Аналитические весы
Другие рефераты
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 провод
| |  скачать работу |
Другие рефераты
|
