Автоматическая система управления объектом

• Общие понятия об автоматизации управления объектами с помощью микроЭВМ
• Общая структурная схема сопряжения УМК и объекта
• Цифровой и импульсный ввод данных
• Аналоговый ввод данных
• Режим ввода-вывода
• Программно управляемый ввод-вывод данных
• Ввод-вывод по прерыванию
• Временная организация режимов обработки информации
• Взаимодействие УМК с периферийными внешними устройствами
• Датчик состояния силовых полупроводниковых ключей
• Бесконтактные датчики на основе элементов Холла
• Принцип построения двоичного датчика с элементом Холла
• АЦП последовательного счета или последовательный АЦП
• Датчики аналоговых сигналов
• Выбор типа операционного усилителя
• Стандартные датчики тока и напряжения
• Вывод и отображение информации
• Сегментные светодиодные индикаторы
• Способы управления светодиодами
• Отображение многосимвольной информации

Общие понятия об автоматизации управления объектами с помощью микроЭВМ.

Под автоматической системой управления объектом понимается такая система, которая с помощью различных средств измерительной техники производит сбор информации о состоянии объекта, обработку этой информации и по разному формирует управляющие сигналы, которые с помощью различной регулирующей и управляющей техники воздействуют на объект.

Рисунок 1. Схематическое изображение автоматической системы управления объектом с помощью УЭВМ.

УЭВМ и объект управления образуют автоматические системы управления, при этом система и процесс являются взаимодополняемыми понятиями, их описание и моделирование составляет основу любой задачи автоматизации.

Система как реальный объект или абстрактное понятие состоит из ряда элементов и соответствующих связей между ними. Каждая система характеризуется структурой, свойствами и окружающей средой. Носителями информации в системе являются физические величины или сигналы.

управление информация ввод вывод Процесс есть временная последовательность в системе, при которой происходит процесс преобразования и передачи вещества, энергии и информации.

Переменные процессы разделяются:

Входные величины (независимые переменные):

а) управляемые входные воздействия;

б) неуправляемые входные величины (измеряемые и неизмеряемые помехи);

2. Параметры состояния (зависимые переменные) — характеризуют промежуточные параметры протекания процесса и не являются непосредственно выходными параметрами.

3. Выходные величины (зависимые переменные) — управляемые параметры, характеризующие результат проведения процесса.

Рисунок 2. Схематическое изображение переменных процессов Информация передается с помощью различного рода сигналов носителями, которыми являются различные физические величины, которые могут быть либо функцией времени, либо пространства.

Все сигналы делятся на два класса: аналоговые и дискретные.

Аналоговые сигналы описываются непрерывными математическими функциями, а дискретные разрывными функциями.

Аналоговые сигналы.

а) переменный (многомерный б) постоянный сигнал) (медленно изменяющийся) Рисунок 3. Аналоговые сигналы Параметр сигнала, посредством которого передается информация, называется информационным параметром, это может быть частота, амплитуда и фаза для переменных сигналов, длительность и фаза импульсов, их количество и пространственное распределение по первой или нескольким линиям и составляет информационные параметры сигналов.

Дискретные сигналы.

а) импульсное б) фазовое в) широтное регулирование регулирование регулирование Рисунок 4. Дискретные сигналы К дискретным сигналам относятся цифровые сигналы.

Рисунок 5. Цифровые сигналы С электронной точки зрения цифровой сигнал представляет собой импульс, поэтому многие импульсные сигналы могут обрабатываться с помощью микроконтроллера как одноразрядный цифровой сигнал, при условии нормирования импульса. Цифровые сигналы могут передаваться параллельно, либо последовательно.

Параллельная передача сигнала предусматривает передачу всех битов одновременно по нескольким линиям связи. Последовательная передача по одной линии.

а) параллельная б) последовательная Рисунок 6. Передача данных.

Общая структурная схема сопряжения УМК и объекта.

Любая микропроцессорная система управления, кроме УМК и объекта, содержит дополнительные функциональные элементы измерительной, преобразовательной и управляющей техники. Они служат для сбора параметров состояния объекта (входные параметры УМК) и для воздействия регулирующих величин на объект (выходные параметры УМК). Сюда входят:

1) устройства сбора информации;

2) устройства подготовки информации (усилители, фильтры, гальваническая развязка);

3) устройства преобразования информации из аналоговой формы в цифровую и наоборот (АЦП, ЦАП, компараторы);

4) устройства использования информации или управляющие устройства.

В общем виде микропроцессорная система может использовать все виды сигналов.

В единую систему УМК и объект объединяются с помощью внешних устройств сопряжения, основная задача которых, с одной стороны, это преобразование сигналов объекта в основную для УМК форму (цифровую) при их входе, с другой стороны преобразование цифровых сигналов УМК в соответствующие объекту виду управляющих сигналов, а так же упорядочение процедуры передачи и поддержка процесса передачи сигналов.

Рисунок 7. Система объединения УМК и объекта.

Устройства сбора информации подразделяются на устройства получения информации (датчики различных физических величин и состояний). В электромеханических системах используются токовые шунты, трансформаторы тока, измерительные трансформаторы напряжения, делители напряжения, бесконтактные датчики тока и напряжения, тахогенераторы, импульсные датчики, термопары, терморезисторы, полупроводниковые датчики, тензодатчики.

Устройства подготовки информации. Датчик преобразует измеренную величину в отображаемый сигнал, а усилитель отображаемый сигнал в выходной, при этом выходные сигналы всех каналов измерения должны быть унифицированы (приведены к одному уровню сигналов АЦП). Это могут быть нормирующие усилители, усилители мощности и согласования последующего каскада, фильтры помех, устройство гальванической развязки измерительных контуров.

Устройства преобразования информации. Большинство сигналов в электромеханических системах аналоговые, при вводе информации используется АЦП, при выводе — ЦАП. Поскольку в системах используются измерения пороговых аналоговых величин, эту роль исполняет компаратор.

Устройства использования информации (управляющие устройства). Под использованием информации понимается процесс реализации (отработки) управляющих сигналов, полученных как результат обработки УМК входных сигналов, при этом могут использоваться различные устройства автоматического воздействия на объект (реле, контакторы, пускатели, электронные полупроводниковые приборы и устройства на их основе, исполнительные электрические двигатели и т. п.). Могут быть простыми и сложными, состоящими из нескольких каскадов и устройств. Исполнительные устройства состоят из исполнительного привода и исполнительного органа, оказывающего непосредственное влияние на процесс. На вход управляющего привода подается управляющий сигнал, а с его выхода на вход исполнительного органа устанавливающий сигнал. В некоторых случаях под исполнительным приводом понимается согласующее буферное устройство.

На вход исполнительного привода подается управляющий сигнал от УМК, а с выхода исполнительного привода устанавливающий сигнал на вход исполнительного органа.

Рисунок 8. Исполнительное устройство управления в различных исполнениях.

Цифровой и импульсный ввод данных.

Цифровая информация на вход УМК подается с выхода цифровых устройств системы в виде готовых цифровых данных определенного формата.

Рисунок 9. Цифровых ввод данных от одного устройства на входе УМК.

Ввод цифровых данных сводиться к чтению информации с выхода регистра D0-D7 в порт ввода УМК. Задача усложняется, если цифровых устройств на входе несколько.

Рисунок 10. Цифровой ввод данных от нескольких устройств на входе УМК.

SETB P2.0.

CLP P2.1.

MOV A, R1.

Ввод информации от нескольких регистров решается путем мультиплексирования отдельных шин данных. Для этого выходы регистров объединяются в общую шину данных УМК, подключенных к порту ввода. Чтение информации из отдельных регистров осуществляется подачей сигнала разрешения работы с выходов порта вывода на входы разрешения Е регистров.

Импульсные сигналы по своей информационной сути представляют собой кратковременные одноразрядные двоичные сигналы, при условии равенства амплитуды этих сигналов стандартному уровню УМК контроллера прием импульсных сигналов осуществляется через стандартный порт ввода, к отдельным разрядам которого присоединено несколько датчиков импульсных сигналов.

Импульсные сигналы могут подаваться от бесконтактных электронных датчиков, от конечных выключателей, блок-контактов коммутационной аппаратуры, кнопок управления, с выходов компараторов пороговых устройств и т. п.

Поступающие с импульсных датчиков сигналы сильно различаются по длительности. Например, блок-контакт пускателя может быть замкнут несколько часов, пока работает устройство. С другой стороны датчик (электронный) частоты вращения выдает импульсы длительностью несколько десятком микросекунд. Различаются импульсы и по частоте следования: сигнал аварийного отключения действует очень редко, с другой стороны тот же импульсный датчик может выдавать в секунду серию в 10ч100 ТКИ импульсов.

Отдельные источники импульсных сигналов подключаются к отдельным разрядам порта ввода. При большом числе таких датчиков с однотипным характером сигналов их можно подключить к одному разряду порта ввода через мультиплексор, либо через аналогово-цифровой коммутатор.

Такие источники импульсных сигналов как фотодатчик (1), кнопка управления (2), фиксатор коротких импульсов на триггере (3) подключен к отдельным разрядам порта ввода. Сигналы состояния блок-контактов (4) могут подключаться на отдельный разряд порта через коммутатор SW. Для ввода серий импульсов, например, от датчика частоты вращения (5) их необходимо предварительно посчитать либо с помощью автономного счетчика, либо с помощью встроенного счетчика-контроллера и ввод информационного параметра в этом случае соответствует цифровому вводу.

В зависимости от свойств сигнала, т. е. его длительности и частоты следования и способа его обработки в УМК различают статический и динамический ввод данных.

Статический ввод служит для опроса и приема двоичных сигналов, не подлежащих хранению. При этом регистрируются лишь те сигналы, которые поступают на входы порта в момент программного опроса в виде статических значений логического нуля или логической единицы.

Рисунок 12. Статический ввод данных.

Динамический ввод с формированием сигнала прерывания. Применяется в том случае, когда необходимо фиксировать момент изменения сигнала, т. е. его фронт или спад.

Рисунок 11. Импульсный ввод данных.

Для организации динамического ввода используют внешние входы прерывания в МК51 (INT0, INT1), которые могут быть запрограммированы на фиксацию среза. Если число источников прерывания невелико (не более 2-х), то их входы подключаются непосредственно к INT0, INT1.

Применение: для организации четного сигнала прерывания от источников к их выходам подсоединяются фильтры подавления помех и компаратор для восстановления четного фронта среза.

Рисунок 13. Динамический ввод данных, если число источников прерывания не превышает 2-х.

Если число источников прерывания велико, т. е. превышает число входов прерывания контактора, то выходы датчиков могут объединяться с помощью логики «ИЛИ» для получения общего для всех источников сигнала прерывания.

Недостаток: одинаковый приоритет всех источников прерывания, поэтому для определения реального источника подавшего запрос прерывания в подпрограмму обработки прерывания через порт ввода читается состояние всех датчиков.

Рисунок 14. Динамический ввод данных, если число источников прерывания больше 2-х.

Цифровой ввод обычно осуществляется через порт ввода УМК в регистр внешнего устройства и процедура аналогична записи операнда в ячейку памяти внешнего ОЗУ.

Рисунок 15. Цифровой вывод данных.

Если число внешних устройств велико, то входы всех внешних регистров объединяются на общую шину данных контроллера и запись информации в них осуществляется путем демультиплексирования выходной шины данных.

Рисунок 16. Цифровой вывод о нескольких внешних устройств.

Процедура демультиплексирования осуществляется подачей сигнала разрешения Е со второго порта УМК на один из регистров, после чего данные D0-D7 записываются в регистр.

Импульсный ввод информации осуществляется по отдельным разрядам порта ввода. При этом формирование сигнала управления может производиться по отдельным битам портов, либо в виде группы логически взаимосвязанных битов (в виде полного байта), например для управления тиристорами.

Импульсные сигналы используются для управления:

а) исполнительными двигателями типа шаговых;

б) коммутационной аппаратурой (реле);

в) силовыми полупроводниковыми ключами (тиристорами, транзисторами);

г) индикаторными устройствами (лампа, светодиод);

д) элементами цифровой логики, расположенными на объекте.

Как и при вводе данных различают:

1) статический вывод, когда выдаваемый сигнал храниться в регистре порта до тех пор пока в него не будет записано новое значение;

2) динамический вывод, когда выходной сигнал появляется на короткий интервал времени, а реальная продолжительность сигнала управления исполнительного устройства задается отдельной внешней схемой задержки времени.

Буфер — элемент согласования выходных параметров поров УМК с параметрами управления исполнительного органа, при этом происходит согласование по току и по напряжению, выходному сопротивлению.

Для IGBT и МОП транзисторов существуют драйверы управления (содержат встроенную защиту, позволяющую поднимать уровень напряжения).

Рисунок 17. Импульсный вывод данных.

Аналоговый ввод данных.

Большинство первичных сигналов в системе являются аналоговыми, поэтому для ввода таких данных в УМК их предварительно необходимо преобразовать в цифровую форму с помощью АЦП. Для этого необходимо правильно выбрать АЦП по быстродействию.

Быстродействие — время преобразования в цифровой вид отдельного мгновенного значения непрерывной функции.

Рисунок 18. Преобразование аналогового сигнала в цифровой.

— аналоговая «земля», общая шина для аналоговых сигналов.

— цифровая «земля», общая шина для цифровых сигналов.

Информация от каждого датчика через информационный фильтр и нормирующий усилитель подается на коммутатор, а с выхода коммутатора на вход АЦП, с выхода АЦП цифровые данные подаются на порт ввода.

Коэффициент усиления нормирующих усилителей k_{1 -} k_n устанавливается индивидуально в зависимости от входного сигнала датчика.

Реализация данных схемы возможна с помощью внешних коммутатора и АЦП или встроенных в контроллер.

В случае применения внешних коммутатора и АЦП на них необходимо подавать сигнал управления с порта вывода УМК.

Аналоговая и цифровая земля должны иметь только одну общую точку — соединение, которое находится непосредственно в АЦП. Это делается для исключения влияния цифровых импульсных помех на аналоговые сигналы. Аналоговый вывод данных представляет процесс обратный аналоговому вводу. При этом цифровые данные в порте-вывода УМК преобразуются в аналоговые сигналы с помощью ЦАП, выходные сигналы которого это постоянные либо переменные сигналы тока или напряжения. Такие сигналы служат для управления индикаторами или цифровыми устройствами, работающими по принципу:

При наличии нескольких каналов вывода реализуется схема демультиплексирования в порте вывода УМК на несколько регистров.

MOV X@DPTR, A.

Процедура записи данных во внешний регистр аналогична записи во внешнюю память данных. При этом в регистр DPTR записывается число, содержащее условный адрес регистра, соответствующий сигналу разрешения работы данного регистра (старший байт адреса). Кроме того на все входы С — *** регистров подается сигнал WR*** с выхода порта P3.

Режим ввода-вывода.

Обычно в системах управления применяется достаточно большое число датчиков и исполнительных устройств, для работы с ними существует несколько режимов работы интерфейса ввода-вывода контроллера, из которых рассматривается два основных:

1. Программно управляемый ввод — вывод.

2. Ввод-вывод по прерыванию.

Программно управляемый ввод-вывод данных.

Все действия по обмену информации с внешними устройствами осуществляются по командам основной программы, которая представляет собой замкнутый бесконечный цикл.

Рисунок 23. Блок схема программно управляемого ввода-вывода данных.

Поскольку шина данных УМК постоянно находится под контролем центрального процессора, который управляет как последовательностью и направлением передачи данных, так и временем обмена. Такой режим называется синхронным обменом..

Недостатки режима:

1. Жестко установленный порядок опроса и вывода данных.

2. Фиксированное время обмена данными в цикле.

Т.е. несмотря на то что источник данных обладает разным собственным быстродействием контроллер их все уравнивает.

Ввод-вывод по прерыванию.

Максимальная эффективность системы управления достигается в том случае, если время обмена данными не фиксируется и каждое отдельное устройство взаимодействует с контроллером с собственной максимальной скоростью.

Такой обмен возможен с помощью сигналов запроса прерывания (ЗПР), которые инициируются самими внешними устройствами, и появляется произвольно в моменты времени асинхронные по отношению к циклу рабочей программы УМК. Т. е. управлять их действиями программа не может, т.к. неизвестно в какой точке программы и какое внешнее устройство инициирует сигнал ЗПР.

Процедура ввода-вывода организуется так: с приходом сигнала ЗПР процессор должен прерывать текущую программу, определить устройство, запросившее прерывание, запомнить промежуточные данные и перейти к подпрограмме обслуживания данного устройства. После завершения этой подпрограммы возвратиться в основную программу, прерванную подпрограммой. Прерванная основная программа должна возобновится, как будто подпрограммы и не было, единственным фактором этого события является увеличение времени работы цикла.

Общая последовательность реакции процессора на сигналы прерывания..

1. Если прерывания разрешены (регистр IE) процессор завершает текущую команду и устанавливает соответствующий флаг прерывания.

2. Осуществляется запоминание содержимого счетчика команд. Путем автоматической записи в стек.

3. Процессор по флагу прерывания идентифицирует прерывающее устройство и находит на соответствии вектор прерывания.

4. Выполняется подпрограмма обслуживания данного устройства. Вначале этой подпрограммы программным путем запоминается содержимое регистров PUSH A, PUSH PSW в стек. Далее в подпрограмме обычно выполняется действие по обмену информации со внешними устройством. В конце подпрограммы в обратном порядке извлекаются регистры POP PSW, POP A.

5. Восстанавливается состояние прерванной программы, которое инициируется командой RET I, при этом из стека автоматически загружается в счетчик командой PC адрес возврата.

Для того чтобы идентифицировать прерывание, возникающее от нескольких устройств, вводится иерархия прерываний или приоритет. При этом действует следующая закономерность: процессор всегда реагирует на запрос более высокого уровня, если в данный момент выполняется подпрограмма низкого уровня, то она прерывается.

В итоге может образоваться система вложенных подпрограмм обработки прерываний.

Для гибкого управления системой прерываний в контроллере обычно имеется регистр установки приоритетов. Позволяющий изменять естественный порядок приоритетов в зависимости от решаемой задачи.

Временная организация режимов обработки информации.

Большинство автоматических систем управления характеризуются согласованием времени обработки информации, включая процедуру ввода-вывода, со скоростью изменения характеристик или параметров объекта.

Систему обработки информации, получающую исходные данные, обрабатывающую их по соответствующей программе и выдающую полученные результаты с такой скоростью, которая обеспечивает своевременную реакцию систему на изменения, происходящие в объекте, определяют как систему, работающую в режиме реального времени.

Реальное время — такой ход процесса, при котором обработка информации УМК осуществляется в соответствии с состоянием управляемого объекта без нарушения устойчивости его работы.

Для работы в реальном масштабе времени требуется знать:

1. Абсолютное время (час, месяц, число, год, минуты, секунды).

2. Дифференцированное или относительное время, которое понимается как интервал времени.

Зная время можно решать задачи:

1. Запуск программы в определенный момент или по истечению определенного времени.

2. Циклический запуск программы через определенный промежуток времени.

3. Установка времени выполнения подпрограммы.

4. Контроль времени выполнения подпрограммы.

Взаимодействие УМК с периферийными внешними устройствами.

Ввод информации с двоичных датчиков..

Самыми простыми в управлении системами являются двоичные датчики, состояние на выходе которых характеризуется двумя состояниями: логическая единица или логический ноль. Конструктивно такие датчики могут быть как бесконтактными, так и с применением механического контакта.

Процедура ожидания замыкания датчика или контакта.

Выход на подпрограмму.

Рисунок 28. Блок-схема процедуры ожидания замыкания датчика.

WAITC: JB P1.3,WAITC.

_ _ _ _ _ _.

Выход на подпрограмму управления.

LCALL CONTROL.

Состояние контакта определяется командой JB, которая возвращает на метку WAITC, если контакт разомкнут. При замкнутом ключе S переход на подпрограмму.

Процедура ожидания размыкания контакта.

Выполняется по аналогичному алгоритму и реализуется командой JNB/.

WAITC: JNB P1.3,WAITC.

_ _ _ _ _ _ _ _.

выход на подпрограмму управления.

Данный вариант опроса соответствует программно управляемому вводу. Если необходима реакция на момент замыкания либо размыкания контакта выход датчика необходимо переключить к внешним кодам прерывания. При этом необходимо согласовать исходное и конечное состояния датчика при переходе с реакцией входа на сигнал перехода.

В некоторых случаях необходима реакция контроллера на импульсный сигнал. В этом случае процессор должен обнаружить как факт появление сигнала так и факт исчезновения. Задача решается путем склеивания двух процедур: ожидание замыкания контакта и ожидание размыкания контакта.

WAITC: JB P1.3,WAITC.

WAITC: JNB P1.3.

Длительность импульса не должна быть меньше времени ожидания в цикле t_и > 2 мкс. Если необходимо зафиксировать положительный импульс эти процедуры необходимо поменять местами.

Отметим, что механические контакты имеют свойство — дребезг, т. е. многократное замыкание и размыкание цепи при нажатии. Т.о. нет четкого перехода из одного состояние в другое.

Существуют следующие способы исключения дребезга контактов:

1. Аппаратный.

2. Программный.

Аппаратными способами являются:

1. Использование интегрирующего конденсатора, который ставится параллельно контактору..

2. Использование триггеров..

Программными способами являются:

1. Подсчет заданного число совпадений сигналов. Состоит в многократном считывании сигнала. Подсчитывание удачных опросов (которые подтверждают надежное замыкание контактов) ведется программным счетчиком. Если после нескольких удачных опросов встречается неудачный, то подсчет начинается заново. Контакты считаются надежно замкнутыми, если последовательно идет N удачных подсчетов, где N = 5 — 100.

вывод.

Рисунок 33. Блок-схема алгоритма подсчета заданного числа совпадений сигналов.

M1: MOV R3,#N — загрузка счетчика.

M2: JB P1.3,M1 — начать счет заново.

DJNZ R3, M2 — проверка окончания цикла.

_ _ _ _ _.

вывод.

2. Использование временной задержки.

Программа, обнаружив первое же замыкание контактов, запрещает опрос его состояния на время заведомо большее переходного процесса.

Рисунок 34. Блок-схема алгоритма использования временной задержки.

M1: JB P1.3,M1.

CALL DELAY1.

_ _ _ _ _.

Выход.

Время задержки подбирается экспериментально, иначе t_ред = 250 мкс.

Опрос группы двоичных датчиков..

Иногда в системах управления контроллер связан не с одним, а с группой датчиков, которые могут быть автономными (логически независимыми) внутренне*** взаимосвязанными, т. е. формирующими единый двоичный код.

В первом случае состояние всех датчиков (если они присоединены к одному порту) читается одной командой в виде байта состояния и записывается в АЗУ, в ячейку с битовым доступом, с последующим анализом отдельных битов.

MOV 20H, P1.

JB 20.0, CONTROL1.

JB 20.1, CONTROL2.

JNB 20.2,.

_ _ _ _ _ _.

Во втором случае контроллер читает состояние датчиков и предает управление на соответствующую подпрограмму в зависимости от принятого двоичного кода. Контроллер должен сравнить принятый код с заданным и в зависимости от результата сравнения перейти на процедуру управления.

а) Использование команды «исключающее ИЛИ» :

M1: MOV A,#CODE — загрузка заданного кода.

XRL A, P1 — сравнение заданного кода с полученным.

Если совпадают сигналы логической единицы «1», или логического нуля «0», то результатом является «0». В других случаях единица.

____.

б) Сравнение вариантов.

M1: MOV A, #CODE.

CJNE A, P1, M1.

Примечание: Число датчиков не должно превышать восьми.

Опрос матрицы датчиков..

Такая задача возникает, когда число датчиков много больше числа входов контроллера.

Рассмотрим подключении е клавиатуры из 64 контактов, подключенных к УМК в виде матрицы 8×8.

P0 — на чтение информации.

P1 — на вывод информации.

Сигнал на выходе порта P1 последовательно сканирует 8 столбцов матрицы активным сигналом логической единицы «1», начиная со старшего разряда P1.7.

Через P0 считывается состояние всех контактов в данном столбце и запоминается в восьми байтовом масштабе с побитовой адресацией.

После завершения сканирования через 8 тактов данный массив АЗУ представляет собой карту текущего состояния всех контактов.

Принципиальная схемы матрицы в каждом узле представляет контакт, включенный последовательно с диодом, все диоды включены параллельно на каждой линии опросов***. При не нажатых контактах состояние линии опроса считывается в виде логического нуля, т.к. каждая линия через резистор 43 кОм присоединена к земле. Все 8 столбцов матрицы присоединены к напряжению питания U_п = +5 В с помощью резисторов R = 4.3 Ом, поэтому замкнутое состояние контакта в любом режиме считывается в виде логической единицы. Последнее выполняется в том случае, если на столбец в котором расположен замкнутый контакт будет подаваться логическая единица с выхода порта P1. На столбцах с логическим нулем замкнутое состояние контакта читается в идее логического нуля. Для предотвращения взаимного влияния нескольких замкнутых контактов на одной линии служат развязывающие диоды.

Блок схема процедуры сканирования..

Буфер матрицы сканирования — область АЗУ, с программно *** битами, где хранятся 64 текущих значения состояния контактов и 64 значения предыдущих значений. Текущее значение адрес 20H — 27H, предыдущее значение — 28H — 2FH.

Рисунок 37. Блок-схема процедуры сканирования.

20.0H.

20.1H.

адрес битов в ячейки 20H.

20.7H.

Маска сканирования - информация, выводящаяся в порт P1 в виде логической единицы в одном из разрядов.

Начальное значение маски:

10 000 000 B.

1 000 000 B.

_________.

1 B.

Указатели буфера матрицы — регистры косвенной адресации R0, R1 для доступа в буфер матрицы.

MOV R0, #20H — инициализация указателей.

MOV R1, #28H буфера матрицы.

MOV A, # R0H — инициализация матрицы сканирования.

SCAN: MOV R1, A — вывод маски.

RR A — сдвиг в право маски.

MOV R2, A — запоминание маски.

MOV A, R0 — чтение линий опроса.

XCH A, @R0 — запись текущего значения.

MOV@, R1, A — запись предыдущего значения.

INC R0 — инкрементация.

INC R1 показателей.

MOV A, R2 — вывод следующего столбца для сканирования.

JNB ACC 7, SCAN — проверка окончания цикла.

Выход (RETI).

Подпрограмма опроса матрицы в большинстве случаев является подпрограммой обслуживания прерывания, которая вызывается при нажатии любой клавиши.

Для запуска процедуры сканирования необходимо все линии опроса через логическую схему 8 («ИЛИ-НЕ») присоединить к входу внешнего прерывания INT0 или INT2.

В этом случае нажатие любой клавиши вызывает появление высокого уровня на любой линии опроса и низкого на входе прерывания INT. Контроллер начинает обрабатывать данные уровня прерывания, начиная с вектора данного уровня, на котором записан адрес перехода на начало процедуры сканирования.

0003H LJMP SCAN для защиты от дребезга контактов матрицы необходимо в начало процедуры SCAN записать один из вариантов защиты.

Бесконтактные двоичные датчики..

Бесконтактные двоичные датчики используются с целью получения информации о пороговых значениях некоторых физических величин (температуры, тока, напряжения, величины магнитной индукции***).

Все физические величины являются непрерывными функциями времени поэтому в качестве чувствительного элемента данной физической величины используются датчики аналогового типа к выходу которых присоединяется компаратор для получения пороговой (двоичной) функции.

ЧЭ — чувствительный элемент.

Фильтр — для подавления помех.

Усилитель — для получения нормированного сигнала.

Бесконтактный пороговый датчик температуры..

В качестве чувствительного элемента используются термопары, терморезисторы, полупроводниковые температурные датчики.

Схема использования терморезистора с ТКЕ..

Измерение температуры производится путем изменения сопротивления резистора R2, входящего в плече делителя напряжения R1 — R2. Сравнение измеряемой величины с опорной производится с помощью компаратора на не инверсный вход которого подано опорное напряжение, определяемое делителем R3 — R4, на инверсный вход измеряемое от делителя R1 — R2. При достижение значения напряжения измеряемого больше напряжения опорного, U_изм > U_оп, состояние компаратора с логической единицы сменяется логическим нулем.

Схема измерения порогового значения тока с помощью токового шунта.

Токовый шунт это калиброванное сопротивление, падение напряжения на котором пропорционально падению тока. Как правило, R_ш очень мало.

U_ш I_dU_Ш= I_d*R_ш,.

R_ш где I_d=100 А; U_Ш= 75 мВ при I_d= I_ном.

R_ш включено в схему уравновешенного моста, образованного резисторами R₁ ч R₄.

Выходное напряжение моста подается на операционный усилитель, которое усиливается до необходимой величины. На выходе усилителя напряжение сравнивается с опорным на входе компаратора.

Рисунок 42. Схема измерения порогового значения тока с помощью токового шунта.

Если I_d < I_{d пор}, то U_вых ="1″ .

Если I_d? I_{d пор}, то U_вых ="0″ .

Недостаток схемы: измерительная цепь, в которую включен измерительный шунт, оказывается под высоким напряжением. При попадании в измерительную цепь нулевого потенциала сети она сгорает.

По аналогичной схеме можно построить пороговый датчик измерения напряжения, где часть измеряемого напряжения с помощью делителя R_{1 -} R₂ подается на вход компаратора, где сравнивается с опорным напряжением.

Рисунок 43. Схема порогового датчика измерения напряжения.

Если U'_d < U_оп, то U_вых ="1″ .

Если U'_d? U_оп, то U_вых ="0″ .

Датчик состояния силовых полупроводниковых ключей.

При управлении силовыми полупроводниковыми преобразователями необходима информация о состоянии силовых ключей, о соответствии этого состояния управляющим сигналам.

Закрытому состоянию ключа соответствует высокое напряжение между анодом и катодом, открытому — остаточное напряжение, равное (1,5ч2,5) В.

Рассмотрим работу датчиков состояния на примере двух последовательно включенных тиристоров в одном плече преобразователя.

Рисунок 44. Датчик состояния силовых ключей с двумя последовательно включенными тиристорами в одном плече преобразователя.

Определение состояния ключей VS1 и VS2 производится с помощью двух оптронных пар U1 и U2, которые состоят из светодиода и составного фототранзистора.

В закрытом состоянии высокий потенциал на аноде тиристоров, равный Ud/2, определяет прямой ток включения светодиодов оптронов. Этот прямой ток равен (10ч20) мА. Для получения этого тока подбираются R1 и R2 таким образом, чтобы.

При отпирании светодиода открывается фототранзистор и на выходе имеем низкий уровень: Uвых1= Uвых2= «0» .

В открытом состоянии между анодом и катодом тиристоров VS1 и VS2 есть напряжение Uостаточное= (1,5ч2,5) В. При таком напряжении светодиоды и светотранзисторы закрыты: Uвых1= Uвых2= «1» .

Чтобы на обоих выходах были «0» или «1», нужно поставить логический элемент «исключающее ИЛИ» .

Оптические бесконтактные датчики.

Оптические бесконтактные датчики выполняются на основе оптронных пар типа фотодиод-светодиод или светодиод-фотодиод с открытым оптическим каналом.

Рисунок 45. Оптический бесконтактный щелевой П-образный датчик.

Рисунок 46. Простейшая схема фотодатчика.

Рисунок 47. Схема применения фотодатчика.

Принцип работы схемы:

Изменение освещенности фотодиода VD2 приводит к изменению ЭДС, которая усиливается операционным усилителем. Для придания сигналам прямоугольного вида выходной импульс операционного усилителя пропускается через компаратор.

Бесконтактные датчики на основе элементов Холла.

Элемент Холла - это магниточувствительный датчик, представляющий собой сложную полупроводниковую структуру с четырьмя выводами.

Рисунок 48. Датчик Холла.

Принцип работы датчика:

Если через токовые выводы, расположенные на разных концах, пропустить ток определенной величины, то при действии магнитного поля силовые линии индукции, которые направлены перпендикулярно плоскости кристалла, на второй паре выводов возникает ЭДС Холла, прямо пропорциональная величине индукции.

Вольт-веберная характеристика (ВВХ) такого датчика имеет вид:

Ех = (0,5ч0,6) В на 1 Тл; Iр до 10 мА.

Бесконтактные датчики на основе элементов Холла применяются в качестве первичных датчиков в датчиках тока, напряжения, датчиков угла поворота и частоты вращения, в качестве бесконтактных концевых выключателей и т. д.

Принцип построения двоичного датчика с элементом Холла.

Рисунок 49. Структурная схема двоичного датчика с элементом Холла.

В структурную схему входят элемент Холла, дифференциальный усилитель, компаратор с гистерезисом и выходной каскад в виде транзистора с открытым коллектором.

Конструктивно такие датчики выпускаются в виде микросхемы с тремя выводами в пластмассовом корпусе стандартного маломощного транзистора.

В зависимости от реакции на воздействие внешнего магнитного поля датчики разделяют на униполярные и биполярные.

Униполярные датчики - это датчики, в которых уровень выходного напряжения зависит от индукции одного знака и направления.

Биполярные датчики - это датчики, в которых уровень выходного напряжения зависит от величины и направления индукции.

а) б).

Рисунок 50. а) Вольт-веберная характеристика униполярного датчика.

б) Вольт-веберная характеристика биполярного датчика.

Рабочие характеристики бесконтактных датчиков на основе элементов Холла.

Выход таких датчиков легко согласуется с ТТЛ логикой и логикой КМОП.

Многие типы таких датчиков выпускаются в виде законченной конструкции для использования в датчиках частоты вращения, угла поворота, положения и т. д. Такая конструкция имеет вид П-образной системы: с одной стороны размещен датчик Холла, а с другой постоянный магнит. Это щелевые датчики.

П-образная магнитная система представлена на рисунке:

Рисунок 51. Датчик Холла в качестве щелевого датчика Если зазор большой, то индукция рассеивания маленькая. Поэтому датчик Холла не сработает. Но если в зазор поместить магнитопровод, то зазор уменьшится, соответственно, значение индукции увеличится и датчик Холла сработает.

Датчики аналоговых сигналов.

Выходной сигнал аналоговых датчиков перед вводом в контроллер требует преобразования из аналогового вида в цифровой. Эту задачу выполняют специальные блоки — АЦП. На вход подается непрерывная функция Uвыхmax = Uвхmax = 5 В, на выходе двоичный код.

Существует множество АЦП, которые различаются:

1) По способу исполнения АЦП бывают автономными — в виде отдельной микросхемы и встроенными в микроконтроллер.

В автономных кроме выходных сигналов АЦП к контроллеру подключается несколько линий управления режимом работы АЦП. Для работы такого АЦП нужна специальная программа.

Управление встроенным АЦП осуществляется на уровне специализированных регистров управления.

2) По принципу преобразования АЦП бывают последовательного счета (последовательные АЦП) и поразрядного кодирования (параллельные АЦП).

3) По быстродействию АЦП бывают:

· Сверхбыстродействующие (10 нсч100 нс).

· Быстродействующие (100 нсч10 мкс).

· Относительно медленные (10 мксч100 мкс).

4) По погрешности преобразования. Она зависит от разрядности выходного двоичного кода.

АЦП последовательного счета или последовательный АЦП.

Рисунок 52. Структурная схема последовательного АЦП.

Принцип работы последовательного АЦП состоит в сравнении выходного напряжения с последовательно нарастающим ступенчатым эталонным напряжением U_э (t), которое представляет собой сумму квантов напряжения (величина U определяет погрешность преобразования). Ступенчатое U_э формируется двоичным счетчиком СТ и ЦАП. Состояние счетчика СТ последовательно изменяется с момента установки в нулевое состояние при подаче импульса «пуск», который одновременно через логику «И» разрешает подачу тактовых импульсов на вход счетчика. На выходе D0чD7 формируется последовательно нарастающий двоичный код, который с помощью ЦАП превращается в ступенчатое нарастание эталонного напряжения U_э (t). В момент совпадения U₂ (t) = NU с входным напряжением в пределах U срабатывает компаратор, который останавливает работу счетчика путем перевода триггера в нулевое состояние t_{преобраз}= t_стоп-t_пуск перемененной волной, зависящей от мгновенного значения входного напряжения (считается, что мгновенное напряжение на интервале преобразования не изменяется). Погрешность преобразования зависит от величины U, которое зависит от числа разрядов счетчика и погрешности преобразования АЦП. Диапазон преобразования также определяется разновидностью счетчика и АЦП.

Недостатки последовательного АЦП: большое время преобразования, зависящее от быстродействия счетчика АЦП и входного напряжения.

При величине времени переключения счетчика и ЦАП t:

t_{преобраз}= t (2 ⁿ-1).

Достоинства последовательного АЦП: простота схемы.

АЦП поразрядного кодирования или параллельный АЦП.

Рисунок 53. Структурная схема параллельного АЦП Принцип работы параллельного АЦП состоит в сравнении входного напряжения, которое подается одновременно на все неинвертированные входы компаратора с величиной опорного напряжения, которое с помощью цепочки резисторов, делителя опорного напряжения подключено к неинвертирующим входам компаратора и ступенчато нарастает с увеличением индекса компаратора. Величина U для компаратора равна:

По порогу срабатывания выбирается величина U (для первого индекса — 2; для второго — 0.5U и т. д.).

Так как каждый компаратор срабатывает только от своего уровня, то при подаче входного напряжения одновременно срабатывает несколько компараторов, начиная с нулевого и заканчивая тем, для которого Uвх= Uоп в пределах величины U, для преобразования информации на выходе компаратора в стандартный двоичный код, соответствующий «1» в старшем разряде кода на выходе компаратора. Т.к. все компараторы срабатывают одновременно, то параллельный АЦП обеспечивает максимальное быстродействие: время преобразования 10 мксч100 мкс.

Рисунок 54. АЦП последовательного типа К113ПВ1 в корпусе DIP20. Число разрядов — 10 (максимальное быстродействие 30 мкс) В старших разрядах АЦП подключен к порту Р1. Разряды D0 и D1 заземляются через резисторы, вход АЦП Г/П (гашение) в начале преобразования подключен к разряду Р3.0, выход Г/D АЦП (готовность) данных подключен по входу прерывания INT0. Контроллер по выходу Р3.0 формирует импульс пуска длительностью t_и= 2 мкс. Передний фронт этого импульса гасится предыдущим состоянием счетчика, а срезом запускается процесс преобразования. По окончании преобразования АЦП на вход Г/D формирует сигнал низкого уровня, который подается на вход прерывания INT0. Чтение данных на выходе АЦП осуществляется процедурой прерывания INT0.

Вариант программы:

Вывод аналоговых данных.

Для преобразования цифровых данных, поступающих в порт контроллера, в аналоговый сигнал, который может быть использован для управления исполнительными устройствами, работающими по аналоговому принципу, используются функциональные блоки, называемые ЦАП.

ЦАП воспринимает двоичный код, подаваемый на его вход, и вырабатывает на своем выходе ток или напряжение, пропорциональные значению двоичного кода.

В основе принципа работы ЦАП лежит схема с использованием инвертирующего операционного усилителя в режиме суммирования токов матрицы двоично взвешенных резисторов. Матрица резисторов выполняет функцию преобразования код — ток, а операционный усилитель преобразует выходной ток матрицы в выходное напряжение.

Рисунок 55. Суммирующий усилитель Выходное напряжение суммирующего усилителя можно найти по формулам:

если в схеме есть элемент (—-).

Рисунок 56. Четырех разрядный ЦАП (n=4).

Четырех разрядный ЦАП характеризуется:

1. Коэффициентом усиления:

2. Коэффициентами по разрядам:

— по нулевому разряду;

— по первому разряду;

— по второму разряду;

— по третьему разряду.

Z _(s0) чZ _(s3) — определяют состояние ключа: «0» — ключ разомкнут, «1» — ключ замкнут.

При изменении состояния Z ключей.

0001,.

…

Конструктивно ЦАП выполняются в виде микросхем, в которых находится резистивная матрица и коммутирующие ключи на КМОП-транзисторах. Внутри микросхемы располагается и резистор обратной связи R_ос.

Рисунок 57. Матрица типа R — 2R.

Значение величин резисторов отличается друг от друга в 2 раза. Изготовить матрицу с двоично взвешенными резисторами заданной точности по интегральной технологии очень сложно, поэтому на практике применяется матрица, в которой два номинала резисторов с более сложной схемой коммутации.

Рисунок 58. Схема К572ПА1.

Датчики аналоговых сигналов.

Рисунок 59 — Структура датчика аналогового сигнала.

U_ВЫХ=f (Входная величина).

I_ВЫХ=f (Входная величина).

Датчик постоянного тока.

В качестве ЧЭ используется токовый шунт.

Рисунок 60 — Схема датчика постоянного тока.

R1 C1 — входной фильтр низкой частоты.

При I_ном, U_ном=75 мВ.

К_у=R3/R2, K_у=5B/U_{ш (max),} U_{вых (max)} =U_{ш (max)} •K_у=5 В.

К_у выбирается таким образом, чтобы получить максимальное выходное напряжение 5 В.

Выбор типа операционного усилителя.

Так как усилитель работает в схеме усиления однополярного сигнала и включен по схеме с однополярным питанием, то необходимо применять операционный усилитель типа «rail to rail», т. е. с полным размахом выходного напряжения, равного напряжению питания, и с величиной входного напряжения, равного напряжению питания.

Недостатки датчика: общая точка питания схемы потенциально связана с силовой цепью, в которую включен шунт, поэтому обычно для передачи сигнала к контроллеру используется гальваническая развязка.

Датчик постоянного напряжения.

В качестве ЧЭ используется делитель напряжения.

Рисунок 61 — Схема датчика постоянного напряжения.

Схема состоит из входного делителя напряжения R1-R4, который при большой величине U_d делается многозвенным в верхнем плече с целью снижения падения напряжения на отдельном элементе.

Величина U_d' выбирается не больше напряжения питания операционного усилителя.

R5-C1 — фильтр низких частот, после которого ставится операционный усилитель в режим повторителя напряжения.

Недостаток схемы: потенциальная связь с силовой схемой.

Стандартные датчики тока и напряжения.

В качестве таких датчиков в настоящее время используются бесконтактные датчики на элементах Холла для измерения постоянного тока и напряжения.

Датчик тока состоит из замкнутого кольцевого или прямоугольного магнитопровода, в зазоре которого располагается элемент Холла. Магнитопровод выполняет роль концентратора магнитного поля, которое создается вокруг шины с током, помещенной в окне магнитопровода.

Сигнал датчика Холла устанавливается дифференциальным операционным усилителем.

Концентрация датчика обеспечивает полную гальваническую развязку измерительной и силовой цепей. Для этого магнитопровод заливается изолирующим компаундом. Токовые датчики выпускаются на токи 50Ач2кА.

ДИТ-50.

I_изм=0ч500 А.

U_вых=0ч5 В.

Р_{потребл}=3 Вт.

f=0ч50 кГц.

tє= (-50 ч +80) Сє.

U_пит=±15 В.

Диаметр шины — 20 мм.

Датчики напряжения на основе элементов Холла.

Датчик напряжения имеет первичную обмотку W1 с большим числом витков, которая подключается к измеряемой цепи U_d. Ампервитки обмотки создают магнитное поле, которое измеряется элементом Холла.

Электрические параметры таких датчиков аналогичны токовым. Диапазон измеряемых напряжений: U_d = 0ч1 кВ.

Датчики магнитной индукции.

В качестве первичного ЧЭ используются магниторезисторы, магнитодиоды, элементы Холла.

Измеритель индукции с магнитодиодами.

Рисунок 64 — Схема измерителя индукции с магнитодиодами.

Магнитодиоды VD1, VD2 — KD303Ж включены в уравновешенный мост, образованный R1, R2, R3 и VD1, VD2. Мост симметрируется резистором R1 таким образом, чтобы в отсутствии магнитного поля выходной сигнал был равен нулю.

Сигнал с диагонали моста усиливается дифференциальным операционным усилителем (К_у = R5/R4 = 100).

U_вых = f (B).

При этом в качестве измерителя используется только один диод.

Коммутаторы аналоговых и цифровых сигналов.