СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА
      Идея создания электронных лабораторных весов аналитичес-

кого класса точности (до 0.0001 г) возникла после посещения нами

презентации Казахстанского представительства фирмы "Metler-Tolledo"

(США-Швецария), проведенной в городе Рудный в мае 2000 года на

базе акционерного общества Соколовско-Сарбайское горно-производ-

ственное объединение (АО ССГПО).

      Представленные на ней аналитические электронные лабораторные

весы имели очень высокую стоимость и, по понятным причинам, не мог-

ли быть приобретены нами. У персонала презентующего продукцию этого

всемирно известного производителя весов нам удалось установить толь-

ко то, что измерительный узел представляет собой тензодатчик вы-

сокой точности, стоимость которого составляет 3/4 всего изделия.

Точность - это визитная карточка данной фирмы, так например у

закупленных АО ССГПО железнодорожных весов точность составляет

400 грамм, которая при существующих требованиях стандарта к точ-

ности данного класса весов в 1% представляется просто фантастичес-

кой.

      Объем литературных источников по этому вопросу весьма скуден

и ограничен, в основном, общими знаниями. Из работы [1] мы выяс-

нили, что тензодатчик аналитического класса точности представляет

собой объемную конструкцию из шайб сплавов редких и драгоценных

металлов, обладающих свойством изменения электрических параметров,

например сопротивления, при малейших механических воздействиях

на них. Весьма непростыми являются при этом и устройства измере-

ния, так как определяемый параметр изменяется не только от меха-

нического воздействия, но и от целого ряда других параметров, са-

мым определяющим из которых является температура. Мы смогли най-

ти только тензорезисторы, изготовленные из меди, которые обладают

недостаточной чувствительностью к небольшим изменениям внешнего

давления на них, поэтому от этого подхода мы отказались сразу.

      Малопривлекательными для изготовления в условиях школы по-

казались нам и электронно-механические виды аналитических весов,

в которых система противовесов и кодовых шкал с компенсторами [1]

просто не могла быть воспроизведена вне лаборатории точной ме-

ханики и оптики.

      В процессе анализа литературных источников нам пришла идея

использования для взвешивания силы взаимодействия магнитного и

электрических полей. Так например, если на магните расположить

катушку, на которую положено взвешиваемое вещество, то при про-

пускании через нее постоянного тока, заранее определенной поляр-

ности, вокруг катушки возникает противоположно направленное элек-

трическое поле и при определенной величине тока вес вещества бу-

дет преодолен и нам остается только выполнить исследование зависи-

мости вес - величина электрического тока.

      Однако весы данной конструкции имеют один недостаток - не-

возможность взвешивания материалов обладающих магнитной индукци-

ей, например железных стружек, но список таких материалов незначи-

телен и им можно пренебречь.
       СТРУКТУРА ПРЕДЛАГАЕМЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВЕСОВ
      Структура электронных аналитических весов с магнитно-элек-

рическим датчиком веса должна безусловно включать в себя микро-

контроллер для обеспечения быстрого подбора значения электричес-

кого тока, достаточного для преодоления веса. В настоящее время

спектр таких изделий очень широк, но мы выбрали однокристальную

электронную вычислительную машину (ОЭВМ) КР1816ВЕ51 [3,4], исхо-

дя из следующих соображений:

      1) компактность исполнения - практически весь спектр воз-

можностей вычислительной машины скомпанован в одной микросхеме;

      2) высокое быстродействие - 1000000 операций в секунду;

      3) достаточно большой объем внутренней памяти для программы

пользователя - 4 кБ;

      4) наличие коммуникационного последовательного программи-

руемого порта для связи с IBM-совместимым компьютером, что очень

важно как с точки зрения отладки программного обеспечения аналити-

ческих веов, так и с точки зрения внешнего управления ими, хра-

нения и статистической обработки производимых взвешиваний;

      5) двухуровенная система обработки прерываний для обслужива-

ния событий от шести источников запросов, например поднятие навес-

ки;

      6) простой ввод/вывод 32-х дискретных сигналов (есть сиг-

нал - 5 В, нет сигнала - 0 В);

      7) два встроенных таймера для точного отслеживания малых и

больших временных интервалов, независимо от действий выполняемых в

данный момент программой;

      8) достаточно простой Ассемблер с широкими возможностями в

области арифметики и логики;

      9) наличие в нашем распоряжении компилятора Ассемблера и ком-

поновщика программ для автоматизированного создания аппаратно ори-

ентированного программного кода;

      10) наличие программы-симулятора, имитирующего выполнение

команд ОЭВМ КР1816ВЕ51, на IBM-совместимом компьютере и облегчающем

поиск ошибок;

      11) наличие IBM-совместимого программатора фирмы "Хронос"

(Россия) для прошивки программного кода во внутреннюю память прог-

рамм микросхемы КР1816ВЕ51;

      К недостаткам ОЭВМ КР1816ВЕ51 можно отнести недостаточное ко-

личество портов ввода/вывода сигналов, всего 32. Беглый подсчет пот-

ребного количества сигналов показывает, что нам необходимы:

      а) 21 выходной сигнал для подбора цифрового аналога токового

сигнала, чтобы обеспечить аналитическую точность в диапазоне веса

0...200 г;

      б) 12 выходных сигналов для вывода значения полученного веса

на табло аналитических весов из семи семисегментных цифробуквенных

светодиодных индикаторов и светодиода десятичной точки;

      в) 4 входных сигнала управления режимами работы аналитических

весов ("Тара","Однократное взвешивание", "Многократное взвешивание"

и "Температура")

      г) 2 входных сигнала для датчиков подьема катушки весов и

температуры воздуха;

      д) входной и выходной сигналы для двухстороннего сопряжения

аналитических весов с IBM-совместимым компьютером;

      е) выходной сигнал индикации работы аналитических весов.

      Таким образом нам недостает, как минимум, 10 сигналов для

успешной реализации схемы на выбранной ОЭВМ. Можно было бы пойти

по пути установки двух ОЭВМ в одном изделии с разделением функций

между ними, но этот подход дорогостоящ и расточителен, поэтому мы

решили использовать недорогую микросхему КР580ВВ55А (программирумый

параллельный адаптер (ППА) [3]) для расширения адресуемых портов

с 32 до 45.

      ОЭВМ КР1816ВЕ51 будет передавать данные в 3 порта микросхемы

КР580ВВ55А через один из своих портов (рис. 1), для выбора номера

интересуемого порта и стробирования обращения к ППА необходимы еще

3 вывода. Если запрограммировать микросхему только на вывод, то нет

нужды в подключении к ОЭВМ выводов чтение (RD) и запись (WR) ППА,

так как их можно зафиксировать сигналами c блока питания через ре-

зисторы, нормирующие допустимый для микросхемы входной ток.

      На выводы 3-х портов КР580ВВ55А (рис. 1), поскольку она бу-

дет запрограммированна только на вывод, лучше всего подключить уст-

ройство цифроаналогового преобразователя (ЦАП), то есть устройство,

преобразующее цифровой код в токовый аналог, например, код 1388h (де-

сятичное число 5000) в ток величиной 0,5 А.

      Кроме того непосредственно к вводам ОЭВМ (рис. 1) должны быть

подключены: датчик подьема веса (ДП); датчик температуры (ДТ) для

более точного подбора токового аналога в диапазоне рабочих темпера-

тур весов; согласователь интерфейсов (СИ) последовательных портов

ОЭВМ и IBM-совместимого компьютера; коммутатор цепи цифроаналогового

преобразователя (КЦ) для предотвращения негативных последствий от

длительного воздействия сильных токов на низкоомную катушку устрой-

ства взвешивания (УВ); пульт индикации и управления (ПИУ). Более

подробно каждому из них будет посвящен отдельный параграф работы.

      Структурная схема химических аналитических весов совмещена с

принципиальной электрической схемой подключения ОЭВМ КР1816ВЕ51 и

ППА КР580ВВ55А, на которой питание к микросхемам подается на вы-

воды VCC (5 Вольт) и GND ("земля") [3].

      Тактовая частота работы ОЭВМ (D1) задается кварцевым резона-

тором ZQ1 (6 или 12 мГц). Цепочка R1, C3 предназначена для переда-

чи управления по адрусу 000 ОЭВМ КР1816ВЕ51 и инициализации микро-

схемы при включении питания. Так, сразу после включения питания

емкость C3 заряжается и этот заряд "стекает" с обкладки со знаком

"-" через резистор R1; номиналы резистора и емкости этой цепи по-

добраны таким образом, чтобы удержать потенциал больший 2,5 В в те-

чение не менее 5 микросекунд, что достаточно для инициализации

микросхемы D1. Аналогичным способом может быть выполнена автоини-

циализация микросхемы D2, но мы "жестко" зафиксировали вывод пере-

запуска (RST) на "землю", чтобы единственно возможным способом ее

работы стало выполнение команд ОЭВМ КР1816ВЕ51.

      Емкость C4 играет роль фильтра высокочастотных помех по пи-

танию, а резистор R2 устанавливает на входе EA ОЭВМ "высокий" по-

тенциал, соответствующий избранности внутренней, а не внешней па-

мяти программ.

      Все выводы порта P0 ОЭВМ через токоограничивающие резисторы

R4,R5,...,R11 (1.8 кОм) подключены к питанию + 5 Вольт из-за осо-

бенного исполнения этого порта ("с открытым коллектором"). Напри-

мер, если на выводе P0.0 транзистор микросхемы D1 закрыт, то на

выходе значение единичного сигнала поддерживается внешним питанием

+5В, а в открытом состоянии (коммутация на общий провод через тран-

зистор микросхемы D1) потенциал линии падает до нудевого значения.

Поскольку микросхема D2 предназначена для работы только на вывод

данных, то режим чтения (RD) "жестко" избран неактивным, посред-

ством подключения этого вывода, через токоограничивающий резистор

R12 (1.8 кОм) к питанию +5В, а режим избранности микросхемы (CS) -

активным, подключением его к общему проводу, так как это един-

ственная избираемая в устройстве весов микросхема. Адрес одного

из четырех портов микпосхемы D2 (3 - порт программирования режима

ее работы CW, 2 - порт С, 1 - порт В и 0 - порт А) избирается не-

посредственно с выводов P2.4 и P2.5 ОЭВМ. Исполнение команд про-

изводится при переходе сигнала записи (WR) с потенциала +5В к ну-

левому потенциалу с вывода P2.6 ОЭВМ КР1816ВЕ51.

      Временная диаграмма вывода данных в один из избранных портов

микросхемы КР580ВВ55А в режиме 0 приведена на рис. 1а [3]. Микро-

схема КР580ВВ55А имеет три режима обмена: 0, 1 и 2, из которых нам

подходил только нулевой режим, при котором однонаправленный вывод

производится через любой из портов без каких либо сигналов сопро-

вождения (без квитирования) и выходная информация защелкивается в

выходной буфер порта по срезу сигнала WR и остается на выходе это-

го порта до следующего изменения.
     __                         t

     WR                                               +5В
                                                       0В
     __                                               +5В

     CS

                                                       0В
                                                      +5В

      D

                                                       0В
                                                      +5В

     A0,A1

                                                       0В
                                                      +5В

     А,В,С,CW

                                                       0В
      Рис. 1а. Временная диаграмма вывода данных через порт

               А, В, С или CW микросхемы КР580ВВ55А
      На этой диаграмме черточкой сверху обозначены сигналы, актив-

ные при нулевом потенциале, Н - образный переход сигналов означает,

что если сигналы изменяются, то они должны быть изменены сдесь. Вре-

мя t мы подобрали экспериментально, и оно должно быть не менее 2-х

микросекунд, точное время между остальными сигналами не имеет ника-

кого значения - важна лишь их точная последовательность.
                           БЛОК ПИТАНИЯ
      В настоящей работе мы стремились к максимальному использованию

известных и хорошо зарекомендовавших себя разработок, доступных нам

через открытые литературные источники. Так например, электрическая

принципиальная схема излучателя инфрокрасного диапазона заимствована

нами из принтера СМП 6327 [5], а приемника - из схемы бытового теле-

визионного приемника [6], включая также и простое заимствование бло-

ка питания из списанного накопителя на пятидюймовых гибких магнитных

дисках ЕС5321М советского производства [7], достаточно мощного и на-

дежного, принципиальная электрическая схема которого представлена на

рис. 2.

      В этой схеме переменное напряжение 220 В через выключатель и

предохранитель FU1 (1 А) поступает на первичную обмотку трансформа-

тора ТПП288-220-50. Из нескольких вторичных обмоток этого трансфор-

матора набираются выходные напряжения переменного тока в 19 и 7

Вольт, которые подаются на два диодных моста, собранных из кремни-

евых диодов КД205В. На выходе с диодных мостов мы имеем выпрямленные

постоянные напряжения со значительными пульсациями, для подавления

которых в цепь параллельно мостам диодов включены электролитические

емкости: С1 (10000 мкФ 50 В) и С2 (2000 мкФ 50 В). В момент времени

когда с выхода диодного моста напряжение возрастает емкости заряжа-

ются, а когда напряжение начинает снижаться стекание заряда с обкла-

док электролитического конденсатора сглаживает проявление этих пуль-

саций на входе стабилизаторов, собранных на резисторах R1, R2 (1 Ом),

емкостях С3...С6 (0,1 мкФ), транзисторах VT1, VT2 (КТ818БМ),  микро-

схемах D1 (КР142ЕН8Б), D2 (КР142ЕН5А и емкостях С7, С8 (200 маФ).

      Принцип работы стабилизатора следующий: микросхема D1 (D2)

управляет током, протекающим через малоомный резистор R1 (R2), тем

самым изменяя смещение перехода база-эмитер транзистора VT1 (VT2)

и поддерживая на его выходе стабильное значение требуемого для наг-

рузки выходного напряжения питания 12 (5) Вольт. Наличие мощных

транзисторов VT1 и VT2 вызвано требованиями обеспечения больших то-

ков, необходимых в накопителе на гибких магнитных дисках [7] при

запуске его двигателей. Такой блок питания наиболее оптимально под-

ходит и для аналитических весов, в которых также наблюдается крат-

ковременные всплески потребления больших токов протекающих через

катушку устройства взвешивания и цепи цифроаналогового преобразова-

теля.

      Емкости С7, С8 включены для сглаживания импульсных пульсаций

нагрузок на стабилизатор, а С5, С6 в качестве фильтра высокочастот-

ных помех.

      Предохранитель FU1 защищает сеть переменного тока от перегру-

зок, скажем при коротком замыкании на вторичных обмотках трансформа-

тора, а FU2 и FU3 - блок питания, при перегрузках в питаемых через

них схемах.
                ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
      Наиболее оптимальным было бы использование в качестве цифро-

аналогового преобразователя спецализированной микросхемы, что су-

щественно упростило бы электрическую принципиальную схему аналити-

ческих весов и избавило нас от проблемы решения множества проблем,

связанных с этим преобразованием. Например, микросхемы К572ПА1,

К594ПА1 [2] советского производства или импортного производства:

DAC-01 и DAC-02 (фирма Precision Monolitic), MC1406 (Motorola),

HI-1080 и HI-1090 (Harris Semiconductor), AD-562 и AD-7520 (Analog

Devices) [8], или более современные MX7534, MX7535, MX7536, MX7538

(Maxim) [9]. Однако лучшие из этих чипов гарантируют разрешение с

точностью не более 14 разрядов, что явно недостаточно для обеспе-

чения аналитической точности взвешивания в диапазоне 0...200 грамм.

      Для обеспечения указанных требований мы должны разработать

принципиальную электричестую схему 21-го разрядного цифроаналого-

вого преобразователя.

      Существует два наиболее широко распространенных метода циф-

роаналогового преобразования: с использованием взвешенных резист-

ров и многозвенной цепочки резистров [8].

      На рис. 3 представлена принципиальная электрическая схема

цифроаналогового преобразователя с двоично-взвешенными резистора-

ми, которая состоит из n ключей, по одному на каждый разряд, уп-

равляемых выходным сигналом; цепочки двоично-взвешенных резисто-

ров; источника опорного напряжения Uоп и суммирующего операцион-

ного усилителя, на выходе которого получается аналоговый сигнал,

пропорциональный цифровому коду на входе.

      В идеальной ситуации ток, на входе операционного усилите-

ля будет равен
      An-1хUоп     An-2хUоп             A1хUоп     A0хUоп

 I = __________ + __________ + . . . + ________ + ________ .

          R            R                  R          R
      В нашем случае, для 21-разрядного цифроаналогового преоб-

разователя, диапазон изменения сопротивлений резисторов должен

будет соответствовать ряду: 1,2,4,8,...,524288,1048576 Ом. У нас

не было возможности точного подбора такого широкого ряда резис-

торов тем более, что они должны быть все изготовленны по одной

технологии, в связи с чем этот метод построения цифроаналогово

преобразователя - неприемлем.

      На рис. 4 представлена принципиальная электрическая схема

цифроаналогового преобразователя с многозвенной цепочкой резис-

торов. В этой схеме использование цепочки резисторов R-2R, при-

водит к тому, что вклад каждого разряда в выходной сигнал про-

порционален его двоичному весу.

      Поскольку эта цепочка резисторов является линейной цепью,

то ее работу можно проанализировать методом суперпозиции, то есть

вклад в выходное напряжение от каждого источника рассматривать

независимо от других источников. Окончательно все вклады от каж-

дого разряда суммируются для получения на выходе результата в

виде напряжения Uвых [8].

      Таким образом, выходное напряжение цифроаналогового преоб-

разователя пропорционально сумме напряжений со своими весами,

обусловленных лишь теми ключами, которые подключены к источнику

Uоп.

      Для нашего 21-разрядного цифроаналогового преобразователя

простое механическое копирование этой схемы невозможно, так как

самые лучшие чипы операционных усилителей LM101A, LF156A или

LM118 не способны обеспечить требуемого разрешения - их предел

14-ть разрядов и 8...12 разрядов - для микросхем операционных

усилителей советского производства (К153УД2, К140УД18 и других).

Можно было бы разработать двухплечевую схему с использованием

на выходе одного из плеч делителя напряжения, но такой подход

приведет к множеству проблем, связанных с обеспечением идентич-

ности плеч и тому подобных. Поэтому мы решили удалить из схемы

приведенной на рис. 4 операционный усилитель, заменив предшест-

вующий ему резистор 2R, многозвенной цепи, катушкой устройства

взвешивания.

      Тогда для обеспечения изменения тока на выходе цифроана-

логового преобразования достаточно больших номиналов тока, до

3,5 А, мы должны подобрать пары 2R/R с таким расчетом, чтобы ве-

личина R составляла значение немного большее 1 Ома, при этом ре-

зисторы 2R должны иметь коэффициент деления как можно ближе к

двум, особенно в старших значащих разрядах. Кроме этого, резис-

торы должны быть мощными МЛТ-1 или МЛТ-2, чтобы избежать их вы-

горания при прохождении больших токов.

      Подбор номиналов резисторов мы производили с использовани-

ем цифрового измерителя L, C, R Е7-8 из нескольких тысяч резис-

торов, номинала 1,4 и 2,7 Ом, во всех организациях города, в

которых нам удалось их найти: АО ССГПО (6 подразделений), Руд-

бой и с блоком питания при помощи гибких многопроводных жгутов, а

для удобства настройки и ремонта - соединение жгутов с платами при

помощи разьемов( МРН14-1 для соединения процессорного модуля с

блоком питания и перефирийным оборудованием: устройством взвешива-

ния и датчиком подъема веса; МРН32-1 для сопряжения процессорного

модуля с модулем управления и получения питающего напряжения в 5

Вольт). Такая конструкция позволит без хлопот произвести отсоеди-

нение любого модуля для настройки или ремонта.

      Процесс вычерчивания печатных монтажных плат очень сложный,

поэтому мы возложили его на имеющуюся у нас программу ORCAD для

компьютера IBM. Введя наименования всех использованных нами ком-

понентов принципиальной электрической схемы, дополнив библиотеку

описанием отсутствующих в ее составе компонентов (CA56-21GWA), объ-

явив, по определенной методике, соединения их друг с другом и дек-

ларировав требуемый размер печатной монтажной платы мы получили

ее изображение на принтере в масштабе 1:1. Правда, мы не останав-

ливаемся на том, что были предприняты значительные усилия для сни-

жения числа дорожек, переходящих с одной стороны печатной платы

на другую, так как только в условиях специализированного производ-

ства возможно коммутирование таких переходов методом металлиза-

ции [17], а нам пришлось бы делать их методом пайки.

      Наша школа не располагает графопостроителем планшетного типа

и нам не удалось найти его ни в одной из организаций города для

того, чтобы автоматизировать процес рисования печатной платы. Эта

работа была выполнена нами вручную в следующей последовательности:

      1) к двусторонне фольгированному листу гетинакса мы скотчем

прикрепили распечатку монтажной платы, полученную на принтере, и

дрелью просверлили отверстия в местах крепления электронных ком-

понентов или перехода дорожек с одной стороны платы на другую;

      2) диаметр отверстий выбирался с таким расчетом, чтобы в них

без дополнительных усилий можно было бы вставить выводы соответст-

вующих радиодеталей принципиальной электрической схемы;

      3) наждачной бумагой с мелкой зернистостью зачистили обе

стороны фольги платы от окисных пленок и заусенцев со стороны вы-

ходе сверла из нее;

      4) нитрокраской, используя рейсфедер и линейку, нанесли

дорожки печатной платы, ориентируясь по просверленным заранее

отверстиям и устраняя ошибки растворителем или зачисткой при по-

мощи лезвия для безопасного бритья;

      5) просушили плату и обезжирили обе ее поверхности при по-

мощи обыкновенного ластика;

      6) удалили всю фольгу с поверхности гетинакса, не защищен-

ную нитрокраской, поместив плату в раствор хлорного железа ("про-

травили" [17]);

      7) проверили качество травления, расделяя, при необходимос-

ти, ложные близкорасположенные и плохо протравленные цепи при помо-

щи хирургического скальпеля или острой заточки;

      8) удалили защитную краску с поверхностей платы растворите-

лем и зачистили полученные дорожки наждачной бумагой;

      9) облудили дорожки хорошо разогретым паяльником, предвари-

тельно обезжирив их паяльной кислотой, для защиты от коррозии и

облегчения процесса пайки к ним компонентов электрической схемы.

      После этого, мы собирали схему по отдельным блокам на печат-

ной монтажной плоскости, соединяя выводы ее электронных компонен-

тов с дорожками платы методом пайки, настраивая или устраняя до-

пущенные в процессе изготовления платы ошибки (ложные цепи между

близко расположенными дорожками, восстановление пропущенных в про-

цессе рисовки дорожек при помощи проложения их тонкими гибкими про-

водниками и так далее). Пайку производили оловом с использованием

канифоли для снятия окисных пленок с выводов электронных компонен-

тов и мест пайки печатной монтажной схемы электропаяльником ЭПСН-

25. Для сборки монтажной печатной схемы использовали только эле-

менты, проверенные в процессе макетирования. После завершения про-

цесса сборки обе плоскости печатной монтажной платы были очищены

от остатков канифоли этиловым спиртом, чтобы избежать прохождения

токов по "ложным цепям" через брызги олова в накипях канифоли.
              КОНСТРУКЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЕСОВ
      Детали корпуса электронных химических весов были выпилены

нами из гетинакса пятимиллиметровой толщины и соединены в Г-обра з-

ную конструкцию при помощи уголка и болтов с гайками. Печатные мон-

тажные платы крепились через специальные отверстия по их углам к

стенкам корпуса при помощи болтов в отврстия с резьбой, нарезанной

леркой. Корпус был изготовлен с таким расчетом, чтобы передняя и

задняя его стенки вместе с основанием служили для крепления всех

модулей изделия, а верхняя, съемная, часть имела только декоратив-

ное значение, что способствовало простому доступу для настройки и

ремонта. В передней торцевой стенке были высверлены отверсти под

4 кнопки управления и светодиод "РАБОТА", попутно играющий роль

десятичной точки табло взвешивания и два прямоугольных отверстия

под многоразрядный индикаторы CA56-21GWA, проделанных с использо-

ванием лобзика. В задней стенке было вырезано отверстие для сете-

вого провода и фасонное отверстие для размещения разъема устрой-

ства сопряжения аналитических весов с IBM-совместимым компьюте-

ром. В верхней съемной части корпуса, непосредственно над устрой-

ством взвешивания, также лобзиком было вырезано отверстие для ус-

тановки навесок на площадку устройства взвешивания.

      Для обеспечения свободной конвенкции воздуха и охлаждения

тепловыделяющих компонентов изделия в основании и в верхней час-

ти корпуса были просверлены отверстия диаметром 5 мм, а по углам

основания - 4 отверстия с резьбой под ножки.

      Весы аналитического класса точности очень чувствительны, да-

же к колебаниям воздуха, поэтому пространство над отверстием пло-

щадки устройства взвешивания было изолировано от окружающей сре-

ды колпаком, изготовленным из оргстекла и прикрепленным к верх-

ней части корпуса болтовыми соединениями. Защитный колпак был обо-

рудован дверкой для установки и изъятия взвешиваемых образцов.
              АЛГОРИТМ РАБОТЫ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВЕСОВ
      Программа для ОЭВМ КР1816ВЕ51 была написана на языке ассем-

блер учеником нашей школы Ивановым И.И. и была выделена в самостоя-  ???

тельную работу, представленную на секцию информатики. В настоящей

работе мы остановимся лишь на обобщенном описании алгоритма работы

программы.

      После включения питания программа выполняет тестирование сос-

тояния ОЭВМ, включающего контроль сохранности кодов программы во

внутренней памяти микросхемы КР1816ВЕ51, проверку исправности двух

встроенных таймеров, портов ввода/вывода и арифметико-логического

устройства. Затем выполняется контроль исправности перефирийных ап-

паратных устройств, подключенных к ОЭВМ: преобразователя температу-

ра-частота, цифроаналогового преобразователя, датчика подьема веса

и табло аналитических весов.

      Если в процессе самотестирования обнаружена неисправность, то

на табло после символа ">" выдается код ошибки, список которых при-

веден в табл. 3.
                                               Таблица 3
          Коды возможных неисправностей работы электронных

          аналитических весов, идентифицируемых программно
    Код неис-     Описание причины       Действия пользователя

    правности       неисправности
     01...21    Неисправна цепь раз-  Проверить исправность клю-

                ряда, номер которого  чевого транзистора КТ361 и

                соответствует коду    реле РЭС-10 данного разря-

                ошибки                да цифроаналогового преоб-

                                      разователя

        22      Не сохранились коды   Восстановить коды програм-

                программы в микро-    мы повторной записью их в

                схеме КР1816ВЕ51      чип

        23      Неисправность микро-      Заменить микросхему

                схемы ОЭВМ

        24      Неисправность микро-            " - "

                схемы последователь-

                ного периферийного

                адаптера КР580ВВ55А

        25      Неисправность темпе-   Осцилографом, в контроль-

                ратурного преобразо-   ных точках принципиальной

                вателя                 электрической схемы, про-                           точках прове-

                                       верить исправность тран-                                       ность транзис-

                                       зисторов КТ972 и КТ973,

                                       диода КД407А, микросхемы

                                       К176ЛП1 и транзистора со-

                                       гласования напряжений

                                                КТ315

        26      Неисправность датчи-   Осцилографом установить

                ка подьема веса        неисправность излучателя

                                       или приемника и устранить

                                       ее путем замены вышедшего

                                       из "строя" диода или тра-

                                       нзистора

        27      Температура внутри     Температура в месте взве-

                аналитических весов    шивания не позволит про-

                ниже допустимой, то    изводить измерения с тре-

                есть меньше 5°С        буемой точностью

        28      Температура внутри     Выключить весы и продол-

                аналитических весов    жить измерения после их

                выше допустимой, то    остывания

                есть больше 65°С
      Тестирование табло аналитических весов сводится к последо-

вательному выводу во все его разряды цифр 0, 1, 2, ... ,9 и, если

в процессе отображения пользователем обнаружено отсутствие свече-

ния разряда, одного или нескольких сегментов, то неисправность сле-

дует устранить руководствуясь принципиальной электрической схемой.

      Факт успешного завершения самотестирования отображается га-

шением табло и пульсирующим с частотой в 1 Гц свечением диода "Ра-

бота" блока индикации и управления.

      ОЭВМ непрерывно определяет температуру и опрашивает состоя-

ние кнопок блока управления. Как только пользователем нажата одна

из четырех кнопок блока управления, программа приступает к выпол-

нению выбранной пользователем функции. Формально, три кнопки бло-

ка управления ("ТАРА", "ОДНОКРАТНО" и "МНОГОКРАТНО") выполняют

однотипную процедуру уравновешивания веса, приложенного к площад-

ке весов, посредством подбора, соответствующего цифрового значе-

ния. Однако, режим "ТАРА" завершается выводом на табло цифры нуль

во все его разряды и запоминанием в памяти КР1816ВЕ51 величины,

которая при взвешивании будет вычитаться из полученного значения.

Результат однократного взвешивания будет не свободен от небольших

по значению случайных погрешностей, связанных с воздействием как

внутренних (например, определения температуры), так и внешних (на-

жатие кнопки при незапертой дверце) факторов. В режиме "МНОГОКРАТ-

НО", взвешивание выполняется непрерывно с нахождением и индикацией

среднего значения из десяти последних измерений. Режимы "ТАРА"

и "МНОГОКРАТНО" отменяются повторным нажатием этих кнопок, а

"ОДНОКРАТНО" - нажатием любой из оставшихся трех клавиш.

      В избранности или отмене установленного ранее режима мож-

но убедиться по свечению/погашенности точек табло, положение ко-

торых на табло соответствует положению кнопок блока управления.

      Подбор цифрового кода, соответствующего равновесному сос-

тоянию "вес-электрический ток", производится увеличением значе-

ния старшего разряда до тех пор, пока не будет обнаружен подъем

площадки взвешивания, затем разряд уменьшается и фиксируется

как предельный и упомянутые действия повторяются. Если вначале

или при очередном приближении разряд достиг предельного, а пло-

щадка не поднялась, то значение предельного разряда уменьшается

с оставлением старшего разряда во включенном состоянии и проце-

дура подбора повторяется. Вес считается измеренным, если измене-

ние цифрового кода на величину младшего разряда сопровождается

"взятием веса".

      Алгоритм поразрядного подбора позволяет достичь искомого

результата в 2...1000 раз быстрее, чем путем последовательного

подбора значения, и зависит от величины измеряемого веса. При

любом весе, не превышающем 200 грамм, однократное взвешивание

занимает не более трех секунд. При многократном взвешивании, все

следующие за первым измерения производятся методом коррекции

предыдущего измерения и осуществляются со скоростью 10 измере-

ний в секунду. В процессе включения и выключения разрядных то-

ковых цепей цифроаналогового преобразователя ведется протокол

прироста/спада температуры резисторов делителя напряжения каж-

дого разряда и при "взятии веса" выполняется процессорное вычис-

ление величины, вызвавшего равновесие электрического тока (I), с

учетом температур резисторов каждого включенного в результат раз-

ряда
                           21

                   I  = c  Ё Ki•t°C

                          i=0
и пересчет полученного значения по тарировочной формуле
                 P = a0  +  a1*I  +  a2*I¤ ,
      которая была получена учащимся нашей школы Ивановым И.И.,  ???

с использованием математического аппарата апроксимации результа-

тов способом наименьших квадратов [18], на основе исследования

изменения сопротивления резисторов в зависимости от их темпера-

туры и тарирования изготовленных нами аналитических весов навес-

ками, значения которых были измерены на поверенных механических

весах аналитического класса точности. Мы не останавливаемся под-

робно на результатах этих исследований, так как они будут докла-

дываться на секции математики.

      После получения результирующего значения веса, программа

преобразует двоичное число в десятичное и выдает на табло весов.

      Четвертая функция весов "t°C" оставлена нами на случай пере-

тарировки весов после ремонта температурного преобразователя. При

выборе этой функции на табло непрерывно выдается температура с

датчика веса, который может быть отсоединен от печатной платы и

благодаря соединению с ней при помощи витой пары проводов, длиной

1,5 м, вынесен из изделия и подвергнут перетарировке, по описанной

выше методике, но без использования частотомера, роль которого

возлагается на ОЭВМ.
                           ВЫВОДЫ
                         ЛИТЕРАТУРА
      1.   работа об аналитических весах....

      2. Бычков М.Г., Азаров Б.Я. Унифицированное блочное микропро-

цессорное устройство на базе микропроцессора К1801ВМ1. - М.: МЭИ,

1988. 80 с.

      3. Щелкунов Н.Н., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и

системы. - М.: Радио и связь. 1989. 288 с.

      4. Басманов А.С., Широков Ю.Ф. Микропроцессоры и однокристаль-

ные микро-ЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности. - М.:

Энергоатомиздат, 1988. 128 с.

      5. Устройство печати знакосинтезирующее малогабаритное СМП

6327: Руководство по эксплуатации - Уфа: Завод пишущих машин, 1987.

44 с.

      6. Телевизоры "Электрон". Справочник под ред. А.А. Смердова.-

М.: Радио и связь, 1990. 279 с.

      7. Блок дисководов КИСЦ 467234.004-01: Руководство по эксплу-

атации. - Л.: СПКТБ ПО ЛЭТЛ, 1988. 17 с.

      8. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналогоцифро-

вым преобразователям: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1982. 552 с.

      9. Maxim. New realeases data book. - London: Maxim GmbH,

1996. 962 p.

      10. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник.-

М.: Радио и связь, 1987. 352 с.

      11. Справочник по интегральным микросхемам /Тарабрин Б.В.,

Якубовский С.В., Барканов Н.А. и др./.- М.: Энергия, 1980. 816 с.

      12. Граф Р. Электронные схемы. 1300 примеров: Пер. с англ.-

М.: Мир, 1989. 688 с.

      13. Ступельман В.Ш., Филаретов Г.А. Полупроводниковые прибо-

ры.- М:. Советское радио, 1973. 248 с.

      14. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности.

Справочник. /Зайцев А.А., Миркин А.И., Мокряков В.В. и др./.-

М.: Радио и связь, 1989. 384 с.

      15. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой

мощности. Справочник. /Зайцев А.А., Миркин А.И., Мокряков В.В. и

др./.- М.: Радио и связь, 1989. 640 с.

      16. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Справочник.

/Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин А.М./.- М.: Энергоатомиздат,

1988. 448 с.

      17. Зюдин А.Ф. Монтаж, настройка, эксплуатация и ремонт из-

делий на полупроводниковых элементах. М.: Энергоиздат, 1974. 360 с.

      18. Мазмишвилли А.И. Теория ошибок и способ наименьших квад-

ратов.- М.: Недра, 1978. 311 с.