СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА
Идея создания электронных лабораторных весов аналитичес-
кого класса точности (до 0.0001 г) возникла после посещения нами
презентации Казахстанского представительства фирмы "Metler-Tolledo"
(США-Швецария), проведенной в городе Рудный в мае 2000 года на
базе акционерного общества Соколовско-Сарбайское горно-производ-
ственное объединение (АО ССГПО).
Представленные на ней аналитические электронные лабораторные
весы имели очень высокую стоимость и, по понятным причинам, не мог-
ли быть приобретены нами. У персонала презентующего продукцию этого
всемирно известного производителя весов нам удалось установить толь-
ко то, что измерительный узел представляет собой тензодатчик вы-
сокой точности, стоимость которого составляет 3/4 всего изделия.
Точность - это визитная карточка данной фирмы, так например у
закупленных АО ССГПО железнодорожных весов точность составляет
400 грамм, которая при существующих требованиях стандарта к точ-
ности данного класса весов в 1% представляется просто фантастичес-
кой.
Объем литературных источников по этому вопросу весьма скуден и ограничен, в основном, общими знаниями. Из работы [1] мы выяс- нили, что тензодатчик аналитического класса точности представляет собой объемную конструкцию из шайб сплавов редких и драгоценных металлов, обладающих свойством изменения электрических параметров, например сопротивления, при малейших механических воздействиях на них. Весьма непростыми являются при этом и устройства измере- ния, так как определяемый параметр изменяется не только от меха- нического воздействия, но и от целого ряда других параметров, са- мым определяющим из которых является температура. Мы смогли най- ти только тензорезисторы, изготовленные из меди, которые обладают недостаточной чувствительностью к небольшим изменениям внешнего давления на них, поэтому от этого подхода мы отказались сразу.
Малопривлекательными для изготовления в условиях школы по- казались нам и электронно-механические виды аналитических весов, в которых система противовесов и кодовых шкал с компенсторами [1] просто не могла быть воспроизведена вне лаборатории точной ме- ханики и оптики.
В процессе анализа литературных источников нам пришла идея использования для взвешивания силы взаимодействия магнитного и электрических полей. Так например, если на магните расположить катушку, на которую положено взвешиваемое вещество, то при про- пускании через нее постоянного тока, заранее определенной поляр- ности, вокруг катушки возникает противоположно направленное элек- трическое поле и при определенной величине тока вес вещества бу- дет преодолен и нам остается только выполнить исследование зависи- мости вес - величина электрического тока.
Однако весы данной конструкции имеют один недостаток - не- возможность взвешивания материалов обладающих магнитной индукци- ей, например железных стружек, но список таких материалов незначи- телен и им можно пренебречь.
СТРУКТУРА ПРЕДЛАГАЕМЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВЕСОВ
Структура электронных аналитических весов с магнитно-элек- рическим датчиком веса должна безусловно включать в себя микро- контроллер для обеспечения быстрого подбора значения электричес- кого тока, достаточного для преодоления веса. В настоящее время спектр таких изделий очень широк, но мы выбрали однокристальную электронную вычислительную машину (ОЭВМ) КР1816ВЕ51 [3,4], исхо- дя из следующих соображений:
1) компактность исполнения - практически весь спектр воз- можностей вычислительной машины скомпанован в одной микросхеме;
2) высокое быстродействие - 1000000 операций в секунду;
3) достаточно большой объем внутренней памяти для программы пользователя - 4 кБ;
4) наличие коммуникационного последовательного программи- руемого порта для связи с IBM-совместимым компьютером, что очень важно как с точки зрения отладки программного обеспечения аналити- ческих веов, так и с точки зрения внешнего управления ими, хра- нения и статистической обработки производимых взвешиваний;
5) двухуровенная система обработки прерываний для обслужива- ния событий от шести источников запросов, например поднятие навес- ки;
6) простой ввод/вывод 32-х дискретных сигналов (есть сиг- нал - 5 В, нет сигнала - 0 В);
7) два встроенных таймера для точного отслеживания малых и больших временных интервалов, независимо от действий выполняемых в данный момент программой;
8) достаточно простой Ассемблер с широкими возможностями в области арифметики и логики;
9) наличие в нашем распоряжении компилятора Ассемблера и ком- поновщика программ для автоматизированного создания аппаратно ори- ентированного программного кода;
10) наличие программы-симулятора, имитирующего выполнение команд ОЭВМ КР1816ВЕ51, на IBM-совместимом компьютере и облегчающем поиск ошибок;
11) наличие IBM-совместимого программатора фирмы "Хронос"
(Россия) для прошивки программного кода во внутреннюю память прог-
рамм микросхемы КР1816ВЕ51;
К недостаткам ОЭВМ КР1816ВЕ51 можно отнести недостаточное ко-
личество портов ввода/вывода сигналов, всего 32. Беглый подсчет пот-
ребного количества сигналов показывает, что нам необходимы: а) 21 выходной сигнал для подбора цифрового аналога токового
сигнала, чтобы обеспечить аналитическую точность в диапазоне веса
0...200 г; б) 12 выходных сигналов для вывода значения полученного веса
на табло аналитических весов из семи семисегментных цифробуквенных
светодиодных индикаторов и светодиода десятичной точки; в) 4 входных сигнала управления режимами работы аналитических
весов ("Тара","Однократное взвешивание", "Многократное взвешивание"
и "Температура") г) 2 входных сигнала для датчиков подьема катушки весов и
температуры воздуха; д) входной и выходной сигналы для двухстороннего сопряжения
аналитических весов с IBM-совместимым компьютером; е) выходной сигнал индикации работы аналитических весов.
Таким образом нам недостает, как минимум, 10 сигналов для успешной реализации схемы на выбранной ОЭВМ. Можно было бы пойти по пути установки двух ОЭВМ в одном изделии с разделением функций между ними, но этот подход дорогостоящ и расточителен, поэтому мы решили использовать недорогую микросхему КР580ВВ55А (программирумый параллельный адаптер (ППА) [3]) для расширения адресуемых портов с 32 до 45.
ОЭВМ КР1816ВЕ51 будет передавать данные в 3 порта микросхемы
КР580ВВ55А через один из своих портов (рис. 1), для выбора номера
интересуемого порта и стробирования обращения к ППА необходимы еще
3 вывода. Если запрограммировать микросхему только на вывод, то нет
нужды в подключении к ОЭВМ выводов чтение (RD) и запись (WR) ППА,
так как их можно зафиксировать сигналами c блока питания через ре-
зисторы, нормирующие допустимый для микросхемы входной ток.
На выводы 3-х портов КР580ВВ55А (рис. 1), поскольку она бу- дет запрограммированна только на вывод, лучше всего подключить уст- ройство цифроаналогового преобразователя (ЦАП), то есть устройство, преобразующее цифровой код в токовый аналог, например, код 1388h (де- сятичное число 5000) в ток величиной 0,5 А.
Кроме того непосредственно к вводам ОЭВМ (рис. 1) должны быть
подключены: датчик подьема веса (ДП); датчик температуры (ДТ) для
более точного подбора токового аналога в диапазоне рабочих темпера-
тур весов; согласователь интерфейсов (СИ) последовательных портов
ОЭВМ и IBM-совместимого компьютера; коммутатор цепи цифроаналогового
преобразователя (КЦ) для предотвращения негативных последствий от
длительного воздействия сильных токов на низкоомную катушку устрой-
ства взвешивания (УВ); пульт индикации и управления (ПИУ). Более
подробно каждому из них будет посвящен отдельный параграф работы.
Структурная схема химических аналитических весов совмещена с
принципиальной электрической схемой подключения ОЭВМ КР1816ВЕ51 и
ППА КР580ВВ55А, на которой питание к микросхемам подается на вы-
воды VCC (5 Вольт) и GND ("земля") [3].
Тактовая частота работы ОЭВМ (D1) задается кварцевым резона-
тором ZQ1 (6 или 12 мГц). Цепочка R1, C3 предназначена для переда-
чи управления по адрусу 000 ОЭВМ КР1816ВЕ51 и инициализации микро-
схемы при включении питания. Так, сразу после включения питания
емкость C3 заряжается и этот заряд "стекает" с обкладки со знаком
"-" через резистор R1; номиналы резистора и емкости этой цепи по-
добраны таким образом, чтобы удержать потенциал больший 2,5 В в те-
чение не менее 5 микросекунд, что достаточно для инициализации
микросхемы D1. Аналогичным способом может быть выполнена автоини-
циализация микросхемы D2, но мы "жестко" зафиксировали вывод пере-
запуска (RST) на "землю", чтобы единственно возможным способом ее
работы стало выполнение команд ОЭВМ КР1816ВЕ51.
Емкость C4 играет роль фильтра высокочастотных помех по пи- танию, а резистор R2 устанавливает на входе EA ОЭВМ "высокий" по- тенциал, соответствующий избранности внутренней, а не внешней па- мяти программ.
Все выводы порта P0 ОЭВМ через токоограничивающие резисторы
R4,R5,...,R11 (1.8 кОм) подключены к питанию + 5 Вольт из-за осо-
бенного исполнения этого порта ("с открытым коллектором"). Напри-
мер, если на выводе P0.0 транзистор микросхемы D1 закрыт, то на
выходе значение единичного сигнала поддерживается внешним питанием
+5В, а в открытом состоянии (коммутация на общий провод через тран-
зистор микросхемы D1) потенциал линии падает до нудевого значения.
Поскольку микросхема D2 предназначена для работы только на вывод
данных, то режим чтения (RD) "жестко" избран неактивным, посред-
ством подключения этого вывода, через токоограничивающий резистор
R12 (1.8 кОм) к питанию +5В, а режим избранности микросхемы (CS) -
активным, подключением его к общему проводу, так как это един-
ственная избираемая в устройстве весов микросхема. Адрес одного
из четырех портов микпосхемы D2 (3 - порт программирования режима
ее работы CW, 2 - порт С, 1 - порт В и 0 - порт А) избирается не-
посредственно с выводов P2.4 и P2.5 ОЭВМ. Исполнение команд про-
изводится при переходе сигнала записи (WR) с потенциала +5В к ну-
левому потенциалу с вывода P2.6 ОЭВМ КР1816ВЕ51.
Временная диаграмма вывода данных в один из избранных портов микросхемы КР580ВВ55А в режиме 0 приведена на рис. 1а [3]. Микро- схема КР580ВВ55А имеет три режима обмена: 0, 1 и 2, из которых нам подходил только нулевой режим, при котором однонаправленный вывод производится через любой из портов без каких либо сигналов сопро- вождения (без квитирования) и выходная информация защелкивается в выходной буфер порта по срезу сигнала WR и остается на выходе это- го порта до следующего изменения.
__ t
WR +5В
0В
__ +5В
CS
0В
+5В
D
0В
+5В
A0,A1
0В
+5В
А,В,С,CW
0В
Рис. 1а. Временная диаграмма вывода данных через порт
А, В, С или CW микросхемы КР580ВВ55А
На этой диаграмме черточкой сверху обозначены сигналы, актив- ные при нулевом потенциале, Н - образный переход сигналов означает, что если сигналы изменяются, то они должны быть изменены сдесь. Вре- мя t мы подобрали экспериментально, и оно должно быть не менее 2-х микросекунд, точное время между остальными сигналами не имеет ника- кого значения - важна лишь их точная последовательность.
БЛОК ПИТАНИЯ
В настоящей работе мы стремились к максимальному использованию известных и хорошо зарекомендовавших себя разработок, доступных нам через открытые литературные источники. Так например, электрическая принципиальная схема излучателя инфрокрасного диапазона заимствована нами из принтера СМП 6327 [5], а приемника - из схемы бытового теле- визионного приемника [6], включая также и простое заимствование бло- ка питания из списанного накопителя на пятидюймовых гибких магнитных дисках ЕС5321М советского производства [7], достаточно мощного и на- дежного, принципиальная электрическая схема которого представлена на рис. 2.
В этой схеме переменное напряжение 220 В через выключатель и
предохранитель FU1 (1 А) поступает на первичную обмотку трансформа-
тора ТПП288-220-50. Из нескольких вторичных обмоток этого трансфор-
матора набираются выходные напряжения переменного тока в 19 и 7
Вольт, которые подаются на два диодных моста, собранных из кремни-
евых диодов КД205В. На выходе с диодных мостов мы имеем выпрямленные
постоянные напряжения со значительными пульсациями, для подавления
которых в цепь параллельно мостам диодов включены электролитические
емкости: С1 (10000 мкФ 50 В) и С2 (2000 мкФ 50 В). В момент времени
когда с выхода диодного моста напряжение возрастает емкости заряжа-
ются, а когда напряжение начинает снижаться стекание заряда с обкла-
док электролитического конденсатора сглаживает проявление этих пуль-
саций на входе стабилизаторов, собранных на резисторах R1, R2 (1 Ом),
емкостях С3...С6 (0,1 мкФ), транзисторах VT1, VT2 (КТ818БМ), микро-
схемах D1 (КР142ЕН8Б), D2 (КР142ЕН5А и емкостях С7, С8 (200 маФ).
Принцип работы стабилизатора следующий: микросхема D1 (D2) управляет током, протекающим через малоомный резистор R1 (R2), тем самым изменяя смещение перехода база-эмитер транзистора VT1 (VT2) и поддерживая на его выходе стабильное значение требуемого для наг- рузки выходного напряжения питания 12 (5) Вольт. Наличие мощных транзисторов VT1 и VT2 вызвано требованиями обеспечения больших то- ков, необходимых в накопителе на гибких магнитных дисках [7] при запуске его двигателей. Такой блок питания наиболее оптимально под- ходит и для аналитических весов, в которых также наблюдается крат- ковременные всплески потребления больших токов протекающих через катушку устройства взвешивания и цепи цифроаналогового преобразова- теля.
Емкости С7, С8 включены для сглаживания импульсных пульсаций нагрузок на стабилизатор, а С5, С6 в качестве фильтра высокочастот- ных помех.
Предохранитель FU1 защищает сеть переменного тока от перегру- зок, скажем при коротком замыкании на вторичных обмотках трансформа- тора, а FU2 и FU3 - блок питания, при перегрузках в питаемых через них схемах.
ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Наиболее оптимальным было бы использование в качестве цифро-
аналогового преобразователя спецализированной микросхемы, что су-
щественно упростило бы электрическую принципиальную схему аналити-
ческих весов и избавило нас от проблемы решения множества проблем,
связанных с этим преобразованием. Например, микросхемы К572ПА1,
К594ПА1 [2] советского производства или импортного производства:
DAC-01 и DAC-02 (фирма Precision Monolitic), MC1406 (Motorola),
HI-1080 и HI-1090 (Harris Semiconductor), AD-562 и AD-7520 (Analog
Devices) [8], или более современные MX7534, MX7535, MX7536, MX7538
(Maxim) [9]. Однако лучшие из этих чипов гарантируют разрешение с
точностью не более 14 разрядов, что явно недостаточно для обеспе-
чения аналитической точности взвешивания в диапазоне 0...200 грамм.
Для обеспечения указанных требований мы должны разработать принципиальную электричестую схему 21-го разрядного цифроаналого- вого преобразователя.
Существует два наиболее широко распространенных метода циф- роаналогового преобразования: с использованием взвешенных резист- ров и многозвенной цепочки резистров [8].
На рис. 3 представлена принципиальная электрическая схема цифроаналогового преобразователя с двоично-взвешенными резистора- ми, которая состоит из n ключей, по одному на каждый разряд, уп- равляемых выходным сигналом; цепочки двоично-взвешенных резисто- ров; источника опорного напряжения Uоп и суммирующего операцион- ного усилителя, на выходе которого получается аналоговый сигнал, пропорциональный цифровому коду на входе.
В идеальной ситуации ток, на входе операционного усилите- ля будет равен
An-1хUоп An-2хUоп A1хUоп A0хUоп
I = __________ + __________ + . . . + ________ + ________ .
R R R R
В нашем случае, для 21-разрядного цифроаналогового преоб- разователя, диапазон изменения сопротивлений резисторов должен будет соответствовать ряду: 1,2,4,8,...,524288,1048576 Ом. У нас не было возможности точного подбора такого широкого ряда резис- торов тем более, что они должны быть все изготовленны по одной технологии, в связи с чем этот метод построения цифроаналогово преобразователя - неприемлем.
На рис. 4 представлена принципиальная электрическая схема цифроаналогового преобразователя с многозвенной цепочкой резис- торов. В этой схеме использование цепочки резисторов R-2R, при- водит к тому, что вклад каждого разряда в выходной сигнал про- порционален его двоичному весу.
Поскольку эта цепочка резисторов является линейной цепью, то ее работу можно проанализировать методом суперпозиции, то есть вклад в выходное напряжение от каждого источника рассматривать независимо от других источников. Окончательно все вклады от каж- дого разряда суммируются для получения на выходе результата в виде напряжения Uвых [8].
Таким образом, выходное напряжение цифроаналогового преоб-
разователя пропорционально сумме напряжений со своими весами,
обусловленных лишь теми ключами, которые подключены к источнику
Uоп.
Для нашего 21-разрядного цифроаналогового преобразователя
простое механическое копирование этой схемы невозможно, так как
самые лучшие чипы операционных усилителей LM101A, LF156A или
LM118 не способны обеспечить требуемого разрешения - их предел
14-ть разрядов и 8...12 разрядов - для микросхем операционных
усилителей советского производства (К153УД2, К140УД18 и других).
Можно было бы разработать двухплечевую схему с использованием
на выходе одного из плеч делителя напряжения, но такой подход
приведет к множеству проблем, связанных с обеспечением идентич-
ности плеч и тому подобных. Поэтому мы решили удалить из схемы
приведенной на рис. 4 операционный усилитель, заменив предшест-
вующий ему резистор 2R, многозвенной цепи, катушкой устройства
взвешивания.
Тогда для обеспечения изменения тока на выходе цифроана-
логового преобразования достаточно больших номиналов тока, до
3,5 А, мы должны подобрать пары 2R/R с таким расчетом, чтобы ве-
личина R составляла значение немного большее 1 Ома, при этом ре-
зисторы 2R должны иметь коэффициент деления как можно ближе к
двум, особенно в старших значащих разрядах. Кроме этого, резис-
торы должны быть мощными МЛТ-1 или МЛТ-2, чтобы избежать их вы-
горания при прохождении больших токов.
Подбор номиналов резисторов мы производили с использовани- ем цифрового измерителя L, C, R Е7-8 из нескольких тысяч резис- торов, номинала 1,4 и 2,7 Ом, во всех организациях города, в которых нам удалось их найти: АО ССГПО (6 подразделений), Руд- ненский индустриальный институт, Рудненский политехнический кол- ледж и других. Тип и номиналы этих резисторов определяли их ред- кое использование и поэтому по причине их отсутствия или дефицит- ности нам не отказали ни в одной из упомянутых организаций.
После продолжительной и утомительной работы нам удалось по- добрать многозвенную 21-разрядную цепочку сопротивлений, значения сопротивлений которых сведены в табл. 1.
Таблица 1
Подобранные номиналы резисторов многозвенной цепочки цифроаналогового преобразователя
Разряд Номиналы резисторов Коэффициент Средние зна-
NN цепи, Ом делимости чения, Ом
20 2,246 1,123 2,000
19 2,248 1,124 2,000
18 2,252 1,126 2,000
17 2,258 1,129 2,000
16 2,260 1,130 2,000
15 2,260 1,130 2,000
14 2,247 1,124 1,999
13 2,249 1,125 1,999
12 2,250 1,126 1,999
11 2,253 1,127 1,999 2,2575
10 2,253 1,127 1,999 --------
9 2,257 1,128 2,001 1,1283
8 2,256 1,127 2,002
7 2,258 1,128 2,002
6 2,260 1,129 2,002
5 2,264 1,131 2,002
4 2,266 1,132 2,002
3 2,266 1,132 2,002
2 2,268 1,132 2,004
1 2,268 1,132 2,004
0 2,269 1,132 2,004
Анализ значений сопротивлений табл. 1 показывает, что для
старших разрядов цифроаналогового преобразователя коэффициенты де-
ления напряжений подобраны практически идеально, с ухудшением до
0,2% в трех младших разрядах (0.04% - в среднем), а группы сопро-
тивлений подобраны с точностью 0.5%, такие параметры существенно
лучше тех, 0.1 и 1.0%, соответственно [8], которые обеспечивают
измерения с погрешнрстью, сопоставимой с половиной величины млад-
шего разряда преобразователя.
Теперь нас подстерегает единственная проблема, сопряженная с большими величинами токов, которые будут протекать через пере- ключатели K0, K1, ... ,Kn-1, полностью исключающая возможность применения для этой цели полупроводниковых переключателей, напри- мер, AM2009, MM4504, MM5504 [8], DG516 [12] и им подобных. Кроме того, каждый такой ключ будет иметь собственную величину сопро- тивления, вклад которого в каждый из разрядов аналогоцифрового преобразователя будет сильно искажать выходное напряжение.
Единственным решением этой проблемы может стать исполь- зование в качестве ключа перекидного контакта реле. Неоспоримым достоинством использования реле является то, что его контакт не вносит паразитного сопротивления в цепи разрядов аналогоцифро- вого преобразователя и для реле неопасно протекание больших токов через перекидной контакт. Кроме того, применение реле позволит произвести гальваническое разделение силовой цепи в 12 В от це- пи питания ОЭВМ в 5 В. Существенный недостаток использования реле в качестве разрядных ключей является их низкое быстродействие - от 10 до 50 милисекунд, однако оно может быть компенсировано ис- пользованием алгоритма скорейшего поиска необходимого значения цифрового кода.
Из скудного ряда доступных нам достаточно миниатюрных реле, мы сразу отказались от реле с герконовым переключателем (РЭС-55), так как они оказались бы в зоне воздействия сильного магнитного поля устройства взвешивания, когда факт включения ее контакта мог быть не бесспорным, и из-за слишком большого времени надеж- ного срабатывания - 25...40 милисекунд. Из реле с механическим контактором больше всего подходило РЭС-10, во-первых, из-за ма- лых размеров, во-вторых, из-за возможности включения контакта при напряжениях в 4 Вольта, в-третьих, из-за ориентированности ее конструкции на крепление непосредствено к монтажной печатной плате, в-четвертых, из-за самой высокой скорости срабатывания из всех идентичных ей образцов - не более 10 милисекунд, в-пятых, из-за относительно низкого потребления тока - около 35 милиам- пер.
Разработанная на основе всего вышеизложенного принципиаль-
ная электрическая схема цифроаналогового преобразователя пред-
ставлена на рис. 5. В этой схеме с выхода программируемого па-
раллельного адаптера КР580ВВ55А нулевой потенциал подается в ба-
зу транзистора VT0 (VT1,...,VT19,VT20) - КТ361Е, вызывая отпира-
ние его перехода эмитер-колектор и протекание постоянного тока,
напряжением в 5 Вольт, через обмотку реле K0 (K1,...,K19,K20) -
РЭС-10. Непосредственное включение обмоток реле с выводов микро-
схемы КР580ВВ55А невозможно из-за их низкой нагрузочной способ-
ности (3,2 мА), при величинах токов, потребляемых реле РЭС-10,
порядка 35 мА.
Поскольку коммутирование контактов реле не происходит
мгновенно и характеризуется явлением, называемым в литературе
"дребезгом", для предотвращения подгорания контактов реле, до
момента уверенного их срабатывания, цепь 12 Вольтового питания
разорвана на переходе эмитер-колектор мощного транзистора VT22
(КТ972). После выдерживания паузы в 11 мС, необходимых для уве-
ренного срабатывания контактов реле РЭС-10, на выход P3.5 ОЭВМ
подается сигнал нулевого потенциала, поступающий на базу транзис-
тора VT21 (КТ361Е) и отпирающий его переход между колектором и
эмитером. После этого в базу транзистора VT22 поступает потен-
циал, достаточный для отпирания его перехода эмитер-колектор.
Представленная на рис. 5 принципиальная электрическая схема коммутатора исполнительной цепи позволяет не только из- бавиться от проблемы подгорания контактов реле, но и избежать перегрева низкоомных сопротивлений многозвенной цепочки резис- торов большими токами, посредством сбора цепи на очень малень- кий интервал времени 300 микросекунд.
Для подавления колебаний тока при выключении обмотки реле, обладающей индуктивностью, параллельно ей включен шунтирующий диод VD0 (VD1,...,VD19,VD20).
Суммированное с выходов всех активных разрядов напряжение будет проходит через катушку устройства взвешивания.
УСТРОЙСТВО ВЗВЕШИВАНИЯ
Вначале для устройства взвешивания мы изготовили 100 витко- вую катушку диаметром 20 мм из медной проволки толшиной 0,07 мм, а магнитное поле создавали при помощи плоского постоянного магнита размером 100х60х17, которые на фабричном комплексе АО ССГПО исполь- зуются на магнитных сепараторах для извлечения железа из руды.
При пропускании тока от пальчиковой батарейки напряжением
1,5 В мы наблюдали поразительный эффект: катушка подлетала в вверх
даже при токах в несколько мА, переворачивалась в воздухе и "прили-
пала" к магниту. Этот, воодушевлявший наши усилия, эффект неожидан-
но наткнулся на два препятствия:
1) магнит притягивал к себе все металлические предметы в ди- аметре 100...300 мм, то есть создавал очень сильное магнитное поле;
2) при смещении катушки на небольшое расстояние, незначитель- но изменялась величина тока, необходимая для ее подьема, то есть встала проблема фиксации катушки над магнитом.
Чтобы решить одновременно обе проблемы мы использовали в ка-
честве устройства взвешивания аккустический динамик 4ГД-35, предва-
рительно удалив из него бумажный диффузор и его верхний фиксатор,
прикрепив клеем "Момент" плошадку взвешивания к внутренней поверх-
ности катушки, мы не только зафиксировали ее в наиболее эффективной
точке взаимодействия магнитного и электрического полей (определено
экспериментально), но и решили проблему возврата катушки на исход-
ное место после снятия напряжения за счет веса этой площадки (рис.
6). Теперь подьем площадки взвешивания происходил без видимых откло-
нений величины токового сигнала с доступной нам точностью измере-
ний в 0,0001 А цифровым вольтметром В7-40.
Поскольку неисключен резкий подъем площадки в процессе прог- раммного подбора необходимой величины тока, для предотвращения раз- брызгивания взвешиваемых жидкостей и рассыпания сыпучих навесок мы снабдили конструкцию ограничителем подъема площадки с зазором меж- ду ними в 1 мм, достаточным для датчика фиксации подъема веса, сос- тоящего из излучателя и приемника инфрокрасного излучения (рис. 6).
ДАТЧИК ПОДЪЕМА ВЕСА
Вес считается измеренным, если площадка поднялась при значении
токового аналога I, но не поднялась при I-MP (MP - величина тока, со-
оттветствующая Младшему Разряду цифроаналогового преобразователя).
Для определения момента подъема площадки взвешивания мы использовали
оптический датчик отслеживания перекрытия просвета, состоящий из ма-
ломощного излучателя и приемника инрокрасного (невидимомого) спектра.
Электрическая пинципиальная схема излучателя инфрокрасного диа- пазона заимствована нами из концевых выключателей ограничения подачи головки принтера СМП 6327 [5], которая приведена на рис. 7.
Принцип работы этого излучателя следующий:
1) емкость C2 постепенно заряжаясь создает на базе транзистора
VT1 потенциал, достаточный для отпирания перехода колектор-эмитер,
в результате чего потенциал на базе транзистора VT2 становится нуле-
вым и сопровождается отпиранием его перехода эмитер-колектор, при
этом возрастание положительного потенциала на базе транзистора VT3
приводит к плавному отпиранию его перехода колектор-эмитер с протека-
нием тока через резистор R4 и диод VD1 (АЛ107А [16]), сопровождаемый
излучением инфрокрасного спектра. В процессе протекания тока через пе-
реход эмитер-коллектор транзистора VT2, емкость C2 разряжается и запи-
рает транзистор VT1, который в свою очередь, запирает и транзистор VT2.
После запирания транзистора VT2, потенциал на базе транзистора VT3
падает и он запирается, прекращая свечение диода VD1. Затем этот
процесс повторяется в уже описанной последовательности.
Импульсный режим излучения выбран нами для исключения оценки воздействия посторонних источников излучения на приемник и для по- вышения мощности излучения диода КД107 с 6 до 45 мВт.
Емкость C1 включена в принципиальную электрическую схему (рис.
7) для сглаживания негативного воздействия импульсов тока на ста-
билизатор блока питания.
Достижение в процессе подбора цифрового аналога тока значения, при котором преодолен вес взвешиваемого вещества, сопровождается под- нятием площадки для взвешивания и, как следствие, перекрытием створа излучатель-приемник. Для идентификации данного события и необходим приемник импульсного излучения инфрокрасного спектра. От схемы прием- ника, используемого в принтере СМП-6327 [5], пришлось отказаться, так как он не обеспечивал устойчивого приема при расстояниях более 10 мм между излучателем и приемником. Мы использовали в качестве приемника часть электрической принципиальной схемы приемника инфрокрасного из- лучения бытового телевизионного приемника [6], произведя только за- мену фотоприемника ФД263 на более миниатюрный, но менее чувствитель- ный фотодиод VD1 (FD125) венгерского производства (рис. 8).
Приемник представляет собой двухкаскадный усилитель с общим ко- лектором, выполненный на базе транзисторов VT1 - VT3 (КТ315). Импуль- сы инфрокрасного излучения воспринимаются фотодиодом VD1, при этом он открывается и запирается, при отсутствии таковых. Таким образом, транзистор VT1 играет роль согласователя высокочастотных импульсов, в диапазоне 0...25 мВ, в низкочастотные с незначительным их усилени- ем в 1,5...2 раза. Этот сигнал с эмитера VT1 поступает на базу тран- зистора VT2, включенного в режиме его усиления при отпирании/запира- нии перехода эмитер-колектор с коэффициентом 9-10, определяемым ном- иналом резистора R5. При этом на выходе приемника, с колектора тран- зистора VT2, генерируются колебания с амплетудой 5 Вольт и частотой задаваемой излучателем. Резисторы R6, R7 и транзистор VT3 образуют цепь положительной обратной связи между его входом и выходом, необ- ходимой для их согласования и подавления помех.
Поскольку, удовлетворительных результатов мы добились уже пос- ле двух каскадов усиления сигнала, то надобность в двух последующих, имеющихся в схеме [6], отпала. Кроме того, мы понизили напряжение пи- тания с 12 Вольт в схеме [6], до 5 Вольт, чтобы избежать обратного преобразования, в связи с требованиями по входу ОЭВМ КР1816ВЕ51, без ощутимого ухудшения параметров приемника.
Выходной сигнал приемника поступает на вход Р3.2 (INT0) ОЭВМ
КР1816ВЕ51 и, если после очередного изменения токового сигнала на
выходе цифроаналогового преобразователя, на входе P3.2 ОЭВМ не об-
наружены пульсации - значит вес преодолен.
ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА
Мощный блок питания будет источником излучения тепла в ог-
раниченный объем изделия, а, поскольку, величина сопротивления
резисторов зависит от их температуры, то для обеспечения аналити-
ческой точности взвешивания либо необходимо снабдить весы обратным
аналогоцифровым преобразователем, либо достаточно точным электрон-
ным датчиком температуры. Кроме того, наличие такого устройства в
аналитических весах необходимо из-за непостоянства комнатной тем-
пературы не только в разные периоды года, но и в течение суток.
Так как изготовление 21-разрядого аналоговоцифрого преобразователя
более трудоемко, затратно и сложнее, чем датчика температуры, то
мы и остановили свой выбор на последнем.
Одним из простейших видов датчика температуры, ориентирован-
ного на использование возможностей ОЭВМ КР1816ВЕ51, является преоб-
разователь температура-частота. ОЭВМ КР1816ВЕ51 имеет два входа
(P3.2-INT0, P3.3-INT1), изменение состояния которых (переход из "вы-
сокого" состояния сигнала в "низкое" или, наоборот) вызывает аппа-
ратное прерывание выполняемой программы с вызовом программы обра-
ботки этого события. Такая реакция ОЭВМ позволяет программно вы-
числить время между двумя смежными прерываниями или вычислить час-
тоту изменения сигнала.
Сущность этого датчика сводится к созданию генератора, час-
тота которого управляется напряжением из схемы измерения изменения
термосопротивления. В качестве генератора управляемого напряжением
можно использовать микросхему К531ГГ1 (мультивибратор автоколе-
бательный), схемы возможного применения которой приведены в [10],
а задание управляющего напряжения - посредством усиления напряжения
на выходе "моста" резисторов, в одно из плеч которого включено тер-
мосопротивление, при помощи операционного усилителя. Однако мы
смогли найти только старый вариант этого чипа - К218ГГ1-Н [11] и
при тестировании созданного на его основе преобразователя столкну-
лись с проблемой собственной нестабильности генерируемой микро-
схемой частоты при измененнии температуры воздуха, погрешность
в диапазоне температур 0...60°С, допустимых для электронных ком-
понентов данной технологии изготовления, варьировала в интервале
-11...+17% (рис. 9), что неприемлимо для обеспечения аналитической
точности взвешивания. Кроме того, микросхема К218ГГ1-Н имеет от-
носительно большое энергопотребление - около 100 мВт.
Аналогичные проблемы возникли при попытке ее замены на мик- росхему К1108ПП1 (преобразователь напряжение-частота), которая кро- ме этого требовала питания +15 В/-15 В.
Контроль стабильности частоты преобразователя мы производили посредством помещения макета схемы в муфельную печь или морозильную камеру холодильника с размещением термодатчика вне их. При такой схеме, вследствие неизменности температуры термодатчика (25°С), частота на выходе преобразователя должна быть стабильной. О непри- емлемости преобразователя на микросхеме К218ГГ1-Н свидетельствует кривая зависимости частота - собственная температура схемы, приве- денная на рис. 9.
Схема преобразователя температура-частота, приведеннная в
[12], была свободна от отмеченных недостатков (рис. 10). Ее работа
основана на том, что прямое напряжение кремниевого диода, питае-
мого от источника постоянного тока линейно изменяется с температу-
рой в диапазоне 0..60°С. Диод VD1 (IN914) и резистор R2 образуют
делитедь напряжения, питающийся от генератора постоянного тока.
При возрастании температуры прямое падение напряжения на диоде
уменьшается, закрывая транзистор VT1 (ZTX300). Вследствие этого
выходное напряжение транзистора VT1 будет возрастать, что дает воз-
можность использовать его в качестве напряжения, управляющего ге-
нератором D1.
Приведенные в схеме [12] импортные электронные компоненты бы-
ли заменены нами на их аналоги советского производства: D1 на
К176ЛП1 [10], VT1 - КТ617А, VT2 - КТ620А [15], VD1 - КД521А.
В пределах указанных номиналов электронных компонентов при температуре 0°С частота составила 478 Гц с приростом в 3 Гц на градус температуры. Зависимость температура-частота имела практи- чески линейный вид в диапазоне температур 0...60°С и соответство- вала характеристикам, приведенным в работе [12]. Время установки стабильной частоты при резком перепаде температур не более 25 се- кунд. Однако работа преобразователя не отличалась высокой точнос- тью, а самое неприятное - стабильностью (рис. 11), хотя область устойчивой работы схемы расширилась на 5 градусов, а сама погреш- ность уменьшилась до -10...+10%.
Для устранения отмеченных недостатков мы повысили напряжение
питания преобразователя с 9 до 12 Вольт, заменили "комплиментарную
пару" транзисторов (два транзистора, изготовленные по одинаковой
технологии n-p-n и p-n-p типов, коэффициенты усиления которых
равны) на более мощную (КТ972Б и КТ973Б) и подобрали более чувст-
вительный и стабильный диод (КД407А). Такие изменения являются до-
пустимыми для микросхемы К176ЛП1, так как она является аналоговой
и содержит набор трех p- и трех n-канальных КМОП-транзисторов. Эти
преобразования позволили не только стабилизировать работу преобра-
зователя температура-частота (рис. 12), но и избавиться от необхо-
димости понижения имеющегося в нашем блоке питания напряжения в 12
Вольт до необходимых для схемы [12] 9 Вольт. Зона стабильной рабо-
ты преобразователя температура-частота расширилась на 35°С (рис.
12) и расположилась в интервале приемлемых температур для работы
аналитических весов в условиях помещений (5...60°С), с учетом дос-
таточно высокого тепловыделения из компонентов блока питания ана-
литических весов. Погрешность стабилизации схемы в указанном диа-
пазоне изменяется в интервале -1.9...+1.7%, хотя в интервале тем-
ператур 0...3°С становится неприемлимой, достигая -13%.
В измененном варианте были получены следующие характеристики
преобразователя температура-частота: частота 2390 Гц при 0°С с
приростом от 3 до 8 Гц на градус температуры в интервале 0...100°C
(рис. 13). Нелинейностью графика зависимости температура-частота в
интервале 75...100°С можно пренебречь, так как достижение таких зна-
чений температуры в аналитических весах маловероятно, но даже при
проявлении данного события программа ОЭВМ КР1816ВЕ51 известит
пользователя о невозможности продолжения измерений. Тогда, зависи-
мость температура-частота может рассматриваться как линейная с при-
ростом на 3 Гц, на каждый градус увеличения температуры, и наоборот.
Тестирование схемы, приведенной в работе [12], и ее изменен- ного нами аналога производилось сдедующим образом:
1) в аллюминиевой заготовке размером 38x50x10 были высверлены
3 отверстия диаметром 2.3, 4.2 и 5.9 мм для диода VD1, "жала" элек-
трического паяльника и спиртового градусника, соответственно
(рис. 14);
2) диод был запрессован в отверстие при температуре заготовки в -5°С с таким расчетом, чтобы во всем исследуемом диапазоне тем- ператур обеспечивался надежный контакт между ними;
3) отверстие для "жала" паяльника было выбрано из расчета, обе- спечивающего вход его "жала" на глубину 19 мм при комнатной темпера- туре в 25°С, а для градусника было увеличено на величину, исключа- ющую его раздавливание с измененением температуры заготовки за счет линейного расширения при уплотнении образуемого зазора асбестовой нитью, обеспечивающей хорошую передачу температуры и компенсирую- щей, возникающие в процессе прогрева заготовки сжимающие напряже- ния;
4) выход 4 микрочхемы D1 и общий провод схемы подключили на вход чвстотомера Ч3-64;
5) паяльником нагревали собранную заготовку до 102...107°С и выключали его, оборачивали заготовку в брезентовый чехол для сглажи- вания процесса теплообмена с окружающей средой, а затем по мере ее остывания, отслеживаемого по показаниям спиртового градусника, брали отсчеты от 100 градусов с интервалом в 5°С до комнатной температуры, аналагичным образом поступали при отслеживании диапазона от 0°С до комнатной температуры, удалением из заготовки паяльника и помеще- нием заготовки в морозильную камеру бытового холодильника.
Для контроля аналогичные действия производили помещая заго-
товку в кипящую дисцилированную воду со снятием отсчетов в процессе
ее естественного остывания и укладывая в сосуд со льдом, изготовден-
ным в морозильной камере бытового холодильника из дисцилированной
воды, со снятием отсчетов в процессе его естественного оттаивания.
Использование дисцилированной воды было необходимо для предотвраще-
ния протекания тока между анодом и катодом диода через раствор, со-
держащий соли, которые всегда входят в состав обычной питьевой воды.
Эти измерения отличались большой продолжительностью, но позволили
избавиться от контактных погрешностей передачи температуры на диод
и градусник при очень плавном снижении/повышении температуры среды.
Измерения по изложенной выше методике были проведены 10 раз
(поровну - в воздушной и водной средах) и сведены в табл. 2. Анализ
этих данных показывает, что разброс результатов в водной и воздушной
средах практически одинаков, а следовательно, они могут считаться
равноточными. Происхождение погрешностей может быть самым разнооб-
разным, например, погрешность разбивки шкалы градусника, погрешность
частотомера, погрешность снятия отсчетов по шкале градусника, пог-
решность в скоростях реакции диода и градусника на изменение тем=
пературы и тому подобные, но с учетом того что их величины от изме-
рения к измерению варировали в незначительном интервале (+3...-3 Гц)
наиболее обьективные результаты могли быть получены посредством их
статистической обработке, по результатам которой и была построена
зависимость температура-частота (рис. 13) для дальнейшего использо-
вания программой аналитеческого взвешивания ОЭВМ КР1816ВЕ51.
Таблица 2
Результаты тарирования преобразователя температура-частота
Среда Воздушная Водная Среднее t°С, Частота на выходе преобразователя, Гц частоты, град. Гц
0 2389 2391 2391 2392 2393 2392 2386 2387 2390 2392 2390
5 2408 2409 2407 2412 2412 2410 2404 2402 2408 2411 2408
10 2427 2426 2426 2429 2431 2430 2425 2421 2424 2423 2426
15 2438 2437 2440 2446 2446 2447 2443 2442 2445 2440 2442
20 2454 2453 2457 2462 2463 2458 2449 2450 2458 2457 2456
25 2485 2481 2478 2480 2481 2483 2488 2474 2479 2478 2481
30 2498 2495 2495 2499 2500 2498 2501 2495 2496 2499 2498
35 2517 2516 2514 2526 2517 2516 2514 2513 2517 2516 2517
40 2537 2527 2540 2538 2540 2532 2538 2537 2538 2537 2536
45 2539 2556 2558 2555 2556 2555 2554 2554 2555 2555 2554
50 2576 2577 2583 2573 2583 2576 2576 2574 2576 2577 2571
55 2580 2598 2601 2598 2600 2597 2596 2596 2599 2597 2596
60 2619 2615 2620 2620 2620 2614 2621 2620 2618 2619 2619
65 2639 2639 2640 2642 2645 2640 2637 2641 2638 2640 2640
70 2662 2664 2670 2659 2664 2660 2661 2663 2663 2660 2663
75 2685 2684 2690 2684 2696 2686 2686 2688 2686 2687 2687
80 2960 2790 2715 2960 2720 2956 2947 3025 3816 2998 2889
85 3030 3029 3042 3018 3045 3017 3020 3092 3035 3023 3035
90 3080 3078 3096 3090 3100 3077 3070 3145 3109 3106 3095
95 3134 3121 3150 3138 3160 3138 3130 3190 3144 3125 3143
100 3175 3180 3188 3186 3190 3181 3175 3228 3199 3179 3188
Кроме того, для сглаживания импульсного воздействия схемы на нагрузку блока питания в нее включена демфирующая емкость C2.
Для согласования выходного сигнала в 12 Вольт со входом ОЭВМ
КР1816ВЕ51 в 5 Вольт схема на рис. 10 дополнена преобразователем
12/5 Вольт, собранная из резисторов R8, R9 и R10, диода VD2 и тран-
зистора VT3, принцип действия которой будет изложен при описании
согласователя интерфейсов последовательных портов IBM и ОЭВМ.
БЛОК ИНДИКАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ
Блок индикации предназначен для вывода на табло измеренных значений веса и управления пользователем режимами работы аналити- ческих весов.
Принципиальная электрическая схема блока индикации и управ-
ления, разработанного нами, представлена на рис. 15. В схеме для
преобразования двоичной цифры, выдаваемой в биты 0, 1, 2 и 3 пор-
та P2 ОЭВМ КР1816ВЕ51, в напряжение логического уровня, появляю-
щееся в том выходе, десятичный номер которого соответствует дво-
ичному коду, использована микросхема D8 (К564ИК2 - дешифратор
двоичного кода в сигналы семисегментного кода с общим анодом).
Выбор дешифраторов советского и импортного производства очень ши-
рок (K514, K531, К555, KM555 (ИД1, 3, 5, 7, 10), 74141, 74154,
74155, 7442, 74138 и т. д.) при сходной технике их включения [10].
В качестве индикаторов десятичных цифр нами использованы
7 семисегментных светодиодных матриц D1...D7 (АЛС324А) [16], вклю-
ченных параллельно друг другу. В выходные цепи микросхемы D8, пос-
ледовательно включены резисторы R2...R8, для согласования по ве-
личине тока, потребляемого матрицами D1...D7.
Выбор матрицы, на которую будет отображаться цифра с выхо- да микросхемы D8, производится подачей на матрицу напряжения пи- тания, посредством установления на одном из выводов 1,2,...,7 порта P1 ОЭВМ КР1816ВЕ51 нулевого потенциала, отпирающего пере- ход эмитер-колектор транзисторов VT1...VT7 (КТ973А). Если с ин- тервалом не менее 1/24 секунды производить последовательный вы- вод семи цифр веса в течение 10...15 микросекунд каждая, то из-за инертности зрения человека он будет наблюдать ее как непрерывно светящееся число. Цепь R1-C1 предназначена для обеспечения защи- ты схемы от высокачастотных помех, проявляющихся в подмигивании некоммутированных сегментов матриц, и защиты по току.
Индикация на светодиоды АЛ103 [16] (см. рис. 15), подключен- ные анодом к цепи питания в 5 Вольт, производится с одного из выво- дов ОЭВМ КР1816ВЕ51, например, P1.0, через нормирующее резисто- ром потребление тока.
Управление весами производится посредством нажатия кнопки, соединяющей один из выводов ОЭВМ КР1816ВЕ51, например, P2.4, с общим проводом цепи питания через нормирующее ток сопротивление.
СОГЛАСОВАТЕЛЬ ИНТЕРФЕЙСОВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПОРТОВ IBM И ОЭВМ
Требования к входам последовательных коммуникационных портов
IBM-совместимых компьютеров (напряжение сигналов 12 Вольт при силе
тока 10 мА) не совпадают с аналогичными, предъявляемыми к ОЭВМ
КР1816ВЕ51 (5 Вольт/3,2 мА). Кроме того, протокол генерации пос-
ледовательных сигналов у ОЭВМ инвертирован по отношению к аналогич-
ной у IBM-совместимого компьютера. В связи с этим, нами был разра-
ботан согласователь интерфейсов последовательных портов IBM и ОЭВМ,
принципиальная схема которого представлена на рис. 16.
Сигнал с выхода последовательного (COM) порта IBM-совмести-
мого компьютера (12 Вольт) делителем напряжения, выполненным на ре-
зисторах R1 и R2, снижается до потенциала, меньшего исходного в
2,2 раза (5,4 Вольта), поступает на базу транзистора VT1 и отпирает
его переход колектор-эмитер. При этом на входе P3.0 ОЭВМ КР1816ВЕ51
появляется сигнал нулевого потенциала и, наоборот, при запирании
транзистора VT1 сигналом нулевого потенциала с выхода COM-порта
IBM-совместимого компьютера, подпираемого появлением проводимости
тока через диод VD1, переход эмитер-колектор запирается и на вхо-
де P3.0 ОЭВМ появляется сигнал напряжением 5 В и силы тока, нор-
мированной резистором R3.
Выходной сигнал с P3.1, поступающий в базу транзистора VT2, отпирает (нулевой потенциал) или запирает (потенциал 5 Вольт) его переход колектор-эмитер, при этом через резисторы R6 и R8 на вход последовательного порта IBM-совместимого компьютера поступаеи сиг- нал 12 Вольт/10 мА или нулевого потенциала, соответственно.
Инвертирование сигналов осуществлено подбором соответствую- щего типа транзисторов: VT1 (n-p-n), VT2 (p-n-p).
МАКЕТИРОВАНИЕ И НАСТРОЙКА БЛОКОВ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВЕСОВ
Макетирование производилось нами для достижения следующих целей:
1) контроля работоспособности, замствованных нами из раз- личных источников схем, так как из-за опечаток, а иногда, из-за элементарной недобросовестности авторов разработокок, выдающих желаемое за действительное, можно наткнуться на невозможность их практического воплощения, так например, в работе [12] отсутству- ет маркировка двух выводов микросхемы термопреобразователя;
2) контроля входных/выходных параметров параметров элек- тронных блоков и при необходимости их подстройки;
3) для исследования параметрической (температура, потребля- емый ток, напряжения, частоты и другие) стабильности работы прин- ципиальных электрических схем;
4) проверки исправности всех компонентов электрических принципиальных схем, так как, по известным причинам, в существен- ной степени использованные нами радиоэлектронные компоненты бы- ли выпаяны из физически или морально устаревшей бытовой и аппа- ратуры иного назначения.
Макетирование производилось нами на макетной плоскости, представляющей собой лист стеклотекстолита с укрепленными на нем панельками (сокетами) под микросхемы различных размеров, каждый вывод которых был соединен с вертикально закрепленным на листе штырем, а к одному из торцов листа привинчена при помощи уголка совокупность тумблеров для имитации дискретных сигналов.
Схема собиралась посредством соединения гибкими проводами электронных компонентов вставляемых в сокеты или на "весу" мето- дом пайки. Контроль параметров собранных схем производили с ис- пользованием цифрового комбинированного прибора В7-40, осцилог- рафа С1-93 и частотомера Ч3-64.
Процесс настройки включал замену частотозадающих, токо- задающих и других компонентов электрических принципиальных схем, с целью достижения требуемого для нашего изделия режима их ра- боты, которые иногда приводили к существенному изменению базовой принципиальной электрической схемы. О большинстве сделанных изме- нений и доработок мы упоминали в предыдуших разделах, но ограни- чивались приведением лишь принципиальных электрических схем в их окончательном виде. Поясним последствия таких изменений на приме- ре блока индикации и управления.
В процессе макетирования блока индикации (рис. 15) мы стол-
кнулись с проблемой недостаточно яркого и контрастного свечения
семисегментных матриц АЛС324А, проявившемся в плохой видимости
отображаемых на табло цифр в хорощо освещенном помещении и в не-
одинаковости как интенсивности их свечения, так цвета (от бледно
зеленого до насыщенно зеленого). Поэтому мы заменили семь семисег-
ментных матриц АЛС324А на два четырехразрядных цифровых индика-
тора CA56-21GWA импортного производства (фирма Kingbright), каж-
дая из которых включает в себя 4 семисегментные матрицы с разде-
лительным двоеточием между парами цифр, так как она ориентирована
на индикацию показаний времени (минуты : секунды). К сожалению, в
отделе "Радиотовары", в котором мы их приобрели, не было информа-
ции не только о ее параметрах, но и о цоколевке. Имеется советский
аналог этого индикатора -АЛ329 (А, Б, Ж или И) [16], в соста-
ве которого отсутствует двоеточие. Однако, советский аналог имел
14 выводов, а импортный 12 и мы определили цоколевку GA56-21GWA
методом подбора, подавая поочередно питание в 5 В, через резистр
600 Ом для защиты чипа от токовой перегрузки, на различные пары
выводов и отслеживая загорание ее сегментов. Определенная нами
цоколевка представлена на рис. 17.
Кроме достижения высокой четкости, контрастности, яркости и однородности свечения цифр, мы получили дополнительную возможность обозначения выполняемой в данный момент ОЭВМ КР1816ВЕ51 команды пользователя, так как микросхема позволяет отображать верхнюю и нижнюю точку двоеточия отдельно. Таким образом каждая из точек бу- дет соответствовать одному из возможных режимов работы аналитических весов: взвешивание тары "ТАРА", опрос внутренней температуры анали- тических весов "t°C", однократное взвешивание "ОДНОКРАТНО" и много- кратное взвешивание с усреднением результата "МНОГОКРАТНО".
Однако, вследствие особенности подключения этих индикаторов
(с общим катодом), принципиальная электрическая схема блока инди-
кации (рис. 17) изменилась, как впрочем, и протокол программного
вывода отображаемых на табло цифр. Такие изменения обусловлены изме-
нением полярности подключения: у АЛС324А - общий анод, а у
CA56-21GWA - катод. Микросхема К564ИК2 не подходит для непосред-
ственного обслуживания вывода на индикаторы CA56-21GWA, предпочти-
тельнее была бы микросхема К514, К531, К555 (ИД2, ИД18 - дешифратор
4-разрядного двоичного кода в сигналы семисегментного кода с общим
катодом [16]) или их импортные аналоги. Мы смогли найти только
микросхему КР514ИД2, недостатком которой является невозможность де-
шифрирования шести букв (A, B, C, D, E и F) гексодецимального ис-
числения, при помощи которых можно было бы выдавать на табло пояс-
няющие надписи, например, "BEC".
Усовершенствованная принципиальная электрическая схема блока
индикации представлена на рис. 17. В этой схеме двоичный код цифры,
поступающий с выводов P2.0 ... P2.3 ОЭВМ КР1816ВЕ51, дешифрируется
в сигналы семисегментного индикатора микросхемой D1, которые через
токоограничивающие резисторы R2 ... R8 поступают на соответствующие
входы многозначных семисегментных сборок D2 и D3. Выбор разряда сбо-
рок D1 и D2, на которую будет выдана цифра, производится с выводов
P1.1 ... P1.7 ОЭВМ. Представленная на рис. 17 схема дополнена дву-
мя сигналами управления индикацией выполняемой в данный момент опе-
рации. Так например для отображения верхней точки индикатора D2 не-
обходимо активизировать с выводов ОЭВМ состояния сигнала P1.3 и
сигнала PC7 параллельного перефирийного адаптера КР580ВВ55А, а для
индикации нижней точки - P1.4 и PC7, соответственно.
Для того, чтобы обеспечить ровное свечение всех отображаемых на индикаторе семи цифр и четырех режимов, с точки зрения устрой- ства глаза человека, необходимо каждую из них выдать на табло не менее 24-х раз в секунду (то есть с частотой f = 24 Гц) . Тогда вре- мя между двумя отображениями должно определяться по формуле
T
-T = _____ , f
где: T - отрезок времени, равный секунде.
Тогда искомая величина времени составит
1000000 мкС
-T = _____________ = 44,7 мС/Гц .
24 Гц
Поскольку на каждое переключение реле в процессе взвешивания нам необходимо затратить 10 миллисекунд, то целесообразно програм- мно организовать прерывания таймера T/C0 ОЭВМ КР1816ВЕ51 именно с этой периодичностью, совместив процесс взвешивания и управления подбором цифрового значения веса в подпрограмме обработки этого аппаратного прерывания. Причем, в этой подпрограмме нужно будет выдать значения двух цифр, например сразу после вхождения в под- программу включить отображение одной цифры, выполнить включение реле в нужной комбинации, обработать приращение таймера, включив или выключив светодиод "Работа", затем выключить свечение первой и выдать на индикатор вторую, завершив аппаратное прерывание.
При таком подходе нечетные цифры будут светиться время, рав- ное времени обработки аппаратного прерывания таймера T/C0, а чет- ные 10 миллисекунд с интервалом повторного зажжения через время не превышающее вычисленного значения -T.
Завершив макетную отладку отдельных блоков аналитических весов и убедившись в долговременной и надежной их работе мы присту- пили к сборке их в единое изделие.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЕЧАТНЫХ МОНТАЖНЫХ СХЕМ
Современный способ сборки электрических принципиальных схем - изготовление фиксированной основы схемы в виде совокупности провод- ников, соединяющих выводы ее радиокомпонентов, прочно связанных с основанием, на которое они и прикрепляются методом пайки [17]. Эта технология называется печатным монтажом. В качестве основы печатной монтажной схемы используют листы гетинакса или стеклотекстолита с одно- или двухсторонним покрытием медной фольгой, выпускаемых про- мышленностью.
Проводники ("дорожки") располагают на одной или с обеих сто- ронах печатной платы с таким расчетом, чтобы они соединяли нужные компоненты электрической принципиальной схемы по кратчайшим рассто- яниям. Количество и размеры компонентов принципиальной электричес- кой схемы определяют необходимый размер печатной монтажной платы.
Организационно, мы решили разделить принципиальную электри-
ческую схему, подлежащую переносу на печатную монтажную плоскость,
на три модуля: на модуль управления и индикации с его расположени-
ем в передней торцевой части весов, на модуль управления с установ-
кой его в заднем, хорошо проветриваемом отсеке, и устройство взве-
шивания с блоком питания - в нижней части изделия, для придания ана-
литическим весам устойчивости. Поэтому мы должны были изготовить две
печатные монтажные плоскости, предусмотрев соединение их между со-
бой и с блоком питания при помощи гибких многопроводных жгутов, а
для удобства настройки и ремонта - соединение жгутов с платами при
помощи разьемов( МРН14-1 для соединения процессорного модуля с
блоком питания и перефирийным оборудованием: устройством взвешива-
ния и датчиком подъема веса; МРН32-1 для сопряжения процессорного
модуля с модулем управления и получения питающего напряжения в 5
Вольт). Такая конструкция позволит без хлопот произвести отсоеди-
нение любого модуля для настройки или ремонта.
Процесс вычерчивания печатных монтажных плат очень сложный, поэтому мы возложили его на имеющуюся у нас программу ORCAD для компьютера IBM. Введя наименования всех использованных нами ком- понентов принципиальной электрической схемы, дополнив библиотеку описанием отсутствующих в ее составе компонентов (CA56-21GWA), объ- явив, по определенной методике, соединения их друг с другом и дек- ларировав требуемый размер печатной монтажной платы мы получили ее изображение на принтере в масштабе 1:1. Правда, мы не останав- ливаемся на том, что были предприняты значительные усилия для сни- жения числа дорожек, переходящих с одной стороны печатной платы на другую, так как только в условиях специализированного производ- ства возможно коммутирование таких переходов методом металлиза- ции [17], а нам пришлось бы делать их методом пайки.
Наша школа не располагает графопостроителем планшетного типа и нам не удалось найти его ни в одной из организаций города для того, чтобы автоматизировать процес рисования печатной платы. Эта работа была выполнена нами вручную в следующей последовательности:
1) к двусторонне фольгированному листу гетинакса мы скотчем прикрепили распечатку монтажной платы, полученную на принтере, и дрелью просверлили отверстия в местах крепления электронных ком- понентов или перехода дорожек с одной стороны платы на другую;
2) диаметр отверстий выбирался с таким расчетом, чтобы в них без дополнительных усилий можно было бы вставить выводы соответст- вующих радиодеталей принципиальной электрической схемы;
3) наждачной бумагой с мелкой зернистостью зачистили обе стороны фольги платы от окисных пленок и заусенцев со стороны вы- ходе сверла из нее;
4) нитрокраской, используя рейсфедер и линейку, нанесли дорожки печатной платы, ориентируясь по просверленным заранее отверстиям и устраняя ошибки растворителем или зачисткой при по- мощи лезвия для безопасного бритья;
5) просушили плату и обезжирили обе ее поверхности при по- мощи обыкновенного ластика;
6) удалили всю фольгу с поверхности гетинакса, не защищен- ную нитрокраской, поместив плату в раствор хлорного железа ("про- травили" [17]);
7) проверили качество травления, расделяя, при необходимос- ти, ложные близкорасположенные и плохо протравленные цепи при помо- щи хирургического скальпеля или острой заточки;
8) удалили защитную краску с поверхностей платы растворите- лем и зачистили полученные дорожки наждачной бумагой;
9) облудили дорожки хорошо разогретым паяльником, предвари- тельно обезжирив их паяльной кислотой, для защиты от коррозии и облегчения процесса пайки к ним компонентов электрической схемы.
После этого, мы собирали схему по отдельным блокам на печат-
ной монтажной плоскости, соединяя выводы ее электронных компонен-
тов с дорожками платы методом пайки, настраивая или устраняя до-
пущенные в процессе изготовления платы ошибки (ложные цепи между
близко расположенными дорожками, восстановление пропущенных в про-
цессе рисовки дорожек при помощи проложения их тонкими гибкими про-
водниками и так далее). Пайку производили оловом с использованием
канифоли для снятия окисных пленок с выводов электронных компонен-
тов и мест пайки печатной монтажной схемы электропаяльником ЭПСН-
25. Для сборки монтажной печатной схемы использовали только эле-
менты, проверенные в процессе макетирования. После завершения про-
цесса сборки обе плоскости печатной монтажной платы были очищены
от остатков канифоли этиловым спиртом, чтобы избежать прохождения
токов по "ложным цепям" через брызги олова в накипях канифоли.
КОНСТРУКЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЕСОВ
Детали корпуса электронных химических весов были выпилены
нами из гетинакса пятимиллиметровой толщины и соединены в Г-обра з-
ную конструкцию при помощи уголка и болтов с гайками. Печатные мон-
тажные платы крепились через специальные отверстия по их углам к
стенкам корпуса при помощи болтов в отврстия с резьбой, нарезанной
леркой. Корпус был изготовлен с таким расчетом, чтобы передняя и
задняя его стенки вместе с основанием служили для крепления всех
модулей изделия, а верхняя, съемная, часть имела только декоратив-
ное значение, что способствовало простому доступу для настройки и
ремонта. В передней торцевой стенке были высверлены отверсти под
4 кнопки управления и светодиод "РАБОТА", попутно играющий роль
десятичной точки табло взвешивания и два прямоугольных отверстия
под многоразрядный индикаторы CA56-21GWA, проделанных с использо-
ванием лобзика. В задней стенке было вырезано отверстие для сете-
вого провода и фасонное отверстие для размещения разъема устрой-
ства сопряжения аналитических весов с IBM-совместимым компьюте-
ром. В верхней съемной части корпуса, непосредственно над устрой-
ством взвешивания, также лобзиком было вырезано отверстие для ус-
тановки навесок на площадку устройства взвешивания.
Для обеспечения свободной конвенкции воздуха и охлаждения тепловыделяющих компонентов изделия в основании и в верхней час- ти корпуса были просверлены отверстия диаметром 5 мм, а по углам основания - 4 отверстия с резьбой под ножки.
Весы аналитического класса точности очень чувствительны, да- же к колебаниям воздуха, поэтому пространство над отверстием пло- щадки устройства взвешивания было изолировано от окружающей сре- ды колпаком, изготовленным из оргстекла и прикрепленным к верх- ней части корпуса болтовыми соединениями. Защитный колпак был обо- рудован дверкой для установки и изъятия взвешиваемых образцов.
АЛГОРИТМ РАБОТЫ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВЕСОВ
Программа для ОЭВМ КР1816ВЕ51 была написана на языке ассем- блер учеником нашей школы Ивановым И.И. и была выделена в самостоя- ??? тельную работу, представленную на секцию информатики. В настоящей работе мы остановимся лишь на обобщенном описании алгоритма работы программы.
После включения питания программа выполняет тестирование сос- тояния ОЭВМ, включающего контроль сохранности кодов программы во внутренней памяти микросхемы КР1816ВЕ51, проверку исправности двух встроенных таймеров, портов ввода/вывода и арифметико-логического устройства. Затем выполняется контроль исправности перефирийных ап- паратных устройств, подключенных к ОЭВМ: преобразователя температу- ра-частота, цифроаналогового преобразователя, датчика подьема веса и табло аналитических весов.
Если в процессе самотестирования обнаружена неисправность, то на табло после символа ">" выдается код ошибки, список которых при- веден в табл. 3.
Таблица 3
Коды возможных неисправностей работы электронных аналитических весов, идентифицируемых программно
Код неис- Описание причины Действия пользователя правности неисправности
01...21 Неисправна цепь раз- Проверить исправность клю- ряда, номер которого чевого транзистора КТ361 и соответствует коду реле РЭС-10 данного разря- ошибки да цифроаналогового преоб- разователя
22 Не сохранились коды Восстановить коды програм- программы в микро- мы повторной записью их в схеме КР1816ВЕ51 чип
23 Неисправность микро- Заменить микросхему схемы ОЭВМ
24 Неисправность микро- " - " схемы последователь- ного периферийного адаптера КР580ВВ55А
25 Неисправность темпе- Осцилографом, в контроль- ратурного преобразо- ных точках принципиальной вателя электрической схемы, про- точках прове- верить исправность тран- ность транзис- зисторов КТ972 и КТ973, диода КД407А, микросхемы
К176ЛП1 и транзистора со- гласования напряжений
КТ315
26 Неисправность датчи- Осцилографом установить ка подьема веса неисправность излучателя или приемника и устранить ее путем замены вышедшего из "строя" диода или тра- нзистора
27 Температура внутри Температура в месте взве- аналитических весов шивания не позволит про- ниже допустимой, то изводить измерения с тре- есть меньше 5°С буемой точностью
28 Температура внутри Выключить весы и продол- аналитических весов жить измерения после их выше допустимой, то остывания есть больше 65°С
Тестирование табло аналитических весов сводится к последо- вательному выводу во все его разряды цифр 0, 1, 2, ... ,9 и, если в процессе отображения пользователем обнаружено отсутствие свече- ния разряда, одного или нескольких сегментов, то неисправность сле- дует устранить руководствуясь принципиальной электрической схемой.
Факт успешного завершения самотестирования отображается га- шением табло и пульсирующим с частотой в 1 Гц свечением диода "Ра- бота" блока индикации и управления.
ОЭВМ непрерывно определяет температуру и опрашивает состоя-
ние кнопок блока управления. Как только пользователем нажата одна
из четырех кнопок блока управления, программа приступает к выпол-
нению выбранной пользователем функции. Формально, три кнопки бло-
ка управления ("ТАРА", "ОДНОКРАТНО" и "МНОГОКРАТНО") выполняют
однотипную процедуру уравновешивания веса, приложенного к площад-
ке весов, посредством подбора, соответствующего цифрового значе-
ния. Однако, режим "ТАРА" завершается выводом на табло цифры нуль
во все его разряды и запоминанием в памяти КР1816ВЕ51 величины,
которая при взвешивании будет вычитаться из полученного значения.
Результат однократного взвешивания будет не свободен от небольших
по значению случайных погрешностей, связанных с воздействием как
внутренних (например, определения температуры), так и внешних (на-
жатие кнопки при незапертой дверце) факторов. В режиме "МНОГОКРАТ-
НО", взвешивание выполняется непрерывно с нахождением и индикацией
среднего значения из десяти последних измерений. Режимы "ТАРА"
и "МНОГОКРАТНО" отменяются повторным нажатием этих кнопок, а
"ОДНОКРАТНО" - нажатием любой из оставшихся трех клавиш.
В избранности или отмене установленного ранее режима мож- но убедиться по свечению/погашенности точек табло, положение ко- торых на табло соответствует положению кнопок блока управления.
Подбор цифрового кода, соответствующего равновесному сос-
тоянию "вес-электрический ток", производится увеличением значе-
ния старшего разряда до тех пор, пока не будет обнаружен подъем
площадки взвешивания, затем разряд уменьшается и фиксируется
как предельный и упомянутые действия повторяются. Если вначале
или при очередном приближении разряд достиг предельного, а пло-
щадка не поднялась, то значение предельного разряда уменьшается
с оставлением старшего разряда во включенном состоянии и проце-
дура подбора повторяется. Вес считается измеренным, если измене-
ние цифрового кода на величину младшего разряда сопровождается
"взятием веса".
Алгоритм поразрядного подбора позволяет достичь искомого результата в 2...1000 раз быстрее, чем путем последовательного подбора значения, и зависит от величины измеряемого веса. При любом весе, не превышающем 200 грамм, однократное взвешивание занимает не более трех секунд. При многократном взвешивании, все следующие за первым измерения производятся методом коррекции предыдущего измерения и осуществляются со скоростью 10 измере- ний в секунду. В процессе включения и выключения разрядных то- ковых цепей цифроаналогового преобразователя ведется протокол прироста/спада температуры резисторов делителя напряжения каж- дого разряда и при "взятии веса" выполняется процессорное вычис- ление величины, вызвавшего равновесие электрического тока (I), с учетом температур резисторов каждого включенного в результат раз- ряда
21
I = c Ё Ki•t°C i=0
и пересчет полученного значения по тарировочной формуле
P = a0 + a1*I + a2*I¤ ,
которая была получена учащимся нашей школы Ивановым И.И., ??? с использованием математического аппарата апроксимации результа- тов способом наименьших квадратов [18], на основе исследования изменения сопротивления резисторов в зависимости от их темпера- туры и тарирования изготовленных нами аналитических весов навес- ками, значения которых были измерены на поверенных механических весах аналитического класса точности. Мы не останавливаемся под- робно на результатах этих исследований, так как они будут докла- дываться на секции математики.
После получения результирующего значения веса, программа преобразует двоичное число в десятичное и выдает на табло весов.
Четвертая функция весов "t°C" оставлена нами на случай пере-
тарировки весов после ремонта температурного преобразователя. При
выборе этой функции на табло непрерывно выдается температура с
датчика веса, который может быть отсоединен от печатной платы и
благодаря соединению с ней при помощи витой пары проводов, длиной
1,5 м, вынесен из изделия и подвергнут перетарировке, по описанной
выше методике, но без использования частотомера, роль которого
возлагается на ОЭВМ.
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
1. работа об аналитических весах....
2. Бычков М.Г., Азаров Б.Я. Унифицированное блочное микропро-
цессорное устройство на базе микропроцессора К1801ВМ1. - М.: МЭИ,
1988. 80 с.
3. Щелкунов Н.Н., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и системы. - М.: Радио и связь. 1989. 288 с.
4. Басманов А.С., Широков Ю.Ф. Микропроцессоры и однокристаль-
ные микро-ЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности. - М.:
Энергоатомиздат, 1988. 128 с.
5. Устройство печати знакосинтезирующее малогабаритное СМП
6327: Руководство по эксплуатации - Уфа: Завод пишущих машин, 1987.
44 с.
6. Телевизоры "Электрон". Справочник под ред. А.А. Смердова.-
М.: Радио и связь, 1990. 279 с.
7. Блок дисководов КИСЦ 467234.004-01: Руководство по эксплу- атации. - Л.: СПКТБ ПО ЛЭТЛ, 1988. 17 с.
8. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналогоцифро- вым преобразователям: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1982. 552 с.
9. Maxim. New realeases data book. - London: Maxim GmbH,
1996. 962 p.
10. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник.-
М.: Радио и связь, 1987. 352 с.
11. Справочник по интегральным микросхемам /Тарабрин Б.В.,
Якубовский С.В., Барканов Н.А. и др./.- М.: Энергия, 1980. 816 с.
12. Граф Р. Электронные схемы. 1300 примеров: Пер. с англ.-
М.: Мир, 1989. 688 с.
13. Ступельман В.Ш., Филаретов Г.А. Полупроводниковые прибо- ры.- М:. Советское радио, 1973. 248 с.
14. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности.
Справочник. /Зайцев А.А., Миркин А.И., Мокряков В.В. и др./.-
М.: Радио и связь, 1989. 384 с.
15. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник. /Зайцев А.А., Миркин А.И., Мокряков В.В. и др./.- М.: Радио и связь, 1989. 640 с.
16. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Справочник.
/Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин А.М./.- М.: Энергоатомиздат,
1988. 448 с.
17. Зюдин А.Ф. Монтаж, настройка, эксплуатация и ремонт из- делий на полупроводниковых элементах. М.: Энергоиздат, 1974. 360 с.
18. Мазмишвилли А.И. Теория ошибок и способ наименьших квад- ратов.- М.: Недра, 1978. 311 с.