Разработка измерителя влажности (стр. 2 из 10)
Далее необходимо проанализировать изменение частоты генератора, т.е. необходимо подсчитать разность между частотой колебаний кварцевого генератора в сухой и во влажной среде. Так как частота пропорциональна количеству импульсов за определённое время, то при изменении частоты кварцевого генератора и подсчёте определённого количества импульсов, получаем разное время их счёта. Поэтому установим программируемый делитель для накопления импульсов. Делитель будет управляться микропроцессором. В начале подсчёта он сбрасывается сигналом от микропроцессора. При накоплении импульсов в делителе микропроцессор контролирует время накопления по таймеру, и как только делитель сформирует выходной импульс, выдаётся сигнал процессору и он фиксирует время накопления. Далее по разности опорного и фактического времени накопления можно говорить об определённом уровне влажности в той или иной газовой среде.
Проанализировав возможные технические решения, была разработана структурная схема, представленная на рис. 2.1 или [2008-00-992.01.00 Э1].
Рис. 2.1 Структурная схема устройства
2.2 Разработка функциональной схемы
В соответствии со структурной схемой, представленной выше, была разработана следующая функциональная схема устройства (рис. 2.2) или [2008-00-992.02.00 Э2].
Рис. 2.2 Функциональная схема устройства
В его состав входят:
- кварцевый генератор, выполненный на логических элементах;
- делитель;
- микропроцессор, предназначенный для подсчёта времени накопленных в делителе импульсов, его управления, обработки и выводе данных.
2.3 Разработка принципиальной схемы устройства
Кварцевый генератор
Основной частью разрабатываемого устройства является кварцевый генератор, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.3.
ZQ1 – кварцевый резонатор РК17С на 4 МГц;
C1 – конденсатор 120пФ ±10%;
R1, R2 – резистор 0,125 – 2,5кОм ±10%;
DD1 – ИС 133ЛА3.
Рис. 2.3 Схема электрическая принципиальная (кварцевый генератор)
Задающим элементом генератора является кварц. Основная задача генератора - преобразование собственной частоты колебаний кварца в частоту колебаний генератора, так что при изменении собственной частоты колебаний кварцевой пластины в зависимости от уровня влажности меняется и частота генератора.
Устройство обработки данных
В соответствии с функциональной схемой были выбраны:
- в качестве делителя - микросхема 555ПЦ1:
Управляемый делитель частоты [3]. Позволяет делить входную частоту в 2N раз (N=2....31). Значение N задаётся в двоичном параллельном коде на входе E = (E16, E8, E4, E2, E1). Входной сигнал подают на один из тактовых (информационных) выходов С1, С2. На свободном выходе С при этом устанавливают уровень логического "0". В случае если E16 = E8 = E4 = E2 = E1= 0 и E16 = E8 = E4 = E2 = 0 и E1= 1, деления нет. Обнуляется делитель при R = 0, в режиме деления R=1.
- в качестве микропроцессора - PIC контроллер - 16С84:
PIC16C84 относится к семейству КМОП микроконтроллеров. Отличается тем, что имеет внутреннее 1К х 14бит EEPROM для программ, 8-битовые данные и 64 байт EEPROM памяти данных. При этом отличается низкой стоимостью и высокой производительностью. Все команды состоят из одного слова (14 бит шириной) и исполняются за один цикл (400 нс при 10 МГц), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла (800 нс). PIC16C84 имеет прерывание, срабатывающее от четырёх источников, и восьмиуровневый аппаратный стек. Периферия включает в себя 8-битный таймер-счётчик с 8-битным программируемым предварительным делителем (фактически 16-битный таймер) и 13 линий двунаправленного ввода/вывода. Высокая нагрузочная способность (25 мА макс. втекающий ток, 20 мА макс. вытекающий ток) линий ввода/вывода упрощают внешние драйверы и, тем самым, уменьшается общая стоимость системы. Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает PIC16C84 привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры.
Электрическая принципиальная схема измерителя представлена на [2008-00-992.03.00 Э3].
Время заполнения делителя при делении на 221 (время счёта » 0,5 с) при частоте кварцевого генератора 4 МГЦ равно: 0,25 х 10-6 х 221 = 524288 мкс. За это время таймер микроконтроллера успел бы увеличить значение до 1310720 единиц. Но таймер 8-битный и максимально накапливает 255 импульсов. Т.е. за это время таймер совершает несколько циклов (накапливает и сбрасывает). Число циклов равно 5140. После полного заполнения делителя на его выходе формируется импульс прерывания, который останавливает таймер контроллера. Значение таймера и будет результативным числом. Далее результаты заносится в память контроллера. После накопления 16-ти результатов происходит их усреднение. В специально выделенной области памяти хранится таблица соответствия изменения частоты и влажности газовой среды, где и выбирается необходимое значение и передаётся на индикаторы, работающие в динамическом режиме.
При калибровке измерителя необходимо следить за тем, чтобы интервал изменения частот при максимальном разбросе по влажности (от 10 до 100 %), входил в значение не более 255 (т.е. максимального числа, хранимого в таймере). При этом максимально достигаемая точность не менее 1%.
В целях миниатюриализации и помехозащищённости устройства выполним его в виде тонкоплёночной гибридной интегральной схемы (ГИС).
3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ
В рамках работы была исследована разработанная схема измерителя (по макету кварцевого генератора). Были подобраны более точные значения номиналов элементов схемы для увеличения её стабильности.
В качестве первичного датчика был использован кварц промышленного изготовления типа РК17С - 4 МГц, температурно-независимого АТ – среза, в котором используются колебания сдвига по толщине и колебания изгиба, так как для этих видов колебаний удаётся решить проблему развязки между колеблющейся частью резонатора и конструктивными элементами. Корпус данного кварцевого резонатора был аккуратно вскрыт.
На пьезокварцевую пластину, в качестве влагочувствительного слоя, была нанесена методом термовакуумного напыления тонкая плёнка моноокиси кремния SiO. Влагочувствительный слой был нанесён с двух сторон по 0,4 мкм с каждой. Напыление влагочувствительного слоя производилось в установке УВН-5, при температуре резонатора 30°С и токе испарителя 280А. Толщина влагочувствительного слоя контролировалась прибором " КИТ – 1 ".
При нанесении влагочувствительного слоя уход частоты резонатора составил в среднем 2,8 кГц, вследствие чего, собственная частота резонатора стала равной 3987,200 кГц.
Испытания измерителя влажности проводились в специально изготовленной камере влаги. Различные значения влажности внутри камеры задавались с помощью насыщенных растворов различных солей по таблице 3.1:
Таблица 3.1 Зависимость уровня влажности от типов насыщенных растворов солей при различных температурах
| Соль | Температура, 0С | |||||||||
| 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | |
| Сульфат калия K2SO4 | 98 | 98 | 97 | 97 | 97 | 96 | 96 | 96 | 96 | 96 |
| Нитрат калия KNO3 | 96 | 95 | 94 | 93 | 92 | 91 | 89 | 88 | 85 | 82 |
| Хлорид калия KCl | 88 | 88 | 87 | 86 | 85 | 85 | 84 | 82 | 81 | 80 |
| Сульфат аммония (NH4)2SO4 | 82 | 82 | 81 | 81 | 80 | 80 | 80 | 79 | 79 | 78 |
| Хлорид натрия NaCl | 76 | 76 | 76 | 76 | 75 | 75 | 75 | 75 | 75 | 75 |
| Нитрит натрия NaNO2 | -- | -- | -- | 65 | 65 | 63 | 62 | 62 | 59 | 59 |
| Нитрат аммония NH4NO3 | -- | 73 | 69 | 65 | 62 | 59 | 55 | 53 | 47 | 42 |
| Бихромат натрия Na2Cr2O7 | 59 | 58 | 56 | 55 | 54 | 52 | 51 | 50 | 47 | -- |
| Нитрат магния Mg(NO3)2 | 58 | 57 | 56 | 55 | 53 | 52 | 50 | 49 | 46 | -- |
| Карбонат калия K2CO3 | -- | 47 | 44 | 44 | 43 | 43 | 43 | 42 | -- | -- |
| Хлорид магния MgCl2 | 34 | 34 | 34 | 33 | 33 | 33 | 32 | 32 | 31 | 30 |
| Ацетат калия CH3COOK | -- | 21 | 21 | 22 | 22 | 22 | 21 | 20 | -- | -- |
| Хлорид лития LiCl | 14 | 14 | 13 | 12 | 12 | 12 | 12 | 11 | 11 | 11 |
Были взяты следующие растворы солей:
1. Нитрат калия KNO3;
2. Хлорид калия KCl;
3. Хлорид натрия NaCl;
4. Нитрат магния Mg(NO3)2;
5. Карбонат калия K2CO3;
6. Хлорид магния MgCl2.
Испытания проводились при температуре внутри камеры влажности равной Т = 15°С.
Получены следующие результаты:
1. Нитрат калия KNO3.
Уровень влажности RH =94%.
Частота f1 = 3986,725; f2 = 3986,735; f3 = 3986,727.
2. Хлорид калия KCl.
Уровень влажности RH =87%.
Частота f1 = 3986,942; f2 = 3986,937; f3 = 3986,927.
3. Хлорид натрия NaCl.
Уровень влажности RH =76%.
Частота f1 = 3987,035; f2 = 3987,027; f3 = 3987,025.
4. Нитрат магния Mg(NO3)2.
Уровень влажности RH =56%.
Частота f1 = 3987,092; f2 = 3987,095; f3 = 3987,097.
5. Карбонат калия K2CO3.
Уровень влажности RH =44%.