Проектирование автоматизированной системы расчётов на микропроцессорных элементах

Содержание

Введение

Задание

. Структурная схема системы автоматизации

. Формулировка задачи автоматизации

. Выбор задающих и исполнительных элементов системы

. Выбор и обоснование выбора микропроцессорного элемента

. Расчет нагрузочных характеристик микроконтроллера

. Составление электрической схемы и спецификации элементов

. Блок-схема

. Написание программного обеспечения

Заключение

Список литературы

Введение

автоматизация микропроцессорный управление алгоритм

Целью курсовой работы является проектирование АСР на микропроцессорных элементах.

Для достижения этой цели следует выполнить следующие пункты задания:

1 составить структурную схему системы автоматизации;

2 сформулировать задачу автоматизации;

3 выбрать исполнительные и задающие элементы;

4 выбрать и обосновать выбор микропроцессорного элемента управления;

5 рассчитать нагрузочные характеристики элементов;

6 составить электрическую схему и спецификацию элементов;

7 составить алгоритмическую схему управления;

8 написать программное обеспечение.

Задание

Включить насос при следующих условиях:

-       Включена кнопка "пуск"

-       Отключена кнопка "стоп"

-       Нет аварийного сигнала с датчика двигателя

-       Нет сигнала с датчика уровня жидкости

Отключить насос при обратных значениях этих сигналов

1. Структурная схема системы автоматизации

Структурная схема составляется с целью формулировки и конкретизации задачи управления. Обязательным компонентом решения задачи автоматизации в данной курсовой работе является использование микропроцессорного элемента управления. Структурная схема должна включать в себя микропроцессорный элемент управления (микроконтроллер), входные и исполнительные элементы.

Рис.1 Структурная схема системы автоматизации

На рисунке 2 показана структурная схема системы автоматизации, ниже основные элементы системы автоматизации.

Д1 - датчик двигателя

Д2 - датчик уровня жидкости

К1 - кнопка "ПУСК"

К2 - кнопка "СТОП"

Н - насос (двигатель насоса)

. Формулировка задачи автоматизации

При включении кнопки "ПУСК" К1 сигнал поступает на микроконтроллер, включается насос Н, при включении кнопки "СТОП" К2 - насос выключается. Если нет аварийных сигналов с датчиков двигателя Д1 и уровня жидкости Д2 на микроконтроллер, то насос продолжает работать в противном случае он должен быть выключен.

Как только уровень в ёмкости достигнет верхнего (ВУ), сработает реле К1 и своими контактами заблокируется на контрольный электрод нижнего рабочего уровня (НУ), а контактами К1.1, К1.2 отключит насос. При разборе воды из ёмкости уровень начинает снижаться, и как только он достигнет нижнего рабочего, реле К1 отпустит, насос включится и будет работать пока ёмкость не наполнится. Схема хороша своей простотой и надёжностью, но работоспособна только с маломощными реле и, соответственно, с маломощными насосами. Выходную мощность устройства можно повысить, добавив в схему пускатель, также для удобства в эксплуатации в схему добавлены кнопки ручного пуска и останова насоса, что позволяет вручную запустить насос, когда накопительная ёмкость ещё не опустела - после заполнения насос отключится автоматически. Также после автоматического пуска насоса кнопкой "стоп" можно его остановить, не дожидаясь наполнения ёмкости.

3. Выбор задающих и исполнительных элементов системы

Датчик уровня жидкости LLE102000

Бесконтактные оптические твердотельные датчики уровня жидкости предназначены для определения порогового уровня жидкости в различных емкостях. Датчики, в зависимости от назначения, выпускаются в пластмассовом (полисульфон) или металлическом (нержавеющая сталь или латунь) корпусе. ИК излучатель и ИК приемник датчика расположены внутри прозрачного колпака. В отсутствии жидкости ИК луч отражается от поверхности колпака и принимается фотоприемником. При погружении колпака в жидкость происходит изменение его коэффициента преломления, что влечет изменение угла отражения и, соответственно, снижения интенсивности излучения в апертуре приемника. Падение тока через фототранзистор вызывает переключение триггера. По сравнению с датчиками поплавкового типа, оптические датчики Honeywell имеют значительно больший срок службы, обладают быстрым временем отклика, просты в установке и легко стыкуются с микроконтроллерами. Датчики имеют дополнительные схемы защиты от короткого замыкания по выходу, превышения питающего напряжения и случайной смены его полярности.

Области применения датчиков уровня жидкости

-       Торговые автоматы

-       Ванны и души

-       Пищевое производство

-       Медицинская аппаратура

-       Компрессорная техника

-       Механические станки

-       Автомобильная техника

Погружной насос Водолей БЦПЭ-0,5-16У

Погружной насос Водолей БЦПЭ -0,5-16У* (60/27) - технические характеристики:

LE-114P 10A - твердотельное реле. Управляется логическим высоким/низким уровнем и способно коммутировать токи до 10А при напряжении 220В. Согласования с PICом не требует.

4. Выбор и обоснование выбора микропроцессорного элемента

В курсовой работе использован микропроцессорный элемент PIC16C71X компаний "Microchip", так как у данного микроконтроллера 13 портов ввода/вывода, что является достаточным для осуществления данного проекта.

Особенности: - 25мА втек./вытек. ток

Периферия PIC16C71X:

·              Timer0: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным программируемым предварительным делителем

·              8-разрядный многоканальный аналого-цифровой преобразователь

·              Схема сброса по падению напряжения питания (BOR)

·              До 13 линий ввода/вывода с индивидуальным контролем направления

Особенности ядра микроконтроллера PIC16C71X:

·              Высокопроизводительный RISC-процессор

·              Всего 35 простых для изучения инструкции

·              Все инструкции исполняются за один такт, кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта

·              Скорость работы: тактовая частота до 20 МГц минимальная длительность такта 200 нс

·              Память программ объемом до 2K x 14 слов, память данных (ОЗУ) объемом до 128 x 8 байт

·              Механизм прерываний

·              Воьмиуровневый аппартный стек

·              Прямой, косвенный и относительный режимы адресации

·              Сброс при включении питания (POR)

·              Таймер включения питания (PWRT) и таймер запуска генератора (OST)

·              Сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы

·              Программируемая защита кода

·              Режим экономии энергии (SLEEP)

·              Выбираемые режимы тактового генератора

·              Экономичная, высокоскоростная технология КМОП ЭППЗУ

·              Полностью статическая архитектура

·              Широкий рабочий диапазон напряжений питания: от 2,5В до 6,0В

·              Сильноточные входы/выходы 25 мА

·              Коммерческий, промышленный и расширенный температурный диапазоны

·              Схема контроля ошибок четности в памяти программ со сбросом ошибки четности (PIC16C715)

·              Низкое потребление энергии: - < 2 мА при 5,0 В, 4,0 МГц - 15 мкА (типичное значение) при 3 В, 32 кГц - < 1,0 мкА (типичное значение) в режиме STANDBY

Цоколевка:

5. Расчет нагрузочных характеристик микроконтроллера

Расчет нагрузочных характеристик микроконтроллера производится с учетом произведенного выбора элементов.

Каждое из подключаемых к контроллеру устройств является нагрузкой на его портах. Выходной ток Iп по каждому порту будет в паспортных данных контроллера. Также указано и внутреннее сопротивление подключаемого устройства, обозначим его Iн. Напряжение питания Vdd контроллера и подключаемого устройства должны быть равными или находиться в совместимых пределах. Тогда нагрузочный ток по выходу контроллера рассчитаем по закону Ома:

Iнi= Vdd/Rнi

При этом рассчитанное значение не должно превышать допустимого значения

>= Iнi

Здесь i -номер входного или выходного канала.

Из паспортных данных микроконтроллера находим, что выходной ток Iнi не должен превышать 25 мА.

Для датчиков i=1..2 (RH=Rдатчик+Rсопр)

Допустимое значение тока питпния датчика уровня 15 мА

нi=5В/333 Ом=15 мА

=25мА

Неравенство Ini>= Iнi выполнено.

Определение входов и выходов:-датчик двигателя- датчик уровня жидкости- кнопка "ПУСК"- кнопка "СТОП"- насос

6. Составление электрической схемы и спецификации элементов

Схема подключения датчиков к микроконтроллеру:

Схема подключения насоса к микроконтроллеру. Подключение производится посредством реле.

Электрическая схема:

7. Блок-схема

8. Написание программного обеспечения

Текст программы для решения поставленной задачи будем писать на языке Assembler с помощью программы MPLAB 7.20 и микроконтроллера PIC16C710

Текст программы с пояснениями:

include <p16c710.inc>

Команды для управления насосом:

ON_NASOS EQU 0x00C; Насос включен_NASOS EQU 0x001; Насос выключен

Настройка портов ввода и вывода

PORTA; Очистка PORTAPORTB; Очистка PORTB

MOVLW PORTA; Настройка PORTA на вводPORTB; Настройка PORTB на вывод

Программа проверки кнопок на нажатие

KNOPKAPORTA,2; включена кнопка "ПУСК"DATCHIK_1; если да проверить аварийный сигнал с датчика двигателяPORTA,3; если нет включена кнопка "СТОП"OFF_NASOS; если да выключить насосDATCHIK_1; нет проверить датчик уровня жидкости

Программа проверки датчика двигателя

DATCHIK_1PORTA,0; есть аварийный сигнал с датчика двигателяOFF_NASOS; если да выключить насосDATCHIK_2; нет проверить датчик уровня жидкости

Программа проверки датчика уровня жидкости

DATCHIK_2PORTA,1; есть аварийный сигнал с датчика уровня жидкостиOFF_NASOS; если да выключить насосON_NASOS; нет включить насосKNOPKA; перейти в программу проверки кнопок

Заключение

В этой курсовой работе мы научились проектировать ACP охраны периметра, составлять электрические и алгоритмические схемы управления, выбирать исполнительные и задающие элементы, а также конкретно ставить задачу автоматизации и выполнять её.

В пункте Структурная схема системы автоматизации составлена схема для конкретизации задачи, включающую в себя микропроцессорный элемент, задающие (датчики двигателя и уровня жидкости) и исполнительные (насос) элементы.

В пункте Формулировка задачи автоматизации и алгоритм конкретно сформулирована задача автоматизации и составлен словесный алгоритм, подробно описывающий эту задачу.

В пункте Выбор задающих и исполнительных элементов системы приведены электрические характеристики, схемы, внешний вид и фотографии для каждого элемента цепи, а также пояснения к этим элементам.

В пункте Выбор и обоснование выбора микропроцессорного элемента приводятся все характеристики микроконтроллера, преимущества в сравнении с другими, экономические показатели, особенности программирования, а также подсчитано количество входных и выходных сигналов.

В пункте Расчёт нагрузочных характеристик микроконтроллера рассчитаны внутреннее сопротивление каждого элемента, являющегося нагрузкой на портах микроконтроллера, и нагрузочный ток по выходу для порта: он не превышает значения, указанного в паспорте.

В пункте Составление электрической схемы и спецификации элементов приведена электрическая схема составлена спецификация элементов этой схемы.

В пункте Составление алгоритмической схемы управления составлена блок-схема для написания программного обеспечения.

В пункте Написание программного обеспечения приведён текст программы на языке Assembler с пояснениями, составленной в соответствии с блок-схемой.

Наша задача полностью выполнена: микроконтроллер PIC16С710 может управлять работой нагревателя воды с помощью программы, написанной на языке Assembler.

Список литературы

1.      Копесбаева А.А. Элементы и устройства автоматики. Методические указания к выполнению лабораторных работ (для студентов специальности 360140 - АИСУ). - Алматы: АИЭС, 2003.

2.      Предко М. Справочник по PIC-микроконтроллерам. - Москва, 2002.

.        Тавернье. Практические примеры использования контроллеров PIC*. - Перевод с французского / Москва, 2003.

.        Яценков В.С. Микроконтроллеры MicroChip. Практическое руководство. - Москва, 2002.

.        Однокристальные микроконтроллеры PIC12C5x, PIC16x8x, PIC14000, MI6C/61/62/ перевод с английского Б.Я. Прокопенко; под редакцией Б.Я. Прокопенко. - Москва, 2000.