Проектирование автоматизированной системы расчётов на микропроцессорных элементах

• Введение
• Задание
• 1. Структурная схема системы автоматизации
• 2. Формулировка задачи автоматизации
• 3. Выбор задающих и исполнительных элементов системы
• 4. Выбор и обоснование выбора микропроцессорного элемента
• 5. Расчет нагрузочных характеристик микроконтроллера
• 6. Составление электрической схемы и спецификации элементов
• 7. Блок-схема
• 8. 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:
• 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.
• 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)

2. 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:

G5LE-114P 10A — твердотельное реле. Управляется логическим высоким/низким уровнем и способно коммутировать токи до 10А при напряжении 220 В. 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 128×8 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 2,5 В 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

Ini>= Iнi

Здесь iномер 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

Iнi=5В/333 Ом=15 мА

Ini=25мА

Неравенство Ini>= Iнi выполнено.

Определение входов и выходов:

RA0 -датчик двигателя

RA1 — датчик уровня жидкости

RA2 — кнопка «ПУСК»

RA3 — кнопка «СТОП»

RB0 — 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

Команды для управления насосом:

ON_NASOS EQU 0×00C; Насос включен

OFF_NASOS EQU 0×001; Насос выключен Настройка портов ввода и вывода

CLRF PORTA; Очистка PORTA

CLRF PORTB; Очистка PORTB

MOVLW PORTA; Настройка PORTA на ввод

MOVWF PORTB; Настройка PORTB на вывод Программа проверки кнопок на нажатие

KNOPKA

BTFSS PORTA, 2; включена кнопка «ПУСК»

CALL DATCHIK₁; если да проверить аварийный сигнал с датчика двигателя

BTFSS PORTA, 3; если нет включена кнопка «СТОП»

CALL OFF_NASOS; если да выключить насос

GOTO DATCHIK₁; нет проверить датчик уровня жидкости

Программа проверки датчика двигателя

DATCHIK₁

BTFSC PORTA, 0; есть аварийный сигнал с датчика двигателя

CALL OFF_NASOS; если да выключить насос

GOTO DATCHIK₂; нет проверить датчик уровня жидкости Программа проверки датчика уровня жидкости

DATCHIK₂

BTFSC PORTA, 1; есть аварийный сигнал с датчика уровня жидкости

CALL OFF_NASOS; если да выключить насос

GOTO ON_NASOS; нет включить насос

GOTO KNOPKA; перейти в программу проверки кнопок

END

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.

1. Копесбаева А. А. Элементы и устройства автоматики. Методические указания к выполнению лабораторных работ (для студентов специальности 360 140 — АИСУ). — Алматы: АИЭС, 2003.

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

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

4. Яценков В. С. Микроконтроллеры MicroChip. Практическое руководство. — Москва, 2002.

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