Электронный сторож

kursovaya-rabota.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Направление – Мехатронника и робототехника
Кафедра – Компьютерных измерительных систем и метрологии (КИСМ)
Простейшая схема сигнализации
по курсу «Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем »
Тема курсового проекта
Простая схема сигнализации
Исходные данные к работе
Устройство осуществляет выдачу сигнала на исполнительное устройство при шуме и вибрации в помещении
Датчик вибрации и шума – пьезоэлемент выходное напряжение макс. 001 мкВ
Выходной сигнал +505 В
Напряжение питания – 123 В
Допустимая продолжительность вибрации и шума – 10 с
Разработка функциональной схемы и принцип действия5
1 Логические элементы схемы5
1Усиливающий каскад11
Список использованной литературы17
Целью данной курсовой работы было спроектировать схему автомата осуществляющего выдачу сигнала на исполнительное устройство при вибрации и шуме в помещении.
Данное устройство осуществляет сигнализацию при вибрации и шумев помещении не менее десяти секунд. При срабатывании сигнал передаётся на сигнализирующее устройство в данном случае для наглядности был использован динамик. В реальности можно использовать любые как электронные так и механические объекты при это всего лишь изменяя сопротивления нагрузки для подачи питания нужного вольтажа.
Разработка функциональной схемы и принцип действия
1 Логические элементы схемы
В схеме устройства использованы элементы логики. Такие как триггер Шмитта и D – триггер. Для наглядности спроектируем в системе Electronics Workbench работу классического триггера на двух транзисторах (VT1и VT2) с эмиттерными связями (см. рис.1).
Рис.1. Классическая схема триггера Шмитта
Входной сигнал от функционального генератора FG подается на вход In (база VT1) и канал А осциллоскопа OSC а выходной снимается с вывода Out (коллектор VT2) и подается на канал В. Для снятия передаточной характеристики триггера выставим режим генерирования сигналов треугольной формы с параметрами показанными на рис. 2.
Рис. 2. Установка режима генерирования сигналов треугольной формы.
Для того чтобы получить зависимость выходного напряжения от входного на осциллоскопе выберем режим развертки типа ВA (см. рис. 3).
Рис.3. Выбор режима развертки BA.
Поскольку далее для сравнения будет выполняться моделирование ТШ на типовых базовых логических элементах(DD1 и DD2) то схема предусматривает коммутацию приборов ключами [Space] и [C]. В данном же случае ключи [Space] должны находиться в верхнем положении а ключ [C] – в любом. Включив моделирование получим на экране характерную петлю гистерезиса (см. рис. 3).
Как уже отмечалось в ТШ наблюдается характерный гистерезис – отставание величины выходного напряжения от входного. Если частоту следования импульсов уменьшить в десять раз (для этого надо воспользоваться установочными кнопками в окошке Frequency функционального генератора) то можно визуально пронаблюдать как по мере роста напряжения вычерчивается вся кривая проходя фигуру против часовой стрелки. Такой своеобразный вид передаточной функции триггера обусловлен его переключением под действием входного напряжения регулируемого двумя обратными связями: положительной ОС со второго каскада на первый за счет общего резистора R4 и отрицательной ОС по току через этот же резистор когда открыт транзистор VT1. Если теперь переключить генератор на режим синусоидальных колебаний а осциллоскоп на развертку сигналов во времени (YT) то синусоидальные колебания на входе превращаются в синфазные (по основной гармонике) прямоугольные колебания на выходе триггера (см. рис. 4) поскольку в данном случае реализован неинвертирующий триггер Шмитта.
Рис.4. Вид колебаний на входе и выходе триггера.
В комплекте базовых логических элементов программы EWB имеется инвертирующий триггер Шмитта (см. компонент DD1 на схеме рис. 1). Для снятия передаточной характеристики этого триггера надо перевести переключатели [Space] в нижнее а ключ [C] – в левое положение. Установив режим развертки в положение BA а генератор на треугольную форму колебаний получим характеристику показанную на рис. 5.
Рис.5. Передаточная характеристика триггера.
В ней обход петли гистерезиса наблюдается по часовой стрелке. Если подать теперь на вход ТШ DD1 синусоидальные колебания на его выходе (в точке С) получатся противофазные (по основной гармонике) колебания прямоугольной формы. Эти колебания можно превратить в синфазные снимая сигнал с инвертора DD2 (переведя ключ [C] в правое положение).
Триггеры Шмитта позволяют эффективно отфильтровать шумы на пологих фронтах сигналов и являются незаменимыми для стыковки схем с медленно меняющимися сигналами (1Гц) с логическими устройствами типа счетчиков и регистров на их основе можно построить генераторы и другие устройства.
На рис. 6 7 показано использование ТШ для отстройки от высокочастотной помехи а на рис. 8 9 – простейший генератор прямоугольных импульсов на его основе.
Рис.6. Схема для отстройки от ВЧ помехи.
Рис.7. Осциллограммы входных и выходных сигналов.
Рис.8. Схема простейшего генератора прямоугольных импульсов.
Рис.9. Осциллограмма сигнала на выходе генератора.
Работу триггера можно описать с помощью таблицы переходов отражающей зависимость выходного сигнала триггера в момент времени tn+1 от входных сигналов и от состояния триггера в предыдущий момент времени tn.
Для асинхронного триггера момент времени tn+1 наступает когда под действием входных сигналов и в зависимости от внутреннего состояния в момент времени tn выходной сигнал принимает значение соответствующее последующему состоянию. Для синхронного триггера время tn и tn+1 означают время до и после прихода синхронизирующего (тактового) сигнала соответственно.
D-триггер имеет один информационный вход D состояние которого с каждым синхронизирующим импульсом передается на выход т.е. выходные сигналы представляют собой задержанные входные сигналы. Поэтому D-триггер - элемент задержки входных сигналов на один такт.
Логику работы асинхронных и синхронных D-триггеров поясняет табл. 1 и 2.
Табл.1. Таблица переходов асинхронных D- и T-триггеров
Табл.2. Таблица переходов синхронных D- и T-триггеров
Данная часть схемы состоит из пьезоэлемента и двух инвертирующих усилителей. Принцип работы этой схемы приведён на рисунке 1. Возбуждаясь под действием нагрузки чувствительный элемент выдаёт сигнал формы «Ступенька». Далее операционный усилитель DA1 [6] инвертирует и усиливает сигнал с коэффициентом усиления . Как видно с диаграммы усиления рисунка 1 усилитель DA2 [7] тоже инвертирующий с .
Рис.10. Усиливающий каскад с диаграммой усиления сигнала
Пьезоэлемент имеет сопротивление в пределах от 30 до 50 Ом поэтому целесообразно при расчёте коэффициента усиления первого ОУ взять . Значение второго резистора выбираем с учётом нужного значения коэффициента усиления. В таблице 3 указаны все номиналы резисторов и вычисленные коэффициенты ОУ.
Высчитаем коэффициенты усиления и значения выходных напряжений после каждого ОУ:
Когда сигнал подаётся на входы D – триггера. В различных комбинациях выше в пункте 1.1 показана работа триггера во всех его состояниях. Для работы нашей схемы достаточно режима при котором выходной сигнал принимает значение сигнала на выходе D и сохраняет предыдущее значение при D равном нулю.
Но прежде сигнал после операционного усилителя подаётся на RC-фильтр. Работает он следующем образом. Ток идёт по цепочке состоящей из резистора и конденсатора (рисунок 11) до тех пор пока не зарядится элемент ёмкости. При его зарядке сигнал поступает на вход D имеющегося триггера.
В задании имеется условие которое говорит что устройство должно срабатывать только после 10 секунд вибрации датчика. То есть минимальное время зарядки конденсатора должно быть 10 секунд. Необходимое напряжение зарядки ёмкостного элемента около 5 вольт.
Рис.11. Закон зарядки конденсатора
Т —постоянная времени это время при котором величина достигнет 63% от своего максимума
T — а при троекратной постоянной значение достигнет 95% своего максимума. Постоянная времени для RC цепи:
Подберём R и C для максимального значения напряжения при Т = 10 секундам:
Из уравнения видно что сопротивление а ёмкость . Номинального значения емкостного элемента в 30 mcF не существует поэтому в практической реализации будем использовать ёмкость в 33 mcF. Значение наминала резистора совпадает с номинальным значением.
Рис.12. Фильтр сигнала
Диод D1 служит в схеме для увеличения скорости разрядки ёмкостного элемента после снятия нагрузки. DD1 – триггер Шмитта. Функционал его подобно расписан в пункте 1 параграф 1.1. R6 – подтягивающий резистор номиналом в 1 kOm.
Блок оповещения представляет пьезодинамик с определённой нагрузкой который подключён к транзисторному ключу на биполярном транзисторе.
Рис.13. Блок сигнализации
В данной работе мы спроектировали схему автомата осуществляющего выдачу сигнала на исполнительное устройство при вибрации и шуме в помещении.
Устройство сигнализирует при вибрации и шуме в помещении больше 10 секунд. Данное устройство можно применять в охране таких объектов как дачная теплица либо помещений которые находятся рядом с охраняемыми объектами но следить отдельно за ними нет средств.
Список использованной литературы
Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. Санкт-Петербург: «Корона» 2000. – 415 с.
Фомичев Ю.М. Сергеев В.М. Электроника. Элементарная база аналоговые и цифровые устройства. Издательство Томского политехнического университета: 2011. – 274 с.
Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники. Москва «Мир» – 1993. 123 том.
Операционный усилитель AD513.
Операционный усилитель NE531.
Элемент логики (D – триггер) 74AC11074 TI
Элемент логики (триггер Шмитта) SOT 23-5