АЛМАТИНСКИЙ
ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра
инженерной кибернетики
ЭЛЕМЕНТЫ И УСТОЙСТВА АВТОМАТИКИ
методические
указания по выполнению курсовой работы
(для студентов специальности 050702– Автоматизация и управление)
Алматы
2006
СОСТАВИТЕЛИ: А. А. Копесбаева, А.Т. Ибрашева.
Элементы и устройства автоматики. Методические указания к выполнению курсовой
работы (для студентов очной формы
обучения специальности 050702– Автоматизация и управление).- Алматы: АИЭС,
2006. –20с.
В методическом указании рассматриваются вопросы
проектирования систем с микропроцессорным управлением, приводятся методические
рекомендации по проектированию и программированию таких систем, приводятся схемотехнические решения и варианты заданий.
Методические указания могут быть использованы для дисциплин «Элементы и устройства автоматики» и «Микропроцессоры и микропроцессорные системы».
Ил.11,
табл.1, библиогр. 6 - назв.
Рецензент: канд. техн. наук, доц. Н.М. Айтжанов
Печатается по плану издания Алматинского института
энергетики и связи
на
2006 г.
© Алматинский
институт энергетики и связи, 2006 г.
Содержание
Введение…………………………………………………………………………… 4
1
Порядок выполнения курсовой работы……………………………………….. 4
2
Перечень заданий к курсовой работе…………………………………………. 18
Список
литературы………………………………………………………………. 20
Введение
Целью курсовой работы является проектирование АСР на микропроцессорных элементах. Для достижения этой цели следует выполнить следующие пункты задания:
-
составить структурную схему системы автоматизации;
-
сформулировать задачу автоматизации;
-
выбрать исполнительные и задающие элементы;
-
выбрать и обосновать выбор микропроцессорного элемента
управления;
-
рассчитать нагрузочные характеристики элементов;
-
составить электрическую схему и спецификацию элементов;
-
составить алгоритмическую схему управления;
-
написать программное обеспечение.
1
Порядок выполнения курсовой работы
1.1 Структурная схема системы автоматизации составляется с целью формулировки и конкретизации задачи управления. Обязательным компонентом решения задачи автоматизации в данной курсовой работе является использование микропроцессорного элемента управления. Тогда структурная схема (рисунок 1) должна включать в себя микропроцессорный элемент управления (микроконтроллер) - 1, входные элементы - 2 и исполнительные элементы –3. В качестве входных элементов могут использоваться датчики, кнопки управления, клавиатура. В качестве исполнительных элементов могут использоваться катушки соленоидов, катушки реле, сирены, звуковые генераторы, маломощные двигатели, светодиоды, лампы. На структурной схеме необходимо указать направление сигналов и обратные связи.
1.2 Формулировка задачи автоматизации выполняется по следующему шаблону: требуется при следующих входных данных… установить (сбросить) следующие выходные данные…, согласно алгоритму…(здесь следует словесное описание алгоритма работы системы).
1.3 Выбор задающих и исполнительных элементов системы производится из каталога [6], согласно формулировки задачи. При этом следует учитывать электрические характеристики выбираемых устройств (напряжение питания, сопротивление и токи выходных цепей).
1.4 Выбор и обоснование выбора микропроцессорного элемента должно быть произведено на основании вышевыполненных пунктов. Необходимо подсчитать количество входных и выходных сигналов, определить вид каждого сигнала (цифровой, аналоговый или с термометра сопротивления), напряжение питания, нагрузочный ток каждого из подключаемых элементов. Здесь должны быть указаны преимущества выбираемого микропроцессорного элемента в сравнении с другими, его электрические характеристики, экономические показатели, программные возможности и особенности программирования, надежностные характеристики.
1.5 Рассчитать нагрузочные характеристики микроконтроллера следует с учетом произведенного выбора.
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 Rн. 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
При этом рассчитанное значение не должно превышать допустимого значения
Здесь i –номер входного или
выходного канала.
1.6 Составление электрической схемы и спецификации элементов является основной частью выполнения курсовой работы. Дальше приведены основные рекомендации по составлению электрической схемы.
Обязательным
положением является тактирование микроконтроллера. Существуют три схемы
тактирования PIC-микроконтроллеров (
рисунок 2 ). Для версий с кварцевым или керамическим резонатором используют
схему, изображенную на рисунке 2, а. Значение резисторов С1 и С2 выбирается в
зависимости от типа резонатора
(кварцевый или керамический) и частоты (таблица 1). Для версии XT резистор R1
не нужен, однако иногда он требуется для микроконтроллеров версии HS. Только
точное знание характеристик кварцевого резонатора позволяет определить, есть ли
необходимость в резисторе R1 и каким должно быть его значение.
Схема на рисунке 2,б представляет реализацию RС –генератора. В этом случае для собственно генерации используется вывод OSC1. Вывод OSC2 является выходом внутренней рабочей частоты микроконтроллера (частоты командных циклов), которая в четыре раза меньше, чем частота генератора.
Стабильность RC-генератора не столь
высока, как у кварцевого. Чтобы на нее не оказывали сильного влияния внешние
факторы и внутренние характеристики самой микросхемы, фирма Microchip
рекомендует применять резистор с сопротивлением от 5 до 200 КОм и конденсатор
емкостью не менее 20 пФ.
И наконец, схема на рисунке 2 , в
показывает способ тактирования PIC* внешним генератором. Очевидно, что
формируемые внешним генератором уровни должны соответствовать напряжению
питания микроконтроллера.
Таблица 1
Тип резонатора |
Частота кГц |
С1, пФ |
С2,пФ |
LP – низкочас-тотный кварцевый резонатор |
32 |
15 |
15 |
100 |
15 |
15 |
|
200 |
0-15 |
0-15 |
|
XT – стандартный кварцевый резонатор с мак- симальной частотой 4 МГц |
100 |
15-30 |
200-300 |
200 |
15-30 |
100-200 |
|
455 |
15-30 |
15-100 |
|
1000 |
15-30 |
15-30 |
|
2000 |
15 |
15 |
|
4000 |
15 |
15 |
|
HS- кварцевый резонатор с высокой частотой |
4000 |
15 |
15 |
8000 |
15 |
15 |
|
20000 |
15 |
15 |
Также
следует предусмотреть возможность сброса контроллера. Все микроконтроллеры имеют вывод сброса, называемый чаще всего MCLR. У PIC*
– контроллеров внутренняя схема сброса работает, если скорость роста напряжения
питания достаточно высока ( обычно выше 0, 05 В/мs). Если напряжение питания
растет медленно, то требуется ручной сброс ( рисунок 3). Обратите внимание на
резистор R1, значение которого может варьироваться от 100 Ом до 1 кОм. Он
служит для защиты входа MCLR микроконтроллера от положительного напряжения на
конденсаторе С при выключении питания.
Теперь рассмотрим подключение к контроллеру различных
устройств. Начнем с рассмотрения схем
подключения светодиодов. Если выходы микроконтроллера рассчитаны на ток большой
силы, то светодиод можно подключать к выводам микроконтроллера через
ограничивающий резистор (рисунок 4). Допустимая сила тока каждого выхода
параллельного порта контроллеров, например, составляет 20 мА, что вполне
достаточно для зажигания одного светодиода. Но суммарный ток порта не должен
превышать 50 мА. В рассматриваемом случае воспользуемся светодиодом на 10 мА,
чтобы не превышать этого максимума.
Если требуется, чтобы индикация была хорошо видна, следует использовать
светодиоды высокой яркости или применить схему, показанную на рисунке 5, в которой к выходу микроконтроллера
подключен усилитель на транзисторе. Ограничительный резистор выбирается в
зависимости от силы тока. Учитывая значение сопротивления в цепи базы
транзистора и его коэффициент усиления, через светодиод можно получать ток в
100 мА и более, чего вполне достаточно.
Цифровой светодиодный индикатор представляет собой
несколько объединенных в одном корпусе одиночных светодиодов. Поэтому принципы
управления цифровым светодиодным индикатором и простым светодиодом аналогичны.
В зависимости от количества индикаторов могут применяться различные варианты
схем управления.
Если вам нужна индикация с несколькими
цифровыми разрядами, придется использовать динамическое управление,
предполагающее быструю коммутацию индицируемых разрядов ( временное
уплотнение). Динамическое управление экономит порты микроконтроллера. Общий
принцип работы такой схемы представлен на рисунке 6.
Сегменты индикаторов всегда управляются восемью
линиями параллельного порта (напрямую или через соответствующие усилители), в
то время как объединенные катоды (общие катоды) по очереди коммутируются
транзисторами через другой порт. Могут быть использованы и индикаторы с общим
анодом, при условии замены в схеме n-p-n на транзисторы p-n-p и соединении их
эмиттеров не с нулевым потенциалом, а с плюсом питания. Временная диаграмма
управления динамической индикацией приведена на блок-схеме рисунка 7. Порт В в
этом случае используется для управления сегментами, управление цифрами ведется
через порт А. Индикация цифр осуществляется поочередно за счет переключения соответствующих
разрядов порта А. Для нормального функционирования индикатора микроконтроллер
должен обеспечить достаточную частоту переключения цифр, которая не была бы
заметна для глаз ( не менее 40 Гц,, то есть время цикла должно быть не менее 25
мс).
Другое
решение - использование специализированного контроллера индикации (рисунок
8). Контроллер индикации осуществляет
не только декодирование двоично-десятичного кода в семисегментный, но и
реализует циклограммы необходимых при динамической индикации переключений.
Микроконтроллер управления индикацией предполагает матричный доступ к каждому
сегменту. Это сокращает общее число необходимых линий и соответственно выводов
микросхемы, используемых для управления индикатором. Упрощается и программное
обеспечение микроконтроллера: его задача в части поддержки индикации сводится к
посылке на микросхему последовательности цифр, которые надо вывести на
индикатор. Если приложение требует более четырех индикаторов, можно
использовать несколько микросхем.
Схема
на рисунке 9 использует
жидкокристаллический индикатор фирмы Hitachi, хотя может быть применен любой
другой индикатор этого типа, так как сигналы интерфейса у различных марок почти
идентичны. Данные на индикатор подаются по восьми линиям порта В (DB0-DB7) PIC
–контроллера 16С54, а сигналы трех линий управления формируются через порт А:
-
линия Е (Enable) – высокий
уровень сигнала – на данной линии разрешает выполнение операции обмена, при
этом индикатор может получать команды или данные. Нулевой уровень запрещает
доступ к индикатору;