ВВЕДЕНИЕ
Значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием электроники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль агропромышленного комплекса, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства измерительной техники, автоматики и вычислительной техники. Причём тенденция развития такова, что доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешёвых, высококачественных, не требующих настройки и наладки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения.
Промышленность выпускает почти все электронные функциональные узлы, необходимые для создания устройств измерительной и вычислительной техники, а также систем автоматики: интегральные электронные усилители электрических сигналов: коммутаторы; логические элементы; перемножители электрических напряжений; триггеры; счётчики импульсов; регистры; сумматоры и т. д.
Широко практикуется использование базовых матричных кристаллов и программируемых функциональных возможностей интегральных схем. В массовом количестве изготовляются единые матрицы нескоммутированных (не соединённых между собой) элементов. Электрические связи между ними выполняются индивидуально на этапе формирования разводки, исходя из требований заказчика. Изготовив базовую матрицу или программируемую логическую матрицу одного типа, на её основе можно создать сотни разнообразных функциональных узлов различного назначения. Причём различие между базовыми матричными кристаллами и логическими программируемыми матрицами заключается в том, что в последних соединениях можно не только создавать, но и разрушать.
Созданы также более простые полузаказные интегральные схемы, содержащие наборы элементов. Из них могут быть получены и аналоговые устройства, например усилители электрических сигналов. Это позволяет снизить затраты на проектирование и производство электронных устройств различного назначения и уменьшить сроки их внедрения в серийное производство.
В развитии электроники на протяжении многих лет остаётся стабильным только одно - это непрерывное изменение элементной и схемотехнической баз.
В связи с широким выбором интегральных схем, параметры которых известны из технических условий, изменились задачи, стоящие перед разработчиками электронной аппаратуры. Если раньше значительная часть времени уходила на расчёты режимов отдельных каскадов, определение их параметров, решение вопросов термостабилизации и т. д., то в настоящее время и взаимного согласования микросхем.
Типовые микроузлы позволяют собрать нужный электронный блок без детального расчёта отдельных каскадов. Разработчик электронной аппаратуры, определив, какие преобразования должен претерпеть электрический сигнал, подбирает необходимые интегральные микросхемы, разрабатывает схему их соединений и вводит обратные связи требуемого вида. И только в том случае, когда выпускаемые интегральные микросхемы не позволяют решить какой-то конкретный вопрос, к ним добавляют отдельные узлы на дискетных компонентах, требующие проведения соответствующих расчётов, или разрабатывают микросхемы частного применения.
Сегодня практически все системы такого рода, за исключением сугубо специализированных систем, построенных на основе специализированных процессоров, оснащены персональными компьютерами – главным образом машинами семейства IBM PC или их аналогами. В результате перед разработчиками и пользователями любой подобной системы встает задача адекватной стыковки устройств, воспринимающих информацию из внешнего мира, а именно датчиков различного типа, с персональным компьютером, являющимся центральным узлом такой системы и выполняющим задачи координации работы системы, обработки поступающей информации и выдача ее пользователю в наиболее удобной для него форме.
Трудности реализации интерфейсных средств, встающие перед разработчиками, заключаются главным образом в том, что датчики и другие чувствительные устройства, как правило, имеют разнородные выходы, и для подключения к вычислительному оборудованию необходимо использовать или создавать специальные схемы преобразования сигналов, согласующие устройства, кодирующие преобразователи и т.д. Большинство систем с датчиками вырабатывают аналоговые напряжения, которые должны быть преобразованы в цифровые сигналы, прежде чем они могут быть введены в ЭВМ.
Измерительные преобразователи осуществляют преобразование измеряемых физических переменных в выходные электрические сигналы. С выхода датчика электрический сигнал поступает в согласующие схемы, где он готовится для дальнейшего преобразования в цифровую форму и передачи в IBM PC.
Совершенствование полупроводниковой технологии позволило также расширить сферы применения датчиков к тому же повысить их точность, быстродействие, надежность, долговечность, удобство сопряжения с электронными измерительными схемами. Массовый характер производства датчиков способствует снижению цены, что также является немаловажным фактором, определяющим их внедрение в практику.
По определению одного из основоположников техники измерения физических величин А.М. Туричина (1968 г.) к датчикам относятся все основные узлы электронной схемы для измерения неэлектрических величин, расположенные непосредственно у объекта. Необходимость преобразования измеряемой неэлектрической величины в адекватный электрический сигнал послужила позднее основанием для введения термина «измерительный преобразователь», рекомендованного государственной системой обеспечения единства вместо термина «датчик».
В русле общего направления технического прогресса существенные изменения претерпели также и датчики. На смену электромеханическим и электровакуумным устройствам пришли твердотельные (полупроводниковые, сегнетоэлектрические и т.п.) элементы и приборы, которые затем все больше и больше стали вытесняться интегральными схемами. Развитие техники детектирования магнитных и электрических полей, электромагнитных волн (от ИК- до УФ-диапазона), малых количеств примеси в жидких и газообразных средах существенно расширили возможности измерений на удаленных, труднодоступных, движущихся и т.п. объектах. Это сделало необязательным расположение датчиков непосредственно у объекта.
Общие тенденции к миниатюризации и компьютеризации коснулись, безусловно, и рассматриваемой области техники. При этом сигнал датчика, в большинстве случаев аналоговый, для обработки в микропроцессоре или в микроЭВМ должен быть представлен в цифровом виде. Это осуществляется обычным интерфейсным устройством, включающим в себя АЦП. В последнее время наряду с созданием датчиков, имеющих цифровой выходной сигнал, наблюдается тенденция к конструктивному объединению датчиков с микропроцессорными устройствами.
Задачей данного курсового является построение системы автоматического контроля и управления такими параметрами окружающей среды, как температура, влажность, освещенность и давление.
Эффективность управления тепло и такой системы в значительной степени зависит от аппаратурного решения используемых систем управления. Современные достижения науки и техники позволяют использовать для этого новую аппаратуру контроля и управления, основанную на применении микропроцессорной техники.
Применение микропроцессоров и микро-ЭВМ при автоматизации контроля и управления в современной технике позволяет осуществлять эффективную обработку первичной информации и реализовать сложные алгоритмы управления, приближающиеся к оптимальным, улучшать многие технические параметры системы, придав им ряд новых функций.
При разработке микропроцессорных систем необходимо решить ряд задач по обоснованию и выбору алгоритмов обработки информации, разработке программного обеспечения. При этом существенное значение приобретают вопросы получения объективной информации о состоянии контролируемого объекта.
При использовании средств распределенного контроля режимных параметров микроклимата объектов окружающей среды, объем и достоверность полученной информации определяется необходимым количеством датчиков, цикличностью и способом их опроса. В задачу контроля входит не только замер параметров микроклимата в дискретных точках исследуемого объекта, но и оперативная обработка полученной информации в форме, удобной для ввода в управляющее устройство при выработке регулирующего воздействия. В этих условиях наиболее целесообразно использовать интегральные представления полученной информации.
1. В книге [1] рассматриваются аппаратные и программные средства сопряжения самых разнообразных датчиков с персональными компьютерами фирмы IBM. Для каждого типа датчиков приводятся электронные схемы, предназначенные для обработки его выходного сигнала перед подачей в компьютер. Для иллюстрации принципов сбора и применения информации, поступающей от датчиков, включены примеры использования конкретных датчиков вместе с компьютерными программами. Большинство систем с датчиками вырабатывают аналоговые напряжения, которые должны быть преобразованы в цифровые сигналы, прежде чем они могут быть введены в ЭВМ. В настоящей книге рассматривается конструкция функционально законченной системы сбора и преобразования данных.