99014

Система автоматического контроля уровня жидкости

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Внедрение этих микроконтроллеров в системы автоматического контроля уровня жидкости привело до простейшего подключения датчика к запрограммированному контроллеру. 100Э1 и состоит из следующих блоков: - датчика - пульта управления - преобразователя напряжения - световой индикации - цифровой индикации - микроконтроллера - электронного ключа -двигателя насоса Система автоматического контроля САК предназначена для автоматического контроля уровня жидкости сведения о которой необходимы при управлении объектом. Датчик уровня жидкости отслеживает...

Русский

2016-07-22

146.26 KB

1 чел.

 Введение

Корпорация Atmel (США) хорошо известна как на мировом, так и на российском рынках электронных компонентов и является одним из признанных мировых лидеров в разработке и производстве сложных изделий современной микроэлектроники - устройств энергонезависимой памяти высокого быстродействия и минимального удельного энергопотребления, микроконтроллеров общего назначения и микросхем программируемой логики. Сейчас Atmel удерживает первое место в мире по производству микросхем параллельной и последовательной EEPROM, лидирует в производстве Flash - микроконтроллеров общего назначения и входит в первую пятерку по производству EPROM, микросхем Flash - памяти и заказных СБИС класса ASIC. Возможность комбинирования нескольких типов электронных ячеек на одном кремниевом кристалле вывела Atmel на новый качественный уровень, позволив целенаправленно ориентировать свою продукцию на требуемые сегменты рынка.              

Микроконтроллеры AVR включают: таймеры-счётчики, широтно-импульсные модуляторы, поддержку внешних прерываний, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный АЦП, параллельные порты (от 3 до 48 линий ввода и вывода), интерфейсы UART и SPI, сторожевой таймер и устройство сброса по включению питания. Все эти качества превращают AVR-микроконтроллеры в мощный инструмент для построения

современных, высокопроизводительных и экономичных контроллеров различного назначения.

В рамках единой базовой архитектуры AVR-микроконтроллеры подразделяются на три подсемейства:

Classic AVR — основная линия микроконтроллеров с производительностью отдельных модификаций до 16 MIPS, FLASH ROM программ 2–8 Кбайт, ЕEPROM данных 64–512 байт, SRAM 128–512 байт;

mega AVR с производительностью 4–6 MIPS для сложных приложений, требующих большого обьёма памяти, FLASH ROM программ 64–128 Кбайт, ЕEPROM данных 64–512 байт, SRAM 2–4 Кбайт, SRAM 4 Кбайт, встроенный 10-разрядный 8-канальный АЦП, аппаратный умножитель 8ґ8;

tiny AVR — низкостоимостные микроконтроллеры в 8-выводном исполнении имеют встроенную схему контроля напряжения питания, что позволяет обойтись без внешних супервизорных микросхем.

Внедрение этих микроконтроллеров в системы автоматического контроля  уровня жидкости привело до простейшего подключения датчика к запрограммированному контроллеру. Простота и дешевизна этого способа, приводит к повсеместному внедрению, путем модернизации датчиков и простоты программирования через ПК или кнопочную станцию. Многочисленные преимущества дают положительный эффект во внедрение новшеств в огромную сферу автоматизационных

процессов.


1 Разработка структурной схемы

Схема электрическая структурная представлена в графической части курсового проекта БККП.023609.100Э1 и состоит из следующих блоков:

- датчика

- пульта управления

- преобразователя напряжения

- световой индикации

- цифровой индикации

- микроконтроллера

- электронного ключа

-двигателя насоса

Система автоматического контроля (САК) предназначена для автоматического контроля уровня жидкости, сведения о которой необходимы при управлении объектом.

Датчик уровня жидкости отслеживает изменение уровня жидкости и преобразует его в электрический сигнал, усиленный до уровня  удобного для микроконтроллера.

Сигнал с датчика в микроконтроллере принимает аналого-цифровой преобразователь (АЦП). На АЦП сигнал из аналоговой величины преобразуется в двоичный код.

Результаты преобразования записываются в регистр 2, который является хранилищем для текущего результата измерения. С регистра 2  данные попадают на систему выбора

режима, а затем непосредственно на  вход дешифратора, который передает свой преобразованный сигнал на цифровую индикацию. Тем самым оператор может наблюдать за уровнем жидкости контролируемого объекта на данный момент времени, и этим контролируя его.

Перед началом работы на микроконтроллер подается сигнал об уровне жидкости, который не должен превышать  заданных параметров (25…250мм). Информации о заданном уровне попадает в регистр 1.

Информация с регистров попадает на компаратор, где происходит сравнение двух величин, и в случае превышения заданного уровня сигнал с компаратора попадает на световую сигнализацию.

В проектируемом устройстве измерительным элементом является  ультразвуковой датчик расстояния, предназначенный для точного измерения уровня жидкости. Цифровая трехразрядная индикация представленная индикатором АЛС324А и выдает визуальную информацию об уровне жидкости контролируемого объекта.  В качестве контролирующего элемента, в состав которого входит АЦП, ОЗУ, компаратор, система выбора режима  и дешифратор выступает микроконтроллер классического семейства AVR AT90S2313 −̶  экономичный 8−миразрядный микроконтроллер с поддержкой внутрисистемного программирования.

В качестве электронного ключа используется симисторная

оптопара.

Питание на систему подается при помощи АС-DC преобразователя Chinfa серии KAD07, с двумя выходами (+5В и +12В) и общим минусом, оптимально подходящим для  питания микроконтроллера и датчика. Световая сигнализация представлена светодиодом АЛ303АМ.

2 Разработка электрической принципиальной схемы

Схема электрическая принципиальная представлена в графической части курсового проекта БККП.023609.100Э3. Проектируемая система позволяет контролировать уровень жидкости.. Работа системы приводиться в действие замыканием тумблера SА1. Задающим устройством являются кнопки SB1, SB2, SB3, которые непосредственно соединены с входами микроконтроллера AT90S2313, соответственно PD3- PD5. Путем нажатия, а затем удерживания  кнопок устанавливаем необходимую величину, которая в  последствии записывается в оперативную память микроконтроллера. При включении микроконтроллера в сеть в нем срабатывает функция автоматического сброса.

Датчик фирмы Honeywell серии 943-K4U обладает большим пределом измерения 25…250мм, бесконтактно измеряет и контролирует уровень жидкости. В последствии  эта информация поступает на вход микроконтроллера.  Аналоговый сигнал преобразуется с помощью встроенного АЦП в дискретный (цифровой код), после поступает в регистр памяти, и храниться до прихода сигнала сравнения. Цифровая трехразрядная индикация подключена к выводам PB0-PB6  и  PD0-PD2 микроконтроллера. На ней можно наблюдать текущее значение уровня жидкости контролируемого объекта. В качестве цифровой индикации используются семисегментные индикаторы с общим катодом АЛС324А.

Схема питается от источника питания 220 В с промышленной частотой 50 Гц. Однако непосредственно для питания элементов схемы используется напряжение меньшего уровня. Чтобы обеспечить такое питание в схеме используется   АС-DC преобразователь Chinfa серии KAD07 с выходным напряжениями 5В и 12В.  Он обладает следующими параметрами:

Гальваническая развязка вход-выход.

Электрическая прочность изоляции вход/выход: 3000 В AC

Низкий уровень шумов на выходе

Защита от короткого замыкания

Рабочий температурный диапазон: -40…+71 °С

Высокий КПД (до 80%)

Параметры микроконтроллера: Напряжение питания  2,7-6В, ОЗУ   128 байт, тактовая частота от 0 до 12 МГц, 2 Кбайт Flash- памяти с поддержкой внутрисистемного программирования, EEPROM       128 байт электрически стираемой энергонезависимой памяти, PWM       116 бит, корпус DIP-20.

Параметры датчика: Uп = 5В, температура контролируемой среды от - 25 до + 70 °C, плотность контролируемой среды           от 600 до        1500 кг/м3,  пределы изменения атмосферного давления от 84 до 106,7 кПа.

3 Расчетная часть

3.1 Расчет питающего ключа цифровой индикации

HG1

DD1

  R17

VT1

Рисунок 1 – Рассчитываемая схема

Порядок расчета

В качестве устройства цифровой индикации выбираем семисегментный индикатор АЛС324А, со следующими параметрами:

Uпр  = (при Iпр=25мА)=2,5В;

  Iпр= (при Т-60…+35)=25мА

Найдем коллекторный ток  Iк на транзисторе

                              Iк = 7 * Iпр; (1)                                                                    

                              Iк = 7 * 25 = 175мА

Выбираем транзистор с коллекторным током  Iк не менее   200 мА.

Подходящим является  КТ345А   с максимальным коллекторным током  Iкmax  равным 200мА со следующим параметрами:

h21э=20;

Uкэнас=0,3В;

Uбэ=1В;

Найдем сопротивление резистора  R17

                             R17 = (U1вых - Uбэнас) / Iб ,                         (2)

где   U1вых – напряжение логической единицы, В;

       Uбэнас – напряжение насыщения база-эмиттер, В;

       Iб – ток базы, мА

                               Iб = 1,3*( Iк / h21эmin ), (3) 

где  Iк – ток коллектора, мА;

       h21эmin – коэффициент передачи по току

                     Iб = 1,3*( 200 / 20 ) = 13 мА;

     R17 = (4,5 – 1) / 0,013 = 270Ом

 Из справочника резисторов выбираем резистор С2-33 со следующими параметрами:

С номинальной мощностью 0,125Вт

С диапазоном номинальных сопротивлений от 1 Ом до 1кОм

3.2 Расчет резистора ограничивающего ток сегмента индикатора

DD1

HG1

  R8

  R17

VT1

Рисунок 2Рассчитываемая схема

Расчет резистора R8 производится по формуле

        

                           R8=( U1выхUпрнас-UкэнасVT1)/(IпрHG1),         (4)                   

          

где  U1вых – напряжение логической единицы, В;

       Uпрнас–прямое падение напряжение на светодиоде индикатора, В;

       UкэнасVT1–напряжение на транзисторе VT1 между коллектором и эмиттером, В;

       IпрHG1 - ток одного сигмента индикатора

         R8= (4,5-2,5-0,3)/(25*10-3) =68 Ом

Из справочника резисторов выбираем резистор С2-33 со следующими параметрами:

С номинальной мощностью 0,125Вт

С диапазоном номинальных сопротивлений от 1 Ом до 1кОм

3.3 Расчет резистора R1

+12 В

R1

BR1

Рисунок 3Рассчитываемая схема

Расчет резистора R1 производится по формуле

                                    R1=UпитDD1/ImaxBR1,                                    (5)

где  UпитDD1 – напряжение питания микроконтроллера, В;

        ImaxBR1–максимальный выходной ток датчика, А

R1=5/100*10-3=50 Ом,

Из справочника резисторов выбираем резистор С2-33 со следующими параметрами:

С номинальной мощностью 0,125Вт

С диапазоном номинальных сопротивлений от 1 Ом до 1кОм


      4 Расчет габаритов печатного узла

Для определения площади  печатной платы и выбора размеров корпуса системы автоматического контроля, находим суммарные установочные площади малогабаритных, среднегабаритных и крупногабаритных радиоэлементов. Для этого необходимо знать габаритные размеры каждого типа элементов.

Таблица 1 Габаритные размеры элементов

Обозначение

   элемента

    Тип

элементов

                          

Габаритные

размеры, мм

Коли- чество

элементов

Установочная

площадь, см2

1

2

3

4

5

С1,С2,

С4–С6

К50-16-10мкФ20%

12×17

5

10,2

С3

К10-17-H90-0,015мкФ20%

19×23

1

4,37

DD1

AT90S2313

13×11

1

1,43

HG1 HG3

АЛС324А

10,2×19,5

3

5,967

HL1

АЛ303AМ

5×8

1

0,4

R3– R6

С2-33 -0,125-270Ом

2,26

4

0,528

R14- R16

С2-33 -0,125-270Ом

2,26

3

0,396

R7-R13

С2-33 -0,125-68Ом

2,26

7

0,924

R1

С2-33Н-0,125-50Ом

2,26

1

0,132

R2

С5-5 -3,4-15кОм

6×20

1

1,2

VT1-VT3

КТ345А

5×7

3

1,05

ZQ1

РК169

0,5×1

1

0,5

1

2

3

4

5

ЭК

M0544.ZD3

38,5×28,7

1

11,05

Продолжение таблицы 1

Согласно данным приведенным в таблице 1, рассчитываем площадь монтажной зоны:

                    Sмз = 4∙ Sмг + 3∙ Sсг +1,5∙ Sкг                                    (6)                                                                              

где  Sмз – площадь рассчитываемой монтажной зоны,см2;

    Sмг – суммарная площадь занимаемая малогабаритными радиоэлементами,см2;

    Sсг – суммарная площадь занимаемая среднегабаритными радиоэлементами,см2;

     Sкг – суммарная площадь занимаемая крупногабаритными радиоэлементами,см2

Sмз =  4*(0,528+0,396+0,924+0,132+0,4+1,05+0,5+)+

+3*(0,437+1,2+0,816+0,682+1,43)+1,5*(5,967+11,05) =

=55см²

         Таким образом, площадь монтажной зоны платы не должна быть меньше 55 см².

5 Разработка конструкции

Схема общего вида представлена в графической части курсового проекта БККП.023609.100 ВО

При разработке конструкции необходимо учитывать следующие основные требования:

-Конструкция устройства должна соответствовать условиям эксплуатации

-Устройство и его детали не должны быть перегружены при работе от воздействия на них токовых, вибрационных, температурных и прочих нагрузок. Допустимые значения элементы приборов должны выдерживать в течение определенного времени при условии безотказной работы.

Большая часть деталей смонтирована на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Ее укрепляют внутри корпуса, где размещают также источник питания. Органы управления устройством находятся на лицевой панели корпуса, такие как тумблер “сеть”, предохранители, световая сигнализация, цифровая индикация, кнопки.

Система автоматического контроля помещена в корпус фирмы Bopla модели NGS-96 c габаритными размерами  96х96х63 из пластика. На передней панели размещены: светодиод, цифровая индикация и кнопочные модули.

 Тумблер Л2Т-1-1 имеет только два положения: “включено” –

положение тумблера вверх, “выключено” – положение тумблера вниз. На задней стенке корпуса крепится клеммная колодка для подключения преобразователя, датчика , двигателя насоса к электрической сети 220 В 50 Гц.

Печатный узел крепится к корпусу с помощью четырёх винтов М3-1,5 ГОСТ17473-72, которые врезаются через плату в выступы корпуса. Эти выступы изготавливаются литьём вместе с корпусом.

АС-DC преобразователь Chinfa серии KAD07 крепится к боковой стенке корпуса при помощи 4 винтов М3-1,5    ГОСТ17473-72.


Заключение

В данном курсовом проекте разрабатывалась система автоматического контроля  уровня жидкости, которая будет контролировать уровень жидкостей разных сред, выводить информацию в цифровом виде, что позволит получить точные данные в удобной для оператора форме. В ходе разработки производился расчет параметров заданных устройств в частности расчет питающего ключа цифровой индикации, расчет резистора ограничивающего ток сегмента индикатора, расчет резистора R14. Кроме того, осуществлялся расчет габаритов печатного узла. Все элементы системы широко используются и легкодоступны в приобретении.

При правильной эксплуатации и соблюдений правил электрической безопасности прибор не представляет опасности для жизни.


Список использованных источников

  1.  Промышленная электроника и микроэлектроника: Галкин В.И., Пелевин Е.В. Учеб. – Мн.: Беларусь. 2000 – 350 с.: ил.
  2.  Платы печатные. Технические требования ТТ600.059.008
  3.  Правила выполнения электрических схем ГОСТ 2.702-75
  4.  Основы автоматики / Е.М.Гордин – М.: Машиностроение, 1978 – 304стр.
  5.  Полупроводниковые приборы: Справочник / В.И.Галкин, А.А. Булычёв, П.Н.Лямин. – Мн.: Беларусь, 1994 – 347
  6.  Справочник по полупроводниковой электронике (Под ред. Л.П.Хантера: сокращ. перевод с англ.) С.Я. Щаца и И.И.Литвинова. - М.: Машиностроение.
  7.  Диоды: Справочник О.П.Григорьев, В.Я.Замятин, Б.В.Кондратьев, С.Л.Пожидаев. Радио и связ, 1990.
  8.  Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ. Н.М.Акимов, Е.П.Ващуков, В.А.Прохоренко, Ю.П.Ходоренок. - Мн.: Беларусь, 1994.
  9.  Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ. Н.М.Акимов, Е.П.Ващуков, В.А.Прохоренко, Ю.П.Ходоренок. - Мн.: Беларусь, 1994.
  10.  Полупроводниковые приборы: Справочник В.И.Галкин, А.Л.Булычев,  П.М.Лямин. - Мн.: Беларусь, 1994.
  11.  Каталог фирмы  Atmel , Avr.
  12.  Каталог датчиков и преобразователей
  13.  Интернет ресурсы www.tirs-spb.ru, www.dacpol.ru, www.gaw.ru, www.electroengineer.ru, www.atmel.com,    www.avr.ru

БККП.023609.000ПЗ

БККП.023609.000ПЗ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8720. Человеческая деятельность, ее многообразие 39.5 KB
  Человеческая деятельность, ее многообразие. Вариант 1 Деятельность - это форма активности человека, направленная на преобразование им окружающего мира. Структуры деятельности: Объект - это то на что направлена деятельность. Субъек...
8721. Многообразие деятельности 25 KB
  Многообразие деятельности Со второй половины XIX века, когда было признано, что человек - продукт биологической эволюции, центральным для всей теории развития человека как живого существа стал вопрос об основном отличии людей от высокоорганизов...
8722. Деятельность и общение 32.5 KB
  Деятельность и общение. Вариант 1 Деятельность - это форма активности человека, направленная на преобразование им окружающего мира. Общение - это процесс обмена информацией между равноправными субъектами деятельности. Виды общения...
8723. Социальные нормы и отклоняющееся поведение 40.5 KB
  Социальные нормы и отклоняющееся поведение. Вариант 1 Социальные нормы - это установленные в обществе правила, образцы, эталоны поведения людей, регулирующие общественную жизнь. Виды социальных норм: Нормы морали - это т...
8724. Познание, истина и ее критерии 52 KB
  Познание, истина и ее критерии. Вариант 1 Познание - это процесс деятельности человека, основным содержанием которой является отражение объективной реальности в его сознании, а результатом - получение нового знания об окружающем мире. Виды...
8725. Научное познание. Значение научной теории 48 KB
  Научное познание. Значение научной теории. Вариант 1 Наука - это форма человеческого познания. Наука - теоретически систематизированные взгляды на окружающий мир, воспроизводящие его существенные стороны в абстрактно-логической форме...
8726. Ненаучное познание 40 KB
  Ненаучное познание Вариант 1 Миф - древнее народное сказание о богах, легендарных героях и явлениях природы. Попытка объяснения прошлого, настоящего, и будущего. Утверждалась система правил и ценностей, принятых в данном обществе. Служили спосо...
8727. Особенности социального познания. Конкретно-исторический подход к социальным явлениям 48.5 KB
  Особенности социального познания. Конкретно-исторический подход к социальным явлениям Вариант 1 Познание - процесс деятельности человека, основным содержанием которого является отражение объективной реальности в его сознании, а результатом
8728. Социальная структура. Тенденции изменения социальной структуры российского общества 47 KB
  Социальная структура. Тенденции изменения социальной структуры российского общества Вариант 1 Социальная (стратификационная) структура - расслоение и иерархическая организация различных слоев общества, а также совокупность институтов и отношений меж...