99618

Регулятор температуры импульсный

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Схема электрическая структурная представлена в графической части курсового проекта БККП.023112.100Э1. Система автоматического регулирования (САР) предназначена для автоматической регистрации и регулирования различных физических величин (параметров). Всякая система состоит из элементов, узлов и устройств

Русский

2016-09-26

146.5 KB

0 чел.

Регулятор температуры импульсный

Содержание

Введение…………………………………………………………………….    3

1 Разработка структурной схемы………………………………………..   4

2 Разработка принципиальной электрической схемы…………………   6

3 Расчетная часть ………………………………………………………...   8

   3.1 Расчет индикации включения в сеть……………………………...   8

   3.2 Расчет электронного ключа………………………………………. 9

   3.3 Расчет питающего ключа цифровой индикации………………... 14

   3.4 Расчет габаритов печатного узла ……………………………….. 16

4 Разработка конструкции………………………………………………. 17

Заключение……………………………………………………………….. 18

Список использованных источников…………………………………… 19

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 регулирования 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. /4/, /9/

1 Разработка структурной схемы

Схема электрическая структурная представлена в графической части курсового проекта БККП.023112.100Э1. Система автоматического регулирования (САР) предназначена для автоматической регистрации и регулирования различных физических величин (параметров). Всякая система состоит из элементов, узлов и устройств, выполняющих ту или иную функцию, следовательно, систему автоматического контроля можно представить схематически (рис. 1)

Рисунок 1 – Схема системы автоматического регулирования

Датчик измеряет значение контролируемого параметра объекта регулирования и преобразует его в сигнал, удобный для усиления или передачи. Наибольшее применение находят датчики, преобразующие неэлектрическую величину в электрическую. Одновременно с этим с задающего устройства поступает значение регулируемой величины, которое должно быть установлено.

Сравнивающее устройство, приняв два поступающих в него сигнала и сравнивая их, формирует сигнал рассогласования, поступающий на усилитель. Здесь сигнал усиливается до значения необходимого для корректной работы исполнительного устройства. Исполнительное устройство путем воздействия на регулирующий орган изменяет контролируемый параметр объекта регулирования, устанавливая его на заданном уровне, и тем самым уменьшая сигнал рассогласования да нуля.

Также в систему входят элементы передачи и связи - устройства, обеспечивающие передачу сигналов от датчика до исполнительного элемента, и дополнительные элементы, не участвующие в преобразовании информации, а обеспечивающие данное преобразование. К ним относятся источники энергии, стабилизаторы, переключатели и др.

В данном курсовом проекте необходимо спроектировать систему импульсного регулирования температуры. Измерительным элементом является датчик ТСПТ 101 предназначенный для измерения температуры неагрессивных сред. Датчик устанавливается непосредственно на удалении от контролируемого объекта, что является необходимым при использовании устройства в потенциально опасных условиях. Т.к. микроконтроллер не может воспринимать в качестве входного сигнала сопротивление, в одном корпусе с датчиком  устанавливается преобразователь ПСТ служащий для преобразования сопротивления в ток.

Задающим устройством является кнопочная панель, состоящая из 4х кнопок подключенных ко входам микроконтроллера. Назначение кнопок устанавливается путем аппаратного программирования микроконтроллера. Кнопки задают температурный режим и управляющий импульс запускающий работу схемы.

В качестве контролирующего элемента в состав которого входит АЦП, ОЗУ и сравнивающее устройство(АЛУ) выступает микроконтроллерATmega8.ATmega8 - экономичный 8-разр. КМОП микроконтроллер, выполненный по AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл микроконтроллерATmega8 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. Микроконтроллер генерирует управляющие сигналы в ШИМ-модуляции управляющие открытием и закрытием ключа.

Исполнительным устройством является электронный ключ на МДП-транзисторе. Получая импульсы с соответствующих выходовATmega8 ключ открывается подавая подключая нагреватель к цепи питания.

Питание на систему подается через АС-DC преобразователь серииRID-125-2405, с двумя выходными каналами  напряжением 5В и 24В и общим нулевым проводом, для питания микроконтроллера, преобразователя на датчике, и нагревательного элемента соответственно.

Цифровая индикация выполнена на семисегментных индикаторах типаSA04-11. В микроконтроллере предусмотрен дешифратор, поэтому в  дополнительных элементах управления нет необходимости./4/, /9/, /10/

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(Сотни), SB2(Десятки), SB3(Единицы) которые непосредственно соединены с входами микроконтроллераATmega8, соответственно PС1, PС2, PС3. Кнопка SВ1 задает старший разряд  в трехразрядном коде управления, SВ2 второй разряд, а SВ3 — младший. Путем нажатия кнопок устанавливаем необходимую величину, которая при нажатии кнопкиSB4, записывается в оперативную память МК.

Терморезисторный датчик температуры ТСПТ 101, регистрирует изменение температуры путем изменения сопротивления чувствительного элемента. Данный сигнал, поступая в ПСТ, к которому  подводится постоянное напряжение питания (U= +24В), преобразует сопротивление в эквивалентное значение тока в пределах от 4 до 20 мА. Но, т.к. микроконтроллер воспринимает изменение величины напряжения, а не тока, подключаем резистор соответствующего сопротивления к «минусовому» проводу датчика получая, таким образом, эквивалентную величину напряжения.

Поступая на входPС0 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 температуры, записывает число через арифметико-логическое устройство в счетчик с предустановкой. Таким образом, задается верхний предел счета.

Счетчик, работая в режиме генератора ШИМ-типа, постепенно увеличивает число от нуля до заданного значения (счет «вверх»), затем достигнув предельного значения он работает на уменьшение(счет «вниз»). Дойдя до нуля, генерация срывается, и процесс повторяется снова. Цифровой компаратор непрерывно сравнивает значение с датчика и значение со счетчика, формируя положительный и отрицательный фронт управляющего импульса. Положительный фронт генерируется при счете «вверх», а отрицательный соответственно при счете «вниз». Продолжительность управляющего импульса зависит от величины рассогласования между реальной температурой и заданным значением.(Рис.2)

Рисунок 2 – Формирование управляющих импульсов

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 серииRID-125-2405.С двумя выходными каналами  напряжением 5В,24В.Для питания микроконтроллера, датчика и нагревателя соответственно. /1/, /4/, /5/, /6/, /7/, /8/, /9/, /10/

3 Расчетная часть

3.1 Расчет индикации включения в сеть

Рисунок 3 – Рассчитываемая схема

3.1.1 Порядок расчета

В качестве устройства индикации выбираем светодиод АЛ316Б с параметрами:

Uпр  = 2В

Iпр = 20мА

Т.к. светодиодVD2 не рассчитан на напряжение 220В рассчитаем величину сопротивления ограничивающего резистораR1, Ом по формуле

R1 =Un /Iпр(1)

где,Un – питающее напряжение сети, В

Iпр – прямой ток светодиода, А

R1 = 220В / 0,02А = 11000 Ом

Соответственно, мощность рассеивания Р, Вт найдем по формуле

Р =I2*R1(2)

где,I – ток проходящий через резистор, А

R1 – сопротивление резистора, Ом

Р = 0,022 А * 10000 Ом  = 4,4 Вт

Исходя, из рассчитанных данных выбираем резисторС5-5, 22кОм,±5, 5 Вт.

Для защиты светодиодаVD2 от отрицательного полупериода переменного напряжения выбираем защитный диод КД102Б с прямым токомIпр = 50мА.

3.2 Расчет электронного ключа

Рисунок 4 – Электронный ключ на МДП-транзисторе

3.1.1 Порядок расчета

Определим ток нагрузкиIн, А протекающий через транзистор по формуле

Iн =Pн /Uп(3)

где, Рн – мощность потребляемая нагрузкой, Вт

Uп – напряжение питания нагрузки, В

Iн = 100Вт / 24В = 4,16А

Выбираем полевой транзистор с током стокаIc более 4,16А. Подходящим вариантом является КП921А, ток стокаIс которого равен 10А.

Отрицательной стороной ключей на полевых транзисторах является наличие больших паразитных емкостей (1700пФ), из-за которых многократно возрастает мощность рассеивания. Также, это служит причиной завала обоих фронтов выходного импульса, что негативно отражается на работе электронного ключа. Для подтверждения рациональности использования данной схемы необходимо провести дополнительный расчет минимальной длительности импульсов, от которых будет открываться МДП-транзистор.

Найдем минимальную частоту следования импульсовfmin, Гц по формуле

fmin =f / 1024(4)

где,f – частота выходных импульсов микроконтроллера, Гц

fmin = 16000000 / 1024 = 15625 Гц

Рассчитаем время следования одного импульсаτимп, мкс по формуле

τимп= 1/fmin(5)

где,fmin – минимальная частота следования импульсов, Гц

τимп= 1/ 15625 = 0,64 мкс

Для определения времени импульсаτтр, мкс  на транзисторе найдем сопротивление резистораR9, Ом по формуле

R9 =Uп /Iк(6)

где,Uп– напряжение питания, В

Iк – усредненный ток коллектора биполярного транзистора КТ315, А

R9 = 5В / 0,02А = 250 Ом

Время одного импульсаτтр, мкс будет равно

τтр=R9 *Cтр (7)

где,R9 – сопротивление резистора, Мом

Cтр – паразитная емкость, пФ

τтр= 0,00025МОм * 1700пФ = 0,425 мкс

Строим график нарастания фронта импульса

τн - необходимый фронт

τимп - фронт импульсов с выхода микроконтроллера

τтр – фронт импульса образуемый транзистором

Рисунок 5

Из рисунка видно, что при реализации данной схемы фронт импульса будет слишком плавным из-за наличия паразитных емкостей, следовательно, данная схема электронного ключа не подходит. Наиболее приемлемым будет нарастание фронта импульса за 0,1 мкс. Для необходимо этого изменить схему ключа добавив в нееp-n-p транзистор.

Рисунок 6 – Электронный ключ на КМДП-транзисторе  и эмиттерном повторителе.

Найдем величину резистораR9, Ом при которой время нарастания импульса составит 0,1 мкс по формуле

R9 =τн /Cтр(8)

где,τн – необходимое время импульса, мкс

Cтр- паразитная емкость, пФ

R9 = 0,1 мкс / 1700пФ = 58 Ом

Рассчитаем коллекторный токIк, А биполярных транзисторов по формуле

Iк =Uп /R9(9)

где,Uп – напряжение питания, В

Iк = 5В / 58Ом = 0,086 А

Исходя, из расчета выбираем 2 транзистора сp-n-p иn-p-n проводимостями. Наиболее подходящими являются КТ315А и КТ361А ток коллектораIк, мА которых составляет 100 мА.

Найдем сопротивление резистораR8, Ом по формуле

R8 = (U1вых -Uбэнас) /Iб (10)

где,U1вых – напряжение логической единицы, В

Uбэнас – напряжение насыщения база-эмиттер, В

Iб – ток базы, А

Ток базыIб, А найдем по формуле

Iб = 1,3*(Iк /h21эmin )(11)

где,Iк – ток коллектора, мА

h21эmin – коэффициент передачи по току

Iб = 1,3*( 100 / 20 ) = 0,0065 А

R8 = (3,6 – 1,1) / 0,0065 = 39Ом

Определим мощность рассеивания на транзистореPтр, Вт по формуле

Pтр =Iн2 *r (12)

где,Iн - ток, протекающий по нагрузке, А

r – сопротивление сток-исток, Ом

P = 4,162А * 0,1Ом = 1,73 Вт

Т.к. мощность, рассеиваемая на транзисторе меньше справочной, делаем вывод, что установка радиатора не требуется.

3.3 Расчет питающего ключа цифровой индикации

Рисунок  - Цифровая индикация

3.1.1 Порядок расчета

В качестве устройства цифровой индикации выбираем семисегментный индикаторSA04-11, со следующими параметрами:

Uпр  = 2,5В

Iпр = 20мА

IпрМАХ = 35мА

Найдем коллекторный токIк, А на транзисторе по формуле

Iк = 7*IпрHG1(13)

где,IпрHG1– прямое напряжение на индикаторе, А

Iк = 7 * 0,02 = 0,14 А

Выбираем транзистор с коллекторным токомIк, А не менее 0,14 А. Подходящим является КТ3142А с максимальным коллекторным токомIкmax равным 0,2 А

Найдем сопротивление резистораR18, Ом по формуле

R18 = (U1вых -Uбэнас) /Iб (14)

где,U1вых – напряжение логической единицы, В

Uбэнас – напряжение насыщения база-эмиттер, В

Iб – ток базы, А

Iб = 1,3*(Iк /h21эmin )(15)

где,Iк – ток коллектора, А

h21эmin – коэффициент передачи по току

Iб = 1,3*( 0,2 / 40 ) = 0,0065 А

R8 = (3,6 – 0,85) / 0,0065 = 430 Ом

3.4 Расчет габаритов печатного узла

Таблица 1 – Габариты элементов и занимаемая площадь

Обоз-начение

Тип

Размер, мм

Площадь, мм2

Габаритность

C1,C4

КМ-5Б

4,5х6

27

малогаб.

C2,C3

К50-6

11х6,3

69,3

DD1

ATmega8

35х7

245

среднегаб.

HG1-HG3

SA04-11

18х10

180

малогаб.

R1-R4,R6-R19

C2-33

2,2х6

13,2

малогаб.

R5

C5-5

33х11

363

среднегаб.

SB1-SB4

MRS-101-2C3-B

6х6

36

малогаб.

VD1

КД102Б

3,2х2,7

8,64

малогаб.

VD2

АЛ316Б

5х4

20

малогаб.

VT1

КТ315А

3,8х1,9

7,41

малогаб.

VT2

КТ361А2

3,8х1,9

7,41

малогаб.

VT3

КП921А

10,5х4,8

50,4

среднегаб.

VT4-VT6

КТ3142А

5х5

25

малогаб.

ZQ1

HC-49U

11х5

55

малогаб.

Найдем площадь занимаемую элементами одного типа габаритности

Sмг = 54+540+237,6+8,64+20+7,41+7,41+75+55+144 =1119,06мм2(16)

Sсг = 245+50,4+363 = 658,4 мм2

Определим площадь печатной платы при низкой плотности монтажа

Sм = 4*Sмг + 3*Sсг (17)

Sм = 4* 1119,06мм2+ 3* 658,4 мм2 =

= 4476,24 + 1957,2  = 6500мм2 = 65см2

Таким образом, получаем плату размером 8,5 х 8,5 см. /1/, /2/, /5/, /6/, /7/, /8/, /10/

4 Разработка конструкции

Схема общего вида представлена в графической части курсового проекта БККП.023112.100 ВО

При разработке конструкции необходимо учитывать следующие основные требования:

-Конструкция узла должна соответствовать условиям эксплуатации

-Узел 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

-Особое внимание должно быть уделено правильному выбору материалов, использованию новых химических материалов.

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” размещен на левой боковой стороне. Также здесь установлен индикатор включений устройства в сеть и  цифровые индикаторы для отображения задаваемого значения контролируемого параметра.

На боковой стенке располагается негерметичный разъем типа РМ2 на 4 контакта для подключения датчика и нагревателя соответственно, и держатель предохранителяCQ-225.

На противоположной боковой стенке установлена вилка ВП 1900 ОСТ 16.0.808.297-85 для подключения регулятора к промышленной сети 220В 50Гц.

Система автоматического контроля помещёна в корпус фирмы EUromas,  модели ЕT213(F). Части корпуса соединяются посредствам защелкивающихся креплений, что облегчает доступ к узлам системы при ремонте.

Все надписи выполняются на производстве, фирмой изготовителем.

Переключатель MRS-101-2C3-B имеет только два положения: включено – положение тумблера вверх, выключено – положение тумблера вниз. Корпус крепится четырьмя шурупами, которые врезаются по краям панели в специально подготовленные ниши в стене в горизонтальном положении.

Печатный узел крепится к корпусу также с помощью четырёх шурупов, которые врезаются через плату в выступы корпуса. Эти выступы изготавливаются литьём вместе с корпусом.

АС-DC преобразователь серииRID-125-2405 крепится к задней стенке корпуса четырьмя шурупами, также на заготовленные на производстве выступы. /9/, /10/

Заключение

В данном курсовом проекте разрабатывалась система автоматического регулирования, в ходе разработки производился расчёт параметров заданных устройств в частности световой индикации включения в сеть, питающих ключей световой индикации и мощности рассеивания электронного ключа. 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 сайтаwww.chip-dip.ru

11 ГОСТ 2.106-96 ЕСКД. Текстовые документы

12 ГОСТ 2.105-95 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам

13 СТП 1.001-2004 Правила оформления пояснительной записки курсового и дипломного проектов

14 ГОСТ 2.710-81 ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах

16 ГОСТ 23751-86 Платы печатные. Основные параметры конструкции

17 ГОСТ 2.702-75 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

61876. Ивритский алфавит – печатные буквы 441.5 KB
  Буквы алфавита Чтобы облегчить запоминание разделим буквы алфавита на 3 группы. Начните с первой: попробуйте переписать буквы несколько раз и старайтесь запомнить их название. Обратите внимание что буквы...
61878. Робота з папером. Композиція до української народної казки «Ріпка» 37.91 MB
  Мета: вчити аналізувати ілюстрації казки, відтворювати її зміст;закріпити вміння різати папір по кривих лініях; розвивати зв’язне мовлення, уяву, фантазії; виховувати акуратність у ході виконання робіт, любов до народної творчості.
61879. Условное форматирование 39.5 KB
  Применение таких параметров формата ячейки, как шрифт, наличие границы и цвет заливки ячейки, можно поставить в зависимость от ряда условий, например, пока значения в этих ячейках не достигнут некоторых контрольных значений.
61880. Организация физического воспитания 262.5 KB
  Влажная уборка проводится ежедневно 2 раза в день после 3 урока физкультуры первой смены и перед началом первого урока физкультуры второй смены при открытых фрамугах силами преподавателей физкультуры. Подвижные игры на переменах физкультурные минутки на уроках проводятся но не во всех классах.
61881. Финансовый анализ в ms excel. Функции для анализа инвестиций 1.29 MB
  Функция П3 вычисляет текущую стоимость ряда равных по величине периодических выплат или единовременной выплаты периодические выплаты постоянной величины называют обыкновенной рентой.