.000. Он имеет резонансную частоту 24 МГц.

3.3 Выбор интерфейсов

В нашем случае разрабатываемое устройство предполагает наличие внутренних и внешних интерфейсов. Внешний интерфейс задан в техническом задании на дипломное проектирование. Внутренние интерфейсы выбираются по усмотрению разработчика измерителя температуры с учетом выбранной элементной базы.

Отметим, что приводимое ниже описание интерфейсов не претендует на полноту и не является исчерпывающим. Кроме того, в рамках данного дипломного проекта в соответствии с ТЗ задача программной реализации рассматриваемых ниже интерфейсов не ставится, что позволяет не рассматривать интерфейсы особенно подробно.

Внешний интерфейс RS-232 [9, 10] широко применяется для синхронной и асинхронной передачи данных при двухточечном или многоточечном соединении периферийных устройств в дуплексном режиме обмена. Передача может производиться со стандартными скоростями: 50, 75, 100, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 и 19200 бит/с. При передаче используются уровни сигналов 12В (если рассматривать СОМ-порт, то у него уровню логической единицы соответствует напряжение относительно земли, близкое к +12 В, а логическому нулю -- напряжение около -12 В).

Интерфейс RS-232 предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (ООД -- оконечное оборудование данных, или АПД -- аппаратура передачи данных; DTE -- Data Terminal Equipment), к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД; DCE--Data Communication Equipment). В роли АПД может выступать периферийное оборудование. В роли АКД обычно выступает модем. Конечной целью подключения является соединение двух устройств АПД. Интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств АКД, соединив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля.

Стандарт описывает управляющие сигналы, порядок пересылки данных, электрический интерфейс и типы разъемов. В стандарте предусмотрены асинхронный и синхронный режимы обмена, но СОМ-порты поддерживают только асинхронный режим. Функционально RS-232 эквивалентен стандарту МККТТ V.24/ V.28 и стыку С2, но они имеют различные названия сигналов (см. табл.1.1).

Табл.1.1. Разъемы и сигналы интерфейса RS-232C

Обозначение цепи	Контакт	№ провода кабеля	Направление
			разъема	выносного разъема PC
СОМ-	RS-	V.24	DB-	DB-	11	22	З3	44	I/O
порт	232	Стык 2	25Р	9Р
PG	АА	101	1	5	(10)	(10)	(10)	1	-
SG	АВ	102	7	5	5	9	1	13	-
TD	ВА	103	2	3	3	5	3	3	О
RD	ВВ	104	3	2	2	3	4	5	I
RTS	СА	105	4	7	7	4	8	7	О
CTS	СВ	106	5	8	8	6	7	9	I
DSR	СС	107	6	6	6	2	9	11	I
DTR	CD	108/2	20	4	4	7	2	14	О
DCD	CF	109	8	1	1	1	5	15	I
RI	СЕ	125	22	9	9	8	6	18	I

1. Ленточный кабель 8-битных мультикарт.

2. Ленточный кабель 16-битных мультикарт и портов на системных платах.

3. Вариант ленточного кабеля портов на системных платах.

4. Широкий ленточный кабель к 25-контактному разъему.

Стандарт RS-232 описывает несимметричные передатчики и приемники. Сигнал передается относительно общего провода -- схемной земли (симметричные дифференциальные сигналы используются в других интерфейсах -- например, RS-422). Интерфейс не обеспечивает гальванической развязки устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне от -12 до -3 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется ON («включено»), для линий последовательных данных -- MARK. Логическому нулю соответствует диапазон от +3 до +12 В. Для линий управляющих сигналов состояние называется OFF («выключено»), а для линий последовательных данных -- SPACE. Диапазон от -3 до +3 В -- зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога. Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах от -12 до -5 В и от +5 до +12 В для представления единицы и нуля соответственно. Разность потенциалов между схемными землями (SG) соединяемых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное восприятие сигналов.

Интерфейс предполагает наличие защитного заземления для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

На аппаратуре АПД (в том числе на СОМ-портах) принято устанавливать вилки DВ-25Р или более компактный вариант -- DB-9P. Девятиштырьковые разъемы не имеют контактов для дополнительных сигналов, необходимых для синхронного режима (в большинстве 25-штырьковых разъемах эти контакты не используются). На аппаратуре АКД (модемах) устанавливают розетки DB-25S или DB-9S.

Это правило предполагает, что разъемы АКД могут подключаться к разъемам АПД непосредственно или через переходные «прямые» кабели с розеткой и вилкой, у которых контакты соединены «один в один». Кабели могут являться и переходниками с 9 на 25-штырьковые разъемы. Если аппаратура АПД соединяется без модемов, то разъемы устройств (вилки) соединяются между собой нуль-модемным кабелем (Zero-modem, или Z-modem), имеющим на обоих концах розетки.

Если на каком-либо устройстве АПД установлена розетка -- это признак того, что к другому устройству оно должно подключаться прямым кабелем, аналогичным кабелю подключения модема. Розетка устанавливается обычно на тех устройствах, у которых удаленное подключение через модем не предусмотрено.

В табл. 2.1 приведено назначение контактов разъемов СОМ-портов. Контакты разъема DB-25S определены стандартом EIA/TIA-232-E, разъем DB-9S описан стандартом EIA/TIA-574. У модемов (АКД) название цепей и контактов такое же, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.

Активному состоянию сигнала («включено») и логической единице передаваемых данных соответствует отрицательный потенциал (ниже -3 В) сигнала интерфейса, а состоянию «выключено» и логическому нулю -- положительный (выше +3 В). Назначение сигналов интерфейса приведено в табл.1.2. Несмотря на введенные в соответствии с [10] обозначения сигналов интерфейса RS-232? будем использовать обозначения сигналов, указанные на чертеже МИЭМ.461556.001 Э3 «Цифровой измеритель температуры. Схема электрическая принципиальная».

Табл.1.2. Обозначение и наименование сигналов интерфейса RS-232

Сигнал	Назначение
PG	Protected Ground -- защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля
SG	Signal Ground -- сигнальная (схемная) земля, относительно которой действуют уровни сигналов
TD	Transmit Data -- последовательные данные -- выход передатчика
RD	Receive Data -- последовательные данные -- вход приемника
RTS	Request To Send -- выход запроса передачи данных: состояние «включено» уведомляет модем о наличии у терминала данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением -- состояние «включено» служит сигналом модему на переключение в режим передачи
CIS	Clear To Send -- вход разрешения терминалу передавать данные. Состояние «выключено» запрещает передачу данных. Сигнал используется для аппаратного управления потоками данных
DSR	Data Set Ready -- вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных (модем в рабочем режиме подключен к каналу и закончил действия по согласованию с аппаратурой на противоположном конце канала)
DTR	Data Terminal Ready -- выход сигнала готовности терминала к обменуданными. Состояние «включено» поддерживает коммутируемый канал в состоянии соединения
DCD Rl	Data Carrier Detected -- вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема Ring Indicator -- вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим сигналом модем сигнализирует о принятии вызова

Внутренний интерфейс I2C. Его мы рассмотрим кратко по источникам [10, 12]. Шина Inter 1C Bus (шина соединения микросхем), или, кратко, I2C, -- синхронная последовательная шина, обеспечивающая двустороннюю передачу данных между подключенными устройствами. Шина ориентирована на 8-битные передачи. Передача данных может быть как одноадресной, к выбранному устройству, так и широковещательной. Уровни сигналов -- стандартные, совместимые с широко распространенной логикой ТТЛ, КМОП, N-МОП, как с традиционным питанием +5 В, так и с низковольтным (3,3 В и ниже). Микросхемы с интерфейсом I2C, как правило, имеют аппаратную поддержку протокольных функций. Протокол позволяет взаимодействовать на одной шине устройствам с различным быстродействием. Требования к временным параметрам сигналов весьма свободные, так что на компьютерах и микроконтроллерах, не имеющих аппаратной поддержки шины I2C, ее протокол может быть реализован даже чисто программно.

Шина I2C используется уже более 20 лет, ее официальная версия 1.0 вышла в 1992 г. По сравнению с предшествующими (черновыми) версиями, здесь отсутствует как запутанная и неиспользуемая возможность программного задания адреса ведомого устройства. Также отсутствует низкоскоростной режим (Low speed), являющийся частным случаем стандартного режима -- Standard Mode (5) -- со скоростью 0-100 Кбит/с. В версии 1.0 появилось определение быстрого режима -- Fast Mode (F) -- со скоростью 0-400 Кбит/с и связанные с ним изменения требований к форме сигнала и фильтрации помех. Также здесь введен режим 10-битной адресации устройств. Версия 2.0 вышла в 1998 г., когда интерфейс I2C стал фактически промышленным стандартом, использующимся в большом числе различных ИС. Здесь появился новый высокоскоростной режим -- High speed (Hs), -- в котором скорость передачи может достигать 3,4 Мбит/с. Прежние режимы FH логически работают одинаково, и для них используют обобщенное обозначение F/S. В этой версии пересмотрены требования к уровням и форме сигналов с учетом высоких скоростей и возможности подключения низковольтных устройств с питанием 2 В и ниже. В версии 2.1 (2000 г.) уточнены некоторые моменты, касающиеся временных диаграмм в режиме Hs. Приведенная здесь информация основана на спецификации шины I2C версии 2.1, доступной на сайте [11].

Интерфейс I2C использует две сигнальные линии: данных SDA (Serial Data) и синхронизации SCL (Serial Clock). В обменах участвуют два устройства -- ведущее (master) и ведомое (slave). Ведущее и ведомое устройства могут выступать в роли и передатчика, и приемника данных. Протокол допускает наличие на шине нескольких ведущих устройств и имеет простой механизм арбитража (разрешения коллизий).

Протокол обмена для обычных устройств F/S иллюстрирует рис.1.8. Обе сигнальные линии имеют нагрузочные резисторы, «подтягивающие» их уровень к напряжению питания. К каждой линии подключен приемник и передатчик типа «открытый коллектор» («открытый сток»), у ведомого устройства передатчик на линии SCL не обязателен. Все одноименные передатчики соединяются по схеме «Монтажное ИЛИ-НЕ»: уровень в линии будет высоким, если все передатчики пассивны, и низким, если хоть у одного передатчика выходной транзистор открыт. В покое (Idle, исходное состояние шины) все передатчики пассивны. Синхронизацию задает ведущее устройство, но ведомое, если оно не имеет достаточного быстродействия, может замедлять обмен данными.

Начало любой передачи -- условие Start -- инициируется ведущим устройством, убедившимся в том, что шина свободна (высокий уровень сигналов SCL и SDA). Условие Start (на диаграммах обозначается как S)-- перевод сигнала SDA из высокого в низкий при высоком уровне SCL. Завершается операция переводом сигнала SDA из низкого уровня в высокий при высоком уровне SCL -- условие Stop (обозначается как Р), также вводящееся ведущим устройством. При передаче данных состояние линии SDA может изменяться только при низком уровне SCL, биты данных считаются действительными во время высокого уровня SCL Ведущее устройство может начать очередную передачу вслед за текущей, не вводя условие Stop, -- это называется repeated Start (повторный старт, обозначающийся Sr). В протоколе условия S и Sr почти равнозначны. Каждая посылка данных состоит из 8 бит данных, формируемых передатчиком (старший бит -- MSB -- передается первым), после чего передатчик на один такт освобождает линию данных для получения подтверждения. Приемник во время девятого такта формирует бит подтверждения AСК, по которому передатчик убеждается, что его «услышали». После передачи бита подтверждения ведомое устройство может задержать следующую посылку, удерживая линию SCL на низком уровне. Ведомое устройство в режимах F/S может замедлить передачу по шине и на уровне приема каждого бита, удерживая SCL на низком уровне после его спада, сформированного передатчиком. Поэтому ведущее устройство должно генерировать сигнал SCL не «вслепую», а анализируя состояние линии SCL: сняв этот сигнал, новый импульс (открытие ключа передатчика) оно имеет право вводить, лишь убедившись, что сигнал SCL вернулся в пассивное состояние (высокий уровень). В противном случае синхронизация будет потеряна. Сигнал SCL может быть растянут и другим устройством, пытающимся захватить шину в это же время. Тактовый сигнал SCL не обязательно будет равномерным: время его нахождения на низком уровне будет определяться максимальным временем, в котором его захочет удержать самое медленное из устройств, участвующих в данном обмене; время нахождения на высоком уровне будет определяться самым быстрым из ведущих устройств.

Рис.1.8. Протокол передачи данных I2C

Коллизия (конфликт) на шине может возникнуть, когда два (или более) устройства, убедившись в покое шины, одновременно (или почти одновременно) инициируют обмен данными. Все они управляют линиями SCL и SDA и наблюдают за ними. Если устройство, передающее единицу (высокий уровень), в данном такте на линии SDA видит ноль (низкий уровень), оно должно признать свой проигрыш в конфликте и освободить линии SCL и SDA (при этом ему позволительно управлять линией SCL до конца передачи текущего байта). Выигравшее устройство даже не заметит проигравших конкурентов и продолжит работу. Арбитраж может закончиться в любом месте посылки, формируемой ведущим устройством. Искажения информации, передаваемой выигравшим устройством, не происходит (в отличие от коллизий в сетях Ethernet). Если ведущее устройство, проигравшее в конфликте, имеет и функции ведомого устройства, по признанию проигрыша оно должно перейти в режим ведомого, поскольку конфликт мог быть вызван и попыткой обращения к нему победившего ведущего устройства.

Бит подтверждения АСК, вводящийся в конце каждого байта устройством-приемником, выполняет несколько функций. Когда передатчиком является ведущее устройство, приемник (ведомый) должен вводить нулевой бит АСК, свидетельствующий о нормальном получении очередного байта. Единичный бит АСК (нет подтверждения) в ответ на посылку адреса свидетельствует об отсутствии адресованного ведомого устройства на шине или его занятости внутренними процессами. Отсутствие подтверждения байта данных свидетельствует о занятости устройства. Не получив бита подтверждения, ведущее устройство должно сформировать условие Stop, чтобы освободить шину. Когда ведущее устройство является приемником, оно должно формировать нулевой бит АСК после каждого принятого байта, кроме последнего. Единичный бит АСК в этом случае является указанием ведомому устройству на окончание передачи -- оно теперь должно освободить линии SDA и SCL, чтобы ведущее устройство смогло сформировать условие Р или Sr.