Разработка микропроцессорной системы для измерения параметров напряжения в однофазной сети

Аннотация В данном курсовом проекте на базе микроконтроллера серии AT89C51ED2 была спроектирована микропроцессорная система измерения параметров напряжения в однофазной сети (действующее значение напряжения и частота) и индикация их значений. Для этого была выбрана необходимая элементная база, составлен алгоритм работы программы, написана программа на языке высокого уровня.

Для написания программы для микроконтроллера использовалась программа КeiluVision4.

Далее с учетом выбранных элементов была составлена принципиальная электрическая схема микропроцессорной системы и произведено моделирование в среде Proteus 7.10, подтверждающее работоспособность спроектированной микропроцессорной системы.

Содержание Введение

1. Выбор и описание элементной базы микропроцессорной системы

1.1 Микроконтроллер

1.2 Датчик напряжения

1.3 Аналого-цифровой преобразователь

1.4 Дисплей

2. Разработка схемы электрической принципиальной

3. Разработка алгоритма

4. Моделирование Заключение Приложение

Введение

Микропроцессорная система представляет собой частный случай электронной системы, которая предназначена для обработки входных сигналов и выдачи выходных. В качестве входных и выходных сигналов могут быть:

· Аналоговые сигналы

· Одиночные цифровые сигналы

· Цифровые коды

· Последовательности цифровых кодов Внутри системы может происходить хранение и накопление сигналов (информации). Для ввода аналоговых сигналов в цифровые системы, (МПС цифровая) необходимо эти сигналы преобразовать в цифровые, используя АЦП, последовательного или последовательного принципа действия. Для ввода аналоговой информации на объект управления необходимо использовать в электронной системе ЦАП.

Характерная особенность традиционной информационной системы состоит в том, что алгоритмы обработки и хранения информации в ней жестко связаны со схемотехникой, то есть изменение этих алгоритмов возможно лишь путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему и связей между ними.

1. Выбор и описание элементной базы микропроцессорной системы

1.1 Микроконтроллер В качестве управляющего микроконтроллера задан микроконтроллер AT89C51ED2.

Микроконтроллеры семейства АТ89 фирмы Atmel представляет собой восьмиразрядные однокристальные микроЭВМ с системой команд MCS-51 фирмы Intel. Микросхемы изготавливаются по КМОП (CMOS) технологии и имеют полностью статическую структуру.

Данный микроконтроллер имеет следующие характеристики:

· Совместимость с приборами семейства MCS-51

· Емкость перепрограммируемой Flash памяти: 64 Кбайт, 1000 циклов стирание/запись.

· Полностью статический прибор — диапазон рабочих частот от 0 Гц до 60 МГц.

· Трехуровневая блокировка памяти программ

· СОЗУ емкостью 1792 байтов

· Память данных EEPROM 2 Кбайт

· 32 программируемых линий ввода/вывода

· Три 16-разрядных таймера/счетчика событий

· Наличие встроенного сторожевого таймера

· Программируемый последовательный канал UART

· 40 выводной корпус PDIP, 44 выводные корпуса TQFP и PQFP и 44-выводной носитель кристалла PLCC.

Потребление в активном режиме на частоте 12 МГц не превышает 20 мА при напряжении питания 5 В. При тех же условиях в пассивном режиме, при котором остановлено ЦПУ, но система прерываний, ОЗУ, таймер-счетчик событий и последовательный порт остаются активными, потребление не превышает 100 мкА при напряжении питания 5 В.

Назначение выводов

· P0 — P3 — порты ввода/вывода;

· Vcc — напряжение питания +5В;

· ХTAL1, ХTAL2 — выводы для подключения кварцевого резонатора;

· RST — вход общего сброса микроконтроллера;

· PSEN — разрешение внешней памяти программ; выдается только при обращении к внешнему ПЗУ;

· ALE — строб адреса внешней памяти;

· EA — отключение внутренней программной памяти; уровень «0» на этом входе заставляет микроконтроллер выполнять программу только из внешнего ПЗУ, игнорируя внутреннее.

Предельные электрические параметры портов

Порт 0: 26 мА.

Порт 1,2,3: 15 мА.

Максимальный суммарный ток на всех выводах: 71 мА.

Характеристики генератора

XTAL1 и XTAL2 — вход и выход, соответственно, инвертирующего усилителя, который может быть настроен для использования как внутренний генератор, так может и использоваться кварцевый или керамический резонатор. Чтобы управлять устройством от внешнего источника колебаний, вывод XTAL2 должен быть оставлен свободным, а на XTAL1 подается управляющий сигнал. Нет никаких жестких ограничений к частоте внешнего тактового сигнала, так как к внутренней схеме синхронизации осуществляется через встроенный делитель

Рис. 1. Структурная схемаМК AT89C51ED2

Рис. 2. Функциональное назначение выводов МК AT89C51ED2

1.2 Датчик напряжения В качестве датчика напряжения выберем датчик LV 25-P.

Номинальный диапазон преобразования (рекомендуемый): от 10 до 500 В, при этом верхнее предельное значение преобразуемого напряжения определяется электрической прочностью изоляции датчика.

Оптимальная точность измерения достигается при входном токе, равном номинальному. Величина внешнего входного резистора R1 должна выбираться такой, чтобы при номинальном уровне преобразуемого напряжениявходной ток датчика был бы равен 10 мА (см. рис. 3).

Отличительные особенности:

* Компенсационный датчик на эффектеХолла

* Изолирующий пластиковый негорючий корпус.

Принцип работы: преобразуемое напряжение подается на входные клеммыдатчика через внешний резистор R1, величина которого выбирается пользователем исходя из номинального входного тока датчика.

Преимущества:

* Отличная точность

* Хорошая линейность

* Низкий температурный дрейф

* Оптимальное время задержки

* Широкий частотный диапазон

* Высокая помехозащищенность

* Высокая перегрузочнаяспособность.

Электрические параметры:

I_PN Номинальный входной ток, эфф.знач. 10 мА

I_P Диапазон преобразования 0. ± 14 мА

R_M Величина нагрузочного резистора R_M min R_M max

при ± 15 V при ± 10 мА_max 100 340 Ом при ± 14 мА _max 100 180 Ом

I_SN Номинальный аналоговый выходной ток 25 мА

K_N Коэффициент трансформации 2500: 1000

V_C Напряжение питания (± 5%) ± 15 В

I_C Ток потребления 10 + I_S мА

Vd Электрическая прочность изоляции, 50 Гц 2.5 Кв Рис. 3. Схема подключения.

Вывод +: напряжение питания + 15 B

Вывод M: измерительный Вывод —: напряжение питания — 15 B

в) Рис. 4. Размеры датчика а) вид снизу; б) вид справа; в) вид сзади

1.3 Аналого-цифровойпреобразователь В качестве АЦП возьмем ADC0831 — 8-битный последовательный цифро-аналоговый преобразователь.

Технические характеристики:

· Тип входа — напряжение

· Напряжение питания (макс.) — 6.3 В

· Тип интерфейса — последовательный

· Количество входов АЦП — 1

· Максимальная рабочая температура — + 70 C

· Максимальная рассеиваемая мощность — 0,8 Вт

· Напряжение питания (мин.) — 4.5 В

· Опорное напряжение — 5 В

· Рабочее напряжение питания — 0 В до 5 В Рис. 5. Назначение выводов ADC0831

Рис. 6. Временная диаграмма работы ADC0831

В качестве источника опорного напряжения для АЦП выберем AD586M с входным напряжение +15 В, а выходным +5 В. Назначение выводов данного источника опорного напряжения паредставлено на рис. 7.

Рис. 7. Назначение выводов источника опорного напряженияAD586M

1.4 Дисплей В качестве дисплея выберем ЖКИ-модуль LM016Lна основе контроллераHD44780.

Технические характеристики:

· 16 символов? 2 строки

· Встроенный контроллер HD44780

· Напряжение питания +5 В

· Отображаемый цвет — серый Для соединения ЖКИ-модуля с управляющей системой используется параллельная синхронная шина, насчитывающая 8 или 4 (выбирается программно) линий данных DB0… DB7, линию выбора операции R/W, линию выбора регистра RS и линию стробирования/синхронизации Е. Кроме линий управляющей шины имеются две линии для подачи напряжения питания 5 В — GND и V_CC, и линия для подачи напряжения питания драйвера ЖКИ — V₀.

Рис. 8. Подключение ЖКИ-модуля Рис. 9. Габаритные размеры LM016L

2. Разработка схемы электрической принципиальной

После датчика напряжения поставим делитель напряжения на 100 В, так как максимальное входное напряжение для АЦП составляет 5 В.

Рис. 10. Делитель напряжения моделирование резистор микропроцессорный преобразователь Рассчитаем значения сопротивления резисторов R1 и R2.

Примем R2=1 кОм, тогда:

Для выпрямления напряжения выберем диод Шотткимарки 1N5711W.

РезисторыR3 и R4 примем 50 кОм и 1 кОм соответственно. Резистор R3после диода необходим для его корректной работы, а резистор R4 является обязательным и так же обеспечивает корректную работу АЦП (см. документацию)

Для защиты устройств от перепадов напряжения при изменении токовых нагрузок используем блокировочные конденсаторы, установленные на входах питания каждой их рассмотренных микросхем. Значения всех емкостей примем равными 0,1мкФ.

Для работы микроконтроллера необходимо подключить кварцевый резонатор с частотой 12 МГц. В данном случае это будет кварцевый резонатор HC-49U.

3. Разработка алгоритма

Программа для управлениия микропроцессорной системой должна обеспечивать работу с АЦП — считывание приходящих данных, необходимые вычисления для расчета действующего значения напряжения и частоты, а также вывод на дисплей полученных значений.

Алгоритм работы основной программы для микроконтроллера представлен ниже.

4. Моделирование

Для проверки работоспособности написанной программы используем ПК, на котором установлена программа ISIS7 программного комплекса Proteus.

В качестве имитации датчика напряжения будем использовать источник синусоидального сигнала.

Рис. 12. Выпрямленное напряжение

Рис. 13. Временные диаграммы работы АЦП

Заключение

В результате выполнения данного курсового проекта была разработана микропроцессорная система для измерения параметров напряжения в однофазной сети (действующее значение напряжения и частота) и вывод полученной информации на дисплей.

Плюсы данной разработки в компактности, простоте реализации и доступности составляющих элементов. Минус данной системы, это устаревшей микроконтроллер 51-ой серий, так как его постепенно вытесняет AVR.

Приложение

#include

#include

#include

#include

#include

/*Indicator*/

sbit RS=P2⁰;

sbit RW=P2¹;

sbit E=P2²;

/*ADC*/

sbit CS=P1⁰;

sbit CLK=P1¹;

sbit DO=P1²;

//***************************************

unsignedint tics;

unsigned char temp;

unsigned char KOD_ADC;

void Time (unsigned int Delay)

{

unsignedint i;

for (i=0;i

};

}

void T0Isr (void) interrupt 1 using 2

{

tics=tics+1;

TH0=155;

TL0=155;

}

void initTm0(void)

{

TMOD=0×02;

ET0=1;

EA=1;

TH0=155;

TL0=155;

}

//******************ADC**************************

void ADC (void)

{

CS=1;

Time (10);

CS=0;

Time (2);

CLK=1;

Time (1);

CLK=0;

Time (1);

CLK=1;

Time (1);

CLK=0;

Time (1);

for (i1 = 0; i1 <8; i1++)

=DO;

CLK=1;

Time (1);

CLK=0;

CS=1;

}

//***********************LCD*************

voidwrite_command (unsigned char com)

{

E=1;

RS = 0;

RW = 0;

P3 = com;

Time (20) ;

E=0;

Time (100) ;

}

voidwrite_data (unsigned char dat)

{

E=1;

RS = 1;

RW = 0;

P3 = dat;

Time (20);

E=0;

Time (50);

}

voidLCD_init (void)

{ write_command (0×30); //8 bit

write_command (0×30); //8 bit

write_command (0×30); //8 bit

write_command (0×30); //8 bit

write_command (0x3C); //8 bit 2 stroki norm text

write_command (0×08); //disp off

write_command (0x0C); // disp on

write_command (0×06); // inc

}

//**********************************************************

//**********************************************************

void main (void)

{

unsigned char U_lcd, U;

unsigned char F_lcd, F;

doubleUtemp, Uost, Uceil, Fceil, Fost, Ftemp, period, Chast;

CS=1;

LCD_init ();

while (1){

initTm0();

tics=0;

temp=0;

Umax=0;

KOD_ADC=0;

do {

ADC ();

}

while (KOD_ADC>=1);

do {

ADC ();

}

while (KOD_ADC<2);

TR0=1;

Time (1);

do {

temp=KOD_ADC;

Time (10);

ADC ();

}

while (KOD_ADC>=temp);

TR0=0;

write_command (0×01); //clear lcd

write_data ('');

write_data ('U');

write_data ('=');

Utemp=((temp*5)/1.414)/255+0.2;

Uost=modf (Utemp,&Uceil);

U=Uceil;

U_lcd=48+U;

write_data (U_lcd);

Utemp=Uost*10;

Uost=modf (Utemp,&Uceil);

U=Uceil;

U_lcd=48+U;

write_data (U_lcd);

Utemp=Uost*10;

Uost=modf (Utemp,&Uceil);

U=Uceil;

U_lcd=48+U;

write_data (U_lcd);

write_data ('B');

write_data (' ');

write_data (' ');

write_data ('F');

write_data ('=');

Chast=tics*4;

Ftemp=(1/(Chast/100))*10;

Fost=modf (Ftemp,&Fceil);

F=Fceil;

F_lcd=48+F;

}

}