МинистерствоНауки и Образования Российской Федерации
КурганскийГосударственный Университет
КафедраАвтоматизации технологических процессов и производств
КУРСОВАЯРАБОТА
Расчетно-пояснительнаязаписка
по дисциплине:«Вычислительные машины, системы и сети»
на тему: «Одноканальноеустройство контроля температуры»
Студент: Сумец А.Ф.
гр. Т-413
Руководитель:
Стукало В.А.
Курган 2006
Аннотация
В данной курсовой работерассматривается разработка одноканального устройства контроля температуры.
Курсовая работа состоитиз следующих частей:
1. Расчетно-пояснительная записка;
2. Графическая часть:
a. Функциональнаясхема
b. Электрическаяпринципиальная схема
c. Спецификация (2листа)
d. Временные диаграммы(IOR – чтение, IOW – запись)
e. Блок схемауправляющей программы.
Расчетно-пояснительнаязаписка сделана в Word 2002, аграфическая часть – Компас 8.0.
Содержание
Введение
1. Техническоезадание
1.1 Наименованиеи область применения
1.2 Основаниядля разработки
1.3 Цельи назначение разработки
1.4 Режимыработы устройства
1.5 Источникиразработки
1.6 Условияэксплуатации
1.7 Техническиетребования
1.8 Стадиии этапы разработки
1.9. Порядокконтроля и приема
2. Разработкаодноканального устройства контроля температуры
2.1 Разработкафункциональной схемы
2.2 Разработкапринципиальной электрической схемы
2.2.1Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
2.2.2Селектор адреса
2.2.3Формирователь стробов
2.2.4 Регистрзаписи
2.2.5 Цифро-аналоговыйпреобразователь
2.2.6 Регистрчтения
2.2.7 Трансляторпрерывания
2.3 Описаниевременных диаграмм
2.4 Разработкаалгоритма управляющей программы
2.5 Настройкаустройства на работу
Заключение
Приложение1
Списокиспользованной литературы
Введение
В последнее время персональныекомпьютеры получили очень широкое распространение во всех сферах жизниобщества. Они используются и в производственной области для решения задачуправления, измерения, автоматизации. Нередко к компьютеру бывает необходимоподключить какое-либо устройство. Это можно сделать с помощью стандартныхвыходов: параллельного (LPT) ипоследовательного (COM) портов, атакже можно использовать шину ISA –она является практически стандартной шиной для персональных компьютеров типа IBM PC AT и совместимых с ними.
Шина ISA (Industry StandartArchitecture) – шина, применявшаяся с первыхмоделей PC и ставшая промышленным стандартом.
В настоящее время в средеперсональной компьютерной техники шина ISA является устаревшей. На смену ей пришли шина PCI и достаточно бурно развивающаяся впоследнее время технология PCI Express.
Но, несмотря на все это, шина ISA не потеряла своего значения. Она досих пор используется в промышленных компьютерах. Это связано с тем, чтоустройства сопряжения с датчиками, подключаемые к шине ISA, можно без особых трудностей разрабатывать и собиратьв домашних условиях. А это очень важно при проектировании автоматизированныхсистем.
Помимо этого, отметим, что для шинISA ряд фирм выпускает карты-прототипы (Protitype Card), представляющие собойпечатные платы полного или уменьшенного формата с крепежной скобой. На платахустановлены обязательные интерфейсные цепи — буфер данных, дешифратор адреса инекоторые другие. Остальное поле платы представляет собой «слепыш»,на котором разработчик может разместить макетный вариант своего устройства. Этиплаты удобны для макетной проверки нового изделия, а также для монтажаединичных экземпляров устройства, когда разработка и изготовление печатнойплаты нерентабельно.
Данная работа посвящена разработкеустройства, подключаемого к стандартному ISA интерфейсу системной магистрали IBM-совместимого компьютера: адаптераодноканального устройства контроля температуры, который является устройствомсопряжения между датчиком температуры с одной стороны и компьютером с другойстороны.
1.Техническое задание на курсовое проектирование по курсу “Вычислительные машины,системы и сети”
1.1 Наименованиеи область применения
Одноканальное устройствоконтроля температуры применяются для измерения и контроля температур силовыхэлементов таких, как транзисторы или тиристоры, отвечающие за управлениедвигателем переменного тока, в диапазоне 0…100°С.
В данном устройствеконтроля температуры применяется эффект изменения сопротивления терморезистора.В качестве рабочего терморезистора используется стандартный медныйтеромпреобразователь ТСМ50М.
Устройство должнообеспечивать передачу информации о температуре в рабочей зоне технологическогопроцесса в ПЭВМ через ISA-разъем. При этом компьютер должен осуществлять циклычтения и записи данных по программе. После передачи информации должнаосуществляться визуализация полученных данных на мониторе ЭВМ.
Одноканальное устройствоконтроля температуры выполнено в виде одного отдельного блока. Питаниеустройства осуществляется через разъем ISA.
Устройство собрано напечатной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита. Устройствоимеет экранировку со степенью защиты IP42.
Оцифровка аналоговойинформации должна осуществляться с помощью 10 — битового аналого-цифровогопреобразователя (АЦП), который
является главным звеномв схеме адаптера. АЦП работает, не зависимо от тактовой частоты шины ISA.
Для снижения помех иисключения ложных срабатываний возле каждой микросхемы должно быть установленопо одному керамический конденсатору и неиспользуемые входы логических элементовдолжны быть соединены с общим проводом.
1.2Основания для разработки
Основанием для разработкиявляется учебный план для специальности
220301 “Автоматизациипроизводственных процессов”, а также задание на курсовую работу по дисциплине«Вычислительные машины, системы и сети».
1.3 Цель иназначение разработки
Целью работы является разработкаодноканального устройства контроля температуры для контроля и измерения температурсиловых элементов, отвечающих за управление ДПТ, в диапазоне от 0 до 100°С.
1.4 Режимыработы устройства
Одноканальное устройство контроля температуры будет работатьв одном режиме. Измерение по прерываниям. В этом режиме цикл чтения информациис устройства будет осуществляться по прерыванию основной управляющей программы.При этом содержание вектора прерывания (адрес программы обработки прерывания)будет изменяться, а после выполнения прерывания – восстанавливаться.
1.5 Источникиразработки
Основным источникомразработки являются:
1) Стукало В.А.Методическое указание по курсовому проектированию по дисциплине «Вычислительныемашины, системы и сети» для студентов специальности 220301.
2) Левшина Е.С., НовицкийП.В. Электрические изме рения физических величин: (Измерительныепреобразователи). Учеб. пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1983. – 320 с., ил.
3) Фрунзе А. Простойтермометр на основе резистивного термодатчика. — Схемотехника, 2000, №2, с. 49,50.
1.6 Условияэксплуатации
Для эксплуатации устройствав составе ПЭВМ необходимо чтобы промышленный компьютер удовлетворял следующимусловиям:
— температура окружающеговоздуха 0…50ºС;
— относительная влажностьвоздуха 5…85% при 50ºС;
— вибрация: частота 5…17Гц при амплитуде 3 мм;
— степень защиты попередней панели IP42 (при закрытойзащитной шторке);
При работе для охлаждениякорпуса и внутреннего содержимого ПЭВМ должен быть предусмотрен кондиционер.
Во избежание влиянияэлектромагнитных помех устройство должно быть снабжено экранировкой.
Питание двухканальногоустройства контроля температуры должно осуществляться от шины ISA. Напряжения питания шины ISA: +12В, -12В, +5В.
1.7Технические требования
Устройство должно быть выполнено на отдельной плате,вставляемой в разъем шины ISA. Датчики усилитель вынесен на отдельную плату. Это делается, исходя из того, чтопадение напряжения на терморезисторе мало и его нужно сначала усилить, а потомпередать устройству через разъем Х2.
Конструктивно устройство должно быть оснащено экранировкой.Плата должна быть покрыта лаком, для исключения замыкания дорожек на плате, ипопадания пыли на токоведущие части платы.
Безопасность обеспечивается отсутствием на схеменеизолированных электрически опасных для человека цепей.
Устройство должноудовлетворять всем требованиям плат расширения, подключаемых к ПЭВМ черезинтерфейс ISA. Шаг контактов: 2,54 мм. Толщина платы: 1,6 мм.
Устройство требуетналичия свободных ISA слотов впромышленном компьютере. Плата устройства должна вставляться в разъем ISA до упора.
По пожарной безопасностиустройство должно соответствовать ГОСТ Р 50571.17-2000.
1.8 Стадиии этапы разработки
Разработка устройствавыполняется в сроки, предусмотренные самим разработчиком.
Разработку устройстваможно разбить на следующие этапы:
— проектированиеструктурной схемы;
— разработкапринципиальной электрической схемы;
— разработка отдельныхэлектронных частей устройства, подбор микросхем;
— контрольработоспособности схемы посредством составления временных диаграмм и коррекцияпринципиальной электрической схемы по мере необходимости;
— проектированиеблок-схемы управляющей программы;
— коррекцияпринципиальной электрической схемы в зависимости от блок-схемы управляющейпрограммы по мере необходимости;
— составление программыуправления;
— сведение расчетов иописаний в расчетно-пояснительную записку.
1.9 Порядокконтроля и приема
Контроль проектаосуществляется на каждом этапе его разработки. Прием проекта долженосуществляться руководителем проекта. При этом следует предоставитьрасчетно-пояснительную записку, управляющую программу, чертежи принципиальнойэлектрической схемы, структурной схемы, блок-схемы программы управленияустройством и временные диаграммы.
2.Разработка одноканального устройства контроля температуры
2.1 Разработка функциональной схемы
Самой важной частьюустройства является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Он предназначен дляпреобразования аналогового сигнала, полученного от датчика температуры, вцифровой код, предназначенный для ввода в промышленную ЭВМ.
Для распознанияустройством своих адресов схема одноканального устройства контроля температурыдолжна содержать селектор адреса.
Для инициированиярегистров записи/чтения схема должна содержать формирователь стробов. Будетформироваться два управляющих строба: WR – для инициализации регистра записи, RD – для инициализации регистра чтения.
Для записи в устройствокоманд начала преобразования, чтения данных и разрешения прерывания требуетсярегистр записи.
С регистра записи данныебудут поступать на ЦАП, который формирует цифровой вход предела верхнейтемпературы.
Для чтения данных сустройства требуется отдельный регистр чтения, который будет принимать с АЦПпреобразованный сигнал и передавать его на шину ISA. Также в регистр записывается информация о выходетемпературы за установленные пределы и информация об обрыве датчиков.
Тристабильный выход нужендля аппаратного запрета подачи устройством запроса на прерывание.
Таким образом,одноканальное устройство контроля температуры должно содержать следующиефункциональные элементы:
1. Аналого-цифровойпреобразователь.
2. Селектор адреса.
3. Формирователь стробов.
4. Регистр записи.
5. Цифро-аналоговыйпреобразователь.
6. Регистр чтения.
7. Транслятор прерывания.
Структурная схемаустройства приведена в графической части записки (лист 1).
2.2 Разработка принципиальнойэлектрической схемы
2.2.1 Аналого-цифровойпреобразователь (АЦП)
Аналого-цифровой преобразователь предназначен дляпреобразования аналогового сигнала, идущего с датчика температуры, в цифровойкод, предназначенный для ввода в ПЭВМ.
В качестве АЦП выбираем импортную микросхему AD573K. Это 10-битный АЦП последовательного приближения совместимыйс МП. Данный АЦП имеет следующие характеристики:
Разрядность: 10 бит
Относительная точность ±1/2
Температурный диапазон 0…70°С
Напряжение питания: +5 В
Тактовый генератор: работает не зависимо от тактовой частотышины.
Погрешность квантования: ±1/2
Значение шага квантования для данного АЦП, при Uвх.макс.=5 В, Uвх.мин.=0 В, n=10:
/>=(5-0)/1024=5мВ
5 мВ – это единица младшего значащего разряда (МЗР). Т.е. приизменении входного сигнала на каждые 5 мВ будет изменяться цифровой код.
Т.к. 1 МЗР в измерениях соответствует 0.5ºС, тоодноканальное устройство контроля температуры при использовании 10-битного АЦПспособно измерять температуру от 0 до 1024´0.5=512ºС. Из этого предела мы будем использовать толькодиапазон 0…100ºС.
Вследствие этого, одноканальное устройство контролятемпературы будет измерять температуру в пределах 0…100ºС с точностью дополовины градуса.
/>/>/>/>На рисунке 1 представлена векторная диаграмма, котораяпоказывает управление сигналами и выбором времени для микросхемы AD573K. Работа микросхемы контролируется тремя входами: CONBERT, HBE и LBE.Конверсионный цикл начинается с импульса CONBERT, который запускает преобразование и DR устанавливается в единицу сзадержкой 1,5 мс. Через 500 нс данные в АЦП сформировались и сигнал DR опускается в ноль. Т.к. в схемеподключения АЦП выходной сигнал DRинвертируется и на выходы HBE и LBE сигнал подается одновременно, тоданные будут выведены только после конца преобразования автоматически сзадержкой в 1 мкс.
/>
Рис. 1 Векторная диаграмма AD573K
/>
t=tcs
2.2.2 Селектор адреса
Для осуществленияпроцесса обмена (записи и чтения) выбираем два адреса:
360h – адрес порта записи;
361h – адрес порта чтения;
Назначение селектораадреса – сообщать устройству, что на шине адреса выставлен адрес одного изиспользуемых регистров (чтения или записи) устройства. В данной работе онвыполнен с использованием микросхем логических элементов.
Селектор адреса проверяетадресные линии шины, а так же уровень сигнала на линии AEN, который при обращении к устройствам ввода/выводадолжен быть установлен в «0».
Выбираем следующиелогические элементы для формирования селектора адреса:
1. 6-НЕ: используемвсе шесть инверторов. Первые пять инвертируют сигнал с шины ISA, шестой для переключения селектораканала по двум каналам. Выбираю микросхему КР1531ЛН1.
/>T°C
Icc, мкА
Направление
Прохождения
Сигнала
Ttip, нс
Tmax, нс Тип корпуса 0...70° 15,3 - 5,3 6 DIP14
2. “8И-НЕ”: вкачестве этого элемента выбираем микросхему 74HCTT30N. Данная микросхемадекодирует адресные линии SA0 – SA1, SA8-SA9. Используетсятакже в качестве инверторов.
/>T°C
Icc, мкА
Направление
Прохождения
Сигнала
Ttip, нс
Tmax, нс Тип корпуса -40…85° 3. 2-ИЛИ-НЕ: Используетсяв селекторе адреса в качестве инвертора и непосредственно по прямомуназначению. В качестве микросхемы выбираю КР1531ЛЕ1.
/>