99531

Автоматическая система регулирования температуры

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Автоматика и вычислительная техника за последнее время приобрели наибольшее значение для производства. Успех дальнейшего подъёма материально-технического уровня стал возможным только на базе широкого внедрения автоматизированных систем управления производственными процессами.

Русский

2016-09-21

108 KB

0 чел.

Автоматическая система регулирования температуры

Содержание

Введение                                                                                         3

1.Разработка структурной схемы                                                  5

2.Разработка принципиальной электрической схемы                 8

3.Расчётная часть                                                                          10

4 Расчет печатной платы                                                              16

5 Разработка конструкции                                                             19

Заключение                                                                                    20

    Список использованных источников                                             21

Введение

Ускорение научно-технического прогресса  и интенсификация производства невозможны без электронных средств автоматизации управления и контроля, которые служат для получения, обработки и использования информации.

Автоматика – отрасль науки и техники с помощью, которой удаётся автоматически управлять протеканием процессов или поведением объектов и контролировать их состояние. Человек заменяет себя автоматами, когда они дешевле, быстрее, точнее, надёжнее.

По мере развития элементной базы, повышения её надёжности область применения автоматически расширяется, что увеличивает скорость и точность выполнения операций, повышает производительность труда и улучшает качество.

Системы автоматики позволяют управлять вредными процессами в химии, ядерной техники.

Автоматика и вычислительная техника за последнее время приобрели наибольшее значение для производства. Успех дальнейшего подъёма материально-технического уровня стал возможным только на базе широкого внедрения автоматизированных систем управления производственными процессами.

Отрасль техники, связанная с разработкой методов и средств контроля и управления производственными процессами, называется автоматикой и телемеханикой. При этом автоматика – управление и контроль на сравнительно небольших расстояниях, а телемеханика – управление и контроль на расстоянии, для преодоления которого необходимо применение специальных средств.

Автомат (греческоеautomatos – самодействующий) – устройство, позволяющее осуществлять производительный процесс без непосредственного участия человека и лишь под его контролем В развитие автоматики и вычислительной техники вложен труд многих отечественных и зарубежных учёных.

С именем великого мыслителя М.В.Ломоносова связано начало развития приборостроения. Он вместе с академиком Г.В.Рихманом впервые в мире построил электрический измерительный прибор со шкалой.

Автоматический регулятор, принцип которого лежит в основе всех современных регуляторов, был разработан и испытан в 1765 г. И.И.Ползуновым.

Академик Б.С.Якоби создал электродвигатель и синхронную передачу.

В 1850 г. Э.Х.Ленц разработал осциллограф. Изобретатель А.П.Давыдов создал следящий привод. Профессор Петербургского технологического института И.А.Вышнеградский в 1877 г. заложил основы теории автоматического регулирования.

Дальнейшее развитие теория автоматического регулирования получила в работах А.М.Ляпунова и, особенно в трудах отца русской авиации Н.Е.Жуковского.

Огромный скачок в развитии    автоматического управления был совершён в послевоенные годы, когда в системы автоматического регулирования стали включаться быстродействующие электронные вычислительные машины. Развитие вычислительной техники сделало возможным создание больших автоматических систем управления сложными производственными процессами и управления целыми отраслями промышленности.

В 1918 г. М.А. Бонч-Бруевич изобрёл основной элемент вычислительной техники – триггер. В начале 40-х годов американский учёный Шеннон и советский физик В.И.Шестаков независимо один от другого предложили применение аппарата математической логики к анализу и синтезу релейных схем.

В настоящее время технический прогресс во всех отраслях производства в большой мере связан с автоматизацией производственных процессов. Любое автоматическое устройство состоит из отдельных элементов, основные и наиболее распространённые из которых – датчики, реле и усилители, генераторы низкочастотных и высокочастотных колебаний. Электрическое питание схем усилителей, генераторов и других устройств автоматики осуществляется преимущественно от выпрямителей.

1 Разработка структурной схемы

Общая структура автоматической системы регулирования  температуры приведена на чертеже БККП.023025.000Э1. Такая система автоматического регулирования обеспечивает поддержание заданной температуры. Световую индикацию работы нагревателя.

В структурной схеме автоматического регулятора температуры можно выделить следующие элементы:

  • Объект регулирования
  • Нагреватель
  • Датчик - терморезистор
  • Электронный ключ – семистор
  • Световая сигнализация
  • Блок питания
  • Персональный Компьютер
  • Преобразователь интерфейса
  • Модуль ОВЕН ТРМ-210
  • АЦП
  • Цифровой фильтр, коррекция, масштабирование
  • ПИД-регулятор
  • Вычислительное устройство
  • Цифровой индикатор
  • ИнтерфейсRS-485

Входящие в структурную схему функциональные устройства выполняют следующие функции:

-Датчик температуры - терморезистор для измерения температуры;

- Ключом осуществляется запуск и остановка процесса регулирования;

- Преобразователь интерфейсов предназначен для взаимного преобразования сигналов интерфейсовUSB иRS-485;

-Измеритель ПИД - регулятор ТРМ210 предназначен для  измерения и автоматического регулирования температуры.

  • В свою очередь, в состав ПИД - регулятора входят следующие блоки:

- Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)  предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой код;

- Корректор служит для устранения начальной погрешности преобразования входного датчика и погрешностей, вносимые соединительными проводами;

- Цифровой фильтр уменьшает влияние случайных  импульсных помех на результат измерения. Предусмотрена двухступенчатая фильтрация: «полосовая», устраняющая значительные единичные помехи и «сглаживающая», снижающая действие небольших высокочастотных помех;

- ПИД - регулятор управляет происходящими процессами в контуре регулирования с наиболее высокой точностью и эффективностью. Сигналом управления является сумма трех составляющих (пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих);

  • Пропорциональная составляющая ─ регулирующее воздействие зависит от величины рассогласования. Эта составляющая отвечает за реакцию на мгновенную ошибку регулирования.
  • Интегральная составляющая ─ скорость изменения регулирующего воздействия зависит от величины рассогласования. Интегральная составляющая содержит в себе накопленную ошибку регулирования, которая является дополнительным источником выходной мощности и позволяет добиться максимальной скорости достижения уставки при отсутствии перерегулирования.
  • Дифференциальная составляющая ─ регулирующее воздействие зависит от скорости изменения параметра. Вызывает реакцию регулятора на резкое изменение измеряемого параметра, возникшее, например, в результате внешнего возмущающего воздействия.
  • Для эффективной работы ПИД - регулятора необходимо подобрать для конкретного объекта регулирования значения коэффициентов ПИД - регулятора. Это можно сделать вручную или воспользоваться режим автонастройки прибора;

- Выходные устройства –это тиристорная оптопара, которая используется для управления нагревателем при регулировании;

- интерфейс связиRS-485 предназначен для включения прибора  ТРМ210 в сеть, организованную по стандартуRS-485;

- Индикаторы для отображения измеряемых параметров, значения уставки, программируемых параметров.

2 Разработка электрической принципиальной схемы

Электрическая принципиальная схема системы автоматического контроля температуры приведена на чертеже БККП.023118.100Э1.

Разрабатываемая система регулирования должна иметь следующие параметры:

Регулируемый или контролируемый параметр – температура

Терморезисторный – датчик

Тип, семейство устройства управления – модуль ОВЕН

Исполнительное или регулирующее устройство – нагреватель

Электронный ключ – семистор

220В 50Гц – напряжение питания

500Вт – потребляемая мощность исполнительным или регулирующем устройством

Данная схема состоит из:

- Преобразователя интерфейсов

- Термоэлектрического датчика – термопары

- Измеритель ПИД-регулятор ТРМ 210

- Семисторной оптопары

- Ограничительного резистор

- Нагревателя

- Выключатель

Включение питания осуществляется тумблеромSA1 исходя из напряжения питания 220В и током нагрузки 2,27А.

Для включения мощного нагревателя, в качестве электронного ключа,  выступает семистор типа КУ208А с током нагрузки 10А.

Регулятор ТРМ 210, который наиболее удоволетворяет условия, обеспечивая заданные параметры регулирования. Применяется для управления объектами с повышенной инерционностью.

Преобразователь интерфейсовRS-485/USB предназначен для взаимного преобразования сигналов интерфейсовUSB иRS-485. Позволяет подключать к промышленной сети персональный компьютер имеющийUSB порт.

Ограничительный резистор предназначен для ограничении напряжения питания светодиода, входящего в состав семисторной оптопары, выбран небольшой мощности, так как потребление светодиода составляют десятки миллиампер.

Нагреватель мощностью 500Вт.

Выбор радиоэлектронных компонентов, цепей и контуров обусловлен назначением каждого блока  структурной схемы.

Блок питания данной системы выбран стандартный для питания модуля на 24 В.

В качестве датчика используется терморезистор типаDTCXX4. Его выбор обусловлен подходящем диапазоном измеряемых температур от -50 до +250.

При отклонении температуры от заданного уровня поступает сигнал с модуля на включение либо отключение нагревателя.

3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Расчет светодиода

                             Рисунок 1

Выбираем светодиодHL1 ЕР2012-150R1 с параметрами:

Прямой токIпр, А                                                                 0,01

Прямое падение напряженияUпр.max, В                              2,4

Рассчитываем сопротивлениеR4 по формуле:

R4=Uпит-Uпр.maxHL1/IпрHL1

ГдеUпит – напряжения питания, В

Uпр.maxHL1 – падение напряжения наHL1, В

IпрHL1 – ток через светодиодHL1

R4=(18-2,4)/0.01=1560 Ом

Рассчитываем мощность по формуле

PR4=(Uпит-UпрHL1)*I пр

гдеUпит- напряжение питания

UпрHL1- прямое напряжение на диоде

I пр- прямой ток диода

PR4=(18-2,4)*0,01=0,156 Вт

Выбираем резистор типаМО-500-5-56 Ом ±5%

3.2.Выбор терморезистора

Принцип действия терморезистора основан на изменении сопротивления чувствительного элемента при изменении температуры.

Измерение температуры сводится к измерению сопротивления на выходе терморезистора с помощью электроизмерительного прибора, в качестве которого применяется 16-разрядный АЦП модуля ТРМ-210.

Из терморезисторов  наиболее широкое распространение получили терморезисторы проволочные.

Выбираем терморезистор типа ДТС ХХ4 с параметрами, приведенными в таблице 1

Таблица 1

Тип

преобразователя

Класс

допуска

Допустимые отклонения

Диапазон

измеряемых

температур,оС

ДТС ХХ4

2

1.5%

от -50 до +250

3.3 Расчет цепи электронного ключана семисторе

R3

R2C1

Rн

Так как мощность потребляемая нагревателем составляет  500Вт,найдем ток проходящий через нагреватель.

Iн=P/Uп=500/220=2,27А

Выбираем семистор КУ208А

Параметры семистора:

Iу откр.=160мА;

Uу откр.=5В;

Iпр.=10А.

Рассчитываем сопротивлениеR2

R2=Uу  откр./Iу откр. =5/0,16=31Ом

Рассеиваемая мощность равна 10Вт.

Зависимость отпирающего тока, напряжения  управляющего  электрода от температуры корпуса смотрели по графикам, значение нормальное 200С.

Рассчитываем мощность потребления:

Рпот=Iу откр·Uу откр=0,160·5=0,8Вт

3.4Расчет  и выборблока питания

+24В

220В

50Гц

Рисунок 2 – Рассчитываемая электрическая схема

Определим максимальную потребляемую мощность разрабатываемого устройства Р, Вт по формуле:

Р=РДУП,       (1)

где РД – мощность потребления датчик,

РУ – мощность потребления усилителя,

РП – мощность потребления преобразователя.

Р=0,5+0,55+0,8=1,85Вт

Выбираем по мощности потребления блок  питания БП-04.

4 Расчет печатной платы

В связи с небольшим количеством элементов, составляющих конструкциюсистемы контроля температуры, применим неавтоматизированный метод разработки печатной платы. Для этого производим реконфигурацию схемы.

Принципиальная электрическая схема проектируемого устройства после реконфигурации принимает вид , представленный на рисунке 4

Составляем таблицу, необходимую для определения размера контактной зоны печатной платы, используя данные о геометрических размерах используемых элементов. Обозначения элементов в соответствии с принципиальной схемой БККП 023118.110Э3.

Таблица 2Габаритные размеры элементов

Обозначение

элемента

Тип элементов

околичество

Габаритные

размеры, мм

Установочная

площадь, см2

С1

0603 X7R 10nF 6.3v ±10%

1

1,6*0,8

0,0128

FU1

60R025

1

3*5

0,15

HL1

ЕР2012-150R1

1

1118

1,98

R1

МО-500-5-56 Ом±5%

1

8*2,3

0,184

R2

МО-12,5-0,125-270 Ом±5%

1

8*2,3

0,184

R3

МО-12,5-0,125-100 Ом±5%

1

8*2,3

0,184

R4

МО-12,5-0,125-100 Ом±5%

1

8*2,3

0,184

VD1

1N5918В

1

2,8*9

0,252

VD2

1N5918В

1

2,8*9

0,252

VS1

КУ208А

1

 0,43*0,5

0,22

Для расчета площади монтажной зоны находим суммарные установочные площади малогабаритных, среднегабаритных и крупногабаритных радиоэлементов.

К малогабаритным элементам относим: С1,FU1, ,R1-R4,VS1.

К среднегабаритным элементам относим:VD1-VD2

К крупногабаритным элементам относим: ,HL1

Суммарная площадь малогабаритных электро-радиоэлементов равна:

Sмг=0,0128+0,15+0,184*2+0,252*2+0,24=1,45 см2

Суммарная площадь среднегабаритных электро-радиоэлементов равна:

Sсг1,638*2=3,276 см2

Суммарная площадь крупногабаритных электро-радиоэлементов равна:

Sкг= =1,98 см2

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

Sмз = 4 ∙Sмг + 3 ∙Sсг+1,5 ∙Sкг

Sмз = 4*1,80+3*3,276+1,5*1,98=20,5 см2

Исходя из того, что, кроме монтажной зоны, на печатной плате должно быть предусмотрено место для крепления платы к корпусу, выбираем габаритные размеры печатной платы  4*6 сантиметров. Площадь такой печатной платы равна 24см2, что полностью удовлетворяет запросам по размерам монтажной зоны и величины крепежных элементов устанавливаемых на печатную плату./2/

5 Разработка конструкции

Вроли корпуса использован стандартный корпусNGS 9811. Передняя панель прикрепляется четырьмя винтами по углам. Передняя панель корпуса изготавливается из листа винипласта толщиной 1,5мм . Для удобства обслуживания все элементы стенда установлены на лицевой панели.

Сборка электрической схемы осуществлена путем навесного монтажа элементов, которые крепятся на монтажных колодках и стойках, зафиксированных на обратной стороне лицевой панели. Все электрические соединениявыполнены монтажным проводом типаМВГ-0,5.

Подключение питания производится через клеммные колодки. Шнур подключен к клеммной колодке, расположенней в нижнем левом углу, откуда напряжение 220 В поступает на необходимые блоки. В правом нижнем углу расположены держатели предохранителей и тумблер «СЕТЬ.

Исследуемый модуль ОВЕН расположен в верхнем левом, там же расположены клеммые колодки для подключения исполнительного устройства-нагревателя и термоэлектрического датчика-термопары.

В правом верхнем углу расположен преобразователь интерфейсов

Маркировка элементов на лицевой панели нанесена путем распечатки позиционных обозначений черными чернилами на белой бумаге и последующем приклеивании их и покрытии прозрачным скотчем.

Заключение

В процессе выполнения курсового проекта была спроектирована автоматическая система регулирования температуры. При разработке производился расчёт отдельных узлов схемы, а именно семисторная оптопара, светодиод.

Спроектированная система удовлетворяет условиям на проектирование, а именно сигнализирует о снижении заданного уровня температуры, поступающего на вход схемы.

Список использованных источников

1.Техническая электроника, Ткаченко Ф.А., – Мн; Дизайн-ПРО, 1982

2.  Расчёт и конструирование деталей аппаратуры САУ, Савостьянов В.П. и др. – М; Машиностроение, 1966

3.  Датчики контроля и регулирования. Агейкин Д.И. – М; Машиностроение, 1965

4.  Промышленная электроника и микроэлектроника. Галкин В.И. и д.р. – Мн; Беларусь, 2000

5.  Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник, Акимов Н.Н. и др. – Мн; Беларусь, 1994

6. Справочник по полупроводниковым приборам (СD), Шульгин О.А., Шульгина И.Б., Воробьев А.Б., Лазер Арт, 1997

7.www.masterkit.ru


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69290. Завдання підсистеми введення-виведення 41.5 KB
  У даному розділі розглядатимуться можливості ОС щодо керування пристроями введення-виведення, а саме: загальна організація підсистеми введення-виведення, різні способи виконання зазначених операцій, деякі особливості роботи цієї підсистеми ядра, засоби організації інтерфейсу...
69291. Завдання підсистеми введення-виведення ядра 77 KB
  Планування введення-виведення звичайно реалізоване як середньотермінове планування. Як відомо, з кожним пристроєм пов’язують чергу очікування, під час виконання блокувального виклику (такого як read() або fcntl()) потік поміщають у чергу для відповідного пристрою...
69292. Організація термінального введення-виведення 52 KB
  Є спеціальні символи керуючі коди і послідовності символів які не відображаються а керують виведенням на екран термінала. Передаючи такі послідовності термінала можна переміщати курсор у довільну позицію екрана керувати яскравістю відображення символів для деяких...
69293. Командний інтерфейс користувача 33 KB
  Командний інтерпретатор запускають щоразу, коли користувач реєструється у системі із термінала, при цьому стандартним вхідним і вихідним пристроєм для інтерпретатора і запущених за його допомогою програм є цей термінал.
69294. Загальні принципи мережної підтримки 35 KB
  Під мережею розуміють набір комп’ютерів або апаратних пристроїв вузлів nodes пов’язані між собою каналами зв’язку які можуть передавати інформацію один одному. Рівні мережної архітектури і мережні сервіси Функції забезпечення зв’язку між вузлами є досить складними.
69295. Загальні принципи завантаження ОС 44.5 KB
  Тут зробимо короткий огляд загальних принципів організації завантаження операційних систем. Основну увагу буде приділено апаратній ініціалізації комп’ютера і принципам реалізації завантажувача ОС.
69296. Багатопроцесорні та розподілені системи 54.5 KB
  У багатопроцесорних системах набір процесорів перебуває в одному корпусі та використовує спільну пам’ять а також периферійні пристрої. Типи багатопроцесорних систем Залежно від особливостей апаратної реалізації багатопроцесорні системи бувають такі: з однорідним доступом до пам’яті...
69297. Поняття операційної системи, її призначення та функції 65.5 KB
  Комп’ютерні системи від самого початку розроблялися для розв’язання практичних задач користувачів. Можна дати таке означення операційної системи. Призначення операційної системи Операційні системи забезпечують поперше зручність використання комп’ютерної...
69298. Базові поняття архітектури операційних систем 33 KB
  Операційну систему можна розглядати як сукупність компонентів, кожен з яких відповідає за певні функції. Набір таких компонентів і порядок їхньої взаємодії один з одним та із зовнішнім середовищем визначається архітектурою операційної системи.