Аналитические весы 
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-
Страницы: 1, 2, 3, 4
|
