Микропрроцессоры

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение

1. Техническое задание

2. Разработка структурной  схемы

3. Выбор элементной  базы

3.1. Описание принципа  действия аналогового датчика  и выбор модели

3.2. Выбор и расчет операционного усилителя

3.3. Описание принципа  действия и выбор микросхемы АЦП

3.4. Описание микроконтроллера и разработка алгоритма программы

3.5. Описание и реализация выходного интерфейса

4. Расчет надежности

5. Заключение

6. Список литературы

Приложение А –  Схема электрическая структурная

Приложение Б –  Схема электрическая принципиальная

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Использование микропроцессоров позволяет создавать очень сложные  инструменты, находящие свое применение в различных областях повседневной жизни. Например, микропроцессорные  системы «умеют» стирать одежду, варить кофе, воспроизводить музыку, охранять дома, а также регулировать температуру внутри помещений. Микропроцессоры являются цифровыми устройствами, работающими с двоичными кодами. В виде двоичных кодов можно представить практически любые электрические сигналы. Однако мы живем в аналоговом мире, где большинство устройств не являются цифровыми. Более того, сигналы окружающего нас мира не всегда бывают электрическими. Для того чтобы сложные интеллектуальные цифровые системы могли воспринимать информацию из внешнего мира, необходимы интерфейсные устройства, преобразующие разнообразные физические величины в электрические сигналы. Такими интерфейсными устройствами и являются датчики. Другими словами, датчики - это глаза, уши и органы обоняния кремниевых кристаллов. В настоящее время датчики стали неотъемлемой частью жизни любого человека.

Датчик – это устройство, воспринимающее внешние воздействия  и реагирующее на них изменением электрических сигналов. Назначение датчиков — реакция на определенное внешнее физическое воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами. Другими словами, можно сказать, что датчик — это преобразователь физической величины (часто неэлектрической) в электрический сигнал.

Под термином электрический  сигнал понимается сигнал, который может быть преобразован при помощи электронных устройств, например, усилен или передан по линии передач. Выходными сигналами датчиков могут быть напряжение, ток или заряд, которые описываются следующими характеристиками: амплитудой, частотой, фазой или цифровым кодом. Этот набор характеристик называется форматом выходного сигнала. Таким образом, каждый датчик характеризуется набором входных параметров (любой физической природы) и набором выходных электрических параметров. Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта к датчику. Работа датчика — это особый случай передачи информации, а любая передача информации связана с передачей энергии. Очевидным является тот факт, что передача энергии может проходить в двух направлениях, т.е. она может быть как положительной, так и отрицательной, например, энергия может передаваться от объекта к датчику, и, наоборот, от датчика к объекту. Особым случаем является ситуация, при которой энергия равна нулю, но и в этом случае происходит передача информации о существовании именно такой особой ситуации. Например, инфракрасный датчик температуры вырабатывает положительное напряжение, когда объект теплее датчика (инфракрасное излучение направлено в сторону датчика), или отрицательное напряжение, когда объект холоднее датчика (инфракрасное излучение направлено от датчика на объект). Когда датчик и объект имеют одинаковую температуру, инфракрасный поток равен нулю, и выходное напряжение также равно нулю. В этой ситуации и заключена информация о равенстве температур датчика и объекта.

Все датчики можно  разделить на две группы: датчики  прямого действия и составные  датчики. Датчики прямого действия преобразуют внешнее воздействие непосредственно в электрический сигнал, используя для этого соответствующее физическое явление, в то время как в составных датчиках, прежде чем получить электрический сигнал на выходе оконечного датчика прямого действия необходимо осуществить несколько преобразований энергии.

На практике датчики  не работают сами по себе. Как правило, они входят в состав измерительных  систем, часто довольно больших, объединяющих много разных детекторов, преобразователей сигналов, сигнальных процессоров, запоминающих устройств и приводов. Датчики в таких системах могут быть как наружными, так и встроенными. Часто их располагают на входах измерительных приборов для того, чтобы они реагировали на внешние воздействия и сообщали системе об изменениях в окружающих условиях. Также они размещаются внутри измерительных систем для мониторинга их функционирования, что необходимо для поддержания корректной работы всех внутренних устройств. Датчики являются неотъемлемой частью систем сбора данных, которые, в свою очередь, могут входить в состав больших измерительных комплексов со множеством обратных связей.

 

 

 

 

 

 

 

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

Вариант 48

 

1. Описать принцип  действия аналогового датчика  и выбрать модель датчика.

2. Описать принцип  действия АЦП и выбрать ИМС АЦП. Произвести расчеты АЦП, соответствующие типу АЦП.

3. Согласовать датчик  и ИМС АЦП (выбрать и рассчитать  операционный усилитель).

4. Описать заданный  микроконтроллер. Составить алгоритм  работы программы микроконтроллера.

5. Описать заданный  тип выходной нагрузки системы и выбрать ИМС для ее реализации.

6. Провести расчет  надежности полученной системы.

7. Построить электрическую  структурную схему проектируемой  системы (формат А3).

8. Построить электрическую  принципиальную схему проектируемой  системы (формат А3).

 

№	Кол-во датчиков	Аналоговый датчик	АЦП	Микро-контроллер	Выходная нагрузка
48	4	Цвета	АЦП последовательного приближения	AVR ATMega128	RS-232

 

 

 

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ  СХЕМЫ

 

Система сбора информации будет состоять из следующих звеньев: непосредственно датчика, который преобразует физическую величину в электрический сигнал; согласующего усилителя; аналого-цифрового преобразователя; микроконтроллера и выходной нагрузки – интерфейсной части проектируемой системы.

Эта структурная схема  представлена на рис 1.

 

Рис. 1 – Структурная схема системы сбора и обработки информации

Д – датчик;

ОУ – операционный усилитель;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

МК –  микроконтроллер;

RS-232 – порт RS-232.

 

Измеряемая физическая величина с объекта наблюдения регистрируется датчиком Д. Он преобразует эту физическую величину в аналоговый электрический сигнал – напряжение или ток – соответствующий измеряемой величине. Этот сигнал поступает на вход операционного усилителя ОУ, где он усиливается до уровня необходимого для работы аналого-цифрового преобразователя АЦП. Цифровой код, представляющий собой двоичную последовательность оцифрованного входного аналогового сигнала, полученный после АЦ-преобразования, поступает на порт ввода микроконтроллера МК. Он обрабатывает и нормализует полученный двоичный код в нормальные единицы измерения физической величины.

Для дальнейшей обработки информация передается на выходную интерфейсную схему – порт RS-232 для последующей обработки в ЭВМ верхнего уровня.

 

3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

 

3.1. Описание  принципа действия аналогового  датчика и выбор модели

Цветовые измерения  – методы измерения и количественного  выражения цвета. Вместе с различными способами математического описания цвета цветовые измерения составляют предмет колориметрии. В результате цветовых измерений определяются 3 числа, т. н. цветовые координаты (ЦК), полностью определяющие цвет (при некоторых строго стандартизованных условиях его рассматривания).

Основой математического  описания цвета в колориметрии является экспериментально установленный факт, что любой цвет при соблюдении упомянутых условий можно представить в виде смеси (суммы) определённых количеств 3 линейно независимых цветов, т. е. таких цветов, каждый из которых не может быть представлен в виде суммы каких-либо количеств 2 других цветов. Групп (систем) линейно независимых цветов существует бесконечно много, но в колориметрии используются лишь некоторые из них. Три выбранных линейно независимых цвета называют основными цветами; они определяют цветовую координатную систему (ЦКС). Тогда 3 числа, описывающие данный цвет, являются количествами основных цветов в смеси, цвет которой зрительно неотличим от данного цвета; это и есть ЦК данного цвета.

Экспериментальные результаты, которые кладут в основу разработки колориметрической ЦКС, получают при усреднении данных наблюдений (в строго определённых условиях) большим числом наблюдателей; поэтому они не отражают точно свойств цветового зрения какого-либо конкретного наблюдателя, а относятся к т. н. среднему стандартному колориметрическому наблюдателю.

Будучи отнесены к  стандартному наблюдателю в определённых неизменных условиях, стандартные данные смешения цветов и построенные на них колориметрической ЦКС описывают  фактически лишь физический аспект цвета, не учитывая изменения цветовосприятия глаза при изменении условий наблюдения и по др. причинам.

Когда ЦК какого-либо цвета  откладывают по 3 взаимно перпендикулярным координатным осям, этот цвет геометрически  представляется точкой в трёхмерном, т. н. цветовом, пространстве или же вектором, начало которого совпадает с началом координат, а конец — с упомянутой точкой цвета. Точечная и векторная геометрическая трактовки цвета равноценны и обе используются при описании цветов. Точки, представляющие все реальные цвета, заполняют некоторую область цветового пространства. Но математически все точки пространства равноправны, поэтому можно условно считать, что и точки вне области реальных цветов представляют некоторые цвета. Такое расширение толкования цвета как математического объекта приводит к понятию т. н. нереальных цветов, которые невозможно как-либо реализовать практически. Тем не менее с этими цветами можно производить математические операции так же, как и с реальными цветами, что оказывается чрезвычайно удобным в колориметрии. Соотношение между основными цветами в ЦКС выбирают так, что их количества, дающие в смеси некоторый исходный цвет (чаще всего белый), принимают равными 1.

Своего рода «качество» цвета, не зависящее от абсолютной величины цветового вектора и называется его цветностью, геометрически удобно характеризовать в двумерном пространстве — на «единичной» плоскости цветового пространства, проходящей через 3 единичные точки координатных осей (осей основных цветов). Линии пересечения единичной плоскости с координатными плоскостями образуют на ней равносторонний треугольник, в вершинах которого находятся единичные значения основных цветов. Этот треугольник часто называют треугольником Максвелла. Цветность какого-либо цвета определяется не 3 его ЦК, а соотношением между ними, т. е. положением в цветовом пространстве прямой, проведённой из начала координат через точку данного цвета. Другими словами, цветность определяется только направлением, а не абсолютной величиной цветового вектора, и, следовательно, её можно характеризовать положением точки пересечения этого вектора (либо указанной прямой) с единичной плоскостью. Вместо треугольника Максвелла часто используют цветовой треугольник более удобной формы — прямоугольный и равнобедренный. Положение точки цветности в нём определяется двумя координатами цветности, каждая из которых равна частному от деления одной из ЦК на сумму всех 3 ЦК. Двух координат цветности достаточно, т.к. по определению сумма её 3 координат равна 1. Точка цветности исходного (опорного) цвета, для которой 3 цветовые координаты равны между собой (каждая равна 1/3), находится в центре тяжести цветового треугольника.

Представление цвета  с помощью ЦКС должно отражать свойства цветового зрения человека. Поэтому предполагается, что в основе всех ЦКС лежит т. н. физиологическая ЦКС. Эта система определяется 3 функциями спектральной чувствительности 3 различных видов приёмников света (т. н. колбочек), которые имеются в сетчатке глаза человека и, согласно наиболее употребительной трёхцветной теории цветового зрения, ответственны за человеческое цветовосприятие. Реакции этих 3 приёмников на излучение считаются ЦК в физиологической ЦКС, но функции спектральной чувствительности глаза не удаётся установить прямыми измерениями. Их определяют косвенным путём и не используют непосредственно в качестве основы построения колориметрических систем.

Свойства цветового  зрения учитываются в колориметрии по результатам экспериментов со смешением цветов. В таких экспериментах  выполняется зрительное уравнивание чистых спектральных цветов (т. е. цветов, соответствующих монохроматическому свету с различными длинами волн) со смесями 3 основных цветов. Оба цвета наблюдают рядом на 2 половинках фотометрического поля сравнения. По достижении уравнивания измеряются количества 3 основных цветов и их отношения к принимаемым за 1 количествам основных цветов в смеси, уравнивающей выбранный опорный белый цвет. Полученные величины будут ЦК уравниваемого цвета в ЦКС, определяемой основными цветами прибора и выбранным опорным белым цветом. Если единичные количества красного, зелёного и синего основных цветов обозначить как (К), (З), (С), а их количества в смеси (ЦК) — К, З, С, то результат уравнивания можно записать в виде цветового уравнения: Ц* = К (К) + З (З) + С (С). Описанная процедура не позволяет уравнять большинство чистых спектральных цветов со смесями 3 основных цветов прибора. В таких случаях некоторое количество одного из основных цветов (или даже двух) добавляют к уравниваемому цвету. Цвет получаемой смеси уравнивают со смесью оставшихся 2 основных цветов прибора (или с одним). В цветовом уравнении это учитывают переносом соответствующего члена из левой части в правую. Так, если в поле измеряемого цвета был добавлен красный цвет, то Ц* = — К (К) + З (З) + С (С). При допущении отрицательных значений ЦК уже все спектральные цвета можно выразить через выбранную тройку основных цветов. При усреднении результатов подобной процедуры для нескольких наблюдателей были получены значения количеств 3 определённых цветов, требующиеся в смесях, зрительно неотличимых от чистых спектральных цветов, которые соответствуют монохроматическим излучениям одинаковой интенсивности. При графическом построении зависимостей количеств основных цветов от длины волны получаются функции длины волны, называемые кривыми сложения цветов или просто кривыми сложения.