Использование микроконтроллера в системах управления - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника курсовая работа

Главная

Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Использование микроконтроллера в системах управления

Структурная схема оптимальных по быстродействию регуляторов и расчет схемы первого и второго каналов измерения, структурная схема гибридного регулятора и условные обозначения преобразователя давления, устройства в тяжелых условиях эксплуатации.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Разработать двухканальную микроконтроллерную систему и соответствующее программное обеспечение, которая обеспечивала бы реализацию комплексно-оптимального закона управления:
x1(t) - напряжение сигнала аналогового датчика
x2(t)-напряжение сигнала сенсорного датчика
Дифференциальное напряжение сенсорного элемента (измерительный мост) изменяется в пределах от 0.5мВ до 250мВ,а синфазное Uc не превышает 2.5 В. Погрешность реализации линейного закона управления 1=2=2.5%
Климатические условия работы: -10 0 С - +40 0 С, t=25С. Закон изменения выходной функции можно представить следующим образом:
Внутренний прямоугольник ограничивает область линейного закона изменения сигнала (U 2 (t)). Внешний - область изменения сигналов x 1 (t), x 2 (t). Область между внешним и внутренними прямоугольниками описывает нелинейный закон изменения сигнала (U 1 (t)).
В данной системе линейный закон U 2 (t) будет реализован аналоговым способом. Нелинейный закон будет реализовываться в микроконтроллере программным путем.
Структурная схема гибридного регулятора представлена на рис. 2. На этом рисунке приняты следующие обозначения: МК - микроконтроллер, реализующий цифровую часть регулятора, выходная схема, реализующая аналоговую часть регулятора; ОУ - объект управления; Д1, Д2 - датчик первого и второго измерительного канала; ИУ1,ИУ2 - инструментальные усилители; ФНЧ1, ФНЧ2 - фильтры нижних частот первого и второго канала соответственно.
Рис. 2. Структурная схема гибридного регулятора
Рис. 3. Датчик давления первого канала измерения
Первичные преобразователи давления предназначены для непрерывного преобразования давления воздуха, азота, жидкости АМГ-10 и других жидких и газообразных сред, неагрессивных по отношению к соприкасающимся материалам, в электрический аналоговый выходной сигнал напряжения разбаланса тензомоста, в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами.
Первичные преобразователи давления ДД100 подразделяются:
- по характеру преобразуемого давления на:
· преобразователи избыточного давления (индекс И);
· преобразователи абсолютного давления (индекс А).
- по устойчивости и прочности к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха на 2 группы исполнения по ГОСТ 12997:
· группа С3 - диапазон температур (-10…+50)?С, влажность до 95% при температуре 35?С и более низких, без кондесации влаги;
· группа Д3 - диапазон температур (510…+50)?С, влажность до 95% при температуре 35?С и более низких, без кондесации влаги;
-по пределу допускаемой относительной погрешности в диапаоне рабочих температур на 2 класса:
Пределы допускаемой относительной погрешности в диапазоне рабочих температур
От 0 до 20% ВПИ погрешность измерения не нормируется.
Условные обозначения преобразователя давления ДД100, его верхние пределы преобразования и код типоразмеров указаны в табл. 3
Условное обозначение преобразователей давления ДД100
Преобразователи выдерживают циклическое изменение температуры окружающего воздуха от -50 до +100?С.
Электрическое питание преобразователей должно осуществляться от источника постоянного тока напряжением (5±0,001)В. Пульсация напряжения не должна превышать ±0,0005В
· Сопротивление нагрузки должно быть не менее 100кОм.
· Потребляемая преобразователем мощность - не более 10мВт.
· Масса преобразователя - не более 0,075кг.
· Диапазон изменения выходного сигнала:
для исполнения СЗ (по ГОСТ 12997) - (70±30)мВ,
для исполнения ДЗ (по ГОСТ 12997) - (150±30)мВ.
· Кратковременная нестабильность значений выходного сигнала преобразователей не более ±10мкВ, долговременная нестабильность - не более ±25мкВ.
Чувствительным элементом первичных преобразователей является кремниевый монокристаллический интегральный преобразователь давления (ИПД), размещенный в герметичном металлостеклянном корпусе, заполненным кремнийорганической жидкостью, с раздельной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды через жидкость на ИПД.
Тензорезисторы, размещенные на мембране ИПД включены по схеме моста Уинстона с разорванной нижней диагональю. Питание тензомоста осуществляется напряжением, линейно возрастающим от температуры кристалла, что обеспечивает компенсацию измерения выходного сигнала температуры.
Тензомост образован диффузионными резисторами R4, R5, R7, R8, расположенными на одном кристалле ИПД с транзистором VT1 и резисторами R2, R3. Двухполюсник, выполненный на транзисторе VT1 и резисторах R2, R3 создает напряжение питания тензомоста, линейно увеличивающегося от температуры. Номиналы резисторов R2, R3 подобраны таким образом, чтобы температурный коэффициент напряжения питания тензомоста был равен температурному коэффициету тензочувствительности кремниевых диффузионных резисторов.
Рис. 4. Нумерация вводов и выводов датчика
Резисторы R1, R6, R9, R10 включены в разрыв нижней диагонали тензомоста и служат для компенсации температурной зависимости U 0 и для установки U 0 =±0,2мВ.
Выходной сигнал преобразователя при давлении, равному нижнему пределу измерения U 0 , обычно не превышает ±0,2мВ.
Для данного датчика используем инструментальный усилитель INA326. Симметричность ИУ, усиление с малым коэффициентом шума на входах, высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала, это все необходимо при усилении сигнала от датчика.
Таблица 4. Основные характеристики INA326
Рис. 5. Нумерация выводов ИУ INA326
После преобразования получим схему:
K=25 (для получения на выходе 2,5В).
При времени отклика 100мкс необходимо обеспечить максимальную частоту 9кГц. Из технических характеристик датчика известна полоса частот спектра полезного сигнала. Это дает возможность сформулировать технические требования к фильтру низких частот по полосе пропускания: граничная частота фильтра f ФНЧ = f В , где f В - верхняя частота спектра сигнала датчика. Для реализации ФНЧ используем RC-фильтр типа 2-го порядка.
Основными характеристиками и параметрами фильтра нижних частот являются:
2) Неравномерность АЧХ в полосе пропускания
3) Скорость спада частотной характеристики на переходном участке АЧХ
4) Коэффициент передачи K ФНЧ по напряжению в полосе пропускания
5) Входное и выходное сопротивление ФНЧ
Преимущества применения активных RC-фильтров по сравнению с LC-фильтрами очевидны. Это хорошая равномерность АЧХ в полосе пропускания и хорошая скорость спада на переходном участке: практически полная развязка входных и выходных цепей, малые габариты и т.д.
По техническому описанию нам известен максимальный предел собственной частоты датчика - 9кГц.
Пусть С 1 = 17,6нФ, С 2 =2С 1 =35,2нФ.
Смоделируем полученную схему в MicroCap 8.
Рис. 7. ФНЧ1 в программе MicroCap8.
Данная характеристика удовлетворяет поставленным требованиям.
Исполнение датчика: корпусированный
Диапазон измеряемой относительной влажности,%: 0...100
Дипазон выходного напряжения,В: 0.8...2.57
Тип термочувствительного элемента: нет
Преобразователь влажности H4111 состоит из сдвоенного датчика, - тонкопленочного емкостного датчика влажности Ultra-HII с диапазоном измерений 0-100% и тонкопленочного платинового резистивного датчика температуры, Ultra 7, - и линейного преобразователя 4-20 мА с двухпроводным интерфейсом. Платиновый терморезистор обеспечивает температурную компенсацию в полном диапазоне измерений, в то время как тонкопленочный емкостной датчик влажности гарантирует высокоточные измерения.
Датчики Ultra-HII и Ultra 7 имеют механизм plug-in, что позволяет легко их заменять при производственной необходимости. Они размещены на выносном пробнике диаметром 3/8” и защищены проводимым усиленным перфорированным полиэфирным экраном. Дополнительно можно использовать губчатый фильтр из нержавеющей стали для защиты устройства в тяжелых условиях эксплуатации в пыльных и загрязненных средах. Чистка экрана и фильтра не требует особых эксплуатационных затрат и осуществляется посредством удаления нескольких крепежных винтов.
Надежная антикоррозийная защита корпуса измерителя защищает устройство от воздействий окружающей среды и химических агрессивных сред. Таким образом, широко применяемые растворители, пыль, масло и другие загрязнители не оказывают влияния на стабильность и точность измерений. Разъем подключения измерителя изолирован для защиты от внешнего загрязнения. Измеритель имеет аналоговый термокомпенсированный выходной сигнал 4-20 мА, который может быть конвертирован в соответствующий сигнал по напряжению с помощью внешнего нагрузочного резистора.
Преобразователь влажности H4111 выпускается в корпусе NEMA 4X. Литой корпус выполнен из медноалюминиевого сплава и полностью анодированы алифатической уретановой отделкой. Устройство может быть непосредственно монтировано при строительстве канала или впоследствии установлено на трубу или стену.
Преимущества преобразователя влажности H4111 - температурная компенсация в полном диапазоне измерений для точных измерений влажности с высокой повторяемостью
- удобство замены датчика сокращает эксплуатационные затраты
- легкость в обслуживании, очистка с моющими присадками с последующим промыванием водой
- легкость калибровки в полевых условиях - требуется только калибровка нулевого значения
- внешнее загрязнение корпуса грязью и пылью не влияет на точность измерений влажности, может увеличиться только время отклика без ухудшения точности
- отличная устойчивость к тяжелым условиям эксплуатации, даже в хлорированных и аммиачных средах
- предназначен для работы в условиях высоких температур, точность измерений гарантирована при рабочих температурах до 80°С, таким образом, преобразователь можно использовать в промышленных процессах обработки
- область применений: тяжелая промышленность, химические и фармацевтические производственные линии. При подаче напряжения питания 5В, напряжение на выходе будет не больше 2,5В. Таким образом можем сразу переходить на расчеты ФНЧ. При времени отклика 1мс необходимо обеспечить максимальную частоту 1кГц.
Данная характеристика удовлетворяет поставленным требованиям.
Т.к. точность построения входной цепи (масштабного усилителя) удовлетворяет поставленным ранее условиям, т.е. достигается необходимая точность масштабирования входных величин X1 и X2, то реализация принципов управления возможна в рамках гибридной системы. Т.е. рациональнее выбрать гибридную схему регулятора из-за меньшего расхода оборудования (количество микросхем высокого и среднего уровня интеграции), быстродействия и простоты реализации. На рис. 11 изображена выходная цепь, реализующая аналоговую часть гибридного регулятора
Рассчитаем значение элементов исходя из варианта задания.
В линейном режиме: Sн + =Sн - =0, Sл=1;
В нелинейном режиме Sл=0; выбор знака Umax осуществляется ключами Sн + ,Sн - .S -
r0=R 0 /R 3 *E оп => R 3 =416,7 кОм
R 6 = R 7 *(Eоп/Umax-1) => R 6 =4.286 кОм
Еоп*(-R 8 /R 5 )=-Umax => R 5 =R 8 * Eоп/Umax=14.286 кОм
Остановимся на прецизионных резисторах типа С2-29. Это резисторы с металлодиэлектрическим проводящим слоем, предназначенные для работы в высокоточных электрических цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. Резисторы типа С2-29 относятся к изолированным.
По шкале Е192 резисторы имеют точность R =0.001
Температурный коэффициент сопротивления
R =5.5*10 -5 1/ 0 С (при -10t20 0 C)
На рис.12 изображён общий вид резистора С2-29В:
Конденсаторы К72-9 предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.
Имеют цилиндрический металлический герметизированный корпус.
Пределы номинальных емкостей: 1-2,2 нФ
Диапазон рабочих температур: -60-+200 С
При выборе операционных усилителей будем опираться на прецизионные. Выберем операционный усилитель типа 140УД17, схема которого представлена на рис.13.
Рис.13. Операционный усилитель типа К140УД17
ОУ типа К140УД17 используются для усиления малых электрических сигналов, сопровождаемых высоким уровнем помех. Характеризуются малым значением напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов.. Эти ОУ предназначены для применения в контрольно-измерительной аппаратуре.
Операционные усилители данного типа имеют следующие параметры (при Uп=15 В, Т=25 0 С):
1.Частота единичного усиления: f1 = 4 МГц
3. Средний температурный дрейф напряжения смещения: Есм =3 мкВ/ 0 С
5. Напряжение питания: Uпит=(3…18) В
6. Номинальное напряжение питания: Uпит ном=15 В
7. Коэффициент усиления напряжения: К U =200*10 3 …
8. Напряжение смещения нуля: Uсм=0.1 мкВ…
9. Разность входных токов: Iвх=0,25 нА
Для обеспечения устойчивости ОУ используют цепи частотной коррекции (в данном случае внутренние, т.е. выполненные прямо на кристалле). Т.к. ОУ реализуется в виде микросхемы со значительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, то это приводит к появлению постоянного напряжения на выходе (напряжение смещения нуля) в отсутствии сигнала на входе. Компенсация напряжения смещения нуля осуществляется с помощью внешнего подстроечного (балансировочного) резистора.
Для многих типичных прикладных задач оптимальным будет использование микроконтроллеров семейства AVR фирмы Atmel. Они представляют собой эффективный инструмент для создания современных, высокопроизводительных и экономичных, многоцелевых устройств управления, соотношение "цена - производительность - энергопотребление" для AVR является одним из лучших на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров.
Микроконтроллер содержит 32 линии ввода-вывода, объединенные в 4 двунаправленных порта (A, B, C, D). Управление каждым портом производится тремя регистрами порта из файла регистров ввода-вывода, символические имена этих регистров содержат наименование порта. Функции регистров приведены ниже для обобщенного порта с именем X, где X - символическое имя порта: A, B, C или D.
Регистр управления с символическим именем DDRX программно доступен и для чтения, и для записи, DDRX определяет направление передачи данных: 0 - ввод, 1 - вывод. Каждый бит DDRX (DDX0 - DDX7) управляет соответствующей линией ввода-вывода и программируется независимо, т.е. значение каждого бита и направление передачи сигналов может задаваться произвольно, начальное значение всех битов DDRX - нулевое (ввод данных). В процессе работы, чтением содержимого регистра DDRX можно определить направление передачи данных по соответствующим линиям ввода-вывода в данный момент времени.
Регистр ввода данных PINX программно доступен только для чтения и обеспечивает считывание сигналов, поступающих в данный момент времени на соответствующие линии ввода-вывода (например, линия PA2 в режиме ввода формирует бит PINA2 регистра ввода данных). Хранения данных регистр PINX не выполняет, передавая при чтении текущие состояния сигналов.
Регистр вывода данных PORTX программно доступен и для чтения, и для записи, обеспечивает хранение данных и выдачу их в режиме вывода на соответствующие линии ввода-вывода (например, PORTA4 - PA4). При чтении PORTX передает данные, ранее записанные в этот регистр для вывода.
Функциональная гибкость портов обеспечивается независимым управлением каждой из 32 линий ввода-вывода микроконтроллера, допускается в процессе работы изменять направление передачи сигналов изменением соответствующих данных в регистрах портов. При выборе режимов ввода-вывода сигналов необходимо учитывать альтернативные функции портов микроконтроллера. Определенные линии ввода-вывода аппаратно связаны с интерфейсами устройств микроконтроллера: АЦП, таймеров, последовательных приемопередатчиков и т.д. При использовании этих устройств соответствующие линии ввода-вывода жестко закреплены за их интерфейсами и не могут выполнять какие-либо другие функции обмена данными.
АЦП микроконтроллера разрядностью 10 бит работает по алгоритму последовательных приближений, погрешность преобразования - не более 2 единиц младшего значащего разряда, время преобразования 65 мкс - 260 мкс. АЦП совместно со встроенным аналоговым мультиплексором обеспечивает преобразование в 10-ти разрядный двоичный код сигналов по одному из 8 аналоговых входов (порт A) в диапазоне напряжений от 0 (AGND) до опорного (AREF).
Опорное напряжение должно лежать в диапазоне от 2 В до напряжения питания AVCC (5 В). Код АЦП N АЦП =0x000 соответствует нулевому входному сигналу U АЦП , максимальный код 0x3FF соответствует сигналу, равному опорному AREF минус вес единицы младшего значащего разряда:
Выходной код N АЦП хранится в двухбайтовый регистр ADC (ADCL - младшие 8 бит результата, ADCH - старшие 2 бита результата). Чтение данных из регистра результата ADC, как и других двухбайтовых регистров, должно начинаться обязательно с младшего байта.
Номер входа мультиплексора, с которого поступает сигнал для преобразования в АЦП, определяется тремя младшими битами MUX2, MUX1, MUX0 управляющего регистра ADMUX. Любой из восьми входов может быть выбран через ADMUX записью в него соответствующего кода в любой момент времени, однако переключение входов фактически производится только после завершения очередного цикла преобразования АЦП.
АЦП может работать в режиме однократного преобразования или циклически с автоматическим повторным запуском после каждого преобразования. Управление работой АЦП производится через управляющий регистр ADCSR, биты которого определяют параметры и режимы работы. Время преобразования (тактовая частота АЦП) зависит от битов ADPS2, ADPS1, ADPS0 (биты 2, 1, 0), рекомендуемое значение - 110. Так же, как и при использовании других аппаратных средств микроконтроллера, наиболее эффективно управление работой АЦП через вектор завершения преобразования - ADC. Этот вектор прерывания должен предусматривать чтение из регистров ввода-вывода ADCL, ADCH результатов преобразования, переключение мультиплексора на другой вход порта А изменением младших битов регистра ADMUX (при необходимости), запуск следующего цикла преобразования АЦП, обработку полученных результатов преобразования. В этом случае целесообразно устанавливать режим однократного преобразования ADFR=0 (бит 5 регистра ADCSR), а запуск преобразования производить установкой бита ADSC (бит 6 регистра ADCSR). Первый запуск АЦП должен производиться из программы инициализации, рекомендуемое значение байта управления АЦП - ADCSR?0b11011110.
Требования, предъявляемые к ключам следующие: ключ должен иметь минимальное время срабатывания; необходимо учитывать сопротивление ключа в замкнутом состоянии; минимизировать количество корпусов в соответствии с количеством ключей, необходимых для нашей системы.
Будем использовать ключи типа ADG713BR:
Технические параметры позиции ADG713BR, аналоговый ключ Ind SO16
Сопротивление в открытом состоянии макс.,Ом
9. Принципиальная схема полученного устройства и спецификация
В результате проведенной работы была синтезирована микроконтроллерная система, обеспечивающая реализацию комплексно-оптимального закона управления. Полученная система построена на основе микроконтроллера, АЦП и операционных усилителей. Закон управления реализуется в рамках гибридной системы, т.к. синтез такой системы обеспечивает более высокое быстродействие, точность и меньшие затраты в оборудование, по сравнению с цифровой системой.
Таким образом, построена оптимальная система, отличающаяся простой реализацией и выполнением заданной точности.
В процессе выполнения курсовой работы были получены навыки синтеза микроконтроллерной системы, изучены принципы действия АЦП и микроконтроллеров.
«Микросхемы ЦАП и АЦП»/Б.Г. Федорков, В.А. Телец / . М.: Энергоатомиздат 1990, 320с.
Справочник «Интегральные микросхемы»/ под редакцией Б.В. Тарабрина../ Издание второе, исправленное. М.: Энергоатомиздат, 1985- 528с.
«МП и однокристальные МЭВМ»/Басманов, Широков.
Справочник «Микропроцессоры»/ под редакцией Преснухина.
Справочник «Резисторы»/ под редакцией Четверткова.
«Линейные интегральные схемы»/В.Л. Шило--М.: Сов. Радио. 1979.
Общие принципы разработки программно-аппаратного терминала с CAN-шиной, его основные физические интерфейсы. Структурная схема разрабатываемого устройства. Схема подключения микроконтроллера. Схема подключения микроконтроллера Atmega128 и для ПЭВМ. дипломная работа [1,4 M], добавлен 07.07.2011
Структурная схема устройства управления. Алгоритм работы микроконтроллера в его составе. Строение центрального процессорного элемента – микроконтроллера AVR семейства Classic. Принципиальная схема устройства, расчет временных параметров ее работы. курсовая работа [636,5 K], добавлен 03.12.2013
Назначение и область применения устройства - выявление отклонений от нужной температуры и предотвращение ее критического изменения. Структурная схема регулятора температуры. Расчет узлов и блоков. Выбор элементной базы. Разработка принципиальной схемы. курсовая работа [1,3 M], добавлен 31.03.2013
Структурная схема блока контроля и сигнализации. Требования, предъявляемые к датчику и нормирующему преобразователю и исходные данные к расчету. Выбор и расчет нормирующего преобразователя. Структурная схема блока измерения и назначение его элементов. курсовая работа [2,5 M], добавлен 30.05.2012
Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера. Методы и средства совместной отладки аппаратных и программных средств. Структурная схема и функциональная спецификация устройства - регулятора яркости ламп накаливания. Алгоритм управления. дипломная работа [1,4 M], добавлен 15.07.2010
Структурная схема технических средств канала измерения системы. Расчет статической характеристики измерительного канала, погрешностей дискретизации, числа каналов коммутатора, числа разрядов аналого-цифрового преобразователя. Опрос коммутатором каналов. контрольная работа [247,6 K], добавлен 16.01.2014
Описание котла как объекта регулирования давления пара. Принципиальная, функциональная и структурная схема регулятора, его передаточная функция, уравнение динамики и статики. Расчет исполнительного механизма. Схема установки с комбинированным отоплением. курсовая работа [10,4 M], добавлен 05.04.2016
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Использование микроконтроллера в системах управления курсовая работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Терроризм Угроза Обществу Реферат
Полимеры В Нашей Жизни Реферат
Организация И Правила Волейбол Реферат Игры
Эссе по теме The Consequences of the Soviet-Afghan War
Қазақстанның Табиғаты Эссе
Реферат: Универсальный вольтметр В7-26. Скачать бесплатно и без регистрации
Управление Конфликтами В Организациях Реферат
Реферат по теме Гипотеза как форма познания
Реферат по теме Руководитель: некоторые особенности приема и увольнения
Шекспир Сочинения В 8 Томах
Мини Сочинение Геометрия Вокруг Нас
Антропогенез Контрольная Работа 11 Класс
Вывод К Сочинению Чацкий И Молчалин
Реферат: Особенности современной системы налогообложения прибыли и ее влияние на формирование доходов бюд
Метрология И Стандартизация Курсовая Работа
Курсовая работа: Биохимия человека. Скачать бесплатно и без регистрации
Эссе На Тему Мать
Курсовая Работа На Тему Денежно-Кредитная Политика
Сочинение На Тему Сентябрь Первый Месяц Осени
Дипломная работа: Роль СМИ в реализации управленческих решений. Скачать бесплатно и без регистрации
Структура популяций и внутрипопуляционные отношения - Биология и естествознание реферат
Теоретические основы расследования вымогательства - Государство и право контрольная работа
Правовые основы воинской службы - Военное дело и гражданская оборона презентация