Контроллер промышленного назначения

Введение.

В данном курсовом проекте поставлена задача разработать некий промышленный контроллер для работы в условиях производства. Задача может быть выполнена на микропроцессоре с гибкой программируемой логикой, а также на дискретных элементах с жесткой логикой.

Реализация на микропроцессоре обладает весомыми преимуществами. Гибкая логика, возможность легкой модернизации контроллера, перспективность.

Программируемая логика реализована на микропроцессоре типа МК-51 фирмы ATMEL – AT89C51, который благодаря встроенной FLASH памяти, обладает возможностью электрического перепрограммирования, а значит быстрой модернизации управляющей программы.

Наличие микропроцессора в современных контроллерах позволяет создавать сложные, гибкие, компактные и надежные системы управления с централизованным управлением и диагностикой.

Структурный синтез цифрового автомата

Обозначим структуру проектируемого микроконтроллера.

Управляющий логический блок на основе микропроцессора.

Блок сбора информации и преобразования ее в вид, требуемый для обработки микропроцессором.

Блок гальванической развязки входных сигналов и сигналов, поступающих на микропроцессор.

Блок связи с исполнительными устройствами (включающий гальваническую развязку) для преобразования выходных сигналов микропроцессора в мощные сигналы управления.

Блок начального сброса микропроцессора.

Блок индикации входных и выходных сигналов.

Блок электропитания контроллера.

2. Разработка принципиальной схемы.

1. Управляющий логический блок.

В качестве основы для контроллера выбран популярный микропроцессор типа MK-51 от фирмы Atmel – AT89C51.

Его основные преимущества перед подобными процессорами иных фирм:

Полностью совместим с семейством МК-51.

4 кб встроенной перепрограммируемой Flash памяти (включая перепрограммирование непосредственно на плате по протоколу SPI) при не менее 103 циклов перезаписи.

Работа на частотах от 0 до 40 МГц.

128х8 бит ОЗУ.

32 программируемых линии портов ввода/вывода.

Два 16-битных таймера счетчика

Шесть источников прерываний

Программируемый последовательный канал совместимый с RS-232-S.

2. Блок сбора информации и преобразования ее в вид, пригодный для обработки микропроцессором.

Входная информация и выходная информация проходит через внешний разъем типа РШ2Н-2-16.

В таблице 1 приведен список и условное обозначение входных и выходных сигналов из задания.

Табл. 1.

Сигнал с датчика освещенности (фоторезистора СФ2-1) снимаем по такой схеме:

Далее сигнал поступает на делительный мост из резисторов, формирующий нужный уровень сигнала, подаваемый на схему из двух компараторов. На не инвертирующий вход компаратора подается измеряемая величина напряжения, а на инвертирующий – величина опорного напряжения, при достижении которой значение логического сигнала на выходе компаратора меняется на противоположное. Срабатывание при нужном значении освещенности регулируется подстроечными резисторы марки РП1 – 48 10КОм± 10%.

Компаратор LM29000.

Его электрические характеристики:

Максимальный потребляемый ток 2 мА.

Напряжение смещения 1 мВ.

Корпус DIP-14.

Для организации высокостабильного опорного напряжения выбраны специализированная микросхема LM4130 фирмы National Semiconductor.

Выходное опорное напряжение 4.096 В

Погрешность выходного напряжения 0.05%

Температурный коэффициент нестабильности 3*10-6/оС

Минимальное входное напряжение 5 В

Потребляемый ток 1 мА

Максимальный выходной ток 30-50 мА

Изменение выходного напряжения (при Iвых=30..50 мА) 0.05%

По такой же схеме организован прием и формирование логических сигналов UA на микропроцессор.

3. Блок гальванической развязки входных сигналов и сигналов, поступающих на микропроцессор.

Входные величины поступают из внешней (для контроллера) среды, что говорит о возможном наличии помех различных типов. Так же необходимо предусмотреть возможность неправильной полярности подключения датчиков. Поэтому возникла необходимость в гальванической развязке сигналов.

Для того, чтобы развязать входные уровни микропроцессора и входных сигналов от датчиков применены три оптопары К249КН4П. Характеристики, по которым они были выбраны:

Uмахком=60 В;

Iвхmin=10 мА;

Iвхmax=25 мА;

Iком=8 мА.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются из условий максимального входного и коммутируемого токов. Диод обеспечивает защиту от неправильной полярности включения.

Резисторы:

R1 C2 – 23 0.25Вт 1600 Ом± 0.25%

R2 C2 – 23 0.125Вт 270 Ком± 0.1%

Диод КД521А(Д220А):

Uпр=1В, Uобр=75В, Iпр.ср=50мА, Iобр=1мкА.

Обработка выходных величин: Электромагнит.

В данной работе автомат генерирует выходной сигнал управления электромагнитом (=24В, 10Вт). Данная мощность явно не позволяет подключать электромагнит непосредственно к выходу микропроцессора, поэтому здесь целесообразно применить мощные твердотельные оптоэлектронные реле. Мощность на выходе которых может достигать достаточно больших значений. В оптопаре одновременно реализуется гальваническая развязка силовой и управляющей цепей, а также усиление по мощности сигнала.

Схема подключений оптоэлектронного реле:

Твердотельное реле для цепей постоянного тока 5П19А1:

Напряжение коммутации -60..+60В

Ток коммутации -3..3А

Входной ток 10 – 25мА

Входное напряжение в выключенном состоянии -3.5..0.8 В

Рассеиваемая мощность 1000мВт

Температура окр. среды -45..+85

Корпус SIP12

Резистор:

R C2 – 23 0.125Вт 360 Ом± 0.1%

Транзисторный модуль

Транзисторный модуль М2ТКИ-50-12 управляется специализированным драйвером - драйвер транзисторных модулей такого типа - IR2112 фирмы International Rectifier. Драйвер способен выдерживать напряжения до 600 вольт. Схема включения приведена ниже:

Symbol Description

VDD Logic supply

HIN Logic input for high side gate driver output (HO), in phase

SD Logic input for shutdown

LIN Logic input for low side gate driver output (LO), in phase

V SS Logic ground

VB High side floating supply

HO High side gate drive output

V S High side floating supply return

VCC Low side supply

LO Low side gate drive output

COM Low side return

Диод VD должен выдержать обратное напряжение 600В.

Диод КД105Г(КД209В):

Uпр=1В

Iср.пр=300мА

Iср.обр=0.1мА

Uобр=800В

Драйвер IR2112:

Параметры драйвера:

VOFFSET 600V max.

IO+/- 200 mA / 420 mA

VOUT 10 - 20V

ton/off (typ.) 125 & 105 ns

Delay Matching 30 ns

Корпус DIP14.

Резисторы:

R C2 – 29 0.5 10 Ом± 0.25%

Конденсатор:

C К73 – 17 630В 0.1мкФ± 10%

Начальный сброс микропроцессора

Для системы, построенной на базе микропроцессора необходима схема начального сброса и система предохранения от зависания. Так как из-за сильной электромагнитной помехи может исказиться часть информации, обрабатываемой микропроцессором в данный момент, что чревато сбоем в алгоритме управляющей программы, а так же зацикливанием работы процессора или его “зависанием”. Все это приводит к отказу в работе контроллера.

Как правило, такие сильные и фатальные помехи случаются очень редко, но если контроллер выполняет часть операций в отлаженном техническом процессе, то такой его отказ приводит к возникновению незапланированного простоя в работе и большими экономическими убытками.

Работоспособность контроллера можно восстановить, подав на процессор команду сброса (reset). Такие функции выполняет WatchDog Taimer. В данной работе эта система не реализована. Сброс микроконтроллера можно будет произвести кратковременным сбросом питающего напряжения или кнопкой Reset, расположенной на передней панели.

Конденсатор:

C К50-16-50В-1 мкФ

Индикация

Возможны несколько способов реализации индикации:

на светодиодах,

на ЖК элементах,

на цифровых или символьных индикаторах и др.

Для обеспечения визуального наблюдения за функционированием контроллера введен блок индикации сигналов. Его реализация является программной.

Подпрограмма опрашивает состояния входов и выходов и выводит эти значения в порт P0 микропроцессора МК51.

Непосредственно на эти выходы подключены светодиоды, которые визуально отображают состояние входов и выходов.

Для того, чтобы светодиоды можно было подключить напрямую к порту, они должны потреблять как можно меньше тока, но при этом обеспечивать достаточную яркость свечения.

Этим запросам полностью удовлетворяют выбранные светодиоды КИПД02Б-1К. Ниже в таблице приведены их основные параметры.

При напряжении питания и токе светодиода 5 мА токоограничивающий резистор принимаем равным R=1кОм

Резисторы:

R C2 – 23 0.125Вт 1КОм± 0.1%

Питание элементов схемы

На вход контроллера поступает питающее напряжение 24В, а в состав контроллера входят устройства, питающиеся от 5В, а также 15В. Проблема питания может быть решена с помощью специализированной интегральной схемы импульсного преобразователя постоянного напряжения. Примером такого преобразователя может служить интегральный преобразователь DCP. На вход этого преобразователя поступает постоянное напряжение, и на выходе тоже имеется постоянное напряжение, но другого уровня. При этом осуществляется полная гальваническая развязка между входом и выходом с помощью встроенного трансформатора. Микросхема заключена в корпус DIP14, компактна и удобна в использовании. В данной работе будет использоваться микросхема (DCP022405P(на выходе 5В)). Выходная мощность микросхем составляет 2Вт.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ DC/DC серии DCP02

На входе имеются две емкости: керамический конденсатор для устранения кратковременных пиков тока, возникающих при переключениях транзисторов и электролитический - для поддержания входного напряжения постоянным при его медленных колебаниях.

На выходе также имеются керамические конденсаторы, емкость которых будет рассчитана ниже.

Схема подключения интегральных импульсного преобразователя:

Конденсатор на входе преобразователя имеет емкость 470мкФ.

DA1 Импульсный преобразователь DCP022405P

Выходная мощность 2Вт

Выходное напряжение 5В

Входное напряжение 24В

DA1 Импульсный преобразователь DCP022415DP

Выходная мощность 2Вт

Выходное напряжение ± 15В

Входное напряжение 24В

Конденсаторы:

C1 К50 – 16 50В 470мкФ +50 -20%

C2, C3 К50 – 16 50В 10мкФ +50 -20%

C4 К50 – 16 50В 10мкФ +50 -20%

4. Конструирование контроллера

Конструкция контроллера представляет собой плату печатную, вдвижную. Для выполнения основной печатной платы рекомендуется использовать двусторонний фольгированный стеклотекстолит марки ФТС2-35 ТУ 16-503.161-83. Двустороннее фольгирование выбрано из соображений уменьшения плотности расположения проводников и уменьшения размеров основной печатной платы устройства. Плату изготовить фотохимическим способом. Дорожки на плате травление по “позитиву”. Размеры печатной платы определяются в соответствии с ГОСТ 2.109-73.

Для увеличения жесткости печатной платы монтировать на специальную рамку, отлитую с лицевой панелью из легкого алюминиевого сплава АЛ9. Толщина рамки и панели - 3 мм. Плата крепить к рамке при помощи стяжных винтов М3.

На лицевой панели расположены отверстия под светодиоды, кнопка сброса.

Крепление кнопки сброса производится “под гайку” на передней панели.

Внешний разъем типа РШ2Н-2-16. Разъем - электрический соединитель для печатного монтажа, расположение штырьков линейное. Предназначен для работы в электрических цепях постоянного и переменного тока с частотами до 3 МГц и цепях импульсного тока.

Рекомендуемый тип припоя – ПОС 60 ГОСТ 21930-76.

Конструкция блока представляет из себя алюминиевое шасси, на котором закреплена печатная плата. Шасси блока одновременно является и направляющей при установке блока в основное (либо управляемое) устройство. На передней панели закреплены кнопка сброса и индикаторы. Плата соединена с кнопкой сброса гибкими проводами.

Разработка программного обеспечения

При выборе микропроцессорной системы управления существенно уменьшается количество дискретных элементов. Что упрощает систему, и, следовательно, повышает ее надежность. С другой стороны отказ самого микропроцессора (само по себе это явление редкое, чаще сказываются ошибки проектирования) ведет к выходу абсолютно всей системы. В то же время появляется необходимость в управляющей программе. Каждый тип микропроцессора обладает рядом только ему присущих особенностей: архитектурой, набором команд, функциональными возможностями и так далее. Все это было принято к сведению при написании программы для спроектированной системы управления.

Программа была написана на языке ассемблера для МК-51 с использованием системы отладки AVSIM51. Далее приводится алгоритм работы программы, листинг программы и hex файл, представляющий собой образ ПЗУ предназначенный непосредственно для прошивки в микросхему.

Алгоритм работы программы.

Используя особенность микропроцессора МК-51 работать с отдельными битами (булев процессор) данное задание можно выполнить напрямую запрограммировав все состояния и условия переходов.

Листинг программы:

2500 A.D. 8051 Macro Assembler - Version 4.02a

------------------------------------------------

Input Filename : kurs.asm

Output Filename : kurs.obj

1 ;

2 ;

3 ;

4 ;

5 ;

6

7 ;Для удобства именуем переменные состояния

8 0020 X0: EQU 20h

9 0021 X2: EQU 21h

10 0022 X3: EQU 22h

11 0023 X4: EQU 23h

12 0024 X5: EQU 24h

13

14 0040 R_N: EQU 55h ;задержка для антидребезговой подпрограммы

15 0001 R_C: REG R1 ;именуем регистр для антидребезговой подпрограммы

16 0000

17 0025 PER: EQU 25h ;временная переменная для сравнения

18 0000

19 0000 BSECT ;переход к битовой секции

20

21 ;Задаем имена переменных для обозначения входных параметров

22 0090 S1:REG P1.0 ;

23 0091 S2:REG P1.1 ;

24 0092 S3:REG P1.2 ;

25 0093 U1:REG P1.3 ;

26 0094 U3:REG P1.4 ;

27 0095 U7:REG P1.5 ;

28 0096 L40:REG P1.6 ;

29 0097 L100:REG P1.7 ;

30 00B1 L50:REG P3.1 ;

31 00B2 INDL50:REG P3.2 ;

32 0000

33 ;Задание имен переменных для индикации выходных величин

34 0000

35 0080 IND:REG P0.0 ;имя переменной для обозначения порта индикации

36 0000

37 ;Начало программы располагаем по адресу 30h

38 0000 02 00 30 JMP x0

39 0030 ORG 30H

40

41 ;Обработка состояния X0

42 0030 C3 x0: CLR C ;сбрасываем флаг переноса C

43 0031 75 A0 FF MOV P2, #11111111b ;обнуляем выходы порта P2 (Q2,Q1,Q0)

44 0034 12 00 91 CALL drbzg ;вызов подпрограммы обработки дребезга

45 0037 12 00 AA CALL xx0 ;вызов подпрограммы обработки условия X0

46 003A A2 20 MOV C,X0 ;записываем в C 1, если X0=1

47 003C 40 43 JC x5 ;переход на метку x5, если перенос C=1

48 003E 02 00 41 JMP x1 ;иначе переход на метку x1

49

50

51 ;Обработка состояния X1

52 0041 C3 x1: CLR C

53 0042 75 A0 F6 MOV P2, #11110110b ;записываем в P2 значения выходов и индикации

54 0045 12 00 91 CALL drbzg

55 0048 A2