КОМП’ЮТЕРНЕМОДЕЛЮВАННЯ вимірювальної системи
(курсова робота)
АНОТАЦІЯ
Пояснююча запискаскладається з основних розділів, які пов’язані з аналізом й обґрунтуванням темикурсової роботи, призначенням і областю застосування, описом функціональних можливостейпрограми, вибором технічних і програмних засобів, організації вхідних та вихіднихрезультатів, розглядом очікуваних техніко – економічних показників та списком використанихджерел літератури при розробці програмного продукту. Пояснювальна записка міститьвідомості про сенсори, підсилювачі, АЦП, способи обміну даними через паралельніпорти.
ЗМІСТ
Вступ
1. Призначення та область застосування
2. Технічні характеристики 2.1 Постановка задачі на розробку програми
2.1.1 Параметри тапринципи роботи термопар
2.1.2 Будова і принцип роботи підсилювача
2.1.3 Аналогово-цифровий перетворювач
2.1.4 Мультиплексор
2.1.5 Паралельний порт
2.2 Опис алгоритму і функціонуванняпрограми
2.3 Опис організації вхідних та вихідних даних
2.4 Опис організації вибору технічних і програмних засобів
3. ОЧІКУВАНІ ТЕХНІКО – ЕКОНОМІЧНІПОКАЗНИКИ
Список використаних джерел
Вступ
Зчитування сигналусистеми відбувається з термопари, далі сигнал подається на підсилювач та на АЦП.Взаємодія комп’ютера із системою вводу відбувається через паралельний порт (LPT), а для узгодження порта і АЦП використовуєтьсямультиплексор. Перелічені пристрої можна описати за допомогою математичної моделі,яка враховує основні параметри пристроїв та способи перетворення сигналу. На основітакої математичної моделі потрібно створити програму, яка моделює роботу вимірювальноїсистеми.
Метою пояснювальноїзаписки є ознайомлення з принципами роботи термопар, підсилювачів, АЦП, мультиплексорів,паралельного порта комп’ютера, а також з програмною реалізацією вимірювальної системи.
/>1. Призначення та область застосування
Розроблена програмапризначена для вивчення роботи вимірювальної системи, що складається з термопари,підсилювача, АЦП, мультиплексора, паралельного порта комп’ютера. Програма може використовуватисяпри вивченні і закріпленні матеріалу з дисципліни „Пристрої зв’язку з об’єктом”.
2. Технічні характеристики 2.1 Постановка задачі на розробку програми
При вивченні роботивимірювальної системи велика увага значенням сигналу на різних етапах обробки. Томустворена програма повинна забезпечувати зручне представлення параметрів всіх пристроївсистеми і самого сигналу. Враховуючи вищенаведені обставини, можна підвищити ефективністьвивчення навчального матеріалу з дисципліни „Пристрої зв’язку з об’єктом”, а цимсамими покращити навчальний процес на кафедрі КСМ Чернівецького національного університетуімені Ю. Федьковича.
Розглянемо роботупристроїв вимірювальної системи, а саме термопари, підсилювача, АЦП, мультиплексора,паралельного порта комп’ютера, більш детально.
2.1.1 Параметри та принципи роботи термопар
Термопара – це двапровідника (термоелектрода), виготовлені з різних металів і сплавів, спаяні (зварені)в одній точці [1].
Чутливість термопардо температури заснована на термоелектричному ефекті (ефекті Сібека (Seebeck), поімені винайденим його в 1821 році дослідника), при якому використовується з’єднаннядвох матеріалів (металів і сплавів, наприклад міді і мідно-нікелевого сплавів, залізаі мідно-нікелевого сплавів чи платини і платинорідного сплавів).
Коли кінці провідниказнаходяться при різних температурах, між ними виникає різниця потенціалів, пропорційнадо різниці температур. Такий коефіцієнт пропорційності називають коефіцієнтом термоерс.У різних матеріалів коефіцієнт термоерс різний, тому різниця потенціалів між кінцямирізних провідників буде відмінною від нуля. Розміщуючи спай з металів з різнимитермоерс в середовище з температурою Т1, а інші кінці провідників притемпературі Т2, то на кінцях провідників отримається напруга, пропорційнадо різниці температур Т1 і Т2.
Перший термоелементбув створений в 1887 році французьким науковцем Ле Шателье (le Chatelier). В термоелементідві точки контакту А і В з’єднані двома паралельними провідниками, виконаними зрізних металів (наприклад, алюміній і мідь). Таким чином утворюється замкнутий ланцюг(рис.2.1).
/>
Рис.2.1.Принцип роботитермоелемента
Якщо температури вточках А і В відрізняються, то по ланцюгу починає протікати електричний струм. Якщоміж спаями є різниця температур, то на виході термопари буде напруга U. ЗалежностіU(T) для різних матеріалів відомі, що дозволяє визначати T через U. Якщо один спайзанурити, наприклад, в лід що тане (0°С), а інший ввести в контакт з об’єктом вимірювання,то між ними з’являється термо-ЕРС, яку можна виміряти, і яка складає, в залежностівід виду термопари 7…75 мкВ/°С.
У випадку термопариз міді і мідно-нікелевого сплаву термо-ЕРС в діапазоні температур 0…100°С складаєприблизно 40 мкВ/°С. При різниці температур спаїв в 100°С отримуємо приблизно 4.3мВ. Для достатньо точного виміру такої незначної напруги необхідні дорогі та складнівимірювальні підсилювачі. Крім того опорна температура завжди має підтримуватисяна одному рівні або також вимірюватися.
Термопари є невеликими,точними і відносно недорогими пристроями, які працюють у широкому діапазоні температур.Вони особливо корисні при виконанні вимірювання досить високих температур (до +2300˚С) в агресивних середовищах. Вони дають на виході мілівольтні сигнали і потребуютьточного підсилення для проведення подальшої їх обробки. Вони також потребують мірпо компенсації температури холодного спаю. Вони більш лінійні, ніж багато іншихсенсорів й їх нелінійність добре формалізована. Для створення термопар використовуютьнаступні метали і сплави: залізо, платина, родій, реній, вольфрам, мідь, алюмень(сплав нікеля і алюмінія), хромель (сплав нікеля і хрому), константан (сплав мідіі нікелю), копель (сплав нікелю, заліза і міді) та ін.
Часто одночасно використовуєтьсядва спаї (диференційна термопара), один з яких знаходиться при відомій (опорній)температурі, а другий вимірює температуру об’єкту і називається чутливим або вимірювальним.
/>
Рис. 2.2. Диференційнатермопара
На рис. 2.3 показанікриві залежності напруги від температури для трьох поширених термопар при фіксованійтемпературі опорного спаю (холодного спаю) 0˚С. З показаних сенсорів термопариJ є найбільш чутливими, для яких заданому перепаду температури відповідає найбільшавихідна напруга. З іншої сторони, термопари S є найменш чутливими. Наведені характеристикикорисні при розробці схем нормування сигналів, оскільки для термопари з малими вихіднимисигналами потрібні підсилювачі з більш низькими шумами, малим дрейфом і високимпідсиленням.
Для розуміння поведінкитермопари потрібно розглянути нелінійність її відгуку на перепад температури. Нарис. 2.3 показано відношення між температурою вимірювального спаю і вихідною напругоюдля ряду термопар (в усіх випадках холодний спай підтримується при температурі 0˚С).
/>
/>
Рис. 2.3. Характеристикитермопар: а) залежність вихідної напруги від температури; б) перша похідна залежностінапруги від температури.
Згідно із завданням в якості сенсора використовуєтьсятермопара „Мідь-константан”типу Т. Температурний діапазон термопари від 0 до 400 ºС [1, С.46]. Апроксимуючий поліном:
/>, (2.1)
де E – термоелектрорушійна сила (терс), мкВ;i 1 2 3 4 5
bi
3,87408·101
3,31902·10-2
2,07142·10-4
-2,19458·10-6
1,10319·10-8 i 6 7 8
bi
-3,09275·10-11
4,56533·10-14
-2,76169·10-17
Таблиця 2.1. Номінальна статична характеристикаперетворення термопари „Мідь-константан”T, ºС 100 200 300 400 E, мВ 0,000 4,277 9,286 14,860 20,869
2.1.2 Будова і принципроботи підсилювача
Згідно завдання схемапід’єднання операційного підсилювача А1 [2]:
/>
Рис.2.4. Схема підсилювача
Коефіцієнт підсилення схеми по напрузі:
/>. (2.2)
Згідно завдання R1 =12 кОм, R2 =120 кОм.
2.1.3 Аналогово-цифровийперетворювач
Для комп’ютерної обробки дискретні аналогові значеннявимірювального сигналу, необхідно представити в цифровій формі, тобто виконати аналого-цифрове(AC, Analog-Digital – A/D) перетворення. Відповідний пристрій являється аналого-цифровимперетворювачем (АЦП, Analog-Digital Converter, ADC Converter – ADC). АЦП генеруєдвійкове слово – цифровий вихід – на основі аналогового сигналу. АЦП може працюватиу відповідності з різними принципами: паралельне порівняння, покрокове наближення(апроксимація) [2-4].
Метод послідовноїлічби із застосуванням АЦП заснований на урівноваженні вхідної напруги сумою еталонів,які підраховуються лічильником. Момент урівноваження визначається аналоговим компаратором.Схема АЦП послідовної лічби показана на рис. 2.5. а. У ній за сигналом «Пуск»RS-тригер переключається в стан «1» і дозволяє проходження імпульсів відгенератора G через елемент І на вхід підсумовування двійкового лічильника СТ2.
/>
Рис. 2.5. Аналого-цифровийперетворювач послідовної лічби з ЦАП: а – схема; б – часові діаграми роботи
Наростаючий цифровийкод з виходу лічильників СТ2 перетворюється за допомогою ЦАП в напругу, яка подаєтьсяна вхід компаратора КОМП. На другий вхід КОМП поступає вимірювана напруга Uвх. Умомент рівності напруг UВХ=UЦАП компаратор виробляє сигналскидання тригера. Після цього рахунок імпульсів припиняється і на виході лічильникаСТ2 фіксується цифровий еквівалент вхідної напруги. Час перетворення tпрзалежить від значення напруги UВХ (рис. 2.5, б).
Згідно завданню схемаАЦП:
/>
Рис. 2.6. Схема АЦП
Роздільна здатністьn-бітного АЦП
h = U0/ (2n -1), (2.3)
де U0–опорна напруга.
Цифрове значення навиході АЦП:
D =Round(U2/h).(2.4)
Згідно завданню розрядністьАЦП n=8, опорна напруга U0 =1 В.
2.1.4 Мультиплексор
В багатьох випадкахрізні елементи системи повинні разом використовувати деякі обмежені ресурси, наприкладвхідний порт комп’ютера або довгий сигнальний кабель, по котрому передається інформаціявід декількох датчиків. Мультиплексування (multiplexing) [2] дає можливість комп’ютеруу будь-який момент часу вибрати сигнал, який датчику необхідно зчитати. Іншими словамимультиплексор (multiplexer) можна розглядати як перемикач (комутатор), який з’єднуєкомп’ютер у кожен момент часу тільки з одним датчиком (рис.2.7). Мультиплексуваннязастосовується не тільки в області вимірювання, але й відіграє, хоча і в іншомусенсі, важливу роль в техніці зв’язку.
/>
Рис. 2.7. Мультиплексуванняі АЦ – перетворення вимірювальної інформації
Мультиплексор можебути електромеханічним або електронним. Якщо вважати, що всі виходи мультиплексорапронумеровані, то перемикання зазвичай відбувається послідовно у відповідності зпорядковим номером; однак застосовуються і інші алгоритми. Електромеханічний мультиплексорз язичковим реле – надійна, хоча до деякої міри, повільна система; він може виконуватидо сотні комутацій в секунду. Експлуатаційний період мультиплексора цього типу обмеженийприроднім зношування рухомих частин, хоча, з іншого боку, такі системи мають добріізолюючі якості й низьку вартість. Інший не менш важливий фактор – дуже мале зниженнянапруги на контактах. Для порівняння: електронний напівпровідниковий мультиплексомзначно швидший (комутація триває не більше кількох мікросекунд).
Згідно завданню схемамультиплексора наступна:
/>
Рис. 2.8. Сигналимультиплексора
2.1.5 Паралельний порт
Основне призначення паралельного порту(інтерфейс Centronics, аналог ИРПР-М) – це під’єднання до комп’ютера принтерів різнихтипів [5, 6]. Тому розміщення контактів роз’єму, призначеннясигналів та програмні засоби орієнтовані на це застосування. В той же час черезCentronics можна керувати й нестандартними зовнішніми пристроями. Перевагами Centronicsє стандартність, простота та паралельність (рис. 2.9).
Для зв’язку комп’ютера із зовнішніми пристроямислужать порти. Одні порти служать для вводу даних в комп’ютер, а інші — для виводу.Дані в порт записуються і зчитуються по шині даних D0-D7 (8 біт), а для вибору конкретногопорту використовується шина адреси A0-A15 (16 біт).
/>
Рис. 2.9. Ввід-вивідданих через паралельний порт
Фактично паралельний порт складається з трьох 8-бітнихпортів/ регіcтрів:
1) DR – Data Register, 8 – бітний регістр даних (вивід);
2) SR — Status Register, 5-бітний регістр стану (ввід);
3) CR – Control Register, 4-бітний регістр контролю (вивід);
при цьому DR, CR служать для виводу даних з комп’ютера,а SR – для вводу. Кожному біту (розряду) порту принтера фізично відповідає одинконтакт в роз’ємі. Використовується такі адреси портів принтера: LPT1 ($00378),LPT2 ($00278) і LPT3($003BC). Для більшості комп’ютерів адреси портів принтера (LPT1)в шістнадцятковій системі наступні: DR ($00378); SR ($00379), CR ($0037А), тобтоадреса наступного регістра на 1 більша від попереднього, проте адреса першого портаможе бути різною. Визначити адресу – в BIOS.
Логічній одиниці на розряді паралельного порту відповідаєнапруга +5В, а логічному нулю – 0 В. Проте, якщо розряд інверсний, то логічній одиницівідповідає 0 В, а логічному нулю – 5В.
Інформація в порт зчитується по 4 біти:
/>
Рис. 2.10. Зчитування бітів у порт
2.2 Опис алгоритму і функціонування програми
Алгоритм програмиполягає в зчитуванні початкового сигналу (температури), перетворенні температурив аналогову напругу за допомогою термопари, напруги – у цифровий сигнал за допомогоюАЦП, зчитуванні цифрового сигналу в порт через мультиплексор.
2.3 Опис організації вхідних та вихіднихданих
В якості вхідних даних використано значення температури,а також параметри термопари, підсилювача, АЦП, мультиплексора. Вихідні дані – значеннясигналу на різних етапах обробки, графік вихідного цифрового сигналу.
2.4 Опис організації виборутехнічних і програмних засобів
Розроблений програмнийпродукт орієнтований на роботу в ОС Windows 95/98/NT/XP, тому для коректної роботипрограми необхідне стабільне функціонування ОС. Під час виконання, програма не звертаєтьсядо інших програмних продуктів, таких як Microsoft Office та ін.
Для усунення виявленихпомилок та створення завантажувального файлу необхідний встановлений пакет інструментальнихзасобів Borland Delphi.
До технічних засобіввідносимо ПК. Мінімальними вимогами, за яких програма працюватиме та буде видаватидостовірні результати, до апаратної частини ПК, можна вважати:
/>• процесор 6-го покоління Intel Celeron533 МГц;
• об’єм оперативноїпам’яті 256 Мб.;
• жорсткий диск ємністю20 Гб.
3. ОЧІКУВАНІ ТЕХНІКО – ЕКОНОМІЧНІ ПОКАЗНИКИ
Використовуючи розроблений програмний продукт, студентмає можливість візуально вивчати роботу вимірювальної системи. Організація підготовкидо виконання лабораторної роботи, використовуючи розроблений програмний продукт,економить викладачу час на пояснення теоретичного матеріалу, що надає можливістьвикористати його в інших цілях.
До переваг такої програми можна віднести її вузьку спеціалізаціюз наявним програмним кодом, на відміну від її можливих аналогів. Використовуючипрограмний код, можна розширювати функціональні можливості програми, в залежностівід потреб. Таким чином, можна покращити його техніко – економічні показники таефективність використання в навчальному процесі.
Список використанихджерел
1. РогельбергИ.Л., Бейлин В.М. Сплавы для термопар. Справоч. изд. – М.: Металлургия, 1983. –360 с.
2. Бабич М.П. Жуков І.А.Комп’ютерна схемотехніка: Навчальний посібник. – К.: МК-Пресс, 2004. – 412 с.
3. Ан П. СопряжениеПК с внешними устройствами: Пер. с англ.– М.: ДМК Пресс, 2001.– 320 с.
4. Гелль П. Какпревратить компьютер в измерительный комплекс. – М.: ДМК, 1999. – 144 с.
5. Гук М. ИнтерфейсыПК: справочник. – СПб.: Питер, 1999. – 416 с.
6. Новиков Ю.В.,Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютератипа IBM PC. – М.: ЭКОМ, 1997. – 224 с.