1 Обзор литературы, методов, схемных решений

2 Выбор и обоснование структурной схемы

Структурная схема устройства представлена на рисунке 1.2

Усилитель разности напряжений

АЦП

CPU

Схема ДИ

Рисунок 1.2 – структурная схема устройства

В состав устройства входят:

1) Усилитель разности напряжений – увеличивает разность напряжений для дальнейшей подачи сигнала на АЦП

2) АЦП – преобразует аналоговое значение разности напряжений в цифровое значение

3) CPU – управляет работой АЦП, считает количество А∙ч, управляет ДИ

4) Схема ДИ – предназначена для вывода количества А∙ч

3 Описание принципа действия устройства по структурной схеме

Когда заводим автомобиль или при неисправном генераторе потребители питаются от аккумулятора, в других случаях питание происходит от генератора. Следовательно, разность напряжений на шунте может быть и положительная, и отрицательная. На вход усилителя подается разность напряжений, происходит усиление сигнала. АЦП каждые 10 мс получает значение разности напряжений, преобразует его для дальнейшей обработки CPU. CPU Выполняет следующие функции в данном устройстве:

1) анализируется знак (положительно или отрицательное) значение разности напряжений и берется по модулю

2) в течении 1 секунды складываются значения разности напряжений, вычисляется количество А∙ч и выводится с помощью ДИ

4 Временные диаграммы работы

Временные диаграммы работы АЦП приведены на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Временные диаграммы работы АЦП [10]

Временные диаграммы работы индикации приведены на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Временные диаграммы работы индикации [11]

5 Выбор, обоснование и расчет отдельных узлов

В устройстве для индикации были выбраны семисегментные индикаторы SC04-11

Параметры:

1. Максимальное прямое напряжение (при токе 20 мА) – 2,5 В

2. Максимальный прямой ток – 25-30 мА

3. Максимальное обратное напряжение – 5 В

4. Обратный ток (при напряжении 5 В) – 10мкА

5. Мощность рассеивания – 150мВт

6. Максимальный импульсный прямой ток – 140-160 мА

7. Диапазон рабочих температур – -40…+85 ^оС

Примем ток сегмента =10 мА. Но так как в данном устройстве при динамической индикации каждый знак светится только 1/2 периода, то средний ток сегмента будет в 2 раз меньше максимального. Для обеспечения нормального свечения необходимо увеличить ток через светодиоды в 6 раз. Получим, что=10*2=20 мА. Для индикации использован дешифратор КР514ИД1 с электрическими параметрами:

1. Напряжение питания - 5В±5%

2. Ток потребления - 50 мА

3) Входное напряжение "0" <0,4 В

4) Входное напряжение "1" >2,4 В

5) Входной ток "0" <1,6 мА

6) Входной ток "1" >0,07 мА

7) Выходной ток "0" (при 0,8V) 0,3 мА(max)

8) Выходной ток "1" (при 1,7V) 2,5..5,2 мА

Максимальный выходной ток на каждом выходе – 5,6 мА

Для управления очередностью индикации из справочной литературы был дешифратор К155ИД10 с электрическими параметрами:

1) Номинальное напряжение питания - 5 В 5 %

2) Выходное напряжение низкого уровня не более - 0,4 В

3) Входной ток низкого уровня не более -1,6 мА

4) Входной ток высокого уровня не более - 0,04 мА

5) Потребляемая статическая мощность не более - 367,5 мВт

6) Время задержки распространения - не более 50 нс

Выходной ток около 80мА. Ток на катоде семисегментных индикаторов равен

=10*7=70 мА.

АТ89С2051

8-разрядный КМОП микроконтроллер с Flash ПЗУ

1) Диапазон рабочих напряжений от 2,7 В до 6 В

2) 20-выводные корпуса PDIP и SOIC

3) Потребление в активном режиме на частоте 12 МГц не превышает 15 мА и 5,5 мА при напряжении питания 6 В и 3 В, соответственно

4) В стоповом режиме потребление не превышает 100 мкА и 20 мкА при напряжении питания 6 В и 3 В, соответственно.

5) Выводы портов – сильноточные, допускающие прохождение через них тока до 20 мА (суммарный ток через все линии порта – не более 80мА).

Частоту кварца выберем 12МГц, при ней достигается максимальная производительность, но существенно увеличивается энергопотребление. Кварц обрамляется внешними конденсаторами C₄ и C₅ , обеспечивающими фазовое условие возникновения генерации. Возьмем C₄ = C₅ = 27пФ. В простейшем случае импульс сброса получают при помощи дифференцирующей RC цепочки. При подаче напряжения питания на схему разряженный ранее конденсатор C₂ представляет в первом приближении закоротку. Поэтому на выводе сброса возникает единичный сигнал, который по мере заряда конденсатора спадает до нуля. Учитывая, что большой точности для импульса сброса не требуется, берут постоянную времени с запасом, например, R₉C₂≈50мс. Поэтому, если R₉ = 10кОм, то С₂ = 50*10^-3/10*10^-3=5мкФ.[9]

Для фильтрации сигнала на +U ставим конденсатор С₃=0,1мкФ. [7]

Для преобразования аналоговой информации в цифровую был выбран АЦП К572ПВ3с электрическими параметрами:

1) Номинальное напряжение питания - 5 В

2) Ток потребления 4 мА

3) Опорное напряжение -10 В

4) Выходное напряжение низкого уровня – 0,8 В

5) Выходное напряжение высокого уровня – 4 В

6) Время преобразования – 7,5мкс

7) Входной ток по выводу CLK – 0,7мА

8) Входной ток по выводам RD и CS – 0,01мкА

9) Ток утечки по цифровым входам – 0,01 мкА

10) Время установления в начальное состояние - 2 мкс

11) Время задержки выдачи данных – 120 нс

12) Время задержки сброса данных – 80 нс

13) Входное сопротивление по выводам Vin и BOFS – 6..30 кОм

14) Входное сопротивление по выводу Vref – 3..15 кОм

15) Рекомендуемая тактовая частота внешнего генератора – 500 кГц

Для формирования внутренней генерации импульсов C₁ выбираем 30 пФ,

а R₇=250 кОм.

Сопротивление R₁₀ и R₈ выбираем равными 2кОм.

Для усиления разности напряжений выбираем усилитель К544УД1А с электрическими параметрами:

1) Номинальное напряжение питания - 15 В+10 %

2) Выходное напряжение при Uп= 15 В 12|В

3) Напряжение шумов приведенное ко входу при Uп= = 15 В5 мкВ

4) Средний входной ток при U_п= 15 В, U_вых= 0,02 В 0,05 нА

5) Ток потребления при U_п= 15 В, U_вых= 0,02 В2,5 мА

Максимальная разность напряжений на шунте будет -0,1..0,1 В, а входное максимальное напряжение на входе АЦП 10 В, значит нужно рассчитать сопротивления таким образом, чтобы схема дифференциального разностного усилителя усиливала разность напряжений в 100 раз. Для простоты возьмем R₃=R₄=K*R₁ или R₃=R₄=100*R₁, возьмем R₁ = 9 Ом, тогда R₃=R₄=900 Ом. Соответственно R₂=9 Ом.

Сопротивления R₆ и R₅ подстроенные, где R₅ =10 кОм используется для балансировки и R₆ = 0..2кОм.