Разработка системы автоматического контроля уровня сыпучих материалов в цилиндрическом резервуаре (стр. 6 из 15)
Тогда получаем из формулы (6.1) для длительности импульсов положительной и отрицательной полярностей - 12.5 мкс (период равен двум длительностям импульса
, (6.1)где tи – длительность импульсов меандра.
. (6.2)Резистор R3 из ряда Е48 – 68.1 кОм ± 1%
Для выставления более точного времени стоит реостат сопротивлением 1 кОм.
Мощности резисторов вычисляются по формуле:
, (6.3)где Uнас – напряжение насыщения компаратора, равное 15В.
Для резистора R1 имеем:
. (6.4)Для резистора R2:
. (6.5)Все резисторы данного узла мощностью 62 мВт.
К выводам питания компаратора подключены керамические конденсаторы ёмкостью 100нФ для шунтирования помех, идущих по цепи питания.
Для подключения компаратора к микроконтроллеру стоит резистор R5 сопротивлением 1 кОм.
6.2 Генератор отсчета времени с частотой 1MГц
Схема генератора для отсчёта времени, работающий на шестнадцатиразрядный таймер1 микроконтроллера 90S2313, представлена на рисунке 6.2.
Главным частотозадающим элементом в данной схеме является кварцевый резонатор частотой 1 МГц. Резисторы R1 и R2 имеют рекомендованные сопротивления 1кОм, выводящие выходные каскады микросхем в активный режим. Выход микросхемы DD2 подключается ко входу таймера1.
Рисунок 6.2 – Генератор отсчета времени
6.3 Фильтр высоких частот
На рисунке 6.3 показана принципиальная схема фильтра ВЧ.
Рисунок 6.3 – Фильтр ВЧ
Расчёт произведён в MathCAD:
. 
. 
. 
где ω1 – резонансная частота фильтра;
Н1 – передаточная характеристика;
α1 – коэффициент.
Рисунок 6.4 – Передаточная характеристика фильтра
Данный ФВЧ пропускает только частоты выше граничной частоты – 38кГц и подавляет нижние частоты, расположенные ниже 38 кГц, как показано передаточной характеристики фильтра (рисунок 6.4).
Фильтр ВЧ выполнен на микросхеме LM318 [22].
6.4 Фильтр низких частот
На рисунке 6.5 показана принципиальная схема ФНЧ с шунтирующими по питанию конденсаторами против помех.
Рисунок 6.5 – Фильтр низких частот
Расчёт произведён в MathCAD:
где ω0 – резонансная частота;
Н(ω) – передаточная характеристика;
α – коэффициент.
Рисунок 6.6 – Передаточная характеристика фильтра
6.5 Усилитель
На рисунке 6.7 приведена схема усилителя с высоким коэффициентом усиления. Схема выполнена на прецизионном операционном усилителе LM318.
Рисунок 6.7 – Схема усилителя
Выводы питания операционного усилителя (ОУ) зашунтированы керамическими конденсаторами также, как и у фильтров для предотвращения самовозбуждения и влиянию помех. К выводам 1 и 5 подключен потенциометр для баланса нуля на выходе.
Шунтирующие конденсаторы должны находиться как можно ближе к выводам микросхемы при монтаже схемы.
Рассчитаем требуемый коэффициент усиления методом подбора сопротивлений:
,(6.6)При усилении в 1000 граничная частота усилителя находится в пределах 80 – 100 кГц.
6.6 Формирователь прерываний INT1
Формирователь прерывания необходим для сообщения микроконтроллеру о том, что отсчёт времени нужно прекратить и выполнять подпрограмму обработки. Алгоритм программного обеспечения будет рассмотрен ниже по отдельности.
Формирователь показан на рисунке 6.8.
Рисунок 6.8 – Формирователь прерываний
При отсутствии сигнала с выхода усилителя выход компаратора находится на общем проводе, т.к. открыт выходной транзистор компаратора, который «подсаживает» выход на общий провод, вследствие, заданного порога на его неинвертирующем входе. При поступлении сигнала с выхода усилителя на инвертирующий вход компаратора выше порогового уровня компаратор переключается и на его выходе присутствует напряжение логической единицы ТТЛ – уровня.
Переключение происходит из – за запирания выходного транзистора компаратора. В результате таких процессов, происходящих в формирователе, образуется импульс, показанный на рисунке 6.9. Здесь выходное напряжение формирователя показано с временной задержкой в 200 нс.
Рисунок 6.9 – Получаемый импульс
При задержке компаратора и из – за временной задержки прохода напряжения от нуля до порогового уровня получается погрешность измерения времени микроконтроллером, т.е. из – за момента, когда надо остановить счёт времени.
Расстояние, пройденное УЗ – импульсом за время полной задержки определяется как:
(6.7)где tкомп – время задержки компаратора;
tпрг – временная задержка прохода сигнала до порогового уровня;
t – температура воздуха.
При проходе УЗ – импульса определённого расстояния: 6м (3м+3м) входное напряжение приёмника УЗ импульсов составляет порядка 20мВ, тогда выходное напряжение усилителя составит 20мВ· 1020 = 20,4В. Если выходное напряжение усилителя будет равняться напряжению порога, то погрешность измерения времени будет не поправимо большой. В этом случае пороговая задержка составит половину УЗ импульса. (6.25мкс), но такая ситуация не предвидится, т.к. приёмник очень избирательный и чувствительный.
Если усилитель будет выдавать сигнал близкий по форме к прямоугольнику, то пороговая задержка будет очень малой, что благоприятствует измерениям.
6.7 Ключевой элемент с пьезокерамическим излучателем
Пьезокерамический излучатель представляет собой ёмкостную нагрузку для трансформатора (рисунок 6.10).
Рисунок 6.10 – Пьезокерамический излучатель
Рекомендованное производителем максимальное подводимое к излучателю напряжение – 40 В. Зададимся для расчётов коэффициентом трансформации 1, т.е. выходное напряжение вторичной обмотки составляет 15 В. В виду того, что при неработающем компараторе на его выходе присутствует напряжение +15В, то был выбран КМОП транзистор с Р – каналом, для которого отпирающее напряжение является отрицательным до -20В. Между затвором и истоком поставлен стабилитрон на напряжение 12В, чтобы обезопасить режим работы ключа на первичную обмотку трансформатора, представляющая собой нагрузку индуктивного характера для транзистора.
Данные для расчёта:
коэффициент трансформации – 1;
емкость нагрузки СН = 2нФ;
резонансная частота f0 = 40кГц.
Так как пьезокерамический излучатель представляет собой ёмкостную нагрузку, то расчёт ведётся на резонансную частоту (40кГц). Вторичная обмотка трансформатора совместно с излучателем является параллельным колебательным контуром. Откуда из формулы для резонансной частоты получаем требуемую индуктивность вторичной обмотки:
. (6.8)Характеристическое сопротивление контура (или один из его элементов) определяется как:
. (6.9)Параллельный контур представляет из себя фильтр настроенный на первую гармонику релаксационных колебаний (импульсов). Тогда амплитуда первой гармоники считается, как:
. (6.10)Максимальный и действующий токи вторичной обмотки, определяемые характеристическим сопротивлением:
, (6.11)