Расходомер на основе электромагнитного датчика расхода

Таким образом ФНЧ  должен ослабить напряжение с частотой 2w в заданное число раз. Коэффициент подавления вычисляется исходя из точности схемы и условий быстродействия. Оставшиеся пульсации после фильтра должны быть меньше основной погрешности измерительного преобразователя.

Разработка модуля АЦП

АЦП сопрягает аналоговую часть схемы измерительного преобразователя  с цифровой частью. Выходной величиной  АЦП является пропорциональный амплитуде входного напряжения двоичный код.

Микросхему АЦП выберем  по необходимому числу разрядов:

, (3.45)

где д=2% – заданная погрешность, тогда:

 (3.46)

Рисунок 3.10– Схема  модуля АЦП

Для обеспечения требуемой точности достаточно 8-разрядного АЦП. По справочнику выбираем микросхему АЦП – К572ПВ1. Микросхема АЦП выполняет функции АЦП последовательного приближения с выводом параллельного двоичного кода через выходные каскады с тремя состояниями, однако существует возможность произвольного уменьшения числа разрядов и вывода данных в последовательном коде.

Разряды D0-D7 выходного кода АЦП подаются на входы буферного регистра DD2, а два старших разряда D8, D9 – на входы регистра DD3.

Управление выходными буферами регистров осуществляется от линий Р3.0 и Р3.1. При Р3.0=1, Р3.1=1 выходы регистров DD2, DD3 находятся в z-состоянии и они отключены от выводов порта Р0. Запуск АЦП выполняется сигналом от линии Р1.5.

Рисунок 3.11– Функциональная схема БИС К572ПВ1

1 – (DI) – последовательный ввод;

2 – (НЕ) – вход управления старшим байтом кода;

3 – ( ) – напряжение питания;

4-15 – цифровой ввод-вывод,  причем 4- (СЗР) – старший значащий разряд, а 15- (МЗР) – младший значащий разряд;

16- (LE) – вход управления младшим байтом кода;

17 – (V) – вход управления режимом;

22– (ZO)- выход "Цикл";

23– (CI) – вход сравнения;

24– ( ) – напряжение питания ;

Рисунок 3.12– Цоколевка К 572 ПВ1

25 – (CLK) – вход тактовых импульсов;

26 – (DR) – выход "Конец преобразования";

27 – (ST) – вход "Запуск";

28 – (ZI) – вход "Цикл";

29 – (RE) – вход стробирования ЦАП;

30 – (GD) – цифровая общая шина (цифровая земля);

31 – (Re) – конечный вывод матрицы R-2R;

32 – ( ) – общий вывод резисторов R/4 и R/2;

40 – (R/4) – вывод резистора R/4;

41 – (R/2) – вывод резистора R/2;

42 – ( ) – опорное напряжение;

43 – (R) – аналоговый вход 1;

44 – (2R) – аналоговый вход 2;

45 – ( ) – общий вывод резисторов аналоговых входов 1 и 2;

46 – (I1) – аналоговый выход 1;

47 – (I2) – аналоговый выход 2;

48 – (GA) – аналоговая общая шина (аналоговая земля);

18-21, 33-39– незадействованные  входы.

Основные  электрические параметры:

Преобразователь работает от двух источников питания ,номинальное напряжение которых:

……………………………………...……………………………5В;

…………………………………………………………………..15В;

Ток потребления, не более:

от источника  …………………………………………………3 mA;

от источника ………………………………………………...5 mA;

Нелинейность    …………………………..……………±2 ед. МЗР;

Дифференциальная нелинейность ……………………±4 ед. МЗР;

Погрешность полной шкалы..………………………………±4 ед. МЗР;

Время преобразования, типовое………………………………….110 мкс;

Тактовая частота, не более………………………………………..250 кГц;

Выходной ток по аналоговому  выходу……………………………..1 mA;

Опорное напряжение……………………………………………..±15В;

Входное напряжение высокого уровня………………………...10-17В;

Входное напряжение низкого уровня………………………......0-0,4В;

Напряжение высокого уровня на входе сравнения и входе  Цикл…...10-17В;

Выходной ток высокого уровня …………………………………0,4-1мА;

Выходной ток низкого уровня………………………………..….0,4-3мА.

АЦП К572ПВ1 имеет выходные каскады с тремя состояниями, благодаря чему может выдавать информацию на шину данных микропроцессорной системы. АЦП имеет двунаправленный кодовый канал. Переключение кодового канала на ввод или вывод производится сигналом, подаваемым на вход V (управление режимом): если V=0, то осуществляется вывод кода, если V=1, то ввод. Перевод кодового канала в Z-состояние производится подачей сигнала логического 0 на входы LE (управление восемью младшими разрядами канала D0-D7) и HE (управление старшими четырьмя разрядами канала D8-D11). Благодаря наличию этих входов информация с АЦП может выводиться побайтно на шину данных микропроцессорной системы.

Как видно из рисунка 3.9, для построения АЦП микросхему К572ПВ1 (DA1) нужно дополнить внешним источником опорного напряжения (ИОН) , операционным усилителем (ОУ) DA2 и компаратором напряжения (КН) DA3. ОУ (DA2) используется для преобразования в напряжение выходного тока I1 внутреннего ЦАП микросхемы и обеспечивает максимальную точность и стабильность статических параметров преобразования. Выход дополняющего тока I2 и вывод последнего резистора (вывод I3) ЦАП соединяются с общим проводом. В качестве резистора обратной связи усилителя DA2 используется один из резисторов, входящих в микросхему. В распоряжении пользователя имеются 4 таких резистора, сопротивления которых соотносятся по двоичному закону: 2R, R, R/2, R/4 (R»10 кОм).

Компаратор напряжения DA3 сравнивает выходное напряжение ЦАП, снимаемое с выхода DA2, с преобразуемым напряжением . Результат сравнения подается на вход CI (сравнение) АЦП и используется для управления внутренним регистром последовательного приближения.

При включении АЦП  по схеме рисунка 3.9 обеспечивается преобразование напряжения от 0 до . Если же в обратную связь усилителя DA2 вместо сопротивления R включить сопротивление 2R или R/2, то предельное значение станет равным или . Опорное напряжение в этом преобразователе может изменяться в пределах от –15 до 15В.

Разработка модуля микроконтроллера

AT89S8252 - это высокоскоростной 8-разрядный КМОП микроконтроллер, cсовместимый с изделиями MCS-51^TM,с низким потреблением, содержит:

• 8 Кбайт флэш-памяти команд с возможностью перепрограммирования непосредственно внутри системы
• SPI последовательный интерфейс для загрузки программ
• Количество циклов записи/стирания: 1000
• 2 Кбайт ЭСППЗУ
• Количество циклов записи/стирания: 100000
• Диапазон напряжений питания от 4,0 В до 6,0 В
• Полностью статическая логика: от 0 Гц до 24 МГц
• Трехуровневая защита памяти программ
• 256х8 бит внутреннего ОЗУ
• 32 программируемых линии ввода/вывода
• Три 16-разрядных таймера/счетчика
• Девять источников прерываний
• Программируемый УАПП
• SPI последовательный интерфейс
• Энергосберегающие "спящий" режим и режим отключения питания
• Выход из режима отключения питания по сигналу прерывания
• Программируемый сторожевой таймер
• Двойной указатель данных
• Флаг отключения питания

Микросхема производится с использованием высокоплотной  технологии изготовления энергонезависимой памяти фирмы Atmel. Совместима с промышленным стандартом 80С51 по набору выполняемых команд и расположению выводов. Встроенную флэш-память программ можно программировать как непосредственно внутри системы через последовательный интерфейс SPI, так и с помощью обычного программатора микросхем памяти. Вследствие объединения на одном кристалле универсального 8-разрядного процессора и флэш-памяти программ AT89S8252 является мощным микрокомпьютером, который предлагает очень гибкие и эффективные по стоимости решения для большинства встраиваемых управляющих систем.

AT89S8252 обладает следующим  стандартным набором устройств: 8 Кбайт флэш-памяти программ, 2 Кбайт  ЭСППЗУ (память данных только  для чтения), 256 байт ОЗУ, 32 линии  ввода/вывода, программируемый сторожевой таймер, два указателя данных, три 16-разрядных таймера/счетчика, шестивекторная двухуровневая система прерываний, последовательный дуплексный порт, встроенный генератор тактовых импульсов. Дополнительно: AT89S8252 разработан с использованием статической логики, что позволяет микросхеме работать на частотах вплоть до 0 Гц и поддерживать два программно переключаемых энергосберегающих режима. В "спящем" режиме процессор останавливается, однако ОЗУ, таймеры/счетчики, последовательный порт и система прерываний продолжают функционировать. В режиме отключения питания сохраняется содержимое ОЗУ, однако останавливается тактовый генератор, отключаются все функции микросхемы до тех пор, пока не произойдет прерывание или аппаратный сброс.

Содержимое флэш-памяти программ можно изменять по одному байту через последовательный интерфейс SPI. Удержание вывода RESET в активном состоянии переводит шину SPI в режим последовательного программирования и предоставляет возможность записывать или считывать память программ, если второй бит защиты не будет установлен.

Рисунок 3.13 - Цоколёвка AT89S8252.

Рисунок 3.14-Внутреннее устройство AT89S8252.

Назначение  выводов:

Vcc – напряжение питания

GND – общий вывод  (земля)

Р0 – 8-разрядный двунаправленный  порт ввода/вывода с открытым стоком. В качестве порта вывода он может потреблять ток от 8 ТТЛШ нагрузок. Если на его выводах установить единицы, то его можно использовать как высокоомный порт ввода.Р0 также может быть использован для вывода +младшего байта мультиплексированной шины адреса/данных при обращениях к внешней памяти программ и данных. В этом случае, выводы порта подключены через "подтягивающие" резисторы к шине питания.

Р1 – 8-разрядный двунаправленный  порт ввода/вывода со встроенными "подтягивающими" резисторами. Выходные буферы порта можно нагружать на 4 ТТЛШ входа. Когда в порт записаны единицы, то его выводы из-за встроенных "подтягивающих" резисторов установлены в высокий уровень и могут быть использованы для ввода. В этом случае с выводов порта, внешне установленных в низкий уровень, стекает ток I_IL.

Некоторые выводы порта  Р1 имеют дополнительные функции. Р1.4, Р1.5, Р1.6 и Р1.7 могут использованы как выводы сигналов интерфейса SPI: выбор ведомого, прием/передача данных и тактовый сигнал сдвига при приеме/передаче.

Порт Р1 также используется для приема младшего байта адреса при программировании и проверке памяти программ.

Р2 – 8-разрядный двунаправленный  порт ввода/вывода с встроенными "подтягивающими" резисторами. Выходные буферы порта можно нагружать на 4 ТТЛШ входа. Кода в порт записаны единицы, то его выводы из-за встроенных подтягивающих резисторов установлены в высокий уровень и могут быть использованы для ввода. В этом случае с выводов порта, внешне установленных в низкий уровень, стекает ток I_IL.

Порт Р2 также используется для приема старших бит адреса и некоторых управляющих сигналов при программировании и проверке флэш-памяти программ.

Р3 – восьмиразрядный  двунаправленный порт ввода/вывода со встроенными "подтягивающими" резисторами. Выходные буферы порта можно нагружать на 4 ТТЛШ входа. Когда в порт записаны единицы, то его выводы из-за "подтягивающих" резисторов установлены в высокий уровень и могут быть использованы для ввода. В этом случае с выводов порта, внешне установленных в низкий уровень, стекает ток I_IL.

Порт Р3 служит также  для обеспечения различных специальных  функций AT89S8252. Ниже приведена таблица, в которой указаны альтернативные функции выводов порта.

Кроме вышеперечисленного, порт Р3 используется также для приема некоторых управляющих сигналов при программировании и проверке флэш-памяти программ.

1. RST-вход сброса. Высокий уровень на этом выводе в течении 2х машинных циклов при работающем тактовом генераторе сбрасывает микроконтроллер.

2. ALE/ -сигнал действительности адреса – импульс, который выдается для защелкивания младшего байта адреса при обращениях к внешней памяти. Этот вывод также используется как вход для импульса разрешения программирования флэш-памяти ( ).

При нормальной работе на данном выводе присутствует неизменная частота равная 1/6 от частоты тактового генератора, которая может использоваться для синхронизации внешних устройств. Однако при обращениях к внешней памяти данных один импульс на выводе ALE пропускается.

При желании можно запретить выдачу сигналов на вывод ALE путем установки бита 0 в РСФ с адресом 8ЕН. Когда бит установлен, сигналы на выводе ALE присутствуют только в течение команд MOVX и MOVC. Иначе вывод установлен в высокий уровень. Однако, установка бита запрещающего выдачу сигналов на вывод ALE не будет иметь никакого эффекта, если микроконтроллер работает в режиме с внешней памятью команд.

-сигнал разрешения памяти команд – строб чтения из внешней памяти команд.Когда AT89S8252 работает в режиме с внешней памятью команд, сигнал активизируется дважды в каждом машинном цикле, кроме случаев обращения к внешней памяти данных, в течение которых оба сигнала пропускаются.

/Vpp-разрешение внешней памяти команд. Сигнал необходимо подключить к выводу GND для того, чтобы разрешить ОЭВМ считывать команды из внешней памяти программ, имеющей диапазон адресов от 0 до FFFFH. Однако, если бит защиты 1 запрограммирован, то вывод внутренне установлен на сброс.

Для работы с внутренней памятью программ вывод  необходимо подключить к выводу Vcc. Этот вывод также принимает 12-вольтовый сигнал разрешения программирования флэш-памяти (Vpp), когда выбран режим 12-вольтового программирования.

XTAL1-инверсный вход усилителя тактового генератора и вход внутренней схемы синхронизации.

XTAL2-инверсный выход усилителя тактового генератора.

Разработка модуля последовательного интерфейса RS-232

Разрабатываемая микроконтроллерная система должна иметь связь с внешним удаленным компьютером через последовательный интерфейс RS-232c. По запросу внешнего компьютера МК должен передавать код перемещения плунжера, получаемый с помощью АЦП. Обычно для связи МКС с внешним компьютером используют программный метод управления передачей, так как это позволяет уменьшить число линий связи [1]. В этом случае интерфейс должен обеспечить двустороннюю передачу, т.е. от компьютера к МК (запрос) и от МК к компьютеру (передача данных).