Реферат: Аналитические весы
Реферат: Аналитические весы
СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА
Идея создания электронных лабораторных весов
аналитичес-
кого класса точности (до 0.0001 г) возникла после
посещения нами
презентации Казахстанского представительства фирмы
"Metler-Tolledo"
(США-Швецария), проведенной в городе Рудный в мае 2000
года на
базе акционерного общества Соколовско-Сарбайское
горно-производ-
ственное объединение (АО ССГПО).
Представленные на ней аналитические электронные
лабораторные
весы имели очень высокую стоимость и, по понятным
причинам, не мог-
ли быть приобретены нами. У персонала презентующего
продукцию этого
всемирно известного производителя весов нам удалось
установить толь-
ко то, что измерительный узел представляет собой
тензодатчик вы-
сокой точности, стоимость которого составляет 3/4 всего
изделия.
Точность - это визитная карточка данной фирмы, так
например у
закупленных АО ССГПО железнодорожных весов точность
составляет
400 грамм, которая при существующих требованиях стандарта
к точ-
ности данного класса весов в 1% представляется просто
фантастичес-
кой.
Объем литературных источников по этому вопросу
весьма скуден
и ограничен, в основном, общими знаниями. Из работы [1]
мы выяс-
нили, что тензодатчик аналитического класса точности
представляет
собой объемную конструкцию из шайб сплавов редких и
драгоценных
металлов, обладающих свойством изменения электрических
параметров,
например сопротивления, при малейших механических
воздействиях
на них. Весьма непростыми являются при этом и устройства
измере-
ния, так как определяемый параметр изменяется не только
от меха-
нического воздействия, но и от целого ряда других
параметров, са-
мым определяющим из которых является температура. Мы
смогли най-
ти только тензорезисторы, изготовленные из меди, которые
обладают
недостаточной чувствительностью к небольшим изменениям
внешнего
давления на них, поэтому от этого подхода мы отказались
сразу.
Малопривлекательными для изготовления в условиях
школы по-
казались нам и электронно-механические виды аналитических
весов,
в которых система противовесов и кодовых шкал с
компенсторами [1]
просто не могла быть воспроизведена вне лаборатории
точной ме-
ханики и оптики.
В процессе анализа литературных источников нам
пришла идея
использования для взвешивания силы взаимодействия
магнитного и
электрических полей. Так например, если на магните
расположить
катушку, на которую положено взвешиваемое вещество, то
при про-
пускании через нее постоянного тока, заранее определенной
поляр-
ности, вокруг катушки возникает противоположно
направленное элек-
трическое поле и при определенной величине тока вес
вещества бу-
дет преодолен и нам остается только выполнить
исследование зависи-
мости вес - величина электрического тока.
Однако весы данной конструкции имеют один
недостаток - не-
возможность взвешивания материалов обладающих магнитной
индукци-
ей, например железных стружек, но список таких материалов
незначи-
телен и им можно пренебречь.
СТРУКТУРА ПРЕДЛАГАЕМЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ
ВЕСОВ
Структура электронных аналитических весов с
магнитно-элек-
рическим датчиком веса должна безусловно включать в себя
микро-
контроллер для обеспечения быстрого подбора значения
электричес-
кого тока, достаточного для преодоления веса. В настоящее
время
спектр таких изделий очень широк, но мы выбрали
однокристальную
электронную вычислительную машину (ОЭВМ) КР1816ВЕ51
[3,4], исхо-
дя из следующих соображений:
1) компактность исполнения - практически весь
спектр воз-
можностей вычислительной машины скомпанован в одной микросхеме;
2) высокое быстродействие - 1000000 операций в
секунду;
3) достаточно большой объем внутренней памяти для
программы
пользователя - 4 кБ;
4) наличие коммуникационного последовательного
программи-
руемого порта для связи с IBM-совместимым компьютером,
что очень
важно как с точки зрения отладки программного обеспечения
аналити-
ческих веов, так и с точки зрения внешнего управления
ими, хра-
нения и статистической обработки производимых
взвешиваний;
5) двухуровенная система обработки прерываний для
обслужива-
ния событий от шести источников запросов, например
поднятие навес-
ки;
6) простой ввод/вывод 32-х дискретных сигналов
(есть сиг-
нал - 5 В, нет сигнала - 0 В);
7) два встроенных таймера для точного отслеживания малых
и
больших временных интервалов, независимо от действий
выполняемых в
данный момент программой;
8) достаточно простой Ассемблер с широкими
возможностями в
области арифметики и логики;
9) наличие в нашем распоряжении компилятора
Ассемблера и ком-
поновщика программ для автоматизированного создания
аппаратно ори-
ентированного программного кода;
10) наличие программы-симулятора, имитирующего
выполнение
команд ОЭВМ КР1816ВЕ51, на IBM-совместимом компьютере и
облегчающем
поиск ошибок;
11) наличие IBM-совместимого программатора фирмы
"Хронос"
(Россия) для прошивки программного кода во внутреннюю
память прог-
рамм микросхемы КР1816ВЕ51;
К недостаткам ОЭВМ КР1816ВЕ51 можно отнести
недостаточное ко-
личество портов ввода/вывода сигналов, всего 32. Беглый
подсчет пот-
ребного количества сигналов показывает, что нам
необходимы:
а) 21 выходной сигнал для подбора цифрового аналога
токового
сигнала, чтобы обеспечить аналитическую точность в
диапазоне веса
0...200 г;
б) 12 выходных сигналов для вывода значения
полученного веса
на табло аналитических весов из семи семисегментных
цифробуквенных
светодиодных индикаторов и светодиода десятичной точки;
в) 4 входных сигнала управления режимами работы
аналитических
весов ("Тара","Однократное
взвешивание", "Многократное взвешивание"
и "Температура")
г) 2 входных сигнала для датчиков подьема катушки
весов и
температуры воздуха;
д) входной и выходной сигналы для двухстороннего
сопряжения
аналитических весов с IBM-совместимым компьютером;
е) выходной сигнал индикации работы аналитических
весов.
Таким образом нам недостает, как минимум, 10
сигналов для
успешной реализации схемы на выбранной ОЭВМ. Можно было
бы пойти
по пути установки двух ОЭВМ в одном изделии с разделением
функций
между ними, но этот подход дорогостоящ и расточителен,
поэтому мы
решили использовать недорогую микросхему КР580ВВ55А
(программирумый
параллельный адаптер (ППА) [3]) для расширения адресуемых
портов
с 32 до 45.
ОЭВМ КР1816ВЕ51 будет передавать данные в 3 порта
микросхемы
КР580ВВ55А через один из своих портов (рис. 1), для
выбора номера
интересуемого порта и стробирования обращения к ППА
необходимы еще
3 вывода. Если запрограммировать микросхему только на
вывод, то нет
нужды в подключении к ОЭВМ выводов чтение (RD) и запись
(WR) ППА,
так как их можно зафиксировать сигналами c блока питания
через ре-
зисторы, нормирующие допустимый для микросхемы входной
ток.
На выводы 3-х портов КР580ВВ55А (рис. 1), поскольку
она бу-
дет запрограммированна только на вывод, лучше всего
подключить уст-
ройство цифроаналогового преобразователя (ЦАП), то есть
устройство,
преобразующее цифровой код в токовый аналог, например,
код 1388h (де-
сятичное число 5000) в ток величиной 0,5 А.
Кроме того непосредственно к вводам ОЭВМ (рис. 1)
должны быть
подключены: датчик подьема веса (ДП); датчик температуры
(ДТ) для
более точного подбора токового аналога в диапазоне
рабочих темпера-
тур весов; согласователь интерфейсов (СИ)
последовательных портов
ОЭВМ и IBM-совместимого компьютера; коммутатор цепи
цифроаналогового
преобразователя (КЦ) для предотвращения негативных
последствий от
длительного воздействия сильных токов на низкоомную
катушку устрой-
ства взвешивания (УВ); пульт индикации и управления (ПИУ).
Более
подробно каждому из них будет посвящен отдельный параграф
работы.
Структурная схема химических аналитических весов
совмещена с
принципиальной электрической схемой подключения ОЭВМ
КР1816ВЕ51 и
ППА КР580ВВ55А, на которой питание к микросхемам подается
на вы-
воды VCC (5 Вольт) и GND ("земля") [3].
Тактовая частота работы ОЭВМ (D1) задается
кварцевым резона-
тором ZQ1 (6 или 12 мГц). Цепочка R1, C3 предназначена
для переда-
чи управления по адрусу 000 ОЭВМ КР1816ВЕ51 и
инициализации микро-
схемы при включении питания. Так, сразу после включения
питания
емкость C3 заряжается и этот заряд "стекает" с
обкладки со знаком
"-" через резистор R1; номиналы резистора и
емкости этой цепи по-
добраны таким образом, чтобы удержать потенциал больший
2,5 В в те-
чение не менее 5 микросекунд, что достаточно для
инициализации
микросхемы D1. Аналогичным способом может быть выполнена
автоини-
циализация микросхемы D2, но мы "жестко"
зафиксировали вывод пере-
запуска (RST) на "землю", чтобы единственно
возможным способом ее
работы стало выполнение команд ОЭВМ КР1816ВЕ51.
Емкость C4 играет роль фильтра высокочастотных
помех по пи-
танию, а резистор R2 устанавливает на входе EA ОЭВМ
"высокий" по-
тенциал, соответствующий избранности внутренней, а не
внешней па-
мяти программ.
Все выводы порта P0 ОЭВМ через токоограничивающие
резисторы
R4,R5,...,R11 (1.8 кОм) подключены к питанию + 5 Вольт
из-за осо-
бенного исполнения этого порта ("с открытым
коллектором"). Напри-
мер, если на выводе P0.0 транзистор микросхемы D1 закрыт,
то на
выходе значение единичного сигнала поддерживается внешним
питанием
+5В, а в открытом состоянии (коммутация на общий провод
через тран-
зистор микросхемы D1) потенциал линии падает до нудевого
значения.
Поскольку микросхема D2 предназначена для работы только
на вывод
данных, то режим чтения (RD) "жестко" избран
неактивным, посред-
ством подключения этого вывода, через токоограничивающий
резистор
R12 (1.8 кОм) к питанию +5В, а режим избранности
микросхемы (CS) -
активным, подключением его к общему проводу, так как это
един-
ственная избираемая в устройстве весов микросхема. Адрес
одного
из четырех портов микпосхемы D2 (3 - порт
программирования режима
ее работы CW, 2 - порт С, 1 - порт В и 0 - порт А)
избирается не-
посредственно с выводов P2.4 и P2.5 ОЭВМ. Исполнение
команд про-
изводится при переходе сигнала записи (WR) с потенциала
+5В к ну-
левому потенциалу с вывода P2.6 ОЭВМ КР1816ВЕ51.
Временная диаграмма вывода данных в один из
избранных портов
микросхемы КР580ВВ55А в режиме 0 приведена на рис. 1а
[3]. Микро-
схема КР580ВВ55А имеет три режима обмена: 0, 1 и 2, из
которых нам
подходил только нулевой режим, при котором
однонаправленный вывод
производится через любой из портов без каких либо
сигналов сопро-
вождения (без квитирования) и выходная информация
защелкивается в
выходной буфер порта по срезу сигнала WR и остается на
выходе это-
го порта до следующего изменения.
__ t
WR +5В
0В
__ +5В
CS
0В
+5В
D
0В
+5В
A0,A1
0В
+5В
А,В,С,CW
0В
Рис. 1а. Временная диаграмма вывода данных через
порт
А, В, С или CW микросхемы КР580ВВ55А
На этой диаграмме черточкой сверху обозначены
сигналы, актив-
ные при нулевом потенциале, Н - образный переход сигналов
означает,
что если сигналы изменяются, то они должны быть изменены
сдесь. Вре-
мя t мы подобрали экспериментально, и оно должно быть не
менее 2-х
микросекунд, точное время между остальными сигналами не
имеет ника-
кого значения - важна лишь их точная последовательность.
БЛОК ПИТАНИЯ
В настоящей работе мы стремились к максимальному
использованию
известных и хорошо зарекомендовавших себя разработок,
доступных нам
через открытые литературные источники. Так например,
электрическая
принципиальная схема излучателя инфрокрасного диапазона
заимствована
нами из принтера СМП 6327 [5], а приемника - из схемы
бытового теле-
визионного приемника [6], включая также и простое
заимствование бло-
ка питания из списанного накопителя на пятидюймовых
гибких магнитных
дисках ЕС5321М советского производства [7], достаточно
мощного и на-
дежного, принципиальная электрическая схема которого
представлена на
рис. 2.
В этой схеме переменное напряжение 220 В через выключатель
и
предохранитель FU1 (1 А) поступает на первичную обмотку
трансформа-
тора ТПП288-220-50. Из нескольких вторичных обмоток этого
трансфор-
матора набираются выходные напряжения переменного тока в
19 и 7
Вольт, которые подаются на два диодных моста, собранных
из кремни-
евых диодов КД205В. На выходе с диодных мостов мы имеем
выпрямленные
постоянные напряжения со значительными пульсациями, для
подавления
которых в цепь параллельно мостам диодов включены
электролитические
емкости: С1 (10000 мкФ 50 В) и С2 (2000 мкФ 50 В). В
момент времени
когда с выхода диодного моста напряжение возрастает
емкости заряжа-
ются, а когда напряжение начинает снижаться стекание
заряда с обкла-
док электролитического конденсатора сглаживает проявление
этих пуль-
саций на входе стабилизаторов, собранных на резисторах
R1, R2 (1 Ом),
емкостях С3...С6 (0,1 мкФ), транзисторах VT1, VT2
(КТ818БМ), микро-
схемах D1 (КР142ЕН8Б), D2 (КР142ЕН5А и емкостях С7, С8
(200 маФ).
Принцип работы стабилизатора следующий: микросхема
D1 (D2)
управляет током, протекающим через малоомный резистор R1
(R2), тем
самым изменяя смещение перехода база-эмитер транзистора
VT1 (VT2)
и поддерживая на его выходе стабильное значение
требуемого для наг-
рузки выходного напряжения питания 12 (5) Вольт. Наличие
мощных
транзисторов VT1 и VT2 вызвано требованиями обеспечения
больших то-
ков, необходимых в накопителе на гибких магнитных дисках
[7] при
запуске его двигателей. Такой блок питания наиболее
оптимально под-
ходит и для аналитических весов, в которых также
наблюдается крат-
ковременные всплески потребления больших токов
протекающих через
катушку устройства взвешивания и цепи цифроаналогового
преобразова-
теля.
Емкости С7, С8 включены для сглаживания импульсных
пульсаций
нагрузок на стабилизатор, а С5, С6 в качестве фильтра
высокочастот-
ных помех.
Предохранитель FU1 защищает сеть переменного тока
от перегру-
зок, скажем при коротком замыкании на вторичных обмотках
трансформа-
тора, а FU2 и FU3 - блок питания, при перегрузках в
питаемых через
них схемах.
ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Наиболее оптимальным было бы использование в
качестве цифро-
аналогового преобразователя спецализированной микросхемы,
что су-
щественно упростило бы электрическую принципиальную схему
аналити-
ческих весов и избавило нас от проблемы решения множества
проблем,
связанных с этим преобразованием. Например, микросхемы
К572ПА1,
К594ПА1 [2] советского производства или импортного
производства:
DAC-01 и DAC-02 (фирма Precision Monolitic), MC1406 (Motorola),
HI-1080 и HI-1090 (Harris Semiconductor), AD-562 и
AD-7520 (Analog
Devices) [8], или более современные MX7534, MX7535,
MX7536, MX7538
(Maxim) [9]. Однако лучшие из этих чипов гарантируют
разрешение с
точностью не более 14 разрядов, что явно недостаточно для
обеспе-
чения аналитической точности взвешивания в диапазоне
0...200 грамм.
Для обеспечения указанных требований мы должны
разработать
принципиальную электричестую схему 21-го разрядного
цифроаналого-
вого преобразователя.
Существует два наиболее широко распространенных
метода циф-
роаналогового преобразования: с использованием взвешенных
резист-
ров и многозвенной цепочки резистров [8].
На рис. 3 представлена принципиальная электрическая
схема
цифроаналогового преобразователя с двоично-взвешенными
резистора-
ми, которая состоит из n ключей, по одному на каждый
разряд, уп-
равляемых выходным сигналом; цепочки двоично-взвешенных
резисто-
ров; источника опорного напряжения Uоп и суммирующего
операцион-
ного усилителя, на выходе которого получается аналоговый
сигнал,
пропорциональный цифровому коду на входе.
В идеальной ситуации ток, на входе операционного
усилите-
ля будет равен
An-1хUоп An-2хUоп A1хUоп A0хUоп
I = __________ + __________ + . . . + ________ +
________ .
R R R R
В нашем случае, для 21-разрядного цифроаналогового
преоб-
разователя, диапазон изменения сопротивлений резисторов
должен
будет соответствовать ряду: 1,2,4,8,...,524288,1048576
Ом. У нас
не было возможности точного подбора такого широкого ряда
резис-
Страницы: 1, 2, 3, 4
|