Аналітичні ваги

СТАН ВИВЧЕНОСТІ ВОПРОСА.

Ідея створення електронних лабораторних терезів аналитического класу точності (до 0.0001 р) виникло після закінчення відвідин нами презентації Казахстанського представництва фірми «Metler-Tolledo «(США-Швецария), проведеного місті Рудний у травні 2000 року в базі акціонерного товариства Соколовско-Сарбайское горно-производственное об'єднання (АТ ССГПО).

Подані у ньому аналітичні електронні лабораторні ваги мали дуже дорогу вартість будівництва і, крім того, булобути придбано нами. У персоналу презентующего продукцію цього усесвітньо відомого виробника терезів ми змогли встановити тольдо те, що вимірювальний вузол є тензодатчик високой точності, вартість якого становить ¾ всього вироби. Точність — це візитівка даної фірми, так наприклад у закуплених АТ ССГПО залізничних терезів точність становить 400 грам, яка за існуючих вимогах стандарту до точности даного класу терезів один% представляється просто фантастической.

Обсяг літературних джерел з цього питання дуже бідний і обмежений, переважно, загальними знаннями. З роботи [1] ми выяснили, що тензодатчик аналітичного класу точності представляє собою об'ємну конструкцію з шайб сплавів рідкісних та коштовних металів, які мають властивістю зміни електричних параметрів, наприклад опору, при найменших механічних впливах ними. Дуже непростими є заодно й устрою измерения, оскільки визначається параметр змінюється тільки від хутранического впливу, а й цілої інших параметрів, самым визначальним із яких є температура. Ми змогли найти лише тензорезисторы, одержані із міді, які мають недостатньою чутливістю до невеликим змін зовнішнього тиску них, тому цього підходу ми відмовилися сразу.

Малопривабливими виготовлення за умов школи зздавалися нас і електронно-механічні види аналітичних терезів, у яких система противаг і кодових шкал з компенсторами [1] просто більше не можна було відтворено поза лабораторії точної механики і оптики.

У процесі аналізу літературних джерел нам прийшла ідея спрямування зважування сили взаємодії магнітного і електричних полів. Приміром, якби магніті розмістити котушку, яку належить взвешиваемое речовина, то, при пропускании неї постійного струму, наперед визначеної полярности, навколо котушки виникає протилежно спрямоване электрическое полі, і при певної величині струму вагу речовини судет подолано і ми залишається тільки виконати дослідження зависимости вагу — величина електричного тока.

Проте ваги даної конструкції мають одна вада — неможливість зважування матеріалів які мають магнітної индукциїй, наприклад залізних стружок, але список таких матеріалів незначителен і це можна пренебречь.

СТРУКТУРА ЗАПРОПОНОВАНИХ ЕЛЕКТРОННИХ АНАЛІТИЧНИХ ВЕСОВ.

Структура електронних аналітичних терезів з магнитно-элекрическим датчиком ваги повинна безумовно містити мікроконтролер задля забезпечення швидкого добору значення электрического струму, достатнього задля подолання ваги. Нині спектр цих матеріалів вельми широке, але тоді ми вибрали однокристальную електронну обчислювальну машину (ОЭВМ) КР1816ВЕ51 [3,4], исходя з таких соображений:

1) компактність виконання — практично всього спектра візможностей обчислювальної машини скомпанован лише у микросхеме;

2) високе швидкодія — 1 000 000 операцій на секунду;

3) досить великий обсяг внутрішньої пам’яті для програми користувача — 4 кБ;

4) наявність комунікаційного послідовного программируемого порту для в зв’язку зі IBM-совместимым комп’ютером, що дуже важливо, як з погляду налагодження програмного забезпечення аналитических веов, і з погляду зовнішнього управління ними, хранения і статистичної обробки вироблених взвешиваний;

5) двухуровенная система обробки переривань для обслуживания подій від шести джерел запитів, наприклад підняття навіски;

6) простий ввод/вывод 32-х дискретних сигналів (є сигнал — 5 У, немає сигналу — 0 В);

7) два вбудованих таймера для точного відстежування малих та великих тимчасових інтервалів, незалежно від дій виконуваних в цей час программой;

8) досить простий Асемблер з широкі можливості в області арифметики і логики;

9) його присутність серед нашому розпорядженні компілятора Ассемблера і комупоновщика програм для автоматизованого створення апаратно оріентированного програмного кода;

10) наявність программы-симулятора, який імітує виконання команд ОЭВМ КР1816ВЕ51, на IBM-совместимом комп’ютері і що полегшує пошук ошибок;

11) наявність IBM-совместимого программатора фірми «Хронос «(Росія) для прошивки програмного коду у внутрішнє пам’ять программ мікросхеми КР1816ВЕ51;

До вад ОЭВМ КР1816ВЕ51 можна віднести недостатнє доличество портів ввода/вывода сигналів, всього 32. Побіжний підрахунок пітребного кількості сигналів показує, що мені необхідні: а) 21 вихідний сигнал для добору цифрового аналога токового сигналу, щоб забезпечити аналітичну точність буде в діапазоні ваги 0…200 р; б) 12 вихідних сигналів висновку значення отриманого ваги на табло аналітичних терезів з семи семисегментных цифробуквенных світлодіодних індикаторів і світлодіода десяткової точки; на чотири вхідних сигналу управління режимами роботи аналітичних терезів («Тара », «Однократне зважування », «Багаторазове зважування «і «Температура ») р) 2 вхідних сигналу для датчиків піднесення котушки терезів і температури повітря; буд) вхідний і вихідний сигнали для двостороннього поєднання аналітичних терезів з IBM-совместимым комп’ютером; е) вихідний сигнал індикації роботи аналітичних весов.

Отже нам бракує, принаймні, 10 сигналів для забезпечення успіху схеми на обраної ОЭВМ. Можна було б і шляхом установки двох ОЭВМ щодо одного виробі з поділом функцій з-поміж них, але цей підхід занадто дорогий і марнотратний, тому ми вирішили використовувати недорогу мікросхему КР580ВВ55А (программирумый паралельний адаптер (ППА) [3]) належала для розширення адресованих портів з 32 до 45.

ОЭВМ КР1816ВЕ51 передаватиме дані в 3 порту мікросхеми КР580ВВ55А через одне із своїх портів (рис. 1), для вибору номери интересуемого порту і стробирования звернення до ППА необхідні ще 3 виведення. Якщо запрограмувати мікросхему лише з висновок, то немає потреби в підключенні до ОЭВМ висновків читання (RD) і запис (WR) ППА, бо їх можна зафіксувати сигналами з блоку харчування через резисторы, нормирующие припустимий для мікросхеми вхідний ток.

На висновки 3-х портів КР580ВВ55А (рис. 1), оскільки він судет запрограммированна лише з висновок, найкраще підключити вустройство цифроаналогового перетворювача (ЦАП), тобто пристрій, перетворююче цифровий код в токовый аналог, наприклад, код 1388h (десятичное число 5000) в струм величиною 0,5 А.

З іншого боку безпосередньо до вводам ОЭВМ (рис. 1) би мало бути підключені: датчик піднесення ваги (ДП); датчик температури (ДП) для точнішого добору токового аналога буде в діапазоні робочих температур терезів; согласователь інтерфейсів (СІ) послідовних портів ОЭВМ і IBM-совместимого комп’ютера; комутатор ланцюга цифроаналогового перетворювача (КЦ) запобігання негативним наслідкам від тривалого впливу сильних струмів на низкоомную котушку влаштуйства зважування (УВ); пульт індикації та управління (ПИУ). Більше докладно кожному з них присвячений окремий параграф работы.

Структурна схема хімічних аналітичних терезів сполучена з принципової електричної схемою підключення ОЭВМ КР1816ВЕ51 і ППА КР580ВВ55А, де харчування до мікросхемах подається на виводи VCC (5 Вольт) і GND («земля ») [3].

Тактова частота роботи ОЭВМ (D1) задається кварцовим резонутором ZQ1 (6 чи 12 мГц). Ланцюжок R1, C3 варта передучи управління з адрусу 000 ОЭВМ КР1816ВЕ51 і ініціалізації мікросхеми включення харчування. Так, відразу після включення харчування ємність C3 заряджається і це заряд «стікає «з обкладки зі знаком «- «через резистор R1; номінали резистора і ємності цьому ланцюзі подобраны в такий спосіб, аби утримати потенціал більший 2,5 У у тічение щонайменше 5 мікросекунд, що достатньо ініціалізації мікросхеми D1. Аналогічним способом можуть виконати автоинициализация мікросхеми D2, але тоді ми «жорстко «зафіксували висновок перезапуску (RST) на «землю », щоб єдиним можливим способом її стало виконання команд ОЭВМ КР1816ВЕ51.

Ємність C4 ж виконує функцію фільтра високочастотних перешкод по пітанию, а резистор R2 встановлює на вході EA ОЭВМ «високий «потенциал, відповідний обраності внутрішньої, а чи не зовнішньої памяти программ.

Усі висновки порту P0 ОЭВМ через токоограничивающие резисторы R4, R5,…, R11 (1.8 кОм) під'єднані до харчуванню + 5 Вольт через особенного виконання цього порту («з відкритою колектором »). Напризаходів, якби виведення P0.0 транзистор мікросхеми D1 закритий, то, на виході значення одиничного сигналу підтримується зовнішнім харчуванням +5 В, у відкритому ж стані (комутація спільний провід через транзистор мікросхеми D1) потенціал лінії падає до нудевого значення. Оскільки мікросхема D2 варта роботи лише з висновок даних, то режим читання (RD) «жорстко «обраний неактивним, посредством підключення цього висновку служить, через токоограничивающий резистор R12 (1.8 кОм) до харчування +5 В, а режим обраності мікросхеми (CS) — активним, підключенням його до спільного дроту, оскільки це єдинийственная обирають у пристрої терезів мікросхема. Адреса одного з чотирьох портів микпосхемы D2 (3 — порт програмування режиму її CW, 2 — порт З, 1 — порт У і 0 — порт А) обирається непосередньо з висновків P2.4 і P2.5 ОЭВМ. Виконання команд пропереводиться під час переходу сигналу записи (WR) з потенціалу +5 В до нулівому потенціалу з виведення P2.6 ОЭВМ КР1816ВЕ51.

Тимчасова діаграма виведення даних одного з обраних портів мікросхеми КР580ВВ55А як 0 приведено на рис. 1а [3]. Мікросхема КР580ВВ55А має три режиму обміну: 0, 1 і 2, у тому числі нам підходив лише нульової режим, у якому односпрямований висновок виробляється через кожній із портів без жодних сигналів сопроводіння (без квитирования) і вихідна інформація защелкивается в вихідний буфер порту по зрізу сигналу WR і залишається не вдома цего порту до наступного изменения.

__ t.

WR +5 В.

0 В.

__ +5 В.

CS.

0 В.

+5 В.

D.

0 В.

+5 В.

A0,A1.

0 В.

+5 В.

А, В, С, CW.

0 В.

Рис. 1а. Тимчасова діаграма виведення даних через порт.

А, У, З чи CW мікросхеми КР580ВВ55А.

І на цій діаграмі рисочкою згори є такі сигнали, активные при нульовому потенціалі, М — образний перехід сигналів означає, що й сигнали змінюються, вони повинні змінитися сдесь. Время t ми підібрали експериментально, і вона повинна не меншим 2-х мікросекунд, точний час між іншими сигналами немає нікакого значення — важлива їх точна последовательность.

БЛОК ПИТАНИЯ.

У даний роботі ми намагалися до максимальному використанню визначних акторів і добре зарекомендували себе розробок, доступних нам через відкриті літературні джерела. Приміром, електрична принципова схема випромінювача инфрокрасного діапазону запозичена нами з принтера СМП 6327 [5], а приймача — з схеми побутового тілівизионного приймача [6], включаючи ще й просте запозичення блока харчування з списаного нагромаджувача на пятидюймовых гнучких магнітних дисках ЕС5321М радянського виробництва [7], досить потужного й надежного, принципова електрична схема якого представлена на рис. 2.

У цій схемі змінне напруга 220 У через вимикач і запобіжник FU1 (1 А) надходить на первинну обмотку трансформатору ТПП288−220−50. З кількох вторинних обмоток цього трансформатора набираються вихідні напруги змінного струму о 19-й і аналогічних сім Вольт, що подаються на два диодных мосту, складених із кременіевых діодів КД205 В. На вихід із диодных мостів маємо выпрямленные постійні напруги зі значними пульсаціями, подолання що у ланцюг паралельно мостам діодів включені электролитические ємності: С1 (10 000 мкФ 50 У) і С2 (2000 мкФ 50 У). У час часу коли із виходу диодного мосту напруга зростає ємності заряжаются, а коли напруга починає знижуватися стекание заряду з обкладок електролітичного конденсатора згладжує прояв цих кульсаций на вході стабілізаторів, зібраних на резисторах R1, R2 (1 Ом), ємностях С3… С6 (0,1 мкФ), транзисторах VT1, VT2 (КТ818БМ), мікросхемах D1 (КР142ЕН8Б), D2 (КР142ЕН5А і ємностях С7, С8 (200 маФ).

Принцип роботи стабілізатора наступний: мікросхема D1 (D2) управляє струмом, протекающим через малоомный резистор R1 (R2), тим самим змінюючи усунення переходу база-эмитер транзистора VT1 (VT2) і підтримуючи з його виході стабільне значення необхідного для нагрузки вихідного напруги харчування 12 (5) Вольт. Наявність потужних транзисторів VT1 і VT2 викликано вимогами забезпечення великих токов, необхідних в накопичувачі на гнучких магнітних дисках [7] при запуску його двигунів. Такий блок харчування найоптимальніше підходить й у аналітичних терезів, у яких також спостерігається разівковременные сплески споживання великих струмів які протікають через котушку устрою зважування й ланцюги цифроаналогового преобразователя.

Ємності С7, С8 включені для згладжування імпульсних пульсацій навантажень на стабілізатор, а С5, С6 як фільтра высокочастотных помех.

Запобіжник FU1 захищає мережу змінного струму від перегрузок, скажімо при короткому замиканні на вторинних обмотках трансформатору, а FU2 і FU3 — блок харчування, при перевантаженнях в питаемых через них схемах.

ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ.

Найоптимальнішим було б використання кронштейна як цифроаналогового перетворювача спецализированной мікросхеми, що существенно спростило б електричну принципову схему аналитических терезів і позбавило нас від проблеми рішення безлічі проблем, пов’язаних із цим перетворенням. Наприклад, мікросхеми К572ПА1, К594ПА1 [2] радянського виробництва чи імпортного виробництва: DAC-01 і DAC-02 (фірма Precision Monolitic), MC1406 (Motorola), HI-1080 і HI-1090 (Harris Semiconductor), AD-562 і AD-7520 (Analog Devices) [8], або як сучасні MX7534, MX7535, MX7536, MX7538 (Maxim) [9]. Проте найкращі з цих чипів гарантують дозвіл з точністю трохи більше 14 розрядів, що вочевидь замало для обеспечения аналітичної точності зважування буде в діапазоні 0…200 грамм.

Задля більшої зазначених вимог ми повинні розробити принципову электричестую схему 21-го разрядного цифроаналогового преобразователя.

Існує дві найширше поширених методу цифроаналогового перетворення: з допомогою зважених резистрів і многозвенной ланцюжка резистров [8].

На рис. 3 представлена принципова електрична схема цифроаналогового перетворювача з двоично-взвешенными резисторами, що складається з n ключів, за одним за кожен розряд, управляемых вихідним сигналом; ланцюжка двоично-взвешенных резисторів; джерела опорного напруги Uоп і підсумовуючого операционного підсилювача, не вдома якого виходить аналоговий сигнал, пропорційний цифровому коду на входе.

У ідеальної ситуації струм, на вході операційного підсилителя буде равен.

An-1хUоп An-2хUоп A1хUоп A0хUоп I = __________ + __________ +. .. + ________ + ________ .

R R R R.

У нашому випадку, для 21-разрядного цифроаналогового преобразователя, діапазон зміни опорів резисторів повинен відповідатиме ряду: 1,2,4,8,…, 524 288,1048576 Ом. В Україні було можливості точного добору такого широкому ряду резисторів тим паче, що повинно бути все изготовленны за однією технології, у зв’язку з аніж цей метод побудови цифроаналогово перетворювача — неприемлем.

На рис. 4 представлена принципова електрична схема цифроаналогового перетворювача з многозвенной ланцюжком резисторів. У цій схемі використання ланцюжка резисторів R-2R, приводить до того що, внесок кожного розряду в вихідний сигнал пропорционален його двоичному весу.

Оскільки ця ланцюжок резисторів є лінійної ланцюгом, що його роботу можна проаналізувати методом суперпозиции, тобто внесок у вихідний напруга від кожної джерела розглядати незалежно з інших джерел. Остаточно все вклади від каждого розряду сумуються щоб одержати не вдома результату в вигляді напруги Uвых [8].

Отже, вихідний напруга цифроаналогового преобразователя пропорційно сумі напруг відносини із своїми вагами, обумовлених лише ключами, під'єднаних до джерела Uоп.

У нашій 21-разрядного цифроаналогового перетворювача просте механічне копіювання цієї схеми неможливо, оскільки найкращі чіпи операційних підсилювачів LM101A, LF156A чи LM118 неспроможні забезпечити необхідного дозволу — їх межа 14-ть розрядів і 8…12 розрядів — для мікросхем операційних підсилювачів радянського виробництва (К153УД2, К140УД18 та інших). Можна було б розробити двухплечевую схему з допомогою не вдома однієї з плечей дільника напруги, то такий підхід призведе до безлічі проблем, що стосуються забезпечення идентичности плечей та інших. Тому вирішили видалити з схеми наведеної на рис. 4 операційний підсилювач, замінивши предшествующий йому резистор 2R, многозвенной ланцюга, котушками устрою взвешивания.

Тоді задля забезпечення зміни струму не вдома цифроаналогового перетворення досить великих номіналів струму, до 3,5 А, ми повинні підібрати пари 2R/R з такою розрахунком, щоб вемашкара R становила значення трохи більше 1 Ома, у своїй резисторы 2R повинен мати коефіцієнт розподілу якнайближче до двом, особливо у старших значущих розрядах. Крім цього, резистори мали бути зацікавленими потужними МЛТ-1 чи МЛТ-2, щоб запобігти їм вигорания під час проходження великих токов.

Підбір номіналів резисторів ми виробляли з использованиїм цифрового вимірювача L, З, R Е7−8 з тисяч резисторів, номіналу 1,4 і 2,7 Ом, переважають у всіх організаціях міста, в яких ми змогли це знайти: АТ ССГПО (6 підрозділів), Рудненский індустріальний інститут, Рудненский політехнічний кілледж та інших. Тип і номінали цих резисторів визначали їх редде користування та тому через їх відсутності чи дефіцитности нам не відмовили в жодній зі згаданих организаций.

Після тривалої і стомливою роботи ми змогли подобрати многозвенную 21-разрядную ланцюжок опорів, значення опорів яких зведені в табл. 1.

Таблиця 1.

Дібрані номінали резисторів многозвенной ланцюжка цифроаналогового преобразователя.

Розряд Номінали резисторів Коефіцієнт Середні зна;

NN ланцюга, Ом подільності чения, Ом.

20 2,246 1,123 2,000.

19 2,248 1,124 2,000.

18 2,252 1,126 2,000.

17 2,258 1,129 2,000.

16 2,260 1,130 2,000.

15 2,260 1,130 2,000.

14 2,247 1,124 1,999.

13 2,249 1,125 1,999.

12 2,250 1,126 1,999.

11 2,253 1,127 1,999 2,2575.

10 2,253 1,127 1,999 ———-;

9 2,257 1,128 2,001 1,1283.

8 2,256 1,127 2,002.

7 2,258 1,128 2,002.

6 2,260 1,129 2,002.

5 2,264 1,131 2,002.

4 2,266 1,132 2,002.

3 2,266 1,132 2,002.

2 2,268 1,132 2,004.

1 2,268 1,132 2,004.

0 2,269 1,132 2,004.

Аналіз значень опорів табл. 1 показує, що з старших розрядів цифроаналогового перетворювача коефіцієнти деления напруг підібрані практично ідеально, з погіршенням до 0,2% у трьох молодших розрядах (0.04% - загалом), а групи сопротивлений підібрані з точністю 0.5%, такі параметри істотно кращих за ті, 0.1 і 1.0%, відповідно [8], що забезпечують виміру з погрешнрстью, що з половиною величини молодийшего розряду преобразователя.

Тепер нас підстерігає єдина проблема, сполучена з більшими на величинами струмів, які протікати через переключатели K0, K1, …, Kn-1, повністю що застосування цієї мети напівпровідникових перемикачів, напризаходів, AM2009, MM4504, MM5504 [8], DG516 [12] та інших. Крім того, кожна така ключ матиме власну величину сопротивления, внесок що його кожен із розрядів аналогоцифрового перетворювача буде дуже спотворювати вихідний напряжение.

Єдиним рішенням цієї проблеми може бути использование як ключа перекидного контакту реле. Незаперечним гідністю використання реле і те, що його контакт не вносить паразитного опору у ланцюзі розрядів аналогоцифрового перетворювача й у реле безпечно перебіг великих струмів через перекидний контакт. З іншого боку, застосування реле дозволить зробити гальваническое поділ силовий ланцюзі у 12 У від цепі харчування ОЭВМ в розмірі 5 У. Суттєвий недолік використання реле як розрядних ключів був частиною їхнього низька швидкодія — від 10 до 50 милисекунд, проте може бути компенсоване івкористуванням алгоритму якнайшвидшого пошуку необхідного значення цифрового кода.

З убогого низки доступних нам досить мініатюрних реле, і ми відмовилися від реле з герконовым перемикачем (РЭС-55), оскільки вони опинилися б у зоні впливу сильного магнітного поля устрою зважування, коли факт включення її контакту міг стати не явним, і через надто великої часу надїжакного спрацьовування — 25…40 милисекунд. З реле з механічним контактором найбільше підходило РЭС-10, по-перше, через малолых розмірів, по-друге, через можливість включення контакту при напругах на чотири Вольта, по-третє, через орієнтованості її конструкції на кріплення непосредствено до монтажній друкованої платі, по-четверте, через найвищої швидкості спрацьовування із усіх ідентичних їй зразків — трохи більше 10 милисекунд, по-п'яте, через щодо низького споживання струму — близько 35 милиампер.

Розроблена з урахуванням усього вищевикладеного принципиальная електрична схема цифроаналогового перетворювача передставлена на рис. 5. У цій схемі із виходу программируемого параллельного адаптера КР580ВВ55А нульової потенціал подається в базу транзистора VT0 (VT1,…, VT19, VT20) — КТ361Е, викликаючи отпирание його переходу эмитер-колектор і перебіг постійного струму, напругою в розмірі 5 Вольт, через обмотку реле K0 (K1,…, K19, K20) — РЭС-10. Безпосереднє включення обмоток реле з висновків мікросхеми КР580ВВ55А неможливо через їхньої низької нагрузочной спосібности (3,2 мАЛО), при величинах струмів, споживаних реле РЭС-10, порядку 35 мА.

Оскільки включення контактів реле немає миттєво та характеризується явищем, званим у літературі «дребезгом », запобігання подгорания контактів реле, до моменту впевненого їх спрацьовування, ланцюг 12 Вольтового харчування розірвано на переході эмитер-колектор потужного транзистора VT22 (КТ972). Після выдерживания паузи в партії 11 мС, необхідні уверенного спрацьовування контактів реле РЭС-10, для виходу P3.5 ОЭВМ подається сигнал нульового потенціалу, що надходить на базу транзистору VT21 (КТ361Е) і отпирающий його перехід між колектором і эмитером. Після цього, у базу транзистора VT22 надходить пітнийциал, достатній для відмикання його переходу эмитер-колектор.

Представлена на рис. 5 принципова електрична схема комутатори виконавчої ланцюга дозволяє збавиться від проблеми подгорания контактів реле, а й уникнути перегріву низкоомных опорів многозвенной ланцюжка резисторів великими струмами, у вигляді збору ланцюга на дуже маленькиїв інтервал часу 300 микросекунд.

Для придушення коливань струму при вимиканні обмотки реле, яка має индуктивностью, паралельно їй включений шунтирующий діод VD0 (VD1,…, VD19, VD20).

Суммированное з виходів всіх активних розрядів напруга буде проходить через котушку устрою взвешивания.

ПРИСТРІЙ ВЗВЕШИВАНИЯ.

Спочатку для устрою зважування ми зробили 100 витковую котушку діаметром 20 мм з мідної проволки толшиной 0,07 мм, а магнітне полі створювали з допомогою плоского постійного магніту розміром 100×60×17, котрі з фабричному комплексі АТ ССГПО используются на магнітних сепараторах для вилучення заліза з руды.

При пропущенні струму від пальчикової батарейки напругою 1,5 У ми побачили разючий ефект: котушка підлітала в вгору навіть за токах на кілька мАЛО, переверталася повітря і «приливпала «до магніту. Цей, воодушевлявший зусилля, ефект несподіванийале побачив два препятствия:

1) магніт приваблював всі металеві предмети в діаметре 100…300 мм, тобто створював дуже сильний магнітне поле;

2) під час усунення котушки на невеличке відстань, незначительале змінювалася величина струму, необхідна на її піднесення, тобто стала проблема фіксації котушки над магнитом.

Аби розв’язати одночасно обидві проблеми ми використовували у качестве устрою зважування аккустический динамік 4ГД-35, предварительно видаливши потім із нього паперовий диффузор та її верхній фіксатор, прикріпивши клеєм «Момент «плошадку зважування до внутрішньої поверхности котушки, ми лише зафіксували їх у найефективнішою точці взаємодії магнітного і електричного полів (визначено експериментально), а й вирішили проблему повернення котушки на результатное місці після розв’язання з допомогою ваги цього майданчика (рис. 6). Тепер подьем майданчики зважування відбувався без видимих отклонений величини токового сигналу з доступною нам точністю измерений в 0,0001 А цифровим вольтметром В7−40.

Оскільки неисключен різкому зростанню майданчики у процесі программного добору необхідної величини струму, задля унеможливлення разбрызгивания взвешиваемых рідин і розсипання сипучих навесок ми доповнили конструкцію обмежувачем підйому майданчики з зазором міжду ними 1 мм, достатнім для датчика фіксації підйому ваги, состоящего з випромінювача і приймача инфрокрасного випромінювання (рис. 6).

ДАТЧИК ПІДЙОМУ ВЕСА.

Вага вважається обмірюваним, якщо майданчик піднялася за значення токового аналога I, але з піднялася при I-MP (MP — величина струму, зіоттветствующая Молодшому Розряду цифроаналогового перетворювача). Для визначення моменту підйому майданчики зважування ми використовували оптичний датчик відстежування перекриття просвітку, що з малоломощного випромінювача і приймача инрокрасного (невидимомого) спектра.

Електрична пинципиальная схема випромінювача инфрокрасного диапазона запозичена нами з кінцевих вимикачів обмеження подачі голівки принтера СМП 6327 [5], яка приведено на рис. 7.

Принцип цього випромінювача следующий:

1) ємність C2 поступово заряжаясь створює з урахуванням транзистора VT1 потенціал, достатній для відмикання переходу колектор-эмитер, у результаті потенціал з урахуванням транзистора VT2 стає нулівым і супроводжується отпиранием його переходу эмитер-колектор, при цьому зростання позитивного потенціалу з урахуванням транзистора VT3 призводить до плавного отпиранию його переходу колектор-эмитер з протеканием струму через резистор R4 і діод VD1 (АЛ107А [16]), супроводжуваний випромінюванням инфрокрасного спектра. У процесі перебігу струму через переход эмитер-коллектор транзистора VT2, ємність C2 розряджається і запирает транзистор VT1, який у часи чергу, замикає і транзистор VT2. Після замикання транзистора VT2, потенціал з урахуванням транзистора VT3 падає, і він замикається, припиняючи світіння діода VD1. Далі ця процес повторюється у вже описаної последовательности.

Імпульсний режим випромінювання обраний нами щоб уникнути оцінки впливу сторонніх джерел випромінювання на приймач й у повышения потужності випромінювання діода КД107 із шостої до 45 мВт.

Ємність C1 включено до принципову електричну схему (рис. 7) для згладжування негативної дії імпульсів струму на стабилизатор блоку питания.

Досягнення у процесі добору цифрового аналога струму значення, у якому подолано вагу взвешиваемого речовини, супроводжується піднятием майданчики для зважування як наслідок, перекриттям створу излучатель-приемник. Для ідентифікації даної події людству й потрібен приймач імпульсного випромінювання инфрокрасного спектра. Від схеми прийомніка, що у принтері СМП-6327 [5], довелося відмовитися, так як і не забезпечував стійкого прийому при відстанях понад десять мм між випромінювачем і приймачем. Ми використовували як приймача частина електричної принципової схеми приймача инфрокрасного злучения побутового телевізійного приймача [6], провівши лишеміну фотоприемника ФД263 більш мініатюрний, але менш чувствительный фотодиод VD1 (FD125) угорського виробництва (рис. 8).

Приймач є двухкаскадный підсилювач із загальним долектором, виконаний з урахуванням транзисторів VT1 — VT3 (КТ315). Импульсы инфрокрасного випромінювання сприймаються фотодиодом VD1, у своїй він відкривається і замикається, за відсутності таких. Отже, транзистор VT1 ж виконує функцію согласователя високочастотних імпульсів, буде в діапазоні 0…25 мВ, в низькочастотні із незначною їх усилениїм в 1,5…2 разу. Цей сигнал з эмитера VT1 надходить на базу транзистора VT2, включеного як його посилення при отпирании/запиранді переходу эмитер-колектор з коефіцієнтом 9−10, обумовлених номиналом резистора R5. У цьому не вдома приймача, з колектора транзистора VT2, генеруються коливання з амплетудой 5 Вольт і частотою задаваемой випромінювачем. Резисторы R6, R7 і транзистор VT3 утворюють ланцюг позитивним зворотним зв’язок між його входом і виходом, необходимой їхнього узгодження та придушення помех.

Оскільки, задовільних результатів досягли вже селле двох каскадів посилення сигналу, то потреба у двох наступних, наявних у схемою [6], відпала. З іншого боку, ми понизили напруга пітанія з 12 Вольт у схемі [6], до 5 Вольт, щоб уникнути зворотного перетворення, у зв’язку з вимогами по входу ОЭВМ КР1816ВЕ51, без істотного погіршення параметрів приемника.

Вихідний сигнал приймача надходить на вхід Р3.2 (INT0) ОЭВМ КР1816ВЕ51 і, коли після чергового зміни токового сигналу на виході цифроаналогового перетворювача, на вході P3.2 ОЭВМ не пронаружены пульсації - отже вагу преодолен.

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРИ ВОЗДУХА.

Потужний блок харчування буде джерелом випромінювання тепла в ограниченный обсяг вироби, а, оскільки, величина опору резисторів залежить від своїх температури, то тут для забезпечення аналитической точності зважування або необхідно забезпечити ваги зворотним аналогоцифровым перетворювачем, або досить точним електронным датчиком температури. З іншого боку, наявність такого влаштування у аналітичних терезах необхідно мінливість кімнатної тимпературы у різні періоди року, а й у протягом двох діб. Оскільки виготовлення 21-разрядого аналоговоцифрого перетворювача більш занадто багато роботи, затратно і складніше, ніж датчика температури, то ми бачимо зупинили свій вибір на последнем.

Однією з найпростіших видів датчика температури, орієнтованийного використання можливостей ОЭВМ КР1816ВЕ51, є преобразователь температура-частота. ОЭВМ КР1816ВЕ51 має дві входу (P3.2-INT0, P3.3-INT1), зміна стану яких (перехід із «високого «стану сигналу в «низька «чи, навпаки) викликає аппаратне переривання виконуваної програми з викликом програми обработки цієї події. Така реакція ОЭВМ дозволяє програмно вивважати час між двома суміжними перериваннями чи обчислити годинутоту зміни сигнала.

Сутність цього датчика зводиться до створення генератора, годинутота якого управляється напругою з схеми виміру зміни термосопротивления. Як генератор керованого напругою можна використовувати мікросхему К531ГГ1 (мультивибратор автоколебательный), схеми можливого застосування якій наведено в [10], а завдання управляючого напруги — у вигляді посилення напруги не вдома «мосту «резисторів, до одного з плечей якого включено термосопротивление, з допомогою операційного підсилювача. Але ми змогли знайти старий варіант цього чіпа — К218ГГ1-Н [11] і під час тестування створеного його основі перетворювача зштовхнулисій з проблемою власної нестабільності генерованою мікросхемою частоти при измененнии температури повітря, похибка буде в діапазоні температур 0…60°С, допустимих для електронних комупонентов даної технології виготовлення, варіювала в інтервалі −11…+17% (рис. 9), що неприемлимо задля забезпечення аналітичної точності зважування. З іншого боку, мікросхема К218ГГ1-Н має відносительно велике енергоспоживання — близько 100 мВт.

Аналогічні проблеми під час спроби її заміни на мікросхему К1108ПП1 (перетворювач напряжение-частота), яка кроме цього вимагала харчування +15 В/-15 В.

Контроль стабільності частоти перетворювача ми виробляли у вигляді приміщення макета схеми в муфельну піч чи морозильну камеру холодильника розміщенням термодатчика поза ними. Під час такої схемою, внаслідок незмінності температури термодатчика (25 °С), частота не вдома перетворювача мусить бути стабільної. Про неприемлемости перетворювача на мікросхемі К218ГГ1-Н свідчить крива залежності частота — власна температура схеми, приведенная на рис. 9.

Схема перетворювача температура-частота, приведеннная в [12], була вільна від згаданих недоліків (рис. 10). Її робота полягає в тому, що пряме напруга кремнієвого діода, питаемого джерела постійного струму лінійно змінюється з температурій буде в діапазоні 0.60°С. Діод VD1 (IN914) і резистор R2 утворюють делитедь напруги, що живиться від генератора постійного струму. При зростанні температури пряме падіння напруги на диоде зменшується, закриваючи транзистор VT1 (ZTX300). У результаті вихідний напруга транзистора VT1 зростатиме, що дозволяє візможность використовувати його на ролі напруги, управляючого генератором D1.

Наведені у схемі [12] імпортні електронні компоненти бчи замінені нами з їхньої аналоги радянського виробництва: D1 на К176ЛП1 [10], VT1 — КТ617А, VT2 — КТ620А [15], VD1 — КД521А.

У межах зазначених номіналів електронних компонентів при температурі 0 °C частота становила 478 гц зі зростанням в 3 гц на градус температури. Залежність температура-частота мала практически лінійний вид буде в діапазоні температур 0…60°С і соответствовалу характеристикам, наведеним у роботі [12]. Час установки стабільної частоти при різкому перепаде температур трохи більше 25 секунд. Проте робота перетворювача не відрізнялася високої точностью, а найнеприємніше — стабільністю (рис. 11), хоча область сталої роботи схеми розширилася п’ять градусів, а сама погрешность зменшилася до −10…+10%.

Для усунення згаданих недоліків ми підвищили напруга харчування перетворювача з 9 до 12 Вольт, замінили «компліментарну пару «транзисторів (два транзистора, виготовлені за однаковою технології n-p-n і p-n-p типів, коефіцієнти посилення яких рівні) більш потужну (КТ972Б і КТ973Б) і підібрали більш чувствительный і стабільний діод (КД407А). Такі зміни є допустимыми для мікросхеми К176ЛП1, оскільки він є аналогової і має набір трьох pй трьох n-канальных КМОП-транзисторов. Ці перетворення дозволили як стабілізувати роботу преобразователя температура-частота (рис. 12), а й позбутися необходимости зниження наявного у нашій блоці харчування напруги о 12-й Вольт до необхідні схеми [12] 9 Вольт. Зона стабільної работи перетворювача температура-частота розширилася на 35 °C (рис. 12) і розташувалася в інтервалі прийнятних температур до роботи аналітичних терезів за умов приміщень (5…60°С), з урахуванням достаточно високого тепловыделения з компонентів блоку харчування аналитических терезів. Похибка стабілізації схеми у зазначеному диапазоне змінюється в інтервалі -1.9…+1.7%, хоча у інтервалі тимператур 0…3°С стає неприемлимой, досягаючи -13%.

У зміненому варіанті було отримано такі характеристики перетворювача температура-частота: частота 2390 гц при 0 °C з приростом від 3 до 8 гц на один градус температури в інтервалі 0…100°C (рис. 13). Нелинейностью графіка залежності температура-частота в інтервалі 75…100°С можна знехтувати, оскільки досягнення таких значений температури в аналітичних терезах малоймовірно, але з прояві даної події програма ОЭВМ КР1816ВЕ51 поінформує користувача про неможливість продовження вимірів. Тоді, зависимость температура-частота може розглядатися як лінійна з призростанням на 3 гц, за кожен градус збільшення температури, і наоборот.

Тестування схеми, наведеної у роботі [12], і його зміненоного нами аналога вироблялося сдедующим образом:

1) в аллюминиевой заготівлі розміром 38×50×10 були висвердлені 3 отвори діаметром 2.3, 4.2 і 5.9 мм для діода VD1, «жала «электрического паяльника і спиртового градусника, відповідно (рис. 14);

2) діод був запрессован в отвір за нормальної температури заготівлі в -5°С з такою розрахунком, щоб в усьому досліджуваному діапазоні тимператур забезпечувався надійний контакт між ними;

3) отвір для «жала «паяльника вибрали з розрахунку, обидвіспечивающего вхід його «жала «на глибину 19 мм при кімнатної температурі в 25 °C, а градусника було збільшено на величину, исключающую його розчавлювання з измененением температури заготівлі з допомогою лінійного розширення при ущільнення утвореного зазору азбестової ниткою, які забезпечують хорошу передачу температури і компенсующей, що у процесі прогріву заготівлі стискаючі напряжения;

4) вихід 4 микрочхемы D1 і загальний провід схеми підключили на вхід чвстотомера Ч3−64;

5) паяльником нагрівали зібрану заготівлю до 102…107°С і виключали його, обертали заготівлю в брезентовий чохол для сглаживания процесу теплообміну з довкіллям, та був принаймні її остигання, отслеживаемого за показниками спиртового градусника, брали отсчеты від 100 градусів з інтервалом в 5 °C до кімнатної температури, аналагичным чином надходили при відстежуванні діапазону від 0 °C до кімнатної температури, видаленням з заготівлі паяльника і помещением заготівлі в морозильну камеру побутового холодильника.

Для контролю аналогічні дії виробляли поміщаючи заготовку в киплячу дисцилированную воду зі зняттям отсчетов у процесі її природного остигання і кладучи у судину з льодом, изготовденным в морозильної камері побутового холодильника з дисцилированной води, зі зняттям отсчетов у його природного відтаювання. Використання дисцилированной води довелося б для предотвращения перебігу струму між анодом і катодом діода через розчин, зітримає солі, що завжди входять до складу звичайній питної води. Ці виміру відрізнялися великий тривалістю, але дозволили позбутися контактних похибок передачі температури на діод і градусник за дуже плавному снижении/повышении температури среды.

Вимірювання по викладеної вище методиці було проведено 10 раз (порівну — в повітряної і водної середовищах) і зведені в табл. 2. Аналіз цих даних показує, що розкид успіхів у водяної та повітряної середовищах практично однаковий, отже, можуть вважатися равноточными. Походження похибок може бути разнообрізним, наприклад, похибка розбивки шкали градусника, похибка частотомера, похибка зняття отсчетов за шкалою градусника, погрешность в швидкостях реакції діода і градусника зміну тим= пературы та інші, але з огляду на те що й величини від измеренію до виміру варировали в незначному інтервалі (+3…-3 гц) найбільш обьективные результати були отримані у вигляді їх статистичної обробці, за результатами якого і було побудована залежність температура-частота (рис. 13) задля її подальшого использования програмою аналитеческого зважування ОЭВМ КР1816ВЕ51.

Таблиця 2.

Результати тарирования перетворювача температура-частота.

Середовище Повітряна Водна Середнє t°С, Частота не вдома перетворювача, гц частоти, град. Гц.

0 2389 2391 2391 2392 2393 2392 2386 2387 2390 2392 2390.

5 2408 2409 2407 2412 2412 2410 2404 2402 2408 2411 2408 10 2427 2426 2426 2429 2431 2430 2425 2421 2424 2423 2426 15 2438 2437 2440 2446 2446 2447 2443 2442 2445 2440 2442 20 2454 2453 2457 2462 2463 2458 2449 2450 2458 2457 2456 25 2485 2481 2478 2480 2481 2483 2488 2474 2479 2478 2481 30 2498 2495 2495 2499 2500 2498 2501 2495 2496 2499 2498 35 2517 2516 2514 2526 2517 2516 2514 2513 2517 2516 2517 40 2537 2527 2540 2538 2540 2532 2538 2537 2538 2537 2536 45 2539 2556 2558 2555 2556 2555 2554 2554 2555 2555 2554 50 2576 2577 2583 2573 2583 2576 2576 2574 2576 2577 2571 55 2580 2598 2601 2598 2600 2597 2596 2596 2599 2597 2596 60 2619 2615 2620 2620 2620 2614 2621 2620 2618 2619 2619 65 2639 2639 2640 2642 2645 2640 2637 2641 2638 2640 2640 70 2662 2664 2670 2659 2664 2660 2661 2663 2663 2660 2663 75 2685 2684 2690 2684 2696 2686 2686 2688 2686 2687 2687 80 2960 2790 2715 2960 2720 2956 2947 3025 3816 2998 2889 85 3030 3029 3042 3018 3045 3017 3020 3092 3035 3023 3035 90 3080 3078 3096 3090 3100 3077 3070 3145 3109 3106 3095 95 3134 3121 3150 3138 3160 3138 3130 3190 3144 3125 3143 100 3175 3180 3188 3186 3190 3181 3175 3228 3199 3179 3188.

З іншого боку, для згладжування імпульсного впливу схеми на навантаження блоку харчування у ній включена демфирующая ємність C2.

Для узгодження вихідного сигналу о 12-й Вольт із входженням ОЭВМ КР1816ВЕ51 в розмірі 5 Вольт схема на рис. 10 доповнена перетворювачем 12/5 Вольт, зібрана з резисторів R8, R9 і R10, діода VD2 і транзистора VT3, принцип дії якої викладено в описах согласователя інтерфейсів послідовних портів IBM і ОЭВМ.

БЛОК ІНДИКАЦІЇ І УПРАВЛЕНИЯ.

Блок індикації призначений висновку на табло вимірюваних значень ваги та управління користувачем режимами роботи аналитических весов.

Принципова електрична схема блоку індикації і управления, розробленого нами, представлена на рис. 15. У схемою для перетворення двоичной цифри, котру видають в біти 0, 1, 2 і трьох пірта P2 ОЭВМ КР1816ВЕ51, в напруга логічного рівня, появляющееся у цьому виході, десятковий номер якого відповідає двоичному коду, використана мікросхема D8 (К564ИК2 — дешифратор двоичного коду в сигнали семисегментного коду із загальним анодом). Вибір дешифраторів радянського і імпортного виробництва дуже широк (K514, K531, К555, KM555 (ИД1, 3, 5, 7, 10), 74 141, 74 154, 74 155, 7442, 74 138 тощо. буд.) при схожою техніці їхнього вмикання [10].

Як індикаторів десяткових цифр нами використані 7 семисегментных світлодіодних матриць D1… D7 (АЛС324А) [16], включенных паралельно одна одній. У ланцюга мікросхеми D8, селледовательно включені резисторы R2… R8, за погодженням по величині струму, споживаного матрицями D1… D7.

Вибір матриці, яку вказуватиметься цифра з выхотак мікросхеми D8, виробляється подачею на матрицю напруги пітанія, через встановлення одному з висновків 1,2,…, 7 порту P1 ОЭВМ КР1816ВЕ51 нульового потенціалу, отпирающего перехід эмитер-колектор транзисторів VT1… VT7 (КТ973А). Якщо з інтервалом щонайменше 1/24 секунди виробляти послідовний вивод семи цифр ваги протягом 10…15 мікросекунд кожна, з-за інертності зору людині він спостерігатиме її як безупинно світну число. Ланцюг R1-C1 варта забезпечення защити схеми від высокачастотных перешкод, які з подмигивании некоммутированных сегментів матриць, та цивільного захисту по току.

Індикація на світлодіоди АЛ103 [16] (див. рис. 15), підключенийные анодом до ланцюга харчування в розмірі 5 Вольт, здійснюється з однієї з выводов ОЭВМ КР1816ВЕ51, наприклад, P1.0, через нормирующее резистором споживання тока.

Управління вагами виробляється у вигляді натискання кнопки, що з'єднує із висновків ОЭВМ КР1816ВЕ51, наприклад, P2.4, з загальним дротом ланцюга харчування через нормирующее струм сопротивление.

СОГЛАСОВАТЕЛЬ ІНТЕРФЕЙСІВ ПОСЛІДОВНИХ ПОРТОВ IBM І ОЭВМ.

Вимоги до входам послідовних комунікаційних портів IBM-сумісних комп’ютерів (напруга сигналів 12 Вольт попри силу струму 10 мАЛО) не збігаються з, що висуваються до ОЭВМ КР1816ВЕ51 (5 Вольт/3,2 мАЛО). З іншого боку, протокол генерації селледовательных сигналів у ОЭВМ инвертирован стосовно аналогичіншої у IBM-совместимого комп’ютера. У зв’язку з цим, нами був разработан согласователь інтерфейсів послідовних портів IBM і ОЭВМ, принципова схема якого представлена на рис. 16.

Сигнал із виходу послідовного (COM) порту IBM-совместимого комп’ютера (12 Вольт) делителем напруги, виконаним на резисторах R1 і R2, знижується до потенціалу, меншого вихідного в 2,2 разу (5,4 Вольта), надходить на базу транзистора VT1 і відмикає його перехід колектор-эмитер. У цьому на вході P3.0 ОЭВМ КР1816ВЕ51 з’являється сигнал нульового потенціалу, навпаки, при запирании транзистора VT1 сигналом нульового потенціалу із виходу COM-порта IBM-совместимого комп’ютера, подпираемого появою провідності струму через діод VD1, перехід эмитер-колектор замикається і входе P3.0 ОЭВМ з’являється сигнал напругою 5 У і сили струму, нірмированной резистором R3.

Вихідний сигнал з P3.1, що надходить у базу транзистора VT2, відмикає (нульової потенціал) чи замикає (потенціал 5 Вольт) його перехід колектор-эмитер, у своїй через резисторы R6 і R8 на вхід послідовного порту IBM-совместимого комп’ютера поступаеи сигнал 12 Вольт/10 мАЛО чи нульового потенціалу, соответственно.

Інвертування сигналів здійснено добором відповідающего типу транзисторів: VT1 (n-p-n), VT2 (p-n-p).

МАКЕТУВАННЯ І НАСТРОЮВАННЯ БЛОКІВ АНАЛІТИЧНИХ ВЕСОВ.

Макетування вироблялося нами задля досягнення наступних целей:

1) контролю працездатності, замствованных нами з разособистих джерел схем, бо з причин помилок, інколи ж, через елементарної недобросовісності авторів разработокок, виставлених бажане за дійсне, можна натрапити на неможливість їх практичного втілення, так наприклад, у роботі [12] отсутствует маркірування двох принаймні висновків мікросхеми термопреобразователя;

2) контролю входных/выходных параметрів параметрів электронних блоків й за необхідності їх подстройки;

3) на дослідження параметричної (температура, потребляемый струм, напруги, частоти та інші) стабільності роботи принципиальных електричних схем;

4) перевірки справності всіх компонентів електричних принципових схем, оскільки, по відомих причин, в істотнийіншої ступеня використані нами радіоелектронні компоненти бчи выпаяны з фізично чи морально застарілої побутової і аппаратуры іншого назначения.

Макетування вироблялося нами на макетної площині, що є лист стеклотекстолита з укріпленими на ньому панельками (сокетами) під мікросхеми різних розмірів, кожен висновок яких було з'єднаний із вертикально закріпленим на аркуші штирем, а до жодного з торців аркуша пригвинчена з допомогою куточка сукупність тумблерів для імітації дискретних сигналов.

Схема збиралася у вигляді сполуки гнучкими проводами електронних компонентів вставляемых в сокеты чи «вазі «метобудинок пайки. Контроль параметрів зібраних схем виробляли з івкористуванням цифрового комбінованого приладу В7−40, осцилографа С1−93 і частотомера Ч3−64.

Процес настройки включав заміну частотозадающих, тококотрі задають та інших компонентів електричних принципових схем, з досягнення необхідного до нашого вироби режиму їх работи, що інколи призводили до суттєвого зміни базової принципової електричної схеми. Про більшості зроблених изменений і доробок ми згадували предыдуших розділах, але ограничивались приведенням лише принципових електричних схем у тому остаточному вигляді. Пояснимо наслідки цих змін на приміре блоку індикації і управления.

У процесі макетування блоку індикації (рис. 15) ми стілкнулись з проблемою недостатньо яскравого і контрастного світіння семисегментных матриць АЛС324А, яка проявилася поганій видимості відображуваних на табло цифр в хорощо освітленому приміщенні й у неоднаковості як інтенсивності їх світіння, так кольору (від блідо зеленого до насичено зеленого). Тому ми замінили сім семисегментных матриць АЛС324А на два четырехразрядных цифрових индикатору CA56−21GWA імпортного виробництва (фірма Kingbright), каждая у тому числі включає у собі 4 семисегментные матриці з разделительным двокрапкою між парами цифр, оскільки він орієнтована на індикацію показань часу (хвилини: секунди). На жаль, в відділі «Радіотовари », у якому їх придбали, був информации як про її параметрах, а й цоколевке. Є радянський аналог цього індикатораАЛ329 (А, Б, Ж чи І) [16], в составе якого відсутня двокрапка. Проте, радянський аналог мав 14 висновків, а імпортний 12 і ми визначили цоколевку GA56−21GWA методом добору, подаючи по черзі харчування в розмірі 5 У, через резистр 600 Ом за захистом чіпа від токовой перевантаження, різні пари висновків, і відстежуючи загоряння її сегментів. Певна нами цоколевка представлена на рис. 17.

Крім досягнення високої чіткості, контрастності, яскравості і однорідності світіння цифр, ми маємо додаткову можливість позначення виконуваної в момент ОЭВМ КР1816ВЕ51 команди користувача, оскільки мікросхема дозволяє відображати верхню і нижню точку двокрапки окремо. Отже кожна гілка точок судет відповідати одного з можливих режимів роботи аналітичних терезів: зважування тари «ТАРА », опитування внутрішньої температури аналитических терезів «t°C », однократне зважування «ОДНОРАЗОВО «і багатократну зважування з усреднением результату «БАГАТОРАЗОВО » .

Проте, внаслідок особливості підключення цих індикаторів (із загальним катодом), принципова електрична схема блоку индикации (рис. 17) змінилася, як до речі, і протокол програмного виведення відображуваних на табло цифр. Такі зміни обумовлені изменением полярності підключення: у АЛС324А — загальний анод, а й у CA56−21GWA — катод. Мікросхема К564ИК2 не адресований непосредственного обслуговування виведення індикатори CA56−21GWA, предпочтительнее було б мікросхема К514, К531, К555 (ИД2, ИД18 — дешифратор 4-разрядного двоичного коду в сигнали семисегментного коду із загальним катодом [16]) чи його імпортні аналоги. Ми змогли знайти мікросхему КР514ИД2, недоліком якої є неможливість дешифрирования шести літер (A, B, З, D, E і F) гексодецимального івчисления, з яких можна було б видавати на табло поясняющие написи, наприклад, «BEC » .

Вдосконалена принципова електрична схема блоку індикації представлена на рис. 17. У цій схемі двоїчний код цифри, який із висновків P2.0 … P2.3 ОЭВМ КР1816ВЕ51, дешифрируется в сигнали семисегментного індикатора мікросхемою D1, які через токоограничивающие резисторы R2 … R8 надходять на відповідні входи багатозначних семисегментных збірок D2 і D3. Вибір розряду сборок D1 і D2, яку буде видана цифра, здійснюється з висновків P1.1 … P1.7 ОЭВМ. Представлена на рис. 17 схема доповнена двумя сигналами управління індикацією виконуваної в момент операції. Приміром для відображення верхньої точки індикатора D2 необходжено активізувати з висновків ОЭВМ стану сигналу P1.3 і сигналу PC7 паралельного перефирийного адаптера КР580ВВ55А, а індикації нижньої точки — P1.4 і PC7, соответственно.

А, щоб забезпечити рівне світіння всіх відображуваних на індикаторі семи цифр і чотири режимів, з погляду влаштуйства очі людини, необхідно кожну їх видати на табло не менш 24-х разів у секунду (тобто із частотою f = 24 гц). Тоді время між двома отображениями має визначатися по формуле.

T.

— T = _____, f.

де: T — час, рівний секунде.

Тоді бажана величина часу составит.

1 000 000 мкС.

— T = _____________ = 44,7 мС/Гц .

24 Гц.

Оскільки кожне переключення реле у процесі зважування слід затратити 10 мілісекунд, то доцільно программно організувати переривання таймера T/C0 ОЭВМ КР1816ВЕ51 саме з цієї періодичністю, поєднавши процес зважування та управління добором цифрового значення ваги в подпрограмме обробки цього апаратного переривання. Причому, у цій подпрограмме потрібно буде видати значення двох цифр, наприклад відразу після вступу в підпрограму включити відображення однієї цифри, виконати включення реле у потрібній комбінації, обробити прирощення таймера, включивши чи виключивши світлодіод «Робота », потім вимкнути світіння першої і видати на індикатор другу, завершивши апаратне прерывание.

За такого підходу непарні цифри будуть світитися час, рарное часу обробки апаратного переривання таймера T/C0, а чітные 10 мілісекунд з інтервалом повторного зажжения невдовзі не що перевищує обчисленого значенняT.

Завершивши макетну налагодження окремих блоків аналітичних терезів і упевнившись у довгострокової і найнадійнішою роботі ми приступили до складанні їх у єдине изделие.

ВИГОТОВЛЕННЯ ДРУКОВАНИХ МОНТАЖНИХ СХЕМ.

Сучасний спосіб складання електричних принципових схем — виготовлення фіксованою основи схеми як сукупності провідников, що з'єднують висновки її радіокомпонентів, міцно що з підставою, яким які й прикріплюються методом пайки [17]. Ця технологія називається друкованим монтажем. Як основи друкованої монтажній схеми використовують листи гетинакса чи стеклотекстолита з однечи двостороннім покриттям мідної фольгою, випущених промышленностью.

Провідники («доріжки ») мають в одній чи обох сторонах друкованої плати з такою розрахунком, що вони з'єднували потрібні компоненти електричної принципової схеми по найкоротшим расстояниям. Кількість й розміри компонентів принципової электричесдідька лисого схеми визначають необхідний розмір друкованої монтажній платы.

Організаційно, вирішили розділити принципову электрическую схему, що підлягає переносу друкарський монтажну площину, втричі модуля: на модуль управління і індикації з його расположениїм у передній торцевій частини терезів, на модуль управління з установдідька лисого їх у задньому, добре провітрюваному відсіку, і пристрій взвешивания з блоком харчування — у нижній частині вироби, щоб надати аналитическим вагам стійкості. Тому ми мали виготовити дві друковані монтажні площині, передбачивши з'єднання їх між зібій, і з блоком харчування з допомогою гнучких многопроводных джгутів, а для зручності настроювання й ремонту — з'єднання джгутів з платами при допомоги разьемов (МРН14−1 для сполуки процесорного модуля з блоком харчування і перефирийным устаткуванням: пристроєм взвешивания і датчиком підйому ваги; МРН32−1 для поєднання процесорного модуля з модулем управління й отримання яке живить напруги в розмірі 5 Вольт). Така конструкція дозволить без клопоту зробити отсоединение будь-якого модуля для настройки чи ремонта.

Процес креслення друкованих монтажних плат дуже складний, тому ми поклали його за наявну в нас програму ORCAD для комп’ютера IBM. Ввівши найменування всіх використаних нами комупонентов принципової електричної схеми, доповнивши бібліотеку описом відсутніх у складі компонентів (CA56−21GWA), объпоказавши, за визначеною методиці, сполуки їх одне з одним і грудларировав необхідний розмір друкованої монтажній плати ми маємо її зображення на принтері масштабу 1:1. Щоправда, ми останавливаемся у тому, хто був вжито великих зусиль снижения числа доріжок, перехідних з одного боку друкованої плати в іншу, бо тільки за умов спеціалізованого производства можливо заміна таких переходів методом металлизации [17], а ми мусили б робити їх методом пайки.

Наша 24-та школа немає графопостроителем планшетного типу і ми зірвалася знайти де його на одній із організацій міста для здобуття права автоматизувати процес малювання друкованої плати. Ця робота було виконано нами вручну у наступному последовательности:

1) до двусторонне фольгированному аркушу гетинакса ми скотчем прикріпили роздруківку монтажній плати, отриману на принтері, і дрилем було попросвердлювано шурфи у місцях кріплення електронних комупонентов чи переходу доріжок з одного боку плати за другую;

2) діаметр отворів вибирався з такою розрахунком, щоб без додаткових зусиль можна було б вставити висновки соответствующих радіодеталей принципової електричної схемы;

3) наждачним папером з дрібної зернистостью зачистили обидві боку фольги платою окисных плівок і заусенцев із боку виході свердла з нее;

4) нітрофарбою, використовуючи рейсфедер і лінійку, завдали доріжки друкованої плати, орієнтуючись по просверленным заздалегідь отворам і усуваючи помилки розчинником чи зачищенням при помощі леза для безпечного бритья;

5) просушили плату і обезжирили обидві його поверхні при помощі звичайного ластика;

6) видалили всю фольгу із поверхні гетинакса, не захищенийную нітрофарбою, помістивши плату в розчин хлорного заліза («процькували «[17]);

7) перевірили якість травлення, расделяя, при необходимости, хибні близкорасположенные й погано протравленные ланцюга при помощі хірургічного скальпеля чи гострої заточки;

8) видалили захисну фарбу з поверхонь плати розчинителем і зачистили отримані доріжки наждачним бумагой;

9) облудили доріжки добре розігрітим паяльником, випередительно обезжирив їх паяльною кислотою, захисту від корозії і полегшення процесу пайки до них компонентів електричної схемы.

Після цього, ми збирали схему щодо окремих блокам на печатіншої монтажній площині, поєднуючи висновки її електронних компонентов з доріжками плати методом пайки, налаштовуючи чи усуваючи допущені у процесі виготовлення плати помилки (хибні ланцюга між близько розташованими доріжками, відновлення пропущених в процессе хизування доріжок з допомогою прокладання їх тонкими гнучкими проводниками тощо). Пайка виробляли оловом з допомогою каніфолі зі зняттям окисных плівок з висновків електронних компонентов і місць пайки друкованої монтажній схеми электропаяльником ЭПСН- 25. Для складання монтажній друкованої схеми використовували лише еліменти, перевірені у процесі макетування. Після закінчення процесса складання обидві площині друкованої монтажній плати були очищені від залишків каніфолі етиловим спиртом, щоб уникнути проходження струмів по «хибним ланцюгах «через бризки олова в накипях канифоли.

КОНСТРУКЦІЯ ХІМІЧНИХ ЕЛЕКТРОННИХ ВЕСОВ.

Деталі корпусу електронних хімічних терезів були выпилены нами з гетинакса пятимиллиметровой товщини і з'єднані в Г-обра ізную конструкцію з допомогою куточки і болтів з гайками. Друковані монтажные плати кріпилися через спеціальні отвори з їхньої кутках до стінок корпусу з допомогою болтів в отврстия різьблені, нарізаною леркою. Корпус виготовили з такою розрахунком, щоб передня і задня його стінки разом із підставою служили для кріплення всіх модулів вироби, а верхня, знімна, частина мала лише декоративное значення, що викликало простому доступу для настроювання й ремонту. У передній торцевій стінці були висвердлені отверсти під 4 кнопки управління і світлодіод «РОБОТА », попутно грає роль десяткової точки табло зважування і двоє прямокутних отвори під многоразрядный індикатори CA56−21GWA, пророблених з использованием лобзика. У задній стінці було вирізано отвір для сетівого дроту й фасонне отвір розміщувати розняття влаштуйства поєднання аналітичних терезів з IBM-совместимым компьютером. У верхньої знімною частини депутатського корпусу, безпосередньо над влаштуйством зважування, також лобзиком було вирізано отвір для вустановки навесок на майданчик устрою взвешивания.

Задля більшої вільної конвенкции повітря і охолодження тепловидільних компонентів вироби під аркушами у верхній годинути корпусу були просвердлені отвори діаметром 5 мм, а, по кутках підстави — 4 отвори різьблені під ножки.

Терези аналітичного класу точності дуже чутливі, такдо коливань повітря, тому надто безкраї простори отвором площадки устрою зважування було ізольоване оточуючої среды ковпаком, виготовленим з оргскла і прикріпленим до горуній частини депутатського корпусу болтовыми сполуками. Захисний ковпак був прорудован дверкой для встановлення і вилучення взвешиваемых образцов.

АЛГОРИТМ РОБОТИ АНАЛІТИЧНИХ ВЕСОВ.

Програма для ОЭВМ КР1816ВЕ51 було написано мовою ассемблер учнем нашої школи Івановим І.І. і було виділено в самостоя- ??? тельную роботу, подану на секцію інформатики. У даний роботі ми зупинімося лише на узагальненому описі алгоритму роботи программы.

Після включення харчування програма виконує тестування состояния ОЭВМ, що включає контроль схоронності кодів програми у внутрішньої пам’яті мікросхеми КР1816ВЕ51, перевірку справності двох вбудованих таймерів, портів ввода/вывода і арифметико-логического устрою. Потім виконується контроль справності перефирийных азпаратных пристроїв, підключених до ОЭВМ: перетворювача температура-частота, цифроаналогового перетворювача, датчика піднесення ваги і табло аналітичних весов.

Якщо у процесі самотестування виявлено несправність, то на табло після символу «> «видається код помилки, список яких заведен в табл. 3.

Таблиця 3.

Коди можливих несправностей роботи електронних аналітичних терезів, ідентифікованих программно.

Код неисОпис причини Дії користувача правности неисправности.

01…21 Несправна ланцюг разПеревірити справність клюнизки, номер якого чевого транзистора КТ361 й відповідає коду реле РЭС-10 даного разряпомилки так цифроаналогового преобразователя.

22 Не збереглися коди Відновити коди програмпрограми в мікроми повторної записом в схемою КР1816ВЕ51 чип.

23 Несправність мікроЗамінити мікросхему схеми ОЭВМ.

24 Несправність мікро- «- «схеми послідовникного периферійного адаптера КР580ВВ55А.

25 Несправність темпіОсцилографом, в контрольратурного преобразоных точках принципової вателя електричної схеми, проточках провевірити справність транность транзисзисторов КТ972 і КТ973, діода КД407А, микросхемы.

К176ЛП1 і транзистора зігласования напряжений.

КТ315.

26 Несправність датчиОсцилографом встановити ка піднесення ваги несправність випромінювача чи приймача і усунути її шляхом заміни який із «ладу «діода чи транзистора.

27 Температура всередині Температура на місці взвеаналітичних терезів шивания не дозволить пронижче припустимою, то переводити виміру з треє менше 5 °C буемой точностью.

28 Температура всередині Вимкнути ваги і продоланалітичних терезів жити виміру після їхня вища припустимою, то остигання є більше 65 °C.

Тестування табло аналітичних терезів зводиться до последовательному висновку в усі її розряди цифр 0, 1, 2, …, 9 і, якщо у процесі відображення користувачем виявлено відсутність свічціния розряду, однієї чи кількох сегментів, то несправність следме усунути керуючись принципової електричної схемой.

Факт завершення самотестування відображається гашением табло і пульсуючим із частотою один гц світінням діода «Работа «блоку індикації і управления.

ОЭВМ безупинно визначає температуру і запитує перебуваючиние кнопок блоку управління. Щойно користувачем натиснута одна з чотирьох кнопок блоку управління, програма вдається до выполнению обраної користувачем функції. Формально, три кнопки блока управління («ТАРА », «ОДНОРАЗОВО «і «БАГАТОРАЗОВО ») виконують однотипну процедуру врівноважування ваги, докладеної до площадке терезів, у вигляді добору, відповідного цифрового значения. Проте, режим «ТАРА «завершується висновком на табло цифри нуль в усі її розряди і запам’ятовуванням у пам’яті КР1816ВЕ51 величини, яка за зважуванні буде вычитаться з отриманого значення. Результат однократного зважування буде вільний від невеликих за значенням випадкових похибок, пов’язаних з впливом як внутрішніх (наприклад, визначення температури), і зовнішніх (нажатие кнопки при незамкненою дверці) чинників. У режимі «МНОГОКРАТАЛЕ », зважування виконується безупинно з перебуванням і індикацією середнього значення на десяток останніх вимірів. Режими «ТАРА «і «БАГАТОРАЗОВО «скасовуються повторним натисканням цих кнопок, а «ОДНОРАЗОВО «- натисканням кожній із решти трьох клавиш.

У обраності чи скасування встановленого раніше режиму можале переконатися по свечению/погашенности точок табло, становище доторых на табло відповідає становищу кнопок блоку управления.

Підбір цифрового коду, відповідного рівноважному состоянию «вес-электрический струм », виробляється збільшенням значения старшого розряду до того часу, поки що не виявлено підйом майданчики зважування, потім розряд зменшується і фіксується як граничний і згадані дії повторюються. Якщо спочатку або за черговому наближенні розряд досяг граничного, а площадка не піднялася, ті значення граничного розряду зменшується з залишенням старшого розряду у включеному стані перебуває й процедурепа добору повторюється. Вага вважається обмірюваним, якщо зрадіние цифрового коду на величину молодшого розряду супроводжується «взяттям ваги » .

Алгоритм поразрядного добору дозволяє досягти шуканого результату в 2…1000 раз швидше, ніж шляхом послідовного добору значення, і від величини вимірюваного ваги. При будь-якому вазі, не перевищує 200 грам, однократне зважування займає трохи більше трьох секунд. При багаторазовому зважуванні, все такі за першим виміру виробляються методом корекції попереднього вимірювання, і здійснюються зі швидкістю 10 измерений в секунду. У процесі включення і вимикання розрядних токовых ланцюгів цифроаналогового перетворювача ведеться протокол прироста/спада температури резисторів дільника напруги каждого розряду і за «взяття ваги «виконується процессорное вычисление величини, яка викликало рівновагу електричного струму (I), з урахуванням температур резисторів кожного включеного в результат разряда.

I = з Ё Ki•t°C i=0.

и перерахунок отриманого значення по тарировочной формуле.

P = a0 + a1*I + a2*I¤ ,.

що була отримана учням нашої школи Івановим І.І., ??? з допомогою математичного апарату апроксимации результатов способом найменших квадратів [18], з урахуванням дослідження зміни опору резисторів залежно від своїх температури і тарирования виготовлених нами аналітичних терезів навісками, значення яких було виміряно на повірених механічних терезах аналітичного класу точності. Не зупиняємося підробно на результати цих досліджень, оскільки вони докладываться на секції математики.

Після набуття результуючого значення ваги, програма перетворює двоичное число в десяткове видає на табло весов.

Четверта функція терезів «t°C «залишено нами у разі перетарировки терезів після ремонту температурного перетворювача. При виборі цієї функції на табло безупинно видається температура з датчика ваги, що може бути отсоединен від друкованої плати й на завдяки з'єднанню із нею з допомогою кручений пари дротів, довжиною 1,5 м, винесено з вироби і підданий перетарировке, по описаної вище методиці, але не матимуть використання частотомера, роль якого доручається ОЭВМ.

ВЫВОДЫ.

1. робота про аналітичних весах…

2. Бичков Авт., Азаров Б. Я. Уніфіковане блокове микропроцессорное пристрій з урахуванням мікропроцесора К1801ВМ1. — М.: МЭИ, 1988. 80 с.

3. Щелкунов М. М., Дианов О. П. Мікропроцесорні кошти й системи. — М.: Радіо і зв’язок. 1989. 288 с.

4. Басманов О. С., Широков Ю. Ф. Мікропроцесори і однокристальные микро-ЭВМ: Номенклатура і функціональні можливості. — М.: Энергоатомиздат, 1988. 128 с.

5. Пристрій друку знакосинтезирующее малогабаритное СМП 6327: Посібник із експлуатації - Уфа: Завод пишучих машин, 1987. 44 с.

6. Телевізори «Електрон ». Довідник під ред. А. А. Смердова.- М.: Радіо і зв’язок, 1990. 279 с.

7. Блок дисководів КИСЦ 467 234.004−01: Посібник із эксплуатации. — Л.: СПКТБ ПО ЛЭТЛ, 1988. 17 с.

8. Гнатек Ю. Р. Довідник по цифроаналоговым і аналогоцифровым перетворювачів: Пер. з анг. — М.: Радіо і зв’язок, 1982. 552 с.

9. Maxim. New realeases data book. — London: Maxim Gmb, 1996. 962 p.

10. Шило В. Л. Популярні цифрові мікросхеми: Довідник.- М.: Радіо і зв’язок, 1987. 352 с.

11. Довідник по інтегральним мікросхемах /Тарабрин Б.В., Якубовський С. В., Барканов Н. А. та інших./.- М.: Енергія, 1980. 816 с.

12. Граф Р. Електронні схеми. 1300 прикладів: Пер. з анг.- М.: Світ, 1989. 688 с.

13. Ступельман В. Ш., Филаретов Г. А. Напівпровідникові приборы.- М:. Радянське радіо, 1973. 248 с.

14. Напівпровідникові прилади. Транзистори малої потужності. Довідник. /Зайцев А.А., Миркин А.І., Мокряков В. В. та інших./.- М.: Радіо і зв’язок, 1989. 384 с.

15. Напівпровідникові прилади. Транзистори середньої та великої потужності. Довідник. /Зайцев А.А., Миркин А.І., Мокряков В. В. і ін./.- М.: Радіо і зв’язок, 1989. 640 с.

16. Напівпровідникові оптоэлектронные прилади. Довідник. /Іванов В.І., Аксьонов А.І., Юшин А.М./.- М.: Энергоатомиздат, 1988. 448 с.

17. Зюдин А. Ф. Монтаж, настроювання, експлуатація і ремонт зделий на напівпровідникових елементах. М.: Энергоиздат, 1974. 360 с.

18. Мазмишвилли А.І. Теорія помилок, і спосіб найменших квадратов.- М.: Надра, 1978. 311 с.