99046

Система автоматического контроля на микроконтроллере AVR ATMega48

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Выбор микроконтроллера Микроконтроллер AVR ATMega48 обладает следующими параметрами: Высококачественный низкопотребляющий 8- битный AVR микроконтроллер Передовая RISC архитектура - 130 команд большинство которых выполняется за один тактовый цикл - 32 8 битных рабочих регистра общего применения - Полностью статическая архитектура - производительность до 16 MIPS при тактовой частоте 16 МГц - встроенный двухцикловый умножитель Энергонезависимая память программ и данных - 4 8 16 КБ внутрисистемно программируемой Flash...

Русский

2016-07-29

172.5 KB

0 чел.

TIME \@ "H:mm" 17:14 TIME \@ "H:mm" 17:14

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………

 

1 Разработка структурной схемы…………………………………………

2 Разработка электрической принципиальной схемы…………………..

3 Расчетная часть………………………………………….………………

3.1 Расчет твердотельного реле……………………………………

3.2 Расчет предохранителя………………………….………………

3.3 Расчет резистора на выходе датчика ПД100-ДИ.……………..

4 Разработка конструкции……………………………………………….

Заключение……………………………………………………………….

Список использованных источников…………………………………...


Введение

Развитие и совершенствование ИМС позволило перейти от громоздких аналоговых схем управления к более современным, простым и дешевым цифровым устройствам – микроконтроллерам. Включая в себя большое количество реализуемых функций, они позволяют управлять системами самой разной направленности, чем раскрывается их, несомненно, самый большой плюс – универсальность. Широкое использование такой аппаратуры, так же обусловлено ее быстродействием, точностью, высокой чувствительностью и малым потреблением энергии.

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 свело разработку таких систем до простейшего подключения датчика к запрограммированному контроллеру. Простота и дешевим 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 с огромную сферу автоматизационных процессов.  


Выбор микроконтроллера

Микроконтроллер AVR ATMega48 обладает следующими параметрами:

  •  Высококачественный низкопотребляющий 8- битный AVR микроконтроллер
  •  Передовая RISC архитектура
        - 130 команд, большинство которых выполняется за один такт
    овый цикл
        - 32 8 битных рабочих регистра общего применения
        - Полностью статическая архитектура
        - производительность до 16 MIPS при тактовой частоте 16 МГц
        - встроенный двухцикловый умножитель
  •  Энергонезависимая память программ и данных
        - 4/8/16 КБ внутрисистемно программируемой Flash памяти пр
    ограммы, способной выдержать 10 000 циклов записи/стирания
        - вспомогательная секция загрузочной программы с независ
    имым битом защиты
          внутрисистемное программирование встроенной программой-загрузчиком
          реальная функция считывания при программировании
        - 256/521/512 байта EEPROM, способной выдержать 100 000 циклов записи/стирания
        - 512/1К/1К байта встроенной SRAM памяти (статическое ОЗУ) 
        - Программируемая защита от считывания
  •  Характеристики периферии
        - Два 8- разрядных таймера/счетчика с отдельным предделит
    елем и режимом сравнения
        - Один 16- разрядный таймер/счетчик с отдельным преддел
    ителем и режимом сравнения и режимом захвата
        - Счетчик реального времени с отдельным генератором
        - Пять ШИМ каналов
        - 8 канальный АЦП у приборов в TQFP и MFL корпусах
          6 10- битных каналов
          2 8- битных канала
        - 6 канальный АЦП у приборов в PDIP корпусе
          4 10- битных каналов
          2 8- битных канала
        - Программируемый последовательный USART
        - Ведущий/ведомый SPI интерфейс
        - Байт- ориентированный последовательный 2- проводный и
    нтерфейс
        - Программируемый сторожевой таймер со встроенным генер
    атором
        - Встроенный аналоговый компаратор
        - Прерывание и пробуждение при изменении состояния выв
    одов
  •  Специальные характеристики микроконтроллера
        - Сброс при включении питания и детектор кратковременных пропаданий питания
        - Встроенный откалиброванный генератор - Внешние и вну
    тренние источники прерывания
        - Пять режимов пониженного потребления: Idle, ADC Noise Reduction, Power-Save, Power-down и Standby
  •  Порты ввода - вывода и корпусное исполнение
        - 23 программируемых линии портов ввода-вывода
        - 32 выводные TQFP и MFL корпуса
  •  Диапазон напряжения питания
        - от 1.8 до 5.5 В у ATMega48/ATMega88/ATMega168V
        - от 2.7 до 5.5 В у ATMega48/ATMega88/ATMega168L
        - от 4.5 до 5.5 В у ATMega48/ATMega88/ATMega168
  •  Коммерческий рабочий температурный диапазон
  •  Различный диапазон рабочих тактовых частот
        - от 0 до 1 МГц у ATMega48/ATMega88/ATMega168V
        - от 0 до 8 МГц у ATMega48/ATMega88/ATMega168L
        - от 0 до 16 МГц у ATMega48/ATMega88/ATMega168
  •  Сверх низкое потребление
        - Активный режим:
          300 мкА при частоте 1 МГц и напряжении питания 1.8 В
          20 мкА при частоте 32 кГц и напряжении питания 1.8 В
        - Режим пониженного потребления 
          0.5 мкА при напряжении питания 1.8 В


1 Разработка структурной схемы

В данном курсовом проекте необходимо спроектировать систему автоматического контроля давления. Измерительным элементом является датчик ПД100-ДИ предназначенный для измерения давления.

Задающим устройством является кнопочная панель, состоящая из 4х кнопок подключенных ко входам микроконтроллера. Назначение кнопок устанавливается путем аппаратного программирования микроконтроллера. Кнопки контролируют работу схемы, путем изменения давления, а также отключают звуковую сигнализацию.

В качестве контролирующего элемента в состав которого входит АЦП, ОЗУ и сравнивающее устройство(АЛУ) выступает микроконтроллер ATmega48. ATmega48 - экономичный 8-разр. КМОП микроконтроллер, выполненный по AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл микроконтроллер ATmega48 достигает производительности 4млн. оп. в сек. при тактировании частотой 4МГц, что позволяет оптимизировать потребляемую мощность и быстродействие. Ядро AVR комбинирует богатый набор инструкций с 16 регистрами общего назначения, которые непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ). Это позволяет осуществлять доступ при выполнении инструкции сразу к двум регистрам и выполнить ее за один машинный цикл. Результирующая архитектура обладает высокой эффективностью и высокой производительностью.

Исполнительным устройством является электронный ключ на симисторной оптопаре. Получая импульсы с соответствующих выходов ATmega48 ключ открывается, подключая двигатель компрессора к цепи питания.

Используемая сигнализация – световая (светодиод АЛ308) и звуковая.

Питание на систему подается через АС-DC преобразователь серии ADS-5512, с двумя выходными каналами  напряжением 5В и 12В и общим нулевым проводом, для питания микроконтроллера, преобразователя на датчике, и нагревательного элемента соответственно.

Цифровая индикация выполнена на семисегментных индикаторах типа SA04-11. В микроконтроллере предусмотрен дешифратор, поэтому в  дополнительных элементах управления нет необходимости.


2 Разработка принципиальной электрической схемы

Схема электрическая принципиальная представлена в графической части курсового проекта БККП.023112.100Э3.

Работа системы приводиться в действие замыканием переключателя SА1. Задающим устройством являются кнопки SB1«Больше», SB2«Меньше», SB3 «Задание», SB4 «откл. звук. Сигн.» которые непосредственно соединены с входами микроконтроллера ATmega48, соответственно РВ0, РВ1, РВ2, РВ3. Кнопка SВ1 - увеличивает заданное или фактическое значение давления, SВ2 – уменьшает заданное или фактическое значение давления, SB3 – переключает режимы цифровой индикации между заданным и фактическим значениями, SB4 – отключает звуковую сигнализацию.

Датчик давления ПД100-ДИ регистрирует поступающее на его вход давление, и передает преобразованный сигнал на вход МК.

Поступая на вход ADC0-1 МК, аналоговый сигнал преобразуется с помощью встроенного АЦП в дискретный (цифровой код), после поступает в регистр памяти, и храниться до прихода сигнала сравнения. Оператор, задавая значение уровня давления, записывает число через арифметико-логическое устройство в регистр1. Таким образом, задается верхний предел счета.

Значения регистра1 и регистра2 сравниваются на цифровом компараторе, и в случаи превышения фактического значения над заданным, ЭК замыкается, и срабатывает сигнализация.

Схема питается от источника сети 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 серии ADS-5512.С двумя выходными каналами  напряжением 5В,12В.Для питания микроконтроллера, датчика и двигателя компрессора соответственно.


3 Расчетная часть

3.1 Расчет твердотельного реле

Рисунок 1

Для выбора ТТР необходимо знать номинальное значение тока нагрузки, в данном случаи это однофазный конденсаторный двигатель, которое можно рассчитать по формуле (1):

Iномном/Uпит                                         (1)

где   Рном – мощность, потребляемая исполнительным, регулирующим устройством, Рном=500Вт;

       Uпит – напряжение питания исполнительного устройства, Uпит=220В.

Iном=500/220=2,27 А

Выбор номинала ТТР должен осуществляться для электродвигателя в соответствии с запасом номинального тока реле. Рекомендуемый производителем запас по току для электродвигателя в    5-10 раз. Исходя из этого и других данных выбираем ТТР HDxxxxZD3, которое обладает следующими параметрами:

- Тип управляющего сигнала      3…32 V DC

- Номинальный ток       25 А

- Коммутирующее напряжение      40…440 V AC

- Потребляемый ток в цепи управления     6-35 мА

- Управляющие напряжения (порог вкл/выкл)   3 V DC / 1 V DC

- Максимально допустимые импульсы напряжения   400 V DC

- Время переключения реле при частоте сети 50 Гц  ≤10 мс

-Выходной элемент        симистор

- Размеры         57,2×43,5×29 мм

Вход ТТР и выход МК согласованы по току и напряжению.

В зависимости от напряжения питания (Uпит) – 220 или 380 В – напряжение варистора составляет 390 и 620 В соответственно //

Поглощаемую энергию варистора можно рассчитать по формуле:

Е = (Рном *( 1-(cosφ)2 / cosφ)) / (2 * π * f * η)            (2)

Е = 500 * (1- 0,642 / 0,64 ) / (2 * 3,14 * 50 * 0,9) = 2,12 Дж

Исходя из рассчитанных данных выбираем варистор СН2-1а , его основные параметры:

Umax = 390 В

Е = 81,9 Дж

Основной критерий при выборе радиатора, это номинальный ток ТТР, который составляет, в данном случае, 25 А. Исходя из этого я выбрал радиатор РТ061, который обладает следующими характеристиками:

- Допустимый ток нагрузки       ≤40 А

- Длина         127 мм

- Ширина         72 мм

- Высота         50 мм

- Вес          255 г

3.2 Расчет и выбор предохранителя

Расчитаем номинальный ток срабатывания предохранителя по формуле 2:

  

   Iпот = Рmax / Uпит                      (3)

где Pmax – максимальная мощность нагрузки, Вт (примерно с запасом 20%)

     Uпит – напряжение сети, В.

Iпот=  (500 * 20%) / 220 = 2,72 А

Предохранитель выбирается из стандартного ряда, с ближайшим номинальным током срабатывания, превышающим полученное значение. Исходя из полученных данных я выбрал предохранитель ВП1-1и держатель ДПБ.

Параметры предохранителя ВП1-1:

- Номинальный ток        3А

- Температурная рабочая область     -60 ͦ С…+100 ͦ С

- Материал         керамика

- Диаметр         4 мм

- Длина         15 мм

3.3 Расчет резистора на выходе датчика ПД100-ДИ

Рисунок 2 – Схема подключения датчика ПД100-ДИ

Сопротивление резистора Rн рассчитаем по формуле 3:

   Rн = Uвых / Iвых.макс             (4)

где   Uвых – выходное напряжение датчика (Uвых=5 В)

Iвых.макс – максимальный выходной ток датчика (Iвых.макс=20 мА)

Rн = 5 / 0,020 = 250 Ом

Из стандартного ряда E24 выбираем подходящее значение сопротивление резистора Rн = 270 Ом.

Расчитаем мощность резистора Rн по формуле 4:

   P = Iвых.макс2 * Rн             (5)

P = 0,0202 * 270 = 0,1 Вт

Выбираем значение мощности подходящее под полученные данные:

P = 0,125 Вт

Выбранный резистор C1-4-0.125-270Oм±5%
3.4 Расчет габаритов печатного узла

Таблица 1 – Габариты элементов и занимаемая площадь

Обоз-начение

Тип

Размер, мм

Площадь мм2

Габаритность

C3,C4

КМ-5Б

4,5х6

27

малогаб.

C1, C2

К50-6

11х6,3

69,3

малогаб.

DD1

ATmega48

35х7

245

среднегаб.

HG1,HG2

АЛС324А

19.5х10.2

180

малогаб.

R1-R15

С1-4

2,3х6

12,6

малогаб.

SB1-SB4

MRS-101-2C3-B

6х6

36

малогаб.

VD1

КД102Б

3,2х2,7

8,64

малогаб.

VD2, VD3

АЛ316Б

5х4

20

малогаб.

VT1-VT3

КТ3142А

5х5

25

малогаб.

ZQ1

HC-49U

11х5

55

малогаб.

VS6BP2115

21*15,5

325.5

среднегаб.

Найдем площадь занимаемую элементами одного типа габаритности

Sмг = 54+138,6+360+214,2+144+8,64+40+75+55=1061,82 мм2              (6)

    Sсг = 245+325,5 =570,5 мм2

Определим площадь печатной платы при низкой плотности монтажа

                                Sм = 4* Sмг + 3* Sсг                                          (7)

    Sм = 4* 1061,82мм2 + 3* 570,5 мм2 = 5958,78мм2 = 60см2

   Таким образом, получаем плату размером 8 х 8 см


4 Разработка конструкции

Схема общего вида представлена в графической части курсового проекта БККП.023206.100 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 их значения элементы приборов должны выдерживать в течение определённого 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. Тумблер “сеть”,предохранители, световая сигнализация, цифровая индикация  .

Система автоматического контроля помещёна в корпус фирмы ОВЕН модели Щ-1 c габаритными размерами  96х96х180 из пластика. На передней панели размещены: светодиод, цифровая индикация, световая и звуковая сигнализация, и кнопочные модули.

            Тумблер Л2Т-1-1 имеет только два положения: включено – положение тумблера вверх, выключено – положение тумблера вниз. На задней стенке корпуса крепится клемная колодка для подключения преобразователя, датчика , двигателя компрессора 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 серии ADS-5512 крепится к нижней стенке корпуса при помощи 4 винтов М3-1,5 ГОСТ17473-72. Твердотельное реле HDxxxxZD3 крепится к верхней стенке двумя винтами М3-1,5 ГОСТ17473-72.


Заключение

В данном курсовом проекте разрабатывалась система автоматического контроля, в ходе разработки производился расчёт параметров заданных устройств в частности электронного ключа, предохранителя и резистора на выходе датчика. Кроме того, осуществлялся расчёт габаритов печатного узла. Все элементы системы широко используются, легкодоступны в приобретении и взаимозаменяемы, что обеспечивает высокую ремонтопригодность схемы.


    
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 Диоды:СправочникО.П.Григорьев,В.Я.Замятин, Б.В.Кондратьев,

С.Л.Пожидаев. Радио и связ, 1990.

7 Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные

устройства РЭА: Справ. Н.М.Акимов, Е.П.Ващуков, В.А.Прохоренко,

Ю.П.Ходоренок. - Мн.: Беларусь, 1994.

8 Полупроводниковые приборы: Справочник В.И.Галкин, А.Л.Булычев,   

П.М.Лямин. - Мн.: Беларусь, 1994.

9 Каталоги промышленных приборов.

10 Каталог сайта http://avr.ru/

11 Справочник «Системы автоматизации 2011» фирмы «ОВЕН»

12 Каталог сайта http://www.owen.ru/

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7959. Культурология. Лекции. Предмет и функции культурологии 498.5 KB
  Тема № 1. Предмет и функции культурологи. История становления представлений о культуре. Культура относится к числу древнейших явлений человеческой жизни. Однако интерес к ее изучению и осмыслению как особого явления действительности сложился относит...
7960. Понятие, сущность и классификация страхования 615 KB
  Понятие, сущность и классификация страхования Понятие и сущность страхования Понятие и сущность Страхование - это отношения по защите имущественных интересов граждан и юридических лиц при наступлении определенных непредвиденных неблагоприятных ...
7961. Ґендерні стереотипи 30.37 KB
  Ґендерні стереотипи Мета: розвивати в учнів критичне ставлення щодо стереотипів, успадкованих нами з культури, та щодо образів, тиражованих засобами масової інформації проаналізувати поширені в суспільстві упередження про те, що означає бути чолові...
7962. Поняття світу. Проблема єдності світу 48 KB
  Тема уроку. Поняття світу. Проблема єдності світу. Мета: Розглянути поняття світу та проблеми єдності світу розвивати вміння критично аналізувати різні точки зору на певну проблему виховувати толерантне ставлення до права іншої людини мати власні ...
7963. Людина і космос. Всесвіт і Земля. 44.5 KB
  Людина і космос. Всесвіт і Земля. Мета: Розглянути співвідношення людина і космос та Всесвіт і Земля розвивати вміння критично аналізувати різні точки зору на певну проблему виховувати толерантне ставлення до права іншої людини мати власні світогл...
7964. Матеріальне та ідеальне 42 KB
  Матеріальне та ідеальне Поняття первинне позначають те, що є основою іншого, без чого це інше не може існувати і нині. Визначаючи це первинне, його почали називати субстанцією, а конкретно-чуттєвий прояв субстанції - матерією. матерія визначаєт...
7965. Поняття людина і основні теорії її походження 56.5 KB
  Тема уроку: Поняття людина і основні теорії її походження. Мета уроку: Зясувати підстави для використання визначення Людина і його сутність визначити особливості основних тлумачень походження людини, розкрити роль середовища і спадковос...
7966. Честь, совість, гідність людини. Інтелігентність і порядність 55.5 KB
  Честь, совість, гідність людини. Інтелігентність і порядність Мета: Розглянути співвідношення понять честь, совість, гідність людини, інтелігентність і порядність розвивати вміння критично аналізувати різні точки зору на певну проблему виховувати ...
7967. Історія України з найдавніших часів до XV ст 56.5 KB
  Тема уроку. Історія України з найдавніших часів до XV ст. Мета: Визначити, який період історії України вивчатиметься цього навчального року ознайомити учнів зі структурою і методичним апаратом підручника як передумовою їхньої подальшої успішної роб...