Разработка PIC-контроллера устройства измерения временных величин сигналов

PIC16F84 отличается низкой стоимостью и высокой производительностью. Малый размер корпуса делает этот микроконтроллер пригодным для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает PIC16F84 привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры.

1.5.2 Описание используемых транзисторов

Для разрабатываемого устройства тарнзисторы выбирались по исходному материалу, рассеиваемой мощности, диапазону рабочих частот, принципу действия. Для PIC контроллерного устройства измерения временных величин сигналов, а именно для его входной части усилителя–формирователя подошли транзисторы

КП313А (маломощный полевой транзистор) и КТ368А (высокочастотный маломощный транзистор). Их основные параметры представлены в таблицах 1.8 и 1.9.

Таблица 1.8

Таблица 1.9

1.5.3 Описание используемых диодов

Импульсные диоды предназначены для преобразования импульсных сигналов.

Основные параметры импульсных диодов: импульсное прямое напряжение диода Uпр. и — наибольшее мгновенное значение прямого напряжения, обусловленное импульсным прямым током диода. Импульсное обратное напряжение диода Uобр. и — мгновенное значение обратного напряжения диода. Импульсный прямой ток диода Iпр. и — наибольшее мгновенное значение прямого тока диода, исключая повторяющиеся и неповторяющиеся переходные токи. Общая емкость диода Сд — значение емкости между выводами диода. Время прямого восстановления диода tвос. пр — время, в течении которого происходит включение диода и прямое напряжение на нем устанавливается от значения, равного нулю, да установившегося значения. Время обратного восстановления диода tвос. обр — время переключения диода с прямого тока на обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения. Заряд восстановления диода Qвос — накопленный заряд диода, вытекающий во внешнюю цепь при переключении диода с прямого тока на обратное напряжение.

В таблице 1.10 приведены основные параметры диода КД503Б.

Таблица 1.10

1.6 Принцип работы программно–аппаратных средств

Измеряемый сигнал поступает на вход усилителя–формирователя выполненного на двух транзисторах КП313А и КТ368А, что позволяет повысить чувствительность прибора, а также увеличить входное сопротивление за счет истокого повторителя выполненного на транзисторе КП313А.

Такое включение позволяет прибору не вносить дополнительное сопротивление при измерениях. Транзистор VT2 включен в стандартном ключевом режиме и предназначен для усиления входного сигнала по напряжению.

Основной элемент PIC-контроллерного устройства измерения временных велечин сигналов — микроконтроллер PIC16F84, осуществляющий счет импульсов, поступающего на вход прибора после усилителя–формирователя, обработку полученных значений и вывод результатов измерения на табло. Частота (в герцах) отображается индикаторами HG1—HG4 в формате X,YZ·10`Е Гц, где X,YZ — десятичное значение частоты сигнала, а Е — порядок.

Микроконтроллер PIC16F84 имеет в своем составе восьмиразрядный модуль таймера (ТМR0), который может использоваться с восьмиразрядным предделителем. Последний функционирует асинхронно, поэтому таймер способен считать частоту сигналов значительно выше частоты генератора микроконтроллера, которая равна 4 МГц. Минимальное время высокого и низкого уровней входного сигнала — 10 нс, что позволяет модулю ТМR0 функционировать от внешнего сигнала частотой до 50 МГц. Предделитель задействован для повышения точности измерений. Так как его предельный коэффициент деления равен 256, максимальная разрешающая способность счетчика составляет 16 двоичных разрядов. Однако полностью содержимое предделителя невозможно считать программно, подобно регистру. Поэтому чтобы обеспечить разрешающую способность измерения 16 разрядов — 8 старших разрядов считываются из ТМR0, а 8 младших — из предделителя.

Измеряемый сигнал через резистор R2 поступает на вывод RA4 DD1, являющийся входом внешнего сигнала (T0CKI) таймера TMR0. Этот вывод соединен с RB0, переключением которого осуществляется управление режимом счета. Перед измерением производится сброс TMR0 (при этом сбрасывается и предделитель).

Для измерения вывод RB0 конфигурируется как вход на точные интервалы времени, что позволяет внешнему сигналу поступать на вход таймера. Отсчет длительности интервалов осуществляется "зашитой" в микроконтроллер программой и выполняется как точная временная задержка. По истечении ее выход, TMR0 прекращает работу, поскольку на RA4 устанавливается низкий уровень, и внешний сигнал перестает поступать на его вход.

Затем считывается накопленное 16–разрядное значение числа периодов входного сигнала: в старшие 8 разрядов записывается содержимое TMR0, а в младшие — предделителя. Для получения значения предделителя выполняется подпрограмма (с этой целью на выводе RA4 командами BSF и BCF переключается выходной уровень, т.е. программно формируется последовательность коротких импульсов). Каждый импульс инкрементирует предделитель и счетчик импульсов N, после чего проверяется содержимое TMR0, чтобы определить, увеличилось ли оно. Если оно возросло на 1, восьмиразрядное значение предделителя определяется по содержимому счетчика импульсов N как 256 — N. Далее 16–разрядное двоичное значение частоты преобразуется в 6–разрядное десятичное, которое округляется до трехзначного, а затем формируется указанный выше экспоненциальный формат для вывода на табло в динамическом режиме. Сканирование индикаторов происходит с частотой примерно 80 Гц. Высокая нагрузочная способность микроконтроллера позволила подключить индикаторы непосредственно к его выводам.

Измерение производиться в два этапа. Сначала формируется интервал времени (программа задержки) длительностью 1 мс, что соответствует области высоких частот. Если полученное значение частоты более 127 (старший байт — значение TMR0 — и старший разряд младшего байта — значение предделителя — не равны 0), оно преобразуется, и результат выводится на индикаторы. После этого цикл повторяется.

Если же значение частоты менее 127, выполняется второе измерение (для низких частот), при котором формируется интервал времени длительностью 0,5 с. Для оптимизации работы микроконтроллера он объединен с циклом вывода результата предыдущего измерения на индикаторы. Значение частоты более 127 преобразуется для индикации, при меньшем показания индикаторов обнуляются (частота входного сигнала — вне диапазона измерений или отсутствует вообще). После этого в обоих случаях полный цикл измерения повторяется.

2 Аппаратно-программные средства

контроля и диагностики устройства

2.1 Аппаратные средства контроля

При помощи данных измерительных приборов возможна полная наладка и подготовка устройства к работе, а также профилактика в дальнейшем

2.1.1 Логический пробник (одноконтактный)

Однокристальный логический пробник – прибор для индикации двоичного состояния элементов дискретных схем (см. рисунок 2.1).

Задача логического пробника – упростить проверку логических схем, давая пользователю возможность наблюдать логические уровни без настройки и калибровки, которые необходимы при измерениях с помощью осциллографов.

Очень важным достоинством логических пробников является возможность работы с различными ИС. Это очень удобно при эксплуатации вычислительных систем, где, как правило, используются различные комплексы ИС.

Важное качество пробника – это четкость и однозначность показаний.

Основные преимущества логических пробников – компактность, возможность работы в труднодоступных местах, питание от источника проверяемого логического устройства, удобство работы.

Рисунок 2.1 — Логический пробник (режим запоминания одиночных импульсов)

2.1.2 Осциллограф (С1-65А)

Осциллограф – это контрольно-измерительный прибор для измерения параметров сигналов.

Осциллографы компонуют с другими измерительными приборами для повышения их эффективности при эксплуатации, например с мультиметром, приставкой для подсчета логических переключений, цифровым индикатором для отсчета значений напряжений и временных параметров.

1. Основные сведения:

1.1  Осциллограф универсальный С1 - 65А предназначен для исследования формы электрических сигналов путем визуального исследования и измерения их амплитуды и временных параметров.

1.2              Осциллограф может эксплуатироваться в следующих условиях:

а)      температура окружающего воздуха от 243 К ( - 30 С) до 323 К (+50 С);

б) относительная влажность окружающего воздуха до 98% при температуре до 308 К ( +35 С);

в) атмосферное давление 1004 кПа.

1.3     Осциллограф удовлетворяет требования ГОСТа 22261 – 76 и

22737 – 77.

По точности воспроизведения формы сигнала, точности измерения временных интервалов и амплитуд осциллограф С1 – 65А относится ко II классу ГОСТа 22737 – 77.

2. Технические данные:

2.1     Рабочая часть экрана осциллографа:

по горизонтали – 80 мм ( 10 делений)

по вертикали – 64 мм (8 делений)

2.2  Минимальная частота следования развертки, при которой обеспечивается наблюдение исследуемого сигнала на наиболее быстрой развертки , не более 50 Гц.

2.3  Нормальный диапазон амплитудно-частотной характеристики тракта вертикального отклонения находиться в пределах от 0 до 10 МГц. При коэффициенте отклонения 0,005 В/дел. – от 0 до 7 МГц.

2.4  Время нарастания переходной характеристики тракта вертикального отклонения в положениях 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; переключателя V/дел. не превышает 8 нс; в положении 0,005 переключателя V/дел. не превышает 10 нс; в положениях 0,01; 0,02; 0,05; не превышает 7 нс.

2.5  Неравномерность переходной характеристики (отражения, синхронные наводки) после времени установления 3, от считываемого от точки на фронте ПХ, расположенной на уровне 0,1, не должна превышать 1,5%.

2.6  Параметры входа канала вертикального отклонения:

а) входное сопротивление 1 0,03 МОм;

б) входная ёмкость, параллельная входному сопротивлению, не превышает 25 пФ

в) входное сопротивление с выносным делителем 1: 10 101 МОм с ёмкостью, параллельной входному сопротивлению, 102 пФ;

г) вход закрытый и закрытый.

2.7    Коэффициент отклонения устанавливается одиннадцатью ступенями от 0,005 до 10V/дел. с плавной регулировкой коэффициента отклонения относительно калиброванного положения не менее чем в 2,5 раза.

2.8    Нелинейность отклонения не превышает 10%

2.9    Пределы перемещения луча по вертикали не менее 64 мм.

2.10  Допускаемое суммарное значение постоянного и переменного напряжения исследуемого сигнала на закрытом входе усилителя вертикального отклонения (УВО) 300 В.

2.11  Максимальная допускаемая амплитуда исследуемого сигнала не превышает:

а) при работе без выносного делителя 60 В

б) при работе с выносным делителем 300 В.

2.12  Минимальное значение исследуемого сигнала, при котором обеспечивается класс точности осциллографа, не более 15 мВ.

2.13  Минимальная длительность исследуемого временного интервала , при которой обеспечивается класс точности осциллографа, не более 35 нс.

2.14  Предел допускаемой основной погрешности измерения напряжения не превышает 5% в нормальных условиях применения и 6% в рабочих условиях применения.

2.15  Значение коэффициента развертки: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50 мкс/дел.; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50 мс/дел.

2.16 Предел допускаемой основной погрешности измерения временных интервалов во всем диапазоне развертки ( кроме растянутой ) при размере изображения по горизонтали не менее двух делений не превышает 5% в нормальных условиях применения и 6% в рабочих условиях применения.

2.17  Внешняя синхронизация развертки осуществляется гармоническими сигналами частотой 10 Гц до 50 МГц при размахе напряжения сигнала от 0,5 до 30 В и импульсными сигналами обеих полярностей длительностью от 0,05 мкс до 1 с при амплитуде напряжения сигнала от 0,5 до 30 В. В режиме автозапуска синхронизации осуществляется сигналами частотой не менее 30 Гц.

2.18 Канал Z обеспечивает наблюдение яркостных меток при подаче на его вход среднеквадратичного значения испытательного напряжения от 1,5 до 20 В в полосе частот от 20 Гц до 10 МГц.

2.19  Параметры входа Z:

а) входное сопротивление 505 кОм;

б) входная емкость, параллельная входному сопротивлению, не более 140 пФ.

2.20  Сопротивления изоляции цепей питания между входом сетевого разъема и корпусом осциллографа не менее:

а) 20 МОм в нормальных условиях

б) 5 МОм при повышенной температуре

в) 2 МОм при повышенной влажности

2.21  Осциллограф сохраняет свои технические характеристики в пределах норм , установленных в ТУ , при питании его от сети переменного тока:

а) напряжением 22022 В, частотой 500,5 Гц, 60 Гц

б) напряжением 1155,75/22011 В частотой 400 Гц

2.22  Осциллограф обеспечивает свои технические характеристики в пределах норм, установленных ТУ после времени установления рабочего режима, равного 15 мин.

2.23  Мощность потребляемая осциллографом от сети при нормальных условиях, не превышает 125 ВА.

2.24 Наработка на отказ не менее 1500 ч.

Срок службы осциллографа 7 лет.

Технический ресурс 10000 ч.

2.1.3 Вольтметр В7-16А.

Вольтметр универсальный В7 – 16А предназначен для измерения напряжения постоянного и переменного токов, активного сопротивления при регламентных, ремонтных и регулировочных работах в различных областях электроники ,а также для проверки приборов более низкого класса.

Условия эксплуатации вольтметра:

- температура окружающей среды – от 263 К ( минус 10 С) до 323 К (+50 С);

- атмосферное давление (1004) кПа

- относительная влажность - до 95% при температуре до 303 К ( +300 С)

1.1  1. Технические данные: Время измерения напряжения постоянного тока при включенном входном фильтре не превышает:

- 200 мс при времени преобразования 100мс и четырехзначном цифровом отсчете;

- 40 мс при времени преобразования 20 мс и четырехзначном отсчете;

- 2 мс при времени преобразования 1 мс в трехзначном цифровом отсчете;

1.2    Диапазоны измерений электрических величин соответствуют значениям , указанными в таблице 2.1.

1.3    Диапазоны измерений разбиты на поддиапазоны , указанные в таблице 2.1.

1.4    Выбор поддиапазонов измерения осуществляется ручным способом.

1.5    Частотный диапазон измеряемых напряжений переменного тока:

от 20 Гц до 50 МГц на пределе «1»

от 20 Гц до 30 МГц на пределе « 10»

от 20 Гц до 20 кГц на пределах «100» и «1000»

1.7  1.6 При измерении напряжений переменного тока вольтметр градуируется в эффективных значениях. Основная погрешность обеспечивается при измерении напряжений синусоидальной формы с содержание гармоник не более 0,1% на пределе «1» , не более 0,2% на остальных пределах ,не более 1% в диапазоне частот 100 кГц – 50 МГц.Вольтметр обеспечивает следующие режимы запуска:

   - автоматически от внутреннего источника импульсов с периодом повторения 0,1 – 5 с при времени преобразования 1 мс и 20 мс, 0,2 – 5 с при времени преобразования 100 мс;

- вручную нажатии кнопки;

- дистанционно от источника импульсов частотой не более 1 кГц , 50 Гц; 10 Гц соответственно;

1.9    Предел допускаемой основной погрешности вольтметра при измерении напряжения постоянного тока обеих полярностей:- при времени преобразования 20 мс и 100 мс  - при времени 1 мс

- где Uк – конечное значение установленного предела измерений;

 Uх – показание вольтметра.

1.10  Вольтметр имеет встроенный фильтр для дополнительного подавления помех последовательного вида в режиме измерения напряжения постоянного тока. Подавлением прибором помех синхронных с частотой питающей цепи, равной 50 Гц, при времени преобразования 20 и 100 мс в случае включенного фильтра составляет не менее 60 дБ.

1.11  Входное сопротивление вольтметра составляет:

   - не менее 10 МОм при измерении напряжения постоянного тока;

-  не менее 1 МОм при измерении напряжения переменного тока;

Таблица 2.1 — Поддиапазоны измерений

2.2 Алгоритм поиска неисправности

Базовым способом обнаружения неисправности является метод «наращивания правильности» или «расширяющего теста» в сочетании с методом сравнения с «эталоном». Метод «наращивания правильности» предполагает поэтапное последовательное расширение работоспособной части системы путем включения в эту часть устройств, проверенных на предыдущем этапе. В ряде случаев, например при неисправности индикатора, необходимо включать в эту систему заведомо исправные («эталонные») устройства.

Перед началом выполнения необходимо произвести внешний визуальный осмотр конструкции, проверить правильность монтажа согласно схеме электрической принципиальной, графическая часть лист 1, убедиться в отсутствии механических повреждений элементов, а также проверить на повреждение печатные проводники. Установить переключатели сетевого питания устройства в положение, соответствующее отключенному состоянию. Потом подключить к сети 220В 50Гц.

Устранение дефектов монтажа, а также замену неисправных элементов необходимо производить маломощным паяльником. Для защиты от статического электричества необходимо заземлить рабочий стол, паяльник, а также самого наладчика с помощью антистатического браслета. Измерение параметров схемы необходимо производить, используя вольтметр В7-16А или аналогичный.

Алгоритм поиска неисправноти представляет собой последовательность действий, которую нужно выполнить для нахождения неисправности.

Симптом: при измерении на индикаторе HG1 высвечивается информация не соответствующая цифровой и буквенной. Возможные неисправности: неисправен индикатор, нарушено ПО, нарушена динамика, обрывы линий.

2.3 Алгоритм поиска неисправностей

Базовым способом обнаружения неисправностей является метод «наращивания правильности» или «расширяющего теста» в сочетании с методом сравнения с «эталоном». Метод «наращивания правильности» предполагает поэтапное последовательное расширение работоспособной части системы путем включения в эту часть устройств, проверенных на предыдущем этапе. В ряде случаев, например при неисправности индикатора, необходимо включать в эту систему заведомо исправные («эталонные») устройства.

Перед началом выполнения необходимо произвести внешний визуальный осмотр конструкции, проверить правильность монтажа согласно схеме электрической принципиальной, графическая часть лист 1, убедиться в отсутствии механических повреждений элементов, а также проверить на повреждение печатные проводники. Установить переключатели сетевого питания устройства в положение, соответствующее отключенному состоянию. Потом подключить к сети 220В 50Гц.

Устранение дефектов монтажа, а также замену неисправных элементов необходимо производить маломощным паяльником. Для защиты от статического электричества необходимо заземлить рабочий стол, паяльник, а также самого наладчика с помощью антистатического браслета. Измерение параметров схемы необходимо производить, используя вольтметр В7-16А или аналогичный.

Алгоритм поиска неисправностей представлен в графической части дипломного проекта, лист 4.

3    ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В экономической части дипломного проекта осуществляется расчет оптовой отпускной цены конструкции, по которой предприятие будет реализовывать свою продукцию потребителям.

На основании этого расчета делается вывод о целесообразности проектирования и внедрения новой конструкции в производство.

Исходные данные для расчета взяты из производственных условий.

Исходные данные для расчета курсового проекта

1.  Процент транспортно-заготовительных расходов, 13 %

2.  Процент доплаты основным производственным рабочим, 17 %

3.  Процент дополнительной заработной платы, 11 %

4.  Отчисления в пенсионный фонд, 36 %

5.  Процент косвенных цеховых расходов, 92 %

6.  Отчисление на социальное страхование, 3,74 %

7.  Отчисления в фонд занятости работников, 2,1 %

8.  Процент косвенных общезаводских расходов, 198 %

9.  Процент внепроизводственных расходов, 14 %

10.  Плановый процент уровня рентабельности, 20 %

11.  Налог на добавленную стоимость, 20%

12.  Режим работы 1-х сменный

13.  Процент отчислений на ремонт и обслуживание устройства, 8%

14.  Отчисления на монтажно-наладочные работы, 11%

15.  Амортизационные отчисления, 9%

16.  Партия 150 шт.

3.1 Расчет оптовой отпускной цены

Каждое предприятие производит продукцию и реализует ее по оптовой отпускной цене.

Оптовая цена – это те деньги, которые получит предприятие в виде выручки после реализации своей продукции.

Отпускная цена – это те деньги, которые платит покупатель с учетом налога на добавленную стоимость.

Расчет оптовой и отпускной цены конструкции осуществляется на основании калькуляции себестоимости с учетом налогообложения по законодательству Украины.

Себестоимость – это сумма всех денежных затрат предприятия, связанных с производством и реализацией единицы продукции.

В зависимости от стадии изготовления и места свершения затрат, различают цеховую, заводскую и полную себестоимости.

Цеховая себестоимость определяет затраты цехов, связанные с производством продукции, которые формируют цеховую себестоимость.

, грн                 (3.1)

где M – затраты на основные материалы и комплектующие покупные изделия с учетом их доставки на завод;

- прямая (тарифная) заработная плата основных производственных рабочих;

- доплаты к заработной плате

- дополнительная заработная плата

- отчисления на социальное страхование

- отчисления в пенсионный фонд

- отчисления в фонд занятости работников

- косвенные цеховые расходы.

Производственные затраты, связанные с изготовлением конструкции, включаемые в заводскую себестоимость, определяются по формуле:

, грн               (3.2)

где    - косвенные общезаводские расходы.

Каждое предприятие не только производит свою продукцию, но и реализует ее, поэтому учитывается реализационные затраты, входящие в полную себестоимость.

, грн              (3.3)

где    - косвенные внепроизводственные расходы

Предприятие реализует свою продукцию оптом, по оптовой цене, которая определяет величину выручки завода.

, грн                 (3.4)

где П – плановая величина прибыли.

Покупатель приобретает продукцию с завода оптом по отпускным ценам, в состав которых включают налог на добавленную стоимость

Страницы: 1, 2, 3, 4