Разработка измерителя частот для сетей переменного тока

     В данной разработке предложен для  использования микроконтроллер  зарубежной фирмы “Microchip Technology” – PIC16F628A. Он обладает рядом важных достоинств, что и обусловило его выбор.

     Во-первых, – это его функциональные возможности. В его состав входит два 16-разрядных таймера-счетчика, что позволяет отказаться от использования отдельных многоразрядных счетчиков. Присутствует и канал последовательного ввода-вывода данных (UART), который позволяет организовать интерфейс с индикатором.

     Во-вторых, изделия этой фирмы широко распространены как на украинском, так и на мировом рынке микроконтроллеров, что уменьшает стоимость маркетинговых операций.

     В-третьих  – это его низкая стоимость (на сегодняшний день порядка 3 долларов), что также позволяет уменьшить общую стоимость изделия.

     Все указанное выше позволяет утверждать о целесообразности его применения в данной разработке.

     Контроллер  PIC16F628A содержит электрически перепрограммируемое ПЗУ объемом 2 Кбайт, внутреннее ОЗУ объемом 224 байт, 16 линий ввода-вывода, три таймера-счетчика (два по 8 бит и один 16 бит), шесть векторов прерываний и аналоговый компаратор.  

   Особенности микроконтроллеров PIC16F628A:

• Внешний и внутренний режимы тактового генератора 
  - Прецизионный внутренний генератор 4МГц, 
  нестабильность +/- 1% 
  - Энергосберегающий внутренний генератор 37кГц 
  - Режим внешнего генератора для подключения кварцевого или керамического резонатора
• Режим энергосбережения SLEEP
• Программируемые подтягивающие резисторы на входах PORTB
• Сторожевой таймер WDT с отдельным генератором
• Режим низковольтного программирования
• Программирование на плате через последовательный порт (ICSP) (с использованием двух выводов)
• Защита кода программы
• Сброс по снижению напряжения питания BOR
• Сброс по включению питания POR
• Таймер включения питания PWRT и таймер запуска генератора OST
• Широкий диапазон напряжения питания от 2.0В до 5.5В
• Промышленный и расширенный температурный диапазон
• Высокая выносливость ячеек FLASH/EEPROM

 

     В принципиальной схеме частотомера можно выделить основные узлы, которые несут определенную функциональную нагрузку. Это входной блок, включающий в себя разделительные конденсаторы С4-С5, токоограничивающий резистор R6 с разделительным конденсатором С6, ограничивающие диоды VD1 и VD2 и усилитель в виде транзистора VT1. Источником эталонных счетных импульсов является кварцевый генератор Q1. Для отображения информации служит ЖКИ модуль со встроенным м/контроллером HD44780 фирмы "Hitachi".

     Подробнее о работе схемы.

     На  вход прибора подается изменяющееся напряжение, значение которого может  быть 1-10 вольт, а диапазон частот от 20Гц до 1кГц. Оно поступает на разделительные конденсаторы С4 – С5, которые отсекают постоянную составляющую измеряемого сигнала. При этом переменная составляющая остается без изменения. Этот сигнал подается на усилитель, выполненный на транзисторе VT1 с коллектора которого импульсный сигнал поступает на вход T1CKI (вывод 12) микроконтроллера DDI. В данном проекте используется биполярный маломощный высокочастотный транзистор КТ3102А. Его основные характеристики:

     Таблица 3.1.

 

     Максимальное  входное напряжение, подаваемое на вывод контроллера T1CKI не должно превышать напряжение питания +5 вольт, а минимальное – быть меньше потенциала земли. Для ограничения подаваемого входного сигнала служат диоды VD1-VD2. Если прикладываемое к диоду напряжение превысит пороговый уровень, он открывается и поддерживает это напряжение на постоянном уровне. В качестве диодов выбран импульсный диод КД521Г. Его параметры:

• Максимальное обратное напряжение – 30 вольт.
• Падение напряжения на открытом диоде – 1,0 вольта.
• Максимальный прямой ток – 50 мА.
• Обратный ток – 1 мкА.
• Время восстановления – 4 нс.

     Таким образом, прошедшая переменная составляющая входного сигнала ограничена напряжением  пробоя (открывания) ограничительных  диодов, т. е. не превышает по абсолютной величине 1 вольта. Для ограничения прямого тока через диоды в пределах допустимого служит токоограничивающий резистор R6.  

     Для отображения информации применен цифровой индикатор Hitachi (HG1) со встроенным контроллером HD44780. К выводам VDD и VSS подключается напряжение +5 и -5 В соответственно. Вывод VEЕ предназначен для регулировки яркости дисплея. При изменении напряжения на этом выводе сегменты строки должны менять свое состояние от прозрачного до непрозрачного. Для этого можно соединить вывод VEE c шиной питания через потенциометр,  но с целью упрощения и удешевления схемы был экспериментально подобран номинал резистора R2 (1 кОм), при котором достигается необходимая четкость изображения. 

     Линии RS, RW, E предназначены для управляющих сигналов. Запись данных происходит по 4-х разрядной шине D4-D7. На рисунке 2 приведена временная диаграмма записи данных на индикатор.

 

     Рисунок 2 – временная диаграмма записи.

     Основой блока питания является стабилизатор DD2 7805 (LM340T5), который выдает на выходе постоянное напряжение +5 В, при входном напряжении до 35 В.

     Из-за бросков тока в системе питания  могут возникать «медленные»  колебания напряжения. При правильно  спроектированной цепи питания (включение  больших электролитических конденсаторов) эти колебания носят затухающий характер. Для снижения низкочастотных пульсаций в шинах питания применяют блокирующие конденсаторы, включаемые между выводами «питание» и «земля» после стабилизатора. Если же емкость выбрана неправильно. В цепи могут достаточно долго идти колебания. С целью предотвращения таких явлений включают электролитические конденсаторы большой емкости. С7– алюминиевый электролитический К53-16, предназначенный для подавления помех в цепях постоянного и пульсирующего тока. Его емкость – 100 мкФ.  Для подавления импульсных помех в цепи питании подключается конденсатор С8: К10-9 – 16 В – 1 нФ. . Этот конденсатор играет роль источника постоянного напряжения при коротких бросках тока.

           Расчет элементов  входной цепи

     Водная  цепь устройства должна обеспечивать свободное прохождение переменной составляющей измеряемого сигнала и при этом обеспечивать требуемый режим работы.

     Постоянный  резистор R6 на входе прибора служит для задания токов, протекающих через ограничивающие диоды VD1 и VD2, т. е. значение номинала этого резистора определяет токи диодов в открытом состоянии. У выбранных диодов КД521Г максимально возможная величина протекающего через них тока в прямом направлении должна составлять не более 20 мА. Тогда максимальный ток через диод

       , (3.1)

     где I_пр – ток, протекающий через диод в открытом состоянии, А; U_max – наибольшее значение максимальной величины входного напряжения, В; U_пр – падение напряжения на открытом диоде, В; R1 – необходимое значение номинала ограничительного резистора.

     Можно вычислить R1

      ,   (3.2)

     При подстановке соответствующих числовых значений

      (Ом)          (3.3)

     Значение  резистора из стандартного ряда R1=500 Ом.

     В качестве R6 берется металлопленочный резистор С2-33и, применение которого допускается на частотах, заданных в техническом задании. Резисторы R4 и R5 служат тем путем, по которому текут входные токи усилителя на транзисторе. Значение их номиналов должно быть таким, чтобы обеспечить нормальный режим работы VT1. Номиналы обоих резисторов выбираются из стандартного ряда.

     R4: С2-33и – 0,125 – 430 Ом ± 5%

     R5: С2-33и – 0,125 – 16 кОм ± 5%

Резистор R3 ограничивает ток поступающий на вход микроконтроллера. Ток не должен превышать 25 мА.

      (Ом)           (3.4)

Из стандартного ряда выбираем R3: С2-33и – 0,125 – 220 Ом ± 5%.

     Входные конденсаторы С4 и С5 выбираем такими, чтобы постоянная времени входной цепи была больше половины периода входного сигнала минимальной частоты. Из этих соображений выбираем С4 и С5 равными 47 мкФ.

     С4: К53-7– 15В – 47 мкФ ±20%

     С5: К53-7– 15В – 47 мкФ ±20%

     На  входе микроконтроллера могут наблюдаться броски напряжения, наводиться импульсные помехи, а это, в свою очередь, будет способствовать неустойчивой работе. Все эти явления носят случайный характер и в сильной степени зависят от условий эксплуатации прибора и близости бытовых и индустриальных помех, но при этом могут оказать довольно сильное влияние на точность измерений и их достоверность. Для устранения влияния этой причины параллельно конденсаторам С3, С4 подключаются конденсаторы малой емкости С2, С5. Номинал емкости этого конденсатора выбирается равным 10 нФ: К10-9 – 16 В – 10 нФ ±20%. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Разработка  алгоритма и программы функционирования устройства

 

      Принцип измерения частоты - классический. За интервал времени,

равный 1 секунде подсчитывается количество пришедших импульсов. Интервал времени отсчитывается программно. Входные импульсы подсчитываются Таймером 1, значение в котором, после цикла измерения, вычисляется с помощью импульсов досчета. Перед выводом на экран, значение входного счетчика приводиться сначала в двоично-десятичный вид, затем в коды символов цифр. После этого цикл измерения повторяется. 
 

 
 

   Рисунок 3 – алгоритм программы  
 

   Программа функционирования частотомера написана на языке Assembler, отлажена и скомпилирована с помощью программы MicroCode Studio.

   Исходный  текст программы имеет вид: 

   EStrobe MACRO                   ;  Strobe the "E" Bit

     bsf    E

     bcf    E

    ENDM 

               CBLOCK     0x20

                   TTt

                   Time1

                   Dlay             ; 8 Bit Delay Variable

                   Temp            ; a temporary variable

                   cntmsec

                   LED1

                   LED2

                   LED3

                   LED4

                   LED5

                   NumH

                   NumL

                   Tens

                   Ones

                   Thou

                   TenK

                   Hund

                   Temp1

                  Temp2

                   Temp3

                   Temp4

                   SelFr

                   FrLow

                   FrHig

                  ENDC