0,00
|
0,00
|
0,04
|
0,27
|
0,00
|
0,50
|
0,08
|
0,54
|
0,00
|
0,50
|
0,00
|
0,00
|
Определим оценочную функцию для
каждой ИС:
, (2.1.2)
где - весовой коэффициент.= 0,08= 0,28= 0,13
К использованию рекомендована ИС,
имеющая минимальное значение Qn. В рассмотренном случае минимальное
значение оценочной функции Q1, потому выбрана ИС ATMEGA8.
Выбор микросхем CD4050, OPA336,
LM3940 проводился по тому же принципу.
2.2 Основные
характеристики датчиков
Датчики представляют собой
электрические аппараты, предназначенные для преобразования непрерывного
изменения входной не электрической величины в изменение выходной электрической
величины.
Перечислим основные характеристики
датчиков:
. Функция преобразования
представляет собой функциональную зависимость ее выходной величины от
измеряемой величины: y = f(x). Зависимость представляется в именованных
величинах: y в единицах выходного сигнала или параметрах датчика, x в единицах
измеряемой величины.
. Чувствительность - отношение
приращения выходной величины датчика к приращению его входной величины: S =
dy/dx. Для линейной части функции преобразования чувствительность датчика
постоянна. Чувствительность датчика характеризует степень совершенства процесса
преобразования в нем измеряемой величины.
. Порог чувствительности -
минимальное изменение значения входной величины, которое можно уверенно
обнаружить. Порог чувствительности связан как с природой самой измеряемой
величины, так и с совершенством процесса преобразования измеряемой величины в
датчике.
. Метрологические характеристики
определяются конструктивно-технологическими особенностями датчика,
стабильностью свойств применяемых в нем материалов, особенностями процессов
взаимодействия датчика с измеряемым объектом. Метрологические характеристики, в
свою очередь, определяют характер и величины погрешностей измерения датчиков.
Часть погрешностей могут быть случайными и они учитываются методами
математической статистики. Систематические погрешности могут быть аналитически
описаны и исключены из результатов измерения. Основными видами систематических
погрешностей являются:
погрешности, обусловленные
нелинейностью функции преобразования;
дополнительные погрешности,
обусловленные отличием условий работы датчика от тех, в которых определялась
его функция преобразования;
погрешности, обусловленные
нестабильностью функции преобразования вследствие процессов старения материала.
. Надежность рассматривается в двух
аспектах: механическая надежность и метрологическая надежность.
.2.1 УФ - датчики
Ультрафиолетовое излучение -
электромагнитное излучение, занимающее диапазон между рентгеновским и видимым
излучением 10-380 нм. Диапазон условно делят на ближний (380-200 нм) и дальний,
или вакуумный (200-10 нм) ультрафиолет. Так же существует деление на УФ - A (315-400
нм), УФ - B (280-315 нм) и УФ - C (200-280 нм).
УФ датчики представляют собой
фоточувствительные детекторы, применяемые для измерения УФ интенсивности, схемы
подключения которых преобразуют входной сигнал в Амперы. Интенсивность
излучения - отношение потока излучения к площади поверхности.
Для данного проекта используются
следующие датчики УФ излучения:
) Модель SG01S компании
Hamamatsu, диапазона УФ - В;
) Модель G1961 компании
Hamamatsu, диапазона УФ - А[12].
2.3 Описание элементов
схемы электрической принципиальной
1) Модуль питания
Стабилизатор напряжения LM3940
используется для преобразования напряжения из 5В в 3,3В. Обвязка к
стабилизатору в виде конденсаторов С8 и С9 выбрана с учетом требований
технической документации на данный стабилизатор и используется для сглаживания
пульсаций напряжения.
) Набор датчиков
Подключение датчиков УФ-излучения
произведено с учетом требований технической документации. Датчики УФ-излучения
представляют собой фотодиоды VD1 и VD2, которые измеряют интенсивность УФ
излучения на длинах волн 300 нм и 400 нм соответственно. Резисторы R1, R2, R3 и
R4 необходимы для обеспечения необходимого напряжения на выходах датчиков,
конденсаторы C1 и C2 - для фильтрации высокочастотных помех. Номиналы
резисторов и конденсаторов были выбраны с учетом требований технической
документации.
Схема подключения датчика
УФ-излучения, приведенная в документации [12], имеет следующий вид:
Рисунок 2.3.1. Схема подключения
датчиков УФ - излучения
Датчик УФ - излучения SG01S имеет
следующую характеристику выходного тока в зависимости от интенсивности
излучения по документации[12]:
Рисунок 2.3.2. Характеристика
выходного тока датчика SG01S в зависимости от интенсивности излучения
Рисунок 2.3.3. Характеристика
выходного тока датчика G1961 в зависимости от интенсивности излучения
В документации указано, что при
малой освещенности (>10-12 Lx) регистрировать УФ-излучение будет
невозможно.
) Модуль обработки информации
Тактирование модуля осуществляется
от кварцевого резонатора ZQ1 1МHz и имеет обвязку из конденсаторов C3 и C4,
взятую из документации на данный модуль.
) Для модуля вывода информации на
накопитель (флэш карту) используем конвертер напряжения CD4050 для
преобразования уровня напряжения из 5В в 3,3В, поскольку флэш карта питается и
работает от напряжения 3,3В.
) Модуль вывода информации на LCD
экран подключен к выводам PD2-PD7 микроконтроллера Atmega8. Потенциометром R6
задаётся контрастность LCD дисплея, а анод LCD дисплея (вывод 11) подключен к
питанию через резистор R7.
) GSM-модуль подключен к выводам PD0
и PD1 микроконтроллера Atmega8. Для связи GSM-модуля с SIM-картой необходимо
использовать резисторы R8, R9 и R10 с учетом требований технической
документации.
) Модуль внешнего накопителя
(жесткий диск) соединен с микроконтроллером через выводы PD1-PD3 с
использованием рекомендуемого подключения USB-разъема через резисторы R1, R2 и
R3 (см. Модуль А2 ДК 81.416143.001Э3).
.4 Описание работы схемы
Основу устройства составляет
программируемый контроллер Atmega8.
При поступлении на АЦП
микроконтроллера, данные УФ - излучения от Солнца на двух длинах волн
оцифруются. В качестве опорного напряжения выбран внутренний источник 2,56В. Чувствительность
АЦП рассчитаем по опорному напряжению и разрядности АЦП: 2,56/1024=0,0025, т.е.
2.5 мВ. Режим, в котором будет работать АЦП микроконтроллера, - это непрерывное
преобразование, при котором АЦП периодически измеряет входное напряжение и по окончании
преобразования записывает результат в регистры ADCL и ADCH. Диапазон входных
значений, которые поступают на АЦП, лежит в пределах 2,4мВ - 2,5В.
Пример реализации подключения
датчика УФ-излучения выполнен в САПР LTSpiceIV. Выходного напряжения с УФ-датчика
будет достаточно для дальнейшей оцифровки значений аналого-цифровым
преобразователем.
Значения от преобразователей
температуры и атмосферного давления в цифровой код с однопроводным интерфейсом
1-Wire поступают на входы микроконтроллера PC2 и PC3 соответственно.
Рисунок 2.4.1. Моделирование датчика
УФ - излучения в САПР LTSpice
После оцифровки данных,
осуществляется вычисление тропосферного озона согласно формулам, приведенным в
методических указаниях (см. раздел «Организация программного обеспечения»)
[17].
Рассчитанные данные сохраняются на
флэш карту памяти MultimediaCard (подключение с МК через линии PB2-PB5) и
выводятся на ЖК-индикатор (линии PD2-PD7 МК).
Передача и прием данных по эфиру
через GSM-модем осуществляется программированием модема при помощи AT-команд.
Для сохранения измерений на внешнем
накопителе используем жесткий диск, подключаемый к USB-разъему посредством
связи через UART-интерфейс.
.
Обзор интерфейсов
3.1 Общие сведенья о
интерфейсе SPI
(англ. Serial Peripheral Interface,
SPI bus - последовательный периферийный интерфейс, шина SPI) - последовательный
синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, разработанный
компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения
микроконтроллеров и периферии. SPI также ин+огда называют четырёхпроводным
(англ. four-wire) интерфейсом.
В отличие от стандартного
последовательного порта (англ. standard serial port), SPI является синхронным
интерфейсом, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым
сигналом, генерируемым ведущим устройством (процессором). Принимающая (ведомая)
периферия синхронизирует получение битовой последовательности с тактовым
сигналом. К одному последовательному периферийному интерфейсу ведущего
устройства-микросхемы может присоединяться несколько микросхем. Ведущее
устройство выбирает ведомое для передачи, активируя сигнал «выбор кристалла»
(англ. chip select) на ведомой микросхеме. Периферия, не выбранная процессором,
не принимает участия в передаче по SPI.
В SPI используются четыре цифровых
сигнала:
· MOSI или SI - выход
ведущего, вход ведомого (англ. Master Out Slave In). Служит для передачи данных
от ведущего устройства ведомому.
· MISO или SO - вход
ведущего, выход ведомого (англ. Master In Slave Out). Служит для передачи
данных от ведомого устройства ведущему.
· CS или SS - выбор
микросхемы, выбор ведомого (англ. Chip Select, Slave Select). [13]
3.2 Интерфейс SPI
микроконтроллера Atmega8
Шина SPI организована как
«ведущий-подчиненный». В качестве ведущего чаще всего выступает
микроконтроллер. Внешние устройства подключенные к ведущему являются
подчиненными (ведомыми). Если соединить два микроконтроллера по шине SPI, то
они могут по очереди становится ведущим или ведомым. Главное, что в конкретный
момент времени на шине SPI только одно устройство может быть ведущим.
Рассмотрим на примере выбранного микроконтроллера Atmega8 какие ножки в МК
связаны с шиной SPI и что они означают.
Рисунок 3.2.1. Реализация SPI -
интерфейса в Atmega8
При загрузке значения в регистр
данных SPI ведущего он сразу же начинает генерить тактовый сигнал на SCK и
побитно выдвигать данные на вывод MOSI, который соединен с входами MOSI ведомых
устройств.
Ведомое устройство получит данные,
только если на выводе SS присутствует низкий уровень. Мы можем
подключить к шине SPI микроконтроллера несколько SPI устройств и используя
дополнительные ножки МК выбирать конкретное устройство с которым мы хотим в
данный момент работать. Вывод SS ведущего можно сконфигурировать как выход и
использовать его как выходной контакт. Если же он сконфигурирован как вход, его
необходимо подключить к шине питания. Если на выводе SS ведущего устройства
появится низкий уровень, то он переключится в режим ведомого.
3.3 Сравнение SPI- и I²C- интерфейсов
I²C
- последовательная шина данных для связи интегральных схем, разработанная
фирмой Philips в начале 1980-х как простая шина внутренней связи для создания
управляющей электроники.
I²C использует
две двунаправленных линии, подтянутые к напряжению питания и управляемые через
открытый коллектор или открытый сток - последовательная линия данных (SDA,
англ. Serial DAta) и последовательная линия тактирования (SCL, англ. Serial
CLock). Стандартные напряжения +5 В или +3,3 В, однако допускаются и
другие[14].
Ниже можно ознакомиться с
преимуществами, которая дает та или иная последовательная шина.
Таблица 3.3.1. Преимущества SPI- и I²C- интерфейсов
Преимущества шины SPI
|
Преимущества шины I2C
|
Предельная простота протокола передачи на физическом уровне
обуславливает высокую надежность и быстродействие передачи. Предельное
быстродействие шины SPI измеряется десятками мегагерц и, поэтому, она
идеальна для потоковой передачи больших объемов данных и широко используется
в высокоскоростных ЦАП/АЦП, драйверах светодиодных дисплеев и микросхемах
памяти
|
Шина I2C остается двухпроводной, независимо от
количества подключенной к ней микросхем.
|
Кроме того, интерфейс SPI является
основой для построения ряда специализированных интерфейсов, в т.ч. отладочный
интерфейс JTAG и интерфейсы карт Flash-памяти, в т.ч. SD и MMC.
Поскольку в данном проекте
используется карта памяти ММС, то целесообразно выбрать именно SPI-интерфейс
для организации связи с МК.
3.4 Общие сведенья о
UART- интерфейсе
Универсальный асинхронный
приёмопередатчик (УАПП, англ. Universal Asynchronous Receiver-Transmitter
(UART)) - узел вычислительных устройств, предназначенный для связи с другими
цифровыми устройствами. Преобразует заданный набор данных в последовательный вид
так, чтобы было возможно передать их по однопроводной цифровой линии другому
аналогичному устройству. Метод преобразования хорошо стандартизован и широко
применялся в компьютерной технике. Представляет собой логическую схему, с одной
стороны подключённую к шине вычислительного устройства, а с другой имеющую два
или более выводов для внешнего соединения.может представлять собой отдельную
микросхему или являться частью большой интегральной схемы. Используется для
передачи данных через последовательный порт компьютера, часто встраивается в
микроконтроллеры. Логическая схема UART имеет входы-выходы с логическими
уровнями, соответствующими полупроводниковой технологии схемы: КМОП, ТТЛ и т.д.
Такой физический уровень может быть использован в пределах одного устройства,
однако непригоден для коммутируемых длинных соединений по причине низкой
защищённости от электрического разрушения и помехоустойчивости. [13]
3.5 Интерфейс UART
микроконтроллера Atmega8
В UART МК используются две линии
(вывода микроконтроллера): Rx - для приема и Tx - для передачи. Данные по UART
передаются в следующем формате:
Рисунок 3.5.1. Формат передачи
данных по UART-интерфейсу
) Старт-бит - служит для
определения начала посылки;
) Биты данных - может быть от
5 до 9 бит, но наиболее часто используется 8 бит - один байт;
) Стоп биты - 1 или 2 бита,
служат для определения окончания посылки.
Для UART в Atmega8 настраиваются
следующие параметры: скорость обмена, количество бит данных, контроль четности,
количество стоп-бит. [9]
Поскольку в данном проекте
используется GSM-модем, то целесообразно выбрать UART-интерфейс для организации
связи с МК.
3.6
Общие сведенья о 1-Wire- интерфейсе
-Wire (англ. один
провод) - двунаправленная шина связи для устройств с низкоскоростной передачей
данных (обычно 15,4 Кбит/с, максимум 125 Кбит/с в режиме overdrive), в которой
данные передаются по цепи питания (то есть всего используются два провода -
один для заземления, а второй для питания и данных; в некоторых случаях
используют и отдельный провод питания). Разработана корпорацией Dallas
Semiconductor и является её зарегистрированной торговой маркой.
Соответственно,
топология такой сети - общая шина. Сеть устройств 1-Wire со связанным основным
устройством названа «MicroLan», это также торговая марка Dallas Semiconductor.
Обычно используется
для того, чтобы связываться с недорогими простыми устройствами, такими как,
например, цифровые термометры и измерители параметров внешней среды. [13]
3.7 Связь интерфейса
1-Wire с микроконтроллером Atmega8
Передача сигналов
по шине 1-Wire разделена на временные слоты длительностью 60 мкс. Одним
временным слотом передается только один бит данных. Подчиненным устройствам
допускается иметь существенные отличия от номинальных выдержек времени. Однако
это требует более точного отсчета времени ведущим, чтобы гарантировать
корректность связи с подчиненными, у которых различаются временные базисы.
Ведущий инициирует
каждую связь на битном уровне. Это означает, что передача каждого бита,
независимо от направления, должна быть инициирована ведущим. Это достигается
установкой низкого уровня на шине, который синхронизирует логику всех остальных
устройств.
Поскольку в данном проекте
используются датчики, то целесообразно выбрать 1-Wire - интерфейс для
организации связи с МК.
4. Разработка печатной
платы
.1 Выбор, обоснование
типа и материала ПП
Печатная плата (на англ. PCB -
printed circuit board) - пластина, выполненная из диэлектрика, на которой
сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь
(электронная схема). Печатная плата предназначена для электрического и
механического соединения различных электронных компонентов или соединения
отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на печатной плате
соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой,
накруткой, склёпкой, впрессовыванием, в результате чего собирается электронный
модуль (или смонтированная печатная плата).
Выделяют такие типы печатных плат
(ПП): односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП), гибкие (ГПП) и многослойные
(МПП). Среди возможных вариантов необходимо выбрать наиболее подходящий для
данного дипломного проекта, который будет удовлетворять поставленным условиям.
Характерными чертами ОПП являются
простота и экономичность изготовления. Они обеспечивают возможность выполнения
проводящего рисунка с повышенной точностью. Позволяют осуществлять установку
навесных элементов на поверхность платы со стороны, противоположной пайке, без
дополнительной изоляции.
МПП состоят из чередующихся слоев
изоляционного материала и проводящих рисунков, соединенных клеевыми прокладками
в многослойную структуру путем прессования. Для МПП характерны повышенная
плотность монтажа, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям,
сложность технологии изготовления и конструирования, а также относительно
высокая стоимость.
ГПП - свернутые в рулон платы. Для
ГПП характерны: компактность, надежность, ударопрочность. Основной недостаток
ГПП - применение дорогих материалов для их изготовления [16].
Использование односторонней печатной
платы нецелесообразно из-за количества элементов, поскольку соединить все
элементы без пересечений проводников будет затруднительно, а может быть и вовсе
невозможно. Многослойная печатная плата соответствует нашим условиям, но ее
производство требует больших затрат, чем двухсторонняя. Двухсторонняя плата
полностью удовлетворяет все запросы, поскольку организовать все связи без
пересечений не составит такого труда как на односторонней и она обеспечит
меньшие затраты в сравнении с многослойной печатной платой.
Для данного дипломного проекта был
выбран двухсторонний тип печатной платы, поскольку благодаря этому типу платы
достигается уменьшение габаритов устройства по сравнению с многослойным типом.
Двухсторонний тип позволяет использовать две стороны основания платы для
трассировки элементов и соединений, что является оптимальным решением для
данного проекта.
Печатные платы делаются из
фольгированного изоляционного материала (гетинакса, стеклотекстолита,
фторопласта). На одну из сторон листа изоляционного материала прочно наклеена
металлическая фольга, которая позволяет получить в дальнейшем печатные
проводники любой формы. Они представляют собой полоску фольги, соединяющую
выводы двух или более деталей, установленных на печатной плате в соответствии с
принципиальной схемой радиотехнического устройства. Так же основой ПП может
служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный
алюминий).
В качестве материала для печатных
плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется
фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д) и керамика. Гибкие
платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.
Гетинакс по сравнению со
стеклотекстолитом имеет несколько худшие характеристики. Стеклотекстолит
превосходит гетинакс по своим электрическим и механическим параметрам, но имеет
большую стоимость.
Фольгированный гетинакс является
менее прочным, чем стеклотекстолит, и достаточно ломким, но имеет лучшие
электроизоляционные свойства и в 4 раза дешевле стеклотекстолита, поэтому он
находит применение в изготовлении печатных плат для аппаратуры массового
производства, при изготовлении которой одной из задач разработчика является
минимальная стоимость прибора.
Фольгированный стеклотекстолит имеет
гораздо лучшие механические свойства по сравнению с гетинаксом (не ломается и с
трудом изгибается), поэтому нашёл применение в военной, вычислительной,
измерительной и прочей аппаратуре, где требуется высокая надёжность прибора,
либо стойкость к механическим нагрузкам.
Для изготовления печатной платы
применим стеклотекстолит СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10316-78, который выдерживает
перепады температур в широком диапазоне, вибрационные нагрузки, климатические
удары. [18]
4.2 Выбор и обоснование
класса точности ПП
Существует пять классов точности
печатных плат в соответствии с ГОСТ 23.751-86, и в конструкторской документации
на печатную плату должно содержаться указание на соответствующий класс, который
обусловлен уровнем технологического оснащения производства. ПП 1-го и 2-го
класса точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют
минимальную плотность монтажа. ПП 3-го, 4-го, 5-го класса точности требуют
использования высококачественных материалов, инструмента и оборудования.
Таблица 4.2.1. Классы точности
Обозначение
|
Класс точности
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
Ширина печатных проводников
|
0,75
|
0,45
|
0,25
|
0,15
|
0,10
|
Расстояние между соседними элементами
|
0,75
|
0,45
|
0,25
|
0,15
|
0,10
|
Ширина пояска контактной площадки.
|
0,30
|
0,20
|
0,10
|
0,05
|
0,02
|
Отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы
|
0,40
|
0,40
|
0,33
|
0,25
|
0,20
|
Для этого проекта будет использован
четвертый класс точности, поскольку он является оптимальным для технологии
изготовления электронных устройств. Этот класс точности позволяет достичь малых
габаритов устройства и использовать современную элементную базу.
4.3