Разработка устройства управления электронными весами: этапы выполнения курсовой работы

Проектирование измерительных систем — одна из фундаментальных задач в современной инженерии. Электронные весы являются классическим примером такого устройства, где аналоговые сигналы от датчиков преобразуются в цифровой вид и обрабатываются управляющим ядром. Курсовая работа на эту тему позволяет студенту пройти весь путь от идеи до виртуального прототипа, применяя знания из разных областей электроники и программирования. Генеральная цель такого проекта — это закрепление практических навыков проектирования цифровых устройств управления. Для ее достижения необходимо решить ряд конкретных задач, которые и формируют структуру работы:

• Провести анализ предметной области и составить техническое задание.
• Выполнить сравнительный анализ и обосновать выбор элементной базы.
• Разработать структурную и электрическую принципиальную схемы устройства.
• Синтезировать алгоритм работы управляющей программы.
• Проверить работоспособность проекта с помощью моделирования в специализированной программной среде.

Последовательное выполнение этих этапов позволяет не просто спроектировать устройство, но и глубоко понять принципы его работы, а также научиться обосновывать принятые инженерные решения.

Глава 1. Анализ объекта управления и постановка технического задания

Чтобы спроектировать эффективное устройство, необходимо сначала детально разобраться в принципах работы объекта управления. В нашем случае это электронные весы. Их работа основана на преобразовании физической величины — веса — в электрический сигнал. Сердцем системы является тензометрический датчик, который изменяет свое электрическое сопротивление при механической деформации под действием массы. Этот аналоговый сигнал, как правило, очень слаб, поэтому он усиливается и преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Далее цифровой код поступает на блок управления (микроконтроллер или микропроцессор), который выполняет математическую обработку, переводит код в единицы массы (граммы или килограммы) и выводит результат на устройство индикации, например, на жидкокристаллический дисплей.

На основе этого анализа можно сформировать четкое техническое задание (ТЗ) — документ, который определяет все требования к будущему устройству. Грамотно составленное ТЗ является залогом успешного проектирования. Для курсовой работы оно может выглядеть следующим образом:

1. Диапазон измерений: от 0 до 5000 грамм.
2. Точность измерений (дискретность): 1 грамм.
3. Тип индикации: цифровой, на жидкокристаллическом (ЖК) дисплее.
4. Органы управления: две кнопки — «Включение/Выключение» и «Тарирование» (обнуление веса тары).
5. Источник питания: автономный, от батарей или аккумуляторов с напряжением 5В.
6. Дополнительные требования: устройство должно иметь минимальное энергопотребление для продления срока службы источника питания.

Имея на руках такое формализованное ТЗ, мы можем перейти к следующему критически важному этапу — выбору «мозга» нашей системы, который будет отвечать за выполнение всех перечисленных требований.

Глава 2. Как выбрать сердце системы, или сравнительный анализ элементной базы

Выбор центрального управляющего элемента — ключевое решение, определяющее архитектуру всей системы. В рамках курсового проекта полезно рассмотреть два подхода: классический, основанный на микропроцессорном комплекте, и современный, использующий интегрированный микроконтроллер.

Вариант 1: Классика (Микропроцессор К580ВМ80А)

Микропроцессор К580ВМ80А является советским аналогом легендарного Intel 8080A. Это 8-разрядный процессор с 16-разрядной шиной адреса, что позволяет ему адресовать до 64 КБ памяти. Он работает на тактовой частоте около 2 МГц. Главная особенность работы с таким компонентом — необходимость проектировать всю «обвязку» с нуля. Разработчику нужно самостоятельно подключать внешние микросхемы постоянной (ПЗУ) и оперативной (ОЗУ) памяти, а также порты ввода-вывода для связи с периферией (АЦП, дисплеем, кнопками). Это отличная академическая задача, так как она заставляет глубоко погрузиться в архитектуру ЭВМ и понять, как взаимодействуют ее основные компоненты.

Вариант 2: Современность (Микроконтроллер AVR)

Микроконтроллеры семейства AVR, например, популярный ATmega8, представляют собой «систему-на-кристалле». В одном корпусе уже интегрированы: центральное процессорное устройство, флеш-память для программы, оперативная память, а также разнообразная периферия — порты ввода-вывода, встроенный АЦП, таймеры и интерфейсы (UART, SPI). Это кардинально упрощает и удешевляет разработку принципиальной схемы, так как отпадает необходимость во множестве внешних компонентов. Разработка программного обеспечения для AVR также более доступна благодаря современным средам и языкам высокого уровня, таким как C++.

Сравнение и вывод

Сравним оба подхода по ключевым параметрам в таблице.

Сравнительный анализ К580ВМ80А и AVR ATmega8

Параметр	Микропроцессор К580ВМ80А	Микроконтроллер AVR (ATmega8)
Интеграция	Низкая. Требует внешних микросхем памяти и портов.	Высокая. Память и периферия встроены в один кристалл.
Сложность схемы	Высокая. Большое количество компонентов и соединений.	Низкая. Минимальная необходимая обвязка.
Производительность	Низкая (по современным меркам).	Значительно выше, RISC-архитектура.
Энергопотребление	Высокое.	Низкое, есть спящие режимы.
Средства разработки	В основном, язык Ассемблера.	Языки C/C++, современные IDE и симуляторы.

Для целей курсового проекта, где важна глубина понимания принципов работы вычислительной техники, выбор К580ВМ80А является оправданным. Однако для создания практичного и эффективного устройства современный микроконтроллер AVR является безусловным фаворитом. В дальнейших главах мы будем ориентироваться на более современный подход с использованием микроконтроллера.

Глава 3. Проектирование архитектуры устройства через разработку структурной схемы

После выбора ключевого компонента необходимо определить общую архитектуру будущего устройства. Для этого служит структурная схема. Ее основное назначение — показать составные части изделия, их функциональное назначение и, что самое главное, информационные связи между ними, не вдаваясь в детали электрических соединений. Это взгляд на систему «с высоты птичьего полета».

Для наших электронных весов структурная схема будет включать следующие основные функциональные блоки:

• Весоизмерительная платформа с тензодатчиком: Первичный преобразователь, который преобразует массу в аналоговый электрический сигнал.
• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП): Узел, который оцифровывает аналоговый сигнал от датчика. Часто для работы с тензодатчиками используются специализированные АЦП, такие как HX711, которые включают в себя и усилитель.
• Центральный блок управления: «Мозг» устройства, реализованный на базе выбранного микроконтроллера (например, ATmega8). Он получает цифровые данные от АЦП, обрабатывает их и управляет остальными блоками.
• Модуль индикации: Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей), на который выводится информация о весе для пользователя.
• Блок управления (Клавиатура): Набор кнопок («Тара», «Вкл/Выкл»), с помощью которых пользователь взаимодействует с устройством.
• Блок питания: Источник энергии для всех узлов схемы, обеспечивающий их стабильным напряжением (например, 5В).

Структурная схема — это фундамент проекта. Ошибка, допущенная на этом этапе, может привести к необходимости полной переработки всего устройства в дальнейшем.

Информационные потоки в этой схеме ясны: сигнал от тензодатчика проходит через АЦП к микроконтроллеру. Микроконтроллер, в свою очередь, получает команды от кнопок и отправляет данные для отображения на дисплей. Все узлы получают питание от общего блока питания. Теперь, имея это общее видение, можно приступать к детализации на уровне электрических соединений.

Глава 4. От блоков к компонентам, или создание электрической принципиальной схемы

Электрическая принципиальная схема (Э3) — это главный конструкторский документ, который с максимальной детализацией показывает все компоненты устройства и электрические связи между ними. Именно по ней производится сборка, настройка и ремонт изделия. Разработка этой схемы является центральным этапом курсового проекта.

Процесс создания принципиальной схемы для наших весов можно разбить на несколько шагов, соответствующих узлам из структурной схемы:

1. Подключение микроконтроллера (МК): Это ядро схемы. Необходимо подключить к нему питание (VCC) и землю (GND), обязательно используя развязывающие керамические конденсаторы (обычно 0.1 мкФ) рядом с выводами питания для фильтрации высокочастотных помех. Также подключается тактовый генератор (чаще всего кварцевый резонатор с двумя конденсаторами) для задания рабочей частоты и цепь сброса (reset) для приведения МК в исходное состояние.
2. Интерфейс с АЦП: Если используется внешний АЦП, его необходимо подключить к портам микроконтроллера. Например, специализированный АЦП для весов HX711 подключается всего по двум проводам (линия данных и линия тактирования), что очень удобно.
3. Схема модуля индикации: Подключение ЖК-дисплея — распространенная задача. Обычно они подключаются к одному из портов МК. Для управления дисплеем требуется несколько линий данных, а также сигналы управления (RS, R/W, E). Важно также подключить подстроечный резистор для регулировки контрастности изображения.
4. Подключение кнопок: Кнопки подключаются к свободным пинам портов ввода-вывода микроконтроллера. Для защиты от «дребезга контактов» (ложных срабатываний) часто используются подтягивающие резисторы и программная фильтрация.
5. Схема блока питания: Для питания цифровой схемы от батарей или внешнего адаптера используется линейный стабилизатор напряжения (например, 7805), который обеспечивает стабильные +5В.

На принципиальной схеме обязательно указываются позиционные обозначения всех элементов (R1, C1, DD1) и их номиналы (10 кОм, 0.1 мкФ). Тщательность и аккуратность на этом этапе напрямую влияют на работоспособность будущего устройства.

Глава 5. Синтез цифрового управления и разработка алгоритма работы

Когда «железо» спроектировано, необходимо «вдохнуть в него жизнь», разработав логику его работы. Эта логика существует на двух уровнях: программном (алгоритм работы микроконтроллера) и, в более сложных академических задачах, аппаратном (синтез цифровых устройств управления).

Программная логика: Алгоритм работы весов

Основной алгоритм для микроконтроллера удобнее всего представить в виде блок-схемы или последовательного списка шагов. Он описывает всю логику функционирования устройства от включения до выключения.

1. Инициализация: Сразу после включения питания микроконтроллер настраивает свои порты ввода-вывода (какие на вход, какие на выход), инициализирует периферийные модули (АЦП, дисплей) и выводит на экран приветственное сообщение.
2. Основной цикл: Программа входит в бесконечный цикл, в котором последовательно выполняются следующие действия:
   • Опрос АЦП: Считывание последнего цифрового значения, соответствующего текущему давлению на тензодатчик.
   • Фильтрация данных: Для получения стабильных показаний применяется цифровой фильтр (например, вычисление среднего значения из нескольких последних измерений).
   • Математическая обработка: Полученный код от АЦП пересчитывается в граммы с использованием калибровочных коэффициентов, полученных при настройке весов.
   • Вывод на дисплей: Рассчитанное значение веса выводится на ЖК-дисплей.
   • Обработка нажатий кнопок: Программа проверяет, не нажата ли одна из кнопок. Если нажата кнопка «Тарирование», текущее значение веса сохраняется как смещение нуля, что позволяет игнорировать вес тары.

Аппаратная логика: Синтез ЦУУ

В рамках курсового проектирования часто встречается задача синтеза цифрового устройства управления (ЦУУ). Это процесс создания комбинационной или последовательностной логической схемы на основе базовых элементов (И, ИЛИ, НЕ), которая реализует заданную функцию. Это позволяет понять, как работают цифровые автоматы на самом низком, аппаратном уровне.

Например, можно спроектировать простой дешифратор для управления сегментами семисегментного индикатора. Для этого составляется таблица истинности, где входам соответствуют двоичные коды цифр (0000-1001), а выходам — состояния сегментов (a, b, c, d, e, f, g). Затем для каждого выхода с помощью карт Карно производится минимизация логической функции, и на ее основе строится схема на элементах И-НЕ или ИЛИ-НЕ.

Хотя в современных системах на микроконтроллерах такие задачи решаются программно, их изучение дает фундаментальное понимание основ цифровой схемотехники.

Глава 6. Проверка и отладка проекта в виртуальной среде

Прежде чем собирать реальное устройство, крайне важно проверить работоспособность разработанной схемы и алгоритма. Это позволяет выявить ошибки на ранней стадии и сэкономить время и компоненты. Для этого существуют специализированные системы моделирования электронных схем.

Наиболее подходящим инструментом для нашей задачи является программный пакет Proteus. Его ключевые преимущества:

• Обширная библиотека компонентов: В Proteus есть модели большинства популярных микроконтроллеров (включая AVR), дисплеев, датчиков и других элементов.
• Интерактивное моделирование: Вы можете собрать разработанную принципиальную схему прямо в редакторе, подключить виртуальные измерительные приборы (осциллограф, вольтметр) и наблюдать за процессами в реальном времени.
• Симуляция работы микроконтроллера: Самая мощная функция Proteus — возможность загрузить скомпилированный файл прошивки (HEX-файл) прямо в виртуальный микроконтроллер на схеме и отлаживать работу программы, наблюдая за реакцией всей схемы. Вы увидите, как на виртуальном дисплее появляются цифры, как система реагирует на нажатия виртуальных кнопок.

Для более глубокого академического анализа и синтеза сложных цифровых автоматов могут использоваться и другие, более мощные инструменты. Например, MATLAB/Simulink отлично подходит для моделирования систем управления и алгоритмов цифровой обработки сигналов, а Xilinx ISE является стандартом для проектирования логики для программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Использование таких инструментов, как Proteus, превращает процесс отладки из утомительного поиска неисправностей в реальном макете в удобный и наглядный интерактивный процесс.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы был пройден полный цикл проектирования сложного электронного устройства — цифровых весов. Была четко сформулирована цель проекта, которая заключалась в закреплении навыков разработки цифровых устройств управления. Для ее достижения были последовательно решены все поставленные задачи.

В результате проделанной работы были получены следующие ключевые результаты:

• Проведен системный анализ объекта управления и составлено подробное техническое задание.
• Выполнен сравнительный анализ элементной базы, на основе которого был сделан обоснованный выбор в пользу современного микроконтроллера.
• Разработана структурная схема, определяющая общую архитектуру устройства, и электрическая принципиальная схема, являющаяся основой для его физической реализации.
• Синтезирован основной алгоритм работы устройства и рассмотрены основы аппаратного синтеза ЦУУ.
• Подтверждена корректность принятых схемотехнических и программных решений с помощью моделирования в среде Proteus.

Таким образом, в рамках курсового проекта было спроектировано устройство управления электронными весами, полностью отвечающее требованиям, изложенным в техническом задании.

Проделанная работа может быть развита в дальнейшем. Возможные пути улучшения проекта включают добавление новых функций (например, подсчет стоимости, ведение статистики), подключение беспроводных интерфейсов для передачи данных или использование более современных микроконтроллеров с низким энергопотреблением для увеличения времени автономной работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шарапов А.В. Примеры решения схемотехнических задач: Учебное пособие. — Томск: ТИАСУР, 1994. — 141 с.
2. Шарапов А.В. Цифровая и микропроцессорная техника: Учебное пособие. 2-е изд., перер. и доп. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 1997. — 108 с.
3. Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 224 с.
4. Калабеков Б.А., Мамзелев И.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи. — М.: Радио и связь, 1987. — 400 с.
5. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления: Справочник/ С.Т.Хвощ, Н.Н.Варлинский, Е.А.Попов; Под общ. ред. С.Т.Хвоща. — Л.: Машиностроение, 1987. — 640 с.
6. http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/2466S.pdf — польное руководство по работе с контроллером Atmega16. Электронный ресурс.
7. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: справочник, — Москва; металлургия, 1988,-352 с.
8. Схематехника аналоговых электронных устройств: Метод. Указания к курсовому проекту/ Сост. В.С.Пряников Чебоксары: Издательство Чуваш ун-та 2001. 55с.