Проектирование устройства логического управления промышленного назначения с «гибкой» логикой

• Аннотация
• 1. Структурная схема контроллера
• 2. Описание принципиальной схемы контроллера
• 2.1 Схема нормирования входных сигналов (Блок № 1)
• 2.2 Схема нормирования выходных сигналов (Блок № 2)
• 2.3 Схема реализующая заданный алгоритм управления (Блок № 3)
• 2.4 Схема преобразователей напряжения (Блок № 4)
• 2.5 Схема индикации (Блок № 5)
• 2.6 Конструкция контроллера
• Приложение

Аннотация

В рамках настоящего курсового проекта разработано устройство логического управления (контроллер) промышленного назначения с «гибкой» (программируемой) логикой.

Программируемая логика реализована на микроконтроллере фирмы ATMEL 89С51 и реализует заданный алгоритм управления.

В устройстве используется современная элементная база с использованием как отечественных так и импортных компонентов. Основные технические характеристики разработанного устройства следующие:

напряжение источника питания — 24В;

потребляемый ток — не более 100 мА;

интервал измерения магнитной индукции — 0.0.1Тл;

разрешающая способность — 0.1 мТл;

1. Структурная схема контроллера

Блок нормирования входных сигналов, предназначенный нормирования входных сигналов, поступающих с контактных датчиков.

Блок нормирования выходных сигналов, выполняющий функции нормирования выходных управляющих сигналов до необходимого уровня.

Блок реализации заданного алгоритма управления обрабатывающий входные и выдающий выходные сигналы в соответствии с заданным алгоритмом управления.

Блок преобразователей напряжения, предназначенный для питания контроллера от сети постоянного напряжения 24 В.

Блок индикации, предназначенный для визуального отображения значения магнитной индукции B и формирования логических сигналов в зависимости от значения магнитной индукции B. Он состоит из следующих функциональных элементов:

а) датчика магнитной индукции B

б) преобразователя «сопротивление-напряжение» (ПСН)

в) формирователя логических сигналов

г) преобразователя «напряжение-код» (ПСК)

д) индикатора

Контроллер выполнен на современной элементной базе с использованием как отечественных так и зарубежных компонентов.

2. Описание принципиальной схемы контроллера

Принципиальная схема контроллера приведена на чертеже

БГТУ.0.096.013. Э3.

Ниже дается поблочное описание принципиальной схемы контроллера.

2.1 Схема нормирования входных сигналов (Блок № 1)

Схема нормирования входных сигналов состоит из элементов DA1, DA2, DA3 и реализована на оптопарах с логическим выходом фирмы Motorola H11L1. Сигнал с контактных датчиков поступает на вход оптопар DA1-D3. Резисторы R13 — R15 обеспечивают входной ток оптопары 0.75 ма. Диоды VD1-VD3 служат для защиты оптопар от обратной полярности напряжения на входе. Резисторы R16-R18 задают выходной режим. Их значение не критично: при малых значениях резисторов обеспечиваются повышенное быстродействие и помехоустойчивость, однако повышается рассеиваемая мощность и нагрузочный ток выходного каскада. Рекомендуемое значение 270 Ом.

Оптопара H11L1 состоит из арсенид-галлиевого диодного излучателя и фотоприемника с триггером Шмидта (рис. 3.1.1). Предназначены для схем, требующих гальванической развязки, зашиту от помех и совместимость с цифровой логикой.

Может применяться для цифровых схем управления источниками питания, электроприводами, согласования ТТЛ и КМОП схем. Типовая схема включения показана на рис. 3.1.2 Триггер Шмидта служит для устранения дребезга.

контроллер сигнал гибкая логика рис. 3.1.1

Вывод: 1 — анод; 2 — катод; 3 — не используется; 4 — открытый коллектор;

5 — земля; 6 — питание рис. 3.1.2

На рис. 3.1.3 приведена типичная передаточная характеристика оптопары.

В табл.3.1.1 приведены электрические параметры оптопары.

Табл.3.1.1

Резисторы R13-R15 выбраны типа С2−29В-0.125−30кОм1%;

Диоды VD1-VD3 типа типа КД522Б;

Резисторы R16-R18 типа С2−29В-0.125−270Ом1%.

2.2 Схема нормирования выходных сигналов (Блок № 2)

Блок нормирования выходных сигналов обеспечивает нормирование выходных управляющих сигналов.

Он состоит из микросхем DA10-DA13. Для управления электромагнитами постоянного тока (Y1, Y2) на 24 В, 2W применяются оптоэлектронные реле средней мощности 5П20А1 отечественного производства (DA10, DA11) имеющие следующие характеристики:

Максимальное напряжение коммутации …60 В

Максимальный коммутируемый ток … 3

Сопротивление в открытом состоянии …0.05 Ом

Входной рабочий ток …10−25 мА

Время срабатывания …5 мс

Обозначение приведено на рис. 3.2.1.

Сопротивления R22, R23 обеспечивают входной рабочий ток 10 мА. Резисторы R22, R23 типа С2−29В-0.125−390Ом1%. Диоды VD4, VD5 защищают выход оптореле от эдс самоиндукции, возникающих в обмотке электромагнитов. Выбираем быстродействующие диоды типа КД522Б имеющими параметры:

Обратное напряжение …50 В

Максимальный прямой ток …0.1 А

Максимальная частота диода … 100 МГц

Для управления двухключевым (полумостовым) модулем на базе МОП транзисторов М2ТКП-25−6 используются два DC/DC преобразователя DCP022415P на 15 В. Фильтрующие конденсаторы C13-C16 выбраны соответственно типа: К50−35−50В-470мкФ (С13, С15) и К50−35−25В-10мкФ (С14, С16).

Управление преобразователями осуществляется по выводу SYNC с порта P.0 микропроцессора AT89C51. При этом при записи «1» в защелку вывода порта Р0 транзистор N при отсутствии внешнего подтягивающего резистора переходит в высокоимпедансное состояние, а значит включает DC/DC преобразователь. Время переключения преобразователя 2 мкс.

2.3 Схема реализующая заданный алгоритм управления (Блок № 3)

Схема обработки входных и выходных сигналов предназначена для реализации заданного алгоритма управления. Она реализована на микроконтроллере фирмы ATMEL 89C51.

Условное графическое обозначение микроконтроллера показано на рис. 3.3.1.

После нормирования входные сигналы поступают на порт P1 микроконтроллера. На порты P2 и P0 выдаются выходные сигналы, которые после согласования подаются на исполнительные устройства. Питание микроконтроллера осуществляется от DC/DC преобразователя на 5 В (блок преобразователей напряжения). Предусмотрен автоматический сброс микроконтроллера при включении питания. Чтобы при включении питания сброс был гарантированно выполнен, вывод RST должен удерживаться в состоянии высокого уровня в течение времени, достаточного для запуска тактового генератора ОМЭВМ плюс еще минимум два машинных цикла. Время запуска тактового генератора ОМЭВМ зависит от его частоты работы и для 10 МГц кварцевого резонатора составляет в среднем 1 мс, а для 1 Мгц кварцевого резонатора — 10 мс. Представленная на рис. 3.3.3 цепь сброса при быстром уменьшении напряжения питания вызывает появление на входе RST отрицательного напряжения, которое не является опасным для микросхем вследствие наличия у ОМЭВМ внутренней схемы защиты. Кроме того предусмотрен ручной сброс микроконтроллера (кнопка SB1).

В активном режиме микроконтроллер на частоте 12 МГц потребляет порядка 25 мА. и в пассивном режиме, при котором остановлено ЦПУ, но система прерываний, ОЗУ, таймеры/счетчики событий и последовательный порт остаются активными, потребление снижается до 15% от потребления в активном режиме. В стоповом режиме потребление не превышает 100 мкА.

Микроконтроллеры семейства AT89 ориентированы на использование в качестве встроенных управляющих контроллеров в промышленном (-40°C.85°C) и коммерческом (0°C.70°C) диапазонах температур, имеются исполнения микроконтроллеров AT89C51 и AT89C52, соответствующие требованиям, предъявляемым к приборам используемым в автомобильном (-40°C.125°C), Military и Military/883C (-55°C.125°C) диапазонах температур.

На рис. 3.3.2 показана архитектура микроконтроллера.

Основными элементами базовой архитектуры являются:

8-разрядное АЛУ на основе аккумуляторной архитектуры;

4 банка регистров, по 8 в каждом;

встроенная память программ 4Кбайт;

внутреннее ОЗУ 128 байт;

булевый процессор;

2 шестнадцатиразрядных таймера;

контроллер последовательного канала (UART);

контроллер обработки прерываний с двумя уровнями приоритетов;

четыре 8-разрядных порта ввода/вывода, два из которых используются в качестве шины адреса/данных для доступа к внешней памяти программ и данных;

встроенный тактовый генератор.

Рис. 3.3.3 Схема подключения ОМЭВМ для реализации автоматического сброса по включению питания

2.4 Схема преобразователей напряжения (Блок № 4)

Предназначена для питания контроллера от сети постоянного напряжения 24 В и выполнена на микросхеме DA9, которая представляет собой DC/DC преобразователь фирмы Burr-Brown DCP022405DP. Основные характеристики:

К.П.Д. … 89%

Мощность преобразователя …2 W

Входное напряжение …24

Выходное напряжение … ±5 В

Выберем фильтрующие конденсаторы

C12 типа К50−35−50В-470мкФ;

С10, С11 типа К50−35−25В-10мкФ.

В табл.3.4.1 внесены максимальные токи потребляемые отдельными микросхемами от преобразователя.

табл.3.4.1

Т.о. максимальная нагрузка преобразователя будет примерно 30%.

2.5 Схема индикации (Блок № 5)

Схема индикации предназначена для визуального отображения значения магнитной индукции B и формирования логических сигналов в зависимости от значения магнитной индукции B. Она состоит из следующих функциональных элементов:

а) датчик магнитной индукции B

Роль датчика магнитной индукции выполняет магниторезистор типа МР-1. Основные параметры магниторезистора: сопротивление в отсутствии магнитного поля R0 — 50 Ом ±20%; допустимая рассеиваемая мощность 5 мВт. На рис. 3.5.1 приведена типичная характеристика

рис. 3.5.1

магниторезистора, показывающая зависимость сопротивления магниторезистора от значения магнитной индукции. В табл.3.5.1 приведены соответствующие значения сопротивления и магнитной индукции для данного магниторезистора.

Табл.3.5.1

Магниторезисторы — это электронные компоненты, действие которых основано на явлении измерения электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля.

Основные преимущества магниторезисторов по сравнению с другими преобразователями физических величин — это простота обеспечения практически идеальных механической, электрической, тепловой и других видов развязки измерительных и управляющих цепей от объектов контроля. Кроме того, магниторезисторам свойственны высокие быстродействие, чувствительность и надёжность, малые энергопотребление и габариты, а также небольшая стоимость.

б) преобразователь «сопротивление-напряжение» (ПСН) Состоит из источника тока выполненного на полевом транзисторе VT1 типа КП103И и операционного усилителя DA4 типа OPA130.

Падение напряжения на магниторезисторе, определяемое заданным током усиливается до необходимого уровня операционным усилителем. На выходе ОУ необходимо иметь напряжение в 0,1 В при значении магнитной индукции 0.1 Тл. При этом сопротивление магниторезистора будет 75 Ом. Однако магниторезистор имеет начальное сопротивление R0 (50Ом) в отсутствии магнитного поля. Значит на входе ОУ будет присутствовать некое значение напряжения смещения, которое подлежит компенсации. Для этого служит подстроечный резистор R7 типа СП5−24−1-100кОм ±5%.

Необходимое значение коэффициента усиления ОУ:

K=Uвых/Uвх= (R5/R6+1) =100мВ/2,5мВ=40

Выбираем R5 типа С2−29В-0.125−39кОм±0.1%;

R6 типа С2−29В-0.125−1кОм±0.1%;

Задаем ток источника тока 0.1 ма.

Для этого на передаточной характеристике транзистора проводим нагрузочную прямую истокового резистора через начало координат и точку передаточной характеристики транзистора с необходимыми координатами Uзи и Iс (рис. 3.5.2).

С учетом того, что истоковый резистор R4 вводится в схему ООС по выходному току, стабильность параметром данной схемы будет намного выше. Определим расчетное значение резистора R4:

R4=Uзи/Iсзад (3.5.1), R4=1.5В/0.1ма=15кОм Выберем подстроечный многооборотный резистор — СП5−24−1-22кОм ±5%

рис. 3.5.2

ОУ OPA130 микромощный прецизионный полевой ОУ имеет следующие параметры:

Предельное напряжение питания, В (мин. — макс.) …2.5−18

Потребляемый ток (макс.), ма …0.5

Напряжение смещения, (тип.) мВ … …0.05

Ток смещения, пА (макс.) … … 20

Обозначение и типовая схема включения приведены на рис. 3.5.3 и 3.5.4 соответственно.

рис. 3.5.3 Обозначение ОУ рис. 3.5.4

в) формирователь логических сигналов Вырабатывает сигнал логической единицы для блока № 3 при превышении значения магнитной индукции 0.05 Тл.

Состоит из ОУ DA1, источника опорного напряжения DA3 для компаратора DA2. При превышении напряжения на выходе DA1 (это произойдет при B=0.05 Тл) 2.048 В (напряжение источника опорного напряжения) компаратор DA3 сформирует на выходе напряжение логической единицы.

Сигнал на DA1 поступает с выхода прецизионного усилителя DA4. По сколько нет необходимости применять в качестве DA1 прецизионный усилитель, то выберем распространенный ОУ типа КР140УД1208. Он представляет собой микромощный многофункциональный операционный усилитель с регулируемым потреблением тока, с внутренней частотной коррекцией и защитой выхода от короткого замыкания.

На рис. 3.5.5 показан корпус, на рис. 3.5.6 условное графическое обозначение микросхемы, на рис. 3.5.7 типовая схема включения.

Сопротивление R3 задает потребляемый ОУ ток. Выберем рекомендуемый номинал для обеспечения потребляемого тока 0.03 мА — С2−29В-0.125−1МОм±1%;

Необходимый коэффициент усиления:

K=Uвых/Uвх= (R1/R2+1) =2.048В/0.05В=40

Выбираем R1: С2−29В-0.125−39кОм±0.1%;

R2: С2−29В-0.125−1кОм±0.1%;

Назначение выводов КР140УД1208:

1,5 — балансировка;

2 — вход инвертирующий;

3 — вход неинвертирующий;

4 — напряжение питания — Uп;

6 — выход;

7 — напряжение питания +Uп;

8 — задающий ток;

Источник опорного напряжения выполнен на микросхеме DA3 типа LM4130C фирмы National Semiconductor. Он обеспечивает образцовое напряжение 2.048 В для компаратора

DA2. Погрешность выходного напряжения не превышает 0.1%. Максимальный потребляемый ток 75 мкА. Типовая схема включения приведена на рис. 3.5.8.

Рекомендуемые номинала конденсаторов С1=10 мкФ и С2=0.1 мкФ. Выберем С1 типа К50−35−25В-10мкФ, С2 типа К73−24−63В-0.1мкФ ОЖ0.461.104 ТУ.

Компаратор DA2 выбран типа LM139 фирмы STMicroelectronics.

Электрические характеристики:

Напряжение питания … (2−36) В Максимальный потребляемый ток …2 мА Напряжение смещения …1 мВ Передаточная характеристика показана на рис. 3.5.9.

рис. 3.5.9

На рис. 3.5.10 показано согласование компаратора с КМОП микросхемами.

Выберем резистор R8 типа С2−29В-0.125−100кОм±1%.

г) преобразователь «напряжение-код» (ПСК) Выполнен на микросхеме DA5 — ICL7107 (К572ПВ5А).

Микросхема представляет собой БИС интегрирующего АЦП. Предназначена для применения в измерительной аппаратуре различного назначения. Совместно с ИОН, несколькими резисторами и конденсаторами БИС выполняет функцию АЦП двойного интегрирования с автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сигнала. Выполнена в объёме одного кристалла по технологии КМОП-структур с поликремниевыми затворами и содержит 1126 интегральных элементов. Конструктивно оформлена в пластмассовом корпусе типа DIP40 (рис. 3.3.4). Масса микросхемы не превышает 6,5 г.

Основные параметры микросхемы:

Номинальное напряжение питания …4.5 В Опорное напряжение …0.1.1 В Максимальный потребляемый ток … 1.8мА Входное напряжение … — 1,999.1,999 В Результат преобразования в АЦП двойного интегрирования представляется цифровым кодом, эквивалентным среднему значению напряжения на аналоговом входе, преобразуемому за фиксированный интервал времени. Цифровая информация на выходе АЦП представляется в специальном коде для управления семисегментными жидкокристаллическими индикаторами (ЖКИ).

Принцип двойного интегрирования заключается в следующем. В соответствии с этим принципом в первом такте цикла преобразования производится интегрирование — накопление интеграла от некоторого входного сигнала, а затем во втором также выполняется операция «разынтегрирования» — считывание накопленного интеграла путём подачи на вход интегратора другого входного сигнала.

Диаграмма изменения напряжения Uи на выходе неинвертирующего интегратора при реализации принципа двухтактного интегрирования В первом такте длительностью Т1 напряжение Uи изменяется от некоторого начального уровня (в частном случае от нуля) до значения Uм. Во втором такте длительностью Т2 происходит обратное изменение Uи — от Uм до исходного уровня. Накопление интеграла (в течение Т1) происходит при подаче на вход интегратора напряжения Uвх. и = U1, а считывание (Т2) — при подаче напряжения Uвх. и = U2.

Суммарное приращение интеграла за цикл интегрирования равно нулю, поэтому можно записать

U1T1/t+U2T2/t=0

где t — постоянная времени интегратора. Очевидно, что напряжения U1 и U2 должны иметь различную полярность, а соотношение длительностей тактов определяется равенством Т2/Т1 = - U1/U2

Текущие показания цифрового табло пропорциональны соотношению (3.5.3):

N=1000* (Uвх/Uоп) (3.5.3)

Диапазон входных напряжений зависит от опорного напряжения и определяется соотношением (3.5.4):

Uвх. max=±1.999*Uоп (3.5.4)

В данном контроллере принята цена деления младшего разряда 0.1 мТл. Поэтому показания цифрового индикатора HG1 определятся выражением:

N=100* (Uвх/Uоп) [мТл]

Выберем опорное напряжениеUоп=0.1 В. В соответствии с формулой (3.5.4) диапазон входных напряжений — Uвх=±199 мВ.

В состав БИС входит также тактовый генератор. Частота следования тактовых импульсов fT определяется внешними элементами RTГ и CTГ. Для максимального подавления сетевых помех (с частотами кратными 50Гц) частота повторения fT также должна быть кратна 50Гц и выбрана из типового ряда значений 40, 50, 100, 200кГц. Номиналы частотозадающих элементов тактового генератора рассчитывают по формуле (3.5.3):

CТГ=0.45/fT*RTГ (3.5.5)

Кроме того, нужно учитывать, что цикл преобразования АЦП составляет 4000 периодов тактовых импульсов, иначе говоря, эта длительность составляет 16 000/fT. Если установить fT=40 кГц, то цикл преобразования будет длиться 0.4 с; из них 0.1 с составит первый такт интегрирования, 0.0.2 с — второ1 такт интегрирования и 0.3.0.1 с — нулевой такт (автокоррекция). При расчете частотозадающей цепи задаются частотой fT и сопротивлением резистора RTГ.

Выберем fT=50 кГц и RTГ=470 кОм. Из формулы (3.5.3) получим емкость конденсатора CTГ=100 пФ.

Транзистор VT2, включенный инвертором, служит для индикации в цифровом индикаторе HG1 знака десятичной точки. Остальные элементы АЦП были выбраны исходя из рекомендуемых изготовителем.

На рис. 3.5.5 показана типовая схема включения микросхемы.

д) индикатор Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются пассивными индикаторами, преобразующими падающий на них свет. Они обладают рядом достоинств, к числу которых относятся:

малая потребляемая мощность (для ЖКИ на основе твист-эффекта удельная мощность потребления несколько единиц мкВт/см2);

низкие рабочие напряжения (1,5…5 В) и хорошая совместимость с КМОП-микросхемами;

удобное конструктивное исполнение — плоская форма экрана и ограниченная толщина индикатора (до 0,6 мм);

возможность эффективной индикации в условиях сильной внешней засветки;

большая долговечность (около 10 — 15 лет непрерывной работы).

Основные недостатки — сравнительно низкое быстродействие, ограниченный угол обзора и необходимость внешнего освещения.

В качестве ЖКИ-индикатора использован четырехразрядный цифровой индикатор ИЖКЦ1−4/8 предназначенный для отображения информации в виде цифр от 0 до 9 в каждом из четырех разрядов и десятичного знака после каждого из первых трех разрядов.

Оформление индикатора стеклянное, плоское, выводы ленточные под распайку.

Основные параметры:

Высота знака, мм …8

Управляющее напряжение, В:

наибольшее …15

наименьшее …4

Ток индикатора, мкА …7.12

Время реакции, мс …50.250

Время релаксации, мс … 150.300

Частота управляющего напряжения, Гц …30.3000

2.6 Конструкция контроллера

Конструкция контроллера представляет собой плату печатную, вдвижную. Элементы контроллера размещены на двухсторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита СФ-2, ГОСТ 10 316–78, толщиной 2 мм. Размеры платы 100×150 мм. Плата изготовлена фотохимическим методом, травление по «позитиву». При таком методе обеспечивается минимальная ширина проводников 0.3 мм, зазоры до 0.2 мм и точность контура до 0.05 мм. Рекомендуется групповой метод пайки погружением в расплавленный припой. Последовательность операций следующая:

Обезжиривание платы;

2. Наклейка маски;

3. Пайка;

Снятие маски;

Отмывка флюса;

Сушка;

Контроль.

Такой способ обеспечивает одновременную пайку всех соединений, но требует строгого соблюдения времени пайки и температуры. Рекомендуемый тип припоя — ПОС 61 ГОСТ 21 930;76. Качество паяных соединений должно определяться по следующим признакам: паяная поверхность должна быть светлой или светло-матовой, без темных пятен и посторонних включений. Оборудование и оснастка. применяемый при пайке, должны обеспечивать: автоматическое поддержание и контроль температуры припоя с погрешностью ±5`C; контроль времени контактирования выводов с расплавленным припоем; контроль расстояния от тела корпуса до границы припоя по длине выводов.

После настройки плату рекомендуется покрыть специальным лаком УР-9130 ТУ6−10.577.

Лицевая панель крепится к плате с помощью двух алюминиевых уголков, закрепленных винтами М4 и выполнена из легкого алюминиевого сплава АЛ2 толщиной 2 мм. Уголки выполняются из дюралюминия Д16Т, латуни или бронзы толщиной около 0.5 мм. По боковым сторонам платы прикреплены направляющие при помощи стяжных винтов М3. Лицевую панель и направляющие покрывают лаком ПЭ 9131 ТУ 101 860−82.

На лицевой панели сделаны отверстия под три подстроечных резистора, кнопку сброса SB1, индикатор и под крепеж конструкции в общую стойку.

С другой стороны крепится двумя винтами М4 21-контактный разъем-вилка типа РШ2Н-2−21. Разъем имеет направляющие и специально предназначен для устройств промышленной электроники.

Приложение

ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ К ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЕ