Федеральное агентство пообразованию РФ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТСИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ПОТОКАЖИДКОСТИ
2009
Содержание
Введение
1 Анализтехнического задания
2 Разработкаструктурной схемы устройства
3 Выборэлементной базы
4 Расчёти выбор элементов электрической принципиальной схемы устройства
5 Оценкапогрешности измерения
Заключение
Список литературы
Введение
В данномкурсовом проекте решается задача синтеза, то есть проектирования электронногоустройства заданного функционального назначения и расчёта параметров элементоввыбранной схемы, удовлетворяющие заданным требованиям технического задания.
Процесспроектирования всегда связан с выбором оптимального варианта из несколькихвозможных, то есть устройство должно быть как можно меньших размеров,обеспечивать высокую точность, минимальные затраты на его производство. Анализэлектронных схем показывает, что построить измерительные устройства, одновременноудовлетворяющие требованиям минимума массы и габаритных размеров, высокогокачества и быстродействия измерения при высоких энергетических показателях,невозможно из-за ограничений, присущих используемым методом.
Данноеустройство рассчитано на высокую точность (порядка 2%), лёгкость в пониманииработы и настройки измерительного устройства.
1. Анализтехнического задания
Целью анализатехнического задания является, прежде всего, определение его некоторыхмоментов, без которых невозможно осуществить дальнейшее проектирование. Прианализе данного технического задания следует выбрать объект измерения.
Точностьизмерения минимальной скорости потока в абсолютных единицах составляет:
/>
Исходя изизмеряемого диапазона, определим минимальную и максимальную частоту замыканийдатчика и соответствующие этим частотам интервалы времени:
/>
Приопределении частоты замыканий и размыканий датчика за определённый периодвремени заданная точность измерения не будет достигнута. Поэтому в качестве объектаизмерения необходимо выбрать интервал между замыканиями контактов, и затем этотинтервал будет преобразован в скорость потока жидкости с выводом показаний наиндикаторы.
2.Разработка структурной схемы устройства
Структурнаясхема измерителя скорости потока жидкости, основанная на анализе техническогозадания, изображение на рис. 3.1
/>
Рис. 3.1Структурная схема измерителя скорости потока жидкости.
Схемаоснована на измерении числа импульсов с генератора опорной частоты (ГОЧ) за 3срабатывания датчика скорости с помощью двоичного счётчика импульсов СТ2, идальнейшем их усреднении и преобразовании среднего значения в код индикации спомощью преобразователя (X/Y) и выдачи на устройство индикации отбор 3‑х импульсовдатчик скорости (ДС) осуществляется с помощью двоичного счётчика СТ1 иэлементов «И-НЕ» и «И». После прохождения 3‑х импульсов СТ1 элемент «И»запирается и импульсы ДС не поступают. В схеме должен быть предусмотренгенератор тактовых импульсов (ГТИ) с периодом импульсов Тгти=2 мин. ивременем импульса tимп=10 мкс., необходимым для сброса счётчиков. При этом послекаждого импульса счётчики сбрасываются, замер происходит за время не более />, а остальноевремя до 2‑х минут новые показания высвечиваются на устройстве индикации.Для проведения поверки в схеме предусмотрен ключ (К) и поверочный генераторимпульсов Gобр.При нажатии ключа вход устройства переключается с датчика скорости на выходповерочного генератора Gобр. Примем, что частота импульсов поверочного генераторадолжна быть рассчитана таким образом, чтобы за 3 его импульса на индикаторахпоявилось число «888.88».
Временныедиаграммы, поясняющие работу устройства, приведены на рис. 3.2:
/>
3. Выборэлементной базы
После выбораи обоснования структурной схемы заданного электронного устройства необходимосделать выбор элементной базы. В первую очередь необходимо решить о типеэлементной базы, наиболее подходящем для проектируемого электронногоустройства.
1) Только ИМС(интегральные микросхемы);
2) Только ДЭ(дискретные элементы);
3) ИМС и ДЭ(смешанный тип элементной базы);
Наиболееподходящим для проектирования заданного измерителя является первый тип «толькоИМС».Практически же устройство, построенное на ИМС, всегда имеют некотороеколичество дискретных элементов, которые выполняют вспомогательные функции.
Далеенеобходимо составить перечень критериев в приоритетном порядке для выбора, какдискретных элементов, так и микросхем. Критерии и их приоритеты определяются, впервую очередь, условиями технического задания, а также другими задачами,решаемыми при проектировании электронных устройств или иного направления. Так,например, при проектировании устройств измерительной электроники решаютсязадачи увеличения точности показаний устройства, уменьшения его погрешности,массы, габаритов, стоимости.
Исходя извыше изложенного, составим перечень критериев в приоритетном порядке для выбораинтегральных микросхем:
1) Минимальноеэнергопотребление;
2) Минимальныегабариты;
3) Минимальнаямасса;
4) Минимальнаястоимость;
Наименьшимпотреблением мощности обладают микросхемы КМОП серий, поэтому припроектировании измерителя будем опираться на микросхемы именно этой серии,рассчитанных на напряжение питания 9 В. Выбор ИМС будет осуществлён принепосредственном расчёте электрической принципиальной схемы.
Составимперечень критериев в приоритетном порядке для выбора дискретных элементов:
1) Минимальныегабариты корпуса;
2) Минимальнаямасса;
3) Минимальнаяцена;
Выбордискретных элементов также будет осуществлён при непосредственном расчётеэлектрической принципиальной схемы устройства.
4. Расчёти выбор элементов электрической принципиальной схемы устройства
Устройство индикации.
Для индикациипоказаний скорости потока жидкости используем семисегментные индикаторы типаАЛС324А с типовой схемой включения [2]. Индикатор имеет следующие параметры:
Номинальныйток свечения Iсв.ном.=10мА;Прямое падение напряжения на светодиоде при номинальном токе свечения ΔUсд=2В.
Дляпреобразования 4‑разрядного двоично-десятичного кода цифры в кодиндикации используем специализированные дешифраторы типа К561ИД4 с типовойсхемой включения [3]. Для зажигания запятой в сегменте HG3 требуется подключитьчерез токоограничивающий резистор Rсв к напряжению источника питания Uп=9В.
Определимсопротивление и мощность этого резистора:
/>
По спр [4]выбираем резистор типа С2–23–0.125–680 Ом ±5%
Выборсчётчика опорных импульсов.
Дляобеспечения заданной точности измерения период импульсов ГОЧ должен быть равен:
/>
Исходя извеличины /> определимминимальные и максимальные число импульсов, поступающих на счётчик за один циклизмерения:
/>
Определимразрядность счётчика импульсов ГОЧ:
/>
14‑разрядныйдвоичный счётчик импульсов реализуем на основе каскадного включения микросхемтипа К561ИЕ10 [3]. Одна микросхема содержит в себе два 4‑разрядныхасинхронных счётчика. Для реализации 14‑разрядного двоичного счётчикапотребуется две микросхемы.
Преобразователькода.
В качествепреобразователя выходного кода счётчика в двоично-десятичный 5‑тетрадныйкод скорости потока жидкости используем постоянное запоминающее устройство(ПЗУ), запрограммировав его соответствующим образом. Разрядность входнойадресной шины этого ПЗУ должна быть не ниже:
/>
поразрядности счётчика импульсов ГОЧ, а разрядность шины выходных данных должнабыть не ниже:
/>
(по числутетрад двоично-десятичного кода).
В качествеПЗУ используем параллельное включение двух микросхем типа КР587РП1 с типовойсхемой включения [3]. Эта микросхема является ПЗУ на основе программируемойлогической матрицы (ПЛМ) с 14‑разрядной выходной шиной данных и с двумяадресными шинами 14‑разрядной и 4‑разрядной. Направление потокаинформации задаётся соответствующими управляющими сигналами.
Выборсчётчика импульсов датчика скорости.
Для счётаимпульсов датчика скорости достаточно использование 2‑разрядного счётчикаимпульсов. Поэтому в качестве счётчика импульсов датчика скорости используеммикросхему типа К561ИЕ10 [3]. Микросхема является 4‑разрядным счётчиком.
Расчётгенератора опорной частоты.
Как быловычислено выше, период импульсов ГОЧ должен быть равен /> и для достижения заданнойточности показаний также иметь не ниже заданной точности, поэтому генераторопорной частоты должен быть с кварцевой стабилизацией. Схема ГОЧ с кварцевойстабилизацией частоты изображена на рис. 5.5.1 [5].
/>
Рис. 5.5.1Схема ГОЧ с кварцевой стабилизацией частоты.
Периодвыходных импульсов ГОЧ определяется только частотой кварцевого генератора.Определим необходимую частоту кварцевого генератора:
/>
Выбираемкварцевый резонатор типа РК‑169МА‑14БП‑12.5кГц-В [6].
В качествеэлементов «И-НЕ» для ГОЧ используем микросхему типа К561ЛА7.
Расчёт ивыбор элементов генератора тактовых импульсов.
Генератортактовых импульсов (ГТИ) должен генерировать последовательность тактовыхимпульсов с периодом /> и временем импульса />. Схему такогоГТИ спроектируем на основе генератора с кварцевой стабилизацией и делителячастоты. Функциональная схема такого ГТИ изображена на рис. 5.6.1:
/>
Рис. 5.6.1Функциональная схема ГТИ.
В качествеэлементов «И-НЕ» для генератора с кварцевой стабилизацией частоты используемвыше выбранную микросхему типа К561ЛА7. Определим выходную частоту генератора скварцевой стабилизацией и частоту кварцевого резонатора:
/>
Выбираемкварцевый резонатор типа РК‑169МЛ‑14БП‑100кГц-В [6].
Определимкоэффициент деления делителя частоты:
/>
Делительчастоты с данным коэффициентом деления спроектируем на основе последовательноговключения двух микросхем программируемых счётчиков типа К561ИЕ15 [3].
/>
Таблица5.6.1. Программируемый счётчик
/>
Таблица5.6.2. Выбор входов и коэффициента деления счётчика
/>
Таблица5.6.3. Рабочие состояния счётчика ИС К564ИЕ15.
Микросхемапредставляет собой программируемый счётчик-делитель с коэффициентом деления №3…21327с дискретом, равным единицы.
Счётчик можетработать в двух режимах деления и однократного счёта. Режим деленияпредставляет собой режим, когда на выходе образуются импульсы с частотой fвх/N и длительностью,соответствующей периоду поступающей частоты fвх. Режим однократногосчёта представляет собой режим, когда после поступления на входзапрограммированных N импульсов на выходе микросхемы появляется сигнал высокого уровня,не меняющийся с приходом последующих тактовых импульсов.
Микросхемасостоит из четырёх счётных секций: основной считывающей, состоящей из подсекциимодуля и остатка и подсекции тысяч, секции единиц, секции десятков и секциисотен. Каждая секция представляет собой четырёхразрядный счётчик спредварительной установкой, работающей на вычитание.
Работамикросхемы описывается следующим выражением:
/> (5.6.1)
Где N‑коэффициентделения, М-модуль устанавливаемый по входам Ka, Kb, Kc; P1‑множитель тысяч,устанавливается входами J1‑J4; P2, P3, P4 – множители сотен, десятков, единиц, каждый устанавливаетсясоответствующей четвёркой входов J13‑J16, J9‑J12, J5‑J8; P5‑остаток, устанавливаемый входами J1‑J4.
Модуль Мпредназначен для быстрого ступенчатого изменения частоты в 10; 12,5; 20; 25; и50 раз и может принимать значения соответственно 2, 4, 5, 8, 10. Числа Р1‑Р4могут быть представлены как в десятичной, так и в шестнадцатеричной системесчисления. При задании этих чисел десятичным кодом наибольший коэффициентделения N=15999.Для ввода в микросхему числа Р1‑Р5 должны быть представлены в двоичномкоде. Микросхему можно представить как два последовательных вычитающихсчётчика. Первый счётчик (подсекция модуля и остатка) осуществляет деление наМ, второй делит импульсы частоты fвх/M на число, равное выражению в скобках.
С началомсчёта в подсекцию модуля и остатка вводится число, равное модулю, и в ходесчёта на выходе подсекции возникают импульсы с частотой fвх/M, пока не окончится счётвторым счётчиком, что имеет место, когда текущее число станет равным 1. В этовремя происходит перезапись исходного числа N во все разряды счётчика,после чего начинается новый цикл счёта.
Для установкимикросхемы в исходное состояние необходим режим предварительной установки Kb=Kc=0 не менее трёх полныхпериодов тактовой частоты.
Коэффициентделения делителя частоты /> при последовательном включениивыбранных микросхем определится из соотношения />, где /> и /> – коэффициенты деления частотыдля первой и второй последовательно включенных микросхем, определяемыесоотношением:
/>
Примем /> тогда />
Распишемкоэффициенты />. Из выражения 5.6.3 для получениянеобходимых величин /> и />:
М1=5; р1.1=2;р2.1=0; р3.1=0; р4.1=0; р5.1=0;
М2=2; р1.2=0;р2.2=3; р3.2=0; р4.2=0; р5.2=0;
Исходя изполученных коэффициентов согласно таблицам 5.6.2 и 5.6.3, определим состоянияустановочных входов для обеих микросхем:
/>
Для созданияуровня логического нуля вывод микросхемы необходимо соединить с общей шиной, адля создания уровня логической единицы вывод микросхемы следует подключить кисточнику питания через резистор сопротивлением 10 кОм.
Выбор датчикаскорости потока жидкости.
В качестведатчика скорости потока жидкости, удовлетворяющему техническому заданию,используем датчик объёмного расхода жидкости турбинный типа ДОРТ‑3 [7].Схематическая конструкция датчика изображена на рис. 5.7.1:
/>
Рис. 5.7.1Схематическая конструкция датчика
Он состоит изтрубы из немагнитного материала, по которой протекает жидкость. В труберасположена на оси турбинка с несколькими магнитными лопастями, а с наружитрубы располагаются герконовые контакты. При прохождении магнитной лопастирядом с герконом контакт замыкается. Таким образом, чем больше скорость потокажидкости, тем больше частота вращения турбинки, и тем больше частота замыканийгерконовых контактов.
Расчётповерочного устройства.
Дляпереключения устройства в режим поверки используем ключ. Поверочный индикатортактовых импульсов (Gобр) должен быть рассчитан таким образом, чтобы в режиме «поверка»на индикаторах отображалось показание «888.88». Примем, что ПЗУ будетзапрограммирован таким образом, что заданное число будет высвечиваться причисле импульсов Nобр=51. Исходя из этого определим период генерации импульсовобразцового генератора:
/>
Поверочныйгенератор импульсов с точной выдержкой спроектируем на основе интегральноготаймера типа КР1006ВИ1 [5].
Одна израспространенных схем автоколебательного мультивибратора приведена на рис. 5.8.1
/>
Рис. 5.8.1Автоколебательный мультивибратор.
До включенияисточника питания Е конденсатор был разряжен. После включения источника впервый момент конденсатор остаётся разряженным, и напряжение на нём, аследовательно, и на соединённых между собой контактах 2 и 6 интегральноготаймера равно 0. При этом напряжение на контакте на контакте 2 (нулевое)оказывается меньше порогового уровня U1, компаратор DA2 включается, вырабатываявыходной сигнал, воздействующий на вход R триггера. На выходетриггера устанавливается сигнал логического нуля, на выходном контакте 3интегрального таймера – сигнал логической 1, то есть с уровнем Е1. Выходноенапряжение +Е1 начинает заряжать конденсатор Сt через резистор Rt с постоянной времени τ=RtCt (предполагается чтовыходное сопротивление инвертора DD1 существенно меньше Rt). Когда напряжение на С1перейдёт пороговый уровень U1, компаратор DA2 выключится. Однако RS‑триггер останетсяв том же положении, так как сигнал на его установочный вход S ещё не поступил. Зарядконденсатора продолжается. Когда напряжение на конденсаторе Ct, а следовательно, и наконтакте 6 таймера превысит уровень U2, включается компаратор DA1 и выходной сигнал снего поступает на вход S триггера и переключает его в состояние логической 1 навыходе. На контакте 3 интегрального таймера устанавливается логический 0 (E0). Конденсатор Ct начинает разряжатьсячерез резистор Rt от напряжения U2 к уровню E0. Когда напряжение снизиться до U1, произойдёт очередное переключениевыходного напряжения.
Графикинапряжения на конденсаторе Ct и выходном контакте 3 интегрального таймерапоказаны на рис. 5.8.1
Считая, чтодлительность выходного импульса соответствует сигналу логической единицы наконтакте 3, определим длительность выходного импульса. Учитываяэкспоненциальный характер изменения напряжения на конденсаторе Ct при его зарядке, несложно получить выражение:
/>
Промежутоквремени между выходными импульсами:
/>
Для точнойоценки периода колебаний используется выражение:
/>
Времязадающийконденсатор выберем типа К10–170–25В‑0.047мкФ[4].
Из выражения5.8.3 определим величину сопротивления времязадающего резистора:
/>
В качествевремязадающего резистора выбираем подстроечный многообратный резистор с разрешающейспособностью δR=0.1% типа СП5–2ВА‑0.5–24кОм±10% [4].
Выбор другихлогических микросхем
В качествелогических элементов «И» рис. 3.1 используем микросхему типа К561ЛА7 споследовательным включением элементов.
Длясоединения измерителя с датчиком скоростью и питающем напряжением используемразъём типа ГРПМ[4].
5. Оценкапогрешности измерения
Заданнаяточность измерения обеспечивается разрядностью счётчика импульсов. Посколькугенератор опорных импульсов спроектирован с использованием кварцевого резонатора,то погрешность измерения не превысит заданной точности.
Заключение
Разработанноеустройство (измеритель скорости потока жидкости), предназначенное для контролярасхода жидкости в закрытых и открытых системах её циркуляции, позволяетизмерять скорость потока жидкости в пределах от 1 до 100 м/с.
В целяхобеспечения точности, надёжности работы устройства и его простоты, большинствоузлов выполнено в интегральном исполнении. При этом суммарная погрешностьизмерения не превышает 2%.
Списоклитературы
1) В.А. Скворцов, А.В. Топор,Электронные цепи и микро – схемотехника. Часть II: Методические указания ккурсовому пректу. – Томск ТУСУР, 2007. – 31 с.
2) Б.Л. Лисицын.Отечественные приборы индикации и их зарубежные аналоги: Справочник. – М.:Радио и связь, 1993–432 с.
3) Б.В. Тарабрин, Л.Ф. Лунин,Ю.Н. Смирнов и др. – М.: Радио и связь, 1983. – 528 с.
4) Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков,В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходорёнок – Резисторы, конденсаторы,трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА Мн.: Беларусь, 1994–591 с.
5) В.М. Герасимов, В.А. Скворцов.Электронные цепи и микросхемотехника. Краткий курс лекций для студентовспециальности «Промышленная электроника». – Томск: ТУСУР, 1998–176 с.
6) Г.И. Пухальский, Т.Я. Новосельцева.Проектирование цифровых устройств на интегральных микросхемах: Справочник. –М.: Радио и связь, 1990–304 с.
7) В.Э. Низэ, И.В. Антика.Справочник по средствам автоматики. – М.: 1983–504 с.