1 Разработка схемы электрической структурной 7 2 Разработка схемы электрической принципиальной 9
 Скачать 0.83 Mb.
|
1 Разработка схемы электрической структурнойСхема электрическая структурная радиоприемника приведена на листе 1 графической части проекта. В электрическую структурную схему входит блок питания. Блок питания обеспечивает энергией все устройство от сети переменного тока 220В. Формирует питание +5В для микроконтроллера и вспомогательных микросхем, а также питание +12В для управления реле. Для получения информации о величине тока используется датчик тока ACS712-20A фирмы Allegro. Перевод уровня тока в цифровой код обеспечивает внутренне 10 битное АЦП микроконтроллера. Датчик тока необходим для определения факта наличия тока в нагревательных элементах. Для получения информации о величине температуры используется датчик температуры LM335. Перевод уровня температуры в цифровой код обеспечивает внутренне 10 битное АЦП микроконтроллера. Блок жидкокристаллической индикации предназначен для отображения текущего значения температуры поддержания и вычисленной средней температуры, а также отображения аварийной ситуации. Чтобы пользователь имел возможность настраивать температуру поддержания, в устройство введены кнопки. Основной частью микропроцессорного устройства является микроконтроллер, который выполняет функции отображения информации на индикаторе, периодический опрос (оцифровка) аналоговых сигналов температуры и тока, а также вычислительную работу для формирования адекватного представления физических величин (температура) для восприятия человеком. Также микроконтроллер фиксирует факт нажатия пользователем кнопок, чтобы изменять величину температуры поддержания. Мультиплексор необходим для поочередного подключения аналоговых сигналов датчиков температуры к внутреннему АЦП микроконтроллера. Реле используется для подключения / отключения напряжения питания к нагревательным элементам. Безусловно, терморегулятор обязан отображать текущую температуру поверхности пола, по этой причине без жидкокристаллического индикатора в данном устройстве не обойтись. Так же, пользователь данного устройства должен иметь возможность устанавливать уровень температуры поверхности пола, для обеспечения такой возможности используются кнопки. В связи с тем, что под поверхностью пола будут установлены несколько датчиков температуры, в устройстве применятся мультиплексор, который позволит оценивать аналоговые сигналы датчиков температуры поочередно. Для подключения / отключения нагревательных элементов к напряжению питания, применяется реле т.к. сам микроконтроллер, при подаче на него напряжения переменного тока 220В сломается («сгорит»). Сами нагревательные элементы способны работать только от сети переменного тока 220В. С целью определять факт обрыва силового кабеля, подключенного к нагревательным элементам, в структурную схему введен датчик тока. Очевидно, обязанность оценивать и регулировать температуру поверхности пола, возложена на микроконтроллер. Кроме этих обязанностей микроконтроллер управляет ЖКИ и опрашивает состояния кнопок (нажата / отпущена). 2 Разработка схемы электрической принципиальнойПринципиальная схема изображена на листе 2 графической части проекта. При разработке любого устройства с использованием микроконтроллера руководствуются следующими критериями: доступность в приобретении (отсутствие дефицита); низкая цена; надежность в работе. Исходя из принципа минимизации затрат на компоненты, необходимо произвести сравнительный анализ для каждого из типа комплектующих, присутствующих в устройстве. Затем на основе данного анализа выбрать наилучший вариант, удовлетворяющий как по своим характеристикам, так и по затратам на его приобретение. Сравнительная характеристика микроконтроллеров приведена в таблице 2.1. Основные компоненты, используемые в устройстве: микроконтроллер; аналоговый датчик температуры. Таблица 2.1 – Сравнительные характеристики микроконтроллеров
В моем устройстве я предлагаю использовать микроконтроллер фирмы Microchip серии PIC16F876, который заработал репутацию (согласно отзывам, на форумах разработчиков электроники) надежного, помехоустойчивого контроллера. В микроконтроллер PIC16F876 встроены электронные схемы для решения широкого круга задач: управления внешними устройствами и анализа принимаемых сигналов (аналоговых и цифровых). Нужно только научиться управлять этой электроникой с помощью программного обеспечения. Технические характеристики микроконтроллера PIC16F876: всего 35 простых для изучения инструкций. Все инструкции исполняются за один такт (200 нс), кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта, минимальная длительность такта 200 нс; 14 битовые команды; 8 - битовые данные; вход внешних прерываний; 8-уровневый аппаратный стек; прямой, косвенный и относительный режимы адресации для данных и инструкций. Периферия: сильноточные схемы портов ввода/вывода; 25 мА макс. вытек. Ток; 25 мА макс. втек. Ток; timer0: 8-разрядный таймер/счетчик; timer1: 16-разрядный таймер/счетчик; timer2: 8-разрядный таймер/счетчик; 2 ШИМ модуля. Последовательные интерфейсы: 3-проводный SPI; 10-битный АЦП. Таблица 2.2 – Сравнительные характеристики интегральных датчиков температуры
Исходя из таблицы 2.2, в качестве датчика температуры предлагаю использовать аналоговый датчик температуры LM335 от производителя Analog Devices. Один из самых недорогих интегральных датчиков температуры. Цена LM335 не превышает 0,5$. При этом он имеет параметры достаточные для большинства приложений. Точность измерения может быть повышена за счет калибровки датчика. Серия LM335 это прецизионный интегральный датчик температуры. С точки зрения схемотехники он представляет собой двух выводный диод Зенера (стабилитрон), напряжение стабилизации которого прямо пропорционально температуре с коэффициентом 10 мВ / °K. Динамический импеданс термодатчика не превышает 1 Ом, а рабочий ток может быть в диапазоне от 0,4 до 5 мА. Откалиброван при 25 °C, LM335 имеет погрешность не более 0.5 °C в диапазоне до 100 °C. Подобно другим интегральным термодатчикам, у LM335 линейная зависимость выходного напряжения от температуры. LM335 может быть использован в любых приложениях для измерения температуры от –55 до +150 °C. Линейная характеристика и низкий импеданс позволяют легко подключать термодатчики к управляющим устройствам. Области применения: источники питания; системы контроля аккумуляторов; системы климатического контроля; другие технические приложения. Специальные функции: сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания; встроенный калиброванный RC-генератор; внутренние и внешние источники прерываний. Рабочие напряжения: 2,0 - 5,5В. Рабочая частота: 1 - 20 МГц. Блок питания формирует два напряжения питания +5В и +12В. для аналоговой и цифровой части схемы. Далее описание схемы блока питания касается одного из каналов. Второй канал абсолютно идентичен. При описании схемы в скобках будет указан соответствующий элемент во втором канале блока питания. Первым идет предохранитель F1, служит для защиты от перегрузки и коротких замыканий. Предохранитель должен быть рассчитан на ток 0.15А. Далее по схеме блока питания идет варистор VDR1. Можно любой, главное, чтобы так называемое классификационное напряжение было 470В, не меньше – будет греться, и не больше – будет пропускать перенапряжение. Конденсатор C7 неэлектролитический пленочный серии К73-17 номинальное напряжение 630В, емкость 0,47 мкФ. Трансформатор Т1 первичная обмотка 220В, две вторичные 7 – 10 В, мощность 4 – 8 Вт. Диодный мост VDS1 рекомендуется брать готовый, но также можно спаять из диодов. Далее по схеме идет электролитический конденсатор C8 (С9) типа К50-35. Емкость 2200 - 4700 мкФ, меньше нельзя из-за роста пульсаций, больше - нет смысла. Напряжение 25В и выше. Условились, что в собираемом БП вторичная обмотка трансформатора выдает до 10В, не больше, учитывая повышение напряжения в 1,41 раз, получаем с запасом 25В. Вообще, при подборе трансформатора, умножайте примерно на 1,5 подаваемое на конденсатор напряжение (т.е. с учетом 1,41) – это будет запас на прочность. Стабилизатор напряжения также важный компонент схемы блока питания. Выбираем L7805A (L7812) DA1 (DA2), максимальное входное напряжение – 35В, выходное – 5В (12В), выходной ток до 1А (0.5А), корпус TO220. Конденсатор C12 (C13) рекомендуется для предотвращения самовозбуждения стабилизаторов. Подойдет обычный керамический многослойный серии К10-17Б, емкость 0,1 - 4,7 мкФ. Последний элемент блока питания 5В (12В) – индикатор работы. Светодиод HL1 (HL2) и токоограничивающий резистор R11 (R12). Светодиод АЛ307БМ, сопротивление резистора согласно расчетам 330 (2400) Ом, мощность 0,125В. С целью подавления высокочастотных помех используется фильтрующая цепочка R8C11 (R2C3). Кроме того, для повышения разрешающей способности результата АЦП, используется внешний источник опорного напряжения на стабилитроне, формирующим напряжение 2.4В. Резистор R1 необходим для ограничения тока, протекающего через стабилитрон D1. Для получения более достоверной информации о реальной температуре нагреваемой поверхности пола, принято решение использовать несколько датчиков температуры (пять). Эти датчики монтируются в разных местах поверхности пола (на усмотрение наладчика). Однако, в схемном решении используется один вход АЦП микроконтроллера. Чтобы обеспечить возможность оцифровывать уровни напряжений от всех датчиков температуры, применяется мультиплексор 74HC4051. Микроконтроллер PIC16F876, управляя мультиплексором, поочередно подключает аналоговые сигналы от датчиков температур ко входу операционного усилителя через равные промежутки времени. Так как выход RA4 микроконтроллера не может сформировать +5В самостоятельно (открытый коллектор), применяется подтягивающий к + 5В резистор R9. Данная микросхема выполняет функции 8-канального аналогового мультиплексора. Микросхема 74HC4051 коммутирует (электрически соединяет) общий сигнал (Х) с одним из восьми выходов (Y0…Y7). Маршрут общего сигнала задается цифровым управлением на трех управляющих линиях (А, В, С). Для обеспечения возможности настраивать температуру поддержания в схему введены кнопки. Время задающая цепочка R3C1 (R4C2) и триггер Шмидта 74HC14 обеспечивают защиту от дребезга контактов в процессе нажатия (отпускания) кнопки. В отпущенном состоянии на вход микросхемы DD1.1 (DD1.2) поступает +5В. Благодаря напряжению +5В, подключенному к R3(R4). Цепочка R3C1 (R4C2) заряжена, на выходе микросхемы DD1.1 (DD1.2) отсутствует напряжение. После нажатия на кнопку (второй контакт кнопки замыкается на землю) происходит постепенный разряд конденсатора до нуля, что приведет к отсутствию напряжения на входе микросхемы DD1.1 (DD1.2) и, соответственно, на выходе микросхемы появится напряжение +5В. Далее сигналы от кнопок объединяются по принципу OR (микросхема DD2 74HC32). Результат этого объединения подключается к входу внешнего прерывания. Микроконтроллер отслеживает фронт изменения уровня напряжения (внешнее прерывание) и фиксирует факт нажатия кнопки (опрашивает состояние дискретных входов, к которым подключены сигналы Up / Down). В основной программе устройство формирует реакцию на факт нажатия кнопок. Схема сброса микроконтроллера. При подаче питания, напряжение начинает возрастать до необходимых минимальных 2В не мгновенно, а постепенно. Чтобы контроллер за этот промежуток времени бездействовал, используется «сбросовая» цепь R10C10. Каждое устройство, использующее в своем составе контроллер, работает под управлением микропрограммного обеспечения. Это означает, что должна существовать техническая возможность «зашивать» в контроллер программу для готового изделия. Для решения такой задачи существуют внутрисхемные программаторы, которые будут подключаться к моему устройству через разъем X1. Для защиты от высокочастотных помех по питанию используется конденсатор С6. Тактирование микроконтроллера от кварцевого резонатора Z1 (20 МГц), конденсаторы С4, С5 необходимы для запуска кварцевого резонатора. Для измерения тока, протекающего через нагрузку, принято решение использовать специализированную микросхему датчика тока, которая подключается последовательно с нагрузкой. Выбранная модель датчика тока датчик тока ACS712-20A фирмы Allegro. Принцип действия датчика основан на эффекте Холла, что позволяет изолировать выходной аналоговый сигнал датчика от высокоточных цепей. Далее выходной аналоговый сигнал датчика тока оцифровывает внутреннее АЦП микроконтроллера PIC16F876. Оптронная развязка в данном случае не нужна. Для обеспечения защиты от короткого замыкания (бросков тока в нагрузке), используется самовосстанавливающийся предохранитель F2 модели JK250 В – 600 U. Самовосстанавливающийся предохранитель иными словами можно назвать предохранителем многоразового использования. Предохранитель являет собой полимерный резистор, имеющий положительный температурный коэффициент сопротивления. Используется для защиты от перегрузки цепей по току или одновременной защиты по напряжению и току в пределах от 3А до 100А и от 6В до 60В постоянного напряжения и от 250В до 600В переменного напряжения. Самовосстанавливающиеся предохранители отличаются от традиционных конструкций отсутствием плавкой вставки и возможностью самовосстановления проводящих способностей после срабатывания и завершения воздействия побудителя. Для обеспечения безопасного способа коммутировать напряжение 220В, применено реле постоянного тока, управляемое транзистором. Схемное решение отображено на Рис.6. Микроконтроллер PIC16F876 подает (снимает) напряжение со входа резистора R15, последствием этих действий является подключение (обрыв) эмиттера транзистора к «земле». В случае, если эмиттер подключен к «земле», через реле потечет ток и произойдет замыкание контактов реле. В случае, если эмиттер «оторван» от «земли», через реле не потечет ток и произойдет размыкание контактов реле. Сами контакты реле физически замыкают / размыкают провода, соединяющие напряжение бытовой сети переменного тока 220В. Диод VD1 необходим для предотвращения бросков обратной полярности при размыкании реле в случае индуктивной нагрузки. Резистор R17 используется для ограничения тока, протекающего через реле. Резистор R15 используется для ограничения тока, протекающего через базу транзистора. Резистор R16 используется для «подтягивания» эмиттера транзистора к «земле», чтобы увеличить помехоустойчивость схемы от высокочастотных наводок случайных напряжений. С14 – защита от помех по питанию для датчика тока. Для верности возьмем транзистор с запасом по предельному току и по предельному напряжению. Подойдет BD139 в корпусе SOT-32. Этот транзистор обладает параметрами Iкмакс = 1,5А, Uкэмакс = 80В. Будет хороший запас. Радиатор транзистору не потребуется. |