Выбор и обоснование элементной базы

ВВЕДЕНИЕ

Курсовой проект – это очень важный вид учебной и научно-

исследовательской работы. Основной целью выполнения курсового проекта является освоение технологии проектных работ, выбор и обоснование технических решений, развитие навыков самостоятельной работы, а также закрепление и расширение знаний, полученных на лекциях, лабораторных и практических занятиях по принципам построения микропроцессорных устройств.

Микроконтроллерные технологии очень эффективны. Одно и то же устройство, которое раньше собиралось на традиционных элементах, будучи собрано с применением микроконтроллеров становится проще, не требует регулировки и меньше по размерам. Кроме того, с применением микроконтроллеров появляются практически безграничные возможности по добавлению новых потребительских функций и возможностей к уже существующим устройствам.

Целью данного курсового проекта является проектирование устройства для контроля и учета газа на микроконтроллерах. Система контроля и учета расхода газа на газопроводе относится к системам контроля, управления, сигнализации и наблюдения за расходом газа на газопроводе и может быть использовано для жилищно-коммунального хозяйства.

Система контроля и учета расхода газа на газопроводе содержит размещенный на ответвлении от последнего управляемый отсечной клапан и объемный диафрагменный счетчик газа со встроенным мерным механизмом и подключенным к нему через вращающийся вал с диском на конце отсчетным устройством расхода газа, включающим импульсную линию от телеметрического датчика. Система дополнительно содержит местный канал связи для передачи информации в прямом и обратном направлениях, устройства передачи информации на расстояние в прямом и обратном направлениях, удаленный канал связи и удаленного потребителя информации с функцией контроля и управления, при этом местный канал связи сообщает отсчетное устройство расхода газа с устройствами передачи информации на расстояние в прямом и обратном направлениях, а последние сообщены удаленным каналом связи с удаленным потребителем информации, обладающим функцией контроля и управления отсечным клапаном.

Задачи данного курсового проекта можно сформулировать таким образом:

- выбрать элементную базу (микроконтроллер, датчики и другие необходимые устройства), удовлетворяющие требованиям быстродействия и функциональным возможностям реализации принципа работы устройства учета расхода газа с учетом простоты и меньших затрат;

программу для реализации устройства учета расхода газа на микроконтроллерах;

- в выбранной инструментальной среде(AVR Studio, MPLAB IDE и т. д) осуществить отладку программы.

Анализ задачи

Системы для контроля учета расхода газа (далее по тексту - система) предназначены для измерения объема неагрессивного, сухого газа (далее – газ), приведенного к стандартным условиям по ГОСТ 2939 путем измерения объема газа при рабочих условиях счетчиками газа турбинными (TRZ, TRZ2, СГ) или ротационными (RABO, RVG) и автоматической электронной коррекции по измеренным значениям температуры, давления газа, вычисленного по ГОСТ 30319 или подстановочному значению коэффициента сжимаемости газа.

Комплексы могут применяться для измерения объема природного газа по ГОСТ 5542 и других неагрессивных, сухих и очищенных газов (воздух, азот, аргон и т.п. за исключением кислорода в напорных трубопроводах газораспределительных пунктов и станций (ГРП, ГРС), теплоэнергетических установок и других технологических объектов.

Устройство относится к системам контроля, управления, сигнализации и наблюдения за расходом газа на газопроводах для жилищно-коммунального хозяйства.

Известны различные устройства учета газа на газопроводах для жилищно-коммунального хозяйства. Так, например, известен счетчик газа для бытовых нужд, содержащий корпус, механизм отсчета мерных объемов газа, связанный с отсчетным механизмом, включающим табло [SU 1661579 G01F 1/00, 1988]. Информацию о расходе газа по этому прибору можно получить только на месте установки счетчика, непосредственно контролируя табло его отсчетного механизма. В последнее время стал применяться в жилищно-коммунальном хозяйстве счетчик газа объемный диафрагменный типа NPMT [Счетчик газа объемный диафрагменный. Паспорт. Завод газового оборудования «Газдевайс». ГЮНК 407260.004 ПС]. Этот счетчик предназначен для учета газообразного топлива - сжиженного газа, нефтяного газа, крекинг-газа и природного газа. Особенностью счетчика является то, что он имеет в отсчетном устройстве телеметрический датчик (геркон) для вывода информации в виде импульсов, каждый из которых соответствует определенному объему газа, пропущенному через счетчик (например, 0,01 м3/имп.). В случае применения его в условиях взрывоопасных зон помещений и наружных установок к разъему телеметрического датчика счетчика типа NPMT допускается применение электрооборудования с выходной искробезопасной электрической цепью, сертифицированного для взрывоопасной газовой смеси категории НА.
Устройства учета расхода газа можно классифицировать следующим образом:

- по назначению: домовые и промышленные;

- по числу выходов: с одним и двумя выходами;

- по технологическим схемам:

- с одной линией редуцирования;

- с основной и резервной линиями редуцирования;

- с двумя линиями редуцирования, настроенными на разное выходное давление, и двумя резервными линиями;

- с четырьмя линиями редуцирования (две основные, две резервные), с параллельным редуцированием, с одним или двумя выходами.

Устройство учета расхода газа выполняет следующие функции:

- Вычисление приведенного к стандартным условиям объема газа;

- Отображение на дисплее корректора информации о текущих значениях измеряемых и рассчитываемых параметров (объем, давление, температура и т.д), данных архивов и журналов – суточного потребления и максимальных расходов текущего и прошедшего месяца с указанием времени и даты и т.д.;

- Возможность интеграции в систему с дистанционной передачей данных с помощью интерфейса постоянного подключения RS232 (RS485) или оптического интерфейса

- Дистанционная передача данных архива и технологических данных с помощью программного обеспечения;

- Периодический вывод данных на принтер, оснащенный последовательным портом;

- Представление отчетов о нештатных ситуациях, авариях, несанкционированных вмешательствах;

- Архивирование основных измеряемых и вычисляемых параметров;

- Почасовая запись данных в архив за 9 месяцев;

- Ввод и изменение исходных условий и данных (процедура настройки);

- При использовании модуля функционального расширения МР260 возможно постоянное подключение различных по типу устройств (принтер, модем, ПК и пр.) для передачи или вывода на печать интервального архива (принтер), дистанционного управления корректором (модем, ПК).

- Возможность работы по подставному значению расхода.

- Контроль температуры окружающей среды (опционально);

- Контроль перепада давления на счетчике газа (опционально, не требует внешнего питания, дооснащение в процессе эксплуатации);

- Использование дополнительных высокочастотных (A1R, A1K) и среднечастотных (R300) датчиков импульсов для контроля расхода газа (опционально, дооснащение датчиком R300 в процессе эксплуатации);

- Возможность считывания данных по оптическому интерфейсу с использованием кабеля адаптера КА/О-USB;

- Удобный 4-строчный дисплей.

Устройство учёта потребления газа выполняют непрерывное измерение расхода природного газа по узлам учёта осуществляют непрерывный сбор аналоговой и цифровой информации с ПИП с периодом не более 5 с, накопление, обработку и передачу этих данных осуществляют сбор информации и итоговую обработку этой информации. Обеспечивается возможность:

- ввода данных, характеризующих расходомерный узел, с фиксацией даты и времени (режим программирования вычислителя);

- ввода параметров, характеризующих выходные сигналы первичных преобразователей и назначение каналов АЦП;

- изменения параметров, характеризующих состав природного газа и атмосферное давление (при использовании преобразователя избыточного давления);

- отображения всех преобразованных сигналов преобразователей и вычисленный расход, а также промежуточных значений величин, характеризующих расход;

- считывания всех архивов и сохранения их в виде файлов на жёстком диске персонального компьютера в папке с наименованием предприятия.

- работы с несколькими вычислителями;

- конфигурирования (запись постоянных характеристик) вычислителя

- чтения и отображения в виде таблиц потребления энергоносителя за указанный месяц (сутки);

- вывода данных на печать;

- архивирования данных на НЖМД персонального компьютера;

1. 1.2. Предварительное проектирование микропроцессорной системы.

Проектирование микропроцессорной системы начинается с анализа и уточнения технического задания на разработку микропроцессорной системы. В процессе разработки микропроцессорной системы происходит переход от одного уровня представления к другому более детальному.

Этапы и задачи проектирования микропроцессорной системы:

При проектировании многопроцессорных микропроцессорных систем, содержащих несколько типов микропроцессорных наборов, необходимо решать вопросы организации памяти, взаимодействия с процессорами, организации обмена между устройствами системы и внешней средой, согласования функционирования устройств, имеющих различную скорость работы, и т. д. Ниже приведена примерная последовательность этапов, типичных для создания микропроцессорной системы:

- Формализация требований к системе.

- Разработка структуры и архитектуры системы.

- Разработка и изготовление аппаратных средств и программного обеспечения системы.

Комплексная отладка и приемосдаточные испытания.

Этап 1. На этом этапе составляются внешние спецификации, перечисляются функции системы, формализуется техническое задание (ТЗ) на систему, формально излагаются замыслы разработчика в официальной документации.

Этап 2. На данном этапе определяются функции отдельных устройств и программных средств, выбираются микропроцессорные наборы, на базе которых будет реализована система, определяются взаимодействие между аппаратными и программными средствами, временные характеристики отдельных устройств и программ.

Этап 3. После определения функций, реализуемых аппаратурой, и функций, реализуемых программами, схемотехники и программисты одновременно приступают к разработке и изготовлению соответственно опытного образца и программных средств. Разработка и изготовление аппаратуры состоят из разработки структурных и принципиальных схем, изготовления прототипа, автономной отладки.

Разработка программ состоит из разработки алгоритмов; написания текста исходных программ; трансляции исходных программ в объектные программы; автономной отладки.

Этап 4. На каждом этапе проектирования МПС людьми могут быть внесены неисправности и приняты неверные проектные решения. Кроме того, в аппаратуре могут возникнуть дефекты.

Устройство учета расхода газа состоит из:

- микроконтроллера;

- дисплея;

- датчиков расхода,температуры и давления проходящего газа.

- Элемента питания(батареи)

- LCD дисплея

Датчик давления – первичный преобразователь давления в электрическое напряжение

Датчик расхода – считывает количество проходящего газа

Датчик температуры – первичный преобразователь температуры в электрическое напряжение

LCD дисплей – элемент, отображающий значение веса в виде десятичных цифр

Микроконтроллер – элемент, управляющий устройство учета расхода газа, т.е. опрашивающий датчик с некоторой периодичностью и преобразующий его аналоговый электрический сигнал в цифровой, а также выводящий это значение на индикатор.

- Батарея питания – элемент, питающий устройство учета расхода газа.

Принцип действия:

Датчики собирают информацию о расходе газа,его температуре и давления.Вся информация обрабатывается микроконтроллером и после преобразования в десятичные числа передается на LCD дисплей в форме удобной для отслеживания абонентом.

Выбор и обоснование элементной базы

Конструктивно дисплей состоит из следующих элементов:

- ЖК-матрицы (первоначально — плоский пакет стеклянных пластин, между слоями которого и располагаются жидкие кристаллы; в 2000-е годы начали применяться гибкие материалы на основеполимеров);

- источников света для подсветки;

- контактного жгута (проводов);

- корпуса, чаще пластикового, с металлической рамкой для придания жёсткости.

- Состав пикселя ЖК-матрицы:

- два прозрачных электрода;

- слой молекул, расположенный между электродами;

- два поляризационных фильтра, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны.

Если бы жидких кристаллов между фильтрами не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокировался бы вторым фильтром.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.

Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.

Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения, это также стабилизирует свойства полученного изображения.

Таким образом, полноценный монитор с ЖК-дисплеем состоит из высокоточной электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса с элементами управления. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

Датчики расхода газа – устройства, при помощи которых определяют объём газа, пройденного сквозь отверстие неэлектрофицированных объектов за единицу времени.

ДРГ выполняют следующие функции:

- измеряют текущий объёмный расход в рабочих условиях;

- вычисляют и хранят информацию среднечасовых значений по расходу газа;

- отображают мгновенные параметры газового потока на цифровом индикаторе;

- сохраняют данные во время отключения питания;

- передают информацию на управляющие устройства при помощи стандартных протоколов и технологии RS-485, импульсными электрическими или токовыми сигналами

Датчики давления – устройства, которые изменяют свои физические параметры при изменении давления газа При этом давление газа преобразуется в унифицированные пневматические и электрические сигналы или определённую последовательность цифрового кода.

В состав ДД входит первичный преобразователь (чувствительным элементом которого выступает приёмник давления), схема обработки сигналов, герметичное соединение датчика с объектами, система защиты от воздействий внешних факторов, устройство отображения полученных информационных сигналов