Главная страница
Навигация по странице:

  • 2.3 Пульт управления

  • 2.4 Четырёхразрядный индикатор

  • 3 Выбор элементной базы и разработка схемы электрической принципиальной

  • 3.1 Проектирование схемы микропроцессорного блока

  • 3.2 Проектирование блока управления и индикации

  • Цвет свечения красный Прямой ток на элементе I

  • 3.3 Проектирование блока ввода и оцифровки показаний термодатчика

  • 3.4 Выбор АЦП

    		•

    КП_МПС_Абрамов. Микропроцессорное устройство управления регулятором температуры по заданному закону


    Скачать 2.47 Mb.
    НазваниеМикропроцессорное устройство управления регулятором температуры по заданному закону
    Дата10.01.2023
    Размер2.47 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаКП_МПС_Абрамов.doc
    ТипЗакон
    #880544
    страница2 из 5
    1   2   3   4   5

    2.2 Блок управления термостатом
    В курсовом проекте блок управления термостатом состоит из вентилятора, нагревателя и электронных схем, с помощью которых можно будет программно включать и выключать вентилятор и нагреватель для изменения температуры по заданному закону.

    В данном случае к проектируемой МПС требуется подключить только один датчик, предназначенный для ввода текущего значения температуры термостата.

    В разрабатываемой системе также должно осуществляться управление вентилятором и нагревателем. В данном случае достаточно применить мощный ключ, управляемый одним из битов порта микроконтроллера.

    На рисунке 2.3 показана структура блока управления термостатом.


    Рисунок 2.3 – блок управления термостатом.
    Объекты управления:

    • В – вентилятор

    • Н – нагреватель


    В качестве блока коммутации мы используем ключи на оптопарах, с помощью которых мы подаем питание на нагреватель и двигатель вентилятора


    Рисунок 2.4. Блок коммутации
    2.3 Пульт управления
    Пульт управления будет включать в себя две кнопки:

    - кнопка «Сброс»;

    - кнопка «Пуск».

    Кнопка «Сброса» предназначена для установки МП в начальное состояние.

    Кнопка «Пуск» предназначена для формирования команды ОЭВМ о начале процесса управления изменением температуры по заданному закону.


    Рисунок 2.5 - Структурная схема пульта управления
    2.4 Четырёхразрядный индикатор
    Для визуального отображения температуры в термостате будет использоваться 4-разрядный индикатор.

    Для управления индикатором в схему контроллера будут включены 2 4-разрядных порта вывода. Принцип управления индикатором - динамический.

    На рисунке 2.6 показана структура блока индикации.


    Рисунок 2.6 - Структурная схема блока индикации.
    DС - дешифратор (преобразует двоично-десятичный код в код ССИ);

    ЭК - электронные ключи для организации динамического принципа управления;



    3 Выбор элементной базы и разработка схемы электрической

    принципиальной
    Для выполнения заданных функций разрабатываемого контроллера его структурная схема (см. рисунок 2.1), включает следующие аппаратные средства:

    - микропроцессорный блок на базе ОЭВМ;

    - модуль памяти;

    - блок управления и индикации;

    - блок ввода и оцифровки температуры;

    - блок управления термостатом.
    3.1 Проектирование схемы микропроцессорного блока
    Согласно техническому заданию на курсовой проект контроллер управления регулятором температуры необходимо реализовать на базе ОЭВМ. Тип ОЭВМ был выбран в разделе «Анализ технического задания» - AT89C51.

    Основные характеристики микроконтроллера АТ89С51 следующие:

    • восьмиразрядный ЦП, оптимизированный для реализации функций управления;

    • встроенный тактовый генератор;

    • адресное пространство памяти программ - 64 К;

    • адресное пространство памяти данных - 64 К;

    • внутренняя память программ - 4КБ (FLASH-память);

    • внутренняя память данных - 128 байт;

    • дополнительные возможности по выполнению операций булевой алгебры (побитовые операции);

    • 32 двунаправленные и индивидуально адресуемые линии ввода/вывода;

    • 2 шестнадцатиразрядных многофункциональных таймера/счетчика;

    • полнодуплексный асинхронный приемопередатчик;

    • векторная система прерываний с двумя уровнями приоритета и шестью источниками событий [1].

    Условное графическое обозначение и расположение выводов микросхемы AT89C51 - на рисунке 3.1.



    Рисунок 3.1 - Условное графическое обозначение и назначение

    выводов микросхемы AT89C51

    Назначение выводов микросхемы AT89C51:

    • GND - потенциал общего провода («земли»);

    • Vсс - основное напряжение питания +5В;

    • XTAL1, ХTAL2 - выводы для подключения кварцевого резонатора;

    • RST - вход общего сброса микроЭВМ;

    • PSEN - разрешение внешней памяти программ; выдается только при обращении к ПЗУ;

    • ALE - строб адреса внешней памяти;

    • ЕА - отключение внутренней программной памяти;

    Через порт 0 (в мультиплексном режиме) выводится младший байт адреса, а также выдается и принимается в микроконтроллер байт данных при работе с внешней памятью программ/данных. Задаются данные при программировании внутренней памяти программ и читается ее содержимое;
    Через порт 2 выводится байт старший байт адреса внешней памяти программ и данных, а также задаются старшие разряды адреса при программировании и верификации УФРПЗУ;

    Порт 1 предназначен для задания младшего байта адреса при программировании и проверке ПЗУ микросхемы.

    Порт 3 имеет следующие альтернативные функции:

    Р3.7 - строб чтения из внешней памяти данных (Read Data for External Memory,);

    P3.6 - строб записи во внешнюю память данных (Write Data for External Memory,)

    P3.5 - внешний вход T/C1 (Timer/Counter 1 External Input, T1);

    P3.4 - внешний вход T/C0 (Timer/Counter 0 External Input, T0);

    P3.3 - вход внешнего прерывания 1 (External Interrupt 1 Input Pin);

    P3.2 - вход внешнего прерывания 0 (External Interrupt 0 Input Pin);

    P3.1 - выход данных передатчика последовательного порта (Serial Port Transmit Pin, TxD);

    P3.0 - вход данных передатчика последовательного порта (Serial Port Receive Pin, RxD).

    Каждый порт является фиксатором - защелкой и может адресоваться как побайтно, так и побитно.

    Для работы МП необходимо наличие в составе МПС генератора тактовых сигналов, вырабатывающего тактовые импульсы для синхронизации работы МП и других компонентов МПС. В ОЭВМ MCS-51 имеется встроенный генератор тактовых импульсов. Частота внутреннего ГТИ определяется кварцевым резонатором, подключаемым к выводам ХTAL1 и ХTAL2. Выбираем кварцевый резонатор с частотой fBQ=12 МГц.
    В данном устройстве мы отказываемся от использования внутренней памяти программ и данных и используем внешние микросхемы памяти ОЗУ и ПЗУ. Для того, чтобы сообщить микроконтроллеру об отключении внутренней памяти программ, необходимо на вход ЕА подать уровень логического нуля. Теперь при обращении к внешней памяти программ будет формироваться сигнал разрешения внешней памяти программ PSEN (активный уровень низкий), который выполняет функцию сигнала чтения при обращении к ПЗУ.

    Микроконтроллер AT89C51 имеет совмещенную шину адреса и данных. Поэтому для выделения младшего байта адреса необходимо использовать внешний регистр, запись информации в который будет происходить по стробу адреса внешней памяти ALE.

    Для обслуживания прерываний в микроконтроллере имеется два входа на запрос прерывания INT0 и INT1.

    Для связи разрабатываемой МПС с внешними устройствами возможно применение отдельных регистров с соответствующими дешифраторами адресов.

    Назначение выводов портов сведем в таблицу 1.
    Таблица 1 – Назначение портов ОЭВМ

    Порт
    Назначение

    Р0 [7:0]
    Младший байт шины адреса / шина данных

    Р2 [7:0]
    Старший байт шины адреса

    P1.0-P1.3
    Вывод символа на индикатор

    P1.4,P1.5
    Управление индикатором

    P3.4
    Включение / выключение вентилятора

    P3.5
    Включение / выключение нагревателя

    P3.0
    Включение / выключение АЦП

    P3.1
    Управление шинным формирователем

    P3.2
    Ввод сигнала от кнопки «Пуск»

    P3.3
    Ввод сигнала от АЦП «Готовность данных»

    Р3.6
    Сигнал RD

    Р3.7
    Сигнал WR



    Схема микропроцессорного блока приведена на рисунке 3.2.



    Рисунок 3.2 – Схема микропроцессорного блока




    3.2 Проектирование блока управления и индикации
    Пульт управления в разрабатываемой системе имеет лишь две кнопки: «Сброс», осуществляющая перезапуск МПС, и «Пуск», нажатие которой сигнализирует о начале очередного цикла работы системы. Кнопка «Сброс» подключается через супервизор питания на вход RST. Кнопка «Пуск» подключается ткже через супервизор питания к входу порта Р3.2 микроконтроллера.

    Схема кнопки «Сброс» и «Пуск» приведены на рисунках 3.3 и 3.4 соответственно.



    Рисунок 3.3 – Кнопка «Сброс»



    Рисунок 3.4 – Кнопка «Пуск»
    Теперь рассмотрим блок индикации. В данном курсовом проекте будем применять схему с динамической индикацией, что позволит значительно сократить аппаратную часть при незначительном усложнении программной части. Динамический принцип организации интерфейса семисегментного индикатора (ССИ) предполагает наличие двух портов вывода.




    Через один порт должно выводиться данные, формирующие высвечиваемый символ, а через другой – данные о том, какой разряд индикатора должен быть подсвечен. Но при использовании специальных микросхем (дешифратора кодов ССИ) и при условии, что в курсовом проекте используются четыре микросхемы ССИ, можно обойтись одним портом вывода (4 разряда- для определения символа, которым загорится микросхема ССИ, 2 - для выбора подсвечиваемого разряда). Два разряда будут подключено непосредственно без управления. В качестве порта вывода применим порт P1 микроконтроллера.

    В качестве преобразователей двоично-десятичного кода в семиэлементный будем использовать микросхему дешифратора К514ИД2, так как тип индикатора с общим катодом.



    Рисунок 3.5 – Микросхема К514ИД2
    На входы D1-D4 подается двоичная комбинация, определяющая код символа, который необходимо отобразить.

    В качестве индикаторов будем использовать четыре МС АЛС330А. Микросхема АЛС330А представляет собой одноразрядный семи сегментный индикатор на светоизлучающих диодах, включенных по схеме с общим анодом.

    Параметры ИМС АЛС330А приведены в таблице 2.
    Таблица 2 - Параметры ИМС АЛС330А

    Цвет свечения
    красный

    Прямой ток на элементе Iпр
    10 мА

    Прямое напряжение на элементе Uпр
    2,2 В

    Схема включения
    ОК


    МС К514ИД2 обеспечивает выходной ток для всех диодов 10 мА. Прямой ток индикатора 10 мА. Поставим ограничительные резисторы между выходами микросхемы дешифратора и катодами индикатора. В принципе, можно обойтись без ограничительных резисторов, так как элементы согласованы по нагрузочной способности.

    Для отображения температуры отведем два первых семисегментных индикатора, а на остальные два подадим такую комбинацию нулей и единиц, чтобы они постоянно отображали знак температуры °С. Схема блока индикации приведена на рисунке 3.6.


    Рисунок 3.6 – Блок индикации




    3.3 Проектирование блока ввода и оцифровки показаний термодатчика
    В термостате будет использоваться датчик AD22100K. Основные параметры датчика:

    • Температурный диапазон от 0 до 100 ºС;

    • Типовая погрешность при 25ºC ± 5 %

    • Uout = (U +/ 5B) * [ 1,375B + (22,5 mB/ºC) * TA]

    Для питания данного термодатчика следует выбрать высокостабильный источник опорного напряжения с Uвых = 5 В.

    Исходя из максимального значения температуры термостата согласно заданию, вычислим максимальное выходное напряжение термодатчика:

    Uoutmax = 1375 mB + 22,5 mB/ºC * 25 ºC = 2050 mB = 2,05 B




    3.4 Выбор АЦП
    В качестве АЦП выбираем К1113ПВ1. Микросхемы представляют собой функционально законченный 10-разрядный АЦП, сопрягаемый с микропроцессором. Обеспечивает преобразование как однополярного напряжения (вывод 15 соединяется с выводом 16) в диапазоне 0...9,95 В, так и биполярного напряжения в диапазоне -4,975...+4,975 В в параллельный двоичный код. В состав ИС входят ЦАП, компаратор напряжения регистр последовательного приближения (РПП), источник опорного напряжения (ИОН), генератор тактовых импульсов (ГТИ), выходной буферный регистр с тремя состояниями, схемы управления. Выходные каскады с тремя состояниями позволяют считывать результат преобразования непосредственно на шину данных микропроцессора. По уровням входных и выходных логических сигналов сопрягаются с ТТЛ схемами. В ИС выходной ток ЦАП сравнивается с током входного резистора от источника сигнала и формируется логический сигнал РПП. Стабилизация разрядных токов ЦАП осуществляется встроенным ИОН. Тактирование РПП обеспечивается импульсами встроенного ГТИ с частотой следования 300...400 кГц. Установка РПП в исходное состояние и запуск его в режим преобразования производится по внешнему сигналу "гашение и преобразование". По окончанию преобразования АЦП вырабатывает сигнал "готовность данных" и информация из РПП поступает на цифровые входы через каскады с тремя состояниями. Условно графическое обозначение К1113ПВ1 показано на рисунке 3.7.


    Рисунок 3.7 – Микросхема К1113ПВ1. Условно графическое обозначение.
    Первый и второй выходы АЦП задействованы не будут. Остальные выходы подключим к шинному формирователю.

    Так как UREF данного АЦП = 10,24В, сигнал от термодатчика следует усилить для обеспечения минимальной погрешности. Требуемый коэффициент усиления найдем из частного UREF и Uoutmax:

    K = UREF / Uoutmax = 10,24 / 1,9375 = 4.99

    Округлим полученный результат до 5. Данное число и будем использовать в качестве коэффициента усиления.

    В качестве шинного формирователя будем использовать восьмиканальный формирователь с тремя состояниями на выходе и асимметричным управлением АП6.

    Схема блока ввода и оцифровки температуры показана на рисунке 3.8.


    АП6


    Рисунок 3.8 – Блок ввода и оцифровки температуры.




    Uвх.АЦП = К * ( 1,375В + Кт * ТА)

    ТА = (Uвх.АЦП – К * 1,375В) / К * 22,5 мВ/ºС

    Uвх.АЦП = N * UREF / (2n - 1), где N – двоичный эквивалент входного напряжения АЦП.

    Uвх.АЦП = N * 10240 / 255 = N * 40,157

    ТА = (N * 40,157 мВ – К * 1375 мВ) / (К * 22,5 мВ/ºС) = 0,35695* N - 61,1

    ТА ≈ 0,4 * N – 61

    Для усиления сигнала построим усилитель с помощью операционного усилителя К140УД17.



    Рисунок 3.9 – Усилитель сигнала температурного датчика
    Необходимый нам коэффициент усиления равен 5. Исходя из формулы k=1+R3/R2 рассчитаем необходимые номиналы резисторов. Примем R1=1кОм, тогда R3=4кОм. Для сопоставления двоичным кодам с выхода АЦП определенным значениям температуры, необходимо зашить в ПЗУ таблицу соответствия.


    Рисунок 3.10 – Схема блока ввода и оцифровки



    1   2   3   4   5

    написать администратору сайта