Аналитические весы

Весьма непростыми являются при этом и устройства измерения, так как определяемый параметр изменяется не только от механического воздействия, но и от целого ряда других параметров, самым определяющим из которых является температура. Мы смогли найти 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 показались 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 механики 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 пропускании через нее постоянного тока, заранее определенной полярности, вокруг катушки возникает противоположно направленное электрическое поле и при определенной величине тока вес вещества будет преодолен и нам остается только выполнить исследование зависимости вес - величина электрического тока.

Однако весы данной конструкции имеют один недостаток - невозможность взвешивания материалов обладающих магнитной индукцией, например железных стружек, но список таких материалов незначителен и им можно пренебречь. СТРУКТУРА ПРЕДЛАГАЕМЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВЕСОВ Структура электронных аналитических весов с магнитно-элекрическим датчиком веса должна безусловно включать в себя микроконтроллер для обеспечения быстрого подбора значения электрического тока, достаточного для преодоления веса. В настоящее время спектр таких изделий очень широк, но мы выбрали однокристальную электронную вычислительную машину (ОЭВМ) КР1816ВЕ51 [3,4], исходя из следующих соображений: 1) компактность исполнения - практически весь спектр возможностей 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 программируемого порта для связи с IBM-совместимым компьютером, что очень важно как с точки зрения отладки программного обеспечения аналитических веов, так и с точки зрения внешнего управления ими, хранения и статистической обработки производимых взвешиваний; 5) двухуровенная система обработки прерываний для обслуживания событий от шести источников запросов, например поднятие навески; 6) простой ввод/вывод 32-х дискретных сигналов (есть сигнал - 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 компоновщика программ для автоматизированного создания аппаратно ориентированного 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 программ микросхемы КР1816ВЕ51; К недостаткам ОЭВМ КР1816ВЕ51 можно отнести недостаточное количество портов ввода/вывода сигналов, всего 32. Беглый подсчет потребного 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 резисторы, нормирующие допустимый для микросхемы входной ток. На выводы 3-х портов КР580ВВ55А (рис. 1), поскольку она будет запрограммированна только на вывод, лучше всего подключить устройство цифроаналогового преобразователя (ЦАП), то есть устройство, преобразующее цифровой код в токовый аналог, например, код 1388h (десятичное 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 температур 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 устройства 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 выводы VCC (5 Вольт) и GND ('земля') [3]. Тактовая частота работы ОЭВМ (D1) задается кварцевым резонатором ZQ1 (6 или 12 мГц). Цепочка R1, C3 предназначена для передачи управления по адрусу 000 ОЭВМ КР1816ВЕ51 и инициализации микросхемы 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 подобраны таким образом, чтобы удержать потенциал больший 2,5 В в течение не менее 5 микросекунд, что достаточно для инициализации микросхемы D1. Аналогичным способом может быть выполнена автоинициализация микросхемы D2, но мы 'жестко' зафиксировали вывод перезапуска (RST) на 'землю', чтобы единственно возможным способом ее работы стало выполнение команд ОЭВМ КР1816ВЕ51. Емкость C4 играет роль фильтра высокочастотных помех по питанию, а резистор R2 устанавливает на входе EA ОЭВМ 'высокий' потенциал, соответствующий избранности внутренней, а не внешней памяти программ. Все выводы порта P0 ОЭВМ через токоограничивающие резисторы R4,R5,...,R11 (1.8 кОм) подключены к питанию + 5 Вольт из-за особенного исполнения этого порта ('с открытым коллектором'). Например, 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 транзистор 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, посредством подключения этого вывода, через токоограничивающий резистор R12 (1.8 кОм) к питанию +5В, а режим избранности микросхемы (CS) - активным, подключением его к общему проводу, так как это единственная избираемая в устройстве весов микросхема. Адрес одного из четырех портов микпосхемы D2 (3 - порт программирования режима ее работы CW, 2 - порт С, 1 - порт В и 0 - порт А) избирается непосредственно с выводов P2.4 и P2.5 ОЭВМ. Исполнение команд производится при переходе сигнала записи (WR) с потенциала +5В к нулевому потенциалу с вывода P2.6 ОЭВМ КР1816ВЕ51. Временная диаграмма вывода данных в один из избранных портов микросхемы КР580ВВ55А в режиме 0 приведена на рис. 1а [3]. Микросхема КР580ВВ55А имеет три режима обмена: 0, 1 и 2, из которых нам подходил только нулевой режим, при котором однонаправленный вывод производится через любой из портов без каких либо сигналов сопровождения (без квитирования) и выходная информация защелкивается в выходной буфер порта по срезу сигнала WR и остается на выходе этого порта до следующего изменения. __ t WR +5В 0В __ +5В CS 0В +5В D 0В +5В A0,A1 0В +5В А,В,С,CW 0В Рис. 1а.

Временная диаграмма вывода данных через порт А, В, С или CW микросхемы КР580ВВ55А На этой диаграмме черточкой сверху обозначены сигналы, активные при нулевом потенциале, Н - образный переход сигналов означает, что если сигналы изменяются, то они должны быть изменены сдесь. Время t мы подобрали экспериментально, и оно должно быть не менее 2-х микросекунд, точное время между остальными сигналами не имеет никакого значения - важна лишь их точная последовательность. БЛОК ПИТАНИЯ В настоящей работе мы стремились к максимальному использованию известных и хорошо зарекомендовавших себя разработок, доступных нам через открытые литературные источники. Так например, электрическая принципиальная схема излучателя инфрокрасного диапазона заимствована нами из принтера СМП 6327 [5], а приемника - из схемы бытового телевизионного приемника [6], включая также и простое заимствование блока питания из списанного накопителя на пятидюймовых гибких магнитных дисках ЕС5321М советского производства [7], достаточно мощного и надежного, принципиальная электрическая схема которого представлена на рис. 2. В этой схеме переменное напряжение 220 В через выключатель и предохранитель FU1 (1 А) поступает на первичную обмотку трансформатора ТПП288-220-50. Из нескольких вторичных обмоток этого трансформатора набираются выходные напряжения переменного тока в 19 и 7 Вольт, которые подаются на два диодных моста, собранных из кремниевых диодов КД205В. На выходе с диодных мостов мы имеем выпрямленные постоянные напряжения со значительными пульсациями, для подавления которых в цепь параллельно мостам диодов включены электролитические емкости: С1 (10000 мкФ 50 В) и С2 (2000 мкФ 50 В). В момент времени когда с выхода диодного моста напряжение возрастает емкости заряжаются, а когда напряжение начинает снижаться стекание заряда с обкладок электролитического конденсатора сглаживает проявление этих пульсаций на входе стабилизаторов, собранных на резисторах R1, R2 (1 Ом), емкостях С3...С6 (0,1 мкФ), транзисторах VT1, VT2 (КТ818БМ), микросхемах D1 (КР142ЕН8Б), D2 (КР142ЕН5А и емкостях С7, С8 (200 маФ). Принцип работы стабилизатора следующий: микросхема D1 (D2) управляет током, протекающим через малоомный резистор R1 (R2), тем самым изменяя смещение перехода база-эмитер транзистора VT1 (VT2) и поддерживая на его выходе стабильное значение требуемого для нагрузки выходного напряжения питания 12 (5) Вольт.

Наличие мощных транзисторов VT1 и VT2 вызвано требованиями обеспечения больших токов, необходимых в накопителе на гибких магнитных дисках [7] при запуске его двигателей. Такой блок питания наиболее оптимально подходит и для аналитических весов, в которых также наблюдается кратковременные всплески потребления больших токов протекающих через катушку устройства взвешивания и цепи цифроаналогового преобразователя.

Емкости С7, С8 включены для сглаживания импульсных пульсаций нагрузок на стабилизатор, а С5, С6 в качестве фильтра высокочастотных помех.

Предохранитель FU1 защищает сеть переменного тока от перегрузок, скажем при коротком замыкании на вторичных обмотках трансформатора, а FU2 и FU3 - блок питания, при перегрузках в питаемых через них схемах. ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Наиболее оптимальным было бы использование в качестве цифроаналогового преобразователя спецализированной микросхемы, что существенно упростило бы электрическую принципиальную схему аналитических весов и избавило нас от проблемы решения множества проблем, связанных с этим преобразованием.

Например, микросхемы К572ПА1, К594ПА1 [2] советского производства или импортного производства: DAC-01 и DAC-02 (фирма Precision Monolitic), MC1406 (Motorola), HI-1080 и HI-1090 (Harris Semiconductor), AD-562 и AD-7520 (Analog Devices) [8], или более современные MX7534, MX7535, MX7536, MX7538 (Maxim) [9]. Однако лучшие из этих чипов гарантируют разрешение с точностью не более 14 разрядов, что явно недостаточно для обеспечения аналитической точности взвешивания в диапазоне 0...200 грамм. Для обеспечения указанных требований мы должны разработать принципиальную электричестую схему 21-го разрядного цифроаналогового преобразователя.

Существует два наиболее широко распространенных метода цифроаналогового преобразования: с использованием взвешенных резистров и многозвенной цепочки резистров [8]. На рис. 3 представлена принципиальная электрическая схема цифроаналогового преобразователя с двоично-взвешенными резисторами, которая состоит из n ключей, по одному на каждый разряд, управляемых выходным сигналом; цепочки двоично-взвешенных резисторов; источника опорного напряжения Uоп и суммирующего операционного усилителя, на выходе которого получается аналоговый сигнал, пропорциональный цифровому коду на входе. В идеальной ситуации ток, на входе операционного усилителя будет равен An-1хUоп An-2хUоп A1хUоп A0хUоп I = __________ + __________ + . . . + ________ + ________ . R R R R В нашем случае, для 21-разрядного цифроаналогового преобразователя, диапазон изменения сопротивлений резисторов должен будет соответствовать ряду: 1,2,4,8,...,524288,1048576 Ом. У нас не было возможности точного подбора такого широкого ряда резисторов тем более, что они должны быть все изготовленны по одной технологии, в связи с чем этот метод построения цифроаналогово преобразователя - неприемлем. На рис. 4 представлена принципиальная электрическая схема цифроаналогового преобразователя с многозвенной цепочкой резисторов. В этой схеме использование цепочки резисторов R-2R, приводит к тому, что вклад каждого разряда в выходной сигнал пропорционален его двоичному весу.

Поскольку эта цепочка резисторов является линейной цепью, то ее работу можно проанализировать методом суперпозиции, то есть вклад в выходное напряжение от каждого источника рассматривать независимо от других источников.

Окончательно все вклады от каждого разряда суммируются для получения на выходе результата в виде напряжения Uвых [8]. Таким образом, выходное напряжение цифроаналогового преобразователя пропорционально сумме напряжений со своими весами, обусловленных лишь теми ключами, которые подключены к источнику Uоп. Для нашего 21-разрядного цифроаналогового преобразователя простое механическое копирование этой схемы невозможно, так как самые лучшие чипы операционных усилителей LM101A, LF156A или LM118 не способны обеспечить требуемого разрешения - их предел 14-ть разрядов и 8...12 разрядов - для микросхем операционных усилителей советского производства (К153УД2, К140УД18 и других). Можно было бы разработать двухплечевую схему с использованием на выходе одного из плеч делителя напряжения, но такой подход приведет к множеству проблем, связанных с обеспечением идентичности плеч и тому подобных.

Поэтому мы решили удалить из схемы приведенной на рис. 4 операционный усилитель, заменив предшествующий ему резистор 2R, многозвенной цепи, катушкой устройства взвешивания. Тогда для обеспечения изменения тока на выходе цифроаналогового преобразования достаточно больших номиналов тока, до 3,5 А, мы должны подобрать пары 2R/R с таким расчетом, чтобы величина R составляла значение немного большее 1 Ома, при этом резисторы 2R должны иметь коэффициент деления как можно ближе к двум, особенно в старших значащих разрядах. Кроме этого, резисторы должны быть мощными МЛТ-1 или МЛТ-2, чтобы избежать их выгорания при прохождении больших токов.

Подбор номиналов резисторов мы производили с использованием цифрового измерителя L, C, R Е7-8 из нескольких тысяч резисторов, номинала 1,4 и 2,7 Ом, во всех организациях города, в которых нам удалось их найти: АО ССГПО (6 подразделений), Рудненский индустриальный институт, Рудненский политехнический колледж и других. Тип и номиналы этих резисторов определяли их редкое использование и поэтому по причине их отсутствия или дефицитности нам не отказали ни в одной из упомянутых организаций. После продолжительной и утомительной работы нам удалось подобрать многозвенную 21-разрядную цепочку сопротивлений, значения сопротивлений которых сведены в табл. 1. Таблица 1 Подобранные номиналы резисторов многозвенной цепочки цифроаналогового преобразователя Разряд Номиналы резисторов Коэффициент Средние знаNN цепи, Ом делимости чения, Ом 20 2,246 1,123 2,000 19 2,248 1,124 2,000 18 2,252 1,126 2,000 17 2,258 1,129 2,000 16 2,260 1,130 2,000 15 2,260 1,130 2,000 14 2,247 1,124 1,999 13 2,249 1,125 1,999 12 2,250 1,126 1,999 11 2,253 1,127 1,999 2,2575 10 2,253 1,127 1,999 -------- 9 2,257 1,128 2,001 1,1283 8 2,256 1,127 2,002 7 2,258 1,128 2,002 6 2,260 1,129 2,002 5 2,264 1,131 2,002 4 2,266 1,132 2,002 3 2,266 1,132 2,002 2 2,268 1,132 2,004 1 2,268 1,132 2,004 0 2,269 1,132 2,004 Анализ значений сопротивлений табл. 1 показывает, что для старших разрядов цифроаналогового преобразователя коэффициенты деления напряжений подобраны практически идеально, с ухудшением до 0,2% в трех младших разрядах (0.04% - в среднем), а группы сопротивлений подобраны с точностью 0.5%, такие параметры существенно лучше тех, 0.1 и 1.0%, соответственно [8], которые обеспечивают измерения с погрешнрстью, сопоставимой с половиной величины младшего разряда преобразователя.

Теперь нас подстерегает единственная проблема, сопряженная с большими величинами токов, которые будут протекать через переключатели K0, K1, ... ,Kn-1, полностью исключающая возможность применения для этой цели полупроводниковых переключателей, например, AM2009, MM4504, MM5504 [8], DG516 [12] и им подобных. Кроме того, каждый такой ключ будет иметь собственную величину сопротивления, вклад которого в каждый из разрядов аналогоцифрового преобразователя будет сильно искажать выходное напряжение.

Единственным решением этой проблемы может стать использование в качестве ключа перекидного контакта реле.

Неоспоримым достоинством использования реле является то, что его контакт не вносит паразитного сопротивления в цепи разрядов аналогоцифрового преобразователя и для реле неопасно протекание больших токов через перекидной контакт. Кроме того, применение реле позволит произвести гальваническое разделение силовой цепи в 12 В от цепи питания ОЭВМ в 5 В. Существенный недостаток использования реле в качестве разрядных ключей является их низкое быстродействие - от 10 до 50 милисекунд, однако оно может быть компенсировано использованием алгоритма скорейшего поиска необходимого значения цифрового кода. Из скудного ряда доступных нам достаточно миниатюрных реле, мы сразу отказались от реле с герконовым переключателем (РЭС-55), так как они оказались бы в зоне воздействия сильного магнитного поля устройства взвешивания, когда факт включения ее контакта мог быть не бесспорным, и из-за слишком большого времени надежного срабатывания - 25...40 милисекунд. Из реле с механическим контактором больше всего подходило РЭС-10, во-первых, из-за малых размеров, во-вторых, из-за возможности включения контакта при напряжениях в 4 Вольта, в-третьих, из-за ориентированности ее конструкции на крепление непосредствено к монтажной печатной плате, в-четвертых, из-за самой высокой скорости срабатывания из всех идентичных ей образцов - не более 10 милисекунд, в-пятых, из-за относительно низкого потребления тока - около 35 милиампер.

Разработанная на основе всего вышеизложенного принципиальная электрическая схема цифроаналогового преобразователя представлена на рис. 5. В этой схеме с выхода программируемого параллельного адаптера КР580ВВ55А нулевой потенциал подается в базу транзистора VT0 (VT1,...,VT19,VT20) - КТ361Е, вызывая отпирание его перехода эмитер-колектор и протекание постоянного тока, напряжением в 5 Вольт, через обмотку реле K0 (K1,...,K19,K20) - РЭС-10. Непосредственное включение обмоток реле с выводов микросхемы КР580ВВ55А невозможно из-за их низкой нагрузочной способности (3,2 мА), при величинах токов, потребляемых реле РЭС-10, порядка 35 мА. Поскольку коммутирование контактов реле не происходит мгновенно и характеризуется явлением, называемым в литературе 'дребезгом', для предотвращения подгорания контактов реле, до момента уверенного их срабатывания, цепь 12 Вольтового питания разорвана на переходе эмитер-колектор мощного транзистора VT22 (КТ972). После выдерживания паузы в 11 мС, необходимых для уверенного срабатывания контактов реле РЭС-10, на выход P3.5 ОЭВМ подается сигнал нулевого потенциала, поступающий на базу транзистора VT21 (КТ361Е) и отпирающий его переход между колектором и эмитером. После этого в базу транзистора VT22 поступает потенциал, достаточный для отпирания его перехода эмитер-колектор.

Представленная на рис. 5 принципиальная электрическая схема коммутатора исполнительной цепи позволяет не только избавиться от проблемы подгорания контактов реле, но и избежать перегрева низкоомных сопротивлений многозвенной цепочки резисторов большими токами, посредством сбора цепи на очень маленький интервал времени 300 микросекунд. Для подавления колебаний тока при выключении обмотки реле, обладающей индуктивностью, параллельно ей включен шунтирующий диод VD0 (VD1,...,VD19,VD20). Суммированное с выходов всех активных разрядов напряжение будет проходит через катушку устройства взвешивания. УСТРОЙСТВО ВЗВЕШИВАНИЯ Вначале для устройства взвешивания мы изготовили 100 витковую катушку диаметром 20 мм из медной проволки толшиной 0,07 мм, а магнитное поле создавали при помощи плоского постоянного магнита размером 100х60х17, которые на фабричном комплексе АО ССГПО используются на магнитных сепараторах для извлечения железа из руды. При пропускании тока от пальчиковой батарейки напряжением 1,5 В мы наблюдали поразительный эффект: катушка подлетала в вверх даже при токах в несколько мА, переворачивалась в воздухе и 'прилипала' к магниту. Этот, воодушевлявший наши усилия, эффект неожиданно наткнулся на два препятствия: 1) магнит притягивал к себе все металлические предметы в диаметре 100...300 мм, то есть создавал очень сильное магнитное поле; 2) при смещении катушки на небольшое расстояние, незначительно изменялась величина тока, необходимая для ее подьема, то есть встала проблема фиксации катушки над магнитом. Чтобы решить одновременно обе проблемы мы использовали в качестве устройства взвешивания аккустический динамик 4ГД-35, предварительно удалив из него бумажный диффузор и его верхний фиксатор, прикрепив клеем 'Момент' плошадку взвешивания к внутренней поверхности катушки, мы не только зафиксировали ее в наиболее эффективной точке взаимодействия магнитного и электрического полей (определено экспериментально), но и решили проблему возврата катушки на исходное место после снятия напряжения за счет веса этой площадки (рис. 6). Теперь подьем площадки взвешивания происходил без видимых отклонений величины токового сигнала с доступной нам точностью измерений в 0,0001 А цифровым вольтметром В7-40. Поскольку неисключен резкий подъем площадки в процессе программного подбора необходимой величины тока, для предотвращения разбрызгивания взвешиваемых жидкостей и рассыпания сыпучих навесок мы снабдили конструкцию ограничителем подъема площадки с зазором между ними в 1 мм, достаточным для датчика фиксации подъема веса, состоящего из излучателя и приемника инфрокрасного излучения (рис. 6). ДАТЧИК ПОДЪЕМА ВЕСА Вес считается измеренным, если площадка поднялась при значении токового аналога I, но не поднялась при I-MP (MP - величина тока, сооттветствующая Младшему Разряду цифроаналогового преобразователя). Для определения момента подъема площадки взвешивания мы использовали оптический датчик отслеживания перекрытия просвета, состоящий из маломощного излучателя и приемника инрокрасного (невидимомого) спектра.

Электрическая пинципиальная схема излучателя инфрокрасного диапазона заимствована нами из концевых выключателей ограничения подачи головки принтера СМП 6327 [5], которая приведена на рис. 7. Принцип работы этого излучателя следующий: 1) емкость C2 постепенно заряжаясь создает на базе транзистора VT1 потенциал, достаточный для отпирания перехода колектор-эмитер, в результате чего потенциал на базе транзистора VT2 становится нулевым и сопровождается отпиранием его перехода эмитер-колектор, при этом возрастание положительного потенциала на базе транзистора VT3 приводит к плавному отпиранию его перехода колектор-эмитер с протеканием тока через резистор R4 и диод VD1 (АЛ107А [16]), сопровождаемый излучением инфрокрасного спектра. В процессе протекания тока через переход эмитер-коллектор транзистора VT2, емкость C2 разряжается и запирает транзистор VT1, который в свою очередь, запирает и транзистор VT2. После запирания транзистора VT2, потенциал на базе транзистора VT3 падает и он запирается, прекращая свечение диода VD1. Затем этот процесс повторяется в уже описанной последовательности.

Импульсный режим излучения выбран нами для исключения оценки воздействия посторонних источников излучения на приемник и для повышения мощности излучения диода КД107 с 6 до 45 мВт.

Емкость C1 включена в принципиальную электрическую схему (рис. 7) для сглаживания негативного воздействия импульсов тока на стабилизатор блока питания.

Достижение в процессе подбора цифрового аналога тока значения, при котором преодолен вес взвешиваемого вещества, сопровождается поднятием площадки для взвешивания и, как следствие, перекрытием створа излучатель-приемник. Для идентификации данного события и необходим приемник импульсного излучения инфрокрасного спектра. От схемы приемника, используемого в принтере СМП-6327 [5], пришлось отказаться, так как он не обеспечивал устойчивого приема при расстояниях более 10 мм между излучателем и приемником. Мы использовали в качестве приемника часть электрической принципиальной схемы приемника инфрокрасного излучения бытового телевизионного приемника [6], произведя только замену фотоприемника ФД263 на более миниатюрный, но менее чувствительный фотодиод VD1 (FD125) венгерского производства (рис. 8). Приемник представляет собой двухкаскадный усилитель с общим колектором, выполненный на базе транзисторов VT1 - VT3 (КТ315). Импульсы инфрокрасного излучения воспринимаются фотодиодом VD1, при этом он открывается и запирается, при отсутствии таковых. Таким образом, транзистор VT1 играет роль согласователя высокочастотных импульсов, в диапазоне 0...25 мВ, в низкочастотные с незначительным их усилением в 1,5...2 раза. Этот сигнал с эмитера VT1 поступает на базу транзистора VT2, включенного в режиме его усиления при отпирании/запирании перехода эмитер-колектор с коэффициентом 9-10, определяемым номиналом резистора R5. При этом на выходе приемника, с колектора транзистора VT2, генерируются колебания с амплетудой 5 Вольт и частотой задаваемой излучателем.

Резисторы R6, R7 и транзистор VT3 образуют цепь положительной обратной связи между его входом и выходом, необходимой для их согласования и подавления помех.

Поскольку, удовлетворительных результатов мы добились уже после двух каскадов усиления сигнала, то надобность в двух последующих, имеющихся в схеме [6], отпала. Кроме того, мы понизили напряжение питания с 12 Вольт в схеме [6], до 5 Вольт, чтобы избежать обратного преобразования, в связи с требованиями по входу ОЭВМ КР1816ВЕ51, без ощутимого ухудшения параметров приемника.

Выходной сигнал приемника поступает на вход Р3.2 (INT0) ОЭВМ КР1816ВЕ51 и, если после очередного изменения токового сигнала на выходе цифроаналогового преобразователя, на входе P3.2 ОЭВМ не обнаружены пульсации - значит вес преодолен. ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА Мощный блок питания будет источником излучения тепла в ограниченный объем изделия, а, поскольку, величина сопротивления резисторов зависит от их температуры, то для обеспечения аналитической точности взвешивания либо необходимо снабдить весы обратным аналогоцифровым преобразователем, либо достаточно точным электронным датчиком температуры. Кроме того, наличие такого устройства в аналитических весах необходимо из-за непостоянства комнатной температуры 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, ориентированного на использование возможностей ОЭВМ КР1816ВЕ51, является преобразователь температура-частота. ОЭВМ КР1816ВЕ51 имеет два входа (P3.2-INT0, P3.3-INT1), изменение состояния которых (переход из 'высокого' состояния сигнала в 'низкое' или, наоборот) вызывает аппаратное прерывание выполняемой программы с вызовом программы обработки этого события. Такая реакция ОЭВМ позволяет программно вычислить время между двумя смежными прерываниями или вычислить частоту изменения сигнала.

Сущность этого датчика сводится к созданию генератора, частота которого управляется напряжением из схемы измерения изменения термосопротивления. В качестве генератора управляемого напряжением можно использовать микросхему К531ГГ1 (мультивибратор автоколебательный), схемы возможного применения которой приведены в [10], а задание управляющего напряжения - посредством усиления напряжения на выходе 'моста' резисторов, в одно из плеч которого включено термосопротивление, при помощи операционного усилителя.

Однако мы смогли найти только старый вариант этого чипа - К218ГГ1-Н [11] и при тестировании созданного на его основе преобразователя столкнулись с проблемой собственной нестабильности генерируемой микросхемой частоты при измененнии температуры воздуха, погрешность в диапазоне температур 0...60°С, допустимых для электронных компонентов данной технологии изготовления, варьировала в интервале -11...+17% (рис. 9), что неприемлимо для обеспечения аналитической точности взвешивания. Кроме того, микросхема К218ГГ1-Н имеет относительно большое энергопотребление - около 100 мВт.

Аналогичные проблемы возникли при попытке ее замены на микросхему К1108ПП1 (преобразователь напряжение-частота), которая кроме 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 неприемлемости преобразователя на микросхеме К218ГГ1-Н свидетельствует кривая зависимости частота - собственная температура схемы, приведенная 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, питаемого от источника постоянного тока линейно изменяется с температурой 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 возможность использовать его в качестве напряжения, управляющего генератором D1. Приведенные в схеме [12] импортные электронные компоненты были 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 практически линейный вид в диапазоне температур 0...60°С и соответствовала характеристикам, приведенным в работе [12]. Время установки стабильной частоты при резком перепаде температур не более 25 секунд.

Однако работа преобразователя не отличалась высокой точностью, а самое неприятное - стабильностью (рис. 11), хотя область устойчивой работы схемы расширилась на 5 градусов, а сама погрешность 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 чувствительный и стабильный диод (КД407А). Такие изменения являются допустимыми для микросхемы К176ЛП1, так как она является аналоговой и содержит набор трех pи трех n-канальных КМОП-транзисторов. Эти преобразования позволили не только стабилизировать работу преобразователя температура-частота (рис. 12), но и избавиться от необходимости понижения имеющегося в нашем блоке питания напряжения в 12 Вольт до необходимых для схемы [12] 9 Вольт. Зона стабильной работы 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 достаточно высокого тепловыделения из компонентов блока питания аналитических весов.

Погрешность стабилизации схемы в указанном диапазоне изменяется в интервале -1.9...+1.7%, хотя в интервале температур 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 значений температуры в аналитических весах маловероятно, но даже при проявлении данного события программа ОЭВМ КР1816ВЕ51 известит пользователя о невозможности продолжения измерений. Тогда, зависимость температура-частота может рассматриваться как линейная с приростом на 3 Гц, на каждый градус увеличения температуры, и наоборот.

Тестирование схемы, приведенной в работе [12], и ее измененного 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' электрического 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 температур обеспечивался надежный контакт между ними; 3) отверстие для 'жала' паяльника было выбрано из расчета, обеспечивающего вход его 'жала' на глубину 19 мм при комнатной температуре в 25°С, а для градусника было увеличено на величину, исключающую его раздавливание с измененением температуры заготовки за счет линейного расширения при уплотнении образуемого зазора асбестовой нитью, обеспечивающей хорошую передачу температуры и компенсирующей, возникающие в процессе прогрева заготовки сжимающие напряжения; 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 сглаживания 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 помещением заготовки в морозильную камеру бытового холодильника. Для контроля аналогичные действия производили помещая заготовку в кипящую дисцилированную воду со снятием отсчетов в процессе ее естественного остывания и укладывая в сосуд со льдом, изготовденным в морозильной камере бытового холодильника из дисцилированной воды, со снятием отсчетов в процессе его естественного оттаивания.

Использование дисцилированной воды было необходимо для предотвращения протекания тока между анодом и катодом диода через раствор, содержащий 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 разнообразным, например, погрешность разбивки шкалы градусника, погрешность частотомера, погрешность снятия отсчетов по шкале градусника, погрешность в скоростях реакции диода и градусника на изменение тем= пературы и тому подобные, но с учетом того что их величины от измерения 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 использования 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 транзистора 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 аналитических весов.

Принципиальная электрическая схема блока индикации и управления, разработанного нами, представлена на рис. 15. В схеме для преобразования двоичной цифры, выдаваемой в биты 0, 1, 2 и 3 порта P2 ОЭВМ КР1816ВЕ51, в напряжение логического уровня, появляющееся в том выходе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду, использована микросхема D8 (К564ИК2 - дешифратор двоичного кода в сигналы семисегментного кода с общим анодом). Выбор дешифраторов советского и импортного производства очень широк (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], включенных параллельно друг другу. В выходные цепи микросхемы D8, последовательно включены резисторы R2...R8, для согласования по величине тока, потребляемого матрицами D1...D7. Выбор матрицы, на которую будет отображаться цифра с выхода микросхемы D8, производится подачей на матрицу напряжения питания, посредством установления на одном из выводов 1,2,...,7 порта P1 ОЭВМ КР1816ВЕ51 нулевого потенциала, отпирающего переход эмитер-колектор транзисторов VT1...VT7 (КТ973А). Если с интервалом не менее 1/24 секунды производить последовательный вывод 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 защиты схемы от высокачастотных помех, проявляющихся в подмигивании некоммутированных сегментов матриц, и защиты по току.

Индикация на светодиоды АЛ103 [16] (см. рис. 15), подключенные анодом к цепи питания в 5 Вольт, производится с одного из выводов ОЭВМ КР1816ВЕ51, например, P1.0, через нормирующее резистором 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 последовательных сигналов у ОЭВМ инвертирован по отношению к аналогичной у IBM-совместимого компьютера. В связи с этим, нами был разработан согласователь интерфейсов последовательных портов IBM и ОЭВМ, принципиальная схема которого представлена на рис. 16. Сигнал с выхода последовательного (COM) порта IBM-совместимого компьютера (12 Вольт) делителем напряжения, выполненным на резисторах 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 входе P3.0 ОЭВМ появляется сигнал напряжением 5 В и силы тока, нормированной 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 сигнал 12 Вольт/10 мА или нулевого потенциала, соответственно.

Инвертирование сигналов осуществлено подбором соответствующего 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 различных источников схем, так как из-за опечаток, а иногда, из-за элементарной недобросовестности авторов разработокок, выдающих желаемое за действительное, можно наткнуться на невозможность их практического воплощения, так например, в работе [12] отсутствует маркировка двух выводов микросхемы термопреобразователя; 2) контроля входных/выходных параметров параметров электронных блоков и при необходимости их подстройки; 3) для исследования параметрической (температура, потребляемый ток, напряжения, частоты и другие) стабильности работы принципиальных электрических схем; 4) проверки исправности всех компонентов электрических принципиальных схем, так как, по известным причинам, в существенной степени использованные нами радиоэлектронные компоненты были выпаяны из физически или морально устаревшей бытовой и аппаратуры иного назначения.

Макетирование производилось нами на макетной плоскости, представляющей собой лист стеклотекстолита с укрепленными на нем панельками (сокетами) под микросхемы различных размеров, каждый вывод которых был соединен с вертикально закрепленным на листе штырем, а к одному из торцов листа привинчена при помощи уголка совокупность тумблеров для имитации дискретных сигналов. Схема собиралась посредством соединения гибкими проводами электронных компонентов вставляемых в сокеты или на 'весу' методом пайки.

Контроль параметров собранных схем производили с использованием цифрового комбинированного прибора В7-40, осцилографа С1-93 и частотомера Ч3-64. Процесс настройки включал замену частотозадающих, токозадающих и других компонентов электрических принципиальных схем, с целью достижения требуемого для нашего изделия режима их работы, которые иногда приводили к существенному изменению базовой принципиальной электрической схемы. О большинстве сделанных изменений и доработок мы упоминали в предыдуших разделах, но ограничивались приведением лишь принципиальных электрических схем в их окончательном виде.

Поясним последствия таких изменений на примере блока индикации и управления. В процессе макетирования блока индикации (рис. 15) мы столкнулись с проблемой недостаточно яркого и контрастного свечения семисегментных матриц АЛС324А, проявившемся в плохой видимости отображаемых на табло цифр в хорощо освещенном помещении и в неодинаковости как интенсивности их свечения, так цвета (от бледно зеленого до насыщенно зеленого). Поэтому мы заменили семь семисегментных матриц АЛС324А на два четырехразрядных цифровых индикатора CA56-21GWA импортного производства (фирма Kingbright), каждая из которых включает в себя 4 семисегментные матрицы с разделительным двоеточием между парами цифр, так как она ориентирована на индикацию показаний времени (минуты : секунды). К сожалению, в отделе 'Радиотовары', в котором мы их приобрели, не было информации не только о ее параметрах, но и о цоколевке.

Имеется советский аналог этого индикатора -АЛ329 (А, Б, Ж или И) [16], в составе которого отсутствует двоеточие.

Однако, советский аналог имел 14 выводов, а импортный 12 и мы определили цоколевку GA56-21GWA методом подбора, подавая поочередно питание в 5 В, через резистр 600 Ом для защиты чипа от токовой перегрузки, на различные пары выводов и отслеживая загорание ее сегментов.

Определенная нами цоколевка представлена на рис. 17. Кроме достижения высокой четкости, контрастности, яркости и однородности свечения цифр, мы получили дополнительную возможность обозначения выполняемой в данный момент ОЭВМ КР1816ВЕ51 команды пользователя, так как микросхема позволяет отображать верхнюю и нижнюю точку двоеточия отдельно. Таким образом каждая из точек будет соответствовать одному из возможных режимов работы аналитических весов: взвешивание тары 'ТАРА', опрос внутренней температуры аналитических весов 't°C', однократное взвешивание 'ОДНОКРАТНО' и многократное взвешивание с усреднением результата 'МНОГОКРАТНО'. Однако, вследствие особенности подключения этих индикаторов (с общим катодом), принципиальная электрическая схема блока индикации (рис. 17) изменилась, как впрочем, и протокол программного вывода отображаемых на табло цифр. Такие изменения обусловлены изменением полярности подключения: у АЛС324А - общий анод, а у CA56-21GWA - катод.

Микросхема К564ИК2 не подходит для непосредственного обслуживания вывода на индикаторы CA56-21GWA, предпочтительнее была бы микросхема К514, К531, К555 (ИД2, ИД18 - дешифратор 4-разрядного двоичного кода в сигналы семисегментного кода с общим катодом [16]) или их импортные аналоги. Мы смогли найти только микросхему КР514ИД2, недостатком которой является невозможность дешифрирования шести букв (A, B, C, D, E и F) гексодецимального исчисления, при помощи которых можно было бы выдавать на табло поясняющие надписи, например, 'BEC'. Усовершенствованная принципиальная электрическая схема блока индикации представлена на рис. 17. В этой схеме двоичный код цифры, поступающий с выводов P2.0 ... P2.3 ОЭВМ КР1816ВЕ51, дешифрируется в сигналы семисегментного индикатора микросхемой D1, которые через токоограничивающие резисторы R2 ... R8 поступают на соответствующие входы многозначных семисегментных сборок D2 и D3. Выбор разряда сборок D1 и D2, на которую будет выдана цифра, производится с выводов P1.1 ... P1.7 ОЭВМ. Представленная на рис. 17 схема дополнена двумя сигналами управления индикацией выполняемой в данный момент операции. Так например для отображения верхней точки индикатора D2 необходимо активизировать с выводов ОЭВМ состояния сигнала P1.3 и сигнала PC7 параллельного перефирийного адаптера КР580ВВ55А, а для индикации нижней точки - P1.4 и PC7, соответственно. Для того, чтобы обеспечить ровное свечение всех отображаемых на индикаторе семи цифр и четырех режимов, с точки зрения устройства глаза человека, необходимо каждую из них выдать на табло не менее 24-х раз в секунду (то есть с частотой f = 24 Гц) . Тогда время между двумя отображениями должно определяться по формуле T T = _____ , f где: T - отрезок времени, равный секунде. Тогда искомая величина времени составит 1000000 мкС T = _____________ = 44,7 мС/Гц . 24 Гц Поскольку на каждое переключение реле в процессе взвешивания нам необходимо затратить 10 миллисекунд, то целесообразно программно организовать прерывания таймера T/C0 ОЭВМ КР1816ВЕ51 именно с этой периодичностью, совместив процесс взвешивания и управления подбором цифрового значения веса в подпрограмме обработки этого аппаратного прерывания.

Причем, в этой подпрограмме нужно будет выдать значения двух цифр, например сразу после вхождения в подпрограмму включить отображение одной цифры, выполнить включение реле в нужной комбинации, обработать приращение таймера, включив или выключив светодиод 'Работа', затем выключить свечение первой и выдать на индикатор вторую, завершив аппаратное прерывание. При таком подходе нечетные цифры будут светиться время, равное времени обработки аппаратного прерывания таймера T/C0, а четные 10 миллисекунд с интервалом повторного зажжения через время не превышающее вычисленного значения T. Завершив макетную отладку отдельных блоков аналитических весов и убедившись в долговременной и надежной их работе мы приступили к сборке их в единое изделие. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЕЧАТНЫХ МОНТАЖНЫХ СХЕМ Современный способ сборки электрических принципиальных схем - изготовление фиксированной основы схемы в виде совокупности проводников, соединяющих выводы ее радиокомпонентов, прочно связанных с основанием, на которое они и прикрепляются методом пайки [17]. Эта технология называется печатным монтажом. В качестве основы печатной монтажной схемы используют листы гетинакса или стеклотекстолита с одноили двухсторонним покрытием медной фольгой, выпускаемых промышленностью.

Проводники ('дорожки') располагают на одной или с обеих сторонах печатной платы с таким расчетом, чтобы они соединяли нужные компоненты электрической принципиальной схемы по кратчайшим расстояниям.

Количество и размеры компонентов принципиальной электрической схемы определяют необходимый размер печатной монтажной платы.

Организационно, мы решили разделить принципиальную электрическую схему, подлежащую переносу на печатную монтажную плоскость, на три модуля: на модуль управления и индикации с его расположением в передней торцевой части весов, на модуль управления с установкой его в заднем, хорошо проветриваемом отсеке, и устройство взвешивания с блоком питания - в нижней части изделия, для придания аналитическим весам устойчивости.

Поэтому мы должны были изготовить две печатные монтажные плоскости, предусмотрев соединение их между собой и с блоком питания при помощи гибких многопроводных жгутов, а для удобства настройки и ремонта - соединение жгутов с платами при помощи разьемов( МРН14-1 для соединения процессорного модуля с блоком питания и перефирийным оборудованием: устройством взвешивания и датчиком подъема веса; МРН32-1 для сопряжения процессорного модуля с модулем управления и получения питающего напряжения в 5 Вольт). Такая конструкция позволит без хлопот произвести отсоединение любого модуля для настройки или ремонта.

Процесс вычерчивания печатных монтажных плат очень сложный, поэтому мы возложили его на имеющуюся у нас программу ORCAD для компьютера IBM. Введя наименования всех использованных нами компонентов принципиальной электрической схемы, дополнив библиотеку описанием отсутствующих в ее составе компонентов (CA56-21GWA), объявив, по определенной методике, соединения их друг с другом и декларировав требуемый размер печатной монтажной платы мы получили ее изображение на принтере в масштабе 1:1. Правда, мы не останавливаемся на том, что были предприняты значительные усилия для снижения числа дорожек, переходящих с одной стороны печатной платы на другую, так как только в условиях специализированного производства возможно коммутирование таких переходов методом металлизации [17], а нам пришлось бы делать их методом пайки. Наша школа не располагает графопостроителем планшетного типа и нам не удалось найти его ни в одной из организаций города для того, чтобы автоматизировать процес рисования печатной платы. Эта работа была выполнена нами вручную в следующей последовательности: 1) к двусторонне фольгированному листу гетинакса мы скотчем прикрепили распечатку монтажной платы, полученную на принтере, и дрелью просверлили отверстия в местах крепления электронных компонентов или перехода дорожек с одной стороны платы на другую; 2) диаметр отверстий выбирался с таким расчетом, чтобы в них без дополнительных усилий можно было бы вставить выводы соответствующих радиодеталей принципиальной электрической схемы; 3) наждачной бумагой с мелкой зернистостью зачистили обе стороны фольги платы от окисных пленок и заусенцев со стороны выходе сверла из нее; 4) нитрокраской, используя рейсфедер и линейку, нанесли дорожки печатной платы, ориентируясь по просверленным заранее отверстиям и устраняя ошибки растворителем или зачисткой при помощи лезвия для безопасного бритья; 5) просушили плату и обезжирили обе ее поверхности при помощи обыкновенного ластика; 6) удалили всю фольгу с поверхности гетинакса, не защищенную нитрокраской, поместив плату в раствор хлорного железа ('протравили' [17]); 7) проверили качество травления, расделяя, при необходимости, ложные близкорасположенные и плохо протравленные цепи при помощи хирургического скальпеля или острой заточки; 8) удалили защитную краску с поверхностей платы растворителем и зачистили полученные дорожки наждачной бумагой; 9) облудили дорожки хорошо разогретым паяльником, предварительно обезжирив их паяльной кислотой, для защиты от коррозии и облегчения процесса пайки к ним компонентов электрической схемы. После этого, мы собирали схему по отдельным блокам на печатной монтажной плоскости, соединяя выводы ее электронных компонентов с дорожками платы методом пайки, настраивая или устраняя допущенные в процессе изготовления платы ошибки (ложные цепи между близко расположенными дорожками, восстановление пропущенных в процессе рисовки дорожек при помощи проложения их тонкими гибкими проводниками и так далее). Пайку производили оловом с использованием канифоли для снятия окисных пленок с выводов электронных компонентов и мест пайки печатной монтажной схемы электропаяльником ЭПСН- 25. Для сборки монтажной печатной схемы использовали только элементы, проверенные в процессе макетирования. После завершения процесса сборки обе плоскости печатной монтажной платы были очищены от остатков канифоли этиловым спиртом, чтобы избежать прохождения токов по 'ложным цепям' через брызги олова в накипях канифоли. КОНСТРУКЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЕСОВ Детали корпуса электронных химических весов были выпилены нами из гетинакса пятимиллиметровой толщины и соединены в Г-обра зную конструкцию при помощи уголка и болтов с гайками.

Печатные монтажные платы крепились через специальные отверстия по их углам к стенкам корпуса при помощи болтов в отврстия с резьбой, нарезанной леркой.

Корпус был изготовлен с таким расчетом, чтобы передняя и задняя его стенки вместе с основанием служили для крепления всех модулей изделия, а верхняя, съемная, часть имела только декоративное значение, что способствовало простому доступу для настройки и ремонта. В передней торцевой стенке были высверлены отверсти под 4 кнопки управления и светодиод 'РАБОТА', попутно играющий роль десятичной точки табло взвешивания и два прямоугольных отверстия под многоразрядный индикаторы CA56-21GWA, проделанных с использованием лобзика. В задней стенке было вырезано отверстие для сетевого провода и фасонное отверстие для размещения разъема устройства сопряжения аналитических весов с IBM-совместимым компьютером. В верхней съемной части корпуса, непосредственно над устройством взвешивания, также лобзиком было вырезано отверстие для установки навесок на площадку устройства взвешивания. Для обеспечения свободной конвенкции воздуха и охлаждения тепловыделяющих компонентов изделия в основании и в верхней части корпуса были просверлены отверстия диаметром 5 мм, а по углам основания - 4 отверстия с резьбой под ножки. Весы аналитического класса точности очень чувствительны, даже к колебаниям воздуха, поэтому пространство над отверстием площадки устройства взвешивания было изолировано от окружающей среды колпаком, изготовленным из оргстекла и прикрепленным к верхней части корпуса болтовыми соединениями.

Защитный колпак был оборудован дверкой для установки и изъятия взвешиваемых образцов. АЛГОРИТМ РАБОТЫ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВЕСОВ Программа для ОЭВМ КР1816ВЕ51 была написана на языке ассемблер учеником нашей школы Ивановым И.И. и была выделена в самостоя- ??? тельную работу, представленную на секцию информатики. В настоящей работе мы остановимся лишь на обобщенном описании алгоритма работы программы. После включения питания программа выполняет тестирование состояния ОЭВМ, включающего контроль сохранности кодов программы во внутренней памяти микросхемы КР1816ВЕ51, проверку исправности двух встроенных таймеров, портов ввода/вывода и арифметико-логического устройства. Затем выполняется контроль исправности перефирийных аппаратных устройств, подключенных к ОЭВМ: преобразователя температура-частота, цифроаналогового преобразователя, датчика подьема веса и табло аналитических весов. Если в процессе самотестирования обнаружена неисправность, то на табло после символа '>' выдается код ошибки, список которых приведен в табл. 3. Таблица 3 Коды возможных неисправностей работы электронных аналитических весов, идентифицируемых программно Код неисОписание причины Действия пользователя правности неисправности 01...21 Неисправна цепь разПроверить исправность клюряда, номер которого чевого транзистора КТ361 и соответствует коду реле РЭС-10 данного разряошибки да цифроаналогового преобразователя 22 Не сохранились коды Восстановить коды програмпрограммы в микромы повторной записью их в схеме КР1816ВЕ51 чип 23 Неисправность микроЗаменить микросхему схемы ОЭВМ 24 Неисправность микро- ' - ' схемы последовательного периферийного адаптера КР580ВВ55А 25 Неисправность темпеОсцилографом, в контрольратурного преобразоных точках принципиальной вателя электрической схемы, проточках провеверить исправность транность транзисзисторов КТ972 и КТ973, диода КД407А, микросхемы К176ЛП1 и транзистора согласования напряжений КТ315 26 Неисправность датчиОсцилографом установить ка подьема веса неисправность излучателя или приемника и устранить ее путем замены вышедшего из 'строя' диода или транзистора 27 Температура внутри Температура в месте взвеаналитических весов шивания не позволит прониже допустимой, то изводить измерения с треесть меньше 5°С буемой точностью 28 Температура внутри Выключить весы и продоланалитических весов жить измерения после их выше допустимой, то остывания есть больше 65°С Тестирование табло аналитических весов сводится к последовательному выводу во все его разряды цифр 0, 1, 2, ... ,9 и, если в процессе отображения пользователем обнаружено отсутствие свечения разряда, одного или нескольких сегментов, то неисправность следует устранить руководствуясь принципиальной электрической схемой. Факт успешного завершения самотестирования отображается гашением табло и пульсирующим с частотой в 1 Гц свечением диода 'Работа' блока индикации и управления. ОЭВМ непрерывно определяет температуру и опрашивает состояние кнопок блока управления. Как только пользователем нажата одна из четырех кнопок блока управления, программа приступает к выполнению выбранной пользователем функции.

Формально, три кнопки блока управления ('ТАРА', 'ОДНОКРАТНО' и 'МНОГОКРАТНО') выполняют однотипную процедуру уравновешивания веса, приложенного к площадке весов, посредством подбора, соответствующего цифрового значения.

Однако, режим 'ТАРА' завершается выводом на табло цифры нуль во все его разряды и запоминанием в памяти КР1816ВЕ51 величины, которая при взвешивании будет вычитаться из полученного значения.

Результат однократного взвешивания будет не свободен от небольших по значению случайных погрешностей, связанных с воздействием как внутренних (например, определения температуры), так и внешних (нажатие кнопки при незапертой дверце) факторов. В режиме 'МНОГОКРАТНО', взвешивание выполняется непрерывно с нахождением и индикацией среднего значения из десяти последних измерений.

Режимы 'ТАРА' и 'МНОГОКРАТНО' отменяются повторным нажатием этих кнопок, а 'ОДНОКРАТНО' - нажатием любой из оставшихся трех клавиш. В избранности или отмене установленного ранее режима можно убедиться по свечению/погашенности точек табло, положение которых на табло соответствует положению кнопок блока управления.

Подбор цифрового кода, соответствующего равновесному состоянию 'вес-электрический ток', производится увеличением значения старшего разряда до тех пор, пока не будет обнаружен подъем площадки взвешивания, затем разряд уменьшается и фиксируется как предельный и упомянутые действия повторяются. Если вначале или при очередном приближении разряд достиг предельного, а площадка не поднялась, то значение предельного разряда уменьшается с оставлением старшего разряда во включенном состоянии и процедура подбора повторяется. Вес считается измеренным, если изменение цифрового кода на величину младшего разряда сопровождается 'взятием веса'. Алгоритм поразрядного подбора позволяет достичь искомого результата в 2...1000 раз быстрее, чем путем последовательного подбора значения, и зависит от величины измеряемого веса. При любом весе, не превышающем 200 грамм, однократное взвешивание занимает не более трех секунд. При многократном взвешивании, все следующие за первым измерения производятся методом коррекции предыдущего измерения и осуществляются со скоростью 10 измерений в секунду. В процессе включения и выключения разрядных токовых цепей цифроаналогового преобразователя ведется протокол прироста/спада температуры резисторов делителя напряжения каждого разряда и при 'взятии веса' выполняется процессорное вычисление величины, вызвавшего равновесие электрического тока (I), с учетом температур резисторов каждого включенного в результат разряда 21 I = c Ё Ki•t°C i=0 и пересчет полученного значения по тарировочной формуле P = a0 + a1*I + a2*I¤ , которая была получена учащимся нашей школы Ивановым И.И., ??? с использованием математического аппарата апроксимации результатов способом наименьших квадратов [18], на основе исследования изменения сопротивления резисторов в зависимости от их температуры и тарирования изготовленных нами аналитических весов навесками, значения которых были измерены на поверенных механических весах аналитического класса точности. Мы не останавливаемся подробно на результатах этих исследований, так как они будут докладываться на секции математики. После получения результирующего значения веса, программа преобразует двоичное число в десятичное и выдает на табло весов.

Четвертая функция весов 't°C' оставлена нами на случай перетарировки весов после ремонта температурного преобразователя. При выборе этой функции на табло непрерывно выдается температура с датчика веса, который может быть отсоединен от печатной платы и благодаря соединению с ней при помощи витой пары проводов, длиной 1,5 м, вынесен из изделия и подвергнут перетарировке, по описанной выше методике, но без использования частотомера, роль которого возлагается на ОЭВМ. ВЫВОДЫ ЛИТЕРАТУРА 1. работа об аналитических весах.... 2. Бычков М.Г., Азаров Б.Я. Унифицированное блочное микропроцессорное устройство на базе микропроцессора К1801ВМ1. - М.: МЭИ, 1988. 80 с. 3. Щелкунов Н.Н., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и системы. - М.: Радио и связь. 1989. 288 с. 4. Басманов А.С., Широков Ю.Ф. Микропроцессоры и однокристальные микро-ЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 128 с. 5. Устройство печати знакосинтезирующее малогабаритное СМП 6327: Руководство по эксплуатации - Уфа: Завод пишущих машин, 1987. 44 с. 6. Телевизоры 'Электрон'. Справочник под ред. А.А. Смердова.- М.: Радио и связь, 1990. 279 с. 7. Блок дисководов КИСЦ 467234.004-01: Руководство по эксплуатации. - Л.: СПКТБ ПО ЛЭТЛ, 1988. 17 с. 8. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналогоцифровым преобразователям: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1982. 552 с. 9. Maxim. New realeases data book. - London: Maxim GmbH, 1996. 962 p. 10. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник.- М.: Радио и связь, 1987. 352 с. 11. Справочник по интегральным микросхемам /Тарабрин Б.В., Якубовский С.В., Барканов Н.А. и др./.- М.: Энергия, 1980. 816 с. 12. Граф Р. Электронные схемы. 1300 примеров: Пер. с англ.- М.: Мир, 1989. 688 с. 13. Ступельман В.Ш., Филаретов Г.А. Полупроводниковые приборы.- М:. Советское радио, 1973. 248 с. 14. Полупроводниковые приборы.

Транзисторы малой мощности.

Справочник. /Зайцев А.А., Миркин А.И., Мокряков В.В. и др./.- М.: Радио и связь, 1989. 384 с. 15. Полупроводниковые приборы.

Транзисторы средней и большой мощности.