3. Разработка принципиальной схемы устройства
3.1. Расчёт усилителя
Определим соотношение между значениями физической величины и параметрами цепи:
Наименьшей температуре соответствует ток I1= 253,2 мкА через фоторезистор и напряжение на выходеUout1= 5 В.
Наибольшей температуре соответствует ток I2= 168,2 мкА через фоторезистор и напряжение на выходеUout2= 0 В.
Питать усилитель будем напряжением разной полярности, например:
E1 = -E= -12B,E2 =E= 12B.
U-=U+= 0B;
Определим граничные значения сопротивления фоторезистора:
Обозначим резистор, подключенный к источнику положительного питания за R2, а резистор в цепи обратной связи заR3.
По
известному соотношению
составим
систему уравнений:
Отсюда: R2= 71 кОм,R3 = 58 кОм.
3.2. Расчёт схем формирования порогов
Верхнему порогу соответствует напряжение U1= 2,05 В.
Нижнему порогу соответствует напряжение U2 = -3,83 В.
Рассчитаем сопротивления резисторных делителей. Для того чтобы уменьшить количество потенциометров и максимально задействовать доступные в продаже сопротивления, выберем ток через делитель равным Iд= 2 мА.
R0+R1=E/I=5*1000/2=2500Ом
Rв1=2,05*1000/2=1025Ом
Rв2=2500-Rв1=1475Ом
Rн1=3,83*1000/2=1950Ом
Rн2=2500-350=1950Ом
3.3. Расчёт схем управления светодиодами
Используем светодиод L52ID. Требуемый для индикации токI= 20 мА. Тогда дополнительное сопротивление в ветви со светодиодом должно составить
.
3.4. Расчёт схем управления реле
В устройстве, согласно заданию, используется реле РЭС-15 с сопротивлением обмотки Rp= 330 Ом и током срабатыванияIcp= 21 мА. Реле будет включаться с помощью транзисторного ключа на полевом транзисторе 2N6902. Его сопротивлением в открытом состоянии можно пренебречь, так как оно составляет десятые доли Ома.
Чтобы реле включилось, на нём должно падать напряжение срабатывания (или большая величина напряжения):
Очевидно, что для функционирования реле можно подключить его к источнику питания +7 В, тогда реле будет включаться при открывании транзистора.
3.5. Расчёт схем управления динамиком
Для звукового оповещения потребуются одновибраторы и управляемые генераторы импульсов. В качестве микросхемы генератора будем использовать К531ГГ1. Частота этого генератора определяется внешней емкостью из соотношения:
.
Требуется
также с помощью одновибратора сформировать
импульсы длительностью 5 сек. Справедливо
приблизительное соотношение
.
Выберем значения емкости и сопротивления,
удовлетворяющие требованиям:
R= 1 МОм
С = 7.1 мкФ
3.6 Описание работы устройства по принципиальной схеме
Устройство содержит: датчик, генераторы импульсов GN_1 GN_2 GN_3 GN_4, компараторы COMP1 COMP2, измерительный усилитель DA, одновибраторы G1_1 G1_2, конъюнкторы &1, коньюнктор &2, дизъюнктор 1, триггер, счетчик СТ2, транзисторные ключи для управления реле и динамиком VT1 VT2. Резисторные делители R1…R4 формируют пороговые напряжения для компараторов.
Устройство работает следующим образом.
В процессе настройки подбирают параметры усилителя DA так, чтобы в заданном диапазоне изменения тока через датчик выходное напряжение усилителя менялось от -5В до 5В. Этот сигнал принимается прямыми входами компараторов COMP1, COMP2, которые сравнивают его с опорными уровнями. Если превышен верхний порог, то на выходе компаратора формируется нарастающий фронт и устанавливается уровень логической единицы. По нарастающему фронту включится первое реле K1 на все время преодоления порога. Также единица проходит на генераторы GN_1 и GN_2, выходы которых идут на конъюнктер &1, он пропускает только наложение сигналов и заставляет мигать датчик в нужном порядке. Сигнал с компоратора попадает на счетчик и сбрасывает его, а так же активирует триггер. После триггера сигнал попадает на генератор GB_3, формирующий импульсы длительностью 1 секунда. Импульсы попадают на динамик и счетчик, который после 4 импульса деактивирует триггер.
Если при изменении информационного параметра сигнал на выходе усилителя преодолеет нижний порог, то на выходе второго компаратора COMP2 сформируется уровень единицы. Единица попадает в светодиод VD2, заставляя гореть на протяжении всего времени преодоления порога. Также единица попадает в одновибратор G1_1, который задаст время 5 секунд. Выход с одновибратора через инвертор подключен к конъюнктеру &2. К нему так же подключен сигнал с компоратора. Из-за такой схемы рыле K2, подключенное после конъюнктера работает после 5 секунд превышения порога, если сохраняется превышение. Также активный сигнал идет на динамик, заставляя его гудеть с частотой 1200Гц, пока преодолен порог.