Файл: Разработка структурной схемы устройства.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 06.12.2023

Просмотров: 43

Скачиваний: 1

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







Введение

В 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.

  1. 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.

    1. 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.

  1. Разработка функциональной схемы устройства


Разработанная функциональная схема устройства представлена в Приложении Б.

    1. Описание работы устройства по временным диаграммам


Временная диаграмма работы устройства представлена на рисунке 1.



Рисунок 1 - Временная диаграмма работы устройства датчика AD22100
Из 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.

    1. Разработка функциональных схем блоков управления

      1. Блоки управления светодиодами


Схема управления первым светодиодом представлена на рисунке 2.



Рисунок 2 - Схема управления первым светодиодом
Согласно 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 светодиодом
Согласно 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.

      1. Блоки управления реле


Схема управления первым реле представлена на рисунке 4.



Рисунок 4 - Схема управления первым реле
Согласно 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 реле
Согласно 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.


      1. Блоки управления динамиком


Схема управления динамиком представлена на рисунке 6.



Рисунок 6 - Схема управления динамиком
В 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 схеме

Учитывая, 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.

  1. Разработка принципиальной схемы устройства

    1. Расчёт усилителя


Статика:


U0C° = 1.375В.

Uпит = 5В.

Температурный коэффициент = 22.5 мВ/C°.

U-10C° = 1.375В – (22.5 мВ/C° * 10 C°) = 1.15В.

U110C° = 1.375В + (22.5 мВ/C° * 110 C°) = 3.85В.

По заданию: 1.15B -> 0В, 3.85 -> 4В.

Ку = (4 – 0) / (3.85 – 1.15) = 1.48 > 0.

Инверсия: 1.15B -> 4В, 3.85 -> 0В.

Ку = (0 – 4) / (3.85 – 1.15) = -1.48 < 0.

Uсмещ = U3/Kу – U2 = (4/-1.48) – 1.15 = -3.85 => E2.

R1 = R2 = 10 КОм.

Kу = R3/R1 = R3/R2 = R3/10 Ком => R3 = -Kу * 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.

    1. 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:

Uпит = ±(1...18)В.

ku = 50В/мВ.

Iвх = 25нА.

Iн = 6мА.

Напряжение, питающее усилитель - 5В.

Зададим ток через делитель, равный I=0,002А.

Расчёт схемы формирования верхнего порога

Верхний порог = 85ºС.

Напряжение, которое будет формироваться на выходе усилителя:

U85C° = 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 порога

Нижний 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.

    1. 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

Смотрите также файлы