Разработка структурной схемы программируемого таймера для установки подводного вытяжения позвоночника

2. Разработка структурной схемы программируемого таймера для установки подводного вытяжения позвоночника

Система построена на базе однокристальной микроЭВМ МК51. В состав устройства входят датчики, электродвигатели, клапана. Предполагается применение трёх видов датчиков:

- Датчик температуры – предназначен для измерения температуры воды в бассейне для последующего автоматического поддержания её на заданном уровне.

- Датчик усилия – предназначен для измерения усилия растяжения, прикладываемого к пациенту.

- Датчик уровня – предназначен для измерения уровня воды в бассейне

Устройство содержит следующие узлы:

Коммутатор – предназначен для последовательного, разделённого во времени опроса каждого из датчиков и позволяет упростить схему, ограничившись применением одного АЦП.

АЦП – аналагово-цифровой преобразователь, предназначен для преобразования сигнала датчика, в данный промежуток времени подключённого к АЦП через Коммутатор, в цифровой код.

ЖК Модуль – Устройство на жидких кристаллах, отображающее информацию о режимах процедуры.

Дешифратор – предназначен для коммутации устройств, управляемых системой.

К1, К2, К3 – гидроклапаны с электроприводом для регулирования и подачи горячей, холодной воды и слива её из бассейна.

УС – устройство сопряжения, преобразующее цифровой сигнал с контроллера в необходимые управляющие сигналы.

Шаговый двигатель – двигатель, привод которого регулирует нагрузку.

Регуляция усилия растяжения, прилагаемого к пациенту осуществляется с помощью шагового двигателя. Включение подачи горячей и холодной воды, а также, слив воды осуществляется гидроклапанами открывание и закрывание которого осуществляется электрическим приводом. В качестве устройства отображения предполагается использование готового ЖК-модуля со встроенным контроллером. Устройство работает следующим образом: при включении установки устройство, снимает показания датчика уровня и если бассейн пуст, то открывает гидроклапаны подачи холодной и горячей воды. Когда уровень воды достигнет датчика температуры, устройство контролирует температуру воды и регулирует её подачу таким образом, чтобы температура сохранялась постоянной заданной заранее (обычно 37°С). При достижении воды уровня наполнения, наполнение прекращается и система переходит в режим поддержания температуры и объёма воды. После закрепления поясов больного оператор выставляет время и режим работы устройства (скорость изменения нагрузки, диапазон нагрузок и т.д.). По окончании процедуры, нагрузка снимается с пациента. Для интерфейса с оператором используется простейшая клавиатура и ЖК-модуль. Удобство интерфейса будет определятся в значительной степени программным обеспечением. Для возможности быстрого изменения конструкции с целью добавления дополнительных датчиков а также средств регулировки воздействия, датчики и потребители подключены при помощи коммутирующих схем на базе дешифраторов.

3.1 Разработка схемы электрической принципиальной программируемого таймера в составе устройства управления тракционной установкой

Подбор электронных компонентов схемы производится, на основе разработанной структурной схемы устройства. Программируемый таймер является неотъемлемой составной частью устройства управления установкой подводного вытяжения позвоночника. В данной главе основное внимание сконцентрировано на разработке цифровой части электрической схемы устройства. Основу устройства управления составляет однокристальная микроЭВМ КР1816ВЕ751, имеющая в своём составе репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

ОМЭВМ, назначение выводов которой представлено на рисунке 3.1 состоит из следующих основных функциональных узлов: блока управления, арифметико-логического устройства, блока таймеров/счетчиков, блока последовательного интерфейса и прерываний, .программного счетчика, памяти данных и памяти программ. Двусторонний обмен информацией между функциональными блоками осуществляется с помощью внутренней 8-разрядной магистрали данных. Разряды порта 3 микроконтроллера имеют двойную функцию, в зависимости от установленных режимов работы. Порт 3 может функционировать как обыкновенный параллельный 8-разрядный интерфейс, либо позволяет организовывать последовательный канал обмена данными и систему прерываний от внешних устройств, причём существует возможность задавать режим работы каждого разряда порта 3 в отдельности.

В устройстве управления использована возможность организации обработки прерывания от внешнего устройства для отсчёта секундных интервалов времени, что позволило сэкономить программную память и сосредоточить внимание программы на обработку показаний датчиков и работу с ЖК модулем. Для отсчёта секундных интервалов используется микросхема-таймер КР1008ВИ1 (рисунок 3.2), позволяющая задавать RC-цепочкой временные параметры генерируемого сигнала. Несмотря на отсутствие в схеме таймера кварцевого резонатора, RC-цепочка даёт стабильные колебания с достаточной для отсчёта времени процедуры точностью.

Устройство оснащено датчиками температуры, усилия растяжения, уровня жидкости. В данном проекте не рассматриваются цепи подключения датчиков к аналогово-цифровому преобразователю (АЦП) и

предусилительные схемы, ввиду наличия широкой номенклатуры изготавливаемых сенсоров, в том числе и со встроенными предусилителями сигнала. Схема устройства управления включает в себя систему сбора данных, построенную на одной микросхеме КР572ПВ4. Микросхема имеет 8 аналоговых входов и осуществляет последовательно преобразование по каждому из них. Аналоговый сигнал преобразуется в 8-значное двоичное число. Коэффициент нелинейности не более 0.3% Каждому аналоговому каналу соответствует ячейка оперативной памяти. Считывание данных может происходить асинхронно с получением результатов преобразования. Данный АЦП позволяет «оцифровывать» сигнал с напряжением до 2.5В. На полный цикл преобразования по всем восьми каналам требуется :не более 256 мкс, при тактовой частоте 2.5 Мгц. Ввиду того что в разрабатываемом устройстве нет необходимости в быстроте преобразования, скорость преобразования не имеет особого значения. Тактовым генератором для микросхемы сбора данных является таймер КР1008ВИ1. Для отображения информации применён ЖК-модуль MT-12S2-1 .(LCD) Данное индикаторное устройство позволяет отображать как цифровую так и символьную информацию. Размер экрана 2х12 символов при матрице символа 5х8. ЖК-модуль имеет встроенный контроллер управления экраном, аналогичный SED1520DOA фирмы SEIKO EPSON. Шина данных модуля имеет восемь разрядов. Назначение выводов ЖК-модуля (рисунок 3.3) и протокол обмена данными с ним показаны (рисунок 3.4) будут затронуты подробнее при разработке алгоритма программы.

В состав системы включена клавиатура, состоящая из четырёх клавиш.

Интерфейс с опреатором предполагается организовать в режиме выбора пунктов меню и изменения установленных по умолчанию значений.

Исполнительная часть схемы состоит из трёх клапанных механизмов, положением клапанов которых управляет электромагнитный привод,

показанный на схеме катушками L1, L2, L3 (рисунок 3.5). Клапанные механизмы предназначены для управления подачей горячей и холодной воды в ванную, а также слива воды после процедуры. Устройство, ввиду того, что имеется датчик температуры, имеет возможность контроля температуры воды и поддержания её постоянной . Датчик уровня позволяет организовать слежение за уровнем воды при наполнении ванны и подачи горячей воды для поддержания постоянной, комфортной для тела температуры.

Для изменения усилия воздействия в системе предусмотрен шаговый двигатель. (M). Задача по формированию управляющих импульсов для шагового двигателя возложена на микроконтроллер, что позволило упростить электрическую схему. Кинематическая схема изменения нагрузки, приведенная на рисунке 1.5 взята за основу, как наиболее простая и эффективная по моему мнению. Для контроля усилия натяжения предусмотрен датчик усилия натяжения, установленный на передающем усилие тросу.

В качестве схемы сопряжения между силовыми приводами и микроконтроллером, выбраны транзисторные ключи на составных транзисторах (VT1-VT7) КТ827 большой мощности и с большим коэффициентом усиления. В транзисторных ключах на выходе, параллельно с нагрузкой установлены диоды VD1-VD7 для шунтирования напряжения индукции, неизбежно возникающего на обмотках электромагнитного механизма при движении ротора или якоря реле.

Ориентировочный рассчёт времязадающих цепей, транзисторных ключей приведен в разделе 3.2.

Все микросхемы устройства функционируют при напряжении +5В, однако для микросхемы АЦП необходимо опорное напряжение +2.5В. Разрабатываемое устройство имеет в своём составе блок питания с источником стабилизированного напряжения +2.5В. Ввиду небольшой потребляемой мощности устройства, схема блока питания состоит из трансформатора с выходными напряжениями 5В, 12В, 36В. В её состав также входят диодные мосты для двухполупериодного выпрямления тока питания и конденсаторы для сглаживания пульсаций. Опорное напряжение стабилизируется при помощи интегрального стабилизатора на микросхеме КР142ЕН10. (DD1) Выходное напряжение задаётся при помощи резисторного делителя. Расчёт блока питания приведен в разделе 3.3.

Расчёт номиналов элементов системы управления установкой подводного вытяжения позвоночника.

Рассчёт необходимо начать с времязадающих цепей таймеров КР1008ВИ1 (DD2,DD4) . (рисунок 3.6)

(3.1)

Т.к. питание микросхемы +5В, то на значение номиналов резисторов налагаются следующие ограничения:

 (3.2)

Начнём рассчёт с рассчёта таймера, задающего секундные интервалы.

Зададимся значением суммы R1+R2=2Мом. Тогда получим:

 (3.3)

Из ряда Е12 (см. приложение B) выбираем значение С=0.68мкф.

Прерывание от таймера будет вызываться по переходу сигнала на входе микроконтроллера из 1 в 0, т.е по срезу.

Найдём значение R2 из (3.1) приняв значение t2=0.001c.

 (3.4)

Из ряда Е12 выберем 2,2 Ком.

Рассчитаем R1 из (3.1)

 (3.5)

Рассчитаем таймер, генерирующий тактовые импульсы для микросхемы АЦП. При работе таймера на частоте 2,5Мгц, время преобразования по каждому из каналов составляет 32мкс. Таймер КР1008ВИ1 имеет возможность генерировать импульсы длительностью не менее 20мкс, что соответствует частоте:

 (3.6)

при такой частоте тактовых импульсов скорость преобразования по каналу составит:

 (3.7)

Рассчитаем параметры времязадающих цепей таймера, генерирующего тактовые импульсы для АЦП.

 (3.8)

Выберем из ряда Е12 значение C=15пф

Рассчитаем значение резистора R2 по формуле 3.2.4:

 (3.9)

Выберем из ряда Е12 значение R2=1.8Мом

По формуле (3.5) рассчитаем значение R1

 (3.10)

Результаты рассчётов с учётом обозначений элементов по схеме электрической принципиальной приведены в таблице 3.1

Номиналы резистора R3 и конденсаторов C3,C4,C5 взяты, как типовые для времязадающей цепочки микроконтроллера МК51. Произведём рассчёт коммутирующего транзисторного ключа для схемы управления шаговым двигателем. Типовые параметры шагового двигателя небольшой мощности приведены в таблице 3.2

Таблица 3.2 - Параметры шагового двигателя

Для рассчёта примем номинальный ток каждой из обмоток шагового двигателя равным 2А. Схема представлена на рисунке 3.7

Для рассчёта потребуются следующие данные:

H₂₁=750..18000

I_k.max=20А

U_бэ=1,2...2в

Ток базы транзистора в открытом состоянии не должен превышать максимально допустимый ток на выходе параллельного порта микроконтроллера. Максимальный ток на выходе составляет: не более 10мА.

При I_к=2А получим:

 (3.11)

Определим величину ограничительного резистора R:

 (3.12)

откуда:

 (3.13)

Из ряда Е12 выберем R=820 Ом