Разработка МПС регулирование уровня воды в водона-порной башне.

Верхняя часть резервуара заполнена воздухом, нижняя жидкостью. Емкость конденсатора изменяется в зависимости от увеличения или уменьшения уровня заполнения. Емкость равна сумме емкостей двух участков, а именно погруженного участка и участка, находящегося в воздушной среде. В электрическом отношении здесь возникают двапараллельно включенных конденсатора С1 и С2 емкости которых суммируются.

С=С1+С2

Измерительный зонд выполняют в виде металлического стержня. Так как материал заполнения резервуара обладает электропроводностью, измерительный зонд необходимо покрыть слоем соответствующей изоляции, например слоем эбонита или стекла.

Напряжение высокой частоты на электродах должно быть Uпит10-12В. I = 10-30 mkA. Измерительный зонд искра безопасен, что исключает / опасность взрыва. В качестве соединительного кабеля между зондом и измерительным прибором следует применить специальный кабель с малой емкостью и максимальной длиной 50 м. При использовании измерительного зонда с изоляцией датчик необходимо рассматривать как многослойный конденсатор, емкость которого определяется по формуле [8]:

                                                                           (h - х)                                 х

С = С1 + С2 =2 * п *e о * eэбон*(——————————————+—————)

                                           In (dl /d2)+ e эбон * In (D/dl)          In (dl /d2)

При d1«D

C=2*П*e o*e эбон*x /ln (dl/d2)

Резервуар для воды имеет высоту h =5,20 м и диаметр D =2м. Двигатель, качающий воду будет включаться при уровне воды менее х=4 м, что будет соответствовать:

объему воды в резервуаре V= 12.6 тыс. литров

емкости С = 2.997 нФ.

При достижении воды уровня х=5 м двигатель отключается. Этот уровень соответствует :

объему воды в резервуаре V= 15.7 тыс. литров

емкости С = 3.746 нФ.

Следовательно емкость преобразователя составляет примерно С = 3.75-3 нФ. И поэтому при относительно высоких частотах питающего напряжения f=105 - 107 Гц выходные сопротивления равны Хс = 1/ (W*С) = 4.2 - 530.5 Ом [8]. Выходные мощности емкостных преобразователей малы, и в измерительных цепях необходимо применение усилителей.

РАСЧЕТ АНАЛОГОВОЙ ЧАСТИ.

Для определения емкости конденсатора будем использовать схему Клаппа. Эта схема представляет из себя автогенератор синусоидальных колебаний, собранный по схеме емкостной трехточки. Амплитуда и частота выходного сигнала этой схемы зависит от емкости конденсатора. В автогенераторе имеется положительная обратная связь. Напряжение обратной связи снимается с конденсатора С4. Для уменьшения шунтирующего действия транзистора он подключен к контуру через емкостной делитель напряжения. [ 6 ].

Расчет элементов генератора.

Епит= 11 В , fH= 106 . Сmax=3.746*10-9

L1 = 1/(w2*C)=1/(4*П2*f2H* Сmax) = l/(4*3.142*106*3.746* 10-9 = 6.76мкГн [4].

l2 = 10 * L1=6.76 * 10 = 67.6 мк Гн. [4]

В качестве транзистора, входящего в генерагтор выбираем маломощный высокочастотный транзистор КТ3102А [З].  Его выходые характеристики приведены при расчете усилителя, включенного по схеме с общим эмиттером.

Известно, что падание напряжения на R3 должно быть в три раза меньше напряжения питания генератора. [ 4 ].

UR3=0.3* 11 =3.3 В

R3 = UR3/ 1э = 3.3 /(10 * 10-3 ) = 330 Ом. Соответствует ряду номинальных значений сопротивлений Е24 4 ].

Известно, что последовательное соединение конденсаторов С4 и С5 должно быть эквивалентно конденсатору С, т.е. емкости уровнемера. Причем С4 должно быть в 3 раза больше, чем С5. [ 4 ]

C4*C5/ (C4+C5) = 3.746 * 10-9

Пусть C4= Зх, С5=х., тогда

Зх2/(4х) = 3.746 * 10-9откуда

C5 = х = 4.99 нФ. Выбираем стандартную емкость C5 = 4.7 нФ. (Ряд Е24). [4]

C4=3х = 3*4.7 = 14.1 нФ Выбираем стандартную емкость C4= 15 нФ. (Ряд Е24). [4].

Падание напряжения на R1 и R2 равно 11В. Падание напряжения на R2 равно паданию напряжения на R3 + падание напряжения на переходе эмиттер-база транзистора (0.6 В).

UR2=UR3+0.6 = 3.3 + 0.6 = 3.9 В

Rобщ =11 В/10мА=1.1 к0м

ПустьR2 == х. Составляем пропорцию и получаем:

11 В / 1.1 к0м = 3.9 В / х , откуда R2 = х = 390 Ом. Соответствует ряду номинальных значений сопротивлений Е24. [4]

R1 = Rобщ -R2 =1100-390 = 710 Ом. Берем R1=6SO Ом. [4].

Расчет эмиттерного повторителя.

В качестве транзистора выбираем маломощный высокочастотный транзистор КТ3102А [ 3 ]. Его выходые характеристики приведены при расчете усилителя, включенного по схеме с общим эмиттером.

Iк.мах=100 мА [З. В качестве рабочего тока, протекающего через резистор R6 выбираем Iэ = Ik =! О мА. Падение напряжения на резисторе Кб будет соответствовать

Uк.э.= 11 В/ 2 = 5.5 В, т. е. середине нагрузочной диаграммы.

R6= Uк.э /Iэ =11 В/10 мА =1.1 к0м [5].

Падание напряжения на R4 и R5 равно 11В. Падание напряжения на R5 равно паданию напряжения на R6 + падание напряжения на переходе эмиттер-база транзистора (0.6 В) [4].

UR5=Uэ.+ 0.6 = 5.5 + 0.6 =6.1 В

Rобщ=11В/10 мА =1.1 кОм .

Пусть R5 = х. Составляем пропорцию и получаем:

11 В/1.1 к0м=(6.1 )В/х,откудаR5=х=6100м.

Выбираем стандартное сопротивление R5 = 620 Ом. (Ряд Е24). [4].

R4 = Rобщ -R5 =1100-620 = 480 Ом.

Выбираем стандартное сопротивление R4 = 470 Ом. (Ряд Е24). [I].

Расчет усилителя. ( Схема с общим эмиттером).

В качестве транзистора выбираем маломощный высокочастотный транзистор КТ3102А. [3].

1к.млх= 100мА.Епит= 12 В.fH = Ю6. В качестве рабочего тока, протекающего через резистор R6 выбираем

1э=1к=10мА. Падение напряжения на резистре R10 будет соответствовать Uк.э12 В/ 2 = 6 В,

( т. е. середине нагрузочной диаграммы) [5].

rio = rk = Uк.э /1э =6В/10 мА =600 Ом [5] Выбираем стандартное сопротивление r10 = 620 Ом. (Ряд Е24). [ 4]. Известно [ 4], что падение напряжения на резисторе R9 (на эмиттере) будет соответствовать:

ur11= 0.1*Епит= 0.1*12 = 1.2 В.

rii = Rэ= UR9 /Iэ=1.2 / (10* 10-3) = 120 Ом. Соответствует ряду номинальных значений сопротивлений Е24. [ 4]

Коэффициент усиления по напряжению Ки = 50.

Известно, что Ки = rk/Rэ.общ [ 5 ]. Отсюда находим

Rэ.общ = Rк/Ки =600 / 50 = 12 Ом.

Найдем сопротивление конденсатора ао, соединенного параллельно с R11

Rэ * Хc9/ Rэ+ Хс9= Хэ. общ, откуда Xc9= 13.3 Ом

С9= 1/(2•k7Гkfн*Xc9) = 1/ (2 * 3.14 * 106*1З.З) = 12 пф.

Соответствует ряду номинальных значений сопротивлений Е24 [4]. Падание напряжения на R8и R9 равно 12В. Падание напряжения на R9 равно

паданию напряжения на R-i i + падание напряжения на переходе эмиттер-база

транзистора (0.6 В) [4].

UR5=Uэ.+0.6 = 6 + 0.6 = 6.6 В

  Rобщ=12 В /10 мА =1.2 к0м .Пусть r9 = х. Составляем пропорцию и получаем:

12 В / 1.2 к0м = ( 6.6 ) В / х , откуда R9 = х = 660 Ом. Выбираем стандартное сопротивление R9 = 680 Ом. (Ряд Е24). [4].

r8 = Rобщ –R9 =1200-680 = 520 Ом. ; Выбираем стандартное сопротивление R4 = 540 Ом. (Ряд Е24]. [4].

СИНТЕЗ ЦИФРОВОЙ ЧАСТИ.

Сигнал с усилителя поступает в триггер Шмитта. В качестве этого триггера выберааем микросхему К555ТЛ2 [9]. Эта микросхема представляет 6 независимых инвертирующим триггеров Шмитта в одном корпусе. Мы будем использовать только один из них со входом 1 и выходом 2. Напряжение питания счетчика +5 В.

Сигнал с выхода триггера поступает на вход счетчика . Так как микропроцессор может обрабатывать восьмиразрядную информацию для получения   восмиразрядного   цифрового   сигнала   используем   два четырехразрядных счетчика К555ИЕ 7 [I]. Выходы первого счетчика РU (>15) и РD (<0) соединяем со входами второго СU (вход на сложение) и СD (вход не вычитание) соответственно. Для обеспечения последовательного ввода информации через вход СU первого счетчика на входы Ь обоих счетчиков подадим 1(+5 В.). Для сброса ( обнуления ) счетчика используется вход R, на который через определенный интервал времени поступает от таймера сигнал сброса. С выходов счетчиков информация поступает через регистр и системный контроллер в микропроцессор КР580ВМ80А, где происходит обработка информации.

ОПИСАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ.

Комплект микросхем серии КР580, выполненных по n-МОП технологии и по напряжением логических уровней согласующихся с ИС ТТЛ, характеризуется архитектурным единством, которое обеспечивается автономностью и функциональной законченностью отдельных микросхем, унификацией их интерфейса, программируемостью микросхем, их логической и электрической совместимостью. Восьмиразрядная организация, фиксированный набор команд, большой выбор периферийных микросхем различного назначения, относительно высокое быстродействие, умеренное потребление мощности обеспечивают МПК широкое применение при создании средств вычислительной техники: устройств локальной автоматики, контроллеров измерительных приборов и периферийных устройств микро­ЭВМ для управления технологическими процессами и измерительными системами и др.

Микросхема   КР580ВМ80А  -   функционально   законченный однокристальный параллельный 8 - разрядный микропроцессор с фиксированной системой команд. Микропроцессор управляет работой всех микросхем, входящих в систему [10], [11].

Микросхема КР580ВИ53 - трехканальное программируемое устройство   (таймер),   предназначенное   для   организации   работы микропроцессорных систем в режиме реального времени. Микросхема формирует   сигналы   с   различными   временными   параметрами. Программируемый таймер реализован в виде трех независимых 16-разрядных каналов с общей схемой управления. Каждый канал может работать в шести режимах. Программирование режимов работы каналов осуществляется индивидуально и в произвольном порядке путем ввода управляющих слов в регистры режимов каналов, а в счетчики -запрограммированного числа байтов. Управляющее слово определяет:

DO - тип счета (0-двоичный или 1-двоично-десятичный),

D1-D3 - режим работы канала 0-5 (режим 2, используемый в работе имеет код XI 0),

D4,D5-последовательность записи и считывания содержимого счетчика,

D6,D7-HOMep счетчика.

Частота синхронизации каналов 0-2,5 МГц. Сигнал внутреннего сброса формируется при записи управляющего слова в регистр режима выбранного канала. Для выбора регистра режима 0'° канала необходимо задать D6=0,D7=0. При D2=l и Dl=0 выбирается режим 2. В данном режиме канал работает как делитель входных сигналов С на п. При этом длительность положительной части периода составляет (п-1)*Тс ,а отрицательной Те (п- число, записанное в счетчик) [ 10 ], [ 11 ].

Микросхема КР580ВВ55А - программируемое устройство ввода-вывода параллельной информации, применяется в качестве элемента ввода-вывода общего назначения, сопрягающего различные типы периферийных устройств с магистралью данных систем обработки информации. Для обмена информацией с внешними устройствами микросхема оснащена тремя каналами А, В, С . Режим работы каждого канала ППИ программируется с помощью управляющего слова. Управляющее слово может задать один из трех режимов:основной режим ввода/вывода (режим 0), стробируемый ввод/вывод (режим 1), режим двунаправленной передачи информации (режим 2). Одним управляющим словом можно установить различные режимы работы для каждого из каналов.Формат управляющего слова следующий D7D6D5D4D3D2D1DO, где D0-(0-ввод, 1-вывод) канала С(З-О), Dl-канала В(7-0), D3-канала С(7-4), 04-канала А(7-0), D2-выбор режима канала В, D5 и D6- выбор режима канала А.

Канал А может работать в любом из трех режимов. К этому каналу подключим ЦАП и будем осуществлять вывод информации об уровне воды в резервуаре в режиме 0. Канал В может работать в режимах 0 и 1. Он будет управлять работой таймера ( также в режиме 0),причем будет использоваться только один вывод этого канала. Канал С может использоваться как для подключения внешних устройств (в режиме 0), так и для управления каналами А и В. В системе канал С не используется [10], [II].

Генератор тактовых импульсов КР580ГФ24 предназначен для синхронизации МС на основе комплекта К580. Генератор тактовых импульсов формирует тактовые импульсы частотой до 2,5 МГц, амплитудой 12 В, 5 В для ТТЛ схем и некоторые управляющие сигналы для МС. Для : работы ГТИ необходимо подключение внешнего кварцевого резонатора с частотой колебаний в 9 раз большей, чем частота выходных тактовых импульсов ГТИ [ 10],[ 11 ].

Системный контроллер и шинный формирователь   КР580ВК28 предназначен для фиксации слова - состояния МП, выработки системных управляющих сигналов, буферизации шины данных МП и управления направлением передачи данных. В состав СКФ входят: шинный формирователь, обеспечивающий увеличение нагрузочной способности системной информационной шины; регистр для записи и хранения слова-: состояния МП; комбинационная схема для формирования выходных управляющих сигналов. По сигналу STSTB, который вырабатывает ГТИ, происходит запись слова-состояния в регистр хранения, а затем выдача его на комбинационную схему, формирующую управляющие сигналы. Слово-состояние имеет следующий формат: старший байт слова-состояния представляет содержимое аккумулятора, а младший- содержит флаги условий регистра признаков, определяемые результатом выполнения арифметических и логических операций. Установка флагов производится при выполнении следующих условий:

         D7-флаг знака S, если знаковый бит результата операции равен 1, ' иначе сбрасывается;

Dб-флаг нуля Z, если знаковый бит результата операции равен О, иначе сбрасывается;

D5=0

D4-флаг дополнительного переноса АС при наличии переноса из третьего разряда, иначе сбрасывается;

D3=0

В2-флаг четности Р, если результат содержит четное число единиц, иначе сбрасывается [ 10 ],[ 11] .

Буферный регистр КР580ИР82 представляет собой 8-разрядный

параллельный регистр с тристабильными входами. Оно используется для реализации схем фиксации, буферизации и мультиплексирования в микропроцессорных системах на базе МП К580ИК80А. Запись входных данных в буферные регистры производится при переходе сигнала STB с Н-уровня в L-уровень. При Н-уровне сигнала ОЕ выходы буферных регистров

находятся в высокоимпедансном состоянии [II].

Шинный формирователь КР580ВА86 представляет 8-разрядный параллельный приемопередатчик с тристабильными выходами. В схеме шинный формирователь соединяет ОЗУ и ПЗУ с шиной данных. При Н-­уровне сигнала на входе Т и L-уровне сигнала на входе ОЕ информация из памяти передается на шину данных. При L-уровне сигнала на входе Т и L-уровне сигнала на входе ОЕ информация из шины данных передается в память. При Н-уровне сигнала на входе ОЕ шинный формирователь переходит в высокоимпедансное состояние [10], [11].