Расчет узлов и блоков и выбором элементной базы

 

Выбор токоограничительных и подтягивающих резисторов производится, исходя из условия:

R ≥                                         (2.1)

где 𝑈вых1 – максимальное выходное напряжение на устройстве, для которого рассчитывается сопротивление резистора, 𝑈пр и 𝐼пр– прямое напряжение и прямой ток устройства, для которого рассчитывается сопротивление резистора. Выходное напряжение высокого уровня на портах микроконтроллера составляет 3,6В. Исходя из формулы (2.1):

R ≥ _-3 ≥32,6 Ом

При разработке блока микроконтроллера был выбран микроконтроллер типа STM32F050F4P. Микроконтроллер предназначен для обработки сигналов и выдачу информации на дисплей. Подключен по типовой схеме подключения, поэтому выбираем следующие элементы:

R11: CR0805 – 0,125Вт – 10кОм±5%

С6: CC0805 – X7R – 50В – 0,1 мкФ ±10%

С10,С7: CC0805 – X7R – 50В – 20 пФ ±10%

С13: СС0805 - X7R – 16В – 0,68мкФ±10%

ZQ1: HC-49SМ - 4000 Гц

L1,L2: MLZ2012 – 22мкГн±20%

Принципиальная схема блока микроконтроллера представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Принципиальная схема блока микроконтроллера

Характеристики микроконтроллера STM32F050F4P представлены в таблице 2.1

 

Таблица 2.1 - Характеристики микроконтроллера STM32F050F4P[5]

Характеристика	Значение
Ядро	ARM Cortex-M0, 32-бит
Flash-память	16 кБайт
RAM-память	4 кБайт
Кол-во каналов АЦП	10
Разрешение АЦП	12
Максимальная частота ядра	48 МГц
Скорость АЦП	1МГц
Кол-во каналов ЦАП	0
Разрешение ЦАП	0
Разрешение ШИМ	16
Сторожевой таймер	2
Часы реального времени	1
Кол-во интерфейсов UART	1
Напряжение питания ядра	2…3.6 В
Напряжение питания периферии	2…3.6 В
Рабочая температура	-40…85 С
Iпр	18,4мА

Датчики ультрафиолетового и видимого излучения предназначены для регистрации световых сигналов в видимом и невидимом спектре. Представлены в виде фотодиодов HL1 и HL2. HL1 используется для улавливания сигнала в инфракрасном спектре. Он представлен фотодиодом SFH229 со спектром отклика 730-1100нм. HL2 используется для улавливания сигнала в ультрафиолетовом спектре. Он представлен фотодиодом GUVA-S12SD со спектром отклика 200-370нм. После чего сигналы проходят через операционные усилители и подаются на микроконтроллер.

Для подключения датчиков используется типовая схема подключения, поэтому выбираем следующие элементы:

R1,R8: CR0805 – 0,125Вт – 10кОм±5%

R2: CR0805 – 0.125Вт – 390кОм±5%

R3: CR0805 – 0.125Вт – 1МОм±5%

R5: CR0805 – 0.125Вт – 3,3кОм±1%

R7: CR0805 – 0.125Вт – 1кОм±5%

С2:CC0805 – X7R – 50В– 0,47мкФ ±10%

С4: CC0805 – X7R – 50В – 2,2пФ ±10%

С5: CC0805 – X7R – 50В – 0,1  мкФ±10%

HL1: SFH229

HL2: GUVA-S12SD

VD1,VD2: 1N539

DA1.1,DA1.2: MCP6022-I/SN

Операционный усилитель: MCP6022 – I/SN

Принципиальная схема блока представлена на рисунке 2.3

Рисунок 2.3 – Датчики УФ и видимого излучения

Блок датчика освещения представлен аналоговым сенсором NOA1211, представляющим собой совмещённые в одном корпусе фотодиод с усилителем. Подключен по типовой схеме подключения. Токовый выход датчика нагружен на цепь R9, C8, с которой полученное напряжение подаётся на вход АЦП микроконтроллера. Элементы были выбраны следующие:

R9: CR0805 – 0.125Вт – 100Ом±5%

С1: CC0805 – X7R – 50В – 0,47мкФ ±10%

C8: CC0805 – X7R – 50В – 2,2мкФ±20%

Схема подключения представлена на рисунке 2.6

Рисунок 2.4 – Схема подключения датчика освещения

 

Фотодиод HL1 SFH229 предназначен для регистрации видимого излучения. Он подключен по типовой схеме подключения к операционному усилителю и к порту микроконтроллера PA8.

Фотодиод HL2 GUVA-S12SD предназначен для регистрации ультрафиолетового излучения, подключен  по типовой схеме подключения к операционному усилителю и к порту РА7 микроконтроллера.

Блок зарядки представлен специализированной микросхемой MCP73831T-2ATI, подключенная по типовой схеме подключения. Ток зарядки задаётся сопротивлением резистора R10. Светодиоды HL3, HL4 служат для индикации процесса зарядки. Светодиод HL3 указывает на заряд, HL4 – на завершение. Резисторы R4 и R6 предназначены для ограничения по току.

Токоограничительные резисторы R4 и R6 рассчитываются по следующей формуле:

R = U/Iпр                                                      (2.2)

R = 5/5·10^-3 = 1кОм

Так как микросхема была подключена по типовой схеме, выбираем следующие элементы:

R4,R6: CR0805 – 0.125Вт – 1,5кОм±1%

R10: CR0805 – 0.125Вт – 10кОм±5%

С9: CC0805 – X7R – 50В – 10мкФ ±10%

HL3: L-12ID

HL4: L-13GD

Схема подключения блока зарядки представлена на рисунке 2.4

Рисунок 2.5 – Схема подключения блока зарядки

Управление разверткой осуществляется нажатием на кнопки SB1 и SB2, подключенных по типовой схеме. При кратковременном нажатии кнопки SB1 или SB2 осуществляется выбор скорости развертки вручную. Включение автоматического переключения скорости развёртки осуществляется одновременным нажатием кнопок SB1 и SB2. При нажатии и удержании кнопки SB2 более 2 сек происходит фиксация всех показаний на дисплее (кроме символа батареи). Переход в режим замеров осуществляется по нажатию любой кнопки. Резисторы R21 и R22 предназначены для ограничения по току и были выбраны следующие:

R15,R16: CR0805 – 0.125Вт – 270Ом±1%

Схема подключения кнопок для управления представлена на рисунке 2.6

Рисунок 2.6 – Схема подключения кнопок управления разверткой

 

Блок дисплея представлен ЖК-дисплеем HX1230 с разрешением экрана 96х68 пикселей и подсветкой, которая регулируется резистором R23.

Расчет резистора R23 производится по формуле:

R= U_П/ I_П                                                (2.3)

где U_П – напряжение питания дисплея, I_П – ток потребления дисплея

R= 3 / 0,25∙10^-3= 12кОм

За ненадобностью максимального уровня яркости и с целью экономии заряда аккумулятора был выбран резистор на 1,5 кОм

R17: CR0805 – 0.125Вт – 1,5кОм±5%

Рисунок 2.7 – Схема подключения ЖК-дисплея