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.

Подпись: б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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;

 



 





          -  линия R/W (Real/Write) указывает тип операции при обращении к индикатору (запись или чтение данных). Индикатор имеет внутренний регистр состояния, информация из которого может быть считана;

- линия RS (Register Select) определяет тип передаваемой информации: команды (RS=0) или данные (RS =1).

В режиме передачи данных индикатор принимает и отображает знаки кода ASCII, полученные от микроконтроллера. Позиция курсора при этом изменяется автоматически.

          Индикатор может выполнять некоторое количество команд, обеспечивающих стирание отдельных символов, полное стирание всей информации, указание позиции курсора и т.д. Эти команды ускоряют управление индикатором. Некоторые модели индикаторов располагают даже памятью, где хранится конфигурация отображаемых  знаков (знакогенератор). С её помощью вы можете изменять форму знаков.

          Диалог с таким индикатором предельно прост. Запись информации в индикатор происходит, например, в следующей последовательности:

                              -   установить в ноль сигнал линии R/W;

                                -  указать состояние линии RS, которое должно определять тип передаваемой информации (данные или команда);

                                -  установить код данных или команды по шине DB0-DB7;

        -  установить уровень              логической единицы на линию Е, разрешая индикатору   принять информацию;

-  обнулить сигнал линии Е, заканчивая обмен.

Пример программы индикатора и схема подключения ещё одного жидкокристаллического индикатора приведен в лабораторной работе №8, а также в качестве тестовой программы ind1.asm в папке MPLAB лабораторного комплекса УМК –7.

          Когда микроконтроллер должен получать информацию от устройств, находящихся под высоким напряжением или связанных с электрической сетью, самое лучшее решение состоит в том, чтобы обеспечить гальваническую развязку входа, например, посредством оптрона. Данный принцип иллюстрируется схемой, представленной на рисунке 10. Когда на внешнюю часть схемы подается напряжение, через светодиод оптрона проходит


 


 

Подпись: 1kΩПодпись: Сброс



 

 


ток и фототиристор оптрона открывается, переводя вход микроконтроллера на низкий логический уровень. Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы

протекающий через светодиод ток не превышал предельно допустимый, но был достаточным для перевода  фототранзистора в режим насыщения, который гарантирует получение на входе микроконтроллера низкого логического уровня. Обеспечить выполнение последнего требования можно, выбрав соответствующий оптрон или использовать усилитель.

          В заключение разберем схемы подключения клавиатуры. Если клавиатура состоит из нескольких клавиш, они могут быть подключены к микроконтроллеру как отдельные кнопки, то есть каждый через свой порт (лабораторная №7 УМК-7). Если клавиатура большая, необходимо искать другое решение, поскольку портов у микроконтроллера не слишком много. Здесь возможно следующее решение – использование микроконтроллера в матричных клавиатурах. На рисунке 11 представлен вариант подключения к микроконтроллеру  матричной клавиатуры с шестнадцатью клавишами, причем их число может быть без труда увеличено.

          Клавиши находятся на пересечении строк и столбцов матрицы. При нажатии на клавишу происходит замыкание  соответствующей строки и столбца. Программа по номерам строки и столбца может определить, какая клавиша была нажата. Программа работает следующим образом. Линии столбцов соединены с портами RB0-RB3 микроконтроллера, являющимися выходами, линии   строк,  напротив подключены к входным портам RB4-RB7. Программа осуществляет сканирование клавиатуры по строкам, определяя момент появления логической единицы на одном из входных портов. В процессе сканирования  непрерывно инкрементируется переменная  key. При обнаружении логической единицы значение key определяет номер нажатой клавиши.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сканирование столбцов осуществляется путем изменения позиции единицы в четырехразрядном позиционном коде, то есть путем последовательной выдачи на линии столбцов кодов 0001, 0010, 0100 и 1000. При каждом коде производится сканирование строк. Если какая-либо клавиша была нажата, то в одной из строк будет обнаружена единица. Сканирование в этот момент завершается, а значение переменной key идентифицирует клавишу.

До начала сканирования значение переменной key устанавливается равной нулю. Если ни одна клавиша не нажата, программа возвращает в качестве значения переменной key число 16 (10h). Программа осуществляет индикацию номера клавиши в двоичном коде с помощью четырех светодиодов, подсоединенных к порту А.

Программа матричной клавиатуры:

include <p16F877.inc>  

;Описание переменных программы       

          KEYPAD    EQU  RB   ;

          ROW1      EQU  RB4  ;

          ROW2      EQU  RB5  ;

ROW3      EQU  RB6  ;

          ROW4      EQU  RB7  ;

;Определение переменных   величин

                        COLS      EQU  H’20’

          KEY       EQU  H’21’

          INDEX     EQU  H’22’

          ORG  00h

          Nop

          NOP

          NOP

          ORG  05h

START

          CLRF STATUS

          BSF  SATUS,RP0

          MOVLW     B’11110000’

          MOVWF     TRISB

          CLRF      TRISA

KEYS

          CALL SCANKEYS

MOVLW     H’10’

          SUBWF     KEY,0

          BTFC      STATUS,Z

          GOTO      DELAY

          MOVF      KEY,0

          MOVWF     PORTA

DELAY

          NOP

          NOP

          DECFSZ    INDEX,1

          GOTO      DELAY

          GOTO      KEYS

;Подпрограмма сканирования клавиатуры

SCANKEYS

          CLRF      KEY

          CLRF      KEYPAD

          MOVLW     D’4’

          MOVWF     COLS

          BSF  STATUS,C

SCAN

          RLF       KEYPAD

          BCF  STATUS,C

          BTFSC     PORTB, ROW1

          GOTO      PRESS

          INCF      KEY

          BTFSC     PORTB, ROW2

          GOTO      PRESS

          INCF      KEY 

          BTFSC     PORTB, ROW3

          GOTO      PRESS

          INCF      KEY

                        BTFSC     PORTB, ROW4

          GOTO      PRESS

          INCF      KEY

          DECFSZ    COLS,1

          GOTO      SCAN

PRESS     RETLW

          END;

 

           

1.7 Составить алгоритмическую схему управления следует согласно словесному описанию алгоритма, выполненному в пункте 2.2 . Сначала следует составить блок-схему решения задачи в укрупненном виде, а затем детализировать решение задачи алгоритмами вида, приведенного на рисунке 7. Детализированные алгоритмы решения задач следует составлять с учетом выбранного контроллера  и его программного обеспечения. Здесь имеет значение, какие именно операторы имеются в составе программного обеспечения микроконтроллера, как настраиваются порты микроконтроллера, какие настройки дополнительно необходимо  установить, какие режимы работы  микроконтроллера Вы предусмотрели (сброс, прерывание, режимы низкого энергопотребления и другое.

1.8  Написать программное обеспечение следует в точном соответствии с результатами предыдущего пункта задания. Программное обеспечение представляется в виде листингов программ. Примеры программ приведены в методических указаниях к лабораторным работам для комплекса УМК-7.

 

 

 

 

 

 

2        Перечень заданий к курсовой работе

 

Вариант 1. На входной двери установлен блокиратор, световой датчик и таймер.  Реализовать следующий алгоритм:

-           дверь блокируется и разблокируется по сигналу оператора;

-           при отключенном таймере он включается вновь на определенное время при отсутствии сигнала блокировки оператора;

-           пока включен таймер, идет подсчет количества посетителей;

-           если за установленное время количество посетителей превосходит 10, таймер отключается и дверь блокируется.

Вариант 2. Датчик температуры стоит внутри помещения. На кондиционере выставляется значение температуры. Реализовать следующий алгоритм:

-           если температура в помещении ниже заданной на 5°С, отключить кондиционер;

-           если температура в помещении выше или равна заданной температуре,  включить кондиционер;

-           держать включенное состояние кондиционера не больше 30 минут;

-           повторно включить кондиционер через 10 минут.

Вариант 3. Реализовать управление светофором поезда на пути с тремя ветвями. Датчики стоят на каждом пути за 100 м до светофора. Реализовать следующие алгоритмы:

-           зажечь зеленый, если нет сигналов с датчиков двух других ветвей;

-           зажечь красный, если есть хотя бы один сигнал с датчиков других ветвей;

-           разрешить переключение с красного на зеленый только в случае сброса с панели оператора.

Вариант 4. На двери автомобиля установлен блокиратор. Установить контроллер со следующими входными данными: кнопки от реле включения двигателя, кнопка пульта водителя. Реализовать следующий алгоритм:

-           блокировка двери автоматически при включении двигателя;

-           блокировка двери от пульта оператора;

-           автоматическое открывание двери через 20с после отключения двигателя

Вариант 5.  Имеется резервуар для заполнения жидкости. В резервуаре установлены датчики температуры и уровня. Реализовать с помощью контроллера следующий алгоритм:

-           при превышении уровня  открыть задвижку для слива;

-           при уменьшении уровня ниже контрольного открыть задвижку заполнения жидкости;

-           при охлаждении температуры жидкости ниже заданной открыть задвижку заполнения жидкости и одновременного слива.

Вариант 6. Осуществить регулирование освещением  от трех ламп по следующему алгоритму:

-           при поступлении с датчика на входе включить первую лампу через 5 секунд;

-           при поступлении сигнала с середины комнаты включить вторую лампу и оставить включенным обе лампы до срабатывания сигнала выключить;

-           при поступлении дополнительно трех сигналов с первого датчика оставить включенным первую лампу на час;

-           при поступлении дополнительно трех сигналов со второго датчика оставить включенным вторую лампу не менее часа.

Вариант 7. Имеется семисегментный индикатор. Подключить его к контроллеру и реализовать вывод на нем цифр 0-9 при наборе с клавиатуры цифр.

Вариант 8.  Реализовать управление с дистанционного пульта, на котором имеется четыре кнопки движения: «вперед», «назад» «влево», «вправо» –   управление движением небольшого манипулятора мощностью двигателя 50Вт по следующему алгоритму:

-           при движении «вперед» блокируется движение «назад» и наоборот;

-           при движении «вправо» блокируется движение «влево» и наоборот;

-           при прокручивании колес, которое определяется датчиком движения на ободе колеса, блокируются все кнопки.

Вариант 9. Реализовать алгоритм движения электрода сварочного аппарата по квадрату при следующих условиях:

-           температура электрода не превышает 200°С;

-           сигнал оператора совпадает с сигналом  датчика;

-           установлен зажим электрода.

Вариант 10 . Создать контроллер для управления дверью гаража, реализующего следующий алгоритм:

-           при въезде идет подсчет количества автомобилей;

-           при выезде количество уменьшается;

-           если количество автомобилей больше 50, запрет на въезд и блокировка дверей гаража.

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1.       Копесбаева А.А. Элементы и устройства автоматики. Методические указания к выполнению лабораторных работ (для студентов спец-и 360140 – АИСУ). – Алматы: АИЭС, 2003. – 30 с.

2.       Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. - М.: Горячая линия – Телеком, 2000. – 336 с.

3.       Яценков В.С. Микроконтроллеры Microchip. Практическое руководство.  – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. –296 с. Микроконтроллеры. Выпуск 2,3.

4.       Однокристальные микроконтроллеры PIC12С5х, PIC12С5х, PIC16х8х, PIC14000, М16С/61/62/  пер. с англ. Б.Я.Прокопенко; Под ред. Б.Я.Прокопенко. – М.: ДОДЭКА, 2000. – 336с.

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

6.       Промышленные приборы и средства автоматизации. Справочник/В.Я.Боронов, Т.Х.Безновская, В.А.БЕК и др.; Под общ.ред. В.В.Черенкова. –Л.: Машиностроение, 1987.-847с.

 

 

 

 

 

 

 

Дополнительный план    2006г., поз.  2

 

 

Копесбаева Акшолпан Ауелбековна

Ибрашева Асем Турсынгалиевна

 

 

 

 

ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА АВТОМАТИКИ

методические указания к выполнению курсовой работы

(для студентов специальности 050702– Автоматизация и управление)

 

 

 

 

 

 

Редактор  Ж.М. Сыздыкова

 

 

 

 

Подписано в печать __. __. __.                                    Формат 60х84  1/ 16

Тираж      экз.                                                                Бумага типографская №1

Объем      уч.-изд. л.                                                     Заказ _____. Цена    тг.

 

 

 

 

 

 

Копировально-множительное бюро

 Алматинского института энергетики и связи

050013, Алматы, Байтурсынова, 126