Цифровой измеритель давления на базе микросхемы PSoC

 

 

Белорусский национальный технический университет

 

Факультет приборостроительный

 

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

 

 

по дисциплине «Программируемые цифровые устройства»

Тема: «Цифровой измеритель давления на базе микросхемы PSoC»

 

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель: студентка ПСФ 4 курса, группы 113815

                        Еровченко Наталья Сергеевна

 

Руководитель: доцент, кандидат физико-математических наук, доцент

                          (ученое звание, ученая степень, должность)

                          Кривицкий Петр Геннадьевич

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2009

Белорусский национальный технический университет

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

 

по дисциплине «Программируемые цифровые устройства»

Тема: «Цифровой измеритель давления на базе микросхемы PSoC»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель:___________________ Еровченко Н.С.

                                    (подпись)

                        студентка  4  курса,  113815 группы

 

Руководитель:__________________ Кривицкий П.Г.

                                                         (подпись)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2009

 

РЕФЕРАТ

Курсовой проект содержит 43 с., 17 рис., 5 табл., 14 источн., 6 прил.

 

МИКРОСХЕМА, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ДАТЧИК, ИЗМЕРИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ, СВЕТОДИОДНЫЙ ИНДИКАТОР, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС, СЕТЕВОЙ АДАПТЕР.

 

Цель работы - разработка цифрового измерителя давления на базе микросхемы PSoC используя датчик давления MPXAZ4100A с отображением результата на светодиодном индикаторе и подсоединением к ПК через USB-порт.

 

Объектом исследования представленной курсовой работы является цифровой измеритель давления.

 

При написании данного курсового проекта были обозначены следующие основные задачи:

1. изучение исходных данных к проекту;
2. выбор элементной базы;
3. описание электронной схемы и её функционирование;
4. описание алгоритма работы программы.

 

Область возможного практического применения: индикаторы уровня, индикаторы утечки, спортивное и медицинское оборудование, барометры, насосы, альтиметры и т.д.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение			5
1	Обзор литературы		6
	1.1	Полупроводниковые датчики давления компании Моторола	6
	1.2	Датчики давления SCP1000	12
2	Выбор элементной базы. Обоснование выбора		15
	2.1	Микросхема PSoC	15
	2.2	Датчик MPXAZ4100A	19
	2.3	7-сегментный светодиодный индикатор  с общим катодом	22
	2.4	Последовательный интерфейс USB	24
	2.5	Сетевой адаптер AC-DC	28
3	Схемотехническая часть (описание электронной схемы и ее функционирования)		29
4	Программная часть (описание разработанных алгоритмов и программ)		30
	4.1	Описание алгоритма основной программы	30
	4.2	Описание алгоритма опроса датчика давления	30
Заключение			31
Список использованных источников			32
Приложение 1. Техническое задание			33
Приложение 2. Текст программы			38
Приложение 3. Перечень элементов			40
Приложение 4. Структурная схема программы			41
Приложение 5. Функциональная электрическая схема			42
Приложение 6. Принципиальная электрическая схема			43

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся направлений в области элементной базы измерительных систем является разработка полупроводниковых датчиков. Совершенствование полупроводниковых технологий открывает новые возможности для миниатюризации компонентов и реализации интегрированных решений для широкой номенклатуры изделий. Это приводит с одной стороны к удешевлению датчиков, а с другой - делает их более удобными и простыми в использовании.

Микросхемы PSoC фирмы Cypress представляют собой 8-битный микроконтроллер, содержащий микропроцессорное ядро и массив цифровых и аналоговых блоков, позволяющий реализовывать необходимые пользователю периферийные функции, как вполне стандартные, так и такие необычные для микроконтроллеров, так, например, аналоговые фильтры и инструментальные усилители.

Программируемая система на кристалле (PSoC) позволят реконфигурировать “на лету” состав и функции как аналоговой, так и цифровой периферии. Другими словами, PSоC способен, перебирая различные архитектуры аналоговой матрицы и цифровой периферии, путем записи управляющего слова в специальные регистры, превращаться в тысячи различных устройств, насколько хватит воображения разработчика.

Целью курсового проекта является разработка цифрового измерителя давления на базе микросхемы PSoC с исходными данными:

• микроконтроллер типа PSoC;
• датчик MPXAZ4100A;
• последовательный интерфейс USB;
• 4-символьный 7-сегментный светодиодный индикатор с общим катодом;
• питание: сетевой адаптер АC-DC с Uвых=9-15 В.

 

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

 

Датчики давления - измерительные преобразователи давления жидкости или газа в электрический, пневматический и др. вида выходной сигнал; служит также для измерения разряжений и перепада давлений.

Наиболее массовыми электрическими элементами, используемыми для измерения величины силы давления, являются резистивные и полупроводниковые тензометрические датчики, а также пьезоэлектрические преобразователи. Тензометрический датчик измеряет силу косвенным методом - путем измерения деформации калиброванного элемента, вызванной действием данной силы. Для измерения давления, можно конвертировать его соответствующим преобразователем в силу, а затем измерить ее тензометрическим методом.

 

1.1 Полупроводниковые датчики давления  компании Моторола

 

В наиболее широком ассортименте компания Моторола выпускает датчики давления. Полупроводниковая технология позволила создать упругий элемент датчика давления в виде кремниевой диафрагмы, непосредственно на которую методом ионной имплантации внедряют тензорезистивную структуру. Сцепление тензорезистора и кремниевой мембраны на молекулярном уровне позволяет исключить погрешности, связанные с передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору.

Изготавливаемый таким способом монолитный кремниевый измеритель давления, запатентованный фирмой Моторола, получил название X-ducer из-за крестообразного расположения четырех выводов (рисунок 1). Одна пара выводов элемента давления служит для подачи питающего напряжения, а на второй паре датчик развивает разность потенциалов, линейно зависящую от приложенного напряжения и механического давления.

Рисунок 1 – Чувствительный элемент X-ducer

 

Кристалл датчика, объединяясь с подложкой, может образовывать абсолютный или дифференциальный чувствительный элемент (рисунок 2).

Рисунок 2 – Дифференциальный (а) и абсолютный (б) чувствительные элементы

 

Внутри абсолютного элемента при помощи подложки образуется вакуумный промежуток, относительно которого и выполняются измерения. У дифференциального чувствительного элемента пространство открыто для поступления внешней среды с обеих сторон диафрагмы, но всегда оговаривается, что большее давление должно подаваться со стороны P1, а меньшее - со стороны P2.

Основным классификационным признаком для деления датчиков фирмы Моторола на группы является степень интеграции. Различают следующие типы датчиков:

• некомпенсированные датчики (Uncompensated);
• термокомпенсированные и калиброванные датчики (Compensated);
• интегрированные датчики (Integrated);
• медицинские датчики (Medical).

Простейшие некомпенсированные датчики содержат на кристалле собственно один элемент X-ducer.

Более сложные термокомпенсированные и калиброванные датчики включают также термисторы для коррекции температурной погрешности нуля и чувствительности датчика, а также дополнительные подгоночные резисторы, сопротивления которых в процессе производства подстраиваются лазером для минимизации разброса нулевого смещения и чувствительности датчиков от образца к образцу.

Наконец, в схему датчиков, которые называются интегрированными или датчиками со стандартным выходным сигналом, введен дополнительный усилитель, который приводит выходное напряжение датчика к стандартному входному диапазону интегральных АЦП.

Медицинские датчики по степени интеграции можно было бы отнести к термокомпенсированным датчикам, но они выделены в отдельную группу, поскольку их тип корпуса, рабочий и температурный диапазоны соответствуют специальным медицинским приложениям.

По виду измеряемого давления различают

• абсолютные (для измерения абсолютного давления);
• дифференциальные (для измерения разности давлений);
• относительные (для измерения избыточного над атмосферным давления);
• вакуумные датчики (для измерения степени разрежения).

Датчики давления разделяют также по типам корпусов, в которые упаковываются чувствительные элементы. На рисунке 3 показана внутренняя конструкция круглого базового корпуса. Видно, что чувствительный элемент приклеен к внутренней поверхности корпуса и защищен специальным гелем, который равномерно передает давление на мембрану и в тоже время изолирует выводы чувствительного элемента от внешней среды.

Рисунок 3 – Конструкция базового корпуса

 

Кроме базового корпуса широко распространены и другие типы корпусов, предназначенные как для монтажа на поверхность, так и для пайки в отверстие (рисунок 4). Имеются корпуса с шагом выводов 2,54 мм (SOP и DIP) и с шагом 1,27мм (MPAK и SSOP). Корпуса медицинских датчиков выполнены из специальных нетоксичных, неаллергичных материалов, пригодных для дезинфекции и прошедших необходимые медицинские тесты. Кроме четырех или трех (у датчиков со стандартным выходным сигналом) рабочих выводов корпуса датчиков имеют дополнительные технологические выводы, которые используются во время лазерной подгонки внутренних резисторов.

Рисунок 4 – Корпуса датчиков давления: (а) базовые корпуса, (б) SOP, (в) DIP, (г) MPAK, (д) SSOP, (е) Medical Chip Pak

 

Рассмотренные типы корпусов не имеют специальных приспособлений для крепления датчика и для подвода среды, в которой измеряется давление. Для этих целей необходим внешний дополнительный порт. Моторола предлагает исполнения датчиков в корпусе без порта или с портом. На рисунке 5 изображены корпуса датчиков с портами и указаны их обозначения, использующиеся при маркировке.

 Рисунок 5 – Порты датчиков давления Моторола: а) одиночный порт для базового корпуса (суффиксы AP, GP); б) дифференциальный порт для базового корпуса (суффикс DP); в) порт "печная труба" для базового корпуса (суффиксы AS, GS); г) аксиальный порт для базового корпуса (суффиксы ASX, GSX); д) порт для корпуса MPak (суффикс AS/GS); e) порт для корпуса SSOP (суффикс AC6); ж) аксиальный порт для корпуса DIP (суффикс GС7U); з) аксиальный порт для корпуса SOP (суффикс AC6/GC6); и) одиночный порт для корпуса SOP (суффиксы AP/GP); к) вакууумный порт для корпуса SOP (суффикс GVP); л) дифференциальный порт для корпуса SOP (суффикс DP).

 

Датчик с дифференциальным чувствительным элементом может быть дифференциальным, относительным или вакуумным в зависимости от типа используемого порта. Дифференциальный датчик (суффикс DP) имеет два ввода для подачи среды с обеих сторон мембраны. Относительный датчик (суффиксы GP, GS, GSX) имеет один ввод для повода среды со стороны большего давления Р1 и отверстие в корпусе, через которое окружающий воздух свободно поступает с другой стороны мембраны. Вакуумный датчик (суффикс VP), наоборот, имеет ввод со стороны меньшего давления P2.