Реферат: Электронное устройство счета и сортировки

Министерство Российской Федерации по атомной энергии

Северский технологический институт

Томского политехнического университета

КафедраЭиАФУ

Электронное устройство счета и сортировки

Пояснительная записка

ЭУ.200.600. ПЗ

Руководитель:Соловьёв Ю.А.

«___»_____________200_г.

Студент:Пономарёв В.В.

«___»_____________200_г.

Северск 2002г.

Задание на курсовое проектирование студентуПономарёву В.В.

1. Тема проекта: Сортировочное устройство, вариант №24

2. Срок сдачи студентом законченного проекта 20.12.2002г.

3. Исходные данные к проекту.

3.1. Устройство питается от однофазной промышленной сетипеременного тока 220 В, частотой 50 Гц.

3.2. Устройство должно обеспечивать работу при отклоненияхнапряжения питающей сети от номинального в пределах от плюс 10 до минус 15 %.

3.3. Устройство предназначено для работы в закрытых стационарныхпомещениях при температуре окружающего воздуха в пределах от плюс 5 до плюс 40 °С.

3.4. Устройство должно производить сортировку предметов по тремпараметрам Х1, Х2, Х3 в соответствии спрограммой, заданной в таблице 1.

Таблица 1.Программа сортировки

Номер набора

Х1

Х2

Х3

Y 1 1 2 1 3 1 1 1 4 1 1 5 1 1 6 1 1 1 7 1 1 1

3.5. Устройство должно производить счет и отображение числа отсортированныхпредметов до значения N= 789

3.6. Параметры пороговых значений входных сигналов ФЛУ и точностьсравнения приведены в таблице 2.

Таблица 2.Исходные данные.

Номер варианта

Uд1min

Uд1max

Uд2min

Uд2max

Uд3min

Uд3max

Uср

24 3,8 9,3 5,6 8,7 5,8 7,3 0,01

3.7.Длительность сигналов управления исполнительными механизмами: τимп1=19(мс), τимп2=19 (мс).

3.8.Принципиальная схема должна обеспечить выполнение всех функций,перечисленных в п. 1.2 пособия.

Руководитель.А. Соловьёв ”_______________200_г.

Задание принял к исполнению

Пономарёв В.В. ”_______________200_г.

Содержание

1. Общиевопросы проектирования 5

1.1. Описание технологическогопроцесса 5

1.2. Функции, выполняемыесортировочным устройством. 5

1.3. Обоснование выбора блочной схемыСУ. 6

2. Разработка формирователейлогических уровней (ФЛУ). 8

2.1. Разработка принципиальной схемыФЛУ. 8

2.2. Выбор типа компаратора. 11

2.3. Расчет параметров элементовпринципиальной схемы. 12

2.4. Определение мощности и тока,потребляемых ФЛУ. 16

3. Проектирование цифровогоавтомата. 18

3.1. Минимизация логической функцииавтомата. 18

3.2. Разработка принципиальной схемыавтомата. 19

3.3. Определение мощности и тока,потребляемых цифровым автоматом. 20

4. Разработка двоично-десятичногосчетчика. 21

4.1. Обоснование и выбор типаинтегральной микросхемы двоично-десятичного счетчика. 21

4.2. Проектирование счетчика предметовна заданное число. 21

4.3. Разработка дешифратора концасчета. 22

4.4. Разработка схемы установкисчетчика в исходное (нулевое) состояние 23

4.5. Определение мощности и тока,потребляемых счетчиком. 24

5. Проектирование схемы индикации вдесятичной форме. 26

5.1. Выбор типа дешифраторов исемисегментных индикаторов. 26

5.2. Разработка принципиальной схемыиндикации. 27

5.3. Расчет мощности и тока,потребляемых схемой индикации. 28

6. Проектирование схем управленияисполнительными механизмами. 29

6.1. Выбор типа интегральноймикросхемы ждущего мультивибратора. 29

6.2. Расчет параметров элементоввремязадающих цепей 29

6.3. Расчет мощности и тока,потребляемых схемой. 30

7. Разработка источника питания. 31

7.1. Определение исходных данных(количество источников напряжения, требуемые величины напряжений и токовнагрузки). 31

7.2. Выбор схемы выпрямления и типадиодов. 31

7.3. Расчет и выбор параметров схемысглаживания пульсаций. 32

7.4. Разработка принципиальной схемыстабилизаторов, расчет параметров схемы и выбор типа применяемыхэлементов. 33

8. Разработка и описаниепринципиальной схемы сортировочного устройства. 34

9. Заключение. 35

10. Список литературы. 36

Приложение 1 37

Введение

Быстрое расширение областей применения электронных устройств однаиз особенностей современного научно – технического прогресса. Этот процесссвязан с внедрением интегральных микросхем в управляющие устройства. Применениеинтегральных микросхем позволило усовершенствовать и создать новые методыпроектирования, конструктирования и производства радиоэлектронной аппаратурыразличного назначения. Использование цифровой микроэлектроники в различныхобластях значительно упростило контроль за различными процессами и повысилокачество выпускаемых изделий.

/>/>/>1. Общиевопросы проектирования

/>/>/>/>/>1.1. Описание технологического процесса

Рассмотрим технологический процесс сортировки некоторых предметов(изделий), представленный на рисунке 1.

Рисунок 1. Технологическая схема сортировки предметов

Изготовленные предметы из питателя П поступают на транспортнуюсистему 1 и автоматически распределяются (сортируются) по накопителям Н1– Нn. Управление осуществляется с помощью сортировочных устройств СУ1 –СУn, измеряющих некоторые параметрыпредметов и вырабатывающих сигнал управления на складирование в накопитель Нпри совпадении набора определенных значений параметров предметов с заданным.При достижении количества отсортированных предметов заданному числу контейнер сотсортированными предметами удаляется с помощью другой транспортной системы 2,обеспечивая непрерывность процесса.

Разработаем и рассчитаем основные элементы системы управлениясортировочного устройства.

/>/>/>1.2. Функции,выполняемые сортировочным устройством.

Количественная оценка каждого признака производится тремяаналоговыми датчиками (Д1 – Д3), выходное напряжениекоторых имеет положительную полярность и изменяется от 0 до 10 В.

Так как одновременную оценку параметров трех признаков обеспечитьтехнически сложно, то необходимо ввести позиционный (путевой) датчик Д4.Цифровой выходной сигнал датчика Д4. единичного уровня появляетсятогда, когда аналоговые датчики Д1 – Д3 закончилиформирование своих выходных сигналов.

Числовая оценка параметра признака осуществляется в цифровой форме.Данный признак Х принимает единичное значение, если выходное напряжениесоответствующего аналогового датчика находится в определенной зоне, задаваемойдвумя пороговыми значениями UДminи UДmax:

(1.) />

Программа сортировки задается определенной совокупностью цифровыхнаборов признаков Х1, Х2, Х3.

При совпадении текущего набора признаков с заданным по программесчетное устройство вырабатывает сигнал управления исполнительным механизмом (ИМ1)длительностью tим1,запускающий процесс складирования отсортированного предмета в накопитель Н1.

В процессе сортировки необходимо вести текущий счет и индикацию вдесятичной форме числа отсортированных предметов.

При достижении заданного числа N отсортированных предметов внакопителе формируется сигнал определенной длительности tим2 управления исполнительным механизмом (ИМ2),для удаления контейнера с предметами из накопителя и замены на пустой. При этомсчетчик должен автоматически “обнулиться” и начать счет отсортированныхпредметов в следующей партии.

Необходимо предусмотреть автоматическое “обнуление” счетчикапредметов при подаче напряжения питания на сортировочное устройство, а так же“обнуление” по команде обслуживающего персонала (ручное управление).

/>/>/>1.3. Обоснованиевыбора блочной схемы СУ.

На рисунке 2 представлена блочная схема сортировочного устройства СУ,которая даёт наглядное представление о структуре СУ, его внутренних связях иработы.

Рисунок 2.Блочная схема СУ

Блок аналоговых датчиков (БД) производит измерение трех параметровпредметов в аналоговой форме. Четвертый датчик Д4. выдает сигналготовности процесса измерения в цифровой форме. Единичному выходному сигналусоответствует момент времени, когда все три признака блоком БД сформированы.

Процесс преобразования аналоговых сигналов измерения в цифровой вид(Х1, Х2, Х3) осуществляет блок формирователейлогических уровней ФЛУ.

Цифровой (программный) автомат (ЦА) работает по жесткой программе,задаваемой таблицей истинности. При совпадении текущей совокупности измеренныхпараметров с заданной выдается выходной сигнал ЦА, используемый для счета ивключения исполнительного механизма после формирования определеннойдлительности tим1 ждущим мультивибратором(ЖМ1). Счет количества отсортированных предметов ведется десятичнымисчетчиками Сч100 – Сч1. Визуальная индикация числапредметов производится семисегментными индикаторами И100 – И1в десятичном виде. Для преобразования состояния счетчика (Сч) из двоичного кодав код, необходимый для управления индикаторами И100 – И1,используются специальные дешифраторы DC100 – DC1.

Дешифратор DC2 определяет момент достижения заданногоколичества отсортированных предметов. Ждущим мультивибратором ЖМ2формируется сигнал управления длительностью tим2вторым исполнительным механизмом и контейнер с предметами удаляется изнакопителя. По этому же сигналу счетчик автоматически “обнуляется”. Установкасчетчика Сч100 – Сч1 в нулевое исходное состояние можетбыть произведена вручную оператором путем коммутации кнопки S. Сигнал установкисчетчика в исходное состояние вырабатывается схемой формирования (СФ1).

Питание СУ производится от сети однофазного напряжения 220В,частотой 50Гц. С помощью понижающего трансформатора ТV получают источник тока стребуемым напряжением. VD – блок выпрямителей, СТ – блок стабилизаторовнапряжения.

В VD производится преобразование переменного тока в постоянный ифильтрация полученных нестабилизированных напряжений.

Блок СТ обеспечивает питание электронных схем СУ стабилизированныминапряжениями Uп. При подключении СУ к питающей сети предусмотреноавтоматическое “обнуление” счетчика с помощью схемы формирования (СФ2).

/>/>/>2. Разработка формирователей логических уровней (ФЛУ).

/>/>/>2.1. Разработкапринципиальной схемы ФЛУ.

ФЛУ предназначены для преобразования аналогового сигнала датчиковпризнаков (UД1, UД2, UД3) в цифровой сигнал.При этом должно быть выполнено условие: цифровой сигнал признаков (Х1,Х2, Х3) принимает “единичное” значение, если:

(2.) />

Реализуем поставленную задачу использовав два компаратора,формирующих выходные сигналы Х1¢,Х1² в соответствии сусловием (2). Диаграмма работы компараторов представлена на рисунке 3.

Рисунок 3.Диаграмма работы компараторов

Рассмотрим работу компараторов для одного канала преобразованияаналогового сигнала первого датчика UД1 в цифровой Х1.

На диаграмме (рисунок 3) представлены зависимости выходных сигналовкомпараторов Х1¢ и Х1² от величины входного сигнала датчикапризнаков UД1. При напряжении датчика:

/>;

при />.

Принципиальная схема,реализующая диаграмму (рисунок 3) и задание пороговых уровней UД1min и UД1max,представлена на рисунке 4. />

Рисунок 4.Принципиальная схема ФЛУ

Интегральный компаратор DA1.1 формирует цифровой сигнал Х1¢, а DA1.2 – Х1². С выхода делителя R1, R2,R3 задается пороговый уровень, равный напряжению UД1min,а с выхода делителя R4, R5, R6 – UД1max.Схема (рисунок 4) дополнена логическим устройством DD1.1, состояние которого взависимости от UД1 приведено в таблице 3.

Таблица 3.Состояния логического устройства DD1

UД1

Х1¢

Х1²

Х1

UД1 < UД1min

UД1min £ UД1 £ UД1max

1 1 1

UД1 > UД1max

1 *

Логическая функция Х1не определена на наборе Х1¢=0, Х1²=0, так как логическая функциятехнологически не может быть задана. Поэтому при формализации на этом наборе Х1может принять любое значение 0 или 1. В данном случае целесообразным являетсянулевое значение функции Х1 на наборе Х1¢=0, Х1²=0. Окончательный вид таблицы состоянияфункции Х1 дан в таблице 4.

Таблица 4.Таблица истинности функции Х1

Х1¢

Х1²

Х1

1 1 1 1 1

На инвертирующий вход компаратора DA1.1 с выхода потенциометра R2(рисунок 4) подается пороговый уровень UД1min, а с выхода R6– UД1max на не инвертирующий вход DA1.2. Так как аналоговый сигналдатчика признаков Uд положительной полярности, то и опорноенапряжение (Uоп) выбираем положительной полярности.

Выбор величины Uоп определяется наибольшим значениемнапряжений UД1max, UД2max, UД3max, в данномслучае 9,3 В. Условием выбора величины напряжения Uоп определим егопревышение на 10 – 20% относительно наибольшего значения из UД1max, UД2max,UД3max, получаем:

Схемы формирования логических сигналов Х2 и Х3аналогичны схеме на рисунке 4. При этом параметры резисторов R1, R2,R3 и R4, R5, R6 будут посчитаны всоответствии с заданными значениями UД2min, UД2max, UД3min,UД3max.

Логическое устройство (рисунок 4), реализующее функцию (2),выполнено на логическом элементе 3И (DD1.1). На третий вход подается выходдатчика Д4, единичное значение которого разрешает формированиелогического сигнала Х1. Окончательно, таблица состояния длялогического элемента DD1 имеет вид таблицы 5.

Таблица 5.Состояние DD1.

Х1¢

Х1²

Д4

Х1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Рассмотрим работу схемы (рисунок 4).

При Uд < Uдmin,положительный пороговый уровень Uдmin на инвертирующем входе DA1определяет нулевой уровень выхода Х1¢.На не инвертирующем входе DA1.2 действует положительное напряжение Uдmaxи на выходе Х1²формируется единичный уровень.

При Uд ≥ Uдmin, выход компаратора DA1.1переключается на высокий уровень, а выход компаратора DA1.2 остается на прежнемвысоком уровне.

При Uд = Uдmax выход компаратора DА1.1остается без изменения на высоком уровне, а выход компаратора DA1.2 переключаетсяна нулевой уровень. При Uд >Uдmax состояние компараторов не изменяется.

Формирование выходного логического сигнала признака Х1производится по высокому уровню сигнала датчика Д4.

Если Д4 = 1 и Uдmin £ Uд £Uдmax, то Х = 1;

если Д4 = 1 и Uд < Uдmin или Uд > Uдmax, то Х = 0.

Формирование логических уровней Х2,<sub/>Х3осуществляется аналогично описанному выше для Х1.

/>/>/>2.2. Выбор типакомпаратора.

Расчет схемы сводится к выбору типа компаратора и определенияпараметров резисторов R1, R2, R3, R4,R5, R6, R19, R20.

В основу расчета приняты 2 условия:

1. Минимальное влияние входных токов Iвхкомпаратора

2. Минимальное влияние величины напряжения смещения Uсмна формирование выходного сигнала (на точность работы).

Первое требует равенства эквивалентных сопротивлений, подключаемыхк инвертирующему и не инвертирующему входам компаратора:

(3.) />, />.

Условие (3) приводит к необходимости включения дополнительных резисторовR19 и R20 на соответствующие входы компараторов DA1.1 иDA1.2.

Второе условие ограничивает величину эквивалентных сопротивлений,подключаемых к входам компаратора:

(4.) />,

где:

Uсм – напряжение смещения выбранного компаратора,

Iвх – входной ток выбранногокомпаратора.

Определим точнее условие (4). Будем считать, что снижениеэквивалентного сопротивления по отношению к значению Uсм/Iвх на порядок, является достаточным. Тогдаусловие (4) будет иметь вид:

(5.) />.

При этом следует иметь ввиду, что влияние Uсм наточность не исключено. Сведено до минимума влияние входных токов Iвх выполнением условий (3) и (4).

При выборе типа компаратора учтём два положения:

а) возможность формирования выходного цифрового сигнала,соответствующего стандартному уровню КМОП серии логических элементов,

б) численное значение напряжения смещения Uсм,приведенное в справочных данных.

Если напряжение Uсм велико, то необходимо применитьдополнительную схему балансировки, подключаемую к дополнительным выводам NCкомпаратора в соответствии с рекомендацией, приводимой в литературе.Напряжение Uсм будем считать большим, если:

(6.) />.

А мы имеем следующее:/>/> это условие выполняется приисползовании компаратора К597СА3.Параметры UСМ= 0,005 В,IВХ = 0,25мкА

/>/>/>2.3. Расчетпараметров элементов принципиальной схемы.

При расчете сопротивлений резисторов делителей, задающих требуемыепороговые значения напряжений, определим ток, протекающий через делитель.Рассмотрим делитель напряжения R1, R2, R3 длязадания порогового уровня UД1min (рисунок 5). Делитель напряжениянеобходимо спроектировать так, чтобы с выхода R2 можно было получитьUД1min при выборе стандартных (по ГОСТ) значений сопротивленийрезисторов R1, R2, R3. Задача расчетасущественно упрощается, если выбрать ток делителя R1, R2,R3 – Iд, значительно превышающийвходной ток компаратора Iвх.

Если

(7.) />,

то входной ток компаратора можно не учитывать при расчетесопротивлений резисторов.

Для точной установки напряжения порогового уровня используетсярегулировочный резистор R2. Осью потенциометра можно плавно изменитьвеличину порогового напряжения в пределах от 0,9UД1min до 1,1UД1min.

Рисунок 5.Схема делителя

Для определения тока делителя (Iд).необходимо воспользоваться формулой (3) с учетом выражения (5) :

(8.) />,

(9.) />,

(10.) />,

(11.) />.

С учетом формул (9), (10), (11) преобразуем соотношение (8) ипредставим в виде:

(12.) />.

Из уравнения (12) определим неизвестный ток делителя Iд:

(13.) />.

Ток делителя R4, R5, R6 будетопределен аналогично выражению (13):

(14.) />.

Подставляя в выражения (13) и (14) паспортные значения компаратораК597СА3, Uсм= 0,005 В, Iвх=0,25мкА и исходные данные напряжений датчиков Д1, Д2, Д3,получим:

Проверяя условие /> делаемвывод, что входным током компаратора можно пренебречь из-за малой величины, ипользуясь только током делителя IДрассчитаем сопротивления резисторов делителя для датчика Д1:

(15.) />,

(16.) />,

(17.) />,

(18.) />,

(19.) />,

(20.) />,

где: R1p, R2p, R3p, R4p,R5p, R6p – расчетные сопротивления резисторов.

Далее по ГОСТ выбираем номиналы сопротивлений резисторов R1R2, R3, R4, R5, R6 поусловию:

R1 £ R1p,R2 £ R2p, R3£ R3p, R4 £ R4p, R5 £ R5p, R6 £ R6p,

то есть из ряда стандартных значений выбирается равное ближайшееили меньшее значение.

С учётом гостированных номиналов резисторов рассчитаем токделителей:

(21.) />

(22.) />

Далее делаем проверку возможности установки требуемого напряженияна резисторах R2 и R5:

(23.) />

(24.) />

С резисторами, выбранными по ГОСТ мы сможем обеспечить необходимыенапряжения на входах компаратора.

По формуле 3 рассчитаем сопротивление эквивалентных резисторов:

/>,

/>.

Расчёт резисторов для датчиков Д2 – Д3проводится аналогично описанному выше.

Проводя аналогичные вычисления для резистивных делителей датчиков Д2и Д3 с тем же компаратором К597СА3 расчитаем сопротивлениярезисторов:R7 – R18и R21 – R24.

R7=3900 (OM), R8=750 (OM), R9=3300(OM), R10=2000 (OM),

R11=1300 (OM), R12=6200(OM), R13=3600 (OM), R14=750 (OM),

R15=3300 (OM), R16=2700(OM), R17=1000 (OM), R18=4300 (OM),

R21=2000 (OM), R22=2000(OM), R23=2000 (OM), R24=2000 (OM),

/>/>/>2.4. Определениемощности и тока, потребляемых ФЛУ.

Рассчитаем рассеиваемую мощность резисторов на примереформирователя логического уровня для первого датчика:

(25.) />, />, />,

(26.) />, />, />.

где: />, />, />, />, />, /> - расчетные значениярассеиваемых мощностей.

/> – уточненное значение токаделителя после выбора резисторов по ГОСТ.

/>,

/>.

Номинальное значение рассеиваемой мощности PHRдолжно быть не менее расчетной:

(27.) />

Аналогично просчитав мощности резисторов делителей датчиков Д2– Д3, определим суммарное потребление мощности резистивных делителейдатчиков:

Ток потребления одного корпуса микросхемы компаратора равен 3,6 мА,в нашем случае 3 корпуса. Мощность потребления микросхемы выполняющую функцию3И–НЕ (К564ЛА9) равна 20 мВт на каждый логический элемент. Общая потребляемаямощность ФЛУ будет равен сумме всех обозначенных ниже мощностей:

(28.) />

Где:

/> – токпотребляемый микросхемой от двухполярного питания.

/>/>/>3. Проектированиецифрового автомата.

/>/>/>3.1. Минимизациялогической функции автомата.

Задачи в цифровой технике, как правило, формируются в виде таблицистинности. Решение задачи сводится к нахождению аналитического выражениялогической функции, которое соответствовало бы этой таблице. В данной задачепрограмма сортировки заданна следующей таблицей истинности:

Таблица 6.Программа сортировки.

Номер набора

Х1

Х2

Х3

Y 1 1 2 1 3 1 1 1 4 1 1 5 1 1 6 1 1 1 7 1 1 1

В таблице истинности выделим строки, в которых выходная переменная Y принимает значение 1. Для каждой строки таблицы составляемконъюнктивный терм (контерм) – логическое умножение всех входных переменных.Причем записывают сомножитель в прямом виде – Xi,если рассматриваемая переменная равна “1”, в противном случае записывают винверсном виде – />i…Таким образом составляем столько выражений, сколько имеется строк с Y=1;

Записывая логическую сумму всех найденных контермов, получаемискомую функцию в дизъюнктивной форме.

В соответствии с таблицей истинности (таблица 6) в строках 3, 4, 6функция Y=1. Контермы для каждой из строк имеютследующий вид:

а) строка 3 – />;

б) строка 4 – />;

в) строка 6 – />.

Искомая функция записывается в виде логической суммы конъюнктивныхтермов:

(29.) />

или

(30.) />

Преобразуем выражение (30) по правилам алгебры логики. Всоответствии с дистрибутивным законом:

(31.) />.

Логическая схема, построенная по выражению (31), приведена нарисунке 6.

Рисунок 6.Схема функциональная логического устройства.

/>/>/>3.2. Разработкапринципиальной схемы автомата.

В КМОП – серии, логических элементов И не выпускают, да ицелесообразно наиболее полно использовать элементы одной микросхемы, так какувеличение числа корпусов микросхем ведёт к увеличению потребляемой мощностивсей схемы и стоимости. Поэтому логическое выражение (31) преобразуем с помощьютеоремы Де Моргана:

(32.) />

В связи с необходимостью применения элемента 3И-НЕ, в схеме сбросасчётчиков, и в целях уменьшения количества корпусов микросхем и как следствиеуменьшения энергопотребления, целесообразно использовать такие же элементы(3И-НЕ) в схеме ФЛУ+ЦА. Поэтому функцию (32) реализуема на 3-х элементах 3-И-НЕи двух инверторах. Функциональная схема приведена на рисунке 7.

Рисунок 7.Схема цифрового автомата

/>/>/>3.3. Определениемощности и тока, потребляемых цифровым автоматом.

Мощность потребления микросхемы DD3 (К561ЛА9)равна 20мВт на каждый логический элемент. Учтём потребление мощности инверторовприменённых в ФЛУ и выполненных на микросхеме DD2 (К561ЛА9).

(33.) />

/>/>/>4. Разработкадвоично-десятичного счетчика.

/>/>/>4.1. Обоснованиеи выбор типа интегральной микросхемы двоично-десятичного счетчика.

В интегральном исполнении выпускаются асинхронные и синхронныеимпульсные счетчики. По способу кодирования внутренних состояний указанныесчетчики делятся на двоичные, двоично-десятичные (декадные) и др. Кроме того,следует различать суммирующие (UP – counter), вычитающие (Down–counter)и реверсивные (Up – down – counter) счетчики.

Для решения поставленной задачи целесообразно использоватьсинхронные двоично-десятичные счетчики в интегральном исполнении. Возможенвыбор реверсивного, хотя для простого счета предметов достаточным являетсяиспользование суммирующего. Общим недостатком асинхронных импульсных счетчиковявляется последовательное срабатывание триггеров, а значит, большое времяреакции на поступивший входной сигнал. Переключение триггеров в синхронныхсчетчиках происходит одновременно в течении времени задержки распространения.Последнее обстоятельство исключает появление помех (сигналов малой длительностии нестандартной амплитуды) особенно на выходе дешифраторов, фиксирующихдостижение счетчиком определенного состояния.

Для счёта предметов в нашем случае и для согласования корпусовмикросхем по входам, выделим из КМОП – серии реверсивный программируемый счётчик561ИЕ14. На рисунке 8 приведено УГО микросхем К564ИЕ14.

Рисунок 8. УГО микросхем К564ИЕ14

/>D0, D1,D2, D3 – информационные входы; Q0, Q1,Q2, Q3 – выходы; L – вход записи информации,установленной на входах D0, D1, D2, D3путем подачи высокого уровня напряжения; Р0– разрешение счета принизком уровне сигнала; С – тактовый (счетный) вход; U – при высоком уровне суммирующийрежим, при низком уровне напряжения вычитающий режим работы; ML – высокий уровень сигнала на входе определяет счет вдвоичном формате, при низком счет ведется в двоично-десятичном формате; Р4– выход конца счета (переполнение).

/>4.2. Проектирование счетчика предметов на заданное число.

На рисунке 9 показана схема соединения трехмикросхем в быстрый синхронный 12-разрядный счетчик до максимальногодесятичного числа 999.

Рисунок 9. Схема соединения трех микросхем

На вход Р0(вывод 5) микросхемы DD1 подается низкийуровень, постоянно разрешая счет. Декада DD1 является младшей (единиц), декадаDD3 — старшей (сотен). По входу 1 происходит счёт импульсов с выхода ЦА.Сигналом высокого уровня по входу 2 счетчик сбрасывается — ”обнуляется”. таккак на все информационные входы D0, D1,D2, D3 поданы “нули”. Низкийуровень на входе ML определяетсчёт в десятичной форме, Высокий уровень на входе Uзадаёт суммирующий режим.

/>/>4.3. Разработка дешифратора конца счета.

Программа сортировки предметов должна подать сигнал при достижениив контейнере предметов в количестве 789 шт. Разработаем дешифратора дляокончания счёта. Счёт ведётся в десятичной форме, составим таблицу истинностидля выходов счётчика представленного на рисунке 9:

Таблица 7.Таблица истинности дешифратора конца счёта

Единицы Десятки Сотни Y1 Y10 Y100 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 Q11 Q12 1 1 1 1 2 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 5 1 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1 1 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 8 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1 1

Функция дешифратора конца счёта имеет вид:

(34.) />

Реализуем эту функцию на 9-ти входовом элементе КМОП – серии 9И-НЕ.Функциональная схема конца дешифратора счета примет вид:

Рисунок 10. Схема дешифратора конца счёта

/>/>/>4.4. Разработкасхемы установки счетчика в исходное (нулевое) состояние

Необходимо решить четыре задачи:

– формирование логического сигнала от дешифратора на число N;

– формирование кратковременного логического сигнала при включенииприбора в сеть;

– формирование логического сигнала при нажатии кнопки “Сброс”;

– логическое объединение в один сигнал для управления счетчиком.

Счётчик обнуляется положительным перепадом напряжения, что бынаиболее просто обеспечить реализацию всех поставленных задач, выполним схемуна элементе 3И-НЕ как показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Схема сброса счётчика в исходное состояние

Время заряда конденсатора С6 до напряжения Uпитявляется временем автоматического сброса счетчика.

/> – определяет время втечении которого будет заряжаться конденсатор С6.

R26 для элементов КМОП-серийвыбирают до (100) кОм. Время “обнуления” τ не следует выбирать большим,так как это приведет к необходимости выбора конденсатора большой емкости. Времяне должно превышать значения 0,001 с. Выберем τ = 1×10-4 (сек), и сопротивление резистора R26 = 510 (Ом).

Определим ёмкость конденсатора С6 по формуле 35:

/>.

Активным уровнем, определяющим процесс “обнуления” счётчикаявляется высокий. Для ручного управления сбросом используем кнопку S2подключённую к клемме “^“ источникапитания. Сопротивление R27 для КМОП-серий выберем равным 4,7 кОм.Повышенные значения сопротивлений для КМОП-серий не рекомендуются из-за условияухудшения коммутации кнопкой S2 малых токов.

Активным уровнем дешифратора конца счёта является низкий. С учетомпринятых схемных решений таблица истинности объединяющего логического узла (ЛУ)имеет вид таблицы 8.

Таблица 8. Выход ЛУ

Х1 Х2 Х3 Y 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

/>/>/>4.5. Определениемощности и тока, потребляемых счетчиком.

Мощность потребляемая схемой двоично – десятичного счётчика (PСЧ) будет определяться суммой потребляемыхмощностей схемы счёта (P1), дешифратора (P2)и схемой обнуления (P3).

(35.) />

/>,

(36.) />

Мощность резисторов R26 R27рассчитаем по формуле (38):

(37.) />,

/>,

Произведём подбор мощностей резисторов R26и R27 по ГОСТ с учётом,

/>,

/>.

Мощность R26=0,5 Вт, R27=0,125 Вт.

Элемент DD3.3 (3И – НЕ) входит в составмикросхемы К561ЛА9 применённой в схеме ФЛУ и мощность этого элемента ужеучтена. Из этого следует, что мощность потребляемая схемой обнуления будетопределяться только мощностью потребляемой резисторами R26и R27:

/>,

/>.

/>/>/>5. Проектированиесхемы индикации в десятичной форме.

/>/>/>5.1. Выбор типадешифраторов и семисегментных индикаторов.

В качестве индикаторных устройств наибольшее применение находятполупроводниковые и жидкокристаллические семисегментные индикаторы (рисунок12).

При пропускании прямого тока через светодиод полоска (сегмент)начинает излучать свет красного, зеленого или желто-зеленого цвета.Определенное сочетание светящихся сегментов индицирует цифру или букву и приприменении специальных дешифраторов создается возможность вывода цифровой ибуквенной информации, отражающей состояние управляющих и вычислительныхустройств.

Рисунок 12. УГО семисегментного индикатора АЛС321А

Наиболее удобочитаемым, является индикатор АЛС321А с общим катодом.Высота знака у этого индикатора 7,5 мм, цвет свечения жёлто–зелёный.Токпотребления каждого сегмента равен 0,02 (А), напряжение питания одного сегмента3,6 (В)

Специальные дешифраторы предназначены для преобразования двоичногокода в семисегментный код и управления полупроводниковыми семисегментными ижидкокристаллическими индикаторами. Рассмотрим дешифратор К176ИД2 (рисунок 13)

Рисунок 13. УГО дешифратора К176ИД2

Входы D0 – D3 информационныевходы, a-g – выходы насемисегментный индикатор. При подаче на вход S высокого уровня – разрешение преобразования двоичного кода всемисегментный код, при подаче низкого уровня – “защёлка”. Высокий уровень навходе М определяет подключение семисегментного индикатора с общим анодом,низкий уровень – с общим катодом. При наличии “единицы” на входе К все сегментыиндикатора гаснут, низкий уровень разрешает индикацию. Таблица истинностидешифратора представлена в таблице 9.

Таблица 9. Таблица истинности дешифратора К176ИД2

L PI A B C D E F G Символ на индикаторе 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1 1 1 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1 L 1 1 1 1 1 1 1 1 1 H 1 1 1 1 1 1 1 1 P 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 R 1 1 1 1 1 - 1 1 1 1 1 Отсутствие символа

/>/>/>5.2. Разработкапринципиальной схемы индикации.

Максимальное прямое напряжение на сегменте индикатора равно 3,6 В.Наша задача – понизить напряжение выхода дешифратора (+8,2 В) до напряжения 3,6В. Реализуем эту задачу так как показано на рисунке 14:

Рисунок 14.

Найдём сопротивление резистора R по законуОма:

(38.) />

Где U – напряжение выхода дешифратора 8,2В,

Uпр – максимальное прямоенапряжение на сегменте индикатора, 3,6 В,

I – прямой ток сегмента, 20 мА.

Выберем по ГОСТу номинал резистора: R=240Ом

Рассчитаем мощность этого резистора:

Расчётная мощность резистора должна быть меньше выбранной по ГОСТу:

Р=0,125 (Вт)

/>/>/>5.3. Расчетмощности и тока, потребляемых схемой индикации.

Мощность потребления схемой индикации (Ринд) будетопределяться по формуле (39).

(39.) />

где Ри –мощность потребляемая тремя индикаторами;

Рд – мощность потребляемая тремя дешифраторами.

Ток потребления одним сегментом индикатора равен 20 мА. Возьмёмкрайний случай когда зажигаются все сегменты. В этом случае ток потребленияиндикатором будет равен 140 мА при прохождении прямого напряжения черезсегмент 3,6 В. Мощность потребления схемой индикации равна:

Потребляемая мощность дешифратора 0,05 Вт

/>/>/>6. Проектированиесхем управления исполнительными механизмами.

/>/>/>6.1. Выбор типаинтегральной микросхемы ждущего мультивибратора.

Смысл управления состоит в формировании сигнала заданнойдлительности. Эту задачу выполняет ждущий мультивибратор.

Из КМОП – серии следует отметить микросхему К564АГ1 (рисунок 15).

Рисунок 15. УГО микросхемы К564АГ1

Микросхема К564АГ1 содержит два ждущих мультивибратора (ЖМ). КаждыйЖМ имеет прямой Q и инверсный /> выходы.ЖМ можно запустить любым перепадом входного сигнала. Вход +TR используется длязапуска ЖМ положительным перепадом, при этом на неиспользуемый вход -TR подать“единичный” сигнал (+Uп). Для запуска ЖМ отрицательным перепадомсигнал подается на вход -TR, а на +TR — “нулевой”. Вход R используется дляукорачивания выходного импульса или для предотвращения появления выходногоимпульса при включении напряжения питания, например, как показано на рисунке15.

Длительность возбужденного состояния ЖМ для Ct можно определить по формуле:

(40.) />

/>6.2. Расчет параметров элементов времязадающих цепей

По формуле 40 рассчитаем ёмкость конденсатора C5для импульса τ1=0.019 (сек), задавшись R25=180000(Ом):

/>/>

Так как время τ1= τ2 параметрывремязадающих цепей одинаковы.

Заданные резисторы и найденные конденсаторы соответствуют своиминоминалами соответствующим ГОСТам.

Определим мощность резисторов:

Мощность PR25=PR28.

По ГОСТ выберем мощность резисторов равную 0,125 Вт.

Мощность потребления схемами ждущих мультивибраторов определяется:

/>/>/>6.3. Расчетмощности и тока, потребляемых схемой.

Рассчитаем суммарную мощность потребления всей схемой, суммировавполученные мощности в вышеизложенных расчётах, получим:

Определим ток потребления схемой:

/>/>/>7. Разработкаисточника питания.

/>/>/>7.1. Определениеисходных данных (количество источников напряжения, требуемые величинынапряжений и токов нагрузки).

Микросхемы КМОП – серии можно питать широким спектром напряжений,от +3В до +15 В. Малым напряжением не рекомендуется питать эти микросхемы,сильно понижается быстродействие и увеличивается чувствительность к помехам.Максимальным напряжением также не целесообразно запитывать КМОП – микросхемы,даже при малом повышении напряжения питания возможен выход из строя микросхемы.Мы остановимся на золотой середине. Обеспечив приличное быстродействие и запаспо питанию, определим напряжения питания микросхем равным +12 В.

Микросхемы компараторов необходимо согласовать по выходу свыбранной нами КМОП – серии по напряжению. Для этого запитаем их от источникадвухполярного напряжения ±12 В.

Источник питания на +12 В должен обеспечивать ток нагрузки равный0,21 А, а на напряжение -12 В – 0,003 А.

Для обеспечения задания порогов соответствующих напряжений навходах микросхем DA1 – DA3 необходимисточник опорного напряжения на 12 В. Источник опорного напряжения долженобеспечивать ток нагрузки равный 0,008 А.

/>/>/>7.2. Выборсхемы выпрямления и типа диодов.

Для выпрямления полученного напряжения на вторичных обмоткахтрансформатора TV применим мостовую схему выпрямителя свыводом нулевой точки трансформатора (рисунок 16), необходимого при реализацииполучения двух разнополярных относительно нулевой точки напряжений.

Рисунок 16. Схема выпрямителя на два одинаковых разнополярныхнапряжения

Диоды должны обеспечивать прохождение прямого тока нагрузки инапряжения, а также и обратного напряжения. К классу таких диодов относятся “выпрямительныедиоды”.

Трансформатор TV1 – стандартныйтрансформатор вторичного питания ТПП – 295 110 ПЛМ 22´32´58.

Выпрямительный мост VD2 – КЦ405А которыйобеспечивает необходимые нам требования, ток нагрузки до 1А.

/>/>/>7.3. Расчет ивыбор параметров схемы сглаживания пульсаций.

Активно-емкостная нагрузка выпрямителя создается для сглаживаниякривой выпрямленного напряжения. Включение конденсатора параллельно нагрузкеизменяет режим работы выпрямителя по сравнению с работой при чисто активнойнагрузке.

Чем больше емкость конденсатора, тем меньше размах пульсаций.Рассчитаем емкость конденсаторов С1 – С2 фильтра позаданным значениям тока нагрузки Iн и размаху пульсацийвыпрямленного напряжения.

Максимальное мгновенное значение выпрямленного напряжения Udmax можно принять на 1,5–2 В меньшим, чемамплитудное значение U2m, учтя падение напряжения на открытом диодеи на активном сопротивлении обмоток трансформатора. При выборе числовогозначения Udmin следует учесть, что Udmin должно быть на 25-30% больше, чем требуемоенапряжение питания электронной схемы при указанном в задании минимальном напряжениипитающей сети.

Ток, протекающий через конденсатор при разряде определяется поформуле 41:

(41.) />

где С – емкость конденсатора, Ф;

(42.) /> – скорость изменениянапряжения (производная), В/с.

Примем, что разряд конденсатора подчиняется линейному закону. Тогда(41) можно записать в виде:

(43.) />

где DUc –изменение напряжения на конденсаторе за время Dt.

Примем:

где Тn – периодпульсаций выпрямленного напряжения, равный 0,01с, соответствующий частоте 100Гц.

Из (42) с учетом (43) получим выражение для расчета емкостиконденсатора

/>/>

Из ряда ГОСТа выберем значение ёмкости конденсатора равное 560 мкФ.Рабочее напряжение на конденсаторе должно быть на 10 – 20% меньше егономинального значения, что следует учесть при выборе типа конденсатора.

/>/>/>7.4. Разработкапринципиальной схемы стабилизаторов, расчет параметров схемы и выбор типаприменяемых элементов.

Стабилизацию выпрямленного положительного напряжения будемпроизводить применив ИМ стабилизации напряжения КР142ЕН8Б включенную по схеме(рисунок 17):

Рисунок 17. Схема включения КР142ЕН8Б

Конденсатор С3 выберем 510 мкФ, тем самым обеспечивминимальные пульсации стабилизированного напряжения. Применение этой микросхемыобеспечивает ток нагрузки до 1,5 А… Отрицательный источник питания будемстабилизировать ИМ КР1168ЕН12А (рисунок 18). Применение КР1168ЕН12А обеспечитток нагрузки до 0,1 А… Ёмкость конденсатора С4 выберем равную С3.

Рисунок 18. Схема включения КР1168ЕН12А

/>/>/>8. Разработкаи описание принципиальной схемы сортировочного устройства.

Руководствуясь блочной схемой описанной в п.1.3 соединимразработанные нами функциональные узлы в одну схему.

На вход Д1 – Д3 сортировочного устройстваподается сигнал от аналоговых датчиков Д1 – Д3, измеряющих три параметрапредметов. Четвёртый датчик Д4 выдаёт сигнал готовности процесса измерения вцифровой форме и подключается к входу Д4 сортировочного устройства.

Процесс преобразования аналоговых сигналов измерения в цифровой видосуществляет блок формирователей логических уровней, состоящий из компараторовнапряжения DA1 – DA3 иделителей. При совпадении текущей совокупности измеренных параметров с заданной,выдаётся выходной сигнал цифрового элемента DD3.4, используемый для счёта ивключения исполнительного механизма после формирования сигнала определённойдлительности τим1 ждущим мультивибратором DА6.1. Счётколичества отсортированных предметов ведётся двоично-десятичными счётчиками DD5,DD8, DD10. Визуальная индикациячисла предметов производится семисегментными индикаторами HG1…HG3 в десятичном виде. Для преобразования состояния счётчикаDD5, DD8, DD10 из двоичногокода в код, необходимый для управления индикаторами HG1…HG3, используютсяспециальные дешифраторы DD4, DD7, DD9.

Дешифратор DD6 определяет момент достижения заданного количестваотсортированных предметов. Ждущим мультивибратором DA6.2формируется сигнал управления длительностью τим2 вторымисполнительным механизмом. По этому же сигналу счётчик автоматически''обнуляется'' с помощью обнуляющей системы DD2.3. Так же с помощью обнуляющейсхемы возможно обнуление счётчика вручную и автоматическое обнуление счётчикапри включении сортировочного устройства в сеть.

Выпрямители VD2 производят преобразованиепеременного тока в постоянный. Стабилизатор DА4 обеспечивает питание схемысортировочного устройства положительным источником питания, а стабилизатор DA5 обеспечивает питание компараторов DA1и DA2 отрицательным источником питания.

Управляющие исполнительными механизмами сигналы определённойдлительности τим1 и τим2 снимаются с выводовτим1 и τим2 сортировочного устройствасоответственно.

/>/>/>9. Заключение.

Разработанное в ходе курсового проекта сортировочное устройствопитается от однофазной промышленной сети переменного тока 220 В частотой 50 Гци обеспечивает надёжную работу при отклонениях напряжения питающей сети отноминального в пределах от плюс 10 до минус 15 %.

Данное сортировочное устройство предназначено для работы в закрытыхстационарных помещениях при температуре окружающего воздуха в пределах от плюс5˚С до плюс 40˚С.

Расчётная потребляемая мощность СУ 2,54 Вт, токопотребление 0,21 А

Все расчёты производились в программе EXEL.

/>/>/>/>10. Списоклитературы.

1. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительнойаппаратуре. Е.А. Зельдин. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986.-280с.: ил.

2. Васерин Н.Н. и др. Применение полупроводниковых индикаторов / Н.Н.Васерин, Н.К. Дадерко, Г.А. Прокофьев; Под ред. Е.С. Лепина. — М.:Энергоатомиздат, 1991. – 200 с.: ил.

3. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие / С.В.Якубовский, Н.А. Барканов, Л.И. Ниссельсон и др.;Под ред. С.В. Якубовского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь,1984. – 432 с. ил. — (Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).

4. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. – М.: Радиои связь, 1987. – 352 с.: ил. – (Массовая радиобиблиотека. Вып.1111).

5. Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и ихприменение: Справ. пособие. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь,1989. 240 с.: ил – (Массовая радиобиблиотека: Вып. 1143).

6. Интегральные микросхемы: Справочник / Б.В. Тарабрин, Л.Ф. Лунин,Ю.Н. Смирнов и др.; Под ред. Б.В. Тарабрина. – М.: Радио исвязь, 1984 -528 с., ил.

7. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для ВУЗов. – М.: Высш.школа, 1982. – 496 с., ил.

8. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника. Учебник для учащихсяэлектрорадиоприборостроительных техникумов. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.:Высш. шк., 1985. – 320 с., ил.

9. Бедрековский М.А. и др. Интегральные микросхемы: Взаимозаменяемость ианалоги: Справочник / М.А. Бедрековский, А.А Косырбанов, П.П. Мальцев. – М.:Энергоатомиздат, 1991. – 272 с.: ил.

10. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральнымсхемам / под общ. ред. Н.Н. Горюнова.–4-е изд., перераб. и доп.–М.: Энергия,1978,744с., ил

Приложение 1

Таблица 10. Спецификация

Зона

Поз. обозначе-ние Н а и м е н о в а н и е Кол.

Примечание

Резисторы

5,6 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 1

560 Ом СП5-16ВВ-0,125 1

2,4 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 1

R4, R5

1,6 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 2

7,5 кОм ± 5 % МЛТ – 0,125 1