Министерствообразования Республики Беларусь
Учреждениеобразования «Гомельский государственный дорожно-строительный колледж имениЛенинского комсомола Белоруссии»
Специальность: 2400202
Группа: ЭВС-42
Пояснительнаязаписка к дипломному проекту
НА ТЕМУ: «Измеритель напряжённости иградиента магнитного поля»
Разработал учащийся: В.Т.Тихоненко
Руководитель дипломногопроекта: Д.С. Минин
Руководитель цикловойкомиссии: А.В. Кривицкий
Руководительэкономической части: Л.П.Дворак
Гомель2010
Содержание
Введение
1 Расчетно-проектировочный раздел
1.1 Назначение и область применения
1.2 Разработка структурной схемы
1.3 Разработка принципиальной схемы
1.3.1 Расчет узлов и блоков
1.3.2 Выбор элементной базы1
1.3.3 Описание принципа действия
1.3.4 Расчет потребляемой мощности
1.4 Разработка блока (системы) электропитания
2 Конструкторско-технологический раздел
2.1 Выбор и обоснование способа изготовления печатной платы
2.2 Компоновка устройства
2.3 Поиск и устранение неисправностей
3 Экономический раздел
4 Энерго- и материалосбережение
5 Охрана труда
6 Охрана окружающей среды
Заключение
Литература
Введение
Написание дипломногопроекта и последующая его защита является заключительной стадией обучения всредних специальных учебных заведениях. Дипломный проект является обобщающейпроверкой всех знаний накопленных за время учебы в техникуме. Он охватываеттакие предметы как: экономика, схемотехника ЭВМ, экология, энергосбережение инекоторые другие предметы, характерные для отделения «Электронныевычислительные средства». Темой дипломного проекта является разработка, какоголибо электронного устройства, в данном случае – измерителя напряжённости иградиента магнитного поля. Для разработки устройства требуются знания теории,подкрепленной практическим опытом. Разработка устройства включает в себя:
1. Выбор иобоснование элементной базы.
2. Разработкаструктурной схемы.
3. Разработкапринципиальной схемы.
4. Расчет узлов иблоков.
5. Выбор ИМС ирадиоэлектронных элементов.
6. Расчетпотребляемой мощности.
7. Расчетбыстродействия.
Для практическогоисполнения устройства требуются практические навыки, полученные при прохождениипрактик:
1. Электромонтажная.
2. Электроизмерительная.
3. Производственно-технологическая.
4. Преддипломная.
Навыки, полученные припрохождении электромонтажной практики (пайка, нанесение печатного монтажа наплаты, травление плат) нужны для изготовления печатной платы устройства иприпаивания микросхем и радиоэлементов к печатному монтажу.
Навыки, полученные припрохождении электроизмерительной практики нужны для поиска и устранениянеисправностей в готовом устройстве.
Навыки, полученные припрохождении производственно-технологической практики, требуются дляизготовления и проверки на работоспособность устройства, но с использованиемзнаний опытных инженеров-электроников, что позволяет сократить затрачиваемоевремя на изготовление устройства и поиск неисправностей в нем.
Преддипломная практикатребуется в основном для сбора и подготовки материалов к дипломному проекту.
После написания и защитыдипломного проекта молодые специалисты могут приступать к трудовой деятельности.
1. Расчетно-проектировочныйраздел
1.1 Назначениепроектируемого устройства и выбор области его применения
Разрабатываемыймною прибор предназначен для оперативного измерения и контроля величинынапряжённости постоянного магнитного поля, а также градиента магнитнойиндукции, с помощью двух магниторезистивных датчиков типа HMC1022.
Возможныеобласти применения прибора:
1.Прямыеизмерения напряжённости и градиента магнитной индукции слабых постоянныхмагнитных полей (сравнимых с магнитным полем Земли).
2.Работа вкачестве металлоискателя или металлодетектора при поиске и обнаружениидостаточно крупных ферромагнитных объектов (трубопроводов, техники, свалок,кладов, оружия и т. п.).
3.Построениемаршрутов прокладки трасс подземных и подводных трубопроводных коммуникаций,приблизительная оценка их состояния.
4.Измерениеполей рассеяния постоянных магнитов и магнитных систем при их конструировании,обслуживании и ремонте.
5.Оценкакачества размагничивания стальных изделий.
6.Оценкамагнитной обстановки.
7.Составлениемагнитных карт местности и магнитных образов объектов (магнитнаяпаспортизация).
8.Построениеразличных измерительных установок и комплексов.
Прибор имеетавтономное питание — аккумуляторную батарею, подзарядка которой можетосуществляться сетевым зарядным устройством, и ручку для переноски. Штанга сдатчиками может крепиться к корпусу прибора в четырех различных положениях.
1.2 Разработкаструктурной схемы проектируемого устройства
В данном разделе нужнопредставить структурную схему (Приложение 1) разрабатываемого устройстваизмерения градиента и напряжённости магнитного поля.
Структурной называетсясхема, которая определяет основные функциональные части изделия и связи междуними. Структурная схема лишь в общих чертах раскрывает назначение устройства иего функциональных частей. Она определяет основные функциональные частиизделия, их назначение и взаимосвязи, и служит лишь для общего ознакомления сизделием.
Составные частипроектируемого устройства изображаются упрощенно в виде прямоугольниковпроизвольной формы, т. е. с применением условно-графических обозначений. Внутрикаждого прямоугольника, функционального узла устройства, указаны наименования.
Устройство измерениянапряжённости и градиента магнитного поля можно разбить на следующиефункциональные узлы:
-блок питания- подаётнапряжение номиналом +5В, +12 В, +2.5 В;
-аккумуляторная батарея-источник питания +12.6 В 7 А-час;
-блок управления-генерирует сигналы сброса/установки;
-левый и правый датчик-магниторезистивные преобразователи;
-вычитатели- сравниваютданные левого и правого датчиков, на выходе образуется напряжениепропорциональное градиенту магнитного поля;
-вольтметр- измерятнапряжение на выходах датчиков и вычитателей, пропорциональное напряжённости иградиенту магнитного поля;
/>
1.3 Разработка иобоснование принципиальной схемы проектируемого устройства
1.3.1 Расчет узлов и блоков проектируемого устройства
Главным элементом схемы являетсямагниторезистивный датчик HMC1022.
Магниторезистивныедатчики отличаются высокой чувствительностью и позволяют измерять самые малыеизменения магнитного поля. Они применяются в магнитометрии для решенияразличных задач: определения угла поворота, положения объекта относительномагнитного поля земли, измерения частоты вращения зубчатых колес и др.
/>
Рис.1.3.1.1
Принцип работымагниторезистивных датчиков основан на изменении направления намагниченности внутреннихдоменов слоя пермаллоя (NiFe)под воздействием внешнего магнитного поля. В зависимости от угла междунаправлением тока и вектором намагниченности изменяется сопротивлениепермаллоевой пленки. Под углом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальномузначению сопротивления.
Конструкциямагниторезистивных датчиков Honeywell состоит из четырех пермаллоевых слоев, которые организованы в мостовуюсхему. Кроме того, на плату датчика добавлены две катушки: SET/RESET и OFFSET.Катушка SET/RESET создает легкую ось, которая необходима дляподдержания высокой чувствительности датчика, катушка OFFSET предназначена для компенсации воздействия паразитныхмагнитных полей (созданных, например, каким-либо ферромагнитным объектом илиметаллическими предметами).
Датчики позволяютизмерять самые слабые магнитные поля (от 30 мкГаусс) с последующим ихпреобразованием в выходное напряжение. В конструкции датчика могут бытьобъединены несколько мостовых схем, образуя, таким образом, двух- и трехосевыесенсоры.
К числу преимуществмагниторезистивных датчиков можно отнести:
• отсутствие зависимости от расстояния между магнитом и датчиком;
• широкий диапазон рабочих температур (от –55 до 150°С);
• датчики зависят только от направления поля, а не его интенсивности;
• долгий срок службы, независимость от магнитного дрейфа.
Для усиления выходногосигнала с датчиков производителем рекомендовано использовать аналоговыеусилители на микросхемах AMP04(DA1-DA4).
Для формирования сигналов служит генераторна микросхемах К561ЛЕ5.
Рекомендрванная схема включения датчика HMC1022и аналогового усилителя AMP04 приведена на рисунке 1.3.1.2
/>
рисунок1.3.1.2
Для установки нулевогосигнала в отсутствии магнитного поля на выходах DA1-DA4 используютсяцепочки R4R5R6, R7R8R9, R10R11R12,R13R14R15.
R4,R6,R7,R9,R10,R12,R13,R15= 100 кОм
R5,R8,R11,R14= 10 кОм
Коэффициент усиления DA1-DA4 усилителей (соответствующий коэффициент потребления 1В/Гсили 10мВ/Тл) задаётся с помощью резисторов R17,R20,R23,R26
R17,R20,R23,R26=470 Ом
Резисторы на выходахусилителей R29,R30,R31,R32 являются токоограничивающими
R29,R30,R31,R32= 100 Ом
Конденсаторы С19-С22обеспечивают фильтрацию питания. Их величину выбираем из типовой схемыподключения DD3, DD4
Для формирования сигналовсброса-установки (S/R) служит генератор на микросхемах К561ЛЕ5, К561ИЕ16.
В состав генератора входит RS-тригегер.
RS-тригегеры в общем случае имеют тривхода: S-для установки 1, R- для установки нуля и С для приёматактируемых импульсов. Состояния RS-триггера,соответствующие различным сочетаниям сигналов на его входах R и S, приведены в таблице 1.
Особенности RS- триггеров заключается в том, чтопри подаче одновременно
На выходы R и S сигнала 1 состояния триггера на выходе становитсянеопределённым: схема начинает генерировать или вчение воздействия входныхсигналов неоднократно переходя из одного состояния в другой. Для нормальнойработы триггера необходимо устранить данное сочетание сигналов.tn tn+1 R S C
Qn +1
Qn+1
1
1
1
1
1
1
1
1
Qn
1
н/о
/>/>Qn
1
н/о
Таблица 1
/>
Состояние выходовтриггера QnQnявляющиеся составляющей функцииэлемента памяти и управляющих входов X1X2…Xm.
Рекомендованная схемавключения генератора приведена на рисунке 1.3.1.3
/>
Рисунок 1.3.1.3
Конденсатор С1 выбираем из типовой схемы подключения DD1 обычноимеет емкость 0,022 мкФ.
Рассчитаем времязадающие элементы R, С для генератора DD2. Т.к. требуетсяимпульсы тока длительностьюоколо 1 мксек, то из t=RC получаем следующие номиналы элементов:
R54,R55,R56,R57= 10 кОм;
С11,C12,C13,C14 = 0,1 мкФ.
резисторы R35-R44,R51,R52
Рекомендованная схемавключения вычитателя на базе микросхемы LM324N
Представлена на рисунке 1.3.1.4
/>
Рисунок 1.3.1.4
Из рекомендованнойизготовителем схемы подключения аналоговой микросхемы DA5 берём значениярезисторов R35-R42,R51,R52.
R35,R38 =1 кОм
R36,R37,R39,R40,R41,R42 =22 кОм
R51,R52=100 Ом
1.3.2Выбор элементнойбазы
В настоящее времясуществует несколько технологий производства интегральных микросхем:транзисторно-транзисторная логика(ТТЛ), транзисторно-транзисторная логика сдиодами Шоттки(ТТЛШ), МОП(МДП) и КМОП транзисторная логика, эмиттерно-связаннаялогика(ЭСЛ), интегральная инжекционная логика(И2Л). Каждая технология имеетсвои достоинства и недостатки. Наиболее распространены МДП и ТТЛ микросхемы,опишем их.
Микросхемы МДПтранзисторной логики обладают большой помехозащищённостью по сравнения смикросхемами других типов, высокой нагрузочной способностью, высокой степеньюинтеграции, однако имеют низкое быстродействие. В этих микросхемах используютдля питания и управления напряжения одинаковые полярности, что облегчает задачипоследовательно соединения элементов. В микросхемах этой логики используетсяположительный и отрицательный уровни напряжения, что только усложняет работупроектировщиков. Наиболее распространенные серии: К176, К561, КР1561 и КР564.
ТТЛ микросхемы имеютвысокое быстродействие, обширную номенклатуру, хорошую помехоустойчивость.Однако они обладают большой потребляемой мощностью. К настоящему времениразработано большое количество модификаций микросхем ТТЛ, связанных сповышением нагрузочной способности, уменьшением задержек распространениясигналов, обеспеченьем возможности объединения выходов микросхем, уменьшениемпотребляемой мощности, расширением выполняемых функций. Однако самыераспространенные серии ТТЛ микросхем: К155, К555, К531, КР1533 и КР1531. Ониразличаются по многим электрическим параметрам(потребляемая мощность, входные ивыходные токи и пр.), однако напряжение питания у них одинаковое(Uи.п.=5В±10%), а входные и выходные логические уровнисовместимы. Полная электрическая и конструктивная совместимость однотипныхмикросхем из разных серий снимает многие проблемы проектирования электрическихсхем. Микросхемы ТТЛ ещё отличаются тем, что высокому уровню напряжениясоответствует питающее напряжение Uи.п., а низкомууровню – нулевой потенциал(потенциал земли, заземленный вход) или отсутствиенапряжения(разомкнутая цепь). Микросхемы ТТЛ имеют большой процент выхода,низкую стоимость, обладают широким функциональным набором и удобной дляпрактического использования.
Точно определить какие микросхемылучше МДП или ТТЛ нельзя: недостатки одной серии отсутствуют в другой инаоборот. А когда стоит вопрос о применении микросхем, в первую очередьобращают внимание на требуемые параметры. Например, когда не нужно такоевысокое быстродействие как у микросхем ТТЛ-серии, а необходима минимальнаяпотребляемая мощность, применяют интегральные микросхемы КМОП-серии.
Магниторезистивныедатчики серии HMC1022 отличаются высокой чувствительностью и позволяют измерятьсамые малые изменения магнитного поля. Они применяются в магнитометрии длярешения различных задач: определения угла поворота, положения объектаотносительно магнитного поля земли, измерениячастоты вращения зубчатых колес и др.
Принципработы магниторезистивных датчиков основан на изменении направлениянамагниченности внутренних доменов слоя пермаллоя (NiFe) под воздействиемвнешнего магнитного поля. В зависимости от угла между направлением тока ивектором намагниченности изменяется сопротивление пермаллоевой пленки. Подуглом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальному значениюсопротивления.
Конструкциямагниторезистивных датчиков Honeywell состоит из четырех пермаллоевых слоев,которые организованы в мостовую схему. Кроме того, на плату датчика добавленыдве катушки: SET/RESET и OFFSET. Катушка SET/RESET создает легкую ось, котораянеобходима для поддержания высокой чувствительности датчика, катушка OFFSETпредназначена для компенсации воздействия паразитных магнитных полей(созданных, например, каким-либо ферромагнитным объектом или металлическимипредметами).
Датчикипозволяют измерять самые слабые магнитные поля (от 30 мкГаусс) с последующим ихпреобразованием в выходное напряжение. В конструкции датчика могут бытьобъединены несколько мостовых схем, образуя, таким образом, двух- и трехосевыесенсоры.
К числупреимуществ магниторезистивных датчиков можно отнести:
• отсутствиезависимости от расстояния между магнитом и датчиком;
• широкийдиапазон рабочих температур (от –55 до 150°С);
• датчикизависят только от направления поля, а не его интенсивности;
• долгий срокслужбы, независимость от магнитного дрейфа.
Микросхема К561ИЕ16содержит два независимых 4-разрядных двоичных счётчиков с параллельным выходом.Для повышения быстродействия в ИС применён параллельный перенос во все разряды.Подача счётных импульсов может производится либо в положительной полярности(высоким уровнем), либо в отрицательной полярности (низким уровнем).
К561ИЕ16 представляет изсебя вычитающий счетчик — делитель, который может быть запрограммирован чтобыделить входную частоту на любое число от 3 до 15999. Выходной сигнал являетсяимпульсом с шириной равной периоду тактовой частоты, который повторяется счастотой в «N» раз меньше входной. Счетчик предустанавливается 16-ювходными сигналами.
Три входа Ka, Kb, Kc определяют модуль деления первой и последней секцийсчетчика в соответствии с таблицей истинности. Каждый раз, когда первая (самаябыстрая) счетная секция проходит один цикл, она уменьшает на 1 числозагруженное в трехдекадную промежуточную ступень и в последней счетной секции,которая состоит из триггеров не нуждающихся в работе первой секции. Например, врежиме 2 в первой счетной секции нужен только один триггер. Поэтому последняясчетная секция имеет три триггера, которые могут быть предустановлены взначение до 7-ми в позиции «тысячи». Если для первой секциижелательно установить значение 10 то Ka, Kb, Kc устанавливаются в значения 1,1, 0 и входы 1-4 используются чтобы установить первую счетную секцию и не могутбыть использованы для загрузки последней секции. Промежуточная ступень счетчикасостоит из трех десятичных счетчиков, устанавливаемых входами 5-16.
Входы выбора режимаустанавливают максимальное значение 9999 (когда первая счетная секция делит на5 или 10) или 15999 (когда первая счетная секция делит на 8, 4 или 2).
Три декады промежуточногосчетчика могут быть установлены в двоичное значение 15, а не в десятичное 9 исо своим весом (1, 10, 100) умножается на значение MODE. Например, для MODE=8,числа с которых может начать считать счетчик могут быть следующими: