Использование микроконтроллера в системах управления

• Введение
• 1. Техническое задание
• 2. Структурная схема оптимальных по быстродействию регуляторов
• 3. Описание выбора и расчета схемы первого канала измерения
• 3.1 Датчик
• 3.2 Инструментальный усилитель
• 3.3 ФНЧ
• 3.4 Моделирование
• 4. Описание выбора и расчета схемы второго канала измерения
• 4.1 Датчик
• 4.2 ФНЧ
• 5. Выходная цепь
• 6. Выбор элементов
• 7. Микроконтроллер
• 8. Аналоговые ключи
• 9. Принципиальная схема полученного устройства и спецификация
• Выводы
• Список используемой литературы
• Введение
• В современных системах управления микропроцессорная техника все чаще и чаще находит себе место. Это объясняется простотой ее внедрения, использования и модификации. Микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде одной БИС и включающие в себя все устройства необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор, запоминающее устройство команд, внутренний генератор тактовых импульсов, а также программируемые интегральные схемы для связи с внешней средой. Наличие ППЗУ в составе микроконтроллеров позволяет без труда осуществлять изменение кода программ и данных, в случае модификации системы управления или изменения алгоритмом управления. Применение микроконтроллеров позволяет реализовать очень гибкие алгоритмы управления, в том числе и нелинейные. Использование микроконтроллера в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при столь низких затратах. Присутствие в микроконтроллерах многочисленных линий ввода/вывода делает возможным включения микроконтроллера в систему управления без дополнительных аппаратных затрат. Функциональная законченность, достаточно широкие возможности расширения микроконтроллерной системы, а главное высокая мобильность и адаптация к конкретной технической система за счет разработки соответствующего программного обеспечения, обеспечивают перспективность использования микроконтроллеров в системах автоматического управления.

1. Техническое задание.

Разработать двухканальную микроконтроллерную систему и соответствующее программное обеспечение, которая обеспечивала бы реализацию комплексно-оптимального закона управления:

(1).

где.

(2).

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: -10⁰С — +40⁰С, t=25С. Закон изменения выходной функции можно представить следующим образом:

Внутренний прямоугольник ограничивает область линейного закона изменения сигнала (U₂(t)). Внешний — область изменения сигналов x₁(t), x₂(t). Область между внешним и внутренними прямоугольниками описывает нелинейный закон изменения сигнала (U₁(t)).

В данной системе линейный закон U₂(t) будет реализован аналоговым способом. Нелинейный закон будет реализовываться в микроконтроллере программным путем.

2. Структурная схема оптимальных по быстродействию регуляторов.

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.

3. Описание выбора и расчета схемы первого канала измерения.

3.1 Датчик.

Рис. 3. Датчик давления первого канала измерения Назначение 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 12 997:

· 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:

Таблица 2.

От 0 до 20% ВПИ погрешность измерения не нормируется.

Характеристики Условные обозначения преобразователя давления ДД100, его верхние пределы преобразования и код типоразмеров указаны в табл. 3.

Таблица 3.

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 ±0,0005 В.

· Сопротивление нагрузки должно быть не менее 100кОм.

· Потребляемая преобразователем мощность — не более 10мВт.

· Масса преобразователя — не более 0,075 кг.

· Диапазон изменения выходного сигнала:

для исполнения СЗ (по ГОСТ 12 997) — (70±30)мВ, для исполнения ДЗ (по ГОСТ 12 997) — (150±30)мВ.

· Кратковременная нестабильность значений выходного сигнала преобразователей не более ±10мкВ, долговременная нестабильность — не более ±25мкВ.

Устройство и работа 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 U₀ и для установки U₀=±0,2мВ.

Выходной сигнал преобразователя при давлении, равному нижнему пределу измерения U₀, обычно не превышает ±0,2мВ.

3.2 Инструментальный усилитель.

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:

Значения элементов:

R₂=100кОм; R₁=8кОм;

С₂=0,1мкФ; С₁=0,5нФ;

U_вх.max=100мВ;

K=25 (для получения на выходе 2,5В).

1.1. ФНЧ.

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:

1) Верхняя граничная частота f_В.

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.

6) Напряжение источников питания.

Рис. 6. Схема 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.

Расчет ФНЧ:

По техническому описанию нам известен максимальный предел собственной частоты датчика — 9кГц.

Пусть С₁= 17,6нФ, С₂=2С₁=35,2нФ.

3.4 Моделирование.

Смоделируем полученную схему в MicroCap 8.

Рис. 7. ФНЧ1 в программе MicroCap8.

Получим АЧХ и ФЧХ:

регулятор давление преобразователь Рис. 8. АЧХ и ФЧХ ФНЧ1.

Данная характеристика удовлетворяет поставленным требованиям.

4. Описание выбора и расчета схемы второго канала измерения.

4.1 Датчик.

H4111-H-12−000 — датчик влажности Отличительные особенности:

Исполнение датчика: корпусированный Диапазон измеряемой относительной влажности,%: 0…100.

Выходной сигнал: ток Номинальный выходной ток, мА: 20.

Время отклика, мс: 1.

Дипазон выходного напряжения, В: 0.8…2.57.

Напряжение питания, В: 5.0.

Тип термочувствительного элемента: нет Корпус:

Производитель: Honeywell Inc.

Общее описание:

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 °C, таким образом, преобразователь можно использовать в промышленных процессах обработки.

— область применений: тяжелая промышленность, химические и фармацевтические производственные линии. При подаче напряжения питания 5 В, напряжение на выходе будет не больше 2,5 В. Таким образом можем сразу переходить на расчеты ФНЧ. При времени отклика 1мс необходимо обеспечить максимальную частоту 1кГц.

4.2 ФНЧ.

Пусть С₁= 10нФ, С₂=2С₁=20нФ.

Рис. 9. ФНЧ2 в среде MicroCap 8.

Получим АЧХ и ФЧХ:

Рис. 10. АЧХ и ФЧХ ФНЧ2.

Данная характеристика удовлетворяет поставленным требованиям.

5. Выходная цепь.

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 Рис. 11. Выходная цепь 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^-.

Линейный режим:

Uвых=r1*x1+r2*x2+r0.

R₀^* =R₀ = R₈ = R₄ =10 кОм,.

r1=R₀/R₁ => R1=13.514 кОм.

r0=R₀/R₃ *E_оп => R₃=416,7 кОм.

r2=R₀/R₂ => R₂=6,125 кОм Нелинейный режим: S_н⁺ =1.

R₇ =10 кОм Еоп*R₇/(R₇+R₆) =Umax.

R₆= R₇*(Eоп/Umax-1) => R₆=4.286 кОм В нелинейном режиме: S_н^- =1.

Еоп*(-R₈/R₅)=-Umax => R₅=R₈* Eоп/Umax=14.286 кОм.

6. Выбор элементов.

Резисторы 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 1/⁰С (при -10t20⁰C).

_R=5*10^-5 1/⁰С (при 20t50⁰C).

На рис. 12 изображён общий вид резистора С2−29В:

Рис. 12 Общий вид резистора С2−29 В.

Конденсаторы 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 Номинальное напряжение: 200 В Диапазон рабочих температур: -60-+200 С Операционный усилитель 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=25⁰ С):

1.Частота единичного усиления: f1 = 4 МГц.

2. Напряжение смещения Eсм=75 мкВ.

3. Средний температурный дрейф напряжения смещения: _Есм=3 мкВ/⁰С.

4. Потребляемый ток: Iпот=5 мА.

5. Напряжение питания: Uпит=(3…18) В.

6. Номинальное напряжение питания: Uпит ном=15 В.

7. Коэффициент усиления напряжения: К_U=200*10³…

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.

7. Микроконтроллер

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=0×000 соответствует нулевому входному сигналу U_АЦП, максимальный код 0x3FF соответствует сигналу, равному опорному AREF минус вес единицы младшего значащего разряда:

U_АЦП= (N_АЦП*AREF)/2¹⁰.

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.

8. Аналоговые ключи.

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:

Рис. 14. Схема аналогового ключа Технические параметры позиции ADG713BR, аналоговый ключ Ind SO16.

9. Принципиальная схема полученного устройства и спецификация Спецификация:

Выводы.

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.

Список используемой литературы.

«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.

Глобальная сеть Интернет.