Файл: Разработка структурной схемы устройства.docx

Сделать презентацию

Скачать файл (4,53Мб)

Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 06.12.2023

Просмотров: 118

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

ВведениеВ данной работе будет рассмотрена в качестве датчика двухвыводная микросхема AD22100, которая осуществляет аналоговый выход. Его преимуществом является встроенный модуль обработки сигнала, а также низкая погрешность в измерениях.Данный датчик имеет довольно примитивный функционал, позволяющий без лишних затрат моделировать различные схемы.

Разработка структурной схемы устройства
1. Постановка задачи

Устройство предназначено для контроля температуры окружающей среды и использует в качестве датчика двухвыводную микросхему с выходом в виде напряжения AD22100. Напряжение на выходе при температуре 0ºС равно 1,375В. Требуемый диапазон измерения простирается от -10ºС до 110 ºС.Устройство преобразует сигнал с датчика в выходное напряжение, меняющееся в диапазоне (0…+4) В. Для устройства задаются верхний порог 85ºС и нижний порог 5ºС.При превышении верхнего порога в 85ºС:

первый светодиод должен непрерывно мигать с периодом 1 сек во время преодоления порога,
первое реле должно включиться на 8 секунд с момента превышения порога,
динамик должен гудеть с частотой ¬ 256Гц три раза с периодом 4 сек.

При превышении нижнего порога в 5ºС:

второй светодиод должен мигать с периодом 4 сек во время преодоления порога три раза,
второе реле должно включиться, а выключится во время преодоления другого порога,
динамик должен гудеть с частотой 512Гц в течение пяти секунд.

В устройстве используются реле типа TRC-D-3 и цифровые элементы серии 555.

Описание структурной схемы устройства

Разработанная структурная схема устройства представлена в Приложении А.Устройство содержит:

датчик,
усилитель,
первый и второй компараторы,
первое и второе реле,
первый и второй светодиод,
блоки управления первым и вторым светодиодами, первым и вторым реле, динамиком.

Согласно схеме, при превышении верхнего или нижнего порога срабатывает соответствующий компаратор, далее блоки управления, согласно заданию, включают светодиод, динамик и реле.

Разработка функциональной схемы устройства

Разработанная функциональная схема устройства представлена в Приложении Б.

Описание работы устройства по временным диаграммам

Временная диаграмма работы устройства представлена на рисунке 1.Рисунок 1 - Временная диаграмма работы устройства датчика AD22100Из диаграммы видно: при преодолении верхнего порога срабатывает первый компаратор, первый светодиод должен непрерывно мигать с периодом 1 сек во время преодоления порога, первое реле включается на 8 секунд с момента преодоления порога, динамик гудит 3 раза с частотой 256Гц и периодом 4 секунды. При преодолении нижнего порога срабатывает второй компаратор, второй светодиод начинает мигать с периодом 4 секунды во время преодоления порога три раза, второе реле включается на время преодоления порога и выключается при достижении другого порога, динамик гудит с частотой 512Гц в течение пяти секунд.

Разработка функциональных схем блоков управления
1. Блоки управления светодиодами

Схема управления первым светодиодом представлена на рисунке 2.Рисунок 2 - Схема управления первым светодиодомСогласно заданию, первый светодиод непрерывно мигает с периодом 1 секунд на время преодоления нижнего порога. Для этого последовательно соединяется генератор импульсов, который задаёт период формирования импульсов, и операционный усилитель, который усиливает сигнал генератора и управляет светодиодом HD1.

Схема управления вторым светодиодом представлена на рисунке 3.Рисунок 3 - Схема управления вторым светодиодомСогласно заданию, второй светодиод непрерывно мигает с периодом 4 сек во время преодоления нижнего порога три раза. При превышении порога, сигнал с компаратора подаётся на RS-триггер, далее для формирования периода 4 секунды, последовательно подключен генератор, из которого сигнал идет в счетчик. Счетчик, в свою очередь, считает количество итераций данного цикла. После получения на выходе числа 3, счетчик сбрасывает RS-триггер. Далее сигнал подается на вход операционного усилителя, который усиливает сигнал и управляет вторым светодиодом HD2.

Блоки управления реле

Схема управления первым реле представлена на рисунке 4.Рисунок 4 - Схема управления первым релеСогласно заданию, первое реле включается на 8 секунд с момента преодоления порога. Для этого последовательно соединяется одновибратор, который задаёт время формирования импульсов, и операционный усилитель, усиливающий сигнал генератора и управляющий реле K1.Схема управления вторым реле представлена на рисунке 5.Рисунок 5 - Схема управления вторым релеСогласно заданию, второе реле включается на время преодоления порога и выключается при достижении другого порога. Поэтому сигнал со второго компаратора подаётся на операционный вход S, RS триггера далее сигнал подается на вход операционный усилитель, который усиливает сигнал и управляет вторым реле K2, которое работает, пока сигнал с первого компаратора не придет на вход R и не сбросит триггер.

Блоки управления динамиком

Схема управления динамиком представлена на рисунке 6.Рисунок 6 - Схема управления динамикомВ случае преодоления верхнего порога, динамик гудит с частотой 256Гц три раза с периодом 4 секунды. В случае преодоления нижнего порога, динамик гудит с частотой 512Гц 5 секунд.

При превышении верхнего порога, сигнал с компаратора подаётся на RS-триггер, далее для формирования периода 4 секунды, последовательно подключен генератор, из которого сигнал идет в счетчик. Счетчик, в свою очередь, считает количество итераций данного цикла. Сигнал идет на генератор, формирующий частоту – 256Гц. После получения на выходе числа 3, счетчик сбрасывает RS-триггер. При превышении нижнего порога, сигнал со второго компаратора подаётся на одновибратор, а затем на генератор импульсов, который задает частоту 512Гц, и гудит он 5 секунд. Полученные сигналы подаются на вход дизъюнктора, на его выходе будет сформировано необходимое количество импульсов. Сигнал с дизъюнктора подаётся на усилитель, который управляет динамиком BA1.2.3 Описание работы устройства по функциональной схемеУчитывая, предложенные решения, была разработана функциональная схема, представленная в приложении Б. Разработанное устройство содержит:1 - датчик AD22100; 2,10,11,12,16,22,24 - операционные усилители; 3,4 - компараторы; 5,8 - одновибраторы; 7,9 – RS-триггер; 17,18 - счетчик; 6,13,14,15,21 - генераторы импульсов; 23 - дизъюнктор; 19,20 - конъюнкторы. Устройство работает следующим образом:Если компаратор 3 формирует уровень логической единицы при превышении верхнего порога, то светодиод HD1 должен непрерывно мигать с периодом 1 сек во время преодоления порога, полученным с генератора 6; реле K1 включается на 8 секунд с момента превышения порога, получив на вход импульс с одновибратора 5. Чтобы включился динамик BA1, импульс подается на RS-триггер 7 и генератор импульсов 13 формируют период 4с и счетчик 17 отсчитывает 3 раза, далее импульс идет на генератор импульсов 21, формирующего частоту 256Гц и, наконец, на динамик BA1.Если компаратор 4 формирует уровень логической единицы при превышении нижнего порога, то светодиод HD2 начинает мигать с периодом 4с во время преодоления порога три раза: на RS-триггер 9 и генератор импульсов 15 формируют период 4с и счетчик 18 отсчитывает 3 раза, реле K2 включается, когда на RS-триггер 10 подается сигнал с компаратора 4, и завершает свою работу, когда компаратор 3 подает сигнал сброса. Одновибратор 8 и генератор импульсов 14 в течение 5 секунд выставляет частоту динамика BA1 – 512Гц.

Разработка принципиальной схемы устройства
1. Расчёт усилителя

Статика:

U₀_C_°= 1.375В.U_пит = 5В.Температурный коэффициент = 22.5 мВ/C°.U_-10_C_°= 1.375В – (22.5 мВ/C° * 10 C°) = 1.15В.U₁₁₀_C_°= 1.375В + (22.5 мВ/C° * 110 C°) = 3.85В.По заданию: 1.15B -> 0В, 3.85 -> 4В.К_у = (4 – 0) / (3.85 – 1.15) = 1.48 > 0.Инверсия: 1.15B -> 4В, 3.85 -> 0В. К_у = (0 – 4) / (3.85 – 1.15) = -1.48 < 0.U_смещ = U3/K_у – U2 = (4/-1.48) – 1.15 = -3.85 => E2.R1 = R2 = 10 КОм.K_у = R3/R1 = R3/R2 = R3/10 Ком => R3 = -K_у* 10 Ком = 14.8 КОм.Динамика: Asin = (U1 – U2) / 2 = (3.85 – 1.15) / 2 = 2.7 / 2 = 1.35.Asin действ = 1.35 * 0.707 = 0.9544 В.

Расчёт схем формирования порогов

Согласно заданию, при преодолении верхнего и нижнего порогов, устройство должно выполнять определённые функции, поэтому целесообразно использование компараторов на выходе усилителя.Рационально будет выбрать аналоговый компаратор LM319.Его характеристики:U_пит = ±(1...18)В.k_u = 50В/мВ.I_вх = 25нА.I_н = 6мА.Напряжение, питающее усилитель - 5В.Зададим ток через делитель, равный I=0,002А.Расчёт схемы формирования верхнего порогаВерхний порог = 85ºС.Напряжение, которое будет формироваться на выходе усилителя:U_85C°= 1.375В + (22.5 мВ/C° * 85 C°) = 3,287В.R1+R2=E/I=5/0,002=2500Ом.Uпор=I*R2=>R2=Uпор/I=3,287/0,002=1643Ом.R1=2500-1643=857 Ом.Расчёт схемы формирования нижнего порогаНижний порог = 5ºС. Напряжение, которое будет формироваться на выходе усилителя:U_-10C°= 1.375В – (22.5 мВ/C° * 10 C°) = 1.487В.R1+R2=E/I=5/0,002=2500 Ом.Uпор=I*R2=>R2=Uпор/I=1,487/0,002=743 Ом.R1=2500-743=1757 Ом.

Расчёт генераторов импульсов

В качестве генератора импульсов используется микросхема К531ГГ1.Если температура окажется выше верхнего порога, то первый светодиод должен непрерывно мигать с периодом 1 сек во время преодоления порога, динамик должен гудеть с частотой 256Гц три раза с периодом 4 сек. Если температура окажется ниже нижнего порога, то второй светодиод должен мигать с периодом 4 сек во время преодоления порога три раза, динамик должен гудеть с частотой 512Гц в течение пяти секунд.Период и частота задаются с генераторов сигналов. Генераторы управляются дифференцируемой RC - цепью.Для Т=1с:C = 1*10^-6 Ф±1%.T = 1,4RC => R = T/1,4C = 1/1,4*1*10^-6= 0,7142*10⁶Ом.Ближайший стандартный номинал резистора - 1 Ом±5%.Для f=256Гц:C = 1*10^-6 Ф±1%.f = 0,7/RC => R = 0,7/Cf = 0,7/256*1*10^-6 = 0,0027*10⁶Ом.Ближайший стандартный номинал резистора - 1Ом±5%.Для Т=4с:C = 1*10