МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І науки УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"
Кафедра звукотехніки та реєстрації i нформації
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
НА ТЕМУ "Пристрій виміру і реєстрації кутів нахилу і прискорень рухомих об’єктів"
з курсу "Проектування пристроїв реєстрації та збереження інформації"
Реферат
Курсовий проект містить основну частину на 40 аркушах, таблиць 1 , рисунків 9 , додатків 3 .
Дана курсова робота містить три основних розділи, в яких проводиться опис та проектування пристрою виміру та реєстрації кутів нахилу і прискорень рухомих об’єктів, який повинен забезпечувати можливість підключення зовнішніх карт пам’яті, зокрема Compact Flash. В роботі надано розрахунки, що підтверджують дієздатність пристрою.
Під час виконання роботи була розроблена повна функціональна схема пристрою і фрагмент принципової схеми.
Область застосування: при автоматизації різних транспортних засобів, наприклад гірських машин, автомобілів, тягачів літаків, ракет, танків і т.д.
ДАТЧИК ПРИСКОРЕНЬ, ДАТЧИК КУТІВ НАХИЛУ, FLASH-ПАМ'ЯТЬ, МІКРОКОНТРОЛЕР , АНАЛОГОВО-ЦИФРОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ, ФІЛЬТР НИЗЬКИХ ЧАСТОТ.
ЗМІСТ
Перелік умовних позначень, символів, одиниць, скорочень та термінів
Вступ
1 Аналітичний огляд
1.1 Системи вимірювань прискорень і кутів нахилу
1.2 Датчики прискорень і кутів нахилу
1.3 Існуючі пристрої, датчики, системи
1.4 Застосування систем реєстрації та виміру кутів нахилу та прискорень рухомих об’єктів
1.5 Flash-пам’ ять
1.5.1 Зчитування з карток пам’ яті
2 Пояснення побудови та описання роботи функціональної схеми пристрою
3 Розрахунки, які підтверджують працездатність схеми
Література
Додаток А. Технічне завдання
Додаток Б. Перелік елементів до принципової схеми
ПереЛІК уМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, ОДИНИЦЬ, СКОРОЧЕНь ТА ТЕРМІНІВ
CPU – Central Processor Unit (процесор);
CF – Compact Flash ;
АЦП–аналого-цифровий перетворювач;
ФНЧ–фільтр нижніх частот;
АК–аналоговий компаратор;
ПП–попередній підсилювач.
РКД–рідкокристалічний дисплей.
Вступ
Системи автоматизованого керування і автоматичного регулювання стали неодмінною частиною сучасного високотехнологічного виробництва. Вони все ширше використовуються в сучасних промислових та побутових приладах. Датчик фізичної величини є необхідною складовою будь-якого контуру керування, забезпечуючи сигналом зворотного зв’язку електроніку, що керує виконуючим пристроєм [3].
Тенденції розвитку систем автоматизованого керування наступні:
· збільшення точності вимірювань;
· зменшення дрейфу характеристик під дією зовнішніх змін напруги та температури;
· збільшення інтеграції пристроїв, включення в структуру систем калібрування та інтерфейсів для з’єднання зі стандартними пристроями автоматики та вимірювання;
· зменшення напруг та струмів живлення, що має першочергове значення для мобільних застосувань;
· вдосконалення технології виготовлення з метою зменшення вартості.
Інтегральні акселерометри належать до особливого класу пристроїв, що виникли у зв’язку з розвитком технологій "MEMS" (MEMS - Micro Electro Mechanical Systems) – потрібно розуміти як напівпровідникові структури, що складаються як із мініатюрних мікромеханічних елементів, так і з інтегрованих напівпровідникових мікросистем обробки даних [3, 4].
Використання акселерометрів, виготовлених за технологією MEMS, дозволяє розробляти, створювати та впроваджувати нові пристрої та системи, що будуть мати безпрецедентні технічні та економічні характеристики та будуть використовуватися в галузях науки і техніки, де використання подібних пристроїв було б неефективним, недоцільним або взагалі неможливим.
1 АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД
1.1 Системи вимірювань прискорень і кутів нахилу
Системи вимірювань прискорень і кутів нахилу включають в себе датчики лінійного прискорення і в цій якості широко використовуються для вимірювання кутів нахилу тіл, сил інерції, ударних навантажень і вібрації. Вони знаходять широке застосування на транспорті, в медицині, в промислових системах вимірювання та управління, в інерційних системах навігації. Промисловість виготовляє багато різновидів акселерометрів, що мають різні принципи дії, діапазони вимірювання прискорень, масу, габарити і ціни.
Області застосування акселерометрів визначаються їх основними параметрами, а також їх співвідношенням. Найважливішими параметрами акселерометра є діапазон вимірюваних прискорень, чутливість , що виражається зазвичай як відношення сигналу в вольтах до прискорення, нелінійність у відсотках від повної шкали, шуми, температурний дрейф нуля (зсуву) і чуттєвості. У ряді випадків суттєвої характеристикою виявляється власна частота коливань сенсора ω0 або резонансна частота f0, визначає робочу смугу частот датчика. У більшості застосувань важливі температурний діапазон і максимально допустимі перевантаження - характеристики, пов’язані до умов експлуатації датчиків. Визначальними параметрами, що впливають на точність визначення прискорення, є при дрейфі нуля і чутливості (в основному температурній), а також шуми датчика, що обмежують поріг дозволу пристрою. Чутливість датчика залежить від резонансної частоти механічної підсистеми, а також якості електронного перетворювача.
Зміна чутливості з температурою пов'язано в основному зі зміною коефіцієнта пружності. Температурний дрейф нуля обумовлений зміною коефіцієнта пружності, тепловим розширенням і технологічними похибками виготовлення сенсора. Зміна параметрів електронної частини датчика під дією температури, як правило, істотно менше.
Мініатюрні електромеханічні елементи – це мініатюрні датчики, електроприводи, мембрани, які приймають і випромінюють коливання та інші подібні елементи, що зроблені на звичайній кремнієвій підкладці з використанням процесів "мікромеханічної обробки", які являють собою комплект технологій виробництва напівпровідних структур, що дозволяють формувати в напівпровідній підкладці (кремнієвій основі) мініатюрні чітко виражені рельєфні структури достатньо великої глибини.
Мікросистеми обробки даних – це, зазвичай, функціонально орієнтовані аналогові чи змішані (аналогові і цифрові) спеціалізовані пристрої, призначені для попередньої обробки інформації та оптимального сполучення з мініатюрними електромеханічними елементами. Взагалі мікросистеми обробки даних виготовляються з використанням однієї стандартної інтегральної технології, наприклад, біполярної, CMOS чи BICMOS. Використання технологій MEMS дозволяє по-новому уявити практично всі відомі на сьогоднішній день категорії виробів мікроелектроніки [4]. Кожен виріб, що виготовлений за технологією MEMS, має спеціалізовану мікросистему обробки даних, інтегровану або з вхідним мікромеханічним датчиком, чи з вихідним мікромеханічним пристроєм. Іншими словами, використання пристроїв MEMS дозволяє створювати високоінтелектуальні вхідні датчики чи вихідні виконуючі пристрої. Такі пристрої здатні "самостійно" (тобто без участі електроніки більш високого рівня) контролювати інформацію про зміни навколишнього середовища в цілому та її механічних, теплових, біологічних, хімічних, оптичних чи магнітних складових. Отримана від вбудованих мікромеханічних датчиків інформація обробляється спеціалізованою мікросистемою обробки даних на достатньо високому розрахунковому рівні, що дозволяє прийняти необхідні рішення безпосередньо в пристрої MEMS, і, отже, можливо здійснити необхідні дії на навколишнє середовище мікромеханічними виконуючими пристроями, що інтегровані в цей же пристрій, наприклад, змінити положення вхідних датчиків, включити виконуючі мініатюрні приводи, перенести чи встановити в задану позицію інші датчики.
1.2 Датчики прискорень і кутів нахилу
Акселерометри по суті справи реагують на силу, що діє на сенсорний елемент датчика. Сила виникає або при прискоренні датчика, або є наслідком дії гравітації. Отже, акселерометри можуть застосовуватися для вимірювання сили, прискорення, вібрації, руху чи переміщення, а також положення та кута нахилу (інклінометри). Лінійка однокристальних інтегральних акселерометрів компанії Analog Devices Inc. (ADI), виконаних за технологією iМЕМS, покриває практично всі області застосування пристроїв подібного типу - від систем управління автомобільними подушками безпеки до стільникових телефонів.
Високі робочі характеристики, мале енергоспоживання, інтегрована функціональність виробництва сигналу, можливість калібрування і програмування, мініатюрність, низька ціна - все це робить акселерометри ADI надзвичайно привабливими для розробників, "закладають" ці пристрої в нові вироби. Так, відповідно до самої останньої інформації, вже 250 млн одиниць акселерометрів ADI продано до теперішнього часу на різних ринках, включаючи автомобільний, комп'ютерний, промисловий. Продукція ADI вже досить добре відома фахівцям, але, завдяки маркетингової стратегії компанії, численні лінійки датчиків та інших інтегральних пристроїв безперервно оновлюються, орієнтуючись на нові цільові ринки, тому про них завжди можна прочитати щось нове.
Області застосування акселерометрів визначаються їх основними параметрами, а також їх відношенням. Найважливішими параметрами акселерометра є діапазон вимірюваних прискорень, чутливість, що виражається зазвичай як відношення сигналу в вольтах до прискорення, шуми, температурні дрейф нуля (зсуву).
Акселерометри представляють собою датчики лінійного прискорення і в цій якості широко використовуються для вимірювання кутів нахилу тіл, сил інерції, ударних навантажень і вібрації. Вони знаходять широке застосування на транспорті, в медицині, в промислових системах вимірювання та управління, в інерційних системах навігації. Промисловість виготовляє багато різновидів акселерометрів, що мають різні принципи дії, діапазони виміру прискорень, масу, габарити і ціни.