Проектирование автоматической системы взвешивания вагонов в статике (стр. 2 из 4)
На рисунке 2.1.1. изображен чертеж тензодатчиков ДСТВ - 1.
Здесь 1 - это концентрическая упругая поверхность, чья деформация преобразуется с помощью тензорезисторов в электрический сигнал; 2 - корпус первичного преобразователя, служащий для защиты устройства от попадания внутрь твердых веществ и воды; 3 - трубка, защищающая соединительные провода.
При оказывании давления на концентрическую поверхность (1), она деформируется. На эту поверхность с внутренней стороны нанесены тензорезисторы. Причем тензорезисторы включены по схеме моста (рис. 2.1.2). К тензорезисторам подводится напряжение
, при этом, при условии максимальной нагрузки в 
на выходе моста будет напряжение, пропорциональное максимальной нагрузке 
. 
Рис. 2.1.2. Тензорезисторный мост.
2.2 Расчет первичного преобразователя
Выбираем напряжение питания
.При этом, следуя формуле чувствительности тензодатчика
.Это означает, что при номинальной нагрузке в
на выходе первичного преобразователя будет 
.Исходя из ТЗ необходимо, чтобы ошибка составляла 0.1%. Для получения такой точности вычислим минимальный шаг квантования :
2.3 Нормирующий преобразователь
Учитывая выходные параметры первичного преобразователя, выбираем усилительный элемент.
Т.к. полезный сигнал будет поступать с большим синфазным сигналом, приблизительно равным напряжению питания тензорезисторного моста
, то необходимо, чтобы усилитель имел очень высокий уровень подавления синфазного сигнала. 
Это соответствует
.Значит, необходимо выбрать такой усилительный элемент, который обеспечивает ослабление синфазного сигнала минимум в
.Коэффициент усиления должен быть таким, чтобы максимальный уровень полезного сигнала усиливался до опорного напряжения АЦП, что соответствовало бы максимальному коду. Опорное напряжение выбираем стандартное
. Тогда 
Тогда выбираем т.н. инструментальный операционный усилитель фирмы BURR BROWN INA128.
В инструментальных усилителях коэффициент усиления задается с помощью подключения внешнего сопротивления RG, значение которого высчитывается для INA128 по следующей формуле
, где 
Тогда
, выбираем стандартное сопротивление 
.Полученный коэффициент усиления будет равен
.Такое значение допускается, т.к. первичный преобразователь выбирался с запасом, т.е. уровень полезного сигнала на выходе тензорезисторного моста не будет достигать своего максимального значения
.Это соответствует нагрузке на все 8 датчиков
.При этом остается запас
.
2.3 Внутренняя структура инструментального усилителя INA128.
2.4 Аналого - цифровой преобразователь
Аналого - цифровой преобразователь (АЦП) выбирается исходя из ТЗ.
Нам необходимо взвешивать груз с максимальной весом
. При этом необходимо производить измерение с погрешностью 0.1%, что соответствует 
.Здесь
- пересчетное значение младшего значащего разряда - шаг квантования. Для того, чтобы покрыть весь диапазон с шагом, равным минимальному шагу квантования необходимо сделать 
шагов.Это соответствует
. Значит, сигнал необходимо оцифровывать с разрядностью 10. Это минимальное значение разрядности АЦП. В реальных условиях необходимо иметь запас. Поэтому выбираем разрядность АЦП - 12.Частота дискретизации может быть любой, т.к. процесс измерения происходит в статике.
Выбираем АЦП фирмы BURR BROWN ADS7820.
Передача информации осуществляется в параллельном коде в микроконтроллер по управляющему сигналу с МК. Затем МК мультиплексирует входные сигналы и процесс повторяется.
После обработки всех линий, МК анализирует полученные данные. Причем в это время АЦП не выбран. Это означает, что его выходы находятся в высоко импедансном состоянии и при необходимости могут обслуживать другое устройство.
Рис. 2.4.1. Схема включения АЦП ADS7820.
Рис. 2.4.2. Внутренняя структура АЦП.
Для настройки данного АЦП на работу необходимо на выход BYTE подать сигнал низкого уровня. При этом на D0 ... D11 будет поступать код, соответствующий входному аналоговому преобразующему сигналу.
R/C - Чтение/Преобразование. При перепаде из ноля в единицу (положительном фронте) на этом входе разрешается считывание кода с параллельного порта. При перепаде из единицы в ноль (отрицательном фронте) запуск преобразования аналогового сигнала в код. 
CS - Выбор кристалла. При логическом нуле на этом входе происходит активация АЦП. Вместе с R/C - запускает преобразование. При логической единице на этом входе происходит перевод всех линий параллельного порта в высокоимпедансное состояние. 
BUSY - При запуске преобразования на этом выходе устанавливается логический ноль. Сброс нуля происходит, когда преобразование закончится. 
Предлагается подвести от вывода R/C АЦП линию к выводу INT0 и INT1 микроконтроллера через логическую схему.2.5 Выбор мультиплексора
Согласно ТЗ, необходимо работать сразу с восемью аналоговыми сигналами. Для того, чтобы можно было оцифровывать все 8 сигналов одним АЦП необходимо использовать аналоговый мультиплексор. При этом нет требований к его быстродействию.
Необходимо, чтобы он мог пропускать напряжение до 2V.
Выбор канала должен осуществляться с помощью трех управляющих выводов, задающих номер канала. Этим будет заниматься микроконтроллер.
Выбираем мультиплексор фирмы BURR BROWN MPC508A.
Рис. 2.5.1. Внутренняя структура мультиплексора.
Рис. 2.5.2. Вариант схемы включения мультиплексор MPC508A.
2.6 Выбор микроконтроллера
В данном случае, согласно ТЗ, перед проектировщиком не ставится каких либо особых ограничений или требований. Т.к. процесс измерения веса происходит в статике, то нет необходимости в очень высоком быстродействии схемы. По этому не целесообразно проектировать данное устройство на DSP.
Одним из самых распространенных микроконтроллеров на сегодняшний день является МК семейства MCS-8051, первоначально разработанные фирмой INTEL.
INTEL MCS-8051 предназначен для построения контроллеров и микро-эвм различного назначения, отличающихся низкими аппаратными затратами при сохранении универсальности и быстродействия. Область применения MCS-8051 - от локальных систем автоматики до устройств управления бытовыми приборами.
Основными программно-доступными устройствами MCS-8051 являются:
1) 8-разрядный аккумулятор а;
2) 8-разрядный вспомогательный регистр в;
3) триггеры признаков результата: C (переноса), AC(вспомогательного переноса), OV (переполнения), P (четности);
4) триггеры выбора банка рабочих регистров RS0 и RS1;
5) триггер программно-управляемого флага F0;
6) 16-разрядный счетчик команд PC;
7) 16-разрядный регистр указателя данных DPTR;
8) 8-разрядный регистр указателя стека SP;
9) внутренняя память программ емкостью 4 кбайт, расширяемая внешними устройствами до 64 кбайт;